CN110683474B - 一种起重机双卷扬起升系统的同步控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起重机双卷扬起升系统的同步控制方法及装置，装置包括控制器、两个激光测距仪、两个测距挡板、两个旋转编码器；两个激光测距仪对称固定在起重机臂头两侧；两个测距挡板对称固定在吊钩两侧；激光测距仪用于采集吊钩两侧与起重机臂头之间的距离；两个旋转编码器分别安装在双卷扬的主轴上，用来测量两个卷扬机的转角；控制器用于接收所述激光测距仪输出的距离信号及所述旋转编码器的角度信号，并对距离信号进行运算以判定所述距离信号的有效性，若所述距离信号有效，则保持基于激光测距反馈的同步控制；否则，将控制模式切换到基于编码反馈的同步控制；本发明方法通过上述装置实现，可保证起重机工作的安全进行。

Description

一种起重机双卷扬起升系统的同步控制方法及装置

技术领域

本发明属于工程机械控制计算领域，特别是一种起重机双卷扬起升系统的同步控制方法及装置。

背景技术

随着起重机在工程作业中应用场景的扩大，起重机的起升系统越来越多地采用双卷扬单吊钩的形式来设计，以此提升起重机的起升能力。这样就必须保证两个卷扬系统的同步动作，因为若两卷扬系统不同步，会导致两根钢丝绳长度不一致，从而造成吊钩发生倾斜以及两根钢丝绳承受的载荷不同，甚至在吊钩倾斜严重时，会出现其中一套卷扬系统超载工作的现象，这样容易导致超载一侧钢丝绳的断裂，进而引发严重的安全事故。

目前国内外起重机生产厂家广泛采用基于编码反馈的控制方式来对双卷扬系统的同步性进行调控，然而由于忽略了卷筒缠绕半径的不同、绕绳层数和圈数的偏差、两根吊绳刚度不同、摩擦情况不同等因素的影响，这种基于编码反馈的控制方法的调控精度并不高，容易造成误差积累，双卷扬同步性问题并没有从根本上得到解决。另外一种广受认可的控制策略是基于倾角反馈的同步控制方式，即在起重机吊钩上安装倾角传感器以获得吊钩的倾角值，通过此倾角值判断吊钩是否倾斜，从而对双卷扬的驱动机构做出调控，然而，这种方法中的倾角传感器被安装在吊钩上，往往要采用无线传输方式传输倾角信号，同时使用电池对倾角传感器供电，这样就需要时常检查电池电量并更换电池，同时此方法在大型起重机中存在不能可靠地传输倾角信号的情况。因此实际采用这种基于倾角反馈的同步控制技术仍然存在诸多缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种起重机双卷扬起升系统的同步控制方法及装置，以确保吊钩处于水平状态，保证起重机工作的安全进行。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种起重机双卷扬起升系统的同步控制装置，包括控制器、两个激光测距仪、两个测距挡板、两个旋转编码器；

所述两个激光测距仪对称固定在起重机臂头两侧，且测距头部朝下；

所述两个测距挡板对称固定在吊钩两侧，且分别位于两个激光测距仪的正下方；激光测距仪用于通过测距挡板采集吊钩两侧与起重机臂头之间的距离；

所述两个旋转编码器分别安装在双卷扬的主轴上，用来测量两个卷扬机的转角；

所述控制器用于接收所述激光测距仪输出的距离信号及所述旋转编码器的角度信号，并对所述距离信号进行运算以判定所述距离信号的有效性，若所述距离信号有效，则保持基于激光测距反馈的同步控制；否则，将控制模式切换到基于编码反馈的同步控制，之后，所述控制器再判断距离信号是否恢复为有效，若有效，则再次将控制模式切换为基于激光测距反馈的调控方式。

一种起重机双卷扬起升系统的同步控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采集吊钩两侧与起重机臂头之间的距离以及两个卷扬机的转角，同步调控模式启动初期为基于激光测距反馈的同步控制；

步骤2、对两个距离信号分别做微分运算，然后对得到的两个结果取绝对值；

步骤3、判断所述两个距离信号的有效性：若步骤2得到的两个运算结果中至少有一个的值趋于无穷大，即微分运算结果不存在，即可判定两距离信号无效；反之，两距离信号有效；

步骤4、若距离信号有效，则保持基于激光测距反馈的同步控制；若距离信号无效，则将控制模式切换到基于编码反馈的同步控制；

步骤5、当控制模式为基于编码反馈的同步控制时，若一段时间T₀内所述控制器没有接收到无效的距离信号，再将控制模式切换为基于激光测距反馈的同步控制；若计时到T₀前所述控制器再次接收到无效的距离信号，则仍然保持基于编码反馈的同步控制，且重新从0开始计时。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明提供基于激光测距反馈和基于编码反馈这两种调控方式相互切换的双控制模式，采用对激光测距仪的距离信号进行微分运算的方式来判断激光测距调控是否有效，若失效，则将调控方式切换为基于编码反馈的同步控制，编码反馈调控方式作为备用调控方式使得整个调控过程的安全性进一步提高。

(2)本发明通过在起重机臂头安装激光测距仪获取吊钩两侧到臂头的两个距离值，以这两个距离值的差值对吊钩是否倾斜做出判断，从而对双卷扬的转速作出调控以达到使吊钩水平的目的，调控更加准确可靠。

(3))本发明中激光测距仪可直接使用起重机下车的供电设备供电，供电线路易于架设，而且可实现距离信号的有线传输，信号传输更加稳定可靠。

附图说明

图1为本发明提供的激光测距仪的安装示意图。

图2是本发明提供的双卷扬起升系统同步控制装置的结构原理图。

图3是本发明提供的双卷扬起升系统同步控制方法的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

本发明的一种起重机双卷扬起升系统的同步控制装置，包括控制器、两个激光测距仪、两个测距挡板、两个旋转编码器；

所述两个激光测距仪对称固定在起重机臂头两侧，且测距头部朝下；

所述两个测距挡板对称固定在吊钩两侧，且分别位于两个激光测距仪的正下方；激光测距仪用于采集吊钩两侧与起重机臂头之间的距离；

所述两个旋转编码器分别安装在双卷扬的主轴上，用来测量两个卷扬机的转角；

所述控制器用于接收所述激光测距仪输出的距离信号及所述旋转编码器的角度信号，并对所述距离信号进行运算以判定所述距离信号的有效性，若所述距离信号有效，则保持基于激光测距反馈的同步控制；否则，将控制模式切换到基于编码反馈的同步控制，之后，所述控制器再判断距离信号是否恢复为有效，若有效，则再次将控制模式切换为基于激光测距反馈的调控方式。

进一步地，所述控制器包括信号接收单元、计算单元、控制单元、存储单元、定时器单元和输出单元，其中：

所述信号接收单元用于接收所述激光测距仪输出的距离信号和所述旋转编码器输出的角度信号；

所述计算单元用于将所述距离信号对时间进行微分运算，并对运算结果取绝对值；

所述存储单元用于存储所述定时器单元设定的时间阈值T₀；

所述定时器单元用于设定时间阈值T₀，并在控制模式切换为基于编码反馈的同步控制时开始计时，若计时到所述时间阈值T₀前所述控制器再次接收到无效的距离信号，则定时器单元从0开始重新计时；

所述控制单元用于对所述计算单元的运算结果进行判定，若所述运算结果至少有一个值的大小趋于无穷大，则表明此时激光测距仪的激光没有照射到所述测距挡板上，测到的距离不是臂头到吊钩的距离，判定距离信号无效，控制模式切换为基于编码反馈的同步控制；反之，则保持基于激光测距反馈的同步控制；同时，当控制模式为基于编码反馈的同步控制时，若一段时间T₀内所述控制器没有接收到无效的距离信号，则表明激光测距仪的测距恢复正常，测到的距离信号为有效信号，则再将控制模式切换为基于激光测距反馈的同步控制；若计时到T₀前所述控制器再次接收到无效的距离信号，表明激光测距仪的测距没有恢复正常，则所述控制器仍然保持基于编码反馈的同步控制，且重新从0开始计时。

所述输出单元根据所述控制单元的判断结果输出同步控制信息，当执行基于激光测距反馈的同步控制模式，并且激光测距仪得到的两个距离的差值达到设定值时，输出单元输出控制信号给双卷扬驱动机构中的一个，用于使对应卷扬转速增大或减小，从而使得两个激光测距仪测得的距离值相同，最终达到使吊钩恢复水平的调控效果；当执行基于编码反馈的同步控制模式，并且两个旋转编码器测得的旋转角度的差值达到设定值时，输出单元输出控制信号给双卷扬驱动机构中的一个，用于使对应卷扬转速增大或减小，最终使得两个旋转编码器测得的距离值相同。

进一步的，本发明的同步控制装置，还包括报警警示灯，在调控方式为基于编码反馈的同步控制时，所述控制器还向所述警示灯发送报警信号。

进一步地，所述激光测距仪测得的距离信号采用有线传输方式输出给所述控制器，且所述激光测距仪的电源即为起重机下车中的供电设备。

进一步地，所述旋转编码器也是通过有线连接方式与控制器间进行信号传输。

基于上述的控制装置，本发明还提出了一种起重机双卷扬起升系统的同步控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采集吊钩两侧与起重机臂头之间的距离以及两个卷扬机的转角，同步调控模式启动初期为基于激光测距反馈的同步控制；

步骤2、对两个距离信号分别做微分运算，然后对得到的两个结果取绝对值；

步骤3、判断所述两个距离信号的有效性：若步骤2得到的两个运算结果中至少有一个的值趋于无穷大，即微分运算结果不存在，则表明此时激光测距仪发射的激光没有照射到所述测距挡板上，测到的距离不是臂头到吊钩的距离，即可判定两距离信号无效；反之，两距离信号有效；

步骤4、若距离信号有效，则保持基于激光测距反馈的同步控制；若距离信号无效，则将控制模式切换到基于编码反馈的同步控制；

步骤5、当控制模式为基于编码反馈的同步控制时，若一段时间T₀内所述控制器没有接收到无效的距离信号，则表明激光测距仪的测距恢复正常，测到的距离信号为有效信号，则再将控制模式切换为基于激光测距反馈的同步控制。若计时到T₀前所述控制器再次接收到无效的距离信号，表明激光测距仪的测距没有恢复正常，则所述控制器仍然保持基于编码反馈的同步控制，且重新从0开始计时。

实施例：

一种起重机双卷扬起升系统的同步控制装置，包括两个激光测距仪、两个测距挡板、两个旋转编码器和一个控制器。图1所示的就是本发明所提供的激光测距仪在起升系统中的安装示意图，其中吊钩5通过钢丝绳及滑轮组1、2、3、4与起重机的臂架建立连接，滑轮组1、2安装在起重机臂架的臂头上。本发明提供的两个激光测距仪A和B就分别对称安装在臂架臂头的两侧，且两个激光测距探头保持竖直向下状态；吊钩5顶部的两侧延伸出测距挡板C、D，用于返回两个激光测距仪发出的激光信号，两测距挡板分别位于对应侧激光测距仪的正下方，且保持水平固定状态。

两个激光测距仪分别测量吊钩对应侧到起重机臂头的距离，得到两个距离值h_a、h_b，并将两个距离信号传输给位于起重机下车部位的控制器，所述控制器通过卷扬驱动机构控制对应卷扬的转速，实现对起升系统的同步调控，其中，激光测距仪与所述控制器进行信号传输的方式为有线传输，以提高信号传输的可靠性，同时便于给激光测距仪供电，信号传输线路可以是RS485串行通信总线，也可以采用CAN总线、USB通信、光纤通信等通线线路，而两个激光测距仪直接使用位于起重机下车中的供电电源供电，供电线路以及所述通信线路都通过架设在起重机臂架上实现与起重机下车的连接。

图2所示的是本发明提供的双卷扬起升系统同步控制装置的结构原理图。如图所示，该同步控制装置主要包括激光测距仪6、旋转编码器7、控制器8三个部分，激光测距仪6和旋转编码器7将采集到的信号发送给所述控制器8，所述控制器经过运算处理判断后，输出控制信号给双卷扬的驱动机构15、16，以实现对双卷扬系统的同步调控，同时，旋转编码器7与控制器8也是采用有线通信方式通信，具体采用的通信线路的种类可与激光测距仪6的相同。

所述控制器8主要由信号接收单元9、计算单元10、控制单元11、定时器单元12、存储单元13和输出单元14这六个部分组成，其中：

信号接收单元9用于接收所述激光测距仪6输出的距离信号和所述旋转编码器7输出的角度信号，并将信号传递给计算单元10，所述信号接收单元9可采用RS485接口模块或CAN接口模块等模块实现。

计算单元10用于对所述距离信号进行微分运算，并对运算结果取绝对值，此单元的功能可通过PLC的处理器实现。

控制单元11用于对所述计算单元10的运算结果进行判定，若所述运算结果的大小趋于无穷大，即所述微分运算的结果不存在，则判定距离信号无效，控制模式切换为基于编码反馈的同步控制；反之，则保持基于激光测距反馈的同步控制；同时，当控制模式为基于编码反馈的同步控制时，若一段时间内所述控制器没有接收到无效的距离信号，则再将控制模式切换为基于激光测距反馈的同步控制；控制单元11的功能可由PLC的指令程序实现。

定时器单元12在控制模式切换为基于编码反馈的同步控制时开始计时，若计时到所述时间阈值T₀前所述控制器再次接收到无效的距离信号，则定时器单元从0开始重新计时，定时功能可由PLC的定时器实现。

存储单元13用于存储所述定时器的时间阈值T₀，此阈值为以秒为单位的整数，可设定为10～20间的整数值。

输出单元14根据所述控制单元11的判断结果输出同步控制信号，内含基于激光测距反馈的同步控制程序和基于编码反馈的同步控制程序，两程序的切换由控制单元11实现，当执行基于激光测距反馈的同步控制程序时，根据激光测距仪得到的两个距离信号的差值，输出单元输出控制信号给双卷扬驱动机构15、16中的某一个，用于使对应卷扬转速增大或减小，从而使得两个激光测距仪测得的距离值相同，最终达到使吊钩恢复水平的调控效果；当执行基于编码反馈的同步控制程序时，调控流程与基于激光测距反馈的方式相似，只是反馈信号变为两个旋转编码器测得的角度值。以上所述的两个同步控制程序与现实中广泛采用的基于编码反馈的同步调控程序相似，在此不作过多描述。

同时，整个同步控制装置还配置有警示灯17，输出单元14在控制切换为基于编码反馈的同步控制时，输出报警信号到警示灯17。

结合以上所列的控制器8的各个功能模块，所述控制器8的同步控制包括以下步骤：

1)信号接收单元9接收所述两个激光测距仪6输出的距离信号，并将信号传送给计算单元10；

2)计算单元10对所述两个距离信号分别做微分运算，然后对得到的两个结果取绝对值，再将两个绝对值传送给控制单元11；

3)控制单元11判断所述两个距离信号的有效性：若所述步骤2)最终得到的两个绝对值中至少有一个的值趋于无穷大，即微分运算结果不存在，则表明此时激光测距仪的激光没有照射到所述测距挡板上，测到距离不是臂头到吊钩的距离，即可判定两距离信号无效；反之，两距离信号有效；

4)在所述两个距离信号有效时，控制单元11输出对应信号使所述输出单元14执行基于激光测距反馈的同步控制程序；

5)在所述两个距离信号无效时，控制单元11输出对应信号使所述输出单元14执行基于编码反馈的同步控制程序，同时，输出单元14输出报警信号给警示灯17；

6)所述存储单元13中设定有时间阈值T₀，在同步调控方式切换为基于编码反馈的控制方式时：所述定时器单元12从0开始计时，若计时到T₀期间所述控制单元11没有再接收到无效的距离信号，则表明激光测距仪的测距恢复正常，测到的距离信号为有效信号，此时所述控制单元11再次输出对应信号使所述输出单元14执行基于激光测距反馈的同步控制程序，即将同步调控方式切换回基于激光测距反馈的调控方式；若计时到T₀前所述控制单元11再次接收到无效的距离信号，表明激光测距仪的测距没有恢复正常，则所述输出单元14任然执行基于编码反馈的同步控制程序，且定时器单元12重新从0开始计时。

上述步骤中，基于编码反馈的同步调控方式是作为备用方案存在的，当出现激光测距仪的激光被其它外物遮挡而不能照射到测距挡板等异常情况时，才启用基于编码反馈的备用调控方案。这样设计的好处是既弥补了激光测距反馈同步控制方式存在失效可能的不足，又避免了单一地采用基于编码反馈的同步控制方法时调控精度低、调控误差易积累等缺陷。

而且本发明提出了两种调控模式自动相互切换的切换方法，使得整个同步控制过程更加科学高效，其中，从基于激光测距反馈的主要调控方式切换到基于编码反馈的备用调控方式的条件是：对激光测距仪采集的两个距离信号进行微分运算并取绝对值，且两绝对值中至少有一个的值趋于无穷大，即微分运算结果不存在；从基于编码反馈的备用调控方式切换到基于激光测距反馈的主要调控方式的条件是：定时器单元12从0开始计时到时间阈值T₀期间，对激光测距仪采集的距离信号进行微分运算并取绝对值时，不存在微分不存在的情况。

本发明提供了一种起重机双卷扬起升系统的同步控制方法，如图3所示是本发明提供的双卷扬起升系统同步控制方法的控制流程图。下面再结合图3对本同步控制方法进行描述：

如图3所示，同步控制装置启动初期是处于基于激光测距反馈的同步控制模式的，此后，激光测距仪采集到距离信号h_a2、h_b2，通过RS485总线等有线通信方式将两个距离信号传送给控制器，控制器的计算单元对这两个距离信号进行微分并取绝对值运算，然后控制器的控制单元对距离信号的有效性做出判断，即若两个微分运算的结果都存在，则判定距离信号有效，从而控制模式保持为基于激光测距反馈的同步控制；若两个微分的结果至少有一个不存在，则判定距离信号无效，激光测距仪工作在非正常情况下，控制模式切换为基于编码反馈的同步控制。

在切换为基于编码反馈的同步控制的同时，控制器的定时器单元从0开始计时，但同时激光测距仪没有停止工作，依然在采集距离信号h_a2、h_b2，并传送给控制器做微分、取绝对值运算，若定时器单元计时到时间阈值T₀前，控制器没有接收到微分不存在的距离信号，则说明激光测距仪的工作状态恢复正常，此时定时器单元停止计时，控制器再将控制模式切换为基于激光测距反馈的同步控制；反之，若定时器单元计时到时间阈值T₀前，控制器再次接收到微分不存在的距离信号，则说明激光测距仪的工作状态没有恢复正常，此时定时器重新从0开始计时，控制器仍保持基于编码反馈的同步控制模式。

针对当前起重机行业中常采用的基于编码反馈的同步控制方式的不足，即忽略了卷筒缠绕半径的不同、绕绳层数和圈数的偏差、两根吊绳刚度不同等因素导致的同步误差积累，同步调控精度不高，本发明首先提供了一种基于激光测距反馈的同步控制装置，有效避免了这些不利因素的影响。同时本发明考虑到激光测距仪可能存在激光被其它外物遮挡而不能照射到测距挡板等异常情况，将基于编码反馈的同步调控方式设计为备用调控方案，进一步提高了本发明方案的安全可靠性。最后，本发明还提供基于激光测距反馈和基于编码反馈这两种调控方式相互切换的切换方法，使得本发明的同步调控过程更加灵活高效。

Claims (7)

1.一种起重机双卷扬起升系统的同步控制装置，其特征在于，包括控制器、两个激光测距仪、两个测距挡板、两个旋转编码器；

所述两个激光测距仪对称固定在起重机臂头两侧，测距头部朝下；

所述两个测距挡板对称固定在吊钩两侧，且分别位于两个激光测距仪的正下方，激光测距仪用于采集吊钩两侧与起重机臂头之间的距离；

所述两个旋转编码器分别安装在双卷扬的主轴上，用来测量两个卷扬机的转角；

所述控制器用于接收所述激光测距仪输出的距离信号及所述旋转编码器的角度信号，并对所述距离信号进行运算以判定所述距离信号的有效性，若所述距离信号有效，则保持基于激光测距反馈的同步控制；否则，将控制模式切换到基于编码反馈的同步控制，之后，所述控制器再判断距离信号是否恢复为有效，若有效，则再次将控制模式切换为基于激光测距反馈的调控方式；

所述控制器包括信号接收单元、计算单元、控制单元、存储单元、定时器单元和输出单元；

所述计算单元用于对所述距离信号对时间进行微分运算，并对运算结果取绝对值；

所述存储单元用于存储所述定时器单元设定的时间阈值T₀；

所述定时器单元用于设定时间阈值T₀，并在控制模式切换为基于编码反馈的同步控制时开始计时，若计时到所述时间阈值T₀前所述控制器再次接收到无效的距离信号，则定时器单元从0开始重新计时；

所述控制单元用于对所述计算单元的运算结果进行判定，若所述运算结果至少有一个值的大小趋于无穷大，则表明此时激光测距仪测的激光没有照射到所述测距挡板上，测到距离不是臂头到吊钩的距离，判定距离信号无效，控制模式切换为基于编码反馈的同步控制；反之，则保持基于激光测距反馈的同步控制；当控制模式为基于编码反馈的同步控制时，若设定时间T₀内所述控制器没有接收到无效的距离信号，则再将控制模式切换为基于激光测距反馈的同步控制；若计时到T₀前所述控制器再次接收到无效的距离信号，则所述控制器仍然保持基于编码反馈的同步控制。

2.根据权利要求1所述的起重机双卷扬起升系统的同步控制装置，其特征在于，所述输出单元的工作过程为：

当执行基于激光测距反馈的同步控制模式，并且激光测距仪得到的两个距离的差值达到设定值时，输出单元输出控制信号给双卷扬驱动机构中的一个，用于使对应卷扬转速增大或减小，从而使两个激光测距仪测得的距离值相同；当执行基于编码反馈的同步控制模式，并且两个旋转编码器测得的旋转角度的差值达到设定值时，输出单元输出控制信号给双卷扬驱动机构中的一个，使对应卷扬转速增大或减小，从而使两个旋转编码器测得的角度值相同。

3.根据权利要求1所述的起重机双卷扬起升系统的同步控制装置，其特征在于，还包括报警警示灯，在调控方式为基于编码反馈的同步控制时，所述控制器还向所述警示灯发送报警信号。

4.根据权利要求1所述的起重机双卷扬起升系统的同步控制装置，其特征在于，所述激光测距仪测得的距离信号采用有线传输方式输出给所述控制器。

5.根据权利要求1所述的起重机双卷扬起升系统的同步控制装置，其特征在于，所述激光测距仪的电源即为起重机下车中的供电设备。

6.根据权利要求1所述的起重机双卷扬起升系统的同步控制装置，其特征在于，所述旋转编码器通过有线连接方式与控制器间进行信号传输。

7.根据权利要求1-6任一项所述装置的同步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采集吊钩两侧与起重机臂头之间的距离以及两个卷扬机的转角，同步调控模式启动初期为基于激光测距反馈的同步控制；

步骤2、对两个距离信号分别做微分运算，然后对得到的两个结果取绝对值；

步骤3、判断所述两个距离信号的有效性：若步骤2得到的两个运算结果中至少有一个的值趋于无穷大，即微分运算结果不存在，即可判定两距离信号无效；反之，两距离信号有效；

步骤4、若距离信号有效，则保持基于激光测距反馈的同步控制；若距离信号无效，将控制模式切换到基于编码反馈的同步控制；

步骤5、当控制模式为基于编码反馈的同步控制时，若一段时间T₀内所述控制器没有接收到无效的距离信号，则将控制模式切换为基于激光测距反馈的同步控制；若计时到T₀前所述控制器再次接收到无效的距离信号，则仍然保持基于编码反馈的同步控制，且重新从0开始计时。

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