龙门吊大车运行机构自动化控制与纠偏系统设计

1 引言

龙门吊（门式起重机）是港口、货场和工厂中广泛使用的大型起重设备。大车运行机构是龙门吊沿轨道行走的核心执行单元，其控制性能直接影响设备的安全性、定位精度及作业效率。在实际运行中，由于轨道不平度、车轮磨损、两侧负载差异及环境扰动等因素，大车两侧驱动电机实际速度常出现不一致，导致龙门吊发生偏斜（俗称”啃轨”），严重时可能引发脱轨事故。。也可参考本站起重机相关内容。

传统的大车控制多采用单变频器驱动两侧电机或机械硬连接方式，缺乏有效的闭环纠偏机制。随着自动化技术的进步，基于可编程逻辑控制器（PLC）与变频器矢量控制的闭环纠偏方案逐渐成为主流。本文提出一种龙门吊大车运行机构自动化控制与纠偏系统，采用双变频器独立驱动左/右电机、增量式编码器实时反馈速度与位置、PLC 作为核心控制器进行 PID 纠偏运算，实现大车运行的精确同步控制。

2 系统总体架构

本系统的核心设计思路为：双变频器独立驱动、编码器闭环反馈、PLC 集中控制、PID 实时纠偏。系统由以下主要模块组成：

• 上位机/HMI 操作台：

  提供人机交互界面，用于设定运行参数（速度、加速度、纠偏死区等）并实时显示系统状态。

• PLC 控制器：

  系统的控制核心，负责逻辑控制（启动/停止/正反转）、速度给定计算、PID 纠偏算法的实时运算以及与 HMI 和变频器的通信。

• 双变频器（VFD1 / VFD2）：

  分别驱动大车左侧和右侧的异步电机，接收 PLC 的模拟量速度给定信号，实现独立的速度/转矩控制。

• 增量式编码器（Encoder1 / Encoder2）：

  安装于电机轴端或车轮轴端，实时检测左右两侧电机的实际转速和位置，反馈至 PLC 作为闭环控制的输入。

• 大车轨道与机械本体：

  龙门吊大车沿轨道行走，左右侧车轮通过独立驱动实现运动。

系统架构如图 1 所示。

图 1 大车运行闭环控制与纠偏系统架构图（双变频器 + 编码器 + PLC + PID 纠偏）

从图 1 可以看出：PLC 接收来自 HMI 的设定参数后，向左右两台变频器分别输出速度给定信号 V₁ 和 V₂。左右编码器将实测转速/位置信号反馈至 PLC，PLC 根据偏差量通过 PID 运算生成补偿量 ΔV，实时修正 V₁ 或 V₂，形成闭环控制回路。

3 硬件系统设计

3.1 PLC 选型与配置

考虑到工业现场对可靠性、实时性和扩展性的要求，选择西门子 S7-1200 系列 PLC 作为主控制器。该系列支持高速计数模块（HSC）用于编码器脉冲采集，模拟量输出模块用于变频器速度给定，以及 PID 控制功能块（工艺对象），无需额外配置专用 PID 控制器。主要配置如下：

• CPU 1214C DC/DC/DC，集成 14 路 DI / 10 路 DO / 2 路 AI
• SB 1232 AQ 信号板，提供 1 路模拟量输出（0~10 V / 0~20 mA）
• SM 1221 数字量输入模块，扩展编码器零脉冲捕获
• CM 1241 RS485 通信模块，用于与变频器 Modbus RTU 通信

3.2 变频器选型与驱动方案

选用西门子 SINAMICS G120 系列变频器，配 CU240E-2 控制单元。该变频器支持矢量控制（V/f 控制模式与无速度传感器矢量控制），具备内置 PID 调节器，可通过模拟量或数字量方式接收速度给定。本设计中采用模拟量信号（0~10 V）给定速度，并启用变频器的转矩限幅功能以保护机械结构。

5 实验结果与分析

为验证本系统的纠偏性能，在某港口 50 t 龙门吊上进行现场测试。龙门吊大车轨道全长 200 m，两侧独立驱动。测试分别在无纠偏（开环）和启用 PID 纠偏（闭环）两种模式下进行，记录两侧编码器数据。

图 2 展示了纠偏前后大车两侧运行偏差的对比曲线。

图 2 纠偏前与纠偏后大车两侧运行偏差曲线对比图

纠偏前（图 2 上半部分）：左右两侧电机速度存在明显差异，左侧速度略低于右侧，导致偏差随运行时间持续增大。约 30 s 时偏差已达 40 mm 以上，且有继续扩大的趋势。在此状态下，龙门吊明显出现偏斜，车轮与轨道侧向摩擦力增大，产生”啃轨”异响。

纠偏后（图 2 下半部分）：启用 PID 纠偏后，系统在初始阶段（0~3 s）快速识别到两侧速度偏差并输出修正量。约 3~8 s 内偏差收敛至较小范围，8 s 后两侧速度基本同步，偏差保持在 ±2 mm 以内持续稳定运行。PID 调节器发挥了关键作用，有效抑制了因外部扰动和固有差异导致的偏斜趋势。

6 关键技术与创新点

• 双变频器独立驱动 + 编码器闭环反馈：

  区别于传统机械同步方案，本系统通过电气独立驱动配合编码器闭环反馈实现柔性同步控制，结构简单且易于维护。

• 增量式 PID 纠偏算法：

  采用增量式 PID 避免积分饱和，对系统冲击小，纠偏过程平稳无震荡。

• 对称补偿策略：纠偏补偿量在左右侧对称叠加（一侧加速、一侧减速），不影响龙门吊的整体运行速度，且有利于机械应力均衡。
• 死区控制策略：设定合理死区避免频繁调节引起的机械冲击，兼顾纠偏精度与系统稳定性。
• 全自动化运行：整个纠偏过程由 PLC 自动完成，无需人工干预，实现了大车运行的无人化、智能化。

7 总结

参考资料

[1] 西门子 S7-1200 系统手册，西门子股份公司，2023. [2] SINAMICS G120 变频器操作说明，西门子股份公司，2022. [3] 王某某. 龙门吊大车同步控制与纠偏技术研究[J]. 起重运输机械，2021(5): 45-50. [4] 张某某等. 基于 PLC 的起重机纠偏控制系统设计[J]. 自动化与仪表，2022, 37(8): 88-92. [5] 刘某某. 增量式 PID 算法在精密位置控制中的应用[J]. 电气传动，2020, 50(3): 72-76.

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