一种波浪补偿起重机的电气系统的制作方法

本发明涉及海上起重机领域，尤其涉及对海上起重机进行波浪补偿处理的电气系统。

背景技术：

普通的液压驱动海上起重机的起升机构配备的是普通液压比例阀与液压马达实现液压系统，此系统为液压流量耦合系统，电气通过可编程逻辑控制器(PLC)输出控制信号给比例阀的放大器，转换到比例阀流到液压马达的流量来控制机构的转速。此套方案能够满足普通海上起重机的使用要求，但是液压马达的转速精度和瞬时加速度较差，无法满足波浪补偿起重机的严格要求。

技术实现要素：

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种波浪补偿起重机的电气系统，转速控制精准，瞬时响应性能高，安全保护功能可以满足规范要求。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种波浪补偿起重机的电气系统，包括动力控制与保护装置、起升机构控制装置、回转变幅机构控制装置、以及起重机保护装置，其中动力控制保护装置实现起重机的液压油泵的启动和保护以及起重机的照明和控制系统的配电，起升机构控制装置在波浪补偿运行时实现满足波浪补偿的马达运动控制，回转变幅机构控制装置实现对起重机的液压油缸和回转机构马达的运动控制，起重机保护装置通过配备机构行程限位保护功能和力矩保护功能实现对起重机的保护。

根据本发明的波浪补偿起重机的电气系统的一实施例，动力控制与保护装置包括串联连接的进线主断路器、第一保护断路器、快速熔断器、软启动器、油泵电机元件，其中进线主断路器用于短路保护，第一保护断路器用于对油泵电机元件的短路和过载保护，快速熔断器用于保护软启动器，软启动器用于实现油泵电机元件的斜坡启动。

根据本发明的波浪补偿起重机的电气系统的一实施例，动力控制与保护装置还包括起重机的液压冷却风机的保护和启动控制组件，起重机的液压油箱加热器的保护和启动控制组件，串联连接的保护变压器的第二保护断路器、用于生成照明用电和控制用电的照明变压器、和输出开关，串联连接的控制隔离变压器的第三保护断路器、用于产生隔离的控制电的隔离变压器，用电设备上的微型断路器。

根据本发明的波浪补偿起重机的电气系统的一实施例，动力控制与保护装置还包括为可编程逻辑控制器提供控制电源的第一开关电源及其微型断路器、为比例阀提供电源的第二开关电源及其微型断路器、为电磁阀提供电源的第三开关电源及其微型断路器。

根据本发明的波浪补偿起重机的电气系统的一实施例，起升机构控制装置包括起升机构控制手柄、安装在起升机构卷轴同轴的卷筒绝对值编码器、起升限位器、运动参考单元、可编程逻辑控制器、液压二次马达控制器、第一起升机构放大器、第二起升机构放大器、第一马达、第二马达，其中起升机构控制手柄的输出端连接可编程逻辑控制器，卷筒绝对值编码器、起升限位器、和运动参考单元的输出端连接可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器的输出端连接液压二次马达控制器，液压二次马达控制器的两个输出端分别通过第一起升机构放大器和第二起升机构放大器连接第一马达和第二马达，卷筒绝对值编码器连续反馈起升机构卷筒的旋转圈数和当前圈数内的角度位置，起升限位器用于对起升高度进行限制，液压二次马达控制器用于实现马达的转速控制和力矩控制，运动参考单元用于测量出波浪信号后发送给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器通过波浪补偿算法计算出马达速度期望值，液压二次马达控制器将电信号通过第一起升机构放大器和第二起升机构放大器的放大后控制第一马达和第二马达的运作。

根据本发明的波浪补偿起重机的电气系统的一实施例，第一马达中包括第一比例阀元件、第一转速信号元件、第一摆角信号元件，第二马达中包括第二比例阀元件、第二转速信号元件、第二摆角信号元件；

第一起升机构放大器的比例阀电流信号传送到第一比例阀元件，第一摆角信号元件将第一马达的摆角的变化反馈回二次马达控制器，用以实现对第一马达的摆角位置的修正，第一转速信号元件反馈回二次马达控制器以使其动态调整摆角信号以追踪速度；

第二起升机构放大器的比例阀电流信号传送到第二比例阀元件，第二摆角信号元件将第二马达的摆角的变化反馈回二次马达控制器，用以实现对第二马达的摆角位置的修正，第二转速信号元件反馈回二次马达控制器以使其动态调整摆角信号以追踪速度。

根据本发明的波浪补偿起重机的电气系统的一实施例，回转变幅机构控制装置包括回转变幅控制手柄、变幅绝对值编码器、回转绝对值编码器、可编程逻辑控制器、第一普通放大器、第二普通放大器、变幅油缸比例阀、回转马达比例阀、变幅油缸和回转马达，其中回转变幅控制手柄输出的幅度和方向信号传输至可编程逻辑控制器，安装在臂架铰点的变幅绝对值编码器读取变幅的角度并输出至可编程逻辑控制器，回转绝对值编码器采集回转机构的运行角度并输出至可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器在收到信号后进行保护逻辑信号判断再送入第一普通放大器和第二普通放大器，经第一普通放大器将信号转换为驱动比例阀的大电流信号后再传输至变幅油缸比例阀，经第二普通放大器将信号转换为驱动比例阀的大电流信号后再传输至回转马达比例阀，变幅油缸比例阀根据得到的电流方向和大小调节多路阀中对应变幅机构的液压油路，使得变幅油缸进行动作，回转马达比例阀改变回转马达的液压油流量和流向从而控制回转马达的运行。

根据本发明的波浪补偿起重机的电气系统的一实施例，在起重机保护装置中，在副臂架上安装销轴式重量传感器，卷筒绝对值编码器安装在副臂架和主臂架之间，变幅绝对值编码器和回转绝对值编码器安装在主臂架和回转机构之间，销轴式重量传感器、卷筒绝对值编码器、变幅绝对值编码器和回转绝对值编码器输出的信号通过力矩限制的处理，检测起重机的幅度和载重量。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明的电气系统包括动力控制与保护装置、起升机构控制装置、回转变幅机构控制装置、以及起重机保护装置，其中动力控制保护装置实现起重机的液压油泵的启动和保护以及起重机的照明和控制系统的配电，起升机构控制装置在波浪补偿运行时实现满足波浪补偿的马达运动控制，回转变幅机构控制装置实现对起重机的液压油缸和回转机构马达的运动控制，起重机保护装置通过配备机构行程限位保护功能和力矩保护功能实现对起重机的保护。可以在起升机构配置液压二次马达的情况下，提供满足转速控制精准、瞬时响应性能高的波浪补偿起重机的电气系统，同时其安全保护功能满足船级社规范要求。

附图说明

图1示出了本发明的动力控制与保护装置的原理图。

图2示出了本发明的起升机构控制装置的原理图。

图3示出了本发明的回转变幅机构控制装置的原理图。

图4示出了本发明的起重机保护装置的原理图。

具体实施方式

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

本发明的波浪补偿起重机的电气系统包括动力控制与保护装置、起升机构控制装置、回转变幅机构控制装置、以及起重机保护装置。动力控制保护装置实现起重机的液压油泵的启动和保护以及起重机的照明和控制系统的配电，起升机构控制装置在波浪补偿运行时实现满足波浪补偿的马达运动控制，回转变幅机构控制装置实现对起重机的液压油缸和回转机构马达的运动控制，起重机保护装置通过配备机构行程限位保护功能和力矩保护功能实现对起重机的保护。

图1示出了动力控制保护装置的原理。请参见图1，主要实现液压油泵的启动和保护，以及照明和控制系统的配电。在电路上，电源连接到油泵电机元件的第一保护断路器，然后经过快速熔断器，接下来到达软启动器，最后连接到油泵电机元件上，用来启动液压系统的油泵电机。此外，液压系统的油箱蝶阀信号，过滤器报警信号，输出口压力信号都连接到可编程逻辑控制器(PLC)中，当检测到液压系统故障时切断油泵电机电源。进线主断路器101主要用来短路保护，主要考核短路分断能力，同时长延时保护在正常工作时不能跳脱。

亦即，在动力控制保护装置中使用了断路器、快速熔断器和软启动器顺序连接来控制液压油泵电机，液压油温信号、油位信号、和油箱蝶阀信号连接入PLC。

第一保护断路器102为油泵电机元件108的保护断路器，进行短路和过载保护，快速熔断器106是用来保护软启动器107的晶闸管，软启动器107用来实现油泵电机元件108的斜坡启动，减少启动时的机械冲击和对电网的短时高电流要求。此外液压油箱的油温和液位信号以及输出的压力信号也被采集到PLC，当发现液压系统系统故障时，PLC会切断软启动器107的控制信号，油泵电机元件108随之停止运行。断路器103、接触器109、电机元件110组成起重机的液压冷却风机的保护和启动组件。断路器104、接触器111、加热器112组成液压油箱加热器的保护和启动控制组件。220V变压器的保护断路器105，用来生成220V照明用电和控制用电的380/220V的照明变压器113，串联输出开关114。220V用电设备的微型断路器117～121，用来做照明、加热器、司机室等配电。控制隔离变压器116的保护断路器115，串联控制用来产生经过隔离的220V控制电的隔离变压器116。24V直流开关电源的保护微型断路器122～124，分别串联给PLC提供控制电源的开关电源125，为给比例阀提供电源的开关电源126，给电磁阀提供电源的开关电源127。

图2示出了起升机构控制装置的原理。本发明的起重机的起升机构配备了二次马达，电气系统需要连接二次马达的高频比例阀到专用比例阀放大器，而比例阀放大器受到液压二次马达控制器205(即HNC控制器205)的控制，然后在把二次马达的转速、摆角信号输入到HNC控制器205中。在波浪补偿运行时，运动参考单元211会把波浪的信息传送给PLC204，PLC204结合手柄信号再传递到HNC控制器205实现满足波浪补偿的马达运动控制。

请参见图2，起升机构控制手柄201，司机操作手柄的幅度和方向信号会进入PLC204，而PLC204在收到手柄信号后还需要结合保护逻辑信号判断后通过Profibus现场总线输出给HNC控制器205。安装在起升机构卷筒同轴的卷筒绝对值编码器202，卷筒绝对值编码器202能够连续反馈旋转的圈数和当前圈数内的角度位置，这样可以用来计算钢丝绳放出的长度即吊钩的高度。起升限位器203为直接的起升高度限位，防止意外的情况下吊钩意外上升撞击到机械结构上。HNC控制器205是液压二次马达21a和21b的专用控制器，能够实现液压马达21a和21b的精确的转速控制和力矩控制，通过配置参数能够限制二次马达21a和21b的超范围输出，对液压系统压力造成的影响也能够自行进行补偿。而二次马达21a和21b为输出力矩型的马达，斜盘的摆角信号即为输出扭矩的大小，相当于汽车的油门大小，只要一直大油门输出，则汽车的速度一直会上升。所以当需要精确的速度输出时，必须通过速度传感器把速度信号传送给HNC控制器205，当速度达到期望值时需要减小摆角直至加速度为0。所以整个二次马达的控制流程为，运动参考单元211测量出波浪信号后发送到PLC204，HNC控制器205接收PLC204发出经过波浪补偿算法后的马达速度期望值，把电信号发送给专用放大器206与207，其各自连接到二次马达的比例阀208a和208b。以二次马达21a为例，放大器206的比例阀电流信号传送到比例阀208a，随之马达的摆角进行变化，输出转矩产生变化。同时二次马达的摆角信号元件210a会反馈回HNC控制器205，用来实现摆角位置的精确修正，另外二次马达的转速信号元件209a也会反馈回HNC控制器205，HNC控制器205会利用此信号动态调整摆角信号以追踪速度。同理，另一个二次马达21b中，放大器207的比例阀电流信号传送到比例阀208b，随之马达的摆角进行变化，输出转矩产生变化。同时二次马达的摆角信号元件210b会反馈回HNC控制器205，用来实现摆角位置的精确修正，另外二次马达的转速信号元件209b也会反馈回HNC控制器205，HNC控制器205会利用此信号动态调整摆角信号以追踪速度。

亦即，在起升机构控制单元中，运动参考单元211使用RS232连接到PLC204，然后PLC204通过Profibus现场总线通讯连接HNC控制器205，然后HNC控制器205连接专用放大器206和207，专用放大器206和207再连接液压二次马达比例阀208a和208b，同时二次马达的速度和摆角反馈回HNC控制器205。在起升机构卷筒上配置来卷筒绝对值编码器202，在起升吊钩靠近机械结构处安装了起升限位器203。

图3示出了本发明的回转变幅机构控制装置的原理。电气系统PLC304采集回转变幅控制手柄301的输入信号，经过保护逻辑的处理之后，输出控制信号给变幅油缸309和回转马达310的液压比例阀307和308，调节流向液压变幅油缸309和回转马达310的液压油的流量和流向，从而实现两机构309和310的运动控制。

请参见图3，对于回转变幅控制手柄301，司机操作手柄的幅度和方向信号会进入PLC304，PLC304在收到手柄信号后还需要结合保护逻辑信号判断后才输出给普通放大器305和306。变幅的角度由安装在臂架铰点的变幅绝对值编码器302读取，防止变幅油缸过度收缩和过度伸长。如果检测在允许的工作角度范围内，PLC304输出信号到普通放大器305，普通放大器305把普通信号转换为驱动比例阀的大电流传送给变幅油缸比例阀307。变幅油缸比例阀307根据得到的电流方向和大小调节多路阀中对应变幅机构的液压油路，使得变幅油缸309进行动作。同理，回转绝对值编码器303采集回转机构的运行角度，在逻辑判断保护之后，PLC4才输出信号到普通放大器306，普通放大器306把驱动比例阀的大电流信号给回转马达比例阀308，而回转马达比例阀308改变回转马达310的液压油流量和流向，控制机构310的运行。

亦即，在回转变幅机构控制单元中，PLC304接收回转变幅控制手柄301的信号，然后通过PLC304模拟量输出模块连接到普通放大器305和306，普通放大器305和306连接到回转变幅机构对应的多路阀的比例阀307和308的线圈上。同时变幅机构和回转结构的相对运动处安装了变幅绝对值编码器302，回转结构和起重机基座的相对运动处安装了回转绝对值编码器303。

图4示出了本发明的起重机保护装置的原理。为了满足船级社对于海上起重机的安全要求，配备机构行程限位保护功能，力矩保护功能。对于其中机构配置卷筒绝对值编码器202来计算卷筒钢丝绳的位置，并配置起升限位器203。对于变幅油缸309和回转马达310同样配置变幅绝对值编码器302和回转绝对值编码器303用来检测变幅角度和回转角度。

请参见图4，先介绍起重机的结构，包括起重机的基座407、司机室408，在起重机回转结构403上安置了起升机构卷筒406。变幅机构第一段结构为主臂架409，变幅机构的第二段结构为副臂架410，两段臂架都靠液压油缸控制，此外还包括吊钩411。臂架铰点安装的绝对值编码器401和402用来检测臂架结构与起重机主结构之间的相对运动角度，防止臂架过度运行，同时角度值也被实时读入传送到力矩限制系统。起升机构卷筒的绝对值编码器405用来记录卷筒运行的圈数和角度，这样能够计算钢丝绳的出绳量和钩头的高度。安装在起重机基座内的绝对值编码器404用来检测回转结构相对起重机基座的角度，一般用来指示，如回转动作可能造成干涉的情况，可以用来限制回转机构动作起升机构的重量传感器412通过几个滑轮的布置，该受力点的受力只与吊钩上的重量有关，与角度无关。起升的极限限位装置403防止在起升编码器保护失效的情况下，钩头意外撞击机械结构。上述的绝对值编码器401、402、和重量传感器412为起重机力矩限制系统的输入信号，在系统内与机械设计提供的吊载曲线图表进行匹配，计算得出当前幅度下允许的载重量，如果实际的载重量超过允许载重量则会进行超载报警。按照相关的规范，其过载报警值设置在110％。

亦即，在起重机保护装置中，在副臂架410上安装了销轴式重量传感器412，在副臂架410与主臂架409之间安装绝对值编码器，主臂架409与回转结构之间安装绝对值编码器。这些信号均被连接到力矩限制系统中，用来检测起重机幅度和载重量。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。