CN107015521A - 一种缆机平稳快速起钩装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种缆机平稳快速起钩装置,包括启动装置、PLC控制器、继电装置和指示装置,中控系统提供速度基准给定信号、被吊物重量信号作为特定的速度曲线的参考变量,装置按特定的速度曲线预设的算法和时序输出速度输出信号给驱动机构。该装置能自动判别起动过程并基于给定速度和相关参数自动加减速,使缆机能快速平稳起动,抑制承载索弹跳。
Description
技术领域
本发明属于缆索起重机电气控制领域,具体涉及一种缆机平稳快速起钩装置。
背景技术
我国已开工建设的中大型水电站主要采用缆机施工,缆机也是当前国际上起重量最大、效率较高的高速运行施工设备,缆索起重机在水电站的浇筑施工中起了关键作用。缆机是通过索道传递机构驱动力的,由于索道的柔性大,任何驱动力的加减都会对索道系统产生冲击,引起承载索的弹跳和振动;频繁弹跳折弯易造成承载索的损伤,对承载索的寿命有一定的影响,将对设备维护和工程进度带来极为不利影响。研究抑制承载索的弹跳和振动幅度的方法,对缆索起重机的应用具有现实意义。
缆机的电气控制系统包括交直流调速系统、有线\无线通信系统、可编程控制系统、工控机监控系统、故障自诊断系统等。通常由操作人员自主给定操作难以很好的控制提升速度对索道弹跳的影响;进行缆机平稳快速起钩装置的研制,目标就是用这套装置自主改变提升速度,使提升过程(缆机上料点的提升过程)尽可能的抑制承载索的弹跳并减小振动幅度。
最相关的国内技术:申请号:CN201210548857.8;公开(公告)号:CN103107800A;发明名称:一种能快速平稳启动控制环路的方法及其电路。其目的为:用于提供一种能快速平稳启动控制环路的电路。该发明公开了一种能快速平稳启动控制环路的方法及其电路。先建立一个与控制信号预期稳定值有一定偏差的启动用控制信号,在环路启动时,启动用控制信号与反馈信号作比较,得到的比较结果控制启动电流发生网络给环路补偿电容充电,在电路即将达到稳定工作点时,比较结果反相,切断该充电电流,随后由系统环路自动调整达到稳定。由于在环路启动过程中,环路补偿电容上稳定电压的建立所需的电荷,除了由环路自身调整产生的差分电流提供外,还引入了能自动切断的环路之外的电流,因此,达到了快速平稳启动控制环路的目的,具体电路如图9所示。但是该电路及方法并不适用于缆机。
发明内容
本发明提供一种用于缆机提升时平稳快速起钩的控制装置,该装置能自动判别起动过程并基于给定速度和相关参数自动加减速,使缆机能快速平稳起动,抑制承载索弹跳。
本发明公开了一种缆机平稳快速起钩装置,包括启动装置、PLC控制器、继电装置和指示装置,中控系统提供速度基准给定信号、被吊物重量信号作为特定的速度曲线的参考变量,装置按特定的速度曲线预设的算法和时序输出速度输出信号给驱动机构。
进一步,现场实际速度的反馈作为判别实际速度对给定速度跟随快慢的一个参考变量;反馈的速度与给定速度滞后时间差可在给定的时间中予以超前补偿,并作为监视参数。
进一步,所述特定的速度曲线算法为:
对于小车:
对于重物:
其中:
与小车相关的参数:
X是小车相对缆机主索左侧端点的横向距离,
Y是小车相对缆机主索左侧端点的纵向距离,
L是小车离地高度,
Tp1、Tp2是主索张力,
θ1主索铰点与小车连线与切线方向夹角,
θ2主索中点与小车连线与切线方向夹角,
M1是小车质量,
c3是阻尼系数,等于阻尼比乘以相应固有频率,
w3是振动位移;
与重物相关的参数:
M2是被吊起重物质量,
c4是阻尼系数,等于阻尼比乘以相应固有频率,
w4是振动位移;
与主索相关的参数:
E是弹性模量,
A是横截面积,
L1是左侧索长,
L2是右侧索长,
Lr1是左侧索斜线长度,
Lr2是右侧索斜线长度,
ρ是质量密度,
m1和m2是左、右索单位长度质量,
d是主索直径,
c1是左索阻尼系数,其中左段短索一个模态,右段长索两个模态,等于阻尼比乘以相应固有频率,
c21是右索第一模态阻尼系数,等于阻尼比乘以相应固有频率,
c22是右索第二模态阻尼系数,等于阻尼比乘以相应固有频率,
q1是索左段模态运动,
q2, q3是索右段第一、二模态运动;
与吊绳相关参数:
E0是弹性模量,
A0是横截面积,
ρ0是质量密度,
m0是单位长度质量,
d0吊绳是直径;
刚度修正系数:
ck1, ck2, ck3--小车;
ck4, ck5-索左段模态运动;
ck6, ck7-右段模态运动;
ck8, ck9-参数激励振动的控制系数。
进一步,特定的速度曲线时序为满载时以第一速度提升,保持第一时间,减速至第二速度,保持第二时间,加速至第三速度,保持第三时间,然后减速到0。
进一步,中控系统向起钩装置提供运行联锁信号、接收就绪状态信号和运行状态互锁信号。
进一步,所述启动装置包括启动按钮、钥匙开关和备用按钮;继电装置包括就绪状态继电器、运行状态继电器和备用继电器,指示装置包括就绪状态指示灯和运行状态指示灯。
进一步, PLC控制器与中控系统之间通过总线通讯传递内部运算状态,同时可以作为信息传递的冗余通道。
本发明的有益效果是:
1.本发明为首次在缆机上使用,本装置可以大幅减弱缆机提升时由于随机操作带来的承载索大幅弹跳,大大减轻承载索的折弯损伤,使得缆机能更好、更安全运行。
2.本发明为一体化设计,可不更改原控制系统,方便地接入。
3.采用PLC作为系统核心,具有编程方便,接口通用等优点。
4.可根据重量传感器信号大小,自动校正速度的变化,适应提升机构在不同负载下运行。
5.实际速度反馈来修正速度输出,提高响应准确性。
本发明实现了在缆机提升过程中的自主平稳快速起钩,具有较强的实际应用前景。
附图说明
图1:外观布置图;
图2:内部线路原理图;
图3:装置内部逻辑结构及对外连接图;
图4:缆机上料时承载索的动态特性图;
图5:缆机以一档速度在上料点提升时的小车及承载索的动态特性图;
图6:缆机以二档速度在上料点提升时的小车及承载索的动态特性图;
图7:既高效又使承载索振幅小的提升速度给定曲线图
图8:采用如图7所示速度时的小车及承载索的动态特性图;
图9:现有技术能快速平稳启动控制环路的电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述:
图1是本发明公开的缆机平稳快速起钩装置的外观布置图,是装置的操作界面和状态指示,本装置所有元器件置于一个控制箱内。
图2是本发明装置的内部线路原理图,包括原理接线、电源等级、对外接口等。
图3描述了装置内部逻辑结构及在系统中的应用连接及对外的接口。
本发明详细介绍如下:
缆机平稳快速起钩装置(见图1、图2)包括启动按钮SB1、钥匙开关SB2、备用按钮SB3、PLC控制器、就绪状态继电器PC1、运行状态继电器PC2、备用继电器PC3、就绪状态指示灯HL1、运行状态指示灯HL2。
由图3可见中控系统(外部控制系统)给起钩装置提供K01运行联锁、速度基准给定信号、重量信号,接收就绪状态、运行状态两个互锁信号,并与装置建立总线通讯。
系统运行逻辑通过PLC软件实现(见图3):在钥匙开关SB2处在允许状态时,若中控系统运行连锁K01动作,按压SB1即可启动系统,继电器PC1得电后将就绪状态送中控系统连锁,同时指示灯HL1亮,显示处于就绪状态,速度输出通道接通;此时,若速度给定信号值越过0位死区,指示灯HL2即亮,显示系统正在运行,继电器PC2得电后将运行状态送中控系统连锁,速度输出信号开始按特定的速度曲线预设的算法和时序输出给驱动机构,随着速度的变化,自动达到抑制弹跳并快速起钩的目的。中控系统提供的速度给定给出运行速度基准,重量信号作为特定的速度曲线的参考参数;现场实际速度的反馈作为判别实际速度对给定速度跟随快慢的一个参考变量;中控系统与装置有总线通讯连接,传递内部运算状态,同时可以作为信息传递的冗余通道。
下面具体介绍特定的速度曲线推导过程(即算法)。
以缆机在上料点上料(缆机一侧上料,以左侧上料为例)为例,分析上料时承载索的动态特性,如图4所示。
对于图4中涉及到的参数说明如下:
与小车相关的参数:
X是小车相对缆机主索左侧端点的横向距离,
Y是小车相对缆机主索左侧端点的纵向距离,
L是小车离地高度,
Tp1、Tp2是主索张力,
θ1是主索铰点与小车连线与切线方向夹角,
θ2是主索中点与小车连线与切线方向夹角,
M1是小车质量,
c3是阻尼系数,等于阻尼比乘以相应固有频率,
w3是振动位移,
与重物相关的参数:
M2是被吊起重物质量,
c4是阻尼系数,等于阻尼比乘以相应固有频率,
w4是振动位移;
与主索相关的参数:
E是弹性模量,
A是横截面积,
L1是左侧索长,
L2是右侧索长,
Lr1是左侧索斜线长度,
Lr2是右侧索斜线长度,
ρ是质量密度,
m1和m2是左、右索单位长度质量,
d是主索直径,
c1是左索阻尼系数(左段短索一个模态,右段长索两个模态),等于阻尼比乘以相应固有频率,
c21是右索第一模态阻尼系数,等于阻尼比乘以相应固有频率,
c22是右索第二模态阻尼系数,等于阻尼比乘以相应固有频率,
q1是索左段模态运动,
q2, q3是索右段第一、二模态运动;
与吊绳相关参数:
E0是弹性模量,
A0是横截面积,
ρ0是质量密度,
m0是单位长度质量,
d0吊绳是直径;
刚度修正系数:
ck1, ck2, ck3-小车;
ck4, ck5-索左段模态运动;
ck6, ck7-右段模态运动;
ck8, ck9-参数激励振动的控制系数(左右索的模态运动)。
通过分析承载索的静平衡关系和动态规律,得到以下方程:
对于小车:
对于重物:
模型初始参数:
L=710.0m,H=20.0m,xp=71.0m,l=90.0m,
d=0.093m,d0=0.036m,
E=160.0GPa,E0=110.0GPa,
M1=7500kg,M2=34000kg,
m0=6.16kg/m,
ck1=0.210,ck2=1.0,ck3=1.0。
初始条件设定为:从准备提重物时算起,各初始位移、速度为零。假定一个速度v(t)的变化规律,联立上述微分方程并经计算机模拟,可解得振动位移w3(小车振动位移,小车与支撑的承载索位移同步)。分别按一档速度(0.4m/s)、二档速度(0.8m/s)及图7速度曲线作为预设的速度v(t),可得到图5、图6、图8三种结果。由此得出以下结论:
1.当缆机以一档速度(0.4m/s)在上料点提升时,小车及承载索的动态特性如图5所示,其中最大振幅约0.5米,提升所需时间约30秒。
2.当缆机以二档速度(0.8m/s)在上料点提升时,小车及承载索的动态特性如图6所示,其中最大振幅1.2米左右,提升所需时间约12秒。
3.可见,不同的提升速度和加减速度对承载索的影响是不一样的。低速提升时的振动幅度要小的多,但是同时低速提升要花的时间长,效率要低些。那么根据承载索的动态特性,可以预设一种既高效又使承载索振幅小的提升速度曲线作为缆机在上料点的最佳提升速度。
4.经过计算和模拟得到,当采用如图7所示的给定速度时,小车及承载索的动态特性如图8所示,最大振幅已降到0.3米左右,上料提升时间为13秒左右。所以我们认为图7所示速度曲线是缆机在上料点的最佳速度给定,不仅承载索的振幅小,而且提升效率也高,约13秒钟就提升到位。由于该曲线都是在理想化的情况下得到的,在实际的试验过程不断优化中确定:当载荷的重量越轻时,允许将速度按比例下调,最多10%,反馈的速度与给定速度滞后时间差可在给定的时间中予以超前补偿,并作为监视参数。
本发明的装置即按以上时序逻辑,自动判别速度给定和运行命令,用重量信号和反馈速度去修正,计算出合适的速度给定曲线进行提升操作,可以有效抑制承载索的弹跳和振动幅度,同时提高缆机的工作效率。装置的核心即特定的速度曲线。接受外部指令后,满载时,以1.2m/s的速度提升,保持7s,减速(持续3s)至0.4m/s,保持4s,加速(持续3s)至1.2m/s,,保持7s,然后以同等斜率减速到0;当重物的重量越轻时,允许将上述速度按比例下调,最多10%;反馈的速度与给定速度滞后时间差可在给定的时间中予以超前补偿,并作为监视参数。
Claims (7)
1.一种缆机平稳快速起钩装置,包括启动装置、PLC控制器、继电装置和指示装置,中控系统提供速度基准给定信号、被吊物重量信号作为特定的速度曲线的参考变量,装置按特定的速度曲线预设的算法和时序输出速度输出信号给驱动机构。
2.根据权利要求1所述的缆机平稳快速起钩装置,其特征在于:现场实际速度的反馈作为判别实际速度对给定速度跟随快慢的一个参考变量;反馈的速度与给定速度滞后时间差可在给定的时间中予以超前补偿,并作为监视参数。
3.根据权利要求1或2所述的缆机平稳快速起钩装置,其特征在于:所述特定的速度曲线算法为:
对于小车:
对于重物:
其中:
与小车相关的参数:
X是小车相对缆机主索左侧端点的横向距离,
Y是小车相对缆机主索左侧端点的纵向距离,
L是小车离地高度,
Tp1、Tp2是主索张力,
θ1主索铰点与小车连线与切线方向夹角,
θ2主索中点与小车连线与切线方向夹角,
M1是小车质量,
c3是阻尼系数,等于阻尼比乘以相应固有频率,
w3是振动位移;
与重物相关的参数:
M2是被吊起重物质量,
c4是阻尼系数,等于阻尼比乘以相应固有频率,
w4是振动位移;
与主索相关的参数:
E是弹性模量,
A是横截面积,
L1是左侧索长,
L2是右侧索长,
Lr1是左侧索斜线长度,
Lr2是右侧索斜线长度,
ρ是质量密度,
m1和m2是左、右索单位长度质量,
d是主索直径,
c1是左索阻尼系数,其中左段短索一个模态,右段长索两个模态,等于阻尼比乘以相应固有频率,
c21是右索第一模态阻尼系数,等于阻尼比乘以相应固有频率,
c22是右索第二模态阻尼系数,等于阻尼比乘以相应固有频率,
q1是索左段模态运动,
q2, q3是索右段第一、二模态运动;
与吊绳相关参数:
E0是弹性模量,
A0是横截面积,
ρ0是质量密度,
m0是单位长度质量,
d0吊绳是直径;
刚度修正系数:
ck1, ck2, ck3--小车;
ck4, ck5-索左段模态运动;
ck6, ck7-右段模态运动;
ck8, ck9-参数激励振动的控制系数。
4.根据权利要求2或3所述的缆机平稳快速起钩装置,其特征在于:特定的速度曲线时序为满载时以第一速度提升,保持第一时间,减速至第二速度,保持第二时间,加速至第三速度,保持第三时间,然后减速到0。
5.根据权利要求2-4任一项所述的缆机平稳快速起钩装置,其特征在于:中控系统向起钩装置提供运行联锁信号、接收就绪状态信号和运行状态互锁信号。
6.根据权利要求1-5任一项所述的缆机平稳快速起钩装置,其特征在于:所述启动装置包括启动按钮、钥匙开关和备用按钮;继电装置包括就绪状态继电器、运行状态继电器和备用继电器,指示装置包括就绪状态指示灯和运行状态指示灯。
7.根据权利要求1-6任一项所述的缆机平稳快速起钩装置,其特征在于: PLC控制器与中控系统之间通过总线通讯传递内部运算状态,同时可以作为信息传递的冗余通道。
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