一种海工升降平台自动调平系统及方法与流程

本发明涉及海工升降平台(liftboat)领域，特别涉及一种海工升降平台自动调平系统及自动调平方法。

背景技术：

现有的海工升降平台(liftboat)采用的是人工手动调平技术，即在多桩联动的升降作业过程中，升降平台(liftboat)倾斜角度值超过限制值，倾斜超限报警，操作人员立即停止升降作业。从多桩联动升降工况切换至单桩升降工况，单独升降在升降过程中速度过慢的桩腿，当平台倾斜角度值调节至允许范围内，人工手动调平完成。从单桩升降工况切换至多桩联动升降工况，操作人员继续进行升降作业。人工手动调平技术存在如下缺点：1、海工升降平台(liftboat)倾斜角度值超过限制值，需要先停止升降作业再进行手动调平操作，手动调平完成后再继续进行升降作业。因此在整个升降过程中，多次的手动调平耗时太多，从而降低了整个升降平台的工作效率。2、人工手动调平需要操作人员先根据倾斜角度值来判断哪个桩腿速度过慢，再来调平过慢桩腿的高度，这样对操作人员的操作能力要求高，可操作性不强。3、调平判断信号仅倾角角度一种单一信号，容易造成判断失误。

技术实现要素：

本发明提供一种操作简单、自动化程度高，同时安全可靠的海工升降平台自动调平系统，海工升降平台(liftboat)在升降过程中，用自动调平技术代替人工手动调平，简化了升降平台的调平操作，提高了操作的安全性，同时也大大提高了升降平台的升降效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的解决方案为：

一种海工升降平台自动调平系统，包括：外围传感器、控制装置、执行元件；所述外围传感器与控制装置、执行元件连接；其特征在于：

所述外围传感器包括倾角传感器、位移传感器；所述倾角传感器实时采集平台的倾斜角度值，所述位移传感器实时采集桩腿位置值，将相应采集数据传输给控制装置；

所述控制装置包括plc控制器、上位机及电子元器件，所述plc控制器分别与上位机、电子元器件相连；plc控制器进行自动调平逻辑运算，输出控制信号，通过电子元器件驱动执行元件；plc控制器与上位机通过以太网连接，将控制器内的相关参数传输给上位机，上位机将相关数据实时显示出来；

所述执行元件提供动力源，通过接收控制装置的控制信号驱动平台桩腿升降。优选地，所述倾角传感器为电压型精度0.01°双轴倾角传感器或通讯型(modbus\can)双轴倾角传感器。

优选地，所述位移传感器为增量型编码器。

优选地，所述plc控制器为西门子s7-300或s7-1500。

所述的海工升降平台自动调平系统的调平方法，其特征在于：

第一步，外围传感器实时采集信号传输给控制装置，倾角传感器实时采集平台的倾斜角度值q，位移传感器实时采集桩腿相对位置值s，传输给控制装置；

第二步，控制装置接收到外围传感器信号进行逻辑运算，将倾角传感器传输过来的倾斜角度值与倾角限制值比较；

第三步，先判断第二步中倾斜角度值q是否失效；倾斜角度值q有效时，倾斜角度值q优先作为自动调平的判断信号；若倾斜角度值q失效时，自动切换用桩腿相对位置值s作为自动调平的判断信号，桩腿相对位置值s为冗余信号；

第四步，第三步倾斜角度值q有效时，升降平台的倾斜角度值大于倾角限制值，平台进入自动调平模式，调用基于pid算法的自动调平模块，调节输出电流或电压信号大小来控制执行元件，执行元件控制桩腿的升降速度来调整平台的倾斜角度；在自动调平的过程中，倾角传感器实时将倾角数据反馈给控制装置；当调整后的升降平台倾斜角度绝对值小于调平停止设定值，控制装置退出自动调平模式，平台按正常升降速度进行升降，所述调平停止设定值根据实际工况设定；

第五步，若第三步倾斜角度值q失效时，自动切换用桩腿相对位置值s作为自动调平的判断信号，桩腿相对位置值s为冗余信号；

第六步，若第五步中的桩腿相对位移最大值与相对位移最小值之差大于调平开始设定值，平台进入自动调平模式，调用基于pid算法的自动调平模块，调节输出电流或电压信号大小来控制执行元件，执行元件控制桩腿的升降速度来调整平台的倾斜角度；在自动调平的过程中，位移传感器实时将桩腿位移数据反馈给控制装置；当所有桩腿实际相对位移值与相对位移最小值小于调平停止设定值，控制系统退出自动调平模式，平台按正常升降速度进行升降，所述调平开始设定值根据实际工况设定，所述调平停止设定值根据实际工况设定。

优选地，所述基于pid算法的自动调平模块，以倾斜角度值q作为判断信号的控制逻辑流程如下：

步骤s001：调速桩腿的确定

根据平台倾斜角度限制值q先确定升降速度过快需要调速的桩腿；如附图3所示，桩腿按顺时针方向分别为桩腿1、2、3、4，qx为x轴倾斜角度值，qy为y轴倾斜角度值，根据桩腿与倾角的关系图，平台上升工况，若qx>倾角限制值q，桩腿2、4上升速度过快；若qx<-倾角限制值q，桩腿1、3上升速度过快；若qy>倾角限制值q，桩腿1、2上升速度过快；若qy<-倾角限制值q，桩腿3、4上升速度过快；平台下降工况，若qx>倾角限制值，桩腿1、3下降速度过快；若qx<-倾角限制值q，桩腿2、4下降速度过快；若qy>倾角限制值q，桩腿3、4下降速度过快；若qy<-倾角限制值q，桩腿1、2下降速度过快；

步骤s002：桩腿速度的自动调节

确定了调速桩腿后，通过pid算法逻辑调节输出的电流或电压控制信号，调速的pid算法公式如下：

ek＝|q实–q目|

式中：

k：pid算法中的采样信号，k＝0,1,2,3,...；

j：pid算法中的采样信号，j＝0,1,2,3,...,k；

uk：第k次采样时刻输出的电流或电压控制信号，用于控制执行元件，如泵、马达、电磁阀、电机等来调节桩腿的升降速度；

ek：第k次采样时刻实际倾角值q实与目标倾角值q目之差的绝对值；

ej：第j次采样时刻实际倾角值q实与目标倾角值q目之差的绝对值；

kp：pid算法中比例系数，根据实际工况设定，初始值kp＝200；

ki：pid算法中积分系数，根据实际工况设定，初始值ki＝1；

kd：pid算法中微分系数，可根据实际工况设定，初始值kd＝1；

q实：实际倾角值；

q目：目标倾角值；

基于pid算法的自动调平模块根据实际倾角值与目标倾角值之差的绝对值ek，实时输出电流或电压控制信号uk，控制执行元件来调节桩腿的升降速度；

步骤s003：退出自动调平模式

升降平台倾斜角度绝对值小于调平停止设定值，所述调平停止设定值可根据实际工况设定，控制系统退出自动调平模式，平台按正常升降速度进行升降。

优选地，所述基于pid算法的自动调平模块，以相对位移值s作为判断信号的控制逻辑流程如下：

步骤t001：进入自动调平模式

实际相对位移值s实与相对位移最小值smin之差ek大于调平开始设定值，平台进入自动调平模式；

步骤t002：桩腿速度的自动调节

以相对位移最小值smin的桩腿为基准，通过pid算法逻辑调节输出的电流或电压控制信号，调速的pid算法公式如下：

ek＝s实–smin

式中：

k：pid算法中的采样信号，k＝0,1,2,3,...；

j：pid算法中的采样信号，j＝0,1,2,3,...,k；

uk：第k次采样时刻输出的电流或电压控制信号，用于控制执行元件，如泵、马达、电磁阀、电机等来调节桩腿的升降速度；

ek：第k次采样时刻桩腿实际相对位移值s实与相对位移最小值smin之差；

ej：第j次采样时刻桩腿实际相对位移值s实与相对位移最小值smin之差；

kp：pid算法中比例系数，根据实际工况设定，初始值kp＝50；

ki：pid算法中积分系数，根据实际工况设定，初始值ki＝1；

kd：pid算法中微分系数，可根据实际工况设定，初始值kd＝1；

s实：桩腿实际相对位移值；

smin：桩腿相对位移最小值；

基于pid算法的自动调平模块根据桩腿实际相对位移值s实与相对位移最小值smin之差ek，实时输出电流或电压控制信号uk，控制执行元件来调节桩腿的升降速度；

步骤t003：退出自动调平模式

所有桩腿实际相对位移值s实与相对位移最小值smin之差小于调平停止设定值，所述调平停止设定值可根据实际工况设定，控制系统退出自动调平模式，平台按正常升降速度进行升降。

本发明自动调平系统的优势在于：

1、海工升降平台(liftboat)在升降作业时，边升降边调平，无缝对接，无须操作人员值守，从而简化了海工升降平台(liftboat)调平操作，操作更加简单，自动化程度高；

2、海工升降平台(liftboat)在升降作业时，无须先停止升降作业再进行调平操作，从而提高了海工升降平台(liftboat)升降效率，节约了成本；

3、平台倾斜角度值始终保持在安全允许的角度范围内，提高了升降系统的安全可靠性。

4、自动调平方法，采用倾斜角度值q和桩腿相对位置值s作为双重自动调平判断信号，倾斜角度值q为优先信号，桩腿相对位置值s为冗余信号。在倾角传感器失效的情况下，海工升降平台还能继续正常升降，极大地提高了控制系统的可靠性。

附图说明：

图1为本发明海工升降平台自动调平系统结构示意图；

图2为本发明海工升降平台自动调平工艺流程图；

图3为本发明海工升降平台自动调平系统中倾角与桩腿关系图；

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1：

如附图1所示，一种海工升降平台自动调平系统，包括：外围传感器、控制装置、执行元件；所述外围传感器与控制装置、执行元件连接；其特征在于：

所述外围传感器包括倾角传感器、位移传感器；所述倾角传感器为电压型精度0.01°双轴倾角传感器，实时采集平台的倾斜角度值，所述位移传感器为增量型编码器，实时采集桩腿位置值，将相应采集数据传输给控制装置；

所述控制装置为门子s7-300或s7-1500plc型号，包括plc控制器、上位机及电子元器件，所述plc控制器分别与上位机、电子元器件相连，电子元器件包括放大板、接触器、继电器；plc控制器进行自动调平逻辑运算，输出控制信号，通过电子元器件驱动执行元件；plc控制器与研华工控机通过以太网连接，将平台倾斜角度、桩腿位移等参数传输给工控机，工控机将相关数据实时显示出来。泵、马达、电磁阀、电机组成动力装置，提供平台升降的动力源，平台升降速度和桩腿的升降速度全部由控制装置控制。

实施例2：

如附图2所示，所述的海工升降平台自动调平系统的调平方法，其特征在于：

第一步，外围传感器实时采集信号传输给控制装置，倾角传感器实时采集平台的倾斜角度值q，位移编码器实时采集桩腿相对位置值s，传输给控制装置；

第二步，控制装置接收到外围传感器信号进行逻辑运算，将倾角传感器传输过来的倾斜角度值与倾角限制值比较；

第三步，先判断第二步中倾斜角度值q是否失效；倾斜角度值q有效时，倾斜角度值q优先作为自动调平的判断信号；若倾斜角度值q失效时，自动切换用桩腿相对位置值s作为自动调平的判断信号，桩腿相对位置值s为冗余信号；

第四步，第三步倾斜角度值q有效时，升降平台的倾斜角度值大于倾角限制值，平台进入自动调平模式，调用基于pid算法的自动调平模块，调节输出电流或电压信号大小来控制执行元件，执行元件控制桩腿的升降速度来调整平台的倾斜角度；在自动调平的过程中，倾角传感器实时将倾角数据反馈给控制装置；当调整后的升降平台倾斜角度绝对值小于调平停止设定值，控制装置退出自动调平模式，平台按正常升降速度进行升降，所述调平停止设定值根据实际工况设定；

第五步，若第三步倾斜角度值q失效时，自动切换用桩腿相对位置值s作为自动调平的判断信号，桩腿相对位置值s为冗余信号；

第六步，若第五步中的桩腿相对位移最大值与相对位移最小值之差大于调平开始设定值，平台进入自动调平模式，调用基于pid算法的自动调平模块，调节输出电流或电压信号大小来控制执行元件，执行元件控制桩腿的升降速度来调整平台的倾斜角度；在自动调平的过程中，位移传感器实时将桩腿位移数据反馈给控制装置；当所有桩腿实际相对位移值与相对位移最小值小于调平停止设定值，控制系统退出自动调平模式，平台按正常升降速度进行升降，所述调平开始设定值根据实际工况设定，所述调平停止设定值根据实际工况设定。

所述第三、第四步中倾斜角度值q作为判断信号，基于pid算法的自动调平模块，控制逻辑流程如下：

步骤s001：调速桩腿的确定

根据平台倾斜角度限制值q先确定升降速度过快需要调速的桩腿；如附图3所示，桩腿按顺时针方向分别为桩腿1、2、3、4，qx为x轴倾斜角度值，qy为y轴倾斜角度值，根据桩腿与倾角的关系图，平台上升工况，若qx>倾角限制值q，桩腿2、4上升速度过快；若qx<-倾角限制值q，桩腿1、3上升速度过快；若qy>倾角限制值q，桩腿1、2上升速度过快；若qy<-倾角限制值q，桩腿3、4上升速度过快；平台下降工况，若qx>倾角限制值，桩腿1、3下降速度过快；若qx<-倾角限制值q，桩腿2、4下降速度过快；若qy>倾角限制值q，桩腿3、4下降速度过快；若qy<-倾角限制值q，桩腿1、2下降速度过快；

步骤s002：桩腿速度的自动调节

若在上升工况情况下，桩腿1、3上升速度过快，则需要调低桩腿1、3的电压或电流；通过pid算法逻辑调节输出的电流或电压控制信号，调速的pid算法公式如下：

ek＝|q实–q目|

式中：

k：pid算法中的采样信号，k＝0,1,2,3,...；

j：pid算法中的采样信号，j＝0,1,2,3,...,k；

uk：第k次采样时刻输出的电流或电压控制信号，用于控制执行元件，如泵、马达、电磁阀、电机等来调节桩腿的升降速度；

ek：第k次采样时刻实际倾角值q实与目标倾角值q目之差的绝对值；

ej：第j次采样时刻实际倾角值q实与目标倾角值q目之差的绝对值；

kp：pid算法中比例系数，根据实际工况设定，初始值kp＝200；

ki：pid算法中积分系数，根据实际工况设定，初始值ki＝1；

kd：pid算法中微分系数，可根据实际工况设定，初始值kd＝1；

q实：实际倾角值；

q目：目标倾角值；

基于pid算法的自动调平模块根据实际倾角值与目标倾角值之差的绝对值ek，实时输出电流或电压控制信号uk，控制执行元件来调节桩腿的升降速度；

步骤s003：退出自动调平模式

升降平台倾斜角度绝对值小于调平停止设定值，所述调平停止设定值可根据实际工况设定，控制系统退出自动调平模式，平台按正常升降速度进行升降。

所述第五步、第六步中以相对位移值s作为判断信号，基于pid算法的自动调平模块，的控制逻辑流程如下：

步骤t001：调速桩腿的确定

若桩腿2、4实际相对位移值s实与相对位移最小值smin之差ek大于调平开始设定值，平台进入自动调平模式；

步骤t002：桩腿速度的自动调节

以相对位移最小值smin的桩腿为基准，通过pid算法逻辑调节输出的电流或电压控制信号，调速的pid算法公式如下：

ek＝s实–smin

式中：

k：pid算法中的采样信号，k＝0,1,2,3,...；

j：pid算法中的采样信号，j＝0,1,2,3,...,k；

uk：第k次采样时刻输出的电流或电压控制信号，用于控制执行元件，如泵、马达、电磁阀、电机等来调节桩腿的升降速度；

ek：第k次采样时刻桩腿实际相对位移值s实与相对位移最小值smin之差；

ej：第j次采样时刻桩腿实际相对位移值s实与相对位移最小值smin之差；

kp：pid算法中比例系数，根据实际工况设定，初始值kp＝50；

ki：pid算法中积分系数，根据实际工况设定，初始值ki＝1；

kd：pid算法中微分系数，可根据实际工况设定，初始值kd＝1；

s实：桩腿实际相对位移值；

smin：桩腿相对位移最小值；

基于pid算法的自动调平模块根据桩腿实际相对位移值s实与相对位移最小值smin之差ek，实时输出电流或电压控制信号uk，控制执行元件来调节桩腿的升降速度；

步骤t003：退出自动调平模式

所有桩腿实际相对位移值s实与相对位移最小值smin之差小于调平停止设定值，所述调平停止设定值可根据实际工况设定，控制系统退出自动调平模式，平台按正常升降速度进行升降。

以上对本发明所提供的一种海工升降平台自动调平系统及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。