CN117566619A - 一种锚绞车控制装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种锚绞车控制装置，包括控制模块、锚绞车驱动变频器、锚绞车系统、信号检测系统、滑轮组、锚链系统和人机界面显示屏；还公开了其控制方法；信号检测系统实时检测被牵引缆绳的位移和张力，控制模块完成数值计算，以及位移、恒张力控制算法的实现，根据控制算法调整锚绞车驱动变频器的控制指令和运行参数，实现缆绳收放过程中位移和张力的高精度控制。本发明为锚绞车提供了一种缆绳张力恒定，位移可精确控制的解决方案。

Description

一种锚绞车控制装置及其控制方法
技术领域
本发明属于锚绞车技术领域，具体涉及一种锚绞车控制装置，以及其控制方法。
背景技术
目前，船舶领域锚链、绞车、缆绳等辅助设备的控制多采用机械或液压传动的方式进行驱动。
机械或液压传动方式存在日常维护保养工作量大、维修困难等等不利因素，控制方式单一、精度有限、操纵灵活性差等特点。
对于部分电动控制装置，出于成本等市场因素考虑，功能和速度控制方式比较单一，多以某一特定的速度或张力运行，对于平台位置控制等对于位移和张力控制精度要求比较高的特殊应用场合不太适用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的之一是提出一种锚绞车控制装置，有效解决普通的锚绞车控制装置不适用于位移和张力控制精度要求比较高等特殊应用场合的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种锚绞车控制装置，包括控制模块、锚绞车驱动变频器、锚绞车系统、信号检测系统、滑轮组、锚链系统和人机界面显示屏；所述的控制模块分别通过以太网连接锚绞车驱动变频器和人机界面显示屏，所述的锚绞车驱动变频器通过变频电缆连接锚绞车系统，所述的锚绞车系统作为执行机构，由永磁电机、减速机和卷缆装置连接而成，三者组装为一个整体，进行动密封处理，结构紧凑，永磁电机通过减速机进行减速，带动卷缆装置旋转，实现缆绳的收/放功能，所述的卷缆装置通过缆绳依次连接滑轮组和锚链系统，所述的信号检测系统由信号变送器和缆绳上的传感器组成，所述的信号变送器连接控制模块，将采集到的缆绳张力和位移信号转换为mA电流信号传送给控制模块进行计算处理；控制模块实现的位移、恒张力控制方法主要通过初步估计锚绞车驱动变频器的转速控制设定值和输出转矩设定值，并将位移/张力PID闭环调节输出控制量作为附加给定值，控制锚绞车驱动变频器驱动锚绞车系统旋转，实现对锚绞车系统缆绳位移和张力的精确控制。
所述的一种锚绞车控制装置，其控制模块由CPU模块、通讯模块和模拟量采集模块组成。
所述的一种锚绞车控制装置，其信号检测系统包括位移传感器、位移变送器、张力传感器和张力变送器。
本发明的目的之二是提供一种锚绞车控制装置的控制方法，包括如下步骤：
位移控制模式下，以卷缆装置与锚链系统连接的缆绳的位移为控制目标：控制模块根据设置的转速-位移曲线以及位移误差Δl＝lfbk-lref，采用查表法得出缆绳的收/放速度n3；式中lfbk为位移反馈，lref为位移设定值；同时控制模块通过系统配置的包括卷筒半径R0、缆绳半径r、缆绳缠绕层数Nc0、单层缆绳槽数Nk0在内的卷缆装置参数，结合信号检测系统反馈的缆绳实际位移lfbk，评估计算出当前卷缆装置缆绳所处的位置，即最外层缆绳所处的层数Nc；
根据几何关系，相邻两层缆绳之间相对于卷缆装置半径方向的径向高度卷缆装置最外层缆绳的径向高度/>式中R0为卷筒半径，r为缆绳半径，Nc为最外层缆绳所处的层数，由此可得到卷缆装置转速为/>式中n3为卷缆装置最外层缆绳位移速度，永磁电机转速/>式中k为减速机减速比；
控制模块对信号检测系统采集的缆绳实际位移与位移设定值进行PID闭环调节，PID闭环调节输出控制量作为转速设定值附加给定nadd，通过锚绞车驱动变频器实时调整永磁电机的转速；转速设定值nref＝n1+nadd，式中nadd为转速附加给定值；
从而控制模块将n1+nadd作为永磁电机转速设定值nref通过以太网通讯发送给锚绞车驱动变频器，锚绞车驱动变频器采用转速环+电流环双闭环控制方式，输出三相交流电压驱动永磁电机按照设定转速旋转，从而通过减速机带动卷缆装置旋转，实现锚绞车位移的精确控制；
张力控制模式下以卷缆装置与锚链系统连接的缆绳的张力为控制目标：减速机输出力矩f2＝f3×R，式中f3为缆绳张力R为卷缆装置最外层缆绳的径向高度，由此可得出永磁电机输出转矩f1＝f2÷k，式中k为减速机减速比；
控制模块对信号检测系统采集的缆绳实际张力与张力设定值进行PID闭环调节，PID闭环调节输出控制量作为转矩设定值附加给定值fadd，通过锚绞车驱动变频器实时调整永磁电机的输出转矩；输出转矩设定值fref＝f1+fadd，式中fadd为转速附加给定值，单位为N.m；
从而控制模块将f1+fadd作为永磁电机输出转矩设定值fref通过以太网通讯发送给锚绞车驱动变频器，锚绞车驱动变频器采用输出转矩环开环+电流环闭环控制方式，输出三相交流电压驱动永磁电机按照设定的输出转矩旋转，从而通过减速机带动卷缆装置旋转，实现锚绞车缆绳张力的精确控制。
进一步，位移控制模式下调整永磁电机的转速时，控制量为正值时，逐渐增大永磁电机转速；控制量为负值时，逐渐减小永磁电机转速；而且增大/减小程度与控制量大小成正比。
进一步，张力控制模式下调整永磁电机的输出转矩时，控制量为正值时，逐渐增大永磁电机输出转矩；控制量为负值时，逐渐减小永磁电机输出转矩；而且增大/减小程度与控制量大小成正比
本发明的有益效果是：本发明通过显示屏上的人机界面配置控制装置的基本参数和控制模式，并向控制模块设置合适的位移/张力控制指令，控制模块利用信号检测系统采集的缆绳实际位移信号评估卷缆装置最外层缆绳当前所处的位置层数，通过设置的缆绳位移/张力控制指令计算出锚绞车驱动变频器端的转速/输出转矩，以此通过初步估计锚绞车驱动变频器的转速控制设定值和输出转矩设定值，并将位移/张力PID闭环调节输出控制量作为附加给定值，控制锚绞车驱动变频器驱动锚绞车系统旋转，实现对锚绞车系统缆绳位移和张力的精确控制。
本发明可用于船舶领域锚链、绞车、缆绳等装置的位移控制和恒张力控制，特别是平台位置控制等对于位移和张力控制精度要求比较高的特殊应用场合。
附图说明
图1为本发明锚绞车控制装置的结构示意图；
图2和图3为本发明卷缆装置缆绳位置计算示意图；
图4是本发明速度-位移曲线示例。
各附图标记为：1—控制模块，2—锚绞车驱动变频器，3—锚绞车系统，4—信号检测系统，5—滑轮组，6—锚链系统，7—人机界面显示屏。
具体实施方式
以下结合具体实例和附图对本发明的实施方式进行进一步阐述。
本发明主要针对普通的锚绞车控制装置不适用于位移和张力控制精度要求比较高等特殊应用场合，提供一种锚绞车控制装置，用于实现锚绞车位移和张力的精确控制，下面以某平台位置控制锚绞车控制装置为实施例作进一步具体的说明。
参照图1所示，本发明公开的一种锚绞车控制装置，包括控制模块1、锚绞车驱动变频器2、锚绞车系统3、信号检测系统4、滑轮组5、锚链系统6和人机界面显示屏7等七个部分。
所述的控制模块1分别通过以太网连接锚绞车驱动变频器2和人机界面显示屏7，控制模块1作为锚绞车控制装置的控制核心，主要负责数值计算，以及位移、恒张力控制算法的实现等功能。
所述的锚绞车驱动变频器2通过变频电缆连接锚绞车系统3，锚绞车驱动变频器2接收控制模块1发送的转速或输出转矩设定值指令，将输入三相工频交流电压变换为频率和幅值可调的三相交流电压驱动锚绞车系统3的永磁电机以给定转速/输出转矩旋转；锚绞车驱动变频器2采用转速环+电流环双闭环控制方式或采用输出转矩环+电流环单闭环控制方式，输出三相交流电压驱动永磁电机按照设定的转速或输出转矩旋转，从而通过减速机带动卷缆装置旋转，实现锚绞车缆绳位移或张力的精确控制。
所述的锚绞车系统3作为执行机构，由永磁电机、减速机和卷缆装置连接而成，三者组装为一个整体，进行动密封处理，结构紧凑，永磁电机通过减速机进行减速，带动卷缆装置旋转，实现缆绳的收/放功能；所述的卷缆装置通过缆绳依次连接滑轮组5和锚链系统6，所述的信号检测系统4由信号变送器和缆绳上的传感器组成，信号检测系统4采集缆绳的张力、位移信号，并将其转换为mA电流信号传送给控制模块1进行计算处理。
所述的信号变送器连接控制模块1，将采集到的缆绳张力和位移信号转换为mA电流信号传送给控制模块1进行计算处理；控制模块1实现的位移、恒张力控制方法主要通过初步估计锚绞车驱动变频器2的转速控制设定值和输出转矩设定值，并将信号检测系统4采集的缆绳实际位移/张力与设置的位移/张力控制指令进行PID闭环调节，调节输出控制量作为转速控制附加给定值或输出转矩附加给定值，与计算出的锚绞车驱动变频器2端的转速或永磁电机输出转矩值相加，作为转速设定值或输出转矩设定值发送给锚绞车驱动变频器2，控制锚绞车驱动变频器2驱动锚绞车系统3旋转，实现对锚绞车系统3缆绳位移和张力的精确控制。
所述的人机界面显示屏7接收操作人员控制指令、参数设置，并显示装置的运行数据。
本发明的控制模块1选用西门子S7-300系列PLC模块，由CPU模块(CPU313C-2DP)、通讯模块(PM340)、模拟量采集模块(SM334)组成，作为锚绞车控制装置的控制核心，主要负责数值计算，以及位移、恒张力控制算法的实现等功能。锚绞车驱动变频器2采用禾望电气的HD2000系列变频器。
信号检测系统4包括位移传感器(HC26-30-DA)和位移变送器，张力传感器(MGZ100)和张力变送器，主要实现缆绳位移和张力采集，并将位移和张力变换为0～20mA信号传送给控制模块1进行计算处理。
锚绞车系统3由永磁电机、减速比为669.4的减速齿轮箱、卷缆装置等组成，永磁电机与减速齿轮箱同轴连接，减速齿轮箱另一端通过楔齿与卷缆装置连接。
人机界面显示屏7为昆仑通态TPC1162Hii触摸屏，实现接收操作人员控制指令、参数设置、显示装置运行数据等功能。
本发明提出的锚绞车控制装置的控制方法具备两种工作模式：位移控制模式和恒张力控制模式。
1)位移控制模式。
操作人员通过人机界面显示屏7将锚绞车控制装置的工作模式配置为位移控制模式，并可根据工程的实际需求设置转速-位移曲线；位移控制模式以卷缆装置与锚链系统6连接的缆绳的位移为控制目标。
控制模块1根据设置的如图4所示的转速-位移曲线以及位移误差Δl＝lfbk-lref，采用查表法可以得出缆绳的收/放速度n3；式中lfbk为位移反馈，单位m，lref为位移设定值，单位m。
同时控制模块1通过系统配置的卷缆装置参数(卷筒半径R0、缆绳半径r、缆绳缠绕层数Nc0、单层缆绳槽数Nk0等等)，如图2、图3所示，结合信号检测系统4反馈的缆绳实际位移lfbk，评估计算出当前卷缆装置缆绳所处的位置，即最外层缆绳所处的层数Nc。
根据几何关系，相邻两层缆绳之间相对于卷缆装置半径方向的径向高度于是，卷缆装置最外层缆绳的径向高度/>式中R0为卷筒半径，单位m；r为缆绳半径，单位m；Nc为最外层缆绳所处的层数。
由此可得到卷缆装置转速(单位rpm)为式中n3为卷缆装置最外层缆绳位移速度，单位m/s；永磁电机转速/>式中k为减速机减速比。
控制模块1对信号检测系统4采集的缆绳实际位移与位移设定值进行PID闭环调节，PID闭环调节输出控制量作为转速设定值附加给定nadd，通过锚绞车驱动变频器2实时调整永磁电机的转速；控制量为正值时，逐渐增大永磁电机转速；控制量为负值时，逐渐减小永磁电机转速；而且增大/减小程度与控制量大小成正比；转速设定值nref＝n1+nadd，式中nadd为转速附加给定值，单位为rpm。
从而，控制模块1将n1+nadd作为永磁电机转速设定值nref通过以太网通讯发送给锚绞车驱动变频器2，锚绞车驱动变频器2采用转速环+电流环双闭环控制方式，输出三相交流电压驱动永磁电机按照设定转速旋转，从而通过减速机带动卷缆装置旋转，实现锚绞车位移的精确控制。
2)张力控制模式。
操作人员通过人机界面在显示屏上将锚绞车控制装置的工作模式配置为张力控制模式，张力控制模式以卷缆装置与锚链系统6连接的缆绳的张力为控制目标。
根据力矩平衡，减速机输出力矩f2＝f3×R，式中f3为缆绳张力，单位N；R为卷缆装置最外层缆绳的径向高度，单位m；由此可得出永磁电机输出转矩f1＝f2÷k，式中k为减速机减速比。
控制模块1对信号检测系统4采集的缆绳实际张力与张力设定值进行PID闭环调节，PID闭环调节输出控制量作为转矩设定值附加给定值fadd，通过锚绞车驱动变频器2实时调整永磁电机的输出转矩；控制量为正值时，逐渐增大永磁电机输出转矩；控制量为负值时，逐渐减小永磁电机输出转矩。而且，增大/减小程度与控制量大小成正比；输出转矩设定值fref＝f1+fadd，式中fadd为转速附加给定值，单位为N.m。
从而，控制模块1将f1+fadd作为永磁电机输出转矩设定值fref通过以太网通讯发送给锚绞车驱动变频器2，锚绞车驱动变频器2采用输出转矩环开环+电流环闭环控制方式，输出三相交流电压驱动永磁电机按照设定的输出转矩旋转，从而通过减速机带动卷缆装置旋转，实现锚绞车缆绳张力的精确控制。
人机界面显示屏7的触摸屏可配置控制装置的基本参数和控制模式，并向控制模块1设置合适的位移/张力控制指令，然后通过以太网通讯与控制模块1进行数据交换，信号检测系统4实时采集缆绳的位移ls和张力fs并转换成0～20mA电流信号传输至控制模块1模拟量采集模块。
控制模块1的CPU模块通过模拟量采集模块采集到缆绳的位移ls和张力fs后，根据位移误差公式，径向高度公式，卷缆装置转速公式和永磁电机转速公式或减速机输出力矩公式，永磁电机输出转矩公式计算锚绞车驱动变频器2的转速/输出转矩对应值，并对信号检测系统4采集的缆绳位移/张力进行PID闭环调节，调节输出控制量作为锚绞车驱动变频器2转速/输出转矩的附加设定值，再通过转速设定值公式或输出转矩设定值公式计算出变频器的转速/输出转矩设定值nref/fref。
控制模块1通过以太网通讯将该设定值指令发送给锚绞车驱动变频器2，变频器采用转速环+电流环双闭环控制方式或采用输出转矩环+电流环单闭环控制方式，输出三相交流电压驱动永磁电机按照设定的转速或输出转矩旋转，从而通过减速机带动卷缆装置旋转，实现锚绞车缆绳位移或张力的精确控制。
通过上述控制方法，可满足平台位置控制锚绞车控制装置对位移控制和张力控制的精度指标要求。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种锚绞车控制装置，其特征在于：包括控制模块(1)、锚绞车驱动变频器(2)、锚绞车系统(3)、信号检测系统(4)、滑轮组(5)、锚链系统(6)和人机界面显示屏(7)；所述的控制模块(1)分别通过以太网连接锚绞车驱动变频器(2)和人机界面显示屏(7)，所述的锚绞车驱动变频器(2)通过变频电缆连接锚绞车系统(3)，所述的锚绞车系统(3)由永磁电机、减速机和卷缆装置连接而成，所述的卷缆装置通过缆绳依次连接滑轮组(5)和锚链系统(6)，所述的信号检测系统(4)由信号变送器和传感器组成，所述的信号变送器连接控制模块(1)，将采集到的缆绳张力和位移信号转换为电流信号传送给控制模块(1)；控制模块(1)对信号检测系统(4)采集的缆绳实际位移/张力与设置的位移/张力控制指令进行PID闭环调节，调节输出控制量作为转速控制附加给定值或输出转矩附加给定值，与计算出的锚绞车驱动变频器(2)端的转速或永磁电机输出转矩值相加，作为转速设定值或输出转矩设定值发送给锚绞车驱动变频器(2)，控制锚绞车驱动变频器(2)驱动锚绞车系统(3)旋转，实现对锚绞车系统(3)缆绳位移和张力的精确控制。
2.根据权利要求1所述的一种锚绞车控制装置，其特征在于，所述的控制模块(1)由CPU模块、通讯模块和模拟量采集模块组成。
3.根据权利要求2所述的一种锚绞车控制装置，其特征在于，所述的信号检测系统(4)包括位移传感器、位移变送器、张力传感器和张力变送器。
4.一种如权利要求1所述锚绞车控制装置的控制方法，其特征在于：
位移控制模式时，控制模块(1)根据设置的转速-位移曲线以及位移误差Δl＝lfbk-lref，采用查表法得出缆绳的收/放速度n3，式中lfbk为位移反馈，lref为位移设定值；同时控制模块(1)通过包括卷筒半径R0、缆绳半径r、缆绳缠绕层数Nc0、单层缆绳槽数Nk0在内的卷缆装置参数，结合信号检测系统(4)反馈的缆绳实际位移lfbk，评估计算出最外层缆绳所处的层数Nc；
相邻两层缆绳之间相对于卷缆装置半径方向的径向高度卷缆装置最外层缆绳的径向高度/>式中R0为卷筒半径，r为缆绳半径，Nc为最外层缆绳所处的层数，由此可得到卷缆装置转速为/>式中n3为卷缆装置最外层缆绳位移速度，永磁电机转速/>式中k为减速机减速比；
控制模块(1)对信号检测系统(4)采集的缆绳实际位移与位移设定值进行PID闭环调节，PID闭环调节输出控制量作为转速设定值附加给定nadd，通过锚绞车驱动变频器(2)实时调整永磁电机的转速；转速设定值nref＝n1+nadd，式中nadd为转速附加给定值；
从而控制模块(1)将n1+nadd作为永磁电机转速设定值nref通过以太网通讯发送给锚绞车驱动变频器(2)，锚绞车驱动变频器(2)采用转速环+电流环双闭环控制方式，输出三相交流电压驱动永磁电机按照设定转速旋转，从而通过减速机带动卷缆装置旋转，实现锚绞车位移的精确控制；
张力控制模式时，减速机输出力矩f2＝f3×R，式中f3为缆绳张力，R为卷缆装置最外层缆绳的径向高度，可得出永磁电机输出转矩f1＝f2÷k，式中k为减速机减速比；
控制模块(1)对信号检测系统(4)采集的缆绳实际张力与张力设定值进行PID闭环调节，PID闭环调节输出控制量作为转矩设定值附加给定值fadd，通过锚绞车驱动变频器(2)实时调整永磁电机的输出转矩；输出转矩设定值fref＝f1+fadd，式中fadd为转速附加给定值；
从而控制模块(1)将f1+fadd作为永磁电机输出转矩设定值fref通过以太网通讯发送给锚绞车驱动变频器(2)，锚绞车驱动变频器(2)采用输出转矩环开环+电流环闭环控制方式，输出三相交流电压驱动永磁电机按照设定的输出转矩旋转，从而通过减速机带动卷缆装置旋转，实现锚绞车缆绳张力的精确控制。
5.根据权利要求4所述的一种锚绞车控制装置的控制方法，其特征在于，位移控制模式下调整永磁电机的转速时，控制量为正值时，逐渐增大永磁电机转速；控制量为负值时，逐渐减小永磁电机转速；而且增大/减小程度与控制量大小成正比。
6.根据权利要求4所述的一种锚绞车控制装置的控制方法，其特征在于，张力控制模式下调整永磁电机的输出转矩时，控制量为正值时，逐渐增大永磁电机输出转矩；控制量为负值时，逐渐减小永磁电机输出转矩；而且增大/减小程度与控制量大小成正比。
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