CN111634814A - 一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统，包括有可编程控制器、各项机构变频器、起升编码器，各部分间使用EtherNet/IP通讯协定进行组网，通过获取桥式起重机起升，大、小车机构运行参数；根据载荷实际高度配合大、小车的运行参数在运行机构启停时实时调整变频器输出频率以改变运行状态，根据计算得出的载荷摆动参数实时调整运行机构速度曲线。本发明采用采用先进的防摇算法，利用单摆原理测算摆动周期，在加减速初段即进行摇摆估算，在中段和末段进行吊物摆幅控制以达到缩短处理时间的效果，通过调整防摇曲线和刚性，达到缩短停车距离的作用。与传统电子防摇系统相比，本系统在缩短运行机构停车滑行距离方面有着显著的优势。

Description

一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统
技术领域
本发明涉及起重运输设备领域，特别是一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统。
背景技术
随着经济贸易全球化的发展，运输行业迅速增长，运输物件相应地增大，起重机向大型化发展，起重机行走小车的运行速度及大物件的起升高度也相应提高。由于悬吊钢丝绳的长度增大，钢丝绳在垂直和水平2个方向的速度提高，司机视距的不断加大，跟钩操作越来越困难，使得在消除大物件摆动和迅速正确对物件(吊具与物件对接，起吊的物件与底盘车、AGV小车、堆场或船舱对箱)环节上花费越来越多的时间，极大地影响了生产效率和装卸速度。如何稳定吊具、平稳操作成为共同关注的问题，能够有效提高大物件起重机作业的“防摇”技术也得到了各起重机制造厂家和研究机构的重点关注和研究。现阶段大物件起重机的吊具及系统采用防摇技术包括：机械方式和电子方式。
机械式防摇是通过机械手段消耗摆动的能量以达到最终消除摇摆的目的，或通过增加悬挂系统刚性抑制摇摆，现有的机械式防摇方式主要是通过钢丝绳缠绕系统的不同设计达到抑制摇摆的目的；但是机械式防摇装置存在机构复杂、可靠性差、维修保养工作量大等缺点，同时，在起升钢丝绳较长的情况下防摇效果很不理想。而且，机械式防摇手段在满载时防摇效果比较明显，但在空载时，摆幅衰减较慢，反应迟钝。
电子式防摇又分为传统电子式防摇与现代电子式防摇，传统电子式防摇方法通常采用PLC实现“闭环PID控制”，“闭环PID控制”是通过各种传感器和检测元件将检测到的信息(如摆角、角速度等)传送至控制系统的微机，经微机内部控制软件处理后将最佳的控制参数(如PD/PID控制参数)提供给小车调速系统来控制小车的运行，从而减少吊具及载荷的摆动幅度。传统电子式防摇通常能有效地控制摇摆，但港口经常有风浪影响，常规的PD控制往往难以奏效，在实际应用中常出现小车速度调整太频繁，在有人驾驶的情况下，司机室会随着电子防摇系统的作用，到达目标位置后，来回地晃动，出现司机感到不舒服的现象。
桥式起重机是现代工业制造和物流运输中的重要工具和设备，然而起重机在装卸货物时，由于大车和/或小车的速度变化以及外界干扰因素的影响，使吊钩产生前后、左右的来回摆动，在影响生产效率的同时造成了一定的安全隐患，所以，开发一种实现起重机平稳地装卸、起吊、吊运货物的起重机的防摇技术非常有意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统，包括有可编程控制器、各项机构变频器、起升编码器，各部分间使用EtherNet/IP通讯协定进行组网，通过获取桥式起重机起升，大、小车机构运行参数；根据载荷实际高度配合大、小车的运行参数在运行机构启停时实时调整变频器输出频率以改变运行状态，根据计算得出的载荷摆动参数实时调整运行机构速度曲线。
进一步的，所述防摇控制系统采用先进的防摇算法，利用单摆原理测算摆动周期，在加减速初段即进行摇摆估算，在中段和末段进行吊物摆幅控制以达到缩短处理时间的效果，通过调整防摇曲线和刚性，达到缩短停车距离的作用。
进一步的，所述防摇控制系统提供了设定吊物高度的功能，操作人员可通过触摸屏设定吊物实际高度，防摇系统根据设定自动进行防摇补偿，具有更好的使用灵活性。
进一步的，所述防摇控制系统使用无线可视触摸屏可以直观的观测起重机各机构电动机电流、运行速度、限位(超载)装置开闭状态、吊钩高度、起重机总运行时间、次数等运行参数，为用户对起重设备的管理、维护提供了可靠地数据支持。
进一步的，所述防摇控制系统为开环控制电子防摇控制系统，硬件上只需增加起升编码器及相应的各机构变频器及可编程控制器。
所述防摇控制系统的工作原理如下：
根据日常对悬吊物件晃动的观察和分析，可得出运行机构启动、停止时吊钩产生的晃动本质上为吊钩的单摆简谐运动，由单摆公式可得在恒加速过程中,起重机负载的摇摆只取决于从小车到负载重心长度L，所述负载重心长度L＝卷筒中心到吊钩中心的距离+吊钩中心到载荷的重心，所述负载重心长度L相同的情况下，无论有无负载都具有相同的摆动角度和周期。
进一步的，使用下列公式来估计起重机从全速到停止的滑行距离，V：运行机构额定速度；Tn:防摇补偿时间；t运行机构正常减速时间，本系统通过测定的负载重心长度L的前提下，激活防摇功能块，变频器速度给定输入，调整防摇开始、结束时的速度阀值，调整防摇曲线和刚性，已达到减小Tn的值，从而达到减小起重机滑行距离的作用。
进一步的，所述防摇控制是通过所述开环控制电子防摇控制系统计算运行的速度V曲线来控制负载摇摆，在防摇停止速度阀值下持续的时间。
进一步的，所述负载重心长度L的检测用于计算停车距离的时间，所述负载重心长度L使用多位置选择开关或编码器来确定，所述负载重心长度L要加上荷载重心高度。
进一步的，对速度V给定,停止距离优化的操作方式：
A、给出2个预置速度V和运行命令到对应功能块；
B、给出4个预置速度V和运行命令到对应功能块；
C、给出模拟量速度V和运行命令到对应功能块。
其有益效果在于，1、本发明采用采用先进的防摇算法，利用单摆原理测算摆动周期，在加减速初段即进行摇摆估算，在中段和末段进行吊物摆幅控制以达到缩短处理时间的效果，通过调整防摇曲线和刚性，达到缩短停车距离的作用。与传统电子防摇系统相比，本系统在缩短运行机构停车滑行距离方面有着显著的优势。
2、本发明为开环控制电子防摇控制系统，硬件上只需增加起升机构旋转编码器及相应的各机构变频器及可编程控制器，与机械式防摇装置相比，避免了起重机上附加机械装置，对起重机本身的结构、性能带来的不良影响，回避了机械装置本身寿命、可靠性、维护等问题；与闭环控制防摇电子控制系统相比，本系统无需增加额外的防摇控制卡、运行机构传感器，角度传感器等硬件设备；在保证防摇性能的前提下，具有很好的经济性、适应性及可操作性，降低了制造、使用维护成本，可用于目前大多数的桥式起重机制造及改造。
附图说明
图1是摇晃产生的机理图；
图2是被摇晃物体的受力分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-2所示，一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统，该系统硬件主要由可编程序控制器，各机构变频器、起升编码器组成，各部分间使用EtherNet/IP通讯协定进行组网，通过获取桥式起重机起升，大、小车机构运行参数；根据载荷实际高度配合大、小车的运行参数在运行机构启停时实时调整变频器输出频率以改变运行状态；根据计算得出的载荷摆动参数实时调整运行机构速度曲线，最大程度地消除防摇摆对起重机运行机构停止时滑行距离增大的不良影响；
本系统采用先进的防摇算法，利用单摆原理测算摆动周期，在加减速初段即进行摇摆估算，在中段和末段进行吊物摆幅控制以达到缩短处理时间的效果，通过调整防摇曲线和刚性，达到缩短停车距离的作用。与传统电子防摇系统相比，本系统在缩短运行机构停车滑行距离方面有着显著的优势。
与其他防摇系统相比，针对同一台起重设备吊运不同载荷时由于吊物高度不同而造成重心变化影响防摇性能的问题，本系统提供了设定吊物高度的功能，操作人员可通过触摸屏设定不同吊物重心实际高度，防摇系统根据设定自动进行防摇补偿，具有更好的使用灵活性，提供了一种在多种情况下都能提供优异防摇性能的桥式起重机。
本系统具有优异的人机功效及可操作性，操作人员使用无线可视触摸屏可以直观的观测起重机各机构电动机电流、运行速度、限位(超载)装置开闭状态、吊钩高度、起重机总运行时间、次数等运行参数，为用户对起重设备的管理、维护提供了可靠地数据支持。
本系统为开环控制电子防摇控制系统，硬件上只需增加起升机构旋转编码器及相应的各机构变频器及可编程控制器。
与机械式防摇装置相比，避免了起重机上附加机械装置，对起重机本身的结构、性能带来的不良影响，回避了机械装置本身寿命、可靠性、维护等问题。
与闭环控制防摇电子控制系统相比，本系统无需增加额外的防摇控制卡、运行机构传感器，角度传感器等硬件设备；在保证防摇性能的前提下，具有很好的经济性、适应性及可操作性，降低了制造、使用维护成本，可用于目前大多数的桥式起重机制造及改造。摇晃产生的机理如图1，根据观察及原理分析，可得出运行机构启动、停止时吊钩产生的晃动本质上为吊钩的单摆简谐运动，如图2，由单摆公式
Figure BDA0002524100540000051
可得在恒加速过程中,起重机负载的摇摆只取决于从小车到负载重心长度L，L＝卷筒中心到吊钩中心的距离+吊钩中心到载荷的重心。L相同的情况下，无论有无负载都具有相同的摆动角度和周期。
使用下列公式来估计起重机从全速到停止的滑行距离：
S＝V(Tn+t)/4，V：运行机构额定速度；Tn:防摇补偿时间；t运行机构正常减速时间。本系统通过测定的负载重心长度L的前提下，激活防摇功能块，变频器速度给定输入，调整防摇开始、结束时的速度阀值，调整防摇曲线和刚性，已达到减小Tn的值，从而达到减小起重机滑行距离的作用。所述防摇控制是通过所述开环控制电子防摇控制系统计算运行的速度V曲线来控制负载摇摆，在防摇停止速度阀值下持续的时间。
所述负载重心长度L的检测用于计算停车距离的时间，所述负载重心长度L使用多位置选择开关或编码器来确定，所述负载重心长度L要加上荷载重心高度。对速度V给定,停止距离优化的操作方式：A、给出2个预置速度V和运行命令到对应功能块；B、给出4个预置速度V和运行命令到对应功能块；C、给出模拟量速度V和运行命令到对应功能块。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统，包括有可编程控制器、各项机构变频器、起升编码器，其特征在于，各部分间使用EtherNet/IP通讯协定进行组网，通过获取桥式起重机起升，大、小车机构运行参数；根据载荷实际高度配合大、小车的运行参数在运行机构启停时实时调整变频器输出频率以改变运行状态，根据计算得出的载荷摆动参数实时调整运行机构速度曲线。
2.根据权利要求1所述的一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统，其特征在于，所述防摇控制系统采用先进的防摇算法，利用单摆原理测算摆动周期，在加减速初段即进行摇摆估算，在中段和末段进行吊物摆幅控制以达到缩短处理时间的效果，通过调整防摇曲线和刚性，达到缩短停车距离的作用。
3.根据权利要求2所述的一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统，其特征在于，所述防摇控制系统提供了设定吊物高度的功能，操作人员可通过触摸屏设定吊物实际高度，防摇系统根据设定自动进行防摇补偿，具有更好的使用灵活性。
4.根据权利要求3所述的一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统，其特征在于，所述防摇控制系统使用无线可视触摸屏可以直观的观测起重机各机构电动机电流、运行速度、限位(超载)装置开闭状态、吊钩高度、起重机总运行时间、次数等运行参数，为用户对起重设备的管理、维护提供了可靠地数据支持。
5.根据权利要求4所述的一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统，其特征在于，所述防摇控制系统为开环控制电子防摇控制系统，硬件上只需增加起升编码器及相应的各机构变频器及可编程控制器。
6.根据权利要求5所述的一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统，其特征在于，所述防摇控制系统的工作原理如下：
根据日常对悬吊物件晃动的观察和分析，可得出运行机构启动、停止时吊钩产生的晃动本质上为吊钩的单摆简谐运动，由单摆公式
Figure FDA0002524100530000011
可得在恒加速过程中,起重机负载的摇摆只取决于从小车到负载重心长度L，所述负载重心长度L＝卷筒中心到吊钩中心的距离+吊钩中心到载荷的重心，所述负载重心长度L相同的情况下，无论有无负载都具有相同的摆动角度和周期。
7.根据权利要求6所述的一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统，其特征在于，使用下列公式来估计起重机从全速到停止的滑行距离：S＝V(Tn+t)/4，V：运行机构额定速度；Tn:防摇补偿时间；t运行机构正常减速时间，本系统通过测定的负载重心长度L的前提下，激活防摇功能块，变频器速度给定输入，调整防摇开始、结束时的速度阀值，调整防摇曲线和刚性，已达到减小Tn的值，从而达到减小起重机滑行距离的作用。
8.根据权利要求7所述的一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统，其特征在于，所述防摇控制是通过所述开环控制电子防摇控制系统计算运行的速度V曲线来控制负载摇摆，在防摇停止速度阀值下持续的时间。
9.根据权利要求7所述的一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统，其特征在于，所述负载重心长度L的检测用于计算停车距离的时间，所述负载重心长度L使用多位置选择开关或编码器来确定，所述负载重心长度L要加上荷载重心高度。
10.根据权利要求7所述的一种提高装卸平稳度的起重机防摇控制系统，其特征在于，对速度V给定,停止距离优化的操作方式：
A、给出2个预置速度V和运行命令到对应功能块；
B、给出4个预置速度V和运行命令到对应功能块；
C、给出模拟量速度V和运行命令到对应功能块。
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