CN116281615A - 一种基于虚拟传感的塔机安全数据监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于虚拟传感的塔机安全数据监控方法，包括：对塔式起重机的起升变频器、变幅变频器、可编程逻辑控制器PLC、陀螺仪和磁力计模块进行数据采集，通过485总线汇总到工控机中，实时计算出塔机的吊钩高度、吊重载荷、小车幅度、大臂回转角度，并通过显示屏呈现给塔司。所述方法无需对外接传感器进行布线和安装，只需对塔机控制系统中的变频器、plc的数据，以及内置在安全监控系统中的陀螺仪和磁力计模块的数据进行采集运算，即可实时计算出塔机的吊钩高度、吊重载荷、小车幅度、大臂回转角度、限位器状态等运行状态参数。

Description

一种基于虚拟传感的塔机安全数据监控方法

技术领域

本发明涉及起重机安全监控技术领域，具体涉及一种基于虚拟传感的塔机安全监控系统。

背景技术

现有的塔机安全监控系统还是依靠安装外接传感器的方式来计算塔机的吊钩高度、吊重载荷、小车幅度、大臂回转角度等运行状态参数。其中吊重载荷多采用安装在定滑轮处的轴销式应力应变传感器，吊钩高度、小车幅度、回转角度多采用在电机轴端或卷筒处安装编码器与电位器的方式。这样的方法不仅成本高、且传感器长时间暴露于空气中经受风吹日晒容易损坏，同时也加大了塔机上的布线压力。因此，开发出一套无需安装传感器的塔机安全监控系统成为业界亟待解决的的技术问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于降低塔机安全监控的硬件成本和安装成本，降低塔机上的布线压力，改善驾驶室环境，同时提高塔机安全监控的使用寿命。通过对塔机控制系统中的变频器、PLC数据，以及内置的陀螺仪和磁力计模块进行数据采集，将塔机运行状态参数实时的呈现给塔司。

为实现上述目的，本发明专利采用如下技术方案：

一种基于虚拟传感的塔机安全数据监控方法，通过对塔式起重机的起升变频器、变幅变频器、PLC(Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器)、内置陀螺仪和磁力计模块进行数据采集，通过485总线汇总到工控机中，实时计算出塔机的吊钩高度、吊重载荷、小车幅度、大臂回转角度等值，并通过显示屏呈现给塔司。

所述的吊钩高度H由起升变频器中读取的绝对值编码器计算得出。起升系统由于要防止吊钩下溜，会采取闭环矢量控制的控制方式，即自带电机编码器。从起升变频器中读取的电机编码器值为高位h和低位l，其中高位代表当前编码器圈数整数值，低位代表当前圈刻度值(单圈共包含1024个刻度)。所以编码器当前总圈数S为：

将吊钩接触地面时起升变频器中的编码器圈数值标定为0，则吊钩的高度值H为：

D_q为起升机构卷筒直径，i_q起升机构减速机减速比

所述的吊重载荷Z由起升变频器中的输出频率f_q、输出电流a、输出功率p_q、输出转矩T计算出。计算公式为：

Z＝G(f_q,a,p_q,T)

G为对应关系模型。

所述的小车幅度F由变幅变频器输出频率f_b与变幅变频器负载率β计算出。计算公式为：

其中H(f_b,β)为通过变幅变频器测量的频率、负载率计算出的变幅电机转速值，∫为积分符号，d为微分算子，t为时间，D_b为变幅机构卷筒直径，i_b为变幅机构减速机减速比负载率定义公式如下：

β＝p_b/P_b

其中为p_b变幅变频器输出功率，为P_b变幅电机额定功率；

所述的大臂回转角度由内置陀螺仪磁力计模块经过数据融合后计算出，磁力计容易受到塔机上的软磁、硬磁干扰，只需测量塔机回转运动静止状态下的角度值，经过卡尔曼滤波得出初始状态下的回转角u₁，塔机由于其回转速度较慢，因此采用陀螺仪来计算其回转角速度ω，融合得到的角度J为：

J＝u₁+ω_Δtt₁

其中t₁为陀螺仪采样间隔时间，ω_Δt为当前采样间隔的平均角速度。

所述的内置陀螺仪和磁力计模块,其特征在于陀螺仪/磁力计内置于工控机内。工控机固定安装于塔司驾驶室内，安装时保证陀螺仪和磁力计模块安装方向与大臂臂尖方向平行，这样陀螺仪和磁力计模块所测方向角即为塔机大臂回转方向角。

因为直接与PLC建立通讯，所以读取相应寄存器中的值即能够得到限位器状态值，无需再对每个限位器进行接线读取。所述限位器状态值包括起升高度限位、起升重量限位、小车幅度限位、回转角度限位、力矩限位，，所述起升高度限位、起升重量限位、小车幅度限位、回转角度限位、力矩限位的限位信号作为PLC的输入量，用于PLC的逻辑运算。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明安全监控系统结构示意图。

图2卡尔曼滤波结果示意图。

图3是模型训练流程图。

具体实施方式

如图1所示，通过对塔式起重机的起升变频器(2)、变幅变频器(3)、PLC(4)、内置陀螺仪和磁力计模块(5)进行数据采集，通过485总线汇总到工控机(1)中，实时计算出塔机的吊钩高度、吊重载荷、小车幅度、大臂回转角度等值，并通过显示屏(6)呈现给塔司。

所述的吊钩高度H由起升变频器中读取的绝对值编码器计算得出。起升系统由于要防止吊钩下溜，会采取闭环矢量控制的控制方式，即自带电机编码器。从变频器中读取的电机编码器值为高位h和低位l，其中高位代表当前编码器圈数整数值，低位代表当前圈刻度值(单圈共包含1024个刻度)。所以编码器当前总圈数S为：

将吊钩接触地面时变频器中的编码器圈数值标定为0，则吊钩的高度值H为：

D_q为起升机构卷筒直径，i_q起升机构减速机减速比

所述的吊重载荷Z由起升变频器中的输出频率f_q、输出电流a、输出功率p_q、输出转矩T计算出。计算公式为：

Z＝G(f_q,a,p_q,T)

G为对应关系模型。

表1

表1为吊重420kg、800kg、2000kg标准砝码时起升变频器数据。经过分析可知在相同载荷，不同档位稳速运行状态下，随着频率升高(即档位升高)，电机转矩升高；相同频率下随着载荷的增加，电机输出转矩也随之增加。起升机构是由电机驱动，而三相异步电机的数学模型是一个多变量耦合的高阶非线性微分方程，所以通过建立载荷与变频器参数的等式方程具有较大难度。此处借用机器学习算法中的支持向量机(SVM)来建立载荷预测模型G。基于数据的机器学习就是由观测样本数据得出目前尚不能通过原理分析得到的规律，利用其对测试数据进行预测。模型训练的输入为测量的多组变频器输出频率f_q、输出电流a、输出功率p_q、输出转矩T；输出为对应的吊重载荷。模型训练流程图如图3所示。

所述的小车幅度F由变幅变频器输出频率f_b与变幅变频器负载率β计算出。计算公式为：

H(f_b,β)为根据变幅变频器测量的频率、负载率计算出的变幅电机转速值，∫为积分符号，d为微分算子，t为时间，D_b为变幅机构卷筒直径，i_b为变幅机构减速机减速比负载率定义公式如下：

β＝p_b/P_b

其中为p_b变幅变频器输出功率，为P_b变幅电机额定功率；

H(f_b,β)为变频器测量的频率和负载率计算出的变幅电机转速值，通过积分计算出幅度值F。三相异步电机的转速公式为：

其中s为转差率，

n'为电机同步转速，n为测量转速；p为电机极对数；频率f由变频器给定，极对数p为确定值。因此只需确定转差率即可确定电机转速。通过经验分析，决定转差率s的因素为频率f与负载率β。所以通过测量不同负载和不同频率下的电机转速来确定转差率与频率和负载率的方程。测量部分数据如表2：

表2

通过表中数据建立转差率s的多元线性回归模型，得到：

s＝M(f,β)

于是

最后通过对转速进行积分得到小车幅度F。所述的大臂回转角度由内置陀螺仪磁力计模块经过数据融合后计算出，磁力计容易受到塔机上的软磁、硬磁干扰，只需测量塔机回转运动静止状态下的角度值，经过卡尔曼滤波得出初始状态下的回转角u₁，如图2所示，塔机由于其回转速度较慢，因此采用陀螺仪来计算其回转角速度ω，融合得到的角度J为：

J＝u₁+ω_Δtt₁

其中t₁为陀螺仪采样间隔时间，ω_Δt为当前采样间隔的平均角速度。

所述的回转角度计算模型，塔机大臂在风载荷作用下会随风向发生旋转，即回转变频器在未工作的状况下大臂回转角度也会变化。因此回转变频器数据无法代表塔机大臂的回转角，故而从陀螺仪和磁力计模块通过数据融合来计算回转角度。

具体实现中，本申请提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种基于虚拟传感的塔机安全数据监控方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，ROM)或随机存储记忆体(random access memory，RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机。MUU或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本发明提供了一种基于虚拟传感的塔机安全数据监控方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种基于虚拟传感的塔机安全数据监控方法，其特征在于，包括：对塔式起重机的起升变频器、变幅变频器、可编程逻辑控制器PLC、陀螺仪和磁力计模块进行数据采集，通过485总线汇总到工控机中，实时计算出塔机的吊钩高度、吊重载荷、小车幅度、大臂回转角度，并通过显示屏呈现给塔司。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吊钩高度H由起升变频器中读取的绝对值编码器计算得出：起升系统由于要防止吊钩下溜，会采取闭环矢量控制的控制方式，即自带电机编码器；从起升变频器中读取的电机编码器值为高位h和低位l，其中高位代表当前编码器圈数整数值，低位代表当前圈刻度值(单圈共包含1024个刻度)，则编码器当前总圈数S为：

将吊钩接触地面时起升变频器中的编码器圈数值标定为0，则吊钩的高度值H为：

其中D_q为起升机构卷筒直径，i_q起升机构减速机减速比。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述吊重载荷Z由起升变频器中的输出频率f_q、输出电流a、输出功率p_q、输出转矩T计算得到，计算公式为：

Z＝G(f_q,a,p_q,T)

其中G为对应关系模型。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述小车幅度F由变幅变频器输出频率f_b与变幅变频器负载率β计算得到，计算公式为：

其中H(f_b,β)为通过变幅变频器测量的频率、负载率计算出的变幅电机转速值，∫为积分符号，d为微分算子，t为时间，D_b为变幅机构卷筒直径，i_b为变幅机构减速机减速比；

负载率计算公式如下：

β＝p_b/P_b

其中p_b为变幅变频器输出功率，P_b为变幅电机额定功率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述大臂回转角度由陀螺仪和磁力计模块经过数据融合后计算得到，磁力计容易受到塔机上的软磁、硬磁干扰，只需测量塔机回转运动静止状态下的角度值，经过卡尔曼滤波得出初始状态下的回转角u₁，塔机由于其回转速度较慢，因此采用陀螺仪来计算塔机回转角速度ω，融合得到的角度J为：

J＝u₁+ω_Δtt₁

其中t₁为陀螺仪采样间隔时间，ω_Δt为当前采样间隔的平均角速度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述陀螺仪和磁力计模块内置于工控机内。工控机固定安装于塔司驾驶室内，安装时保证陀螺仪和磁力计模块安装方向与大臂臂尖方向平行，这样陀螺仪和磁力计模块所测方向角即为塔机大臂回转方向角。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，读取寄存器中的值即能够得到限位器状态值，无需再对每个限位器进行接线读取；所述限位器状态值包括起升高度限位、起升重量限位、小车幅度限位、回转角度限位、力矩限位，所述起升高度限位、起升重量限位、小车幅度限位、回转角度限位、力矩限位的限位信号作为PLC的输入量，用于PLC的逻辑运算。

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