CN102336376A - 一种水文绞车收/放缆控制系统 - Google Patents

Abstract

一种水文绞车收/放缆控制系统，固定在甲板上的绕线筒上的缆绳拉出方向上前、后平行配置排绳轮和导向轮，缆绳拉出端绕经排绳轮和导向轮上缘后向下拉出、放入水中悬挂负载，排绳轮或导向轮的旋转中心轴上配置旋转编码器，旋转编码器发送计数脉冲信号至运动控制器，旋转编码器发出的累计脉冲总数对应缆绳的收/放缆长度，旋转编码器在当前采样周期内的计数脉冲数对应缆绳的当前收/放缆速度。本发明能够精确测算收/放缆绳长度、当前收/放缆速度及缆绳拉力；以运动控制为控制核心，控制系统直接驱动液压泵站的各种阀组阀件，整个系统结构简单，可靠性高，耐冲击、抗震动、防水防尘，更适合在船上或者户外移动中的设备上使用，方便用户安装和摆放。

Description

一种水文绞车收/放缆控制系统

技术领域

本发明涉及水文绞车，尤其涉及水文绞车收/放缆控制系统。

背景技术

水文绞车作为船用设备，一般在科研船和考察船上使用，是作为进行水文测验时，把水文测验仪器设备送到指定检测点位置的专用机械传动悬吊装置。

传统水文绞车的收/放缆控制系统主要包括可编程控制器(以下简称为PLC)、中间继电器、比例放大板、液压系统、绕线筒、缆绳，缆绳绕紧在绕线筒上，绕线筒上装有旋转编码器，旋转编码器信号连接PLC，PLC通过中间继电器、比例放大板控制液压系统驱动绕线筒转动以收放缆绳。

旋转编码器每转动一圈，向PLC发出一个脉冲信号，由于绕线筒上绕有多层缆绳，绕线筒每旋转一周收/放的缆绳长度是不一样的，外层缆绳的周长大、里层缆绳的周长小，PLC只能取一个平均值，估算当前绕线筒旋转一周收/放的缆绳长度，并累计缆绳收/放的总长度以获得负载的水下位置。同时，也是因为绕线筒每旋转一周，收/放的缆绳长度存在差异，即使是绕线筒是以某一恒定转速旋转的，里层缆绳和外层缆绳的收/放速度也是不一致的，因此水下负载不能以一恒定值上/下行。

传统的水文绞车收/放缆控制系统无法精确测量负载的水下位置、缺乏对负载下放速度的有效监控，随着负载下潜的深度加深，例如，目前有一种科研船需要水文设备下潜到水下6000米甚至更深的地方工作，此时计算值与水文设备实际位置之间的差异会变得非常大，水文设备传回的数据不能如实反映真实情况，同时下放速度无法监控，也存在一定的安全隐患。

同时，由于PLC作为控制核心，其控制回路的电流信号量远远小于用于驱动绕线筒的液压系统中电磁阀和比例阀的工作电流信号量，因此只能通过控制中间继电器和比例放大器放大信号后，再来驱动液压系统中的电磁阀和比例阀，当电液控制系统较为复杂时，往往需要控制较多阀组，这样中间回路即中间继电器和比例放大器就比较多，电液系统的控制线路非常复杂，系统的可靠性降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够精确测算收/放缆绳长度、当前收/放缆速度、并且电液系统回路结构简单、可靠性高的收/放缆控制系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种水文绞车收/放缆控制系统，其特征在于：

固定在甲板上的绕线筒上的缆绳拉出方向上前、后平行配置排绳轮和导向轮，缆绳拉出端绕经排绳轮和导向轮上缘后向下拉出、放入水中悬挂负载，

排绳轮或导向轮的旋转中心轴上配置旋转编码器，旋转编码器发送计数脉冲信号至运动控制器，

旋转编码器发出的累计脉冲总数对应缆绳的收/放缆长度，

旋转编码器在当前采样周期内的计数脉冲数对应缆绳的当前收/放缆速度，

如果缆绳收/放缆长度与目标长度之差大于设定值，运动控制器控制绕线筒转速、使安装了旋转编码器的排绳轮或导向轮以一设定速度旋转，

如果缆绳收/放缆长度与目标长度之差等于设定值，运动控制器控制绕线筒减速旋转，直至缆绳收/放缆长度等于目标长度，运动控制器制动绕线筒。

排绳轮位于绕线轮与导向轮之间，主要对拉出缆绳起到排线的作用，导向轮起到定向的作用。旋转编码器安装在排绳轮或导向轮上，工作时，绕线筒旋转以收/放缆绳，缆绳收/放带动排绳累代和导向轮旋转，排绳轮或导向轮上每旋转一圈，绕线筒收/放的缆绳长度就是绕在轮外周上一圈的缆绳长度；旋转编码器每转动一圈，发出若干个计数脉冲数，该数值为一恒定值，因此每个脉冲对应的实际缆绳拉出长度也是一个恒定值，只要累计了旋转编码器发出的脉冲总数，就能获得精确的缆绳的收/放缆长度；如果缆绳的收/放缆速度发生了变化，则在一个采样周期内，旋转编码器发出的计数脉冲数量也会发会变化，只要累计了当前采样周期内的计数脉冲数，就能获得对应的当前收/放缆速度，从而精确测算收/放缆绳长度和当前收/放缆速度。

根据以上的测算原理，如果假设安装了旋转编码器的排绳轮或导向轮直径为D，缆绳直径为d，旋转编码器每圈发出的计数脉冲数为n个/圈，旋转编码器当前采样周期内的计数脉冲数为M个/秒、编码器的累计脉冲总数为N，每个脉冲对应的实际缆绳拉出长度H＝π×(D+d)/n，则：

当前采样周期内的收/放缆速度V＝H×M，

当前收/放缆长度L＝H×N。

为保证数据的精确性及合理的数据量，一般来说，根据水文绞车需要下放的深度不同，旋转编码器每圈发出的计数脉冲数n优选为1024～9192个/圈，采样周期优选为10～100ms。

本装置以运动控制器为控制核心，由于运动控制器上的控制回路电流信号量能够满足液压泵站的工作电流信号量，因此运动控制器可以直接控制和驱动液压泵站的电磁阀和比例阀，无需其它中间回路，与传统控制系统相比较，结构更简洁，线路简单明了，大大提高了控制系统的可靠性；而且维护更加简单，减少了操作人员的维护工作。

此外，与传统的PLC相比，运动控制器具有高集成，高防护、体积小、防水防尘、抗震动、耐冲击等一些传统PLC不具备的特点，使整个控制系统更加小型化以及高防护等，非常适合户外和在移动中的设备上使用。

为保证负载上/下行时的速度稳定以及到达目标位置时的制动平稳，如果缆绳收/放缆长度与目标长度之差大于设定值，运动控制器控制绕线筒转速、使安装了旋转编码器的排绳轮或导向轮以一设定速度旋转以保证收/放缆速度稳定；如果缆绳收/放缆长度与目标长度之差等于设定值，即负载实际位置接近了目标位置后，运动控制器控制绕线筒减速旋转，直至缆绳收/放缆长度等于目标长度，运动控制器平稳制动绕线筒。

减速制动时，运动控制器可以匀速减速绕线筒，直至缆绳拉出长度等于目标拉出长度时，绕线筒转速均匀减少为0～0.1转/s制动；运动控制器也可以先将绕线筒转速减为收/放缆绳时速度的一半，直至缆绳拉出长度等于目标拉出长度时，再将绕线筒转速强制减少为0转/s制动，一般优选前者，制动更加平稳。

进一步的，考虑到水下设备的运动状态无法直接观测，可以在排绳轮或导向轮的旋转中心轴上配置张力传感器，张力传感器发出即时张力信号至运动控制器，当出现异常情况、如水文设备在水下被异物卡住时，此时张力信号值不会在设定范围值之内，运动控制器发出报警以提醒操作人员。

在控制原理上，如果张力传感器发出的张力信号对应的运动控制器内部数值为6400～32000，张力传感器量程为Tkn，即时张力信号数值为X，则：

缆绳即时拉力F＝T×(X-6400)/(32000-6400)。

再进一步，考虑到有时需要对设备进行检修和调试，此外还有负载位置微调及紧急情况下的制动，此时负载的上/下行动作会比较复杂，因此控制系统还可以包括手动控制模式以灵活调动水下负载：

手动操作运动控制器驱动绕线筒旋转及加、减速，

旋转编码器发送计数脉冲信号至运动控制器，

旋转编码器发出的累计脉冲总数对应缆绳的收/放缆长度，

当前采样周期内的计数脉冲数对应缆绳的当前收/放缆速度，

手动操作运动控制器制动绕线筒。

在此模式下，运动控制器主是起到将监测信息反馈给操作人员，由操作人员根据反馈信息进行判断后，再操作运动控制器去控制绕线筒正/反转及加、减速，操作更加灵活。

本发明的有益效果在于：

1、系统能够精确测算收/放缆绳长度、当前收/放缆速度及缆绳拉力，能把下放设备准确送到指定位置，便于操作人员方便快捷的完成作业；

2.以运动控制为控制核心，控制系统直接驱动液压系统中的各种阀组阀件，大大简化了电液控制系统的结构，整个系统结构简单，线路简洁明了，可靠性高；

3、与传统的PLC相比，运动控制器高集成、耐冲击、抗震动、防水防尘，更能适合在船上或者户外移动中的设备上使用；

4、整套装置的中间环节简单，设备少，体积小，防护等级高，方便用户安装和摆放。

附图说明

图1为现有控制系统的原理框图

图2为现有控制系统的原理框图

图3为本发明控制系统的侧视图

图4为本发明控制系统的俯视图

图3～4中：1为导向轮，2为张力传感器，3为缆绳，4为排绳轮，5为旋转编码器，6为丝杆，7为绕线筒，9为运动控制器，10为甲板，11为摇臂，12为微动开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1中，现有水文绞车的收/放缆控制系统主要包括PLC、中间继电器、比例放大板、液压系统、绕线筒、缆绳，绕线筒上装有旋转编码器，旋转编码器信号连接PLC，PLC通过中间继电器、比例放大板控制液压系统驱动绕线筒转动以收放缆绳。由于对缆绳收放长度、速度及拉力缺乏精确监控，传统水文绞车无法对于水下设备的位置及状况进行准确定位；同时，由于PLC作为控制核心，其控制回路的电流信号远远小于液压系统的工作电流信号量，因此只能通过控制中间继电器和比例放大器放大信号后，再来驱动液压系统的电磁阀和比例阀，当电液控制系统较为复杂时，往往需要控制较多阀组，这样中间回路即中间继电器和比例放大器就比较多，电液系统的控制线路非常复杂，系统的可靠性降低。

图2中，本发明水文绞车的收/放缆控制系统主要包括运动控制器，液压系统、绕线筒、缆绳、排绳轮、导向轮、旋转编码器、张力传感器，安装在排绳轮或导向轮上的旋转编码器和张力传感器信号连接运动控制器，运动控制器直接信号连接液压系统驱动绕线筒转动以收放缆绳。

图3～4为一种优选的配制方案，固定在甲板10上的绕线筒7上的缆绳3拉出方向上前、后平行配置排绳轮4和导向轮1，缆绳3拉出端绕经排绳轮4和导向轮1上缘后向下拉出、放入水中悬挂负载，

排绳轮4的旋转中心轴上配置旋转编码器5，旋转编码器5发送计数脉冲信号至运动控制器9，

旋转编码器5发出的累计脉冲总数对应缆绳3的收/放缆长度，

旋转编码器5在当前采样周期内的计数脉冲数对应缆绳3的当前收/放缆速度，

如果缆绳3收/放缆长度与目标长度之差大于设定值，运动控制器9控制绕线筒7转速、使安装了旋转编码器5的排绳轮4以一设定速度旋转，

如果缆绳3收/放缆长度与目标长度之差等于设定值，运动控制器9控制绕线筒7匀减速旋转，直至缆绳3收/放缆长度等于目标长度，绕线筒7转速减少为0～0.1转/s，运动控制器9制动绕线筒7。

根据以上的测算原理，如果假设安装了旋转编码器5的排绳轮4或导向轮1直径为D，缆绳3直径为d，旋转编码器5每圈发出的计数脉冲数为n个/圈，旋转编码器5当前采样周期内的计数脉冲数为M个/秒、旋转编码器5的累计脉冲总数为N，每个脉冲对应的实际缆绳3拉出长度H＝π×D+d/n，则：

当前采样周期内的收/放缆速度V＝H×M，

当前收/放缆长度L＝H×N。

旋转编码器5每圈发出的计数脉冲数n＝1024～9192个/圈，采样周期为10～100ms，如果水文设备需要下潜的深度为6000m左右，旋转编码器5每圈发出的计数脉冲数n优选为4096个/圈。

导向轮1的旋转中心轴上配置张力传感器2，张力传感器2发出即时张力信号至运动控制器9，如果张力信号值不在设定范围值之内，运动控制器9发出报警。假设张力传感器2发出的张力信号为4～20mA，对应的运动控制器9内部数值为6400～32000，张力传感器2量程为Tkn，即时张力信号对应的运动控制器9内部数值为X，则：

缆绳3即时拉力F＝T×(X-6400)/(32000-6400)。

控制系统还可以包括手动控制模式：手动操作运动控制器9驱动绕线筒7旋转及加、减速，旋转编码器5发送计数脉冲信号至运动控制器9，旋转编码器5发出的累计脉冲总数对应缆绳3的收/放缆长度，当前采样周期内的计数脉冲数对应缆绳3的当前收/放缆速度，手动操作运动控制器9制动绕线筒7。

Claims (7)

1.一种水文绞车收/放缆控制系统，其特征在于：

固定在甲板(10)上的绕线筒(7)上的缆绳(3)拉出方向上前、后平行配置排绳轮(4)和导向轮(1)，缆绳(3)拉出端绕经排绳轮(4)和导向轮(1)上缘后向下拉出、放入水中悬挂负载，

排绳轮(4)或导向轮(1)的旋转中心轴上配置旋转编码器(5)，旋转编码器(5)发送计数脉冲信号至运动控制器(9)，

旋转编码器(5)发出的累计脉冲总数对应缆绳(3)的收/放缆长度，

旋转编码器(5)在当前采样周期内的计数脉冲数对应缆绳(3)的当前收/放缆速度，

如果缆绳(3)收/放缆长度与目标长度之差大于设定值，运动控制器(9)控制绕线筒(7)转速、使安装了旋转编码器(5)的排绳轮(4)或导向轮(1)以一设定速度旋转，

如果缆绳(3)收/放缆长度与目标长度之差等于设定值，运动控制器(9)控制绕线筒(7)减速旋转，直至缆绳(3)收/放缆长度等于目标长度，运动控制器(9)制动绕线筒(7)。

2.根据权利要求1所述的水文绞车收/放缆控制系统，其特征在于：

设安装了旋转编码器(5)的排绳轮(4)或导向轮(1)直径为D，缆绳(3)直径为d，旋转编码器(5)每圈发出的计数脉冲数为n个/圈，旋转编码器(5)当前采样周期内的计数脉冲数为M个/秒、编码器的累计脉冲总数为N，每个脉冲对应的实际缆绳(3)拉出长度H＝π×(D+d)/n，则：

当前采样周期内的收/放缆速度V＝H×M，

当前收/放缆长度L＝H×N。

3.根据权利要求2所述的水文绞车收/放缆控制系统，其特征在于：所述旋转编码器(5)每圈发出的计数脉冲数n＝1024～9192个/圈，采样周期为10～100ms。

4.根据权利要求1所述的水文绞车收/放缆控制系统，其特征在于：所述排绳轮(4)或导向轮(1)的旋转中心轴上配置张力传感器(2)，张力传感器(2)发送即时张力信号至运动控制器(9)。

5.根据权利要求4所述的水文绞车收/放缆控制系统，其特征在于：设张力传感器(2)发出的张力信号对应的运动控制器(9)内部数值为6400～32000，张力传感器(2)量程为Tkn，即时张力信号数值为X，则：

缆绳(3)即时拉力F＝T×(X-6400)/(32000-6400)。

6.根据权利要求1所述的水文绞车收/放缆控制系统，其特征在于：

所述控制系统包括手动控制模式：

手动操作运动控制器(9)驱动绕线筒(7)旋转及加、减速，

旋转编码器(5)发送计数脉冲信号至运动控制器(9)，

旋转编码器(5)发出的累计脉冲总数对应缆绳(3)的收/放缆长度，

当前采样周期内的计数脉冲数对应缆绳(3)的当前收/放缆速度，

手动操作运动控制器(9)制动绕线筒(7)。

7.根据权利要求1所述的水文绞车电液控制系统，其特征在于：如果缆绳(3)收/放缆长度与目标长度之差等于设定值，运动控制器(9)控制绕线筒(7)匀速减速，直至缆绳(3)拉出长度等于目标拉出长度时，绕线筒(7)转速减少为0～0.1转/s。

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