CN113485469A - 一种起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法及其系统，包括如下步骤：S1.利用悬链线方程计算出电缆合理卷绕曲线对应的最大张力F；S2.将S1计算出来的最大张力F作为预设张力F_preset，计算电缆实际卷绕张力F_actual；S3.通过S2计算出来的电缆实际卷绕张力F_actual来计算电机实际卷绕转矩M_motor，对起重机大车电缆卷盘实时张力进行控制。通过基于PC机的控制算法，已经保证了起重机大车电缆卷盘在电缆卷绕运动控制过程中的实时合理张力，位置环闭环控制只是多了一重电气保护功能，而非传统意义上的闭环PID控制思路。

Description

一种起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及起重机领域，具体而言，涉及一种起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法及其系统。

背景技术

起重机大车电缆卷盘的技术难点是既要保证卷绕速度与设备移动速度的同步，同时还要保证卷绕过程中电缆所受拉力适中。随着起重机械需要行走的距离更远，以致卷盘的内层到外层的卷绕半径相差3倍甚至更大，它的恒定力矩输出对电缆提出了更高的抗拉力要求。因为在满足外层电缆卷取力要求的条件下，由于磁性联轴器的卷绕力矩近似恒定，因此内层电缆要承受的张力会比外层大3倍以上，对于内嵌光纤的高压电缆或承载张力小的电缆而言，容易造成损坏。

由于卷盘要求容缆较多，卷盘卷径较大，在卷盘收放电缆过程中，电缆受到的张力波动幅度很大，很容易使电缆外皮破损。在电流大，卷盘刚性要求高，转动惯量大，加速度大，速度快的情况下，传统的电缆卷盘基本采用单层多排缠绕的滚筒形式，为了确保电缆的张力始终小于电缆抗拉力，单独采用矢量变频器控制变频控制电机的力矩不能够很好满足加速响应要求。在大车电缆卷盘变频控制系统中，针对单独采用矢量变频器控制的恒张力控制变频电缆卷盘的缺点，目前的起重机大车电缆卷盘控制方法主要是结合变频器的电气控制特点和机械柔性驱动特点，电缆在卷绕过程中就有了电气和机械的双重保护，但是变频控制电机的力矩仍然不能够很好满足加速响应要求，电缆损坏导致事故的情况仍时有发生。

发明内容

本发明解决的问题是：电缆在卷绕过程中电气和机械的双重保护仍不足以保证变频控制电机的力矩满足加速响应要求。

为解决上述问题，一方面，本发明提供一种起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法，其中，包括如下步骤：

S1.利用悬链线方程计算出电缆合理卷绕曲线对应的最大张力F；

S2.将S1计算出来的最大张力F作为预设张力F_preset，计算电缆实际卷绕张力F_actual；

S3.通过S2计算出来的电缆实际卷绕张力F_actual来计算电机实际卷绕转矩M_motor，对起重机大车电缆卷盘实时张力进行控制。

优选地，所述步骤S1包括如下步骤：

根据起重机大车电缆卷盘绕出电缆的合理CD曲线得到对应电缆的悬链曲线，其方程为：

式(1)中，x、y为悬链曲线上点的横、纵坐标，H为电缆D点最大张力F的水平分力，q为电缆单位长度的重量。

(A)水平分力H的计算

以曲线与地面的切点C为坐标原点，计算时根据合适的曲线形状和工况，先给出曲线上任意一点的坐标(x₀，y₀)，例如(2，2.5)，代入式(1)得：

令(q/H)x₀＝Z，整理式(2)得到超越方程式(3)：

将式(3)变成函数形式F(Z)：

F(Z)＝ch(Z)-(y₀/x₀)Z-1...............................(4)

过任意一点(Z₀，F(Z₀))作曲线的切线，即在该点对F(Z)求导得：

F'(Z₀)＝sh(Z₀)-(y₀/x₀)...................................(5)

该切线与横坐标的交点为Z₁，则Z₁＝Z₀-F(Z₀)/F'(Z₀)

Z₁即为式(3)方程根Z新的近似值。判断|Z₁-Z₀|是否小于符合实际要求的某个精度范围，例如实际要求|Z₁-Z₀|<10^-4，如果成立，则Z₁就是所求的近似值，若不成立，则将Z₁的值赋给Z₀，返回式(5)继续迭代计算。根据计算机迭代计算结果，求出Z的取值。Z的取值，就是能满足|Z₁-Z₀|<10^-4条件的最终迭代结果，也就是超越方程式(3)的近似根。把Z的取值代入(q/H)x₀＝Z式中，即可求出H值。

(B)垂直分力W的计算

设悬链线CD的长度为L_CD，则：

悬链线的垂直分力W＝L_CD×q，q为电缆单位长度的重量。

电缆D点最大张力F为：

优选地，所述步骤S2包括如下步骤：

式中，D₀为初始卷径，D_modify为卷径修正值，D为实时卷径，K为张力锥度系数。

优选地，通过大车运行的距离进行分段，将S2的电缆实际卷绕张力计算分成多段区间控制的形式。大车运行的绝对距离为Length_step，则将运行距离分为四段，分别为distance1，distance2，distance3，distance4，设0<distance1<distance2<distance3<distance4，

则当0<Length_step<distance1时，

式中，F_{actual_1}为第一区间的实际卷绕张力，F_{preset_1}为第一区间预设张力，K1为第一区间张力锥度系数，D₀为初始卷径，D_{modify_1}为第一区间卷径修正值。

当distance1<Length_step<distance2时，

式中，F_{actual_2}为第二区间的实际卷绕张力，F_{preset_2}为第二区间预设张力，K2为第二区间张力锥度系数，D₀为初始卷径，D_{modify_2}为第二区间卷径修正值。

当distance2<Length_step<distance3时，

式中，F_{actual_3}为第三区间的实际卷绕张力，F_{preset_3}为第三区间预设张力，K3为第三区间张力锥度系数，D₀为初始卷径，D_{modify_3}为第三区间卷径修正值。

当distance3<Length_step<distance4时，

式中，F_{actual_4}为第四区间的实际卷绕张力，F_{preset_4}为第四区间预设张力，K4为第四区间张力锥度系数，D₀为初始卷径，D_{modify_4}为第四区间卷径修正值。

优选地，所述步骤S3包括如下步骤：

线缆的总转矩为：

式中，F_actual为电缆实际卷绕张力(单位N)，D_max为最大卷径(单位m)，i为传动减速比，η为减速装置效率，一般为0.8-0.9，K_m为折算至额定(堵转)力矩的系数。

则

式中，加减号±的加号表示卷盘正转，减号表示卷盘反转，M_motor为卷盘变频器应该提供的电机实际卷绕转矩，M_cable为线缆的总转矩，Loss₀为静阻系数，Loss_t为风阻系数，N_act为实际转速，ρ为电缆单位长度的密度，H_center为大车电缆卷盘中心高度，g为重力加速度，D为实时卷径。

优选地，上述三个步骤的计算工作均在工业PC1中完成，卷盘变频器2是一个可以提供力矩控制的普通变频器，卷盘驱动模块的运行控制算法不依赖于卷盘变频器2。

另一方面，本发明还提供一种系统，其采用了如上所述的起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法，其中，所述系统包括：

工业PC(个人计算机)1，用于进行实时迭代运算，计算大车电缆卷盘在电缆卷绕运动过程中的实时张力；

卷盘驱动模块，包括卷盘变频器2、卷盘变频电机3、增量式编码器4，其中，所述卷盘变频器2与所述工业PC1、卷盘变频电机3、增量式编码器4相连接；卷盘变频电机3上安装有增量型编码器4，用于检测电缆卷绕实时速度；

大车驱动模块，包括大车变频器5、绝对值编码器6、大车变频电机7，其中，所述大车变频器5与所述大车变频电机7相连接；所述大车变频电机7驱动的大车机构的自由轮上安装有所述绝对值编码器6，用于检测电缆卷绕运动过程中对应的卷缆长度；所述工业PC1与所述绝对值编码器6相连接，用于获取电缆卷绕运动过程中对应的卷缆长度。

优选地，所述工业PC1为倍福PC控制器CX5120。

优选地，所述工业PC1采用EtherCAT(以太网控制自动化技术)总线通信方式驱动所述卷盘变频器2。

优选地，所述工业PC1通过DP(Decentralized Periphery，全称PROFIBUS–DP，一种在485串口上运行的profibus通信协议)通信方式采集所述绝对值编码器6的信号。

相对于现有技术，本发明所述的起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法及其系统具有以下有益效果：

(1)本发明所述的起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法及其系统基于上位机PC或者PAC工业PC机的实时运算张力的控制方式，只需要根据卷绕曲线建立悬链线方程，采用工业PC机进行迭代运算，迭代运算的实时结果作为过程量参与卷绕张力的实时控制，是对卷绕过程实时张力控制的第一道保护限制；

(2)本发明所述的起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法及其系统的实时张力的多段区间区分张力锥度控制方式，保障了在整个卷缆和放缆过程中最大张力的软保护限制，是对卷绕过程实时张力控制的第二道保护限制；

(3)本发明所述的起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法及其系统基于大车机构的自由轮上安装的绝对值编码器对卷绕绝对位置的获取，是对卷绕过程实时张力控制的第三道保护限制。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的起重机大车电缆卷盘绕出电缆的CD曲线形状图；

图3为本发明的图2对应电缆的悬链曲线图；

图4为本发明的系统示意图。

附图标记说明：

1、工业PC；2、卷盘变频器；3、卷盘变频电机；4、增量式编码器；5、大车变频器；6、绝对值编码器；7、大车变频电机；C、电缆曲线与地面的切点；D、电缆曲线与卷盘的切点；F、最大张力；H、水平分力；W、垂直分力。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

实施例一

提供一种起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法，如图1所示，其中，包括如下步骤：

S1.利用悬链线方程计算出电缆合理卷绕曲线对应的最大张力F；

S2.将S1计算出来的最大张力F作为预设张力F_preset，计算电缆实际卷绕张力F_actual；

S3.通过S2计算出来的电缆实际卷绕张力F_actual来计算电机实际卷绕转矩M_motor，对起重机大车电缆卷盘实时张力进行控制。

其中，所述步骤S1包括如下步骤：

如图2所示的CD曲线比较合理，因为CD曲线的电缆张力不大，电缆卷盘卷缆、排缆工作自如。图3为图2对应电缆的悬链曲线，其方程为：

式(1)中，x、y为悬链曲线上点的横、纵坐标，H为电缆D点最大张力F的水平分力，q为电缆单位长度的重量。

(A)水平分力H的计算

以曲线与地面的切点C为坐标原点，计算时根据合适的曲线形状和工况，先给出曲线上任意一点的坐标(x₀，y₀)，例如(2，2.5)，代入式(1)得：

令(q/H)x₀＝Z，整理式(2)得到超越方程式(3)：

将式(3)变成函数形式F(Z)：

F(Z)＝ch(Z)-(y₀/x₀)Z-1...............................(4)

过任意一点(Z₀，F(Z₀))作曲线的切线，即在该点对F(Z)求导得：

F'(Z₀)＝sh(Z₀)-(y₀/x₀)...................................(5)

该切线与横坐标的交点为Z₁，则Z₁＝Z₀-F(Z₀)/F'(Z₀)

Z₁即为式(3)方程根Z新的近似值。判断|Z₁-Z₀|是否小于符合实际要求的某个精度范围，例如实际要求|Z₁-Z₀|<10^-4，如果成立，则Z₁就是所求的近似值，若不成立，则将Z₁的值赋给Z₀，返回式(5)继续迭代计算。根据计算机迭代计算结果，求出Z的取值。Z的取值，就是能满足|Z₁-Z₀|<10^-4条件的最终迭代结果，也就是超越方程式(3)的近似根。把Z的取值代入(q/H)x₀＝Z式中，即可求出H值。

(B)垂直分力W的计算

设悬链线CD的长度为L_CD，则：

悬链线的垂直分力W＝L_CD×q，q为电缆单位长度的重量。

电缆D点最大张力F为：

其中，所述步骤S2包括如下步骤：

式中，D₀为初始卷径，D_modify为卷径修正值，D为实时卷径，K为张力锥度系数。

其中，通过大车运行的距离进行分段，将S2的电缆实际卷绕张力计算分成多段区间控制的形式。大车运行的绝对距离为Length_step，则将运行距离分为四段，分别为distance1，distance2，distance3，distance4，设0<distance1<distance2<distance3<distance4，

则当0<Length_step<distance1时，

式中，F_{actual_1}为第一区间的实际卷绕张力，F_{preset_1}为第一区间预设张力，K1为第一区间张力锥度系数，D₀为初始卷径，D_{modify_1}为第一区间卷径修正值。

当distance1<Length_step<distance2时，

式中，F_{actual_2}为第二区间的实际卷绕张力，F_{preset_2}为第二区间预设张力，K2为第二区间张力锥度系数，D₀为初始卷径，D_{modify_2}为第二区间卷径修正值。

当distance2<Length_step<distance3时，

式中，F_{actual_3}为第三区间的实际卷绕张力，F_{preset_3}为第三区间预设张力，K3为第三区间张力锥度系数，D₀为初始卷径，D_{modify_3}为第三区间卷径修正值。

当distance3<Length_step<distance4时，

式中，F_{actual_4}为第四区间的实际卷绕张力，F_{preset_4}为第四区间预设张力，K4为第四区间张力锥度系数，D₀为初始卷径，D_{modify_4}为第四区间卷径修正值。

其中，所述步骤S3包括如下步骤：

线缆的总转矩为：

式中，F_actual为电缆实际卷绕张力(单位N)，D_max为最大卷径(单位m)，i为传动减速比，η为减速装置效率，一般为0.8-0.9，K_m为折算至额定(堵转)力矩的系数。

则

式中，加减号±的加号表示卷盘正转，减号表示卷盘反转，M_motor为卷盘变频器应该提供的电机实际卷绕转矩，M_cable为线缆的总转矩，Loss₀为静阻系数，Loss_t为风阻系数，N_act为实际转速，ρ为电缆单位长度的密度，H_center为大车电缆卷盘中心高度，g为重力加速度，D为实时卷径。

其中，上述三个步骤的计算工作均在工业PC1中完成，卷盘变频器2是一个可以提供力矩控制的普通变频器，卷盘驱动模块的运行控制算法不依赖于卷盘变频器2。

实施例二

提供一种系统，其采用了如实施例一所述的起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法，如图4所示，其中，所述系统包括：

工业PC(个人计算机)1，用于进行实时迭代运算，计算大车电缆卷盘在电缆卷绕运动过程中的实时张力；

卷盘驱动模块，包括卷盘变频器2、卷盘变频电机3、增量式编码器4，其中，所述卷盘变频器2与所述工业PC1、卷盘变频电机3、增量式编码器4相连接；卷盘变频电机3上安装有增量型编码器4，用于检测电缆卷绕实时速度；

大车驱动模块，包括大车变频器5、绝对值编码器6、大车变频电机7，其中，所述大车变频器5与所述大车变频电机7相连接；所述大车变频电机7驱动的大车机构的自由轮上安装有所述绝对值编码器6，用于检测电缆卷绕运动过程中对应的卷缆长度；所述工业PC1与所述绝对值编码器6相连接，用于获取电缆卷绕运动过程中对应的卷缆长度。

其中，所述工业PC1为倍福PC控制器CX5120。

其中，所述工业PC1采用EtherCAT(以太网控制自动化技术)总线通信方式驱动所述卷盘变频器2。

其中，所述工业PC1通过DP(Decentralized Periphery，全称PROFIBUS–DP，一种在485串口上运行的profibus通信协议)通信方式采集所述绝对值编码器6的信号。

本实施例中的系统，基于倍福PC控制器CX5120，利用工业PC1的运算资源进行实时迭代运算，采用EtherCAT总线控制方法驱动卷盘变频器2，卷盘变频电机3上安装有增量型编码器4，用来检测电缆卷绕实时速度，工业PC1通过DP通信方式采集大车变频电机7驱动的大车机构的自由轮上安装的绝对值编码器6的信号，获取电缆卷绕运动过程中对应的卷缆长度。区别于常用的PLC(可编程逻辑控制器)+张力控制器或者PLC+矢量变频器控制的方式，本实施例采用增量式编码器4来获得速度闭环，采用绝对值编码器6来获得位置闭环，绝对值编码器6只是在起重机大车电缆卷盘实时张力控制系统中起补充限制作用，而基于工业PC1的上位机的控制算法已经保证了大车电缆卷盘在电缆卷绕运动控制过程中的实时合理张力，位置环闭环控制只是对电缆最大张力多了一重电气保护功能，而非传统意义上的闭环PID(Proportion Integral Differential，PID控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法)控制思路。

虽然本发明披露如上，但本发明的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.利用悬链线方程计算出电缆合理卷绕曲线对应的最大张力F；

S2.将S1计算出来的最大张力F作为预设张力F_preset，计算电缆实际卷绕张力F_actual；

S3.通过S2计算出来的电缆实际卷绕张力F_actual来计算电机实际卷绕转矩M_motor，对起重机大车电缆卷盘实时张力进行控制。

2.根据权利要求1所述的起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下步骤：

根据起重机大车电缆卷盘绕出电缆的合理CD曲线得到对应电缆的悬链曲线，其中，C为电缆曲线与地面的切点，D为电缆曲线与卷盘的切点，其方程为：

式(1)中，x、y为悬链曲线上点的横、纵坐标，H为电缆D点最大张力F的水平分力，q为电缆单位长度的重量；

(A)水平分力H的计算

以曲线与地面的切点C为坐标原点，计算时根据合适的曲线形状和工况，先给出曲线上任意一点的坐标(x₀，y₀)，代入式(1)得：

令(q/H)x₀＝Z，整理式(2)得到超越方程式(3)：

将式(3)变成函数形式F(Z)：

F(Z)＝ch(Z)-(y₀/x₀)Z-1...............................(4)

过任意一点(Z₀，F(Z₀))作曲线的切线，即在该点对F(Z)求导得：

F'(Z₀)＝sh(Z₀)-(y₀/x₀)...................................(5)

该切线与横坐标的交点为Z₁，则Z₁＝Z₀-F(Z₀)/F'(Z₀)

Z₁即为式(3)方程根Z新的近似值；判断|Z₁-Z₀|是否小于符合实际要求的某个精度范围，如果成立，则Z₁就是所求的近似值，若不成立，则将Z₁的值赋给Z₀，返回式(5)继续迭代计算；根据计算机迭代计算结果，求出Z的取值；Z的取值，就是能满足精度条件的最终迭代结果，也就是超越方程式(3)的近似根；把Z的取值代入(q/H)x₀＝Z式中，即可求出H值；

(B)垂直分力W的计算

设悬链线CD的长度为L_CD，则：

悬链线的垂直分力W＝L_CD×q，q为电缆单位长度的重量；

电缆D点最大张力F为：

3.根据权利要求1所述的起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：

式中，D₀为初始卷径，D_modify为卷径修正值，D为实时卷径，K为张力锥度系数。

4.根据权利要求3所述的起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法，其特征在于，通过大车运行的距离进行分段，将S2的电缆实际卷绕张力计算分成多段区间控制的形式；大车运行的绝对距离为Length_step，则将运行距离分为四段，分别为distance1，distance2，distance3，distance4，设0<distance1<distance2<distance3<distance4，

则当0<Length_step<distance1时，

式中，F_{actual_1}为第一区间的实际卷绕张力，F_{preset_1}为第一区间预设张力，K1为第一区间张力锥度系数，D₀为初始卷径，D_{modify_1}为第一区间卷径修正值；

当distance1<Length_step<distance2时，

式中，F_{actual_2}为第二区间的实际卷绕张力，F_{preset_2}为第二区间预设张力，K2为第二区间张力锥度系数，D₀为初始卷径，D_{modify_2}为第二区间卷径修正值；

当distance2<Length_step<distance3时，

式中，F_{actual_3}为第三区间的实际卷绕张力，F_{preset_3}为第三区间预设张力，K3为第三区间张力锥度系数，D₀为初始卷径，D_{modify_3}为第三区间卷径修正值；

当distance3<Length_step<distance4时，

式中，F_{actual_4}为第四区间的实际卷绕张力，F_{preset_4}为第四区间预设张力，K4为第四区间张力锥度系数，D₀为初始卷径，D_{modify_4}为第四区间卷径修正值。

5.根据权利要求1所述的起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：

线缆的总转矩为：

式中，F_actual为电缆实际卷绕张力，单位N，D_max为最大卷径，单位m，i为传动减速比，η为减速装置效率，K_m为折算至额定力矩的系数；

则

式中，加减号±的加号表示卷盘正转，减号表示卷盘反转，M_motor为卷盘变频器应该提供的电机实际卷绕转矩，M_cable为线缆的总转矩，Loss₀为静阻系数，Loss_t为风阻系数，N_act为实际转速，ρ为电缆单位长度的密度，H_center为大车电缆卷盘中心高度，g为重力加速度，D为实时卷径。

6.根据权利要求1至5任一项所述的起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法，其特征在于，计算工作在工业PC(1)中完成。

7.一种采用如权利要求1至6任一项所述的起重机大车电缆卷盘实时张力控制方法的系统，其特征在于，所述系统包括：

工业PC(1)，用于进行实时迭代运算，计算大车电缆卷盘在电缆卷绕运动过程中的实时张力；

卷盘驱动模块，包括卷盘变频器(2)、卷盘变频电机(3)、增量式编码器(4)，其中，所述卷盘变频器(2)与所述工业PC(1)、卷盘变频电机(3)、增量式编码器(4)相连接；卷盘变频电机(3)上安装有增量型编码器(4)，用于检测电缆卷绕实时速度；

大车驱动模块，包括大车变频器(5)、绝对值编码器(6)、大车变频电机(7)，其中，所述大车变频器(5)与所述大车变频电机(7)相连接；所述大车变频电机(7)驱动的大车机构的自由轮上安装有所述绝对值编码器(6)，用于检测电缆卷绕运动过程中对应的卷缆长度；所述工业PC(1)与所述绝对值编码器(6)相连接，用于获取电缆卷绕运动过程中对应的卷缆长度。

8.根据权利要求7所述的起重机大车电缆卷盘实时张力控制系统，其特征在于，所述工业PC(1)为倍福PC控制器CX5120。

9.根据权利要求7所述的起重机大车电缆卷盘实时张力控制系统，其特征在于，所述工业PC(1)采用EtherCAT总线通信方式驱动所述卷盘变频器(2)。

10.根据权利要求7所述的起重机大车电缆卷盘实时张力控制系统，其特征在于，所述工业PC(1)通过DP通信方式采集所述绝对值编码器(6)的信号。

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