CN119191063B - 一种视线不佳环境下的起重机抓斗控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种视线不佳环境下的起重机抓斗控制方法，包括；S1.开启起升机构，抓斗同速下降，实现未触料面继续下降；S2.在抓斗下降过程中，实现已触料面自动停止下降；S3.抓斗接触料面时，自动停止起升机构，控制抓斗自动沉抓；S4.闭斗完成后，开启起升机构，抓斗同速上升，上升到位后完成卸料。本发明实现了视线不佳环境下的起重机抓斗控制，仅需利用永磁同步电机的特性，现有抓斗起重机无需改造，不要额外增加任何检测装置(不需增加绝对值编码器、力矩传感器、高精度电子秤、高回波激光扫描仪、透雾摄像机等传统方案需增加的装置)，就可以实现。通过对起升和开闭变频器输出电流的判断，实现未触及料面自动降功能，实现已触及料面自动停功能，实现抓取量的控制，实现下降自动减速停止，实现控制抓斗自动沉抓，实现控制抓斗自动完成负载均衡。

Description

一种视线不佳环境下的起重机抓斗控制方法

技术领域

本发明属于抓斗起重机技术领域，具体涉及一种视线不佳环境下的起重机抓斗控制方法。

背景技术

抓斗起重机常用于矿山料场、码头船运等散料的倒运和装车，以及高炉过滤池的渣料抓取等等场合。

人工操作抓斗过程中，在不同步骤中，需要控制起升和开闭两组钢丝绳处于不同状态，因此能清楚观察到抓斗和钢丝绳至关重要。智能抓斗起重机在运行过程中，激光扫描仪就是它的眼睛，也需要清楚的扫描到料面轮廓及高度。

然而在现场，如码头经常会有大雨、大雾的情况，在矿山料场和高炉过滤池会有高温水在冬天发生冷凝形成大雾，严重影响视线和激光扫描效果。此时操作人员无法看清钢丝绳状态和抓斗状态，如是否碰触料面、倾斜角度过大等，导致倒斗、乱绳、空抓等情况。智能抓斗起重机由于未能正确获取到实时料堆高度，给出的料面抓取高度不准确，过高时抓斗在空中就闭斗，过低时钢丝绳下放过多导致卷筒乱绳或缠绕抓斗。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种视线不佳环境下的起重机抓斗控制方法，利用永磁同步电机不需要励磁，变频器输出的电流用来控制抓斗做有功，克服抓斗的重力和其它摩擦力，能准确的反映出当前钢丝绳拉力情况。

本发明提供一种视线不佳环境下的起重机抓斗控制方法，包括：

S1.开启起升机构，抓斗同速下降，实现未触料面继续下降；

S2.在抓斗下降过程中，实现已触料面自动停止下降；

S3.抓斗接触料面时，自动停止起升机构，控制抓斗自动沉抓；

S4.闭斗完成后，开启起升机构，抓斗同速上升，上升到位后完成卸料；

步骤S1中，抓斗下降过程中，为避免空抓，需要实现未触料面继续自动下降的功能，具体为：

下降抓料时，抓斗必然是空斗状态，通过公式(1)得到：

式(1)中，I₀为当前起升开闭总电流，m₀为空斗重量，u为摩擦系数，k为线性变换系数，g为重力加速度；

即当前电流在I₀附近波动，根据现场情况，设定一个未触料面判断电流I₁，当前电流I≥I₁，抓斗应继续下降。

在一个具体的实施例中，设定I₁＝0.4I₀，即判断重量m₁＝0.4m₀，则当前电流i≥I₁，抓斗应继续下降。

在可编程控制器(PLC)中加入上述逻辑判断，当未触料面时继续下降，此时PLC即使接收到闭斗抓料的指令，它仍将控制抓斗继续下降，直到触及料面再执行闭斗抓料。

步骤S2中，抓斗下降过程中，为避免下放过多，需要实现已触料面自动停止下降的功能，具体为：

下降抓料时，抓斗必然是空斗状态，代入公式(1)得到：

即当前电流在I₀附近波动，根据现场情况，设定一个已触料面判断电流I₂，即当前电流i≤I₂，抓斗应停止下降。

在一个具体的实施例中，设定I₂＝0.2I₀，即判断重量m₂＝0.2m₀，即当前电流I≤I₂，抓斗应停止下降。

在可编程控制器(PLC)中加入上述逻辑判断，当已触料面时应停止下降，此时PLC即使接收到下降的指令，它将控制抓斗停止下降，而不是继续下降松绳。

在一个具体的实施例中，以上两个功能可分别开启，并且I₁、I₂可根据实际需求修改。

进一步的，通过设定I₂在[0,I₀]区间，控制抓取重量在空斗和满斗的区间内的任意值，达到自动装车目的。

两个极端情况：1)抓斗完全落地，电流I＝0，两组钢丝绳完全松弛不再有拉力，抓斗受到完整重力m₀g，下沉后可抓满斗；2)抓斗未接触地面，电流I＝I₀，抓斗的重力被钢丝绳拉力抵消，悬浮半空，且没有重力则无法下沉，只能抓空斗。因此I₂在[0,I₀]区间内任意取值。

更进一步的，通过控制抓斗自动减速，实现快速平稳落地，具体的：

增加更多判断点，如I₃＝0.8I₀，m₃＝0.8m₀；

I₄＝0.6I₀，m₄＝0.6m₀；

I₅＝0.4I₀，m₅＝0.4m₀；

在下降过程中，抓斗逐渐接触料面到完全落地，应当逐渐减速；

当I＜0.8I₀时，下降减速为额定速度的60％；

当I＜0.6I₀时，下降减速为额定速度的40％；

当I＜0.4I₀时，下降减速为额定速度的20％；

当I＜0.2I₀时，减速到完全停止；

以上判断点可增减，并可按现场设置为不同值，实现快速平稳落地，防止大冲击导致钢丝绳跳绳、斜面倒斗等情况。

步骤S3中，通过控制抓斗自动沉抓，提高满斗率，具体为：

抓斗要实现沉抓，就必须在闭斗时同步下放起升绳，因为抓斗是靠自重下沉，高度逐渐下降，起升绳会逐渐受力拉紧而阻止抓斗下降；

增加起升绳的两个判断电流I_q1、I_q2和下降速度V₁、V₂，其中I_q2＞I_q1，V₂＞V₁；

当起升变频器的输出电流I'＞I_q1时，说明起升绳正在拉紧，此时由PLC发送速度指令给变频器，使其控制抓斗以V₁速度下降；

当起升变频器的输出电流I'＞I_q2时，说明起升绳下放速度不够，其仍然在拉紧，此时由PLC发送速度指令给变频器，使其控制抓斗以更快的V₂速度下降；

当起升变频器的输出电流I'≤I_q1时，说明起升绳下放高度合适，并且保持在这个小拉力使它不至于松弛；

最终达到沉抓时起升绳跟随下降，实现抓斗沉抓，并且保持钢丝绳预紧状态，防止刮断钢丝绳、卷筒乱绳情况。

进一步的，控制抓斗自动完成负载均衡，在闭斗操作时，开闭钢丝绳逐渐绷紧并达到最大拉力，而起升钢丝绳还处于预紧或松弛状态，此时闭斗完成开始起升，必须先将起升钢丝绳绷紧来分担开闭钢丝绳的负载，才能再同步上升。

步骤S4中，负载的均衡或者说电机力矩的均衡，可以直接以电流表达，即变频器输出电流的均衡；

上升过程中，收绳越快钢丝绳绷紧的越快，通过控制上升速度达到目的。

进一步的，计算开闭变频器输出电流I_k和起升变频器输出电流I_q的差值并取绝对值：I_abs＝|I_k-I_q|；

以电流差值I_abs变小为目标，并以其为反馈进行闭环控制，应用PI比例积分算法自动调节两个变频器的输出速度；

设定比例参数K_p和积分参数K_i，以I_abs为偏差信号，进行起升和开闭的上升速度控制，最终能使负载均衡在平衡值I'_abs之内，并且2秒内快速高精度的完成。

本发明具有如下优点：

1、本发明一种视线不佳环境下的起重机抓斗控制方法，实现了视线不佳环境下的起重机抓斗控制，仅需利用永磁同步电机的特性，现有抓斗起重机无需改造，不要额外增加任何检测装置(不需增加绝对值编码器、力矩传感器、高精度电子秤、高回波激光扫描仪、透雾摄像机等传统方案需增加的装置)，就可以实现。

2、本发明通过对起升和开闭变频器输出电流的判断，实现未触及料面自动降功能，实现已触及料面自动停功能，实现抓取量的控制，实现下降自动减速停止，实现控制抓斗自动沉抓，实现控制抓斗自动完成负载均衡。

3、本发明适用于各种视线不佳环境下，且不限于另一种介质，如水中。

4、操作时，只需在空中手动开斗后再操作闭斗，抓斗起重机就可以自动完成下降、触底、沉挖、负载均衡等步骤，解决了视线不好，无法清楚观察到抓斗和钢丝绳的状态时，仍能轻松完成抓斗操作，尤其解决了智能抓斗起重机无法获取实际料面高度而导致的问题；本发明经济效益高，优化空间大。

附图说明

图1为抓斗受力分析图；

图2为本发明控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明的原理：利用永磁同步电机不需要励磁，变频器输出的电流都是用来控制抓斗做有功，克服抓斗的重力和其它摩擦力，能准确的反映出当前钢丝绳拉力(总重力)情况，即抓斗重量与电流成线性关系。变频器输出电流，由可编程控制器(PLC)通过总线或模拟量读取。

1)当抓斗匀速下降时，钢丝绳拉力＝抓斗重力-摩擦力，即：

F_d＝I_d*k＝m*g-m*g*u，其中F_d为下降时钢丝绳拉力,I_d为当前起升开闭总电流，k为线性变换系数，m为抓斗重量，g为重力加速度，u为摩擦系数。如图1所示。

进行如下标定：

在抓斗空斗时完成匀速下降的过程,记录此时I_d1,将I_d1和空斗重量m₀代入等式，可得：I_d1*k＝m₀*g-m₀*g*u。

在抓斗配定重物料时完成匀速下降的过程,记录此时I_d2,将I_d2和重量m₁(空斗重量加定重物料)代入等式，可得：I_d2*k＝m₁*g-m₁*g*u。由两组等式可计算出k和u。

2)当抓斗匀速上升时，钢丝绳拉力＝抓斗重力+摩擦力，即：

F_u＝I_u*k'＝m*g+m*g*u'，其中F_u为上升时钢丝绳拉力,I_u为当前起升开闭总电流，k'为线性变换系数，m为抓斗重量，g为重力加速度，u'为摩擦系数。如图1所示。

同1)的标定过程，改为匀速上升，由两组等式可计算出k'和u'。

因此，匀速下降时，可计算出：反之，同样可计算出电流I值。匀速上升时，可计算出：反之，同样可计算出电流I值。其中，m为抓斗总重量，I为当前起升开闭总电流。

实施例1

一种视线不佳环境下的起重机抓斗控制方法，包括以下步骤；

(1)抓斗下降过程中，为避免空抓，需要实现未触料面继续自动下降的功能。下降抓料时，抓斗必然是空斗状态，已知空斗重量m₀，代入公式得到：

即当前电流在I₀附近波动。此时可以根据现场情况，设定一个未触料面判断电流I₁，假如设定I₁＝0.4I₀(即判断重量m₁＝0.4m₀)，则当前电流I≥I₁应继续下降。

在可编程控制器(PLC)中加入上述逻辑判断，当未触料面时继续下降，此时PLC即使接收到闭斗抓料的指令，它仍将控制抓斗继续下降，直到触及料面再执行闭斗抓料。

(2)抓斗下降过程中，为避免下放过多，需要实现已触料面自动停止下降的功能。下降抓料时，抓斗必然是空斗状态，已知参数空斗重量m₀，代入公式得到：

即当前电流在I₀附近波动。此时可以根据现场情况，设定一个已触料面判断电流I₂，假如设定I₂＝0.2I₀(即判断重量m₂＝0.2m₀)，即当前电流I≤I₂应停止下降。

在可编程控制器(PLC)中加入上述逻辑判断，当已触料面时应停止下降，此时PLC即使接收到下降的指令，它将控制抓斗停止下降，而不是继续下降松绳。

以上，两个功能可分别开启，并且I₁、I₂可根据实际需求修改。

进一步，可控制抓取量。通过设置I₂的值，可以控制抓斗受力程度，进而控制抓取物料重量。两个极端情况：1)抓斗完全落地，电流I＝0，两组钢丝绳完全松弛不再有拉力，抓斗受到完整重力m₀g，下沉后可抓满斗；2)抓斗未接触地面，电流I＝I₀，抓斗的重力被钢丝绳拉力抵消，悬浮半空，且没有重力则无法下沉，只能抓空斗。因此，通过设定I₂在[0,I₀]区间,可控制抓取重量在空斗和满斗的区间内的任意值，达到自动装车等情况下控制抓取量的目的。

进一步，可控制抓斗自动减速，快速平稳落地。可以增加更多判断点，如I₃＝0.8I₀(或m₃＝0.8m₀)，I₄＝0.6I₀(或m₄＝0.6m₀)，I₅＝0.4I₀(或m₅＝0.4m₀)。在下降过程中，抓斗逐渐接触料面到完全落地，应当逐渐减速。当I＜0.8I₀时，下降减速为额定速度的60％；当I＜0.6I₀时，下降减速为额定速度的40％；当I＜0.4I₀时，下降减速为额定速度的20％；当I＜0.2I₀时，减速到完全停止。以上判断点可增减，并可按现场设置为不同值，实现快速平稳落地，防止大冲击导致钢丝绳跳绳、斜面倒斗等情况。

(3)可控制抓斗自动沉抓，提高满斗率。抓斗要实现沉抓，就必须在闭斗时同步下放起升绳，因为抓斗是靠自重下沉，高度逐渐下降，起升绳会逐渐受力拉紧而阻止抓斗下降。增加起升绳的两个判断电流I_q1、I_q2和下降速度V₁、V₂，其中I_q2＞I_q1，V₂＞V₁。当起升变频器的输出电流I'＞I_q1时，说明起升绳正在拉紧，此时由PLC发送速度指令给变频器，使其控制抓斗以V₁速度下降；当起升变频器的输出电流I'＞I_q2时，说明起升绳下放速度不够，其仍然在拉紧，此时由PLC发送速度指令给变频器，使其控制抓斗以更快的V₂速度下降；当起升变频器的输出电流I'≤I_q1时，说明起升绳下放高度合适，并且保持在这个小拉力使它不至于松弛。最终达到沉抓时起升绳跟随下降，实现抓斗沉抓，并且保持钢丝绳预紧状态，防止刮断钢丝绳、卷筒乱绳情况。

进一步，可控制抓斗自动完成负载均衡。在闭斗操作时，开闭钢丝绳逐渐绷紧并达到最大拉力，而起升钢丝绳还处于预紧或松弛状态。此时闭斗完成开始起升，必须先将起升钢丝绳绷紧来分担开闭钢丝绳的负载，才能再同步上升。

(4)负载的均衡或者说电机力矩的均衡，可以直接以电流表达，即变频器输出电流的均衡。上升过程中，收绳越快钢丝绳绷紧的越快，意味着可以通过控制上升速度达到目的。具体为，计算开闭变频器输出电流I_k和起升变频器输出电流I_q的差值并取绝对值：I_abs＝|I_k-I_q|。以电流差值I_abs变小为目标，并以其为反馈进行闭环控制，应用PI比例积分算法自动调节两个变频器的输出速度。设定比例参数K_p和积分参数K_i，以I_abs为偏差信号，进行起升和开闭的上升速度控制，最终能使负载均衡在平衡值I'_abs之内,并且2秒内快速高精度的完成。

本发明的特点：1、老旧抓斗起重机无需改造，不需增加绝对值编码器、力矩传感器、高精度电子秤、高回波激光扫描仪、透雾摄像机等传统方案需增加的装置，就可以实现。2、人工操作时，只需在空中手动开斗后再操作闭斗，抓斗起重机就可以自动完成下降、触底、沉挖、负载均衡等步骤。尤其解决了视线不好，无法清楚观察到抓斗和钢丝绳的状态时，仍能轻松完成抓斗操作。3、解决了智能抓斗起重机无法获取实际料面高度而导致的问题。

凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种视线不佳环境下的起重机抓斗控制方法，其特征在于包括：

S1. 开启起升机构，抓斗同速下降，实现未触料面继续下降；

S2. 在抓斗下降过程中，实现已触料面自动停止下降；

S3. 抓斗接触料面时，控制抓斗自动沉抓；

S4. 闭斗完成后，开启起升机构，抓斗同速上升，上升到位后完成卸料；

步骤S1中，抓斗下降过程中，为避免空抓需要实现未触料面继续下降，具体为：

下降抓料时，抓斗是空斗状态，建立电流与重量的关系：

式（1）中，为当前起升开闭总电流，为空斗重量，为摩擦系数，为线性变换系数，为重力加速度；

设定一个未触料面判断电流，设定，即判断重量，当前电流，抓斗应继续下降；

在可编程控制器PLC中加入逻辑判断，当未触料面时继续下降，此时PLC即使接收到闭斗抓料的指令，它仍将控制抓斗继续下降，直到触及料面再执行闭斗抓料；

步骤S2中，具体为：

抓斗下降过程中，为避免下放过多，需要实现已触料面自动停止下降，具体为：

设定一个已触料面判断电流，设定，即判断重量，当前电流，抓斗应停止下降；

在可编程控制器PLC中加入上述逻辑判断，当已触料面时应停止下降，此时PLC即使接收到下降的指令，它将控制抓斗停止下降，而不是继续下降松绳；

通过控制抓斗自动减速，实现快速平稳落地，具体的：

增加更多判断点，，；

在下降过程中，抓斗逐渐接触料面到完全落地，应当逐渐减速；

当时，下降减速为额定速度的；

当时，下降减速为额定速度的；

当时，下降减速为额定速度的；

当时，减速到完全停止；

判断点可增减，并可按现场设置为不同值，实现快速平稳落地，防止大冲击导致钢丝绳跳绳；

步骤S3中，具体为：

抓斗要实现沉抓，就必须在闭斗时同步下放起升绳，因为抓斗是靠自重下沉，高度逐渐下降，起升绳会逐渐受力拉紧而阻止抓斗下降；

增加起升绳的两个判断电流和下降速度，其中，；

当起升变频器的输出电流时，说明起升绳正在拉紧，此时由PLC发送速度指令给 变频器，使其控制抓斗以速度下降；

当起升变频器的输出电流时，说明起升绳下放速度不够，其仍然在拉紧，此时由 PLC发送速度指令给变频器，使其控制抓斗以更快的速度下降；

当起升变频器的输出电流时，说明起升绳下放高度合适，并且保持在这个小拉 力使它不至于松弛；

最终达到沉抓时起升绳跟随下降，实现抓斗沉抓，并且保持钢丝绳预紧状态，防止刮断钢丝绳、卷筒乱绳情况；

步骤S4中，负载的均衡或者说电机力矩的均衡，可以直接以电流表达，即变频器输出电流的均衡；

上升过程中，收绳越快，钢丝绳绷紧的越快，通过控制上升速度达到目的；

计算开闭变频器输出电流和起升变频器输出电流的差值并取绝对值：；

以电流差值变小为目标，并以其为反馈进行闭环控制，应用PI比例积分算法自动调 节两个变频器的输出速度；

设定比例参数和积分参数，以为偏差信号，进行起升和开闭的上升速度控制， 最终能使负载均衡在平衡值之内，并且2秒内快速高精度的完成。

2.根据权利要求1所述一种视线不佳环境下的起重机抓斗控制方法，其特征在于，控制抓斗自动完成负载均衡，在闭斗操作时，开闭钢丝绳逐渐绷紧并达到最大拉力，而起升钢丝绳还处于预紧或松弛状态，此时闭斗完成开始起升，必须先将起升钢丝绳绷紧来分担开闭钢丝绳的负载，才能再同步上升。