一种面向变径缆的绞车控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及绞车控制技术领域，尤其是一种面向变径缆的绞车控制系统及其控制方法。

背景技术：

绞车广泛应用于工业起吊、船舶拖带、深海打捞、深海探测等场合，其主要功能是实现放缆和收缆，特别在收缆过程中需要通过丝杠使缆绳在储缆卷筒上整齐排列，这就要求排缆丝杠连同滚轮与储缆卷筒保持一定的同步关系。对于应用于海洋领域主动排缆的绞车，其排缆丝杠与储缆卷筒一般分别由独立的马达驱动，因此绞车收缆过程中丝杠马达与卷筒马达之间的同步控制非常关键。目前常见的绞车，都只能对固定直径的缆绳进行同步排缆控制，这种绞车存在两点关键缺陷：其一，当绞车更换缆绳时，需要操作人员人工将待更换缆绳的直径参数配置进绞车控制系统中，对于某些没有标记的缆绳还需操作人员现场精确测量直径，导致更换缆绳的过程繁琐、智能化程度低；其二，在海洋工程领域常应用由多段直径不同的缆连接构成的特殊缆(即变径缆)，此时应用传统绞车排布此类缆绳时，会出现排缆混乱的问题。

技术实现要素：

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种面向变径缆的绞车控制系统及其控制方法，从而可以实时监测缆径数据，快速计算和存储缆的各项参数，自动控制缆绳收放过程，智能化程度高。

本发明所采用的技术方案如下：

一种面向变径缆的绞车控制系统，包括用于控制缆绳横向进给的丝杠机构和用于控制缆绳旋转缠绕的卷筒机构，丝杠机构和卷筒机构配合完成缆绳的放缆和收缆运动，还包括控制机构，控制机构收集来自丝杠机构和卷筒机构的旋转角度信息及缆径信息，通过计算得到并存储缆绳的各项参数，同时向丝杠机构和卷筒机构反馈转速调节指令。

其进一步技术方案在于：

丝杠机构包括排缆丝杠，排缆丝杠上安装沿其直线运动的滑轮，排缆丝杠的一端安装用于调节排缆丝杠转速的丝杠马达，另一端安装用于传递排缆丝杠旋转角度信息的丝杠编码器，丝杠马达上还连接丝杠双向比例阀；

卷筒机构包括储缆卷筒，储缆卷筒与排缆丝杠平行设置，沿储缆卷筒的中心穿设转轴，转轴的一端安装用于驱动储缆卷筒旋转的卷筒马达，另一端安装用于传递卷筒马达旋转角度信息的卷筒编码器，卷筒马达上还连接卷筒双向比例阀；

控制机构包括与缆绳接触安装的缆径检测模块，控制机构还包括控制器和监控主机，控制器分别连接丝杠编码器、卷筒编码器和缆径检测模块；

缆径检测模块包括上下相对设置的上滚轮和下滚轮，还包括用于固定上滚轮的上支架和用于固定下滚轮的下支架，上滚轮的中部穿设上连接轴，上滚轮通过上连接轴与上支架配合，下滚轮的中部穿设下连接轴，下滚轮通过下连接轴与下支架配合，上连接轴的轴心通过位移传感器与下连接轴的轴心固接，上连接轴的顶部安装弹簧，上连接轴通过弹簧与上支架抵接，上支架上开设用于容纳弹簧的空腔；

一种利用面向变径缆的绞车控制系统的控制方法，还包括以下步骤：

第一步：参数初始化；

令k＝1，ld(1)＝d，layers＝1，turns(1)＝0，pd＝0，δpd＝0，ps＝0，δps＝0，l(1)＝0，lall＝0；

其中，k为缆绳的段数；

ld(1)为第一段缆绳的缆径；

d为系统初始时刻采集到的缆径；

layers为储缆层数；

turns(1)为第一层中储缆圈数；

pd为缆绳(4)在储缆卷筒上的累积横移距离；

δpd为pd的增量；

ps为缆绳(4)在排缆丝杠上的累积横移距离；

δps为ps的增量；

l(1)为第一段缆长；

lall为总缆长；

第二步：按设定的周期长度执行收缆或放缆操作，并检测缆径，若缆径发生变化，则跳转第三步，若缆径未发生变化，则跳转第四步；

判断缆径是否发生变化的算法为：

其中，d为当前始时刻采集到的缆径；

ld(k)为第k段缆绳的缆径；

若满足上式则判断缆径未发生变化，若不满足上式则认为缆径发生了变化；

第三步：更新缆绳的段数和缆径；

更新算法如下：

其中，k为缆绳的段数；

ld(k)为第k段缆绳的缆径；

d为当前始时刻采集到的缆径；

第四步：结合编码器反馈的数据，计算并存储储缆过程相关参数；

计算参数的过程为：

d(layers)＝d(layers-1)+ld(k)；

其中，pd为缆绳在储缆卷筒上的累积横移距离；

δpd为pd的增量；

δnum为储缆卷筒运转角度的脉冲增量；

n为编码器一圈脉冲数；

ld(k)为第k段缆绳的缆径；

layers为储缆层数；

int()为取整函数，为对向下取整；

turns(k)为第k层中储缆圈数；

δturns(k)为第k层的储缆圈数增量；

d(k)为第k层储缆卷筒的外径；

l(k)为第k段缆长；

δl(k)为第k层缆长增量；

π为圆周率；

lall为总缆长；

第五步：计算和执行绞车转速控制；

绞车转速控制还包括以下步骤：

a、储缆卷筒转速控制；

此步骤需计算储缆卷筒的转速，计算方法如下：

其中，ω为储缆卷筒的转速；

δnum为储缆卷筒运转角度的脉冲增量；

n为编码器一圈脉冲数；

t为采样周期；

b、同步控制；

包含如下算法：

其中，ps为缆绳在排缆丝杠上的累积横移距离；

δps为ps的增量；

δnum2为排缆丝杠运转角度的脉冲增量；

n为编码器一圈脉冲数；

lc为丝杆螺纹距；

c、排缆丝杠转速控制；

第六步：判断收缆或放缆操作是否结束，若结束，则跳转第七步，若未结束，则跳转第二步；

第七步：结束收缆或放缆操作，输出第四步中存储的参数；

第七步中输出的参数包括储缆层数，各层储缆圈数，缆绳的段数，各缆径储缆长度以及当前总缆长。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，通过排缆丝杠和储缆卷筒的协同工作，实现变径缆的收缆和放缆操作，配套编码器和控制系统，实现收缆和放缆过程中参数的自动测量、计算与存储，并利用参数实现自动分析与控制，避免了传统技术中人工操作不便和智能化程度低的缺点，操作方便，控制精确，能广泛应用于各类需要收放变径缆的绞车设备上，同时不会产生排缆混乱的问题，能根据缆径变化合理排缆，工作过程稳定高效。

本发明还具有以下具体优势：

丝杠机构和卷筒机构：通过丝杠机构实现缆绳在丝杠方向上的横移运动，丝杠马达和丝杠双向比例阀调节排缆丝杠转速，丝杠编码器传递运动状态信息；

通过卷筒机构实现缆绳在卷筒上的旋转缠绕过程，卷筒马达和卷筒双向比例阀调节储缆卷筒转速，丝杠编码器传递运动状态信息；

通过丝杠机构与卷筒机构的协同工作，实现变径缆的快速收放，运动机构紧凑，机械稳定性好，容易维护。

控制机构：包含能实现快速交互的监控器和监控主机，能可靠接收编码器和缆径检测模块的信息，将转速调节指令反馈给丝杠机构和卷筒机构，实现相关参数的自动测量、计算和存储，并通过参数实现自动分析和控制，智能化程度高，响应迅速。

控制方法：通过该方法可以使装置根据缆径变化实时调整，完成对变径缆的收放操作，全程无需人工参与，算法合理，能同时适用于收缆和放缆过程，控制过程稳定，反馈精确。

附图说明

图1为本发明的控制系统结构示意图。

图2为本发明的缆径检测模块结构示意图。

其中：1、丝杠机构；2、卷筒机构；3、控制机构；4、缆绳；

101、排缆丝杠；102、滑轮；103、丝杠马达；104、丝杠编码器；105、丝杠双向比例阀；

201、储缆卷筒；202、卷筒马达；203、卷筒编码器；204、卷筒双向比例阀；

301、控制器；302、监控主机；303、缆径检测模块；

2011、转轴；

3031、下滚轮；3032、上滚轮；3033、上支架；3034、弹簧；3035、上连接轴；3036、位移传感器；3037、下连接轴；3038、下支架；3039、空腔；30310、卷筒转速pid调节器；30311、同步pid调节器；30312、丝杠转速pid调节器。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本发明包括用于控制缆绳4横向进给的丝杠机构1和用于控制缆绳4旋转缠绕的卷筒机构2，丝杠机构1和卷筒机构2配合完成缆绳4的放缆和收缆运动，还包括控制机构3，控制机构3收集来自丝杠机构1和卷筒机构2的旋转角度信息及缆径信息，通过计算得到并存储缆绳4的各项参数，同时向丝杠机构1和卷筒机构2反馈转速调节指令。

丝杠机构1包括排缆丝杠101，排缆丝杠101上安装沿其直线运动的滑轮102，排缆丝杠101的一端安装用于调节排缆丝杠101转速的丝杠马达103，另一端安装用于传递排缆丝杠101旋转角度信息的丝杠编码器104，丝杠马达103上还连接丝杠双向比例阀105，丝杠双向比例阀105通过控制丝杠马达103的油路开度，调节丝杠马达103的转速。

卷筒机构2包括旋转对称的储缆卷筒201，储缆卷筒201与排缆丝杠101平行设置，沿储缆卷筒201的对称轴穿设转轴2011，转轴2011的一端安装用于驱动储缆卷筒201旋转的卷筒马达202，另一端安装用于传递卷筒马达202旋转角度信息的卷筒编码器203，卷筒马达202上还连接卷筒双向比例阀204，卷筒双向比例阀204通过控制卷筒马达202的油路开度，调节卷筒马达202的转速。

控制机构3包括与缆绳4接触安装的缆径检测模块303，缆径检测模块303用于检测并传递缆径变化，控制机构3还包括控制器301和监控主机302，控制器301分别连接丝杠编码器104、卷筒编码器203和缆径检测模块303，控制器301从丝杠编码器104处获取丝杠马达103的旋转角度信息，从卷筒编码器203获取卷筒马达202的旋转角度信息，从缆径检测模块303处获取缆径变化信息，通过计算将各段缆绳4的参数传递至监控主机302，监控主机302将对应的转速调节指令传回控制器301，控制器301通过丝杠双向比例阀105连接丝杠机构1，将来自监控主机302的转速调节指令传递至丝杠马达103，通过卷筒双向比例阀204连接卷筒机构2，将来自监控主机302的转速调节指令传递至卷筒马达202。

缆径检测模块303包括上下相对设置的上滚轮3032和下滚轮3031，还包括用于固定上滚轮3032的上支架3033和用于固定下滚轮3031的下支架3038，上滚轮3032的中部穿设上连接轴3035，上滚轮3032通过上连接轴3035与上支架3033配合，下滚轮3031的中部穿设下连接轴3037，下滚轮3031通过下连接轴3037与下支架3038配合，上连接轴3035的轴心通过位移传感器3036与下连接轴3037的轴心固接，上连接轴3035的顶部安装弹簧3034，上连接轴3035通过弹簧3034与上支架3033抵接，上支架3033上开设用于容纳弹簧3034的空腔3039。

本发明还包括一种利用面向变径缆绞车控制系统的控制方法，绞车投入使用前可以先采用收缆方式对卷筒进行储缆，首次储缆完成后才能投入使用，且绞车储缆卷筒201和排缆丝杆101的宽度l、卷筒直径d、丝杆螺纹距lc、编码器一圈脉冲数n、目标转速target、采样周期t均已知。在绞车储缆卷筒为空的情况下进行收缆过程中，本发明所提供的控制方法还包括以下步骤：

第一步：参数初始化；

令k＝1，ld(1)＝d，layers＝1，turns(1)＝0，pd＝0，δpd＝0，ps＝0，δps＝0，l(1)＝0，lall＝0；

其中，k为缆绳4的段数；

ld(1)为第一段缆绳4的缆径；

d为当前时刻采集到的缆径；

layers为储缆层数；

turns(1)为第一层中储缆圈数；

pd为缆绳4在储缆卷筒201上的累积横移距离；

δpd为pd的增量；

ps为缆绳4在排缆丝杠101上的累积横移距离；

δps为ps的增量；

l(1)为第一段缆长；

lall为总缆长。

涉及到的缆径值均通过缆径检测模块303测得。

第二步：按设定的周期长度执行收缆或放缆操作，并检测缆径，若缆径发生变化，则跳转第三步，若缆径未发生变化，则跳转第四步；

在下一采样周期到来前应该完成缆径的检测和判断，判断缆径是否发生变化的算法为：

其中，d为当前始时刻采集到的缆径；

ld(k)为第k段缆绳4的缆径。

若满足上式则判断缆径未发生变化，若不满足上式则认为缆径发生了变化。

第三步：更新缆绳4的段数和缆径；

更新算法如下：

其中，k为缆绳(4)的段数；

ld(k)为第k段缆绳(4)的缆径；

d为当前始时刻采集到的缆径。

第四步：结合编码器反馈的数据，计算并存储储缆过程相关参数；

此步骤中所述的编码器指卷筒编码器203，卷筒编码器203反馈的数据为储缆卷筒201运转角度的脉冲增量δnum，

计算参数的过程为：

采用递推法估算缆绳4在储缆卷筒201上的累积横移距离pd：

计算储缆层数：

采用递推法估算卷筒上的储缆层数layers：

第k层储缆卷筒201的外径d(k)的近似计算：

d(layers)＝d(layers-1)+ld(k)；

采用递推法估算卷筒上第k段缆长l(k)：

通过求和得到总缆长lall：

其中，pd为缆绳4在储缆卷筒201上的累积横移距离；

δpd为pd的增量；

n为编码器一圈脉冲数；

ld(k)为第k段缆绳(4)的缆径；

layers为储缆层数；

int()为取整函数，为对向下取整；

turns(k)为第k层中储缆圈数，则turns(layers)为第layers层中储缆圈数；

δturns(k)为第k层的储缆圈数增量，则δturns(layers)为第layers层的储缆圈数增量；

d(k)为第k层储缆卷筒201的外径，则d(layers)为第layers层储缆卷筒201的外径，同理d(layers-1)为第layers-1层储缆卷筒201的外径；

l(k)为第k段缆长；

δl(k)为第k层缆长增量；

π为圆周率；

lall为总缆长。

通过该算法更新了缆绳4在储缆卷筒201上的累积横移距离pd，储缆层数layers，当前储缆层圈数turns(layers)，当前储缆卷筒201的直径，当前缆径储缆长度l(k)，以及当前总缆长lall。

第五步：计算和执行绞车转速控制；

绞车转速控制还包括以下步骤：

a、储缆卷筒201转速控制；

此步骤需计算储缆卷筒201的转速，计算方法如下：

其中，ω为储缆卷筒201的转速；

δnum为储缆卷筒201运转角度的脉冲增量；

n为编码器一圈脉冲数；

t为采样周期。

将目标转速target与计算得到的转速ω作差，将结果作为卷筒转速pid调节器30310(proportional-integral-derivative调节器，即比例-积分-微分调节器)的输入，卷筒转速pid调节器30310为集成在控制器301中的一个组件，除卷筒转速pid调节器30310外，控制器301还集成有同步pid调节器30311和丝杠转速pid调节器30312，本发明中所采用的pid调节器均采用如下计算输出方法：

sout为输出量，

kp为比例系数；

ki为积分系数；

kd为微分系数；

t为时间；

e(t)为t时刻系统设定值减去反馈值，

各pid调节器中e(t)的具体含义分别为：

卷筒转速pid调节器30310：目标转速target减去反馈转速ω，

同步pid调节器30311：缆绳4在储缆卷筒201上的累积横移距离pd减去缆绳4在排缆丝杠101上的累积横移距离ps，

丝杠转速pid调节器30312：同步pid调节器30311的输出值减去当前排缆丝杠101的转速；

此式中的d为微分符号，有别于上述步骤中表示当前始时刻采集到的缆径d。

b、同步控制；

此步骤中需要使用来自丝杆编码器104的数据，丝杠编码器104反馈的数据为排缆丝杠101运转角度的脉冲增量δnum2，

包含如下算法：

其中，ps为缆绳4在排缆丝杠101上的累积横移距离；

δps为ps的增量；

δnum2为排缆丝杠101运转角度的脉冲增量；

n为编码器一圈脉冲数；

lc为丝杆螺纹距。

将缆绳4在储缆卷筒201上的累积横移距离pd与计算得到的缆绳4在排缆丝杠101上的累积横移距离ps作差，作为同步pid调节器30311的输入，同步pid调节器30311计算排缆丝杠101的转速，将计算得到的排缆丝杠101转速记为target_srew。

c、排缆丝杠101转速控制。

将同步pid调节器30311输出值target_srew与当前排缆丝杠101的转速作差，将结果作为丝杠转速pid调节器30312的输入，由丝杆转速pid调节器30312计算并输出期望的丝杠双向比例阀105的开度值。

第六步：判断收缆或放缆操作是否结束，若结束，则跳转第七步，若未结束，则跳转第二步；

第七步：结束收缆或放缆操作，输出第四步中存储的参数。

此处输出的参数主要包含：

储缆层数layers；

各储缆圈数turns(1)、turns(2)，...，turns(layers)；

缆绳4的段数k，各缆径储缆长度l(1)、l(2)，...，l(k)；

以及当前总缆长lall。

本发明中缆径检测模块303的具体工作过程如下：

上支架3034和下支架3039固定，下滚轮3031通过下连接轴3037固定在下支架3038上，上支架3034上开设能使上连接轴3035沿垂向直线滑动的空腔3039，上滚轮3032与上连接轴3035配合，也能随上连接轴3035沿垂向直线滑动。当缆径变粗时，由于下滚轮3031位置固定，上滚轮3032受向上的推力，上滚轮3032向上滑动，弹簧3035压缩，此时位移传感器3036检测上滚轮向上的运动距离，输出对应的电压信号；同理当缆径变细时，下滚轮3032向下滑动，弹簧3035拉伸，位移传感器输出对应的电压信号，对位移传感器发出的信号进行低通滤波处理即可得到所需要的缆径值。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。