CN104401877B - 四绳抓斗全自动运行监控系统及其同步控制方法 - Google Patents

Abstract

一种四绳抓斗全自动运行监控系统及其同步控制方法，四绳抓斗全自动运行监控系统的上位机通过工业以太网与监控单元和控制单元连接，监控单元通过RS‑485接口与控制单元连接，控制单元通过Profibus总线与传感检测单元和传动单元连接，执行单元通过电缆与传感检测单元和传动单元连接。其同步控制方法包括全自动控制方法和自动沉抓方法。不仅根据相应控制实现四绳抓斗的全自动运行，而且根据控制方法实现四绳抓斗的同步沉抓作业。能在抓斗沉抓过程中减少硬件损耗，延长设备的使用寿命。降低工人劳动强度，提高工作效率，减少因钢丝绳跳绳造成的经济损失。

Description

四绳抓斗全自动运行监控系统及其同步控制方法

技术领域

本发明涉及抓斗起重机领域，特别涉及抓斗起重机中的四绳抓斗全自动运行监控系统及其同步控制方法。

背景技术

在散货港口中，四绳抓斗起重机作为主要设备，负责对各类散货的装车、卸车、转堆、加料等作业，作业过程的主要环节是四绳抓斗的升降与沉抓。在以往的四绳抓斗起重机中，通过人工操作进行抓斗的下降与沉抓。故在下降时易造成抓斗与料堆发生碰撞，导致闭合钢丝绳跳出滑轮组。且在沉抓过程中，由于人工操作的局限性，导致起升和开闭机构不能协调配合，促使开闭电机经常单独受力，抓斗失去平衡，严重影响抓取效率和设备安全。

随着工业水平和自动控制技术的发展，起重机对控制系统的运行准确性要求越来越高。中国专利CN 2440793Y，公开日2001年8月1日，公开了一种四绳抓斗自动控制装置。该装置通过旋转盘和接近开关作为信号源，采用接触器实现对升降、开闭机构的控制。但因接触器控制的故障率较高，故其无法满足起重机日益严格的性能要求。中国专利CN10371270A，公开日2014年5月7日，公开了一种四绳抓斗起重机闭斗提升控制系统及方法。该控制系统及方法通过起升变频器对开闭变频器的跟随实现抓斗的闭斗提升。但因控制系统只能实现对起升和开闭电机的控制，且主从控制具有延迟性，故无法满足起重机的全自动运行要求，更无法满足现代起重机对整机运行状态的实时监视与控制要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种四绳抓斗全自动运行监控系统，能够在四绳抓斗作业过程中完成对抓斗运行状态的实时监控。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种四绳抓斗全自动运行监控系统，其特征在于：包括上位机、监控单元、控制单元、传感检测单元、传动单元和执行单元。上位机通过工业以太网与监控单元和控制单元连接，监控单元通过RS-485接口与控制单元连接，控制单元通过Profibus总线与传感检测单元和传动单元连接，执行单元通过电缆与传感检测单元和传动单元连接。

按上述方案，所述的上位机用于控制单元和监控单元状态的显示和数据保存；采用工业控制计算机，安装在运程办公区域中，用以接收来自控制单元和监控单元的信号，进而实现四绳抓斗运行状态的显示与保存。

按上述方案，所述的控制单元用于四绳抓斗自动运行的控制方法的实现；采用可编程控制器(PLC)，用以向上位机传送控制信号和接收来自监控单元的控制命令，同时作为自动监控系统的信号源，向监控单元提供控制信号；接收来自传感检测单元和传动单元的信号，同时向传感检测单元和传动单元传送控制指令；控制单元可实现四绳抓斗运行状态的控制。

按上述方案，所述的监控单元用于四绳抓斗运行状态的监视。采用触摸屏，用以向上位机传送监控信号和接收来自控制单元的控制信号，同时向控制单元传送控制命令。监控单元可实现对控制单元、传感检测单元、传动单元和执行单元的运行信息的监视，同时可以通过控制单元，利用内置在监控单元中的监控程序实现对上述各单元的控制。

按上述方案，所述的传感检测单元用于四绳抓斗运行现场的信号检测；传感检测单元包括三维扫描仪、编码器、称重传感器，用以接收来自控制单元的控制命令，同时向控制单元传送检测信号；用以检测执行单元的运行状态信号，同时向执行单元传送控制信号。称重传感器安装在抓斗上，用以抓斗与物料接触程度的检测，并保存抓斗的抓取量。同时在抓斗上安装有限位开关，用以抓斗打开和闭合状态的监视。三维扫描仪安装在物料平台，扫描物料高度。编码器安装在执行单元上，用以对钢丝绳下放长度的实时检测。

按上述方案，所述的传动单元用于控制执行机构的动作；采用变频器，用以接收来自控制单元的控制命令，同时向控制单元传送传动信号；用以检测执行单元的运行状态信号，同时向执行单元传送控制信号。传动单元接收来自可编程控制器的控制命令调节变频器输出，进而调节执行结构动作。

按上述方案，所述的执行单元采用交流电机，分别在起升机构和开闭机构安装起升电机和开闭电机，用以接收传送单元的控制信号，同时向传送单元和传感检测单元传送执行单元运行状态信号。执行单元接收来自传动单元的命令实时调节电机转速。

本发明的另一个目的是提供一种使用上述的四绳抓斗全自动运行监控系统的同步控制方法，能够实现四绳抓斗的全自动运行控制。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：包括全自动控制方法和自动沉抓方法。不仅可以根据相应控制实现四绳抓斗的全自动运行，而且根据控制方法实现四绳抓斗的同步沉抓作业。

全自动控制方法针对的是四绳抓斗的运行，包括抓斗自动上升、抓斗自动下降、抓斗自动打开和抓斗自动沉抓。根据控制流程实现对抓斗全自动运行的控制，包含以下步骤：

A1：在四绳抓斗监控系统上电后，根据传感检测单元检测物料高度信息，根据控制单元确定抓斗的抓取点。

A2：在抓取点确定后，利用控制单元调节传动单元的输出，进而控制执行单元，实现自动打开抓斗。

A3：抓斗完全打开后，利用监控系统中的程序调节传动单元输出，进而实现抓斗自动下降。同时利用安装在执行单元上的传感检测单元实时检测钢丝绳下放长度，获得抓斗实时位置。

A4：当抓斗下降至与物料接触后，安装在抓斗上的传感检测单元向控制单元发送接触信号，开始自动沉抓。

自动沉抓方法包含以下步骤：

A4.1：控制单元接收接触信号后，向传动单元发送控制指令，自动沉抓开始。

A4.2：通过传送单元的输出实时调节执行单元的转速，进而控制钢丝绳的下放长度L。其中L₁为起升钢丝绳下放长度，L₂为支持钢丝绳下放长度。

A4.3：通过安装在执行单元上的传感检测单元2检测A4.2中的数据，并传输至控制单元。

A4.4：根据A4.3的信息，在控制单元中计算两个执行单元的钢丝绳下放长度之差△L(△L＝L₁-L₂)，并与设定值△L₀做比较。根据比较结果不同有以下处理步骤：

A4.4.1：若△L＝△L₀，则判断抓斗是否完全闭合。若抓斗闭合，则进入A4.5；若抓斗未闭合，则回到A4.2。

A4.4.2：若△L≠△L₀，则进入控制单元中的PID(比例proportion、积分integration、微分differentiation)运算程序，将计算结果传输至A4.2。

A4.5：抓斗完全闭合后，向控制单元传送闭合到位信号，自动沉抓过程结束，抓斗自动上升。

A4.6：在A4.5过程中，通过传感检测装置实现对抓取量的获取。

A4.7：抓斗上升到位后，控制单元发出抓斗打开指令，抓斗自动打开，实现物料投送。

A4.8：在A4.7完成后，若控制单元接收到抓斗停止工作命令，则抓斗自动运行结束；若没有抓斗停止工作命令，则进入A3，实现抓斗全自动运行。

本发明的有益之处在于：能够利用传感检测单元实现对物料高度、抓斗与物料接触程度和钢丝绳下放长度的实时检测，并将高度信息、接触状态和钢丝绳长度信息传输至控制单元。控制单元接收到信息后，能够利用控制方法实现对传动单元输出信号的调节，从而控制执行单元的转速，进而实现四绳抓斗的全自动运行。同时控制单元将控制信息传输至监控单元，且工作人员可以根据需要利用监控单元向控制单元发送控制命令。同时控制单元和监控单元将所有信息上传至上位机中，能够实现对监控过程和控制方法运行过程的显示与保存。能在抓斗沉抓过程中减少硬件损耗，延长设备的使用寿命。能降低工人劳动强度，提高工作效率，减少因钢丝绳跳绳造成的经济损失。

附图说明

图1为本发明监控系统的整体框图和信息流图。

图2为本发明同步控制方法的流程图。

图3为本发明同步控制方法的自动沉抓控制流程图。

图4为本发明同步控制方法的速度调节原理图。

图5为本发明钢丝绳长度示意图。

图中，1.起升钢丝绳，2.支持钢丝绳，L₁.起升钢丝绳下放长度，L₂.支持钢丝绳下放长度

具体实施方式

结合附图，对本发明的具体实施进一步说明。

如图1所示，一种四绳抓斗全自动运行监控系统，包括上位机、监控单元、控制单元、传感检测单元、传动单元和执行单元。上位机通过工业以太网与监控单元和控制单元连接，监控单元通过RS-485接口与控制单元连接，控制单元通过Profibus总线与传感检测单元和传动单元连接，执行单元通过电缆与传感检测单元和传动单元连接。

本实施例的上位机用于控制单元和监控单元状态的显示。采用工业控制计算机，安装在运程办公区域中，通过工业以太网实现与控制单元和监控单元的连接，用以接收来自控制单元和监控单元的信号，进而实现四绳抓斗运行状态的显示与保存。

本实施例的控制单元用于四绳抓斗自动运行的控制方法的实现。采用可编程控制器(PLC)，通过工业以太网与上位机连接，用以向上位机传送控制信号；通过RS-585接口与监控单元连接，用以接收来自监控单元的控制命令，同时作为自动监控系统的信号源，向监控单元提供控制信号；通过Profibus总线与传感检测单元和传动单元连接，用以接收来自传感检测单元和传动单元的信号，同时向传感检测单元和传动单元传送控制指令。控制单元可实现四绳抓斗运行状态的控制。

本实施例的监控单元用于四绳抓斗运行状态的监视。采用触摸屏，通过工业以太网与上位机连接，用以向上位机传送监控信号；通过RS-485接口与控制单元连接，用以接收来及控制单元的控制信号，同时向控制单元传送控制命令。监控单元可实现对控制单元、传感检测单元、传动单元和执行单元的运行信息的监视，同时可以通过控制单元，利用内置在监控单元中的监控程序实现对上述各单元的控制，实现监视与控制功能。

本实施例的传感检测单元用于四绳抓斗运行现场的信号检测。传感检测单元包括三维扫描仪、编码器、称重传感器，通过Profibus总线与控制单元连接，用以接收来自控制单元的控制命令，同时向控制单元传送检测信号；通过电缆与执行单元连接，用以检测执行单元的运行状态信号，同时向执行单元传送控制信号。称重传感器安装在抓斗上，实现抓斗与物料接触程度的检测，并保存抓斗的抓取量。同时在抓斗上安装有限位开关，实现抓斗打开和闭合状态的监视。三维扫描仪安装在物料平台，扫描物料高度。编码器安装在执行单元上，实现对钢丝绳下放长度的实时检测。

本实施例的传动单元用于控制执行机构的动作。采用变频器，通过Profibus总线与控制单元连接，用以接收来自控制单元的控制命令，同时向控制单元传送传动信号；通过电缆与执行单元连接，用以检测执行单元的运行状态信号，同时向执行单元传送控制信号。传动单元接收来自可编程控制器的控制命令调节变频器输出，进而调节执行结构动作。

本实施例的执行单元采用交流电机，分别在起升机构和开闭机构安装起升电机和开闭电机，通过电缆与传感检测单元和传动单元连接，用以接收传送单元的控制信号，同时向传送单元和传感检测单元传送执行单元运行状态信号。执行单元接收来自传动单元的命令实时调节电机转速。

如图2、图3、图4和图5所示，一种四绳抓斗全自动同步控制方法，包括全自动控制方法和自动沉抓方法。

本实施例的全自动控制方法针对的是四绳抓斗的运行，包括抓斗自动上升、抓斗自动下降、抓斗自动打开和抓斗自动沉抓。根据控制流程实现对抓斗全自动运行的控制，包含以下步骤：

A1：在四绳抓斗监控系统上电后，根据传感检测单元1检测物料高度信息，根据控制单元确定抓斗的抓取点。

A2：在抓取点确定后，利用控制单元调节传动单元的输出，进而控制执行单元，实现自动打开抓斗。

A3：抓斗完全打开后，利用监控系统中的程序调节传动单元输出，进而实现抓斗自动下降。同时利用安装在执行单元上的传感检测单元2实时检测钢丝绳下放长度，获得抓斗实时位置。

A4：当抓斗下降至与物料接触后，安装在抓斗上的传感检测单元3向控制单元发送接触信号，开始自动沉抓。

自动沉抓方法包含以下步骤：

A4.1：控制单元接收接触信号后，向传动单元发送控制指令，自动沉抓开始。

A4.2：通过传送单元的输出实时调节执行单元的转速，进而控制钢丝绳的下放长度L，其中L₁为起升钢丝绳下放长度，L₂为支持钢丝绳下放长度。

A4.3：通过安装在执行单元上的传感检测单元检测A4.2中的数据，并传输至控制单元。

A4.4：根据A4.3的信息，在控制单元中计算两个执行单元的钢丝绳下放长度之差△L(△L＝L₁-L₂)，并与设定值△L₀做比较。根据比较结果不同有以下处理步骤：

A4.4.1：若△L＝△L₀，则判断抓斗是否完全闭合。若抓斗闭合，则进入A4.5；若抓斗未闭合，则回到A4.2。

A4.4.2：若△L≠△L₀，则进入控制单元中的PID运算程序。如图4所示，该控制程序中以偏差值为比例运算、积分运算和微分运算的输入，以给定长度差为微分补偿运算的输入，将运算的结果进行求和后，向传动单元发出控制信号，利用控制单元将信号传输至A4.2。

A4.5：抓斗完全闭合后，向控制单元传送闭合到位信号，自动沉抓过程结束，抓斗自动上升。

A4.6：在A4.5过程中，通过传感检测装置3实现对抓取量的获取。

A4.7：抓斗上升到位后，控制单元发出抓斗打开指令，抓斗自动打开，实现物料投送。

A4.8：在A4.7完成后，若控制单元接收到抓斗停止工作命令，则抓斗自动运行结束；若没有抓斗停止工作命令，则进入A3，实现抓斗全自动运行。

Claims (1)

1.一种四绳抓斗全自动运行监控系统的同步控制方法，包括上位机、监控单元、控制单元、传感检测单元、传动单元和执行单元；上位机通过工业以太网与监控单元和控制单元连接，监控单元通过RS-485接口与控制单元连接，控制单元通过Profibus总线与传感检测单元和传动单元连接，执行单元通过电缆与传感检测单元和传动单元连接，其特征在于：包括全自动控制方法和自动沉抓方法；不仅可以根据相应控制实现四绳抓斗的全自动运行，而且根据控制方法实现四绳抓斗的同步沉抓作业；

全自动控制方法针对的是四绳抓斗的运行，包括抓斗自动上升、抓斗自动下降、抓斗自动打开和抓斗自动沉抓；根据控制流程实现对抓斗全自动运行的控制，包含以下步骤：

A1：在四绳抓斗监控系统上电后，根据传感检测单元检测物料高度信息，根据控制单元确定抓斗的抓取点；

A2：在抓取点确定后，利用控制单元调节传动单元的输出，进而控制执行单元，实现自动打开抓斗；

A3：抓斗完全打开后，利用监控系统中的程序调节传动单元输出，进而实现抓斗自动下降；同时利用安装在执行单元上的传感检测单元实时检测钢丝绳下放长度，获得抓斗实时位置；

A4：当抓斗下降至与物料接触后，安装在抓斗上的传感检测单元向控制单元发送接触信号，开始自动沉抓；

自动沉抓方法包含以下步骤：

A4.1：控制单元接收接触信号后，向传动单元发送控制指令，自动沉抓开始；

A4.2：通过传送单元的输出实时调节执行单元的转速，进而控制钢丝绳的下放长度L；其中L₁为起升钢丝绳1下放长度，L₂为支持钢丝绳2下放长度；

A4.3：通过安装在执行单元上的传感检测单元检测A4.2中的数据，并传输至控制单元；

A4.4：根据A4.3的信息，在控制单元中计算两个执行单元的钢丝绳下放长度之差△L(△L＝L₁-L₂)，并与设定值△L₀做比较；根据比较结果不同有以下处理步骤：

A4.4.1：若△L＝△L₀，则判断抓斗是否完全闭合；若抓斗闭合，则进入A4.5；若抓斗未闭合，则回到A4.2；

A4.4.2：若△L≠△L₀，则进入控制单元中的PID(比例proportion、积分integration、微分differentiation)运算程序，将计算结果传输至A4.2；

A4.5：抓斗完全闭合后，向控制单元传送闭合到位信号，自动沉抓过程结束，抓斗自动上升；

A4.6：在A4.5过程中，通过传感检测装置实现对抓取量的获取；

A4.7：抓斗上升到位后，控制单元发出抓斗打开指令，抓斗自动打开，实现物料投送；

A4.8：在A4.7完成后，若控制单元接收到抓斗停止工作命令，则抓斗自动运行结束；若没有抓斗停止工作命令，则进入A3，实现抓斗全自动运行。