CN107628545B - 一种海上起重机的力矩限制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上起重机的力矩限制系统，包括设于起重机吊钩上的重量传感器，设于臂架结构上的角度传感器，设于船体上的横纵倾传感器，用以进行传感器信号处理和数据计算的可编程控制器以及进行画面显示和数据标定输入的人机界面，通过所述可编程控制器中运行标定功能程序模块、工况处理程序模块和计算和报警程序模块，实现重量和臂架角度标定、吊载曲线的切换和拟合、重量标定曲线的拟合以及过载逻辑的判断；通过所述人机界面实现状态信息的显示以及标定数值的输入。本发明满足海上起重机特殊的应用要求，同时解决了借用陆上力矩限制系统而导致可能不符合船级社规范的法律问题。

Description

一种海上起重机的力矩限制系统

技术领域

本发明涉及海上起重机，更具体地说，涉及一种海上起重机的力矩限制系统，适用于海上起重机的重量标定和力矩限制。

背景技术

海上起重机作为海上起重提升功能的设备，在近远海安装施工中具有重大的作用。而海上起重机的安全保护系统中必不可少的一个子系统为力矩限制系统，力矩限制系统是海上起重机安全的一个重要组成部分，用来防止起重机过载或者过力矩而损坏其机械结构，或者影响整个船体的平衡，力矩限制指的是起重机吊钩的幅度(吊钩到起重机回转中心的距离)与其所能够承受的最大载重量有一个关系，即吊钩所吊载的货物不能超过当前幅度所允许的吊载值，不同幅度下对应不同的最大允许吊载值，把这些数据连接起来绘制而成曲线称之为吊载曲线，其在起重机设计时就已经产生，力矩限制系统就是根据此吊载曲线对于起重机当前幅度所允许的最大吊载值进行计算，并判断是否超过允许值。

但是，海上起重机与陆上起重机相比，海洋中波浪的作用都会导致海上起重机可用的力矩受其影响，需要根据海浪高度以及船舶倾斜进行吊载曲线的切换，由此需要一种满足海上起重机的特殊工况并且符合船级社规范要求的力矩限制系统或方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种海上起重机的力矩限制系统，满足海上起重机特殊的应用要求，同时解决了借用陆上力矩限制系统而导致可能不符合船级社规范的法律问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种海上起重机的力矩限制系统，包括设于起重机吊钩上的重量传感器，设于臂架结构上的角度传感器，设于船体上的横纵倾传感器，用以进行传感器信号处理和数据计算的可编程控制器以及进行画面显示和数据标定输入的人机界面，

通过所述可编程控制器中运行标定功能程序模块、工况处理程序模块和计算和报警程序模块，实现重量和臂架角度标定、吊载曲线的切换和拟合、重量标定曲线的拟合以及过载逻辑的判断；

通过所述人机界面实现状态信息的显示以及标定数值的输入。

所述的标定功能程序模块为具有重量标定和标定曲线生产功能的程序模块，包括：标定数据的输入存储、标定数据的排序、标定数据的多段线处理、标定数据的线性拟合处理，从而形成完整区域的重量标定曲线，并且能够补充由于吊钩运动而导致的重量偏差。

所述的工况处理程序模块，包括：当前工况的选择、吊载曲线的多段线处理、吊载曲线范围外的情况处理。

所述的计算和报警程序模块，包括：重量和幅度数据的计算、当前允许重量的计算、超载预警和报警的判断、重量百分比的计算、上升下降时的重量补偿计算。

所述的人机界面实现状态信息的显示，包括：当前重量、允许重量、重量百分比、当前工况、幅度的数据显示。

所述的人机界面标定数值的输入，包括：标定的重量数值、角度偏差数值，并且把已标定过的数据进行显示。

所述的重量传感器为测量吊钩下载重值的力传感器。

所述的人机界面上还设有报警指示灯和蜂鸣器。

在上述的技术方案中，本发明所提供的一种海上起重机的力矩限制系统，能够满足海上起重机的特殊工况并且符合船级社规范的要求，操作简便，调试快速方便，能及时发出过载报警信号，使工作人员立即排除隐患。由于本系统使用的硬件与起重机常规控制系统一致，可与起重机控制系统集成在一起，同时在软件程序中加载该力矩限制保护功能，大幅简化了硬件设计，与外置单独的力矩限制系统相比，提高了与起重机控制系统的通讯速率和可靠性。同时本发明还适用于海上钻井平台等需要在防爆场所工作的海上起重机的力矩限制保护功能。

附图说明

图1是本发明的组成示意图；

图2是本发明的标定曲线图；

图3是本发明的吊载曲线图；

图4是本发明HMI的状态显示布置图；

图5是本发明HMI的标定输入布置图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请结合图1所示，本发明所提供的一种海上起重机的力矩限制系统，本实施例中以一种具备2个起升钩头的海上起重机为例，包括需要测量起重机吊钩下所挂载货物重量的一种力传感器，即为安装于起重机吊钩转向滑轮处的销轴式重量传感器1，实际的力传感器类型和数量可以根据实际工况而变更，一般的，该力传感器输出4～20mA的电流信号，对应于其受到的压力，用以反馈吊钩所承载的货物产生的重力。安装于海上起重机臂架结构上的角度传感器2，随着臂架上下一起动作，其根据重力感应的原理，能够输出传感器基准线与地球水平面之间的夹角，此夹角就是臂架的仰起角度，再通过计算就能够知道吊钩所对应的幅度信息(另外，对于折臂式海上起重机也可以安装绝对位置编码器在臂架铰点位置，用来测量臂架和起重机本体之间的运动角度)。对于安装在船舶上面的大型起重机来说，船舶本体的倾斜对于其吊载能力有较大的影响，故还需要安装横纵倾传感器3，一般该横纵倾传感器3安装在起重机的基座下部或者起重机与船体直接连接的部分，不会随着起重机进行回转动作而一起动作的部分，这样能够真实的测量出船体的倾斜状态，倾斜角度较大的情况下，起重机需要切换不同的吊载曲线或者直接不运行吊载。用以进行传感器信号处理和数据计算的可编程控制器4(以下简称PLC)是本发明的核心元件，首先其配置的模拟量输入模块能够接收力传感器、角度传感器2和横纵倾传感器3的信号，或者其配置的现场总线接口能够读取通过现场总线发送的上述传感器的信号，其次，本发明的计算处理和数据均存储在PLC中。进行画面显示和数据标定输入的人机界面5(以下简称HMI)是本发明的人机接口，重量的标定输入和当前状态的各种显示均需要通过HMI来实现。另外，为了满足船级社相关规范要求，在发生过载报警时，需要在HMI上发出红色的报警指示灯以及蜂鸣器6发出响亮的报警声。

本发明通过PLC中运行标定功能程序模块、工况处理程序模块和计算和报警程序模块，实现重量和臂架角度标定、吊载曲线的切换和拟合、重量标定曲线的拟合以及过载逻辑的判断。

本发明通过HMI实现状态信息的显示以及标定数值的输入。

较佳的，所述的标定功能程序模块为具有重量标定和标定曲线生产功能的程序模块，虽然本发明所使用的力传感器一般都是使用1％精度的产品，但是由于安装等导致了其附带了其他的负载，故不能直接使用力传感器的原始信号作为力矩限制系统的重量输入信号，还需要进行重量标定之后再进行使用。一般的，设计了5个重量标定点供校正重量信号，在标定过程中，对于先后顺序不做要求，但是5个标定点的重量必须与实际重量一致。在重量标定程序中，PLC读取HMI上标定入的重量数据，并且把当前的力传感器信号和重量数据作为一组数据存储下来，当存储的数据在2～5组之间时，重量标定曲线即可形成，标定的数据越多则越精确。首先，必须把存储的5组数据使用递增排序的算法进行排序，未标定的数据为零，故排在最前方，然后使用多段线拟合的算法，把非零的标定数据拟合成标定的多段线，即2组标定点之间当作直线来处理，如图2中所示，其中的5个点均为全部标定完成时的标定点坐标，此重量标定出来的线段为近似直线的多段线,为了突出效果，适当放大了标定出来的线段与拟合直线之间的差距，实际情况的偏差不会太大。当力传感器的信号发生变化时，通过该多段线来计算求出当前的重量数值，实现了重量数值的连续查询的功能，此重量数值作为过载判断的依据。此外，使用多段线算法，只能在重量信号大于最小标定点和小于最大标定点之内才能正常使用，但是实际可能存在不在上述范围内吊重的可能性，为了实现在各种情况下都能够查询重量数值，需要把上述的5组信号再根据最小二乘法拟合出传感器信号值和重量数值之间的直线公式，然后能够实现超过多段线范围的重量数值查询，该拟合后的直线如图2中的直线所示，由此完成了全区域内的重量数值的查询功能。最后，还需要具有运动时重量补偿功能，由于吊钩上下运动时钢丝绳和滑轮组会对重量产生额外的影响，为了消除该影响，需要进行运动时重量补偿，通过机械设计得知该吊钩的钢丝绳和滑轮效率，在吊钩上升时，由于测量出来的重量比实际要重，所以需要乘以该钢丝绳和滑轮效率，在吊钩下降时，则反之，需要除以该钢丝绳和滑轮效率。

较佳的，所述的工况处理程序模块，可以根据操作人员的选择的海洋工况，调取合适的吊载曲线数据，拟合成完整的吊载曲线的多段线，形成吊载曲线的可连续读取。对于海上起重机来说，其作业工况将很大程度的影响其吊载曲线，例如被吊载船舶海域的浪高会影响其吊载曲线，故需要调用正确的吊载曲线去进行过载判断。本实施例中，该海上起重机具有5种吊载曲线，船内吊载一种，船外吊载4种，4种吊载曲线对应于4种不同的浪高情况，此工况的选择具体有起重机的操作人员根据实际情况来确认。在PLC的运行程序内，首先读取作业工况的选择开关信号，然后根据信号的值，使用数据读取指令，把当前工况的幅度和最大允许载重值载入PLC，由于这些为多组的数据，同样需要使用多段线的拟合程序，变成连续的吊载曲线。通过不同的幅度值能够查询到不同的最大允许载重值，此值作为进行过载判断的基准值，具体的情形如图3所示，其中描绘了5条吊载曲线，每一条吊载曲线种的圆点即为机械设计提供的过载曲线关键点的坐标，然后拟合成一条多段线，形似为一条曲线。对于此曲线如果也遇到超出范围的查询时，一般当小于最小幅度时，允许最大载重值设定为该曲线的最大载重值，而当大于最大幅度时，允许的最大载重值设定为该曲线的最大载重值的5％，此值也是吊钩是否空载的判断信号。

较佳的，所述的计算和报警程序模块，除了当前重量数值已经在标定功能程序模块中获知之外，幅度的数据还需要计算得知，通过计算出吊钩的幅度，并且把当前重量值与吊载曲线种查询出的当前最大允许载重值进行比较，安装相关规范和行业常规的规则进行过载报警判断，同时对于船舶的倾斜状态进行监测，当倾斜角度超过设计参数时，也能进行过载报警输出。一般的对于变幅式的海上起重机，吊钩的幅度与臂架的角度有三角函数关系，通过得知正确的变幅角度就能知道幅度数据，角度传感器3由于安装时可能有一个小角度的偏差，还需要人工输入偏差值来消除偏差。吊钩与回转中心的距离乘以臂架角度的余弦值就是该吊钩的幅度数据，需要在计算和报警程序模块中计算出幅度数据，然后查询吊载曲线得到当前允许的最大载重值，再根据重量传感器1的信号值去查询重量标定曲线得到当前重量数值。一般的，根据海上起重机的相关设计规范和行业普遍规则，当重量数值大于110％的当前允许最大载重值时为超载报警，当重量数值恢复到小于98％的当前允许最大载重值时可以消除超载报警，当重量数值大于90％的当前允许最大载重值时为超载预警。当发生超载报警时，蜂鸣器6和HMI上的红色警告必须发出。另外，对于船体倾斜的角度，如果监测到横倾或者纵倾的数据任一大于设计值预警时，都直接发出超载预警，提醒操作人员尽快释放负载。上述的超载判断需要在计算和报警程序模块种实现。

较佳的，所述的HMI用以实现状态信息的显示，主要用来显示当前力矩限制运行的关键参数数据，可以显示吊载百分比、当前重量、当前允许最大载重值、幅度、当前选择的工况信息以及报警指示灯的显示，具体布置如图4所示，首先需要显示的重要信息就是当前载重值与当前允许最大载重值的百分比关系，用一个横向的量表指示，当数值到了预警区域会发出黄色的提示，到了100％会发出红色的提示，简单明晰。其次，把其他信息使用数值进行显示，包括当前使用的吊钩幅度数据，最大允许载重值，当前载重值，重量百分比，以及一个用来指示超载报警的红色虚拟指示灯。另外，还有关于臂架角度的指示，使用一个圆形的仪表用来指示臂架的当前角度，使用数值直接显示该角度。在最下方为当前的工况显示，使用一个文本显示控件来切换当前吊载曲线的名称。

较佳的，所述的HMI用以标定数值的输入，主要作为重量标定和臂架角度偏差设定的输入，包括：标定的重量数值、角度偏差数值，并且把已标定过的数据进行显示。具体布置如图5所示，首先是重量标定输入的控件，把已经经过校验的砝码或者配重的重量输入到控件中，然后点击标定按钮，这样就把一组力传感器数值和重量保存到PLC的数据存储区中。对于已经标定过的数据，会在右侧的区域把已存在的标定数据显示处理。操作者可以把新的数据标定到新一组数据中，也可以覆盖已经标定过的一组数据中。对于臂架角度偏差设定，可以把起重机的臂架放置到一个已经确定的角度的位置，通过计算实际值与显示值的偏差，把该偏差值设置到数据输入控件中，PLC程序会消除此偏差。

较佳的，所述的力传感器可以为主钩销轴重量传感器101和副钩销轴重量传感器102，根据海上起重机的吊钩类型而设定，对于另外的一些大型浮吊来说还有索具钩等其他机构，也具有重量传感器和力矩限制功能。

此外，对于力矩限制系统还有另外一套特殊的硬件配置方案，此方案可以实现海上钻井平台等需要在防爆场所工作的海上起重机的力矩限制保护功能。对应实现防爆要求，需要选用带有防爆认证的本质安全型力传感器和角度传感器，然后使用本质安全型配套的低阻抗的通讯电缆，把上述传感器信号接入到具有防爆认证的模拟量输入模块。而此PLC模块安装在安全区域，实现了本身PLC的运算单元和HMI不需要防爆的要求，完成了从防爆区域到安全区域的转换，其软件功能与一般海上起重机的力矩限制功能一致。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种海上起重机的力矩限制系统，包括设于起重机吊钩上的重量传感器，设于臂架结构上的角度传感器，设于船体上的横纵倾传感器，用以进行传感器信号处理和数据计算的可编程控制器以及进行画面显示和数据标定输入的人机界面，其特征在于：

通过所述可编程控制器中运行标定功能程序模块、工况处理程序模块和计算和报警程序模块，实现重量和臂架角度标定、吊载曲线的切换和拟合、重量标定曲线的拟合以及过载逻辑的判断；

其中，所述的标定功能程序模块为具有重量标定和标定曲线生产功能的程序模块，包括：标定数据的输入存储、标定数据的排序、标定数据的多段线处理、标定数据的线性拟合处理，从而形成完整区域的重量标定曲线，并且能够补充由于吊钩运动而导致的重量偏差；所述的工况处理程序模块，包括：当前工况的选择、吊载曲线的多段线处理、吊载曲线范围外的情况处理；所述的计算和报警程序模块，包括：重量和幅度数据的计算、当前允许重量的计算、超载预警和报警的判断、重量百分比的计算、上升下降时的重量补偿计算；

通过所述人机界面实现状态信息的显示以及标定数值的输入。

2.如权利要求1所述的一种海上起重机的力矩限制系统，其特征在于：所述的人机界面实现状态信息的显示，包括：当前重量、允许重量、重量百分比、当前工况、幅度的数据显示。

3.如权利要求1所述的一种海上起重机的力矩限制系统，其特征在于：所述的人机界面标定数值的输入，包括：标定的重量数值、角度偏差数值，并且把已标定过的数据进行显示。

4.如权利要求1所述的一种海上起重机的力矩限制系统，其特征在于：所述的重量传感器为测量吊钩下载重值的力传感器。

5.如权利要求1所述的一种海上起重机的力矩限制系统，其特征在于：所述的人机界面上还设有报警指示灯和蜂鸣器。