CN205204701U - 卷缆控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了卷缆控制系统。该卷缆控制系统包括：编码器、加速度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和控制器。编码器将测量的卷扬旋转的角度值传输至控制器；加速度传感器将测量的车辆行驶的加速度传输至控制器；第一压力传感器将测量的马达第一油口的第一压力传输至控制器；第二压力传感器将测量的马达第二油口的第二压力传输至控制器；控制器输出调节信号至液压控制装置，调节液压控制装置输出液压油的流量与压力，从而可以调节马达转速及背压，消除电缆张力波动现象，保证车辆行驶过程中电缆张力恒定，实现卷缆收放与车速同步，提高电缆使用安全性和使用寿命。

Description

卷缆控制系统

技术领域

本实用新型涉及机械工程领域，特别涉及卷缆控制系统。

背景技术

电力牵引工程车辆多用于矿山工程和隧道工程，其具有环境适应性强、噪声低、零排放、使用及维护成本低、设备利用率及作业效率高等诸多优点，因此在各类矿山中得到广泛使用，并为企业赢得了良好的经济效益。

电力牵引工程车辆的动力源来自高压供电，工作过程中需拖动电缆行走，卷缆收放与车速同步技术是其关键核心技术。

卷缆收放与车速同步具有以下作用：一是保证电缆收放跟随车体移动；二是降低电缆破损率及安全隐患。由于工作环境恶劣，电缆长期拖拽与剐蹭，很容易损坏。电缆张力控制极为重要，电缆张力过大，则容易拉伸变形甚至扯断；电缆张力过小，则容易松动打结甚至遭到碾压；电缆张力波动较大，则会加剧电缆的甩动与磨损。

实用新型内容

本实用新型需要解决的一个问题是：卷缆在收缆或放缆过程中电缆张力不恒定。

根据本实用新型的第一方面，提供了一种卷缆控制系统，包括：编码器、加速度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和控制器；所述编码器、所述加速度传感器、所述第一压力传感器和所述第二压力传感器分别与所述控制器电连接；其中，所述编码器将测量的卷扬旋转的角度值传输至控制器；所述加速度传感器将测量的车辆行驶的加速度传输至所述控制器；所述第一压力传感器将测量的马达第一油口的第一压力传输至所述控制器；所述第二压力传感器将测量的马达第二油口的第二压力传输至所述控制器；所述控制器输出调节信号至液压控制装置，调节所述液压控制装置输出液压油的流量与压力。

进一步，所述编码器安装在卷扬上。

进一步，所述加速度传感器安装在车辆上。

进一步，所述第一压力传感器安装在马达的第一油路上；所述第二压力传感器安装在马达的第二油路上。

进一步，所述第一油口为所述马达的进油油口；所述第二油口为所述马达的出油油口。

进一步，所述控制器与所述液压控制装置电连接。

进一步，所述控制器为可编程逻辑控制器。

本实用新型的卷缆控制系统可以调节马达转速及背压，消除电缆张力波动现象，保证车辆行驶过程中电缆张力恒定，实现卷缆收放与车速同步，提高电缆使用安全性和使用寿命。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本实用新型的实施例，并且连同说明书一起用于解释本实用新型的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本实用新型，其中：

图1是示意性地示出根据本实用新型一些实施例的卷缆控制系统的结构图。

图2是示意性地示出根据本实用新型一些实施例的卷缆控制系统的控制过程的示意图。

图3是示出根据本实用新型一些实施例的卷缆控制方法的流程图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1是示意性地示出根据本实用新型一些实施例的卷缆控制系统的结构图。如图1所示，卷缆控制系统10包括：编码器11、加速度传感器12、第一压力传感器13、第二压力传感器14和控制器(例如可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController，PLC))15。图1中的虚线表示电连接。如图1所示，编码器11、加速度传感器12、第一压力传感器13和第二压力传感器14分别与控制器15电连接。控制器15与液压控制装置17电连接。液压控制装置17与马达16通过油路连接。

其中，编码器11将测量的卷扬旋转的角度值传输至控制器15；加速度传感器12将测量的车辆行驶的加速度传输至控制器15；第一压力传感器13将测量的马达第一油口的第一压力传输至控制器15；第二压力传感器14将测量的马达第二油口的第二压力传输至控制器15；控制器15输出调节信号至液压控制装置17，调节液压控制装置17输出液压油的流量与压力。从而调节马达转速及背压，消除电缆张力波动现象，保证车辆行驶过程中电缆张力恒定，实现卷缆收放与车速同步，提高电缆使用安全性和使用寿命。

在一些实施例中，编码器11(例如绝对式编码器)安装在卷扬18上，测量卷扬旋转的角度值θ，并将该角度值θ传输至控制器15。

在一些实施例中，加速度传感器12安装在车辆(图1中未示出)上，测量车辆行驶的加速度a，并将该加速度a传输至控制器15。

在一些实施例中，第一压力传感器13安装在马达16的第一油路21上，测量马达第一油口A的第一压力P₁，并将该第一压力P₁传输至控制器15。例如，该第一油口A可以为马达的进油油口。

在一些实施例中，第二压力传感器14安装在马达16的第二油路22上，测量马达第二油口B的第二压力P₂，并将该第二压力P₂传输至控制器15。例如，该第二油口B可以为马达的出油油口。

在一些实施例中，控制器15根据角度值θ和加速度a获得期望的马达压差P_期望，并输出调节信号至液压控制装置，调节液压控制装置输出液压油的流量与压力，使得实际的马达压差P_实际基本等于期望的马达压差P_期望。其中，马达压差为第一压力P₁减去第二压力P₂的差值。这里，可以定义误差Δ为上述“基本”是指调节马达压差时的误差Δ在允许的范围内，例如-5％≤Δ≤5％。优选地，控制器输出调节信号至液压控制装置，调节液压控制装置输出液压油的流量与压力，使得实际的马达压差P_实际等于期望的马达压差P_期望。

在上述实施例中，控制器根据从编码器获得的角度值和从加速度传感器获得的加速度得到期望的马达压差，并输出调节信号至液压控制装置，调节液压控制装置输出液压油的流量与压力，使得实际的马达压差P_实际基本等于期望的马达压差P_期望，从而调节马达转速及背压，消除电缆张力波动现象，保证车辆行驶过程中电缆张力恒定，实现卷缆收放与车速同步，提高电缆使用安全性和使用寿命。

收缆过程电缆张力主要依靠马达调速保证，收缆时适当调节马达背压，有助于稳定电缆张力；放缆过程电缆张力主要依靠马达背压保证。例如，收缆过程，马达第一油口A吸油，第二油口B排油，在第二油口B所在的第二油路设置背压；放缆过程，马达反转，以泵形式工作，马达第二油口B吸油，第一油口A排油，在第一油口A所在第一油路设置背压。

图2是示意性地示出根据本实用新型一些实施例的卷缆控制系统的控制过程的示意图。

如图2所示，卷缆控制的模型为：e_P＝P₀+P_R+P_a-P_实际。其中，e_P为期望的马达压差与实际的马达压差的差值；P₀为卷扬空盘时的马达压差，可以预先设定，为正值，其对应合适的电缆张力值；P_R为卷扬半径的变化对马达压差的第一影响压力值，表示卷扬半径变化对应马达压差的影响关系，为正值；P_a为车速变化对马达压差的第二影响压力值，表示车速变化对马达压差的影响关系，加速收缆或减速放缆P_a为正值，加速放缆或减速收缆P_a为负值；P_实际为实际的马达压差，即马达进出口实际压差，为正值。

若要保证卷缆收放与车速同步，则需要保证电缆张力恒定；根据上述卷缆控制模型，以马达压差误差e_P作为控制器15输入驱动，控制对象是液压控制装置17，控制手段是对马达调速和设置背压，控制目标是使e_P趋于零值，即使得实际的马达压差P_实际基本等于期望的马达压差P_期望，从而电缆张力保持恒定。

由e_P＝P_期望-P_实际＝P₀+P_R+P_a-P_实际得，P_期望＝P₀+P_R+P_a。在本实用新型的实施例中，控制器根据角度值θ、卷扬规格尺寸和电缆直径D获得卷扬半径的变化对马达压差的第一影响压力值P_R，根据加速度a获得车速变化对马达压差的第二影响压力值P_a；以及根据第一影响压力值P_R和第二影响压力值P_a获得期望的马达压差P_期望为P_期望＝P₀+P_R+P_a，其中P₀为卷扬空盘时的马达压差。因此控制器调节液压控制装置输出液压油的流量与压力，使得实际的马达压差P_实际基本等于期望的马达压差P_期望＝P₀+P_R+P_a来实现电缆张力恒定。

在本实用新型的实施例中，控制器根据角度值θ计算得到电缆缠绕总圈数N为其中表示对取整数；根据电缆缠绕总圈数N以及卷扬缠绕电缆的每层圈数N₀计算得到电缆缠绕的层数M为以及根据电缆缠绕的层数M、电缆直径D、卷扬空盘时的半径R₀以及卷扬空盘时的马达压差P₀计算得到第一影响压力值P_R为其中，卷扬规格尺寸包括：卷扬缠绕电缆的每层圈数N₀和卷扬空盘时的半径R₀。这里，卷扬空盘即为电缆全放出时的状态。

在该实施例中，对取整数，得到实施缠绕总圈数N，根据卷扬规格尺寸，一层可以卷绕N₀圈电缆，则等于缠绕层数M，则卷扬半径R＝M×D+R₀，其中，D为电缆直径，R₀为卷扬空盘时的半径，即卷筒半径。因此可以得到卷扬半径，计算预定时间段内的多个卷扬半径，即可以得到卷扬半径的变化。

通过卷扬半径、马达压差和马达排量所反映的电缆张力情况为其中为η_m为马达机械效率，例如，η_m的取值范围为0.7至0.9，马达压差单位可以为Pa(帕)，马达排量单位可以为m³/r(立方米/转)，卷扬半径单位可以为m(米)，电缆张力单位可以为N(牛)。令 $k_1=\frac{{\mathrm{\η}}_m}{2\mathrm{\π}},$ 则这里马达排量恒定。因此若要保持电缆张力恒定，需要恒定，因此需要恒定，这里P_卷扬＝P₀+P_R为卷扬半径为R时所对应的马达压差，P_R＝K_P×P₀为卷扬半径的变化对马达压差的第一影响压力值，ΔR＝K_R×R₀为卷扬半径的变化，K_P和K_R分别为比例系数，随着卷扬半径或电缆缠绕层数的变化而变化。若K_P＝K_R＝K_N，则即可以保持恒定。若电缆缠绕层数为M，则卷扬半径的变化为ΔR＝K_N×R₀＝R-R₀＝M×D，则 $K_N=\frac{M\×D}{R_0},$ 则 $P_R=K_N\×P_0=\frac{M\×D}{R_0}\×P_0.$

在本实用新型的实施例中，控制器根据加速度a计算得到第二影响压力值P_a为P_a＝k×a；其中，k为第二影响压力值与加速度之间的比例系数。本领域技术人员可以理解，k值可以根据实际系统特性进行标定得到，或者也可以根据有限次实际测试得到。在一些实施例中，k值可以为大于0的任意实数，根据实际测试标定，例如k值可以为1000、600、50、2、0.1、0.05、0.003等。

在一些实施例中，控制器可以根据卷扬的加速收缆状态或减速放缆状态确定第二影响压力值P_a为正值，可以根据卷扬的加速放缆状态或减速收缆状态确定第二影响压力值P_a为负值。

在一些实施例中，控制器可以根据编码器测量的实时角度值逐渐增大判断卷扬为收缆状态，可以根据编码器测量的实时角度值逐渐减小判断卷扬为放缆状态。

在一些实施例中，控制器可以根据加速度为正值判断车辆加速行驶，根据加速度为负值判断车辆减速行驶，以确定卷扬收缆或放缆时为加速或减速。在另一些实施例中，控制器还可以根据加速度为零值确定车辆匀速行驶或停车。

在本实用新型中，可以根据当前卷扬半径、马达压差、车速状况，采用PID(ProportionIntegrationDifferentiation，比例积分微分)控制算法，系统快速响应，调节液压控制装置输出的液压油的流量与压力，实现对卷缆马达的调速与背压设置，使马达压差能够适应卷扬半径及车速变化，从而保证电缆张力恒定，即卷缆收放与车速保持同步。

图3是示出根据本实用新型一些实施例的卷缆控制方法的流程图。

在步骤S31，实时获取卷扬当前的工作状况以及当前实际的马达压差。

在步骤S32，根据卷扬当前的工作状况计算当前期望的马达压差。

在步骤S33，调节驱动马达的液压油的流量与压力，使得当前实际的马达压差基本等于当前期望的马达压差。这里，“基本”是指调节马达压差时的误差Δ在允许的范围内，例如-5％≤Δ≤5％。优选地，调节液压控制装置输出液压油的流量与压力，使得实际的马达压差P_实际等于期望的马达压差P_期望。

在该实施例中，通过实时获取卷扬当前的工作状况以及当前实际的马达压差，以控制调节驱动马达的液压油的流量与压力，使得当前实际的马达压差基本等于当前期望的马达压差，从而调节马达转速及背压，消除电缆张力波动现象，保证车辆行驶过程中电缆张力恒定，实现卷缆收放与车速同步，提高电缆使用安全性和使用寿命。

在本实用新型的实施例中，实时获取卷扬当前的工作状况以及当前实际的马达压差的步骤包括：获得卷扬旋转的角度值θ、车辆行驶的加速度a、马达第一油口的第一压力P₁以及马达第二油口的第二压力P₂，其中，马达压差为第一压力P₁减去第二压力P₂的差值。根据卷扬当前的工作状况计算当前期望的马达压差的步骤包括：根据角度值θ和加速度a获得期望的马达压差P_期望。

在本实用新型的实施例中，根据角度值θ和加速度a获得期望的马达压差P_期望的步骤包括：根据角度值θ、卷扬规格尺寸和电缆直径D获得卷扬半径的变化对马达压差的第一影响压力值P_R，根据加速度a获得车速变化对马达压差的第二影响压力值P_a；以及根据第一影响压力值P_R和第二影响压力值P_a获得期望的马达压差P_期望为P_期望＝P₀+P_R+P_a，其中P₀为卷扬空盘时的马达压差。

在本实用新型的实施例中，根据角度值θ、卷扬规格尺寸和电缆直径D获得卷扬半径的变化对马达压差的第一影响压力值P_R的步骤包括：根据角度值θ计算得到电缆缠绕总圈数N为其中表示对取整数；根据电缆缠绕总圈数N以及卷扬缠绕电缆的每层圈数N₀计算得到电缆缠绕的层数M为以及根据电缆缠绕的层数M、电缆直径D、卷扬空盘时的半径R₀以及卷扬空盘时的马达压差P₀计算得到第一影响压力值P_R为其中，卷扬规格尺寸包括：卷扬缠绕电缆的每层圈数N₀和卷扬空盘时的半径R₀。

在本实用新型的实施例中，根据加速度a获得车速变化对马达压差的第二影响压力值P_a的步骤包括：根据加速度a计算得到第二影响压力值P_a为P_a＝k×a；其中，k为第二影响压力值与加速度之间的比例系数。本领域技术人员可以理解，k值可以根据实际系统特性进行标定得到，或者也可以根据有限次实际测试得到。在一些实施例中，k值可以为大于0的任意实数，根据实际测试标定，例如k值可以为1000、600、50、2、0.1、0.05、0.003等。

在一些实施例中，根据加速度a获得车速变化对马达压差的第二影响压力值P_a的步骤还可以包括：根据卷扬的加速收缆状态或减速放缆状态确定第二影响压力值P_a为正值，根据卷扬的加速放缆状态或减速收缆状态确定第二影响压力值P_a为负值。

在一些实施例中，根据卷扬的加速收缆状态或减速放缆状态确定第二影响压力值P_a为正值，根据卷扬的加速放缆状态或减速收缆状态确定第二影响压力值P_a为负值的步骤包括：根据编码器测量的实时角度值逐渐增大判断卷扬为收缆状态，根据编码器测量的实时角度值逐渐减小判断卷扬为放缆状态；以及根据加速度为正值判断车辆加速行驶，根据加速度为负值判断车辆减速行驶，以确定卷扬收缆或放缆时为加速或减速。在另一些实施例中，还可以根据加速度为零值确定车辆匀速行驶或停车。

本实用新型的卷缆控制方法可以有效保证卷缆收放与车速同步，且能够提高电缆使用安全性与使用寿命，系统可靠，通用性强，具有一定的经济效益与社会效益。

至此，已经详细描述了本实用新型。为了避免遮蔽本实用新型的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种卷缆控制系统，其特征在于，包括：

编码器、加速度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和控制器；

所述编码器、所述加速度传感器、所述第一压力传感器和所述第二压力传感器分别与所述控制器电连接；

其中，所述编码器将测量的卷扬旋转的角度值传输至控制器；所述加速度传感器将测量的车辆行驶的加速度传输至所述控制器；所述第一压力传感器将测量的马达第一油口的第一压力传输至所述控制器；所述第二压力传感器将测量的马达第二油口的第二压力传输至所述控制器；所述控制器输出调节信号至液压控制装置，调节所述液压控制装置输出液压油的流量与压力。

2.根据权利要求1所述卷缆控制系统，其特征在于，

所述编码器安装在卷扬上。

3.根据权利要求1所述卷缆控制系统，其特征在于，

所述加速度传感器安装在车辆上。

4.根据权利要求1所述卷缆控制系统，其特征在于，

所述第一压力传感器安装在马达的第一油路上；

所述第二压力传感器安装在马达的第二油路上。

5.根据权利要求1所述卷缆控制系统，其特征在于，

所述第一油口为所述马达的进油油口；

所述第二油口为所述马达的出油油口。

6.根据权利要求1所述卷缆控制系统，其特征在于，

所述控制器与所述液压控制装置电连接。

7.根据权利要求1所述卷缆控制系统，其特征在于，

所述控制器为可编程逻辑控制器PLC。