CN103043553A - 水文绞车控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水文绞车控制系统及方法，系统包括PLC控制单元、HMI显示设定单元、应急控制接触器单元、旋转编码器、变频器、变频制动电机、滚筒减速机、角度传感器，HMI显示设定单元与PLC控制单元相连，PLC控制单元对应急控制接触器单元、变频器进行控制，所述应急控制接触器单元、变频器与变频制动电机相连，变频制动电机与滚筒减速机相连驱动减速机带动滚筒工作，旋转编码器检测滚筒减速机的状态信号输送至PLC控制单元和变频器，角度传感器将角度信号输送至PLC控制单元。本系统能够精确测算收、放钢丝绳的长度、速度及相对水深，将设备准确、稳定送到指定位置完成测绘作业。

Description

水文绞车控制系统及方法

技术领域

 本发明涉及水文绞车，尤其涉及水文绞车的收放缆控制系统及方法,属于船舶水文测量技术领域。

背景技术

水文绞车作为船用水文测量设备，一般在江河的水文测量船上使用，是在进行水文测验时，把水文测验仪器设备（铅鱼）送到指定检测点位置进行水文采样的专用机械传动升降装置。

现有技术的水文绞车存在以下一系列问题：如吊臂主要为硬支撑结构吊臂，实际装船安装空间需求较大，不能够进行灵活收放处理；滚筒采用多层绕线方式，滚筒上每一圈的钢丝绳的长度均不相同，无法有效保证现场收放钢丝绳的速度，实际下放长度也无法准确计算得出；计算相对水深时，未作钢丝绳入水角度信号补偿，只能粗略计算出钢丝绳的长度，无法计算水文设备此时的相对水深位置。还有，传统的水文绞车在水文测量装置触底后无法立即知悉，设备触底后，只能通过直接观察钢丝绳的张紧程度判定，造成测量装置触底后延迟一段时间才能判断已经触底，缺乏对负载下放深度的有效监控，持续触底易损坏测量设备。现有技术在设备底部加装触底信号传感器以判断是否触底，这样就需要增加水下电缆，钢丝绳和电缆需要做到同步收放，增加了设备制造成本，也给系统带来了新的不可靠因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水文绞车控制系统及方法，解决准确测算绞车收、放钢丝绳长度，准确测算当前收、放钢丝绳速度，准确测算相对水深，对负载下放深度进行有效监控的技术问题。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种水文绞车控制系统，包括PLC控制单元1、HMI显示设定单元2、应急控制接触器单元3、旋转编码器4、变频器5、变频制动电机6、滚筒减速机7、角度传感器8，所述HMI显示设定单元2与PLC控制单元1相连，用于显示、设定控制参数，所述应急控制接触器单元3、变频器5与PLC控制单元1相连，PLC控制单元1对应急控制接触器单元3、变频器5进行控制，所述应急控制接触器单元3、变频器5与变频制动电机6相连，变频制动电机6与滚筒减速机7相连驱动减速机带动滚筒工作，所述旋转编码器4检测滚筒减速机7的状态信号输送至PLC控制单元1和变频器5，所述角度传感器8测量水文绞车钢丝绳的X轴向角度并将角度信号输送至PLC控制单元1。

一种水文绞车控制方法，角度传感器8输出信号为4～20mA，量程为-45°～45°，对应PLC内部数据为0～32767，垂直角度时信号为12mA,PLC采集的实际角度信号为B,则：

当钢丝绳入水角度≥90°，钢丝绳角度α=（B×

+4）×

；

当钢丝绳入水角度＜90°，钢丝绳角度α=[12-（B×

+4）+12]×[90÷（20-4)]；

水文绞车滚筒直径为D1，钢丝绳直径为D2，光电编码器每圈发出的计数脉冲为n个/圈，光电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A,则：

单圈滚筒绕线钢丝绳长度 L1=π×（D1 + D2）；

每个脉冲对应的钢丝绳拉出长度 L2=L1÷n；

当前采样周期内的收、放钢丝绳缆速度 V = L2 × M；

当前收、放钢丝绳长度 L3 = L2 × A；

负载未触底下放相对水深 L水=COSα× L3 。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1．系统能够精确测算收、放钢丝绳的长度、速度及相对水深，能把下放设备准确、稳定地送到指定位置，便于工作人员方便快捷的完成测绘作业，保证航道测绘的作业安全。2. 以PLC和变频器为控制核心，控制系统直接驱动变频电机，变频电机通过减速机传动到滚筒，优化调速性能，负载收、放保持稳态，优化制系统的结构，整个系统结构简单，线路简洁明了，可靠性高。

附图说明

图1是本发明的控制系统图；

图2是水文绞车上升控制流程图；

图3是水文绞车下放控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本实例是某水文测量船的水文绞车装置。测量参数：测量水深70M，最大收、放钢丝绳速度要求≥20M/min,常规水文测量设备重量约为70kg。绞车的机械传动部分主要包括，变频制动电机，减速机，钢丝绳滚筒，导向轮，舞线轮张紧装置，折叠吊臂。如图1所示，水文绞车控制系统包括PLC控制单元1、HMI显示设定单元2、应急控制接触器单元3、旋转编码器4、变频器5、变频制动电机6、滚筒减速机7、角度传感器8，所述HMI显示设定单元2与PLC控制单元1相连，用于显示、设定控制参数，所述应急控制接触器单元3、变频器5与PLC控制单元1相连，PLC控制单元1对应急控制接触器单元3、变频器5进行控制，所述应急控制接触器单元3、变频器5与变频制动电机6相连，变频制动电机6与滚筒减速机7相连驱动减速机带动滚筒工作，所述旋转编码器4检测滚筒减速机7的状态信号输送至PLC控制单元1和变频器5，所述角度传感器8测量水文绞车钢丝绳的X轴向角度并将角度信号输送至PLC控制单元1。

水文测量室的滚筒上的钢丝绳通过导向轮和舞线轮张紧装置将钢丝绳从固定在上甲板上折叠吊臂内的滑轮装置引出，将水文测量设备悬挂在钢丝绳的出绳端。吊臂采用折叠形式安装，通过绕线手轮，可快速将吊臂下放至工作位置。当测量完需要迅速撤离航道时，可通过绕线手轮将吊臂收回吊架内，保证了航道测量的安全性和快速性。采用单层滚筒结构形式，确保滚筒上每圈电缆的长度均相同。

滚筒的轴端安装光电编码器，编码器的旋转轴和滚筒的旋转轴在同一个同心圆上，排绳轮或导向轮的旋转中心轴上配置增量型光电编码器，光电编码器发送计数脉冲信号至PLC。

光电编码器的配置补偿了异步电动机启动时的失速。

控制面板设定水面清零按钮，在测量设备触水时按下，将PLC内部寄存区的光电编码器器的累计脉冲值清零，保证了钢丝绳的实际下水深度的精度控制。

PLC内部对光电编码器的累计脉冲信号进行掉电保持运算处理，在设备运行过程中，若系统突然掉电，设备将悬停在水中。系统再次上电时，可记忆原设备悬停位置参数。

增量型光电编码器发出的累计脉冲总数对应缆绳的收、放钢丝绳长度。

增量型光电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、放钢丝绳的速度，并可通过变频器反馈速度信号进行速度校准。

吊臂首端安装活页结构，外部安装X轴向角度传感器，内部配置井字棍保证钢丝绳出线，这样，当负载随水流移动时，钢丝绳向一定方向拉出角度，角度传感器将角度信号发送至PLC处理单元。用于计算负载未触底状态下的相对水深。

根据上述测算，X轴向角度传感器输出信号为4～20mA，量程为-45°～45°，采样精度为8位，满足PLC采样需求，垂直角度时为12mA,对应PLC内部数据为0～32767，设PLC采集实际角度信号B,则：

当钢丝绳入水角度≥90°，角度计算为α=（B×

+4）×;

当钢丝绳入水角度＜90°，角度计算为α=[12-（B×

+4）+12]×[90÷（20-4)]

滚筒上钢丝绳通过滑动式轴套将钢丝绳垂直向上引出，固定在上部的导向轮将钢丝绳的出绳方向改为水平出线，经过舞线轮张紧装置至折叠吊臂。工作时，滚筒正向旋转和反向旋转以收、放钢丝绳，增量型光电编码器每转动一圈，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，只要累计了增量型光电编码器发出的脉冲总数，就能获得精确的缆绳的收、放钢丝绳长度；如果缆绳的收/放缆速度发生了变化，则在一个采样周期内，增量型光电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。

根据上述测算，假设水文绞车配置如下，滚筒直径为355mm，钢丝绳直径为6mm，光电编码器每圈发出的计数脉冲为360个/圈，光电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A,则：

单圈滚筒绕线钢丝绳长度 L1=π×（355 + 6）≈1133.5mm≈1.13m；

每个脉冲对应的钢丝绳长度拉出长度L2=L1÷n=1.13÷360≈0.00314m；

当前采样周期内的收、放钢丝绳缆速度 V = L2 × M=0.00314× M,若需速度满足≥20M/min，计算可得 M≥

÷0.00314≈10个/秒。

当前收、放钢丝绳长度 L3 = L2 × A=0.00314× A。

负载未触底下放相对水深 L水=COSα× L3。

系统打开后，进入自检状态，包括内容，吊架到位状态，变频器通讯及工作状态，钢丝绳张紧状态，PLC寄存器数据状态。

测量设备正常下放时，电机按照设定的加速曲线在规定时间内达到设定速度。如规定设定速度为20M/min,加速时间为10s,则系统在规定时间内达到规定速度要求的加速度a=

÷10≈0.034m/s2。

在自动模式下设定下放深度参数，PLC会依据设定参数自动调整下放钢丝绳长度。可设定安全减速区，即当测量设备接近预置深度时，系统自动降速。如原下放速度为20M/min,降速范围为10m,则系统在规定深度范围内达到静止状态要求的减速时间为=10÷

≈30s。

本装置以PLC和变频器为控制核心，PLC和变频器采用标准工业总线进行数据交换，减少线路接线，系统结构简洁，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。

正常工作状态下，由于水下提升或下方测量装置为位能性负载，变频器启动变频电机运行时，采用V/f控制方式，此时电机从静止状态按照设定提升速度时间开始加速，在规定时间范围内达到设定速度。保证电机的安全运行。

变频器中设定力矩保护，当负载力矩超过保护设定力矩时，系统发出声光报警并做降速处理，保证设备的安全性。

通过速度控制旋钮和HMI设定面板可调节水文绞车的收、放钢丝绳的速度，在水文绞车运行时，也可通过速度控制旋钮和HMI设定面板对钢丝绳的收、放速度进行实时调节。

为满足系统的实际使用和操作系统的安全性，系统操作设置3种模式，应急操作模式，正常手动操作模式，自动操作模式：

应急模式，在系统调试、变频器故障时将选择开关打到应急位置，此时系统越过控制变频器工作，采用旁路工频供电，通过应急操作单元按钮控制负载的升降，系统全速运行，不进行钢丝绳长度计算；

正常手动模式，手动操作正常操作单元的控制手柄，系统通过变频器控制负载的升降，可通过面板速度设定旋钮控制收、放钢丝绳速度；系统起动时做起动加速时间保护设定。

自动模式，通过HMI操作面板设定下放速度及下放长度，系统通过PLC自动运算后控制变频器运行达到设定需求。系统起动时做起动加速时间保护设定，到位停止区间时，系统按照设定降速需求，做降速处理，保证测量设备的稳态。

如图2所示是水文绞车上升控制流程图；如图3所示是水文绞车下放控制流程图。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (2)

1. 一种水文绞车控制系统，其特征在于，包括PLC控制单元（1）、HMI显示设定单元（2）、应急控制接触器单元（3）、旋转编码器（4）、变频器（5）、变频制动电机（6）、滚筒减速机（7）、角度传感器（8），所述HMI显示设定单元（2）与PLC控制单元（1）相连，用于显示、设定控制参数，所述应急控制接触器单元（3）、变频器（5）与PLC控制单元（1）相连，PLC控制单元（1）对应急控制接触器单元（3）、变频器（5）进行控制，所述应急控制接触器单元（3）、变频器（5）与变频制动电机（6）相连，变频制动电机（6）与滚筒减速机（7）相连驱动减速机带动滚筒工作，所述旋转编码器（4）检测滚筒减速机（7）的状态信号输送至PLC控制单元(1)和变频器(5)，所述角度传感器(8)测量水文绞车钢丝绳的X轴向角度并将角度信号输送至PLC控制单元(1)。

2.一种如权利要求1所述的水文绞车控制系统的控制方法，其特征在于，角度传感器输出信号为4～20mA，量程为-45°～45°，对应PLC内部数据为0～32767，垂直角度时信号为12mA,PLC采集的实际角度信号为B,则：

当钢丝绳入水角度≥90°，钢丝绳角度α=（B×                                               

+4）×

；

当钢丝绳入水角度＜90°，钢丝绳角度α=[12-（B×

+4）+12]×[90÷（20-4)]；

水文绞车滚筒直径为D1，钢丝绳直径为D2，光电编码器每圈发出的计数脉冲为n个/圈，光电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A,则：

单圈滚筒绕线钢丝绳长度 L1=π×（D1 + D2）；

每个脉冲对应的钢丝绳拉出长度 L2=L1÷n；

当前采样周期内的收、放钢丝绳缆速度 V = L2 × M；

当前收、放钢丝绳长度 L3 = L2 × A；

负载未触底下放相对水深 L水=COSα× L3 。

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