CN103663222A - 用于光电复合承重缆绳收放的电动绞车控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于光电复合承重缆绳收放的电动绞车控制装置和方法，所述装置包括操纵单元、摩擦绞车制动电阻、摩擦绞车变频器、摩擦绞车、摩擦绞车信号检测单元、工控机、交流电源、储缆绞车变频器、储缆绞车制动电阻和储缆绞车。所述方法采用了变频调速技术结合控制装置实现了摩擦绞车和储缆绞车的闭环控制以及二者之间的同步控制，同时结合多种信号检测提高了系统运行的安全性。

Description

用于光电复合承重缆绳收放的电动绞车控制装置和方法

技术领域：

本发明涉及一种用于光电复合承重缆绳收放的电动绞车控制装置和方法，特别涉及一种以变频方式驱动的绞车数字计算机控制装置和方法。 

背景技术：

绞车是一种常见的传动设备，应用在矿井、起重设备、深海探测、浮空器系留、救生设备、游乐设施等等各行各业，绞车与被拖动对象之间大部分采用钢丝绳连接，由于钢丝绳具有足够的强度和硬度，不怕挤压变形，安全性较高，因此广泛应用。但是如果绳索要求的长度较长，几百米甚至几千米时，钢丝绳自身的重量可能比拖动对象的重量还要大，势必要求驱动功率大大增加，这是其一；其二，如果被拖动对象本身是一个需要有线供电的设备，甚至其上的设备需要和其它设备间进行有线通讯，显然这时钢丝绳就不能作为拖动媒介了，采用光电复合承重缆绳就成为首选，它是由高分子材料作纤维来进行承重的，具有质量轻，抗拉强度高等优点，内部可嵌入光纤和电缆，因此可以解决长距离通讯、输电和承载等问题，但是这种缆绳在径向受到较大的挤压应力时不能保持圆形形状，也就说容易被压扁，破坏了内部的光纤和电缆。因此这种缆绳在拖动较大负载时，大量的缆绳以多层缠绕的方式存放在储缆卷筒上，如不采取措施，会造成里层的缆绳被外层的缆绳压扁，最里侧一层的缆绳最为严重。因此一个卷筒既具有拖动负载的功能又具有存放缆绳的功能对于这种缆绳是不适合的，需要把拖动功能和存放功能分开。为此，就需要两个绞车，二者配合，协调一致的工作。拖动负载的绞车除了直接带动负载外，还通过摩擦，减张力的原理，使其出绳端张力减小，因而称之为摩擦绞车；存放缆绳的绞车的任务就是使缆绳整齐存放，并使缆绳挤压应力小，这时需要设置一个进缆的张力，这个张力只需使缆绳能够绷直、不松弛即可，因此不需要很大的力就可实现，该绞车也称之为储缆绞车。 

上述摩擦绞车和储缆绞车之间通过光电复合承重缆绳连接起来，要使整个系统能够顺畅工作，二者之间必须能以某种方式协调起来。另外正是由于光电复合 承重缆绳的多功能性使得它的造价十分昂贵，在执行收放任务时如何有效地防止绞车系统可能对缆绳造成的破坏，提高缆绳的使用寿命，也是绞车控制系统面临的重大问题。 

发明内容：

本发明的目的就是针对光电复合承重缆绳的特点及其所带来的问题，提供一种安全性非常高的用于光电复合承重缆绳收放的电动绞车控制装置和方法。 

为了实现上述目的，本发明采用的控制装置包括： 

操作单元：用于人工输入收、放缆速度信号以及停车信号；所述操作单元由模拟量输出模块和开关量输出模块组成；模拟量输出模块的模拟量输出信号直接输出至摩擦绞车变频器，作为频率变化的信号源；开关量输出模块的开关量输出信号是输出操作单元的操作状态，是处于收、放还是停状态，所述开关量输出信号直接输出至工控机的信号采集模块； 

摩擦绞车制动电阻：用于在绞车系统放缆情况下，负载倒拖时，释放掉摩擦绞车减速电机处于发电状态所产生的电能；所述摩擦绞车制动电阻的输入端与摩擦绞车变频器的输出端连接； 

摩擦绞车变频器：用于为摩擦绞车提供变频电源以驱动摩擦绞车；所述摩擦绞车变频器需配置成速度伺服工作方式，还需配置其驱动电机的规格参数，最大转速，从0至最大转速之间的加减速时间等参数； 

摩擦绞车：用于直接拖动负载；所述摩擦绞车由摩擦绞车减速电机、装在摩擦绞车减速电机尾部的摩擦绞车编码器、摩擦绞盘和负载组成；所述摩擦绞车编码器装在摩擦绞车减速电机尾部，并把摩擦绞车减速电机的速度信号以脉冲编码的格式反馈到摩擦绞车变频器；所述摩擦绞盘由一对上下布置的绞盘构成，每个绞盘开若干个半圆型绳槽，用于缆绳的缠绕；所述负载与缆绳连接，由缆绳拖动其运动； 

信号检测单元：用于检测摩擦绞车状态； 

工控机：用于对摩擦绞车和储缆绞车的逻辑控制，同时使显示所述控制装置状态参数； 

所述工控机由信号输出模块、信号处理模块、信号采集模块和通讯模块组成；所述信号输出模块具有两组继电器输出信号，一组输出至摩擦绞车变频器，另一组输出至储缆绞车变频器；所述信号处理模块用于处理信号采集模块采集的信号并通过信号输出模块输出控制指令；所述信号采集模块采集由开关量输出模块传送过来的开关量输出信号和信号检测单元传送过来的模拟量信号；所述通讯模块用于信号处理模块与两个变频器的通讯； 

交流电源：分别与摩擦绞车变频器和储缆绞车变频器连接，用于提供交流电源； 

储缆绞车变频器：用于为储缆绞车提供变频电源以驱动储缆绞车； 

储缆绞车制动电阻：用于在储缆绞车减速电机被倒拖情况下，释放掉储缆绞车减速电机处于发电状态所产生的电能；所述储缆绞车制动电阻的输入端与储缆绞车变频器的输出端连接； 

储缆绞车：用于存放缆绳，并与摩擦绞车在运行控制中保持线速度同步；所述储缆绞车由储缆绞车减速电机、装在储缆绞车减速电机尾部的储缆绞车编码器、储缆卷筒和排缆机构组成；所述储缆绞车减速电机为储缆卷筒提供动力；所述储缆绞车编码器装在储缆绞车减速电机尾部，并把储缆绞车减速电机的转速信号以脉冲编码的格式反馈到储缆绞车变频器；所述储缆卷筒用来存放缆绳，并在储缆绞车减速电机驱动下保持与摩擦绞车线速度同步；所述排缆机构是用于缆绳在储缆卷筒上储缆，同时在排缆机构上装有放缆长度测量传感器以测量放出去的缆绳长度。 

用于光电复合承重缆绳收放的电动绞车控制装置的控制方法，控制步骤为： 

（1）开始，初始化； 

（2）设定一个循环周期时间； 

（3）根据操作单元的开关量输出模块对操作单元的操作状态进行判断装置是否处于启动状态，如果不是，则继续对操作单元的状态进行判断，如果是，进入下一步； 

（4）储缆绞车启动并运行； 

（5）延时预设的时间； 

（6）摩擦绞车启动并运行，拖动负载运动； 

（7）根据操作单元的开关量输出模块的输出指令判断装置是否停车，如果没有停车指令，则又回到步骤（4），循环执行；如果有停车指令，则进入下一步； 

（8）摩擦绞车停车； 

（9）判断摩擦绞车速度是否为0，如果不为0，则在此继续等待，如果为0，进入下一步； 

（10）储缆绞车停车； 

（11）周期循环过程是否需要结束，如果不是，则回到步骤3；如果是，则进入下一步； 

（12）结束。 

本发明的优点和有益效果是： 

（1）实现了摩擦绞车和储缆绞车两个绞车的协调控制，使得排缆整齐。由于摩擦绞车是速度控制方式，储缆绞车是力矩控制方式，摩擦绞车减速电机是大功率、大扭矩的电机，直接驱动负载，是负载速度控制的实施者；储缆绞车减速电机是小功率、小扭矩的电机，其负载是进入到储缆绞车的缆绳张力，且该张力实质是由储缆绞车减速电机自身控制的，因为储缆绞车是力矩控制方式，且储缆绞车始终设置为收缆运动。当整个绞车系统处于放缆状态时，摩擦绞车处于正常的放缆工况，尽管此时储缆绞车设置为收缆运动，但是由于其输出力矩远小于摩擦绞车，因此被摩擦绞车倒拖成放缆运动；当整个绞车系统处于收缆状态时，摩擦绞车处于正常的收缆工况，此时储缆绞车仍设置为收缆运动，如果没有缆绳的缠绕，储缆绞车的速度由于没有外负载而变得越来越快，甚至飞车，但是实际中由于缆绳的牵扯，储缆绞车想快而快不起来，被迫跟随摩擦绞车线速度同步； 

（2）整个绞车系统安全措施完备。在系统停车状态下，为避免电机刹车失效而造成负载失控，设置了机械制动装置，当该机械制动装置处于制动状态时，如果启动绞车系统，由于程序的控制，系统不会启动；在收放过程中出现摩擦绞车与储缆绞车不同步报警、排缆故障报警、缆绳张力超限报警、失速报警时系统会自动减速停车，避免了急停造成的冲击；在放缆过程出现放缆至最后一层报警， 系统自动减速到一固定值继续运行，避免由于人工的疏忽造成缆绳放空而造成事故；在收缆过程中出现收缆到最后20米报警，系统自动减速到一固定值继续运行，出现收缆到最后5米报警，系统会自动减速停车，避免由于人工的疏忽造成负载被卷进绞车的事故；同时由于缆绳整个长度过长，造成放出去和收回来的长度显示有误差，放出去的起点位置和收回来的终点位置不一致，系统还设置了放缆长度修改功能；另外操作单元还具有中位自锁功能，避免人体不小心触碰操作单元造成意外收、放操作； 

（3）整个绞车系统操作简单，在全部设备上电后，只需对操作单元实施一维操作运动即可实现收、放操作，控制界面简洁、直观。 

附图说明

图1是本发明实施例的用于光电复合承重电缆收放的电动绞车控制方法硬件构成方框图； 

图2是图1中信号检测单元的信号构成图； 

图3是本发明实施例的缆绳走线示意图； 

图4是本发明实施例的用于光电复合承重电缆收放的电动绞车控制方法流程图。 

具体实施方式

如图1所示是本发明实施例的用于光电复合承重电缆收放的电动绞车控制方法硬件构成方框图，它包括： 

操作单元110：用于人工输入收、放缆速度信号以及停车信号；所述操作单元110具有由模拟量输出模块111和开关量输出模块112，模拟量输出模块111与摩擦绞车变频器130连接；开关量输出模块112与工控机160的信号采集模块163连接； 

摩擦绞车制动电阻120：用于在绞车系统放缆情况下，负载倒拖时，释放掉摩擦绞车减速电机处于发电状态所产生的电能；所述摩擦绞车制动电阻120与摩擦绞车变频器130连接； 

摩擦绞车变频器130：用于为摩擦绞车140提供变频电源以驱动摩擦绞车140；所述摩擦绞车变频器130还与摩擦绞车编码器141连接，还与摩擦绞车减速电机142连接； 

摩擦绞车140：用于直接拖动负载，同时通过摩擦的原理使负载产生的张力逐渐衰减，使得进入到储缆绞车的缆绳张力很小；所述摩擦绞车140由摩擦绞车减速电机142、摩擦绞车编码器141、摩擦绞盘143和负载144组成；所述摩擦绞车编码器141与摩擦绞车减速电机142连接；所述摩擦绞盘143和所述负载144连接； 

信号检测单元150：用于检测摩擦绞车和储缆绞车中关键部位的状态；所述信号检测单元150见图2描述； 

工控机160：用于对摩擦绞车140和储缆绞车200的逻辑控制，同时使显示系统状态参数；所述工控机由信号输出模块161、信号处理模块162、信号采集模块163和通讯模块164组成。所述信号输出模块161与摩擦绞车变频器130连接，还与储缆绞车变频器180连接；所述信号采集模块163还与信号检测单元150连接；所述通讯模块164与摩擦绞车变频器130连接，还与储缆绞车变频器180连接； 

交流电源170：用于为整个绞车系统提供交流电源；所述交流电源170与摩擦绞车变频器130连接，还与储缆绞车变频器180连接； 

储缆绞车变频器180：用于为储缆绞车200提供变频电源以驱动储缆绞车200； 

储缆绞车制动电阻190：用于在储缆绞车减速电机201被倒拖情况下，释放掉储缆绞车减速电机201处于发电状态所产生的电能；所述储缆绞车制动电阻190与储缆绞车变频器180连接； 

储缆绞车200：用于整齐地存放缆绳，并与摩擦绞车140在运行控制中保持线速度同步。所述储缆绞车200由储缆绞车减速电机201、储缆绞车编码器202、储缆卷筒203和排缆机构204组成；所述储缆绞车减速电机201与所述储缆绞车编码器202连接，还与所述储缆卷筒203连接；所述储缆绞车编码器202还与储缆绞车变频器180连接；所述排缆机构204与储缆卷筒203连接。 

如图2所示是图1中信号检测单元的信号构成图，其采集的信号包括： 

位于摩擦绞车140中的缆绳张力检测151； 

位于摩擦绞车140中的机械制动检测152； 

位于储缆绞车200中的放缆长度检测153； 

位于储缆绞车200中的放缆到最后一层检测154； 

位于储缆绞车200中的排缆故障检测151； 

上述5种信号均与所述工控机160的信号采集模块163连接。 

如图3所示是本发明实施例的缆绳走线示意图，说明如下： 

缆绳1在一对上下布置的摩擦绞盘2上经过多圈缠绕的方式进入到导轮3，再经1/4圈后缠绕在储缆卷筒5上，导轮3可在排缆丝杠4上来回移动，导论3和储缆卷筒5之间通过链传动方式保持同步。 

如图4所示是本发明实施例的用于光电复合承重电缆收放的电动绞车控制方法流程图。所述控制方法步骤如下： 

（1）步骤10开始，初始化； 

（2）步骤11设定一个循环周期时间； 

（3）步骤12根据操作单元的开关量输出模块对操作单元的操作状态进行判断装置是否处于启动状态，如果不是，则继续对操作单元的状态进行判断，如果是，进入下一步； 

（4）步骤13储缆绞车启动并运行； 

（5）步骤14延时预设的时间； 

（6）步骤15摩擦绞车启动并运行，拖动负载运动； 

（7）步骤16根据操作单元的开关量输出模块的输出指令判断装置是否停车，如果没有停车指令，则又回到步骤（13），循环执行；如果有停车指令，则进入下一步； 

（8）步骤17摩擦绞车停车； 

（9）步骤18判断摩擦绞车速度是否为0，如果不为0，则在此继续等待，如果为0，进入下一步； 

（10）步骤19储缆绞车停车； 

（11）步骤20周期循环过程是否需要结束，如果不是，则回到步骤12；如果是，则进入下一步； 

（12）步骤20结束。 

在上述步骤中如果出现报警情况，采取的措施如下表所示： 

表1 

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Claims (2)

1.一种用于光电复合承重缆绳收放的电动绞车控制装置，其特征是所述装置包括：

操作单元：用于人工输入收、放缆速度信号以及停车信号；所述操作单元由模拟量输出模块和开关量输出模块组成；模拟量输出模块的模拟量输出信号直接输出至摩擦绞车变频器，作为频率变化的信号源；开关量输出模块的开关量输出信号是输出操作单元的操作状态，是处于收、放还是停状态，所述开关量输出信号直接输出至工控机的信号采集模块；

摩擦绞车制动电阻：用于在绞车系统放缆情况下，负载倒拖时，释放掉摩擦绞车减速电机处于发电状态所产生的电能；所述摩擦绞车制动电阻的输入端与摩擦绞车变频器的输出端连接；

摩擦绞车变频器：用于为摩擦绞车提供变频电源以驱动摩擦绞车；所述摩擦绞车变频器需配置成速度伺服工作方式，还需配置其驱动电机的规格参数，最大转速，从0至最大转速之间的加减速时间等参数；

摩擦绞车：用于直接拖动负载；所述摩擦绞车由摩擦绞车减速电机、装在摩擦绞车减速电机尾部的摩擦绞车编码器、摩擦绞盘和负载组成；所述摩擦绞车编码器装在摩擦绞车减速电机尾部，并把摩擦绞车减速电机的速度信号以脉冲编码的格式反馈到摩擦绞车变频器；所述摩擦绞盘由一对上下布置的绞盘构成，每个绞盘开若干个半圆型绳槽，用于缆绳的缠绕；所述负载与缆绳连接，由缆绳拖动其运动；

信号检测单元：用于检测摩擦绞车和储缆绞车的状态；

工控机：用于对摩擦绞车和储缆绞车的逻辑控制，同时显示所述控制装置状态参数；

所述工控机由信号输出模块、信号处理模块、信号采集模块和通讯模块组成；所述信号输出模块具有两组继电器输出信号，一组输出至摩擦绞车变频器，另一组输出至储缆绞车变频器；所述信号处理模块用于处理信号采集模块采集的信号并通过信号输出模块输出控制指令；所述信号采集模块采集由开关量输出模块传送过来的开关量输出信号和信号检测单元传送过来的模拟量信号；所述通讯模块用于信号处理模块与两个变频器的通讯；

交流电源：分别与摩擦绞车变频器和储缆绞车变频器连接，用于提供交流电源；

储缆绞车变频器：用于为储缆绞车提供变频电源以驱动储缆绞车；

储缆绞车制动电阻：用于在储缆绞车减速电机被倒拖情况下，释放掉储缆绞车减速电机处于发电状态所产生的电能；所述储缆绞车制动电阻的输入端与储缆绞车变频器的输出端连接；

储缆绞车：用于存放缆绳，并与摩擦绞车在运行控制中保持线速度同步；所述储缆绞车由储缆绞车减速电机、装在储缆绞车减速电机尾部的储缆绞车编码器、储缆卷筒和排缆机构组成；所述储缆绞车减速电机为储缆卷筒提供动力；所述储缆绞车编码器装在储缆绞车减速电机尾部，并把储缆绞车减速电机的转速信号以脉冲编码的格式反馈到储缆绞车变频器；所述储缆卷筒用来存放缆绳，并在储缆绞车减速电机驱动下保持与摩擦绞车线速度同步；所述排缆机构是用于缆绳在储缆卷筒上储缆，同时在排缆机构上装有放缆长度测量传感器以测量放出去的缆绳长度。

2.一种如权利要求1所述的用于光电复合承重缆绳收放的电动绞车控制装置的控制方法，其特征在于，控制步骤为：

（1）开始，初始化；

（2）设定一个循环周期时间；

（3）根据操作单元的开关量输出模块对操作单元的操作状态进行判断装置是否处于启动状态，如果不是，则继续对操作单元的状态进行判断，如果是，进入下一步；

（4）储缆绞车启动并运行；

（5）延时预设的时间；

（6）摩擦绞车启动并运行，拖动负载运动；

（7）根据操作单元的开关量输出模块的输出指令判断装置是否停车，如果没有停车指令，则又回到步骤（4），循环执行；如果有停车指令，则进入下一步；

（8）摩擦绞车停车；

（9）判断摩擦绞车速度是否为0，如果不为0，则在此继续等待，如果为0，进入下一步；

（10）储缆绞车停车；

（11）周期循环过程是否需要结束，如果不是，则回到步骤3；如果是，则进入下一步；

（12）结束。

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