CN110316657A - 一种起重机重物的防摇摆控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及起重机控制技术领域，尤其是涉及一种起重机重物的防摇摆控制系统及其控制方法，所述系统包括钢丝绳长度测量单元、预处理模块、防摇运算模块、变频器控制单元，其中：所述钢丝绳长度测量单元实时精确测量钢丝绳长度；所述的编码器的信号通过光纤通信，将测量信号传输至PLC，和PLC实现通信；所述预处理模块、防摇运算模块，根据测量得到的钢丝绳长度叠加抓具（或吊具）重心到钢丝绳卸扣的距离，并计算出变频器设定频率参数，分段适时输出数据控制大小车速度，达到大小车加减速防摇的目的；所述变频器控制单元，按照PLC的输出指令实现加速或减速运行。本发明经过生产验证，可消除载荷起重机启动和停止时的摇摆，稳定可靠，减摆幅度大于95%。
Description
技术领域
本发明涉及起重机控制技术领域，尤其是涉及一种起重机重物的防摇摆控制系统及其控制方法。
背景技术
目前，随着国家经济发展不断提升和相关领域的需求不断提高，在物流及搬运领域，由于防摇摆问题解决的不好，严重影响物料搬运过程中的生产效率，同时对于在起重机极限位置停止的情形，由于摆动幅度较大，屡屡出现抓具碰撞墙壁的现象。
特别是环保领域，随着国家城市化进程的加快，城市垃圾量的提升，垃圾抓斗起重机作为垃圾焚烧发电厂核心设备，由于垃圾吊在启动或停止时出现的大幅度摇摆，使得作业效率降低，在抓取物料时过大的摇摆幅度可能会撞击垃圾池壁，在投料时过大的摇摆幅度会将部分垃圾洒落至料斗以外的区域，同时，防摇摆的难题会严重制约垃圾吊或其它行业起重机的无人化值守目标的实现。有的企业为了解决防摇摆的难题，采用复杂机械结构实现减小摆动幅度的目的，由于结构复杂，提高了制造成本，同时影响了运行可靠性，实际运行中屡屡出现故障。有的企业采用基于变频器的防摇摆，取得了一定的效果，但大幅降低了生产效率，对于高速运行的起重机效果不佳。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种起重机重物的防摇摆控制系统及其控制方法，通过建立重物的摆动模型并以此计算重物的摆动周期，并根据所计算得到的重物摆动周期控制起重机大、小车的加速和减速状态，从而实现对重物的防摇摆控制。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种起重机重物的防摇摆控制系统，所述起重机包括可编程序控制器、大车变频器、小车变频器、通信模块，所述大车变频器及所述小车变频器分别通过驱动对应的变频电机运转使悬挂在钢丝绳上的重物做两个相垂直的水平运动，其特征在于：所述系统还包括钢丝绳长度测量单元、预处理模块、防摇运算模块、变频器控制单元，其中所述钢丝绳测量单元实时测量所述钢丝绳的长度并由所述通信模块将测量信号输入至所述可编程序控制器，所述预处模块及所述防摇运算模块根据所述钢丝绳长度测量单元所测量得到的钢丝绳长度叠加抓具或吊具重心到所述钢丝绳的卸扣的距离计算出所述大车变频器和所述小车变频器的设定频率参数并由所述可编程序控制器输出至所述变频器控制单元，所述变频器控制单元根据所述可编程序控制器的输出指令控制所述大车变频器和/或小车变频器分段适时输出数据控制起重机的大车和/或小车速度，从而通过所述大车和/或小车加速或减速运行实现所述重物的防摇摆。
所述钢丝绳长度测量单元采用绝对值编码器进行所述钢丝绳的长度测量；所述绝对值编码器通过Modbus或Profibus或ProfiNet的通讯方式将测量信号输入至可编程序控制器。
所述绝对编码器与所述可编程序控制器之间通过光纤通信连接。
所述绝对编码器与驱动所述钢丝绳伸出或缩回的低速轴相同步。
抓具的摆动按大、小车运动方向分别考虑，两个方向的运动原理相同，因此两个方向的摆动采用相同的方法建立摆动数学模型。Lc表示载荷质心到吊钩的长度，对于不同载荷，Lc是变化的；Lb表示起升机构的编码器测量得到的长度，随着吊钩的升降，该值是变化的；Lc表示当吊钩处于最高点时（此时编码器处于测量的零点），抓具到钢丝绳固定点的距离。
本发明通过将单位阶跃输入进行延时叠加，在初始时刻到原先阶跃响应的峰值时刻Tp=Td/2这段时间内（Td是系统的阻尼振荡周期，Td=2π/ωd），阶跃输入为原先的1/(1+σ)倍（σ为超调量），在Tp=Td/2时刻将阶跃输入叠加σ/(1+σ)倍至1作为输入，这个将输入进行整形的方法可以消除阶跃响应的超调。当直接输入阶跃信号1时，系统输出会产生振荡；而如果把输入阶跃信号分阶段输入，首先输入1/(1+σ)，然后在Tp=Td/2时刻将输入提升到1，这样系统输出不会产生振荡。
一种涉及上述的起重机重物的防摇摆控制系统的控制方法，其特征在于：可编程序控制器经过预处理模块、防摇运算模块的计算驱动大车变频电机和/或小车变频电机运转使起重机在水平方向启动时实现：
大、小车初始状态速度为0，使所述大、小车加速至V/2，此时重物速度为0；在所述大、小车以V/2匀速运动过程中，重物以初始速度V/2向后摆动，当所述重物第一次摆动至最大角度时，重物相对于底面速度达到V/2，之后所述重物往回摆动，在摆动到最低点时对地速度达到V；
当所述重物达到最低点时，所述可编程控制器控制所述大、小车第二次加速，使所述大、小车速度加速为V；此时所述重物位于最低点，并与所述大、小车一起以速度V匀速运行，从而实现所述起重机启动时所述重物的防摇摆。
一种涉及上述的起重机重物的防摇摆控制系统的控制方法，其特征在于：可编程序控制器经过预处理模块、防摇运算模块的计算驱动大车变频电机和/或小车变频电机运转使起重机在水平方向停止时实现：
大、小车初始状态速度为V，使所述大、小车减速至V/2，此时重物速度为V；在所述大、小车以V/2匀速运动过程中，重物以初始速度V/2摆动，当所述重物第一次摆动至最大角度时，重物相对于底面速度达到V/2，之后所述重物往回摆动，在摆动到最低点时对地速度达到0；
当所述重物达到最低点时，所述可编程控制器控制所述大、小车第二次减速，使所述大、小车速度加速为0；此时所述重物位于最低点，并与所述大、小车一起以速度0停止，从而实现所述起重机停止时所述重物的防摇摆。
考虑到实际吊重的摆动模型与单摆有一定区别，所以设定吊重摆动模型为：
式中，β为模型修正参数。l为重物摆长，l=La+Lb+Lc，T为所述重物的摆动周期，g为重力加速度。代入l，防摇摆运算模块的计算模块变换为：
式中，T为所述重物的摆动周期， La+Lb+Lc为所述重物的摆长，Lb表示为绝对编码器所测量得到的钢丝绳长度，Lc表示为当起重机的吊钩处于最高点时，抓具或吊具到所述钢丝绳的固定点的距离，g为重力加速度，π为常数，La和β则在现场通过对所述起重机进行模拟试验计算得出。
可选定一个实际工作时候的平均载荷，测出Lb，将吊重人为地推动，使之摆动起来，测出摆动周期T，同时记录下此时的编码器读数Lb。在起重机常用工作高度范围的两端，分别向内30%处选定两个高度，测量两次，记录下两组数据：（T1，LC1），（T2，LC2）。代入模型得：
对π和g进行取值，即取π=3.1416，g=9.8牛顿/千克，解得：
由此，模型及模型参数都已确定。起重机在不同高度工作，都可以准确求出吊重的摆动周期T，达到测量值的预处理。
根据前述防摇控制方法设计的防摇摆运算模块，根据输入的参数，计算出结果，分段适时输出数据控制大小车速度，达到大小车加减速防摇的目的。
在本发明的起重机防摇摆控制方法中，所述设定的加速度时间、绳长补偿值、防摇时间补偿系数、防摇时间补偿基数、加速防摇摆频率设定、减速防摇摆频率以及抓具修正系数通过现场实测后设置。
本发明的优点是：通过绝对值编码器测量吊具（或抓具）距离卷筒中心的距离，以一定方式和速率将信号传输至PLC，控制大车和小车方向的变频器的输出频率来消除重物在水平移动（X向或Y向，X和Y向同时移动）时的摇摆，结构简单、调试方便、运行稳定可靠。对于不同需求的防摇摆效果，可以设定不同的减摆幅度，力求最大限度保证效率，调节方便。本发明经过生产验证，通过测量钢丝绳长由可编程序控制器（PLC）控制变频器的输出频率来消除载荷起重机启动和停止时的摇摆，减摆幅度大于95%。
附图说明
图1为本发明的控制原理图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
实施例：如图1所示，是本发明起重机防摇摆控制系统及其控制方法实施的示意图，其可应用于室内桥式起重机、门式起重机、半门式起重机等没有风力引起附加速度的起重机。
本实施例中的起重机包括安装于起升低速轴的绝对值编码器、通信模块、通信光纤、安装于控制柜的可编程序控制器（PLC）、大车变频器、小车变频器等，且大车变频器通过驱动对应的变频电机运转使悬挂在钢丝绳上的重物做水平移动（X向），小车变频器通过驱动对应的变频电机运转使悬挂在钢丝绳上的重物做水平移动（Y向）。本实施例中的防摇摆控制系统包括钢丝绳长度测量单元、预处理模块、防摇运算模块、变频器控制单元、通信模块、接口模块及运行于可编程序控制器（PLC）的软件构成。
其中，钢丝绳测量单元实时测量钢丝绳的长度并由通信模块将测量信号输入至可编程序控制器（PLC），预处理模块及防摇运算模块，其中预处理模块用于计算摆动周期，而防摇运算模块则根据摆动周期计算变频器的频率。根据钢丝绳长度测量单元所测量得到的钢丝绳长度叠加抓具或吊具重心到钢丝绳的卸扣的距离计算出大车变频器和小车变频器的设定频率参数并由可编程序控制器输出至变频器控制单元，变频器控制单元根据可编程序控制器的输出指令控制大车变频器和/或小车变频器分段适时输出数据控制起重机的大车和/或小车速度，从而通过大车和/或小车加速或减速运行实现重物的防摇摆。接口模块用于需要对接的功能模块之间的硬件接口对接。
对于起重机初速度为0的启动状态：第一阶段，大小车起始状态速度为0，加速过程假设时间为零，则大小车很快加速到V/2，此时重物速度为0。第二阶段，在大小车以V/2匀速运动的过程中，在载荷水平移动时，悬挂在钢丝绳底端的载荷因惯性作用，将使钢丝绳产生偏移，重物因为牵引运动开始进行摆动。对重物来说，取它的参照物为大小车，那么重物就做的是初始速度为向后V/2的摆动运动。所以当重物第一次摆动到最大角时，重物相对于地面的速度达到V/2。之后重物往回摆动，在摆动到最低点时对地速度达到V。第三阶段，重物达到最低点时，给予大小车第二次加速，假设加速时间为零，大小车瞬间加速到V。第四阶段，此时重物位于最低点，大小车和重物一起以V的速度匀速运行。
起重机启动时，置于PLC的防摇摆模块控制变频器的输出频率，以消除载荷水平移动时的摇摆。具体地，该PLC防摇摆模块在接收到移动载荷的指令时，使变频器（大车或小车）的输出频率从零开始逐渐增大，并在输出频率达到预设值时停止加速，以匀速运动运行，PLC的防摇摆模块控制匀速运动周期达到该位置绳长对应的周期T/2时继续加速至一档预设速度。二档、三档、四档的防摇摆过程相同。
对于起重机初速度为V的停车状态：第一阶段，大小车起始状态速度为V，减速过程假设时间为零，则大小车很快减速到V/2，此时重物速度为V。第二阶段，在大小车以V/2匀速运动的过程中，重物因为牵引运动开始进行摆动。对重物来说，取它的参照物为大小车，那么重物就做的是初始速度为向前V/2的摆动运动。所以当重物第一次摆动到最大角时，重物相对于地面的速度达到V/2。之后重物往回摆动，在摆动到最低点时对地速度达到0。第三阶段，重物达到最低点时，给予大小车第二次减速，假设减速时间为零，大小车瞬间减速到0。第四阶段，此时重物位于最低点，大小车和重物一起以速度为0停止下来。
起重机停车时，置于PLC的防摇摆模块控制变频器的输出频率，以消除载荷水平移动时的摇摆。具体地，该PLC防摇摆模块在接收到移动载荷的指令时，使变频器（大车或小车）的输出频率从当前值开始逐渐减小，并在输出频率达到预设值时停止减速，以匀速运动运行，PLC的防摇摆模块控制匀速运动周期达到该位置绳长对应的周期T/2时继续减速至四档预设速度。三档、二档、一档的防摇摆过程相同。
特别地，上述起重机防摇摆控制方法中包括有预设参数，包括设定的周期修正系数、防摇摆时间基数、防摇摆时间系数，在起重机现场调试时测试获得并设置。
本实施例在具体实施时：钢丝绳长度测量单元采用绝对值编码器进行钢丝绳的长度测量；绝对值编码器通过Modbus或Profibus或ProfiNet的通讯方式将测量信号输入至可编程序控制器，确保不发生信号干扰和丢包。
钢丝绳长度测量单元在运行长周期或短周期内在某一位置设置校准点，从而保证钢丝绳长度测量的准确性，提高后续防摇摆控制的精度。
绝对编码器与可编程序控制器之间通过光纤通信连接，以提高输出传输速度，便于防摇摆控制的及时修正。
虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。
Claims (7)
1.一种起重机重物的防摇摆控制系统，所述起重机包括可编程序控制器、大车变频器、小车变频器、通信模块，所述大车变频器及所述小车变频器分别通过驱动对应的变频电机运转使悬挂在钢丝绳上的重物做两个相垂直的水平运动，其特征在于：所述系统还包括钢丝绳长度测量单元、预处理模块、防摇运算模块、变频器控制单元，其中所述钢丝绳测量单元实时测量所述钢丝绳的长度并由所述通信模块将测量信号输入至所述可编程序控制器，所述预处模块及所述防摇运算模块根据所述钢丝绳长度测量单元所测量得到的钢丝绳长度叠加抓具或吊具重心到所述钢丝绳的卸扣的距离计算出所述大车变频器和所述小车变频器的设定频率参数并由所述可编程序控制器输出至所述变频器控制单元，所述变频器控制单元根据所述可编程序控制器的输出指令控制所述大车变频器和/或小车变频器分段适时输出数据控制起重机的大车和/或小车速度，从而通过所述大车和/或小车加速或减速运行实现所述重物的防摇摆。
2.根据权利要求1所述的一种起重机重物的防摇摆控制系统，其特征在于：所述钢丝绳长度测量单元采用绝对值编码器进行所述钢丝绳的长度测量；所述绝对值编码器通过Modbus或Profibus或ProfiNet的通讯方式将测量信号输入至可编程序控制器。
3.根据权利要求2所述的一种起重机重物的防摇摆控制系统，其特征在于：所述绝对编码器与所述可编程序控制器之间通过光纤通信连接。
4.根据权利要求2所述的一种起重机重物的防摇摆控制系统，其特征在于：所述绝对编码器与驱动所述钢丝绳伸出或缩回的低速轴相同步。
5.一种涉及权利要求1-4所述的起重机重物的防摇摆控制系统的控制方法，其特征在于：可编程序控制器经过预处理模块、防摇运算模块的计算驱动大车变频电机和/或小车变频电机运转使起重机在水平方向启动时实现：
大、小车初始状态速度为0，使所述大、小车加速至V/2，此时重物速度为0；在所述大、小车以V/2匀速运动过程中，重物以初始速度V/2向后摆动，当所述重物第一次摆动至最大角度时，重物相对于底面速度达到V/2，之后所述重物往回摆动，在摆动到最低点时对地速度达到V；
当所述重物达到最低点时，所述可编程控制器控制所述大、小车第二次加速，使所述大、小车速度加速为V；此时所述重物位于最低点，并与所述大、小车一起以速度V匀速运行，从而实现所述起重机启动时所述重物的防摇摆。
6.一种涉及权利要求1-4所述的起重机重物的防摇摆控制系统的控制方法，其特征在于：可编程序控制器经过预处理模块、防摇运算模块的计算驱动大车变频电机和/或小车变频电机运转使起重机在水平方向停止时实现：
大、小车初始状态速度为V，使所述大、小车减速至V/2，此时重物速度为V；在所述大、小车以V/2匀速运动过程中，重物以初始速度V/2摆动，当所述重物第一次摆动至最大角度时，重物相对于底面速度达到V/2，之后所述重物往回摆动，在摆动到最低点时对地速度达到0；
当所述重物达到最低点时，所述可编程控制器控制所述大、小车第二次减速，使所述大、小车速度加速为0；此时所述重物位于最低点，并与所述大、小车一起以速度0停止，从而实现所述起重机停止时所述重物的防摇摆。
7.根据权利要求5或6所述的一种防摇摆控制系统的控制方法，其特征在于：所述防摇运算模块的计算模型为：
式中，T为所述重物的摆动周期，La+Lb+Lc为所述重物的摆长，Lb表示为绝对编码器所测量得到的钢丝绳长度，Lc表示为当起重机的吊钩处于最高点时，抓具或吊具到所述钢丝绳的固定点的距离，g为重力加速度，π为常数，La和β则在现场通过对所述起重机进行模拟试验计算得出。
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