专利名称：抓斗式卸船机自动抛取料控制设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种抓斗式卸船机自动抛取料控制设备。
背景技术：
目前全球经济形势严峻，国家在大力倡导节能减排的主张，随着人力成本越来越高，各大企业都在提高设备自动化程度，减少岗位人员，因此来降低生产成本，所以无人操作全自动产品倍受青睐。在钢铁行业尤其如此。中国的钢铁企业中向来是员工众多，通常一个岗位都是几个人，人力成本压力很大。作为钢铁企业的重要生产设备，桥式抓斗卸船机是散货码头生产作业的主要机械。抓斗卸船机在作业过程中，由于小车的加减速和负载的提升动作以及外界因素引起的扰动等会引起抓斗的来回摆动，这不但增加了事故发生的可能性，而且严重影响了生产作业效率的提高。因此迫切要求研究桥式起重机的自动控制设备，以解决对操作员经验的过分依赖性，从而大幅度的提高工作效率。其中，卸船机自动作业控制设备的核心问题就是小车的定位和负载防摆控制的研究。但是电子防摇和抓斗卸船机半自动作业控制设备核心技术一直是掌握在外方手中，而且不作为软件单独出售，只随硬件配套销售，造成抓斗卸船机电控部分价格昂贵。因此对电子防摇进行研究，开发具有自主知识产权的抓斗卸船机半自动作业控制设备就显得十分必要了。
实用新型内容本实用新型实现一种抓斗式卸船机自动抛取料控制设备，具有电子防摇控制功能，有效解决起重机起升载荷在运行过程中摇摆的问题，从而的节省大量人力成本，同时实现抓斗卸船机的半自动作业控制，从而大幅度提高生产效率，降低生产成本，并且也会是人身伤亡的重大安全事故率大幅度降低。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是该抓斗式卸船机自动抛取料控制设备由CPU电路、总线接口电路、总线解码电路、起升编码器接口电路、起升编码器数据转换电路、小车编码器接口电路、小车编码器数据转换电路、存储器电路、键盘电路、显示电路、显示单元、看门狗电路、电源电路构成，所有电路集成在一块PCB线路板上；其中整流稳压电源电路为所有其他电路提供单元；总线接口电路与总线解码电路相连；起升编码器接口电路与起升编码器数据转换电路相连；小车编码器接口电路与小车编码器数据转换电路相连；显示电路与显示单元相连；总线解码电路、起升编码器数据转换电路、小车编码器数据转换电路、存储器电路、键盘电路、显示电路、看门狗电路与CPU电路相连；外部设备的总线回路与本实用新型的总线接口电路相连；外部设备的电源与本实用新型的电源电路相连；外部起升位置编码器与本实用新型的起升编码器接口电路相连；外部小车位置编码器与本实用新型的小车编码器接口电路相连。本实用新型的内容包括两点，一是电子防摇系统的实现，二是半自动化作用系统的实现。对于抓斗式卸船机而言电子防摇系统就是要实现在抓斗式卸船机运行过程中能够通过防摇技术利用载荷的摇摆产生最优摇摆曲线进行抛料和取料。该技术将实现在运行过程中载荷不产生大幅度的摇摆，在运行到目标位置时，起升机构处于可以立即进行取料或放料的工作状态。根据卸船机的特点，本实用新型采用不检测角度的控制方法，即最优时间控制技术。最优控制理论所研究的问题可以概括为对一个受控的动力学系统或运动过程，从一类允许的控制方案中找出一个最优的控制方案，使系统的运动在由某个初始状态转移到指定的目标状态的同时，其性能指标值为最优。为了解决最优控制问题，必须建立描述受控运动过程的运动方程，给出控制变量的允许取值范围，指定运动过程的初始状态和目标状态。针对卸船机，初始状态为小车运行前抓斗无摆动，目标状态为到达指定的位置停止并且抓斗无摆动。在解决了电子防摇的技术问题之后，本实用新型需要实现的另一个技术难点是实现抓斗式卸船机的半自动化控制。本实用新型通过编码器，可以测量出小车行走的距离，当到达目标位置后，小车完成卸料动作返回，在半自动化运行过程中，通过位置和限位来控制小车的动作，虽然简单，但由于动作存在变化的加减速过程，位置控制不精确。根据上诉困难，本实用新型采用了新的自动运行控制方案——步进控制方法。通过已知的小车启动速度，目标速度，加速度，和要行走的距离，可以通过物理公式，计算出小车在每段时间内，小车应有的速度和加速度，从而通过时间的变化，在每段步进阶段给以不同的速度和加速度，以实现精确的位置控制。整个半自动化运行分为12时段第I时段制动器打开；第2时段小车从静止加速到第一段给定速度；第3时段小车以第一段速度匀速运行；第4时段小车从第一段速度加速到全速；第5时段小车全速匀速运行；第6时段小车从全速减速到第一段速度；第7时段小车反向速度运行(速度过零点，同时实现甩斗)；第8时段小车加速到反向全速；第9时段小车反向全速匀速运行；第10时段小车减速到第一段速度；第11时段小车以第一段速度匀速运行；第12时段小车减速到零。本实用新型的有益效果是以最优控制技术解决了抓斗式卸船机载荷的摇摆问题，将电子防摇技术国产化，填补国内技术相应领域的技术空白，同时也实现了抓斗式卸船机的半自动化控制，从而减少了抓斗式卸船机的操控人员，降低了人员成本和人身伤亡的事
故率，提高了生产效率。
图1是本实用新型的系统结构图。图2是本实用新型的核心电路结构图。图3是本实用新型的ProfiBus-DP总线接口电路图。图4是本实用新型的ProfiBus-DP总线解码的电路图。图5是本实用新型的编码器接口电路图。图6是本实用新型的编码器解码电路图。图7是本实用新型的电子防摇模型简化示意图。图8是本实用新型的电子防摇模型的载荷受力示意图。图9是本实用新型在电子防摇系统作用下的运行轨迹图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施例。1.电控系统整机电控系统结构如图1所示，首先AC380V电源经过QOl和KO之后为为整机提供动力电源，起升变频器和小车变频器的动力电源也非别通过各自的隔离开关取自该回路。为保证起升和小车的速度稳定性和精确性，起升变频器和小车变频器都采用了速度闭环控制方式，采用脉冲编码器作为速度反馈设备。整机的协调控制由机上PLC完成，操作台的PLC否则采集操作台的操作信号，并将指令通过总线传递到机上PLC，机上PLC根据这些信号控制整机的运行状态。实际上的抓斗式卸船机电控系统要复杂的多，还包括抓斗开闭机构，大车行走机构等等，但因与本实用新型的内容不相关，所以这里没有进行描述。以上就是构成抓斗式卸船机的主要要素，如果不加设本实用新型的设备就是一台普通的抓斗式卸船机，如果加设本实用新型的设备即可成为半自动化的抓斗式卸船机。本实用新型的机构如图1中实线框图所示,主要有CPU、各种接口电路、解码电路、电源电路、存储器、人机交互系统构成。为了使本实用新型能够更方便的应用于目前市场上的多数抓斗式卸船机，所以采用了 Profibus总线接口，将本实用新型进入到抓斗式卸船机的系统总线中，这样，本实用新型通过该总线接口读取各个机构的状态，如速度、电流以及操作台的指令等信息，同时也可以通过总线将附加的速度指令发送的变频器。另外为了采集抓斗式卸船机的高度和小车位置，还架设了脉冲编码器的接口电路，用于采集附加的高度检测编码器和小车位置检测编码器的信息。有了这些数据之后，CPU即可根据起升的高度、速度，小车的位置速度以及操作台的操作指令进行电子防摇控制和半自动化的控制。2.本实用新型的核心结构如图2所示是本实用新型的核心电路结构图。本实用新型的核心电路主要由电源电路、总线接口电路、总线解码电路、起升编码器接口电路、起升编码器数据转换电路、小车编码器接口电路、小车编码器数据转换电路、CPU电路、存储器电路、键盘电路、显示电路、看门狗电路、显示单元、看门狗电路构成。电源电路负责为本实用新型各部分电路提供电源，CPU电路负责对本实用新型的各部分电路的数据进行采集计算和数据输出，总线接口电路由光电隔离和RS485转换两部分构成，主要负责将本实用新型进接入到抓斗式卸船机的总线系统中，抓斗式卸船机总线中的数据通过该接口与本实用新型进行数据交换。光电隔离用于将抓斗式卸船机的总线和本实用新型的总线进行电气隔离防止电气干扰和电平的不匹配，同时也完成RS485和后面的RS232电路的转换。ProfiBus-DP总线实际上就是RS485总线，所以RS485电路就是负责将光电隔离后的信号进行RS485转换接入到抓斗式卸船机的ProfiBus-DP上。总线解码电路包括SPC3电路和RS232电路，RS232电路负责将光电隔离电路输出的RS232信号进行转换送到SPC3电路。SPC3电路负责将RS232电路的数据进行解码后传递到CPU电路，也将CPU电路输出的数据进行编码，使其符合ProfiBus-DP总线要求如果送到RS232电路。SPC3是西门子公司的ProfiBus-DP协议专用编解码芯片，为开发ProfiBus-DP总线提供必要的硬件支持，同时也简化和繁杂的软件编写工作。起升编码器接口电路负责将起升编码器接入到本实用新型上，同样具有光电隔离，防止电平不匹配等功能。起升编码器数据转换电路负责将接口电路传递来的编码器信号进行转换使其能够被CPU电路读取。小车的编码器接口电路和编码器数据转换电路与起升的编码器接口电路和编码器数据转换电路的功能相同。存储器电路实际上包括EEPROM电路和RAM电路，分别用于设置参数数据的存储和CPU的RAM扩展。该电路为通用型电路，没有特殊要求。 键盘电路为人机交互提供操作接口，也是通用性电路。显示电路和显示单元是人机交互的输出设备，便于使用人员查看本实用新型的运行状态和抓斗式卸船机的运行状态同时也同参数设置界面。这两个单元电路没有特殊要求可以采用市场上通用型显示电路和显示单元。看门狗电路负责监视整个系统的运行是否稳定，虽然功能很重要但技术却已经非常成熟，所以本实用新型也采用成熟的看门狗电路即可。3. ProfiBus-DP 总线接 口图3是本实用新型的ProfiBus-DP总线接口电路图，图4是本实用新型的ProfiBus-DP总线解码的电路图。ProfiBus-DP 总线接口 主要由 RS485 芯片 65ALS1176，高速光耦 U23、U24、U25 完成，高速光耦的型号是6N317。高速光耦即负责将后面的RS485电路也本实用新型进行电气隔离同时也负责完成将RS485的电路信号转换为RS232信号供SPC3电路使用。SPC3电路以SPC3芯片为核心完成RS232电路的信号解码和CPU电路的信号编码工作，完成数据从CPU到总线的双向转换。4.编码器接口电路图5是本实用新型的编码器接口电路图，图6是本实用新型的编码器解码电路图。编码器接口电路负责将起升编码器和小车编码器连接到本实用新型，具有光电隔离功能，图5中，ISOl和IS02负责进行光电隔离和电平匹配，将编码器接入到本实用新型。编码器解码电路负责编码器数据转换，将编码器的数据转换为CPU可以接受的信号。图6中U5A和U4A，U4B完成编码器的数据解码，将编码器的脉冲信号解码为递增和递减的脉冲信号，即图中的UP信号和DN信号。U3和U6是加减计数器完成编码器对UP或DN信号的高速计数，降低CPU的负担，CPU通过读取该数据可以计算出编码器的位置信息。5.本实用新型的工作工艺流程(1)电子防摇模型图7是本实用新型的电子防摇模型简化示意图，图中简单示意出小车的运行造成载荷的摇摆情况。其中M :为小车质量；m:为负载质量；Θ :为悬绳的摆角；1:为悬绳的绳长；由于小车为变频控制，小车的F、M、m的影响转换为变量加速度a。图8本实用新型的电子防摇模型的载荷受力示意图，图中示意出载荷摇摆过程中的受力情况。其中a、at为抓斗在某时刻的水平加速度和切向加速度，V, Vt为此时刻的水平速度和切向速度，它们的方向如图8 ；fl、f2为空气阻力，方向分别与V、Vt方向相反；F为悬绳拉力；m为负载质量；Θ为悬绳的摆角；I为悬绳的绳长；g为重力加速度；负载的摆动沿着切向运动，其运动方程如下fjcos Θ -mgsin Θ -f2=m(at-acos θ ) (I)为了简化分析，根据实际情况，给出如下假设和要求假设悬绳的质量相对于抓斗及重物的质量可忽略不计。假设悬绳刚度足够大，其长度变化可忽略不计。假设抓斗与悬绳在运行过程中所受空气阻力不计，H f2=0。抓斗的最大摆角不大于5° sin Θ = Θ，C0s Θ =1。
权利要求1.抓斗式卸船机自动抛取料控制设备，其特征在于该抓斗式卸船机自动抛取料控制设备由CPU电路、总线接口电路、总线解码电路、起升编码器接口电路、起升编码器数据转换电路、小车编码器接口电路、小车编码器数据转换电路、存储器电路、键盘电路、显示电路、显示单元、看门狗电路、电源电路构成，所有电路集成在一块PCB线路板上；其中整流稳压电源电路为所有其他电路提供单元；总线接口电路与总线解码电路相连；起升编码器接口电路与起升编码器数据转换电路相连；小车编码器接口电路与小车编码器数据转换电路相连；显示电路与显示单元相连；总线解码电路、起升编码器数据转换电路、小车编码器数据转换电路、存储器电路、键盘电路、显示电路、看门狗电路与CPU电路相连；外部设备的总线回路与本实用新型的总线接口电路相连；外部设备的电源与本实用新型的电源电路相连；外部起升位置编码器与本实用新型的起升编码器接口电路相连；外部小车位置编码器与本实用新型的小车编码器接口电路相连。
专利摘要一种抓斗式卸船机自动抛取料控制设备，由CPU电路、总线接口电路、总线解码电路、起升编码器接口电路、起升编码器数据转换电路、小车编码器接口电路、小车编码器数据转换电路、存储器电路、键盘电路、显示电路、显示单元、看门狗电路、电源电路构成，所有电路集成在一块PCB线路板上；其中整流稳压电源电路为所有其他电路提供单元；总线接口电路与总线解码电路相连；起升编码器接口电路与起升编码器数据转换电路相连；小车编码器接口电路与小车编码器数据转换电路相连；显示电路与显示单元相连。其以最优控制技术解决了抓斗式卸船机载荷的摇摆问题，填补国内相关技术空白，实现了半自动化控制，减少了操控人员，降低了成本和事故率。
文档编号B66C13/06GK202880689SQ20122059046
公开日2013年4月17日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者周德峰 申请人:大连宝信起重技术有限公司