一种门座式起重机抓斗防开斗的控制系统的制作方法

本发明属于起重机控制领域，具体涉及一种门座式起重机抓斗在抓完物料起升过程中防止司机突然紧急停止时抓斗开斗的控制方法与应用该控制方法的控制装置，该控制装置可以是变频器。

背景技术：

目前，门座式起重机在采用抓斗进行散装物料的装卸时，为了提高工作效率，抓斗的自动开闭斗、深挖、转矩平衡功能都是由控制器(如PLC)来控制自动完成的。这其中，在抓斗抓满物料准备上升的初始阶段时，通常开闭机的受力较大，支持机的受力较小，支持机连接抓斗的钢丝绳此时是处于松弛状态的。因此在上升过程中，为了保证支持机与开闭机的受力均匀，控制器通常会进行转矩平衡控制，控制开闭机与支持机的转速，使得当支持机的转速与开闭机相等的时刻支持机的钢丝绳绷直，双机受力平衡，一起上升。支持机的钢丝绳从松弛到绷直会比开闭机多运行一段距离？

但是，如果在转矩平衡的控制时间内，门机的操作员因为某种原因将手柄归零，此时，控制器会结束转矩平衡的控制，发送停止命令给支持机与开闭机，支持机与开闭机接受到停止命令会按照预设的减速时间减速到零。在这个过程中，开闭机由于从较高的转速开始减速，其运行过的距离反而会超过支持机，此时抓斗会打开，造成物料洒落的损失。

技术实现要素：
：

为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种门座式起重机抓斗防开斗的控制系统，避免开斗的现象的发生。

为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：

一种门座式起重机抓斗防开斗的控制系统，开闭机变频器同时读取支持机电机和开闭机电机的转速，开闭机变频器包括第一选择器、限幅器、第二选择器、PI调节器，

第一选择器：接收支持机电机转速和系统控制器输出转速，生成转速指令参考值；由门信号控制器控制转速指令参考值等于支持机电机转速或控制器输出转速；

限幅器：接收转速指令参考值，并生成第一转速指令；

第二选择器：接收转速指令参考值和第一转速指令，生成第二转速指令；由门信号控制器控制第二转速指令等于转速指令参考值或第一转速指令；

PI调节器：接收第二转速指令与开闭机电机转速之差，生成转矩指令；

转矩指令输出至开闭机电机的控制端。

较佳地，抓斗的支持绳卷筒通过支持机减速箱连接于支持机电机，抓斗的开闭绳卷筒通过开闭机减速箱连接于开闭机电机；支持机电机的控制端连接于支持机变频器的输出端，开闭机电机的控制端连接于开闭机变频器的输出端，支持机变频器的输入端连接支持机电机编码器，获取支持机电机的位置信号和转速信号；开闭机变频器的输入端连接开闭机电机编码器和支持机电机编码器，获取开闭机电机和支持机电机的位置信号和转速信号；支持机变频器和开闭机变频器的输入端还连接于系统控制器。

较佳地，当门信号控制器输出信号为1时，转速指令参考值等于支持机电机转速，当门信号控制器输出信号为0时，转速指令参考值等于控制器输出转速。

较佳地，当门信号控制器输出信号为1时，第二转速指令等于第一转速指令，当门信号控制器输出信号为0时，第二转速指令等于转速指令参考值。

较佳地，门信号控制器为与门电路，与门电路的两个输入端分别用于接收系统控制器输出的转矩平衡阶段标志指令和停机指令。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种开闭机转速在转矩平衡阶段的控制系统，能够使抓斗在转矩平衡阶段的任何时候操作员手柄归零都不会造成抓斗的开斗现象。开闭机变频器会同时读取支持机电机的转速与开闭机电机的转速，在收到外部控制器(PLC)发来的转矩平衡阶段标志指令后，如果在任何时刻收到外部控制器(PLC)发来的停机指令，开闭机立刻以当前支持机的实际转速为转速指令，对支持机的速度进行追随，当开闭机的转速达到支持机的转速时，支持机与开闭机以同样的减速时间停车。开闭机变频器在抓斗上升过程中的转矩平衡阶段，无论任何时候操作员手柄归零，开闭机实际运行过的距离造成抓斗位置的差总是会小于本来转矩平衡阶段支持机需要追上的位置差，因此到停止，支持机的钢丝绳总的绷直程度总是小于或等于闭斗设定时的钢丝绳绷直程度，所以不会有开斗的现象发生。

附图说明

图1是本发明实施例的系统结构原理图，

图2是本发明实施例控制对象抓斗的开斗状态图，

图3是本发明实施例控制对象抓斗的闭斗时，开闭机、支持机受力均衡时状态图，

图4是本发明实施例控制对象抓斗的闭斗时，开闭机受力大于支持机时状态图，

图5是本发明实施例正常抓斗起升过程中转矩平衡阶段开闭机与支持机转速曲线及两机相对位置示意图，

图6是本发明实施例抓斗起升过程中转矩平衡阶段操作员手柄归零时，开闭机与支持机转速曲线及两机相对位置示意图，

图7是本发明实施例抓斗起升过程中转矩平衡阶段操作员手柄归零时，采用本发明的控制方法时开闭机与支持机转速曲线及两机相对位置示意图，

图8是本发明实施例开闭机变频器的系统结构图。

图中：1-手柄，2-系统控制器，3-支持机变频器，4-开闭机变频器，5-支持机电机编码器，6-开闭机电机编码器，7-支持机电机，8-开闭机电机，9-支持机减速箱，10-开闭机减速箱，11-支持绳卷筒，12-开闭绳卷筒，13-支持机钢丝绳，14-开闭机钢丝绳，15-开闭机钢丝绳过线套，16-抓斗上端座，17-抓斗连杆，18-抓斗动滑轮，19-抓斗颚板，20-第一选择器，21-限幅器，22-第二选择器，23-PI调节器，24-门信号控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

一种门座式起重机抓斗防开斗的控制系统，抓斗的支持绳卷筒11通过支持机减速箱9连接于支持机电机7，抓斗的开闭绳卷筒12通过开闭机减速箱10连接于开闭机电机8；支持机电机7的控制端连接于支持机变频器3的输出端，开闭机电机8的控制端连接于开闭机变频器4的输出端，支持机变频器3的输入端连接支持机电机编码器5，获取支持机电机7的位置信号和转速信号；开闭机变频器4的输入端连接开闭机电机编码器6和支持机电机编码器5，获取开闭机电机8和支持机电机7的位置信号和转速信号；支持机变频器3和开闭机变频器4的输入端还连接于系统控制器2。

如图8所示，开闭机变频器4包括第一选择器20、限幅器21、第二选择器22、PI调节器23，

第一选择器20：接收支持机电机7转速和系统控制器2输出转速，生成转速指令参考值；由门信号控制器24控制转速指令参考值等于支持机电机7转速或控制器输出转速；

限幅器21：接收转速指令参考值，并生成第一转速指令；

第二选择器22：接收转速指令参考值和第一转速指令，生成第二转速指令；由门信号控制器24控制第二转速指令等于转速指令参考值或第一转速指令；

PI调节器23：接收第二转速指令与开闭机电机8转速之差，生成转矩指令；

转矩指令输出至开闭机电机8的控制端。

门信号控制器24为与门电路，与门电路的两个输入端分别用于接收系统控制器2输出的转矩平衡阶段标志指令和停机指令，只有当同时接收到转矩平衡阶段标志指令Torque Balance Mode和停机指令STOP Mode时，门信号控制器24输出才为1，其余均为0。

当门信号控制器24输出信号为1时，转速指令参考值等于支持机电机7转速，当门信号控制器24输出信号为0时，转速指令参考值等于控制器输出转速。

当门信号控制器24输出信号为1时，第二转速指令等于第一转速指令，当门信号控制器24输出信号为0时，第二转速指令等于转速指令参考值。

门座式起重机在采用抓斗抓取散料时的系统配置和工作过程中如图1所示，整个抓斗的电气控制系统的控制命令是由操作员根据需要控制手柄1来下达，该命令被送入系统控制器2(通常是采用可编程控制器PLC)后再通过支持机变频器3与系统控制器2通信链路和开闭机变频器4与系统控制器2通信链路将支持机变频器3速度指令和开闭机速度指令传送给支持机变频器3和开闭机变频器4，支持机变频器3输出相应的电压来控制支持机电机7的转速，并通过支持机电机编码器5采集支持机电机7的位置信号和转速信号；开闭机变频器4输出相应的电压来控制开闭机电机8的转速，并通过开闭机电机编码器6采集支持机电机7的位置信号和转速信号，以上的位置信号和转速信号同样会通过支持机变频器3与系统控制器2通信链路和开闭机变频器4与系统控制器2通信链路传递给系统控制器2以进行抓斗各种工况的控制。此外，支持机电机编码器5采集到的支持机电机7的转速信号也会被送入开闭机变频器4。

支持机电机7通过支持机减速箱9驱动支持绳卷筒11旋转，带动支持机钢丝绳13上升或者下降；开闭机电机8通过开闭机减速箱10驱动开闭绳卷筒12旋转，带动开闭机钢丝绳14上升或者下降；支持机的钢丝绳与抓斗上端座16连接，开闭机的钢丝绳穿过抓斗上的开闭机钢丝绳过线套15与抓斗动滑轮18连接，抓斗动滑轮18通过铰链与抓斗颚板19连接，抓斗颚板19亦通过铰链与抓斗连杆17连接，抓斗连杆17通过铰链与抓斗上端座16连接。如果支持机保持不动，开闭机下降，则抓斗颚板19张开的角度会增加，增加到最大角度时，即使开闭机继续下降角度也不会加大，只是开闭机的钢丝绳会逐渐松弛。如果支持机保持不动，开闭机上升，则抓斗颚板19张开的角度会减小，当抓斗颚板19的角度恰好为零时，支持机与开闭机钢丝绳14都绷紧，各自承受抓斗自身重量的一半，此时如果开闭机继续上升，抓斗颚板19的角度不再改变，开闭机会带动抓斗上升，开闭机钢丝绳14受力逐渐增加，而支持机受力逐渐下降，支持机钢丝绳13逐渐松弛。

为了实现物料抓取时的效率最高，目前在抓斗系统中基本上普及了由系统控制器2来控制抓斗的自动开闭斗、深挖和转矩平衡。抓斗在抓取物料时从系统设定到正常工作的整个过程如图2至图4所示，在图2中，当抓斗张开到最大角度时，可进行系统设定的第一步工作：开斗设定。此时开闭机钢丝绳14和支持机钢丝绳13都处于绷紧的状态，且受力各为抓斗自身重量的一半。当操作员按下操作台(附图中没有画出)上的“开斗设定”按钮时，系统控制器2会记录下开闭机和支持机的编码器反馈的脉冲计数值，即两机的位置：POSITION_OPEN_OpenSet和POSITION_SUPPORT_OpenSet，并计算出此时两机位置的差值：

POSITION_Difference_OpenSet＝POSITION_SUPPORT_OpenSet-POSITION_OPEN_OpenSet

接下来进行系统设定的第二步：闭斗设定。支持机保持不动，开闭机电机8驱动开闭机钢丝绳14上升，带动抓斗颚板19闭合，当抓斗颚板19刚刚闭合时，开闭机钢丝绳14和支持机钢丝绳13都处于绷紧的状态，且受力仍然各为抓斗自身重量的一半，如图3所示。当操作员按下操作台(附图中没有画出)上的“闭斗设定”按钮时，系统控制器2会记录下开闭机和支持机的编码器反馈的脉冲计数值，即两机的位置：POSITION_OPEN_CloseSet和POSITION_SUPPORT_CloseSet，并计算出此时两机位置的差值：

POSITION_Difference_CloseSet＝POSITION_SUPPORT_CloseSet-POSITION_OPEN_CloseSet

一台抓斗在最初设备调试阶段进行开斗设定和闭斗设定后，正常情况下工作时无需再次设定。

在正常抓取物料时，操作员会在抓取物料前通过操作台给出“开斗”指令，控制开闭机与支持机的速度，使两机位置差达到POSITION_Difference_OpenSet后，下降抓斗到物料堆中，然后发出“闭斗”指令，控制开闭机与支持机的速度，使两机位置差达到POSITION_Difference_CloseSet，完成物料的抓取，然后上升抓斗，移动到卸料点进行卸料。

在很多情况下，操作员是通过肉眼观察来进行开闭斗设定，无法准确判断抓斗闭合的临界点，为了使抓斗闭合的可靠程度增加，操作员倾向于在闭斗设定时将开闭机多上升一段距离，此时开闭机会增加受力，整个抓斗会由开闭机带着上升，如图4所示，支持机的钢丝绳会出现明显的松弛现象，操作员会认为此时闭斗是可靠的，再进行闭斗设定。

在抓取完物料上升时，由于在闭斗设定时支持机的钢丝绳是松弛的，会导致开闭机的受力要大于支持机，在抓斗满载的情况下，开闭机的负载会大于额定负载，长期这样运行对开闭机电机8、开闭机钢丝绳14和开闭机变频器4都是不利的。因此，在闭完斗上升时系统控制器2会进行开闭机和支持机的力矩平衡控制，在力矩平衡控制完成后，开闭机和支持机承受的负载各自为抓斗重量加物料重量的二分之一。图5中就是在正常作业时进行力矩平衡控制时开闭机与支持机的速度命令曲线、支持机与开闭机的位置差以及力矩平衡各阶段支持机钢丝绳13与开闭机钢丝绳14张紧的状态。由于力矩平衡控制的方法不在本发明范围内，这里只给出力矩平衡控制的结果。

从0到t1的阶段内，开闭机与支持机以同样的速度上升，两机的位置差保持不变，支持机的钢丝绳的张紧程度与闭斗设定时相等，这里的位置差是从闭斗设定到支持机钢丝绳13张紧至两机承受相同的负载之间支持机相对开闭机多走过的位置差。以下对位置差的引用都与此相同。从t1开始进入转矩平衡阶段，开闭机的速度会比支持机慢，以使得支持机相对于开闭机运行的距离要多，这期间，支持机的钢丝绳的张紧程度增加，当到达t2时，两机的位置差为0，且两机的速度相同，此时支持机与开闭机钢丝绳14都张紧，且开闭机和支持机承受的负载各自为抓斗重量加物料重量的二分之一，转矩平衡控制完成。

当由于某种原因，在转矩平衡阶段的某个时刻，操作员将手柄1归零，如图6所示。从0到t1的阶段内，开闭机与支持机以同样的速度上升，两机的位置差保持不变，支持机的钢丝绳的张紧程度与闭斗设定时相等。从t1到t2的时间内，由于转矩平衡控制的原因，两机的位置差逐渐减小，支持机的钢丝绳的张紧程度增加。在t2时刻，操作员手柄1归零，系统控制器2将退出转矩平衡控制模式，直接发送停止命令给开闭机变频器4和支持机变频器3，开闭机和支持机变频器3在收到停止命令时，将会按照预设的减速时间进行斜坡减速，直到各自的速度为零。如果转矩平衡阶段正常执行完毕，从t2时刻往后支持机需要多走过的距离可以由图6中三角形abc所包围的面积来表示，但是由于t2时刻转矩平衡控制终止，两机同时减速时由于支持机的速度必定大于开闭机的速度，直到停止，因此，当t3时刻，支持机多走的距离(平行四边形abed的面积)等于三角形abc的面积时，支持机的钢丝绳就张紧了，且此时刻开闭机和支持机承受的负载各自为抓斗重量加物料重量的二分之一，在t3之后，支持机多走的距离将大于三角形abc的面积，支持机与开闭机钢丝绳14都张紧，抓斗逐渐打开，物料开始洒落。只要在图6中，四边形abgf的面积大于三角形abc的面积，抓斗就会打开，物料就会洒落完。

下面结合图7和图8来具体说明本发明的实施方式。

在图8中，开闭机变频器4会通过开闭机电机编码器6实时读入支持机电机7的速度，第一选择器20会根据用于控制开闭机速度命令来源的门信号控制器24的输出值来选择速度命令源，当门信号控制器24输出值为1时，选择支持机电机7的速度反馈值ω_{fk_SUPPORT}作为转速指令参考值ω_ref，当门信号控制器24的输出值为0时，第一选择器20选择从系统控制器2发来的ω_{ref_PLC}作为转速指令参考值ω_ref；

然后转速指令参考值ω_ref会通过用于实时速度曲线斜坡及限幅的限幅器21生成第一转速指令ω_cmd；

第二选择器22根据门信号控制器24的输出值来选择速度命令源，当门信号控制器24输出值为1时，第一转速指令ω_cmd作为第二转速指令ω_cmd1输出，当门信号控制器24输出值为0时，转速指令参考值ω_ref作为第二转速指令ω_cmd1输出；

用于控制开闭机速度命令来源的门信号控制器24在正常的转矩平衡控制模式下或者停机模式下输出值都为0，只有在转矩平衡模式下同时收到停机模式指令时输出值变为1。

实时的速度指令值第二转速指令ω_cmd1会与开闭机电机8速度反馈值ω_{fk_OPEN}进行减法运算，得到的速度差值经过PI调节器23输出转矩T_gvn至开闭机电机8，从而控制开闭机电机8的速度。

在图7中，在转矩平衡阶段的某个时刻，操作员将手柄1归零。从0到t1的阶段内，开闭机与支持机以同样的速度上升，两机的位置差保持不变，支持机的钢丝绳的张紧程度与闭斗设定时相等。从t1到t2的时间内，由于转矩平衡控制的原因，两机的位置差逐渐减小，支持机的钢丝绳的张紧程度增加。在t2时刻，操作员手柄1归零，系统控制器2将退出转矩平衡控制模式，直接发送停止命令给开闭机变频器4和支持机变频器3，支持机变频器3在收到停止命令时，将会按照预设的减速时间进行斜坡减速，直到速度为零。而此时，开闭机变频器4会将支持机的实际速度作为速度命令，且按照预设的加速时间进行斜坡加速，支持机的钢丝绳的张紧程度会继续增加，在t3时刻，开闭机的速度达到了支持机的速度，之后，开闭机与支持机以同样的减速时间斜坡减速到零，支持机的钢丝绳的张紧程度会保持在t3时刻的状态。

如果转矩平衡阶段正常执行完毕，从t2时刻往后支持机需要多走过的距离可以由图7中三角形abc所包围的面积来表示，在t2时刻，由于执行了本发明的控制方法，t2时刻后支持机多走过的距离可以由图7中三角形abd所包围的面积来表示，很明显的可以看出，三角形abd的面积必定是小于三角形abc的面积的，这也就意味着支持机的钢丝绳永远不会张紧到双机均分负载的状态，从t2到停止都是开闭机受力略微大于支持机的受力，抓斗不会打开。

本发明提供了一种开闭机转速在转矩平衡阶段的控制系统，能够使抓斗在转矩平衡阶段的任何时候操作员手柄1归零都不会造成抓斗的开斗现象。

本实施例中的主要控制方法在控制开闭机电机8的变频器上实现，开闭机变频器4会同时读取支持机电机7的转速与开闭机电机8的转速，在收到外部控制器(PLC)发来的转矩平衡阶段标志指令后，如果在任何时刻收到外部控制器(PLC)发来的停机指令，开闭机立刻以当前支持机的实际转速为转速指令，对支持机的速度进行追随，当开闭机的转速达到支持机的转速时，支持机与开闭机以同样的减速时间停车。

开闭机变频器4在抓斗上升过程中的转矩平衡阶段，无论任何时候操作员手柄1归零，开闭机实际运行过的距离造成抓斗位置的差总是会小于本来转矩平衡阶段支持机需要追上的位置差，因此到停止，支持机的钢丝绳总的绷直程度总是小于或等于闭斗设定时的钢丝绳绷直程度，所以不会有开斗的现象发生。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。