CN116556280A - 液压抓梁供电电缆随动保护装置的保护方法 - Google Patents

Abstract

一种液压抓梁供电电缆随动保护装置的保护方法，包括减速机配合的变频电机，减速机与滑环箱和电缆卷盘连接，自动排缆器与滑环箱连接，滑环箱和变频电机与控制器电性连接，采用在电缆随动过程中，保护装置的控制器通过模糊算法计算出与起升机构速度匹配的频率设定值，将该值赋予保护装置的变频电机，变频电机驱动减速机拖动电缆卷盘按给定频率下的转速卷绕电缆，在整个起升高度范围内与起升机构升降速度保持一致，即使在卷径改变和位置出现微小的速度差异，由于电缆在开始缠绕的时候留有松弛量，只要在整个起升高度范围内速度差异产生的误差不超过松弛量，电缆就一直保持松弛状态，只承受自重力，没有额外的拉力，有效避免了不同步拉断电缆的情况。

Description

液压抓梁供电电缆随动保护装置的保护方法

技术领域

本发明属于水电站液压抓梁电缆随动技术领域，涉及一种液压抓梁供电电缆随动保护装置的保护方法。

背景技术

水电站启闭闸门的液压抓梁作为起升机构需要通过电缆从启闭机上取得电源和控制信号，并将液压抓梁监控传感器和摄像头输出信号通过电缆送入启闭机监控系统，由启闭机监控系统的人机界面将液压抓梁的运行状态和数据呈现给操作人员。在闸门启闭过程中，供电和信号电缆自动收放由电缆卷绕装置完成，见图1。

目前液压抓梁上使用的电缆卷绕装置主要有两种，皆包括自动排缆器，利用自动排缆器上的盘缆器左右横移功能实现对电缆的层叠缠绕。其中一种为磁滞式电缆卷绕装置，磁滞式电缆卷绕装置在电机和减速机之间采用磁滞联轴器，通过调整磁滞联轴器内部磁耦合间隙改变扭矩，扭矩在电机额定频率运行时是定值。这种电缆卷绕装置在抓梁上升（启门）时电机通电，电机以额定转速带动电缆卷盘卷绕电缆，电缆卷绕的速度不小于抓梁上升的最大速度，所以电缆一直处于绷紧状态，当卷径变大时电缆卷绕速度大于抓梁上升的速度，这时卷盘通过磁滞联轴器产生滑差；在抓梁下降（闭门）时，电缆卷绕装置电机断电，由于磁滞联轴器中的单向轴承锁死磁滞联轴器输入侧（电机侧），而磁滞联轴器输出侧（减速机侧）在电缆的拖拽下以设定扭矩打滑放缆。所以这种电缆卷绕装置收放电缆时电缆一直处于绷紧状态，除承受自重力外还需克服磁滞联轴器产生的磁滞拉力，磁滞拉力的大小由磁滞联轴器的设定扭矩决定，当设定扭矩太大时，电缆承受的拉力大，电缆的使用寿命就会缩短；当设定扭矩太小（或磁滞联轴器退磁造成磁力减弱）时无法克服电缆自重就会造成电缆下滑，当下滑初期没有及时制止时会出现加速下滑失控直到放完电缆从卷盘根部切断电缆。所以磁滞式电缆卷绕装置磁滞扭矩设定很关键，需要在使用现场根据电缆长度和重量不断的调整、测试，使电缆既不承受太大的拉力，又能保证足够的转矩克服电缆的重力矩。

还有一种变频电缆卷绕装置采用变频器驱动，根据卷径的变化改变变频器的设定转矩使电缆的张力控制在一个较小的范围内，收卷是电动状态，放卷是发电状态，变频器需要配置制动单元和制动电阻。这种电缆卷绕装置工作时电缆仍然要承受除自重力外的额外拉力，且拉力随着卷盘卷径的变化而变化，额外的拉力会减小电缆的使用寿命；另外当电缆卷绕装置和启闭机起、制动加速时间、减速时间差异较大时会出现不同步拉断电缆的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种液压抓梁供电电缆随动保护装置的保护方法，采用在电缆随动过程中，保护装置的控制器通过模糊算法计算出与起升机构速度匹配的频率设定值，将该值赋予保护装置的变频电机，变频电机驱动减速机拖动电缆卷盘按给定频率下的转速卷绕电缆，在整个起升高度范围内与起升机构升降速度保持一致，即使在卷径改变和位置出现微小的速度差异，由于电缆在开始缠绕的时候留有松弛量，只要在整个起升高度范围内速度差异产生的误差不超过松弛量，电缆就一直保持松弛状态，只承受自重力，没有额外的拉力，有效避免了不同步拉断电缆的情况。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种液压抓梁供电电缆随动保护装置的保护方法，保护装置包括减速机配合的变频电机，减速机水平轴两端分别与滑环箱和电缆卷盘连接，自动排缆器与滑环箱的水平轴链轮连接，滑环箱和变频电机与控制器电性连接；变频电机驱动减速机带动电缆卷盘旋转，自动排缆器配合电缆卷盘实现层叠收放缆；

其保护方法包括如下步骤：

S1，安装，将保护装置安装于起升机构上，电缆缠绕在电缆卷盘上并与自动排缆器的盘缆器配合；

S2，上电，保护装置和起升机构通电，等待控制器发出上升或下降指令；

S3，启动，起升机构启动，起升机构上升或下降的同时保护装置随其同步上升或下降；

S4，收放缆，保护装置启动，电缆卷盘旋转收放缆；

S5，检测，在收放缆的同时，滑环箱检测电缆是绷紧状态还是松弛状态，只有电缆处于松弛状态时，才正常收放缆。

在S4之前，起升机构处于停止状态时，变频电机驱动减速机带动电缆卷盘旋转释放电缆一个余量值，使电缆处于松弛状态。

在S5中，若滑环箱检测到电缆处于绷紧状态，则起升机构停止，变频电机处于启动状态，减速机驱动电缆卷盘旋转释放电缆一个余量值，使电缆处于松弛状态后起升机构再启动。

自动排缆器包括转轴和导向杆两端连接的支板，盘缆器与导向杆滑动配合，且与转轴螺纹配合。

转轴沿轴向方向设置有正反螺纹，盘缆器内置有同轴反向旋转机构，转轴转动带动盘缆器旋转并使盘缆器沿转轴轴向横移，当盘缆器横移至一端的支板受阻时，在同轴反向旋转机构的作用下盘缆器向另一端的支板方向横移。

控制器通过模糊算法计算出与起升机构速度匹配的频率设定值，将该值赋予保护装置的变频电机，变频电机驱动减速机拖动电缆卷盘按给定频率下的转速卷绕电缆。

模糊算法涉及的变量包括起升机构电动机的转速、频率、起升机构卷筒钢丝绳缠绕换层的位置、电缆卷盘的卷径、电缆卷盘电缆卷绕换层的位置、电缆外径、起升机构的加速时间和减速时间和电缆卷绕排列间隙。

本发明的主要有益效果在于：

护装置的控制器通过模糊算法计算出与起升机构速度匹配的频率设定值，将该值赋予保护装置的变频电机，变频电机驱动减速机拖动电缆卷盘按给定频率下的转速卷绕电缆。

在升降过程中，即使在卷径改变和位置出现微小的速度差异，由于电缆在开始缠绕的时候留有松弛量，只要在整个起升高度范围内速度差异产生的误差不超过松弛量，电缆就一直保持松弛状态，只承受自重力，没有额外的拉力，有效避免了不同步拉断电缆的情况。

本发明采用的保护装置采用涡轮蜗杆减速机，具有自锁功能，省去了制动器，避免了三合一电机制动器在潮湿环境的粘连无法打开的情况。

和普通电缆卷绕装置变频器相比，本发明采用的保护装置的变频器在收卷和放卷均工作在电动状态，不需要制动单元和制动电阻，成本更低，维护更简单。

控制器接口数据通过数字通信从起升机构控制器和人机界面取得相关参数，根据内置算法计算出控制字、设定值、加减速时间更加准确，随动特性更好，且更换不同规格的电缆时通过人机界面修改参数更简单，具有更好的适用性。

减速机中设计有通过弹簧调整扭矩的扭矩限制器，可防止控制系统意外故障时拉断电缆，安全可靠，通用性好。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明使用状态图。

图2为本发明保护装置的结构示意图。

图3为本发明控制系统的控制框图。

图4为本发明内置算法一的模型图。

图5为本发明内置算法二的模型图。

图6为本发明控制逻辑流程图。

图中：减速机1，变频电机2，滑环箱3，电缆卷盘4，自动排缆器5，转轴51，导向杆52，支板53，盘缆器54，控制器6。

具体实施方式

如图1~图6中，一种液压抓梁供电电缆随动保护装置的保护方法，保护装置包括减速机1配合的变频电机2，减速机1水平轴两端分别与滑环箱3和电缆卷盘4连接，自动排缆器5与滑环箱3的水平轴链轮连接，滑环箱3和变频电机2与控制器6电性连接；变频电机2驱动减速机1带动电缆卷盘4旋转，自动排缆器5配合电缆卷盘4实现层叠收放缆；

其保护方法包括如下步骤：

S1，安装，将保护装置安装于起升机构上，电缆缠绕在电缆卷盘4上并与自动排缆器5的盘缆器54配合；

S2，上电，保护装置和起升机构通电，等待控制器6发出上升或下降指令；

S3，启动，起升机构启动，起升机构上升或下降的同时保护装置随其同步上升或下降；

S4，收放缆，保护装置启动，电缆卷盘4旋转收放缆；

S5，检测，在收放缆的同时，滑环箱3检测电缆是绷紧状态还是松弛状态，只有电缆处于松弛状态时，才正常收放缆。

优选地，减速机1采用涡轮蜗杆减速机，具有自锁功能，省去了制动器，避免了三合一电机制动器在潮湿环境的粘连无法打开的情况。

优选地，减速机1涡轮两侧设有摩擦盘，摩擦盘通过弹簧的弹力挤压涡轮两侧端面，摩擦盘和涡轮端面之间充满具有一定粘度的油液，当涡轮旋转时，将扭矩通过油液的液粘力输出到摩擦盘，由摩擦盘通过主轴带动电缆卷盘旋转，通过调整挤压摩擦盘弹簧的弹力即可调整电缆卷盘的输出扭矩。

优选地，减速机1中的限制器采用弹簧调整扭矩的扭矩限制器，防止控制系统意外故障时拉断电缆，安全可靠，通用性好。

优选地，控制器6的器接口数据通过数字通信从起升机构控制器和人机界面取得相关参数，根据内置算法计算出控制字、设定值、加减速时间更加准确，随动特性更好，且更换不同规格的电缆时通过人机界面修改参数更简单，具有更好的适用性。

优选的方案中，在S4之前，起升机构处于停止状态时，变频电机2驱动减速机1带动电缆卷盘4旋转释放电缆一个余量值，使电缆处于松弛状态。

优选地，手动操作变频电机2使电缆放出1米的余量，即留出1米的松弛量。

优选的方案中，在S5中，若滑环箱3检测到电缆处于绷紧状态，则起升机构停止，变频电机2处于启动状态，减速机1驱动电缆卷盘4旋转释放电缆一个余量值，使电缆处于松弛状态后起升机构再启动。

优选地，变频电机2自带冷却风扇，供电电源AC380V 50Hz， 5-50Hz恒转矩，50-100Hz恒功率。

优选地，滑环箱3内置滑环、碳刷及接线端子，滑环传感器用于检测电缆的绷紧和松弛度，并将信号传递给控制器6。

优选的方案中，自动排缆器5包括转轴51和导向杆52两端连接的支板53，盘缆器54与导向杆52滑动配合，且与转轴51螺纹配合。

优选的方案中，转轴51沿轴向方向设置有正反螺纹，盘缆器54内置有同轴反向旋转机构，转轴51转动带动盘缆器54旋转并使盘缆器54沿转轴51轴向横移，当盘缆器54横移至一端的支板53受阻时，在同轴反向旋转机构的作用下盘缆器54向另一端的支板53方向横移。

优选的方案中，控制器6通过模糊算法计算出与起升机构速度匹配的频率设定值，将该值赋予保护装置的变频电机2，变频电机2驱动减速机1拖动电缆卷盘4按给定频率下的转速卷绕电缆。

优选地，控制器6集成控制器PLC、人机界面HMI、驱动装置变频器，组成保护装置的控制系统，控制系统框图如图3。

优选地，如图3中，HMI采用具有工业以太网或现场总线接口的触摸屏，通过工业以太网或现场总线连接控制器PLC，通过人机接口界面将电缆卷绕装置的相关参数送入PLC，并从PLC读取电动机及其风机的状态、变频器的状态信息和实时数据，显示在监控界面上。

优选地，如图3中，U采用具有工业以太网或现场总线接口的变频器，接受PLC发送过来控制命令和设定值，驱动电动机按PLC给定的频率运行，并返回其状态信息和实时数据到PLC。

优选地，如图3中，PLC采用具有工业以太网或现场总线接口的PLC，通过工业以太网或现场总线连接起升机构控制器PLC获取起升机构速度、起升高度等数值。将控制命令和设定值传送到驱动变频器，并读取变频器的状态和数据，送到人机界面HMI显示。

优选的方案中，模糊算法涉及的变量包括起升机构电动机的转速、频率、起升机构卷筒钢丝绳缠绕换层的位置、电缆卷盘4的卷径、电缆卷盘4电缆卷绕换层的位置、电缆外径、起升机构的加速时间和减速时间和电缆卷绕排列间隙。

优选地，当起升机构工作时，电缆卷绕装置控制器PLC通过工业以太网或现场总线读取起升机构控制器内起升机构的状态字Sw，状态字Sw根据起升机构运行状态产生的16位字，每一位代表该机构相关设备的状态、实际运行速度Nd、起升高度值H、加速时间ta、减速时间td、电缆松弛传感器状态Bs、电缆绷紧传感器状态Bt，结合人机界面HMI触摸屏输入进来的电缆卷盘卷径R、电缆直径Dc等参数。

优选地，通过PLC内置模糊算法一计算出变频器的设定频率Setpoint f，将该设定频率通过工业以太网或现场总线传送给变频器，变频器驱动电动机按设定频率运行，电动机拖动电缆卷盘跟随起升机构速度运行。见图4。

优选地，算法二根据起升机构加速时间ta、减速时间td，计算出卷绕变频器加速时间Setpoint ta、减速时间Setpoint td，将加速时间Setpoint ta和加速时间Setpoint td通过工业以太网或现场总线传送给变频器，变频器驱动电动机拖动电缆卷盘与起升机构同步加、减速，避免两者加速度不同步造成的卷绕失步；同时算法二根据起升机构的状态字Sw生成变频器的控制字，控制变频器与起升机构同步起动和停止。见图5。

H—起升机构的起升高度；

Nd—起升机构的运行速度；

Dc—电缆的外径；

R—卷盘的卷径；

Setpoint f—变频器的设定频率；

ta—起升机构加速时间；

td—起升机构减速时间；

Sw—起升机构状态字，反映起升机构运行状态的数据；

Bs—电缆松弛传感器状态；

Bt—电缆绷紧传感器状态；

Setpoint ta—变频器的加速时间；

Setpoint td—变频器的减速时间。

优选地，如图6中，在电缆卷盘初始卷缆完成后，手动操作变频器使电缆放出1米的余量，即留出1米的松弛量，这样，在起升机构的整个起升高度范围内，只要保护装置的跟随误差不超过1米，电缆在整个起升高度范围内就始终处于松弛状态，只承受自重力。

优选地，如果出现意外情况造成电缆过度松弛或绷紧，控制器通过使能变频器附加给定给变频器一个5s的速度阶跃，变频器减速或加速运行5s，使电缆松弛余量回到1米范围内。本发明采用的算法经过多个项目验证，电缆跟随精度满足要求，在150米起升高度范围内误差不大于1米，可保证电缆除承受自重力外不承受额外拉力。

优选地，为确保电缆卷绕过程中电缆排列整齐，保证电缆卷绕的跟随性能，保护装置还设计了自动排缆器，通过链条由电缆卷盘拖动，自动换层，确保各层电缆整齐排列。

优选地，通过调整减速机内的挤压摩擦盘弹簧的压力，使电缆卷盘输出的扭矩大于电缆卷绕过程中的最大重力矩，这样就可以保证电缆只承受自重力时，卷盘不产生滑差，当电缆承受的拉力超过自重力时，电缆卷盘产生滑差不至于拉断电缆。

本项发明解决了高扬程启闭机液压抓梁电缆同步卷绕的问题，克服了磁滞式保护装置和恒张力变频保护装置的缺陷，由于设计了多种后备保护措施，可确保电缆无损自由收放。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种液压抓梁供电电缆随动保护装置的保护方法，其特征是：保护装置包括减速机（1）配合的变频电机（2），减速机（1）水平轴两端分别与滑环箱（3）和电缆卷盘（4）连接，自动排缆器（5）与滑环箱（3）的水平轴链轮连接，滑环箱（3）和变频电机（2）与控制器（6）电性连接；变频电机（2）驱动减速机（1）带动电缆卷盘（4）旋转，自动排缆器（5）配合电缆卷盘（4）实现层叠收放缆；

其保护方法包括如下步骤：

S1，安装，将保护装置安装于起升机构上，电缆缠绕在电缆卷盘（4）上并与自动排缆器（5）的盘缆器（54）配合；

S2，上电，保护装置和起升机构通电，等待控制器（6）发出上升或下降指令；

S3，启动，起升机构启动，起升机构上升或下降的同时保护装置随其同步上升或下降；

S4，收放缆，保护装置启动，电缆卷盘（4）旋转收放缆；

S5，检测，在收放缆的同时，滑环箱（3）检测电缆是绷紧状态还是松弛状态，只有电缆处于松弛状态时，才正常收放缆。

2.根据权利要求1所述的液压抓梁供电电缆随动保护装置的保护方法，其特征是：在S4之前，起升机构处于停止状态时，变频电机（2）驱动减速机（1）带动电缆卷盘（4）旋转释放电缆一个余量值，使电缆处于松弛状态。

3.根据权利要求1所述的液压抓梁供电电缆随动保护装置的保护方法，其特征是：在S5中，若滑环箱（3）检测到电缆处于绷紧状态，则起升机构停止，变频电机（2）处于启动状态，减速机（1）驱动电缆卷盘（4）旋转释放电缆一个余量值，使电缆处于松弛状态后起升机构再启动。

4.根据权利要求1所述的液压抓梁供电电缆随动保护装置的保护方法，其特征是：自动排缆器（5）包括转轴（51）和导向杆（52）两端连接的支板（53），盘缆器（54）与导向杆（52）滑动配合，且与转轴（51）螺纹配合。

5.根据权利要求4所述的液压抓梁供电电缆随动保护装置的保护方法，其特征是：转轴（51）沿轴向方向设置有正反螺纹，盘缆器（54）内置有同轴反向旋转机构，转轴（51）转动带动盘缆器（54）旋转并使盘缆器（54）沿转轴（51）轴向横移，当盘缆器（54）横移至一端的支板（53）受阻时，在同轴反向旋转机构的作用下盘缆器（54）向另一端的支板（53）方向横移。

6.根据权利要求1所述的液压抓梁供电电缆随动保护装置的保护方法，其特征是：控制器（6）通过模糊算法计算出与起升机构速度匹配的频率设定值，将该值赋予保护装置的变频电机（2），变频电机（2）驱动减速机（1）拖动电缆卷盘（4）按给定频率下的转速卷绕电缆。

7.根据权利要求6所述的液压抓梁供电电缆随动保护装置的保护方法，其特征是：模糊算法涉及的变量包括起升机构电动机的转速、频率、起升机构卷筒钢丝绳缠绕换层的位置、电缆卷盘（4）的卷径、电缆卷盘（4）电缆卷绕换层的位置、电缆外径、起升机构的加速时间和减速时间和电缆卷绕排列间隙。