CN109440752B - 一种升船机智能控制安全制动系统及其安全制动方法 - Google Patents
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Abstract
一种升船机智能控制安全制动系统，包括四个安全制动子系统、一套传动协调控制站及传动协调控制站网络通讯模块；其中，四个安全制动子系统安装于升船机驱动系统的四套驱动机构上；每个安全制动子系统包括安全制动器、工作制动器、液压控制泵站、用于检测驱动电机转速的电机转速编码器、控制液压控制泵站的现地电气控制单元以及液压泵站压力检测装置；本系统可使船厢制动减速度和制动距离等指标满足安全设计要求；在升船机发生失衡事故时对驱动系统实施紧急制动，使船厢安全平稳地停止升降运行。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程升船机领域，具体说是一种适合平衡重式垂直升船机驱动系统的智能控制安全制动系统。
背景技术
目前水利枢纽垂直升船机应用较多的是全平衡钢丝绳卷扬提升式垂直升船机、下水式钢丝绳卷扬提升式垂直升船机和全平衡齿轮齿条爬升式垂直升船机。安全制动系统是升船机安全保证体系的重要环节，是升船机提升驱动设备的重要组成部分，对于保证升船机运行安全至关重要。在传统的升船机主提升机安全制动系统设计中，紧急制动的制动力施加采用工作制动器调压上闸方式，工作制动器液压控制系统的电液比例阀按照预先设定的压力-时间曲线输出压力，其制动减速度难以达到设计要求。图8为传统的升船机安全制动系统工作制动器紧急制动理论时间-压力曲线，可以看出传统的无速度反馈控制的升船机安全制动系统，其制动过程对主提升机会产生一定的冲击。对于平衡重式垂直升船机,由于载荷大小和方向具有随机性，主提升机的载荷在主驱动电机机械特性的四个象限内工作。升船机长期运行过程中，驱动电机将不可避免地出现发电工况和电动工况交替地经历的现象。常闭式液压盘式制动器是通过蝶形弹簧对制动盘施加正压力产生摩擦力矩，由于摩擦力的特性，其制动力矩的方向永远与电机转速方向相反。对于发电工况，制动力克服外载荷进行制动，为保证制动安全性，制动力按最大载荷确定，由于主提升机载荷具有随机性，当实际载荷较小时，会产生较大的制动冲击；对于电动工况，所施加的制动力与外载荷碟加对驱动系统共同产生制动作用，因而产生数倍于发电工况的制动加速度，对驱动系统传动机械设备产生更大的冲击，造成设备损坏，甚至发生安全事故。
发明内容
为了解决上述问题，本发明专利的目的是根据平衡重式垂直升船机驱动系统的特点，同时针对传统升船机安全制动系统的不足，提出一种以实时速度反馈控制为特点的安全制动系统。
本发明采用的技术方案是：一种升船机智能控制安全制动系统，包括四个安全制动子系统、一套传动协调控制站及传动协调控制站网络通讯模块；其中，四个安全制动子系统安装于升船机驱动系统的四套驱动机构上；每个安全制动系统包括安全制动器、工作制动器、液压控制泵站、用于检测驱动电机转速的电机转速编码器、控制液压控制泵站的现地电气控制单元、液压泵站压力检测装置以及升船机传动协调控制站的网络通讯模块；所述安全制动器.和工作制动器.均采用常闭式液压盘式制动器,其中，工作制动器布置在驱动电动机.输出轴与减速器.高速轴输入轴之间的联轴器制动盘上，安全制动器.布置在减速器高速轴另一端出轴上；工作制动器.的作用是在系统实施紧急制动时对驱动电机施加合适的制动力矩，使船厢制动减速度和制动距离等指标满足设计要求，安全制动器.的作用是在驱动系统停机后对减速器.出轴施加制动力矩，使驱动系统可承受最大不平衡载荷。
进一步的，每套液压控制泵站各设一套现地电气控制单元，各液压控制泵站独立控制，不相互连接，各现地电气控制单元通过现地以太控制网络互连形成一个有机的整体，并通过网络通讯模块与传动协调控制站通讯，接受其远方控制；安全制动器、工作制动器及其现地电气控制单元，通过传动协调控制站与电气传动系统进行时序配合，保证升船机升降运行的启动平稳，避免由于机械传动系统间隙引起的启动冲击。
进一步的，安全制动系统在正常制动工况工况以及由主电气传动系统实施的快速制动工况下，工作制动器在升船机由主电气传动系统控制使船厢速度接近零时实施正常制动，安全制动器延时10～15秒后同时实施制动。此时工作制动器和安全制动器均为全压制动；
当驱动系统由静止制动状态过渡到启动状态时,安全制动系统与主电气传动系统配合,保证启动过程平稳无冲击.具体程序如下:驱动系统开始运行前，主电气传动系统首先接电，按船厢对接后不平衡力的方向及大小施加预加力矩，然后工作制动器.和安全制动器.相继松闸，最后主电气传动系统正式启动，驱动系统投入运行；
当升船机出现严重故障或事故时，安全制动系统实施紧急制动，此时主电气传动系统退出工作，安全制动系统的工作制动器根据传动协调控制站提供的指令以及相关的载荷和速度信息，实施速度反馈控制调压上闸；安全制动器则在驱动电机输出转速接近零时全压上闸；
速度反馈控制调压上闸的具体过程如下：传动协调控制站根据主电气传动系统退出前的定子电流和转速的相对关系，判断船厢驱动系统的载荷工况是发电工况还是电动工况；并将相关速度和载荷信息发送至各现地电气控制单元；然后主电气传动系统退出工作。
进一步的，当船厢驱动系统的载荷工况为发电工况时，现地电气控制单元根据传动协调控制站输入的驱动系统载荷信息以及设定的制动减速度，经过制动模型运算器计算发出首次时间采样电压信号V1，控制电液比例阀的阀芯移动使其产生对应的电液比例阀开度x1，从而输出首次采样时间内系统油压pg1，输入至工作制动器的油缸，使工作制动器的油缸油杆腔压力降低，工作制动器在碟形弹簧压力作用下与制动盘接触，并进而产生一定的正压力和与之对应的摩擦制动力；
其中制动模型运算器计算首次采样时间内系统油压pg1的运算如下：①给定电机负载力矩ML和电机理论角减速度ε0，其中ML为电气传动系统退出前电机负载力矩的测量值，其中ε0根据船厢紧急制动减速度预先算出：
式中，a为紧急制动减速度，i为驱动机构减速器传动比；
②计算所需的制动力矩
Mgb＝ML+Iε0 (2)
式中，I为驱动系统转动零部件相对于电机轴的总等效转动惯量的四分之一；
③计算电液比例阀输出的液压系统油压
式中，N为一套制动单元对制动盘施加的最大正压力总和；η为考虑液压管路沿程压力损失的效率值；Rb为工作制动器制动圆半径；S为制动器油缸有杆腔面积，μ为制动头与制动盘接触的摩擦系数；n为单台工作制动器的制动单元数目；
在所施加的制动摩擦力矩作用下，驱动电动机的实际转速降低至ωm1＝ωm0-Δωm1，其中ωm0为紧急制动实施之前的电机测量转速，Δωm1为第一次采样时间间隔内电机测量转速减少量；驱动电动机测量转速通过电机转速编码器测量，并传送至现地电气控制单元的制动模型运算器，通过与给定理论转速曲线的比较以及“闭环反馈PI调节控制律”，计算出电磁阀的输出压力、电液比例阀开度值以及电压的增量值，将该电压增量值作为电液比例阀控制电压的偏差给定输入信号，实现安全制动器的速度偏差反馈控制；
其中制动模型运算器的计算过程如下：
①计算t1时刻，驱动电动机理论角速度ωd1与实测速度ωml差值ωd1-ωm1，判断其相对偏差δ＝(ωd1-ωm1)/ωd1的绝对值是否大于给定的偏差值；若小于偏差值，则继续按首次采样输出电压信号V0对应的输出压力pg1保持制动力矩不变；若大于偏差值，则根据速度差值的正负号，按驱动电动机设计角减速度的5％～10％给定一角加速度调整量Δε(为正值)：
式中，k为以速度偏差为变量的调整函数；设定相对偏差大于0.025时开始实施速度反馈控制，调整函数按如下方式确定：
②计算工作制动器所施加的扭矩增量：
ΔT1＝±IΔε (6)
式中，I为驱动系统转动零部件相对于电机轴的总等效转动惯量的四分之一；“±”表示相对于初始制动力矩的增加或减少；当实测瞬时速度值低于该时刻的设计值时，需减少制动力矩，上式取负值；当实测速度值高于该时刻的设计值时，需增加制动力矩，上式取正值；因此，ΔT1的正负号与δ的正负号相反；
③计算电液比例阀出口的压力增量
式中的符号同前；
④计算电液比例阀出口的压力值
pg2＝pg1+Δpg2
⑤根据电液比例阀的开度压力特性曲线p＝f(x)计算与pg2对应的电液比例阀开度
x2＝f-1(pg2) (8)
式中，x为表征电液比例阀开度的变量，f-1(p)为f(x)的反函数；
⑥根据电液比例阀的输入电压与开度特性曲线x＝g(V)计算与电液比例阀阀芯开度x2对应的电压值：
V2＝g-1(x2) (9)
式中：g-1(x)为g(V)的反函数
电液比例阀输入新的定常电压V2之后，通过阀芯开度变化输出新的油压值，使制动器产生新的制动力；在该制动力作用下，船厢速度发生改变，从而产生新的电机转速，电机转速通过电机转速编码器测量，并通过现地电气控制单元，产生新一轮的反馈控制；如此往返循环，直至理论电机转速与实测值的偏差小于设定值。
进一步的，当船厢驱动系统的载荷工况为电动工况时，现地电气控制单元根据传动协调控制站输入的驱动系统载荷信息，其运算器进行如下运算：
①根据该信息计算在不施加制动力时由外载荷引起的电机制动角减速度：
②如果ε≤0.95ε0，计算所需要施加的制动力矩
Mdb＝Iε0-ML (11)
现地电气控制单元(1.9)发出初始电压信号，控制电液比例阀的阀芯移动从而形成适当的开度，使其产生初始压力：
此后的控制过程及相关控制运算与前述发电工况相同；
③如果ε＞0.95ε0现地电气控制单元发出初始电压信号，控制电液比例阀的阀芯移动从而形成适当的开度，使其产生初始压力：
此时，工作制动器与制动盘接触，但由于制动器碟形弹簧预压力与作用于油缸有杆腔的液压力平衡，工作制动器制动力为零(或接近于零)；升船机在外载荷作用下自然减速，其减速度大于0.95倍的设计减速度，可保证设计规定的制动距离；当电机转速编码器检测到电机转速为零时，升船机在外载荷作用下开始反向运行，驱动系统转化为发电状态，现地电气控制单元1.9按照2式和3式计算出电液比例阀的输出压力pg1，并向电液比例阀输入对应的电压信号；其后的控制过程与前述发电工况相同。
进一步的，所述电机转速编码器的取样周期为10～25毫秒。
进一步的，所述同步轴系统采用机械轴同步。
本发明的有益效果和特点是：(1)可使船厢制动减速度和制动距离等指标满足安全设计要求；(2)在升船机发生失衡事故时对驱动系统实施紧急制动，使船厢安全平稳地停止升降运行。
附图说明
图1是本发明较佳实施例的整体结构示意图；
图2是本发明较佳实施例的安全制动系统的布置结构示意图；
图3是本发明较佳实施例的工作制动器和安全制动器的设备布置示意；
图4是本发明较佳实施例的单个液压控制泵站液压原理图；
图5是本发明较佳实施例的速度反馈控制示意图；
图6是本发明较佳实施例的智能控制液压制动速度反馈控制原理图；
图7是本发明较佳实施例的多泵站液压制动系统现地LCU结构原理图；
图8是传统的升船机安全制动系统工作制动器紧急制动理论时间-压力曲线；
图中标号分别表示：1-安全制动子系统，1.1-安全制动器、1.2-工作制动器、1.3-液压控制泵站、1.4-驱动电动机、1.5-电机转速编码器、1.6-液压泵站压力检测装置、1.8-减速器、1.9-现地电气控制单元，1.10-塔柱墙体，1.11--锥齿轮箱，1.12-塔柱墙体，1.13-齿条，1.14-小齿轮托架，1.15-液气弹簧油缸、1.16-万向联轴节、1.17-带制动盘联轴器、2-升船机传动协调控制站、3-同步轴系统、A-安全制动器控制回路、B-工作制动器控制回路、C-制动曲线发生器、D-制动运算模型、E-阀芯位置阻尼补偿、F-限幅、G-比例阀电压调节器、H-液压制动系统、I-油路、J-制动头、K-轴角编码器、L-100M工业级光纤以太环网、M-1#现地LCU、N-2#现地LCU、O-3#现地LCU、P-9#现地LCU。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
请参照图1，图2，图3，一种升船机智能控制安全制动系统，包括四个安全制动子系统1、一套传动协调控制站2及传动协调控制站网络通讯模块；其中，四个安全制动子系统1安装于升船机驱动系统的四套驱动机构上；每个安全制动系统1包括包括安全制动器1.1、工作制动器1.2、液压控制泵站1.3、用于检测驱动电机转速的电机转速编码器1.5、控制液压控制泵站的现地电气控制单元1.9(以下简称现地电气控制单元)、电机转速编码器1.5、液压泵站压力检测装置1.6以及升船机传动协调控制站2(以下简称传动协调控制站)的网络通讯模块；所述安全制动器1.1和工作制动器1.2均采用常闭式液压盘式制动器,其中，工作制动器1.2布置在驱动电动机1.4输出轴与减速器1.8高速轴输入轴之间的联轴器制动盘上，安全制动器1.1布置在减速器1.8高速轴另一端出轴上；工作制动器1.2的作用是在系统实施紧急制动时对驱动电机施加合适的制动力矩，使船厢制动减速度和制动距离等指标满足设计要求，安全制动器1.1的作用是在驱动系统停机后对减速器18出轴施加制动力矩，使驱动系统可承受最大不平衡载荷。该系统的功能是与驱动系统的电气传动系统配合，在升船机发生失衡事故时对驱动系统实施紧急制动，使船厢安全平稳地停止升降运行。
请参照图5，图5为紧急制动过程中电机转速随时间变化曲线图。图中双点划线为电机转速理论曲线，实线为电机转速编码器给出的实测信号曲线。图中水平线为电机额定输出转速，与升船机额定提升速度相对应。直线斜率为电机的角加速度值，与升船机紧急制动加速度值相对应。由于取样周期非常小，而且所施加的载荷增量按额定制动减速度对应的惯性力的5～10％施加，通过适当选择速度偏差控制阈值(开始实施速度反馈控制的最小电机转速偏差Δωmin(本专利推荐的启动速度反馈控制的电机转速相对偏差阈值为2.5％)，可保证制动减速度的偏差范围在±10％以内。
请参照图6、图7，每套液压控制泵站各设一套现地电气控制单元1.9，各液压控制泵站独立控制，不相互连接，各现地电气控制单元1.9通过现地以太控制网络互连形成一个有机的整体，并通过网络通讯模块与传动协调控制站2通讯，接受其远方控制；安全制动器1.1、工作制动器1.2及其现地电气控制单元1.9，通过传动协调控制站2与电气传动系统进行时序配合，保证升船机升降运行的启动平稳，避免由于机械传动系统间隙引起的启动冲击。
每套现地LCU控制软件均配置1套制动运算模型，实现各自的制动分散控制，在此基础上，4套制动运算模型共用一个制动速度曲线给定信号，实现升船机安全制动系统的多泵站同步制动控制。比例阀电压调节器采用PI调节器。
安全制动系统在正常制动工况工况以及由主电气传动系统实施的快速制动工况下，工作制动器1.2在升船机由主电气传动系统控制使船厢速度接近零时实施正常制动，安全制动器1.1延时10～15秒后同时实施制动。此时工作制动器和安全制动器均为全压制动；
当驱动系统由静止制动状态过渡到启动状态时,安全制动系统与主电气传动系统配合,保证启动过程平稳无冲击.具体程序如下:驱动系统开始运行前，主电气传动系统首先接电，按船厢对接后不平衡力的方向及大小施加预加力矩，然后工作制动器1.2和安全制动器1.1相继松闸，最后主电气传动系统正式启动，驱动系统投入运行；
当升船机出现严重故障或事故时，安全制动系统实施紧急制动，此时主电气传动系统退出工作，安全制动系统的工作制动器根据传动协调控制站提供的指令以及相关的载荷和速度信息，实施速度反馈控制调压上闸；安全制动器1.1则在驱动电机1.4输出转速接近零时全压上闸；
速度反馈控制调压上闸的具体过程如下：传动协调控制站2根据主电气传动系统退出前的定子电流和转速的相对关系，判断船厢驱动系统的载荷工况是发电工况还是电动工况；并将相关速度和载荷信息电机转速和退出前电机的定子电流转矩分量发送至各现地电气控制单元1.9，然后主电气传动系统退出工作。
当船厢驱动系统的载荷工况为发电工况时，现地电气控制单元1.9根据传动协调控制站输入的驱动系统载荷信息电机负载力矩以及设定的制动减速度，经过制动模型运算器计算发出首次时间采样电压信号V1，控制电液比例阀的阀芯移动使其产生对应的电液比例阀开度x1，从而输出首次采样时间内系统油压pg1相对于制动之前的系统油压p0降低，输入至工作制动器1.2的油缸，使工作制动器1.2的油缸油杆腔压力降低，工作制动器1.2在碟形弹簧压力作用下与制动盘接触，并进而产生一定的正压力和与之对应的摩擦制动力；
其中制动模型运算器计算首次采样时间内系统油压pg1的运算如下：①给定电机负载力矩ML和电机理论角减速度ε0，其中ML为电气传动系统退出前电机负载力矩的测量值，其中ε0根据船厢紧急制动减速度预先算出：
式中，a为紧急制动减速度，i为驱动机构减速器传动比；
②计算所需的制动力矩
Mgb＝ML+Iε0 (2)
式中，I为驱动系统转动零部件相对于电机轴的总等效转动惯量的四分之一；
③计算电液比例阀输出的液压系统油压
式中，N为一套制动单元对制动盘施加的最大正压力总和；η为考虑液压管路沿程压力损失的效率值；Rb为工作制动器制动圆半径；S为制动器油缸有杆腔面积，μ为制动头与制动盘接触的摩擦系数；n为单台工作制动器的制动单元数目；
在所施加的制动摩擦力矩作用下，驱动电动机1.4的实际转速降低至ωm1＝ωm0-Δωm1，其中ωm0为紧急制动实施之前的电机测量转速，Δωm1为第一次采样时间间隔内电机测量转速减少量；驱动电动机1.4测量转速通过电机转速编码器1.5测量，并传送至现地电气控制单元1.9的制动模型运算器，通过与给定理论转速曲线的比较以及“闭环反馈PI调节控制律”，计算出电磁阀的输出压力、电液比例阀开度值以及电压的增量值，将该电压增量值作为电液比例阀控制电压的偏差给定输入信号，实现安全制动器1.1的速度偏差反馈控制；
其中制动模型运算器的计算过程如下：
①计算t1时刻，驱动电动机1.4理论角速度ωd1与实测速度ωml差值ωd1-ωm1，判断其相对偏差δ＝(ωd1-ωm1)/ωd1的绝对值是否大于给定的偏差值；若小于偏差值，则继续按首次采样输出电压信号V0对应的输出压力pg1保持制动力矩不变；若大于偏差值，则根据速度差值的正负号，按驱动电动机设计角减速度的5％～10％给定一角加速度调整量Δε为正值：
式中，k为以速度偏差为变量的调整函数；设定相对偏差大于0.025时开始实施速度反馈控制，调整函数按如下方式确定：
②计算工作制动器所施加的扭矩增量：
ΔT1＝±IΔε (6)
式中，I为驱动系统转动零部件相对于电机轴的总等效转动惯量的四分之一；“±”表示相对于初始制动力矩的增加或减少；当实测瞬时速度值低于该时刻的设计值时，需减少制动力矩，上式取负值；当实测速度值高于该时刻的设计值时，需增加制动力矩，上式取正值；因此，ΔT1的正负号与δ的正负号相反；
③计算电液比例阀出口的压力增量
式中的符号同前；
④计算电液比例阀出口的压力值
pg2＝pg1+Δpg2
⑤根据电液比例阀的开度压力特性曲线p＝f(x)由电液比例阀供货商提供计算与pg2对应的电液比例阀开度
x2＝f-1(pg2) (8)
式中，x为表征电液比例阀开度的变量，f-1(p)为f(x)的反函数；
⑥根据电液比例阀的输入电压与开度特性曲线x＝g(V)由电液比例阀供货商提供计算与电液比例阀阀芯开度x2对应的电压值：
V2＝g-1(x2) (9)
式中：g-1(x)为g(V)的反函数
电液比例阀输入新的定常电压V2之后，通过阀芯开度变化输出新的油压值，使制动器产生新的制动力；在该制动力作用下，船厢速度发生改变，从而产生新的电机转速，电机转速通过电机转速编码器测量，并通过现地电气控制单元，产生新一轮的反馈控制；如此往返循环，直至理论电机转速与实测值的偏差小于设定值。
当船厢驱动系统的载荷工况为电动工况时，现地电气控制单元1.9根据传动协调控制站输入的驱动系统载荷信息电动机退出前的负载力矩，其运算器进行如下运算：
①根据该信息计算在不施加制动力时由外载荷引起的电机制动角减速度：
②如果ε≤0.95ε0，计算所需要施加的制动力矩
Mdb＝Iε0-ML (11)
现地电气控制单元1.9发出初始电压信号，控制电液比例阀的阀芯移动从而形成适当的开度，使其产生初始压力：
此后的控制过程及相关控制运算与前述发电工况相同；
③如果ε＞0.95ε0现地电气控制单元1.9发出初始电压信号，控制电液比例阀的阀芯移动从而形成适当的开度，使其产生初始压力：
此时，工作制动器与制动盘接触，但由于制动器碟形弹簧预压力与作用于油缸有杆腔的液压力平衡，工作制动器制动力为零或接近于零；升船机在外载荷作用下自然减速，其减速度大于0.95倍的设计减速度，可保证设计规定的制动距离；当电机转速编码器检测到电机转速为零时，升船机在外载荷作用下开始反向运行，驱动系统转化为发电状态，现地电气控制单元1.9按照2式和3式计算出电液比例阀的输出压力pg1，并向电液比例阀输入对应的电压信号；其后的控制过程与前述发电工况相同。
所述电机转速编码器1.5的取样周期为10～25毫秒。
所述同步轴系统2采用机械轴同步，各驱动电机输出速度差值极小，而且驱动电机转速的取样周期较小，通过在设计上保证液压控制泵站元件性能的一致性和管路布置的严格对称性以及现场调试，可精确控制紧急制动期间全部工作制动器的上闸时间差和工作制动器的上闸压力(上闸到位时的压力)相对差，从而避免升船机同步轴系统承受附加载荷,同时控制制动减速度,保持制动过程平稳。由于液压泵站与制动器油缸距离较短，系统泄压迅速，制动时间短；且由于管道长度短接头少，压力损失少，上闸压力调整难度小，可靠性高。具体运行方式如下：
(1)正常启制动
1)正常启动
驱动系统开始运行前，主传动系统首先接电，按船厢对接后不平衡力的方向及大小施加预加力矩，然后工作制动器和安全制动器相继松闸，具体松闸过程如附图4所示，传动协调控制站向液压控制泵站现地LCU发出正常启动指令，工作制动器液压控制回路电磁换向阀SV4A和SV4B处于失电状态，关闭与油箱相连的泄压回路；电磁换向阀SV3A、SV3B和SV5处于得电状态，开通与液压泵组相连的充压回路，并通过RV3限定最大压力值，使工作制动器油缸有杆腔充压，顶开工作制动器的蝶形弹簧，使制动器制动片与工作制动器制动盘脱离接触。与此同时，安全制动器液压控制回路电磁换向阀SV1A和SV1B处于失电状态，关闭与油箱相连的泄压回路；SV2A和SV2B处于得电状态,开通与液压泵组相连的充压回路，并通过RV2限定最大压力值，使安全制动器油缸有杆腔充压，顶开安全制动器的蝶形弹簧，使制动器制动片与安全制动器制动盘脱离接触。传动协调控制站在接收到工作制动器和安全制动器送闸到位信号后,发出电气传动系统启动指令,驱动系统开始启动运行。
2)正常制动
当电动机转速由电气传动系统经电气制动使其接近于零时，传动协调控制站发出正常制动指令。具体实施如附图4所示，工作制动器液压控制回路电磁换向阀SV3A、SV3B和SV5处于失电状态，关闭与液压泵组相连的充压回路；电磁换向阀SV4A和SV4B处于得电状态，开启与油箱相连的泄压回路，此时电液比例阀PR2处于全开位置，工作制动器油缸有杆腔的压力油通过泄压回路快速泄至油箱，工作制动器在碟形弹簧作用下上闸制动。10～15秒后时安全制动器实施制动，此时，安全制动器液压控制回路电磁换向阀SV2A和SV2B处于失电状态,关闭与液压泵组相连的充压回路；SV1A和SV1B处于得电状态，开启与油箱相连的泄压回路，安全制动器油缸有杆腔的压力油通过泄压回路快速泄至油箱，安全制动器在碟形弹簧作用下上闸制动。
(2)紧急制动
当升船机发生失衡事故需紧急停机时，传动协调控制站发出紧急制动指令，并根据主传动系统电流和转速的相对关系，判断驱动系统的载荷工况是发电工况还是电动工况；并将相关速度和载荷信息(电机转速和电机退出前的定子电流转矩分量)发送至液压控制泵站现地LCU；与此同时电气传动系统退出工作状态。
对于发电工况，液压控制泵站现地LCU根据传动协调控制站输入的驱动系统载荷信息，发出初始初始电压信号，使电液比例阀PR2的阀芯移动产生适当的开度；工作制动器液压控制回路电磁换向阀SV3A、SV3B和SV5处于失电状态，关闭与液压泵组相连的充压回路；电磁换向阀SV4A和SV4B处于得电状态，开启与油箱相连的泄压回路，工作制动器油缸有杆腔的压力油通过泄压回路中的电液比例阀PR2泄至油箱。在此过程中，电液比例阀PR2按照给定的采样周期，通过速度反馈控制系统不断调整其开度(其工作过程见发明内容)，从而输出合理的油压值，进而控制工作制动器的瞬时上闸力，最终使电机输出角速度和角加速度(对应升船机船厢的速度和制动减速度)的偏差控制在规定的范围内。传动协调控制站发出紧急制动指令后10～15秒，安全制动器全压上闸，此时，安全制动器液压控制回路电磁换向阀SV2A和SV2B处于失电状态,关闭与液压泵组相连的充压回路；SV1A和SV1B处于得电状态，开启与油箱相连的泄压回路，安全制动器油缸有杆腔的压力油通过泄压回路快速泄至油箱，安全制动器在碟形弹簧作用下上闸制动。
对于电动工况，液压控制泵站控制器根据传动协调控制站输入的驱动系统载荷和速度信息，并发出紧急制动指令，电气传动系统退出工作。液压控制泵站现地LCU根据传动协调控制站的载荷信息计算无制动力矩条件下驱动系统由载荷引起的电机角减速度。如该减速度大于0.95倍的设计电机角减速度，则发出初始电压信号，控制电液比例阀的阀芯移动使其产生适当开度，输出初始压力至工作制动器油缸，使工作制动器油缸压力降低至制动器与制动盘接触(或几乎接触)，但保持工作制动器制动力矩为零(或接近于零)，使驱动系统在外载荷作用下自然减速。当电机转速编码器检测到速度降至零后，电机速度换向进入发电工况，液压控制泵站现地LCU根据电机负载力矩载荷发出新的电压信号，控制电液比例阀输出新的油压，使工作制动器按设定减速度进行速度反馈制动。如液压控制泵站现地LCU根据传动协调控制站的载荷信息计算无制动力矩条件下驱动系统由载荷引起的电机角减速度小于0.95倍的设计电机角减速度，则发出初始电压信号，控制电液比例阀的阀芯移动使其产生适当开度，输出初始压力至工作制动器油缸，使工作制动器施加与设计减速度相对应的制动力矩，并随后进行与发电工况相同的速度反馈控制制动。传动协调控制站发出紧急制动指令后10～15秒，安全制动器全压上闸。电动状态下紧急制动有关液压阀件的动作原理与发电工况完全相同。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种升船机智能控制安全制动系统，其特征在于：包括四个安全制动子系统(1)、一套传动协调控制站(2)及传动协调控制站网络通讯模块；其中，四个安全制动子系统(1)安装于升船机驱动系统的四套驱动机构上，每个安全制动子系统(1)包括安全制动器(1.1)、工作制动器(1.2)、液压控制泵站(1.3)、用于检测驱动电机转速的电机转速编码器(1.5)、控制液压控制泵站的现地电气控制单元(1.9)以及液压泵站压力检测装置(1.6)；所述安全制动器(1.1)和工作制动器(1.2)均采用常闭式液压盘式制动器,其中，工作制动器(1.2)布置在驱动电动机(1.4)输出轴与减速器(1.8)高速轴输入轴之间的联轴器制动盘上，安全制动器(1.1)布置在减速器(1.8)高速轴另一端出轴上；工作制动器(1.2)的用于在系统实施紧急制动时对驱动电机施加合适的制动力矩，使船厢制动减速度和制动距离指标满足设计要求，安全制动器(1.1)用于驱动系统停机后对减速器(1.8)出轴施加制动力矩，使驱动系统可承受最大不平衡载荷；
每套液压控制泵站(1.3)各设一套现地电气控制单元(1.9)，各液压控制泵站独立控制，不相互连接，各现地电气控制单元(1.9)通过现地以太控制网络互连形成一个有机的整体，并通过网络通讯模块与传动协调控制站(2)通讯，接受其远方控制；安全制动器(1.1)、工作制动器(1.2)及其现地电气控制单元(1.9)，通过传动协调控制站(2)与电气传动系统进行时序配合，保证升船机升降运行的启动平稳，避免由于机械传动系统间隙引起的启动冲击；
所述电机转速编码器(1.5)的取样周期为10～25毫秒。
2.一种用于权利要求1所述的升船机智能控制安全制动系统的安全制动方法，其特征在于：安全制动系统在正常制动工况以及由主电气传动系统实施的快速制动工况下，工作制动器(1.2)在升船机由主电气传动系统控制使船厢速度接近零时实施正常制动，安全制动器(1.1)延时10～15秒后同时实施制动，此时工作制动器和安全制动器均为全压制动；
当驱动系统由静止制动状态过渡到启动状态时,安全制动系统与主电气传动系统配合,保证启动过程平稳无冲击具体程序如下:驱动系统开始运行前，主电气传动系统首先接电，按船厢对接后不平衡力的方向及大小施加预加力矩，然后工作制动器(1.2)和安全制动器(1.1)相继松闸，最后主电气传动系统正式启动，驱动系统投入运行；
当升船机出现严重故障或事故时，安全制动系统实施紧急制动，此时主电气传动系统退出工作，安全制动系统的工作制动器根据传动协调控制站提供的指令以及相关的载荷和速度信息，实施速度反馈控制调压上闸；安全制动器(1.1)则在驱动电动机(1.4)输出转速接近零时全压上闸；
速度反馈控制调压上闸的具体过程如下：传动协调控制站(2)根据主电气传动系统退出前的定子电流和转速的相对关系，判断船厢驱动系统的载荷工况是发电工况还是电动工况；并将相关速度和载荷信息发送至各现地电气控制单元(1.9)，然后主电气传动系统退出工作。
3.根据权利要求2所述的升船机智能控制安全制动系统的安全制动方法，其特征在于：当船厢驱动系统的载荷工况为发电工况时，现地电气控制单元(1.9)根据传动协调控制站输入的驱动系统载荷信息以及设定的制动减速度，经过制动模型运算器计算发出首次时间采样电压信号V1，控制电液比例阀的阀芯移动使其产生对应的电液比例阀开度x1，从而输出首次采样时间内系统油压pg1，输入至工作制动器(1.2)的油缸，使工作制动器(1.2)的油缸油杆腔压力降低，工作制动器(1.2)在碟形弹簧压力作用下与制动盘接触，并进而产生一定的正压力和与之对应的摩擦制动力；
其中制动模型运算器计算首次采样时间内系统油压pg1的运算如下：
①给定电机负载力矩ML和电机理论角减速度ε0，其中ML为电气传动系统退出前电机负载力矩的测量值，其中ε0根据船厢紧急制动减速度预先算出：
式中，a为紧急制动减速度，i为驱动机构减速器传动比；
②计算所需的制动力矩
Mgb＝ML+Iε0 (2)
式中，I为驱动系统转动零部件相对于电机轴的总等效转动惯量的四分之一；
③计算电液比例阀输出的液压系统油压
式中，N为一套制动单元对制动盘施加的最大正压力总和；η为考虑液压管路沿程压力损失的效率值；Rb为工作制动器制动圆半径；S为制动器油缸有杆腔面积，μ为制动头与制动盘接触的摩擦系数；n为单台工作制动器的制动单元数目；
在所施加的制动摩擦力矩作用下，驱动电动机(1.4)的实际转速降低至ωm1＝ωm0-Δωm1，其中ωm0为紧急制动实施之前的电机测量转速，Δωm1为第一次采样时间间隔内电机测量转速减少量；驱动电动机(1.4)测量转速通过电机转速编码器(1.5)测量，并传送至现地电气控制单元(1.9)的制动模型运算器，通过与给定理论转速曲线的比较以及“闭环反馈PI调节控制律”，计算出电磁阀的输出压力、电液比例阀开度值以及电压的增量值，将该电压增量值作为电液比例阀控制电压的偏差给定输入信号，实现安全制动器(1.1)的速度偏差反馈控制；
其中制动模型运算器的计算过程如下：
①计算t1时刻，驱动电动机(1.4)理论角速度ωd1与实测速度ωml差值ωd1-ωm1，判断其相对偏差δ＝(ωd1-ωm1)/ωd1的绝对值是否大于给定的偏差值；若小于偏差值，则继续按首次采样输出电压信号V0对应的输出压力pg1保持制动力矩不变；若大于偏差值，则根据速度差值的正负号，按驱动电动机设计角减速度的5％～10％给定一角加速度调整量Δε：
式中，k为以速度偏差为变量的调整函数；设定相对偏差大于0025时开始实施速度反馈控制，调整函数按如下方式确定：
②计算工作制动器所施加的扭矩增量：
ΔT1＝±IΔε (6)
式中，I为驱动系统转动零部件相对于电机轴的总等效转动惯量的四分之一；“±”表示相对于初始制动力矩的增加或减少；当实测瞬时速度值低于该时刻的设计值时，需减少制动力矩，上式取负值；当实测速度值高于该时刻的设计值时，需增加制动力矩，上式取正值；因此，ΔT1的正负号与δ的正负号相反；
③计算电液比例阀出口的压力增量
式中的符号同前；
④计算电液比例阀出口的压力值
pg2＝pg1+Δpg2
⑤根据电液比例阀的开度压力特性曲线p＝f(x)计算与pg2对应的电液比例阀开度
x2＝f-1(pg2) (8)
式中，x为表征电液比例阀开度的变量，f-1(p)为f(x)的反函数；
⑥根据电液比例阀的输入电压与开度特性曲线x＝g(V)计算与电液比例阀阀芯开度x2对应的电压值：
V2＝g-1(x2) (9)
式中：g-1(x)为g(V)的反函数
电液比例阀输入新的定常电压V2之后，通过阀芯开度变化输出新的油压值，使制动器产生新的制动力；在该制动力作用下，船厢速度发生改变，从而产生新的电机转速，电机转速通过速度编码器测量，并通过现地电气控制单元，产生新一轮的反馈控制；如此往返循环，直至理论电机转速与实测值的偏差小于设定值。
4.根据权利要求2所述的升船机智能控制安全制动系统的安全制动方法，其特征在于：当船厢驱动系统的载荷工况为电动工况时，现地电气控制单元(1.9)根据传动协调控制站输入的驱动系统载荷信息，其运算器进行如下运算：
①根据该信息计算在不施加制动力时由外载荷引起的电机制动角减速度：
②如果ε≤0.95ε0，计算所需要施加的制动力矩
Mdb＝Iε0-ML (11)
现地电气控制单元(1.9)发出初始电压信号，控制电液比例阀的阀芯移动从而形成适当的开度，使其产生初始压力：
此后的控制过程及相关控制运算与前述发电工况相同；
③如果ε＞0.95ε0现地电气控制单元(1.9)发出初始电压信号，控制电液比例阀的阀芯移动从而形成适当的开度，使其产生初始压力：
此时，工作制动器与制动盘接触，但由于制动器碟形弹簧预压力与作用于油缸有杆腔的液压力平衡，工作制动器制动力为零或接近于零；升船机在外载荷作用下自然减速，其减速度大于0.95倍的设计减速度，可保证设计规定的制动距离；当电机速度编码器检测到电机转速为零时，升船机在外载荷作用下开始反向运行，驱动系统转化为发电状态，现地电气控制单元(1.9)按照(2)式和(3)式计算出电液比例阀的输出压力pg1，并向电液比例阀输入对应的电压信号；其后的控制过程与前述发电工况相同。
5.根据权利要求2所述的升船机智能控制安全制动系统的安全制动方法，其特征在于：升船机的同步轴系统(3)采用机械轴同步。
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