本發(fā)明屬于自動(dòng)化控制技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種基于變頻器的防搖設(shè)備及控制方法。
背景技術(shù):
近兩年國內(nèi)正掀起一場自動(dòng)化改造的熱潮,主要目前人力成本越來越高,安全事故帶來的損失也越來越高,而在鋼鐵行業(yè)尤其如此。自動(dòng)化程度越高,配備的人員越少,甚至可以實(shí)現(xiàn)無人化生產(chǎn)。目前在寶鋼內(nèi)部正在普及自動(dòng)化改造,起重機(jī)自動(dòng)化改造是最先要求進(jìn)行的改造項(xiàng)目。而起重機(jī)自動(dòng)化改造,離不開防搖控制設(shè)備,在有人員操作的情況了,起重機(jī)的載荷搖擺可以有操作工通過操作起重機(jī)的運(yùn)行消除搖擺,但在無人化工作時(shí),就只能依靠防搖設(shè)備來防止載荷發(fā)生搖擺。但是目前電子防搖設(shè)備基本都由國外提供,國內(nèi)也有少量防搖產(chǎn)品,但是主要設(shè)備和技術(shù)核心還是掌握在國外廠商手中,從而影響了起重機(jī)整體自動(dòng)化的實(shí)施成本。目前國外產(chǎn)品主要特點(diǎn)是技術(shù)成熟,應(yīng)用廣泛,防搖精度高,更是采用閉環(huán)控制,可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)減搖功能,減搖程度甚至比人工操作更為快捷和穩(wěn)定,但成本卻居高不下。實(shí)際應(yīng)用中,很多自動(dòng)化行車的工藝簡單,定位精度不高,本身電氣設(shè)備成本就很低,為了節(jié)約人力成本,也希望實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè),但進(jìn)口的防搖設(shè)備卻成為了主要制約條件。
現(xiàn)階段,國外防搖設(shè)備都是采樣獨(dú)立CPU來實(shí)現(xiàn)防搖控制,不過最終還是要以控制變頻器的速度和加速度來完成防搖的控制。由于需要高精度防搖,同時(shí)還有對(duì)超出控制的搖擺進(jìn)行減搖控制,所以都需要在吊具上增加有源反射板,在小車底板安裝高清攝像頭。無疑效果非常好,但是成本也非常高,在許多場合并不需要這樣的高精度控制,同時(shí),很多起重機(jī)無法再吊具上安裝有源反射板,這些都將成為自動(dòng)化行車大規(guī)模普及的障礙。
本發(fā)明突破這些限制,無需有源反射板,以單擺為模型,以變頻器為驅(qū)動(dòng)核心,通過CPU運(yùn)算出變頻器的運(yùn)行速度、加速度來實(shí)現(xiàn)防搖控制。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決上述問題,本發(fā)明提供一種基于變頻器的防搖設(shè)備,用于起重機(jī)自動(dòng)化的防搖控制。防搖設(shè)備與起重機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)合,CPU采用起重機(jī)的主CPU,驅(qū)動(dòng)設(shè)備采用起重機(jī)原來的變頻器實(shí)現(xiàn),由于不額外增加設(shè)備,只在自動(dòng)化設(shè)備基礎(chǔ)增加防搖方法實(shí)現(xiàn)防搖控制,所以成本大幅度降低,而工作性能卻可以得到保證,并且對(duì)原起重機(jī)的安全性和穩(wěn)定性都不產(chǎn)生影響。
本發(fā)明的技術(shù)方案:
一種基于變頻器的防搖設(shè)備,該防搖設(shè)備包括CPU、變頻器、定位設(shè)備以及驅(qū)動(dòng)電機(jī);CPU采用起重機(jī)的主CPU,驅(qū)動(dòng)設(shè)備采用起重機(jī)原來的變頻器,定位設(shè)備與CPU以數(shù)據(jù)總線形式相連,驅(qū)動(dòng)電機(jī)與變頻器相連;定位設(shè)備包括用于高度測量的Z坐標(biāo)定位設(shè)備、用于小車位置測量的X坐標(biāo)定位設(shè)備和用于大車位置測量的Y坐標(biāo)定位設(shè)備。
起重機(jī)包括起升機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)和大車機(jī)構(gòu),還包括斷路器、變壓器、電源模塊和中間繼電器,均為常規(guī)配置。起升機(jī)構(gòu)包括變頻器和驅(qū)動(dòng)電機(jī),小車機(jī)構(gòu)包括變頻器和驅(qū)動(dòng)電機(jī),大車機(jī)構(gòu)包括變頻器和兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī);各個(gè)變頻器可以控制起重機(jī)的基本防搖。
該基于變頻器的防搖設(shè)備的控制方法如下:
(1)CPU接到自動(dòng)化運(yùn)行指令之后,根據(jù)小車目標(biāo)位置(X坐標(biāo))和大車目標(biāo)位置(Y坐標(biāo)),已經(jīng)起升的位置(Z坐標(biāo))來計(jì)算整個(gè)行程中大車和小車變頻器的加速度、最大速度,再通過通訊方式將加速度數(shù)據(jù)和運(yùn)行速度數(shù)據(jù)發(fā)送到變頻器;
(2)變頻器根據(jù)這些數(shù)據(jù)開始運(yùn)行,而CPU在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)采用大車和小車位置的信息,然后調(diào)整逆變器的加速度和速度,在保證不搖擺的情況下,確保定位精度不受影響;
(3)將起重機(jī)的載荷作為擺錘,起升高度作為擺長,將起升機(jī)構(gòu)看作一個(gè)單擺模型,根據(jù)單擺模型的物理特性計(jì)算擺動(dòng)夾角和擺動(dòng)速度,計(jì)算運(yùn)行速度和擺動(dòng)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,得到防擺需要的運(yùn)行速度和加速度,從而控制變頻器按照制定的速度和加速度運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)防擺運(yùn)行。
小車和大車雖然為兩個(gè)機(jī)構(gòu),但是可以簡化分解獨(dú)立運(yùn)算,在要求不是很高的場合可以快速進(jìn)行運(yùn)行,達(dá)到理想效果。
本發(fā)明的有益效果是實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化行車的自動(dòng)防搖控制,在多數(shù)要求精度不高的場合可以代替昂貴的進(jìn)口防搖設(shè)備,大幅度降低設(shè)備成本,為自動(dòng)化行車的大范圍應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。
附圖說明
圖1是本發(fā)明電氣系統(tǒng)圖。
圖2是起重機(jī)三維運(yùn)行示意圖。
圖3是起重機(jī)載荷在XY平面的搖擺示意圖。
圖4是起重機(jī)水平運(yùn)行曲線圖1。
圖5是起重機(jī)載荷擺動(dòng)曲線圖。
圖6是起重機(jī)水平運(yùn)行曲線圖2。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。
實(shí)施例:
圖1是本發(fā)明電氣系統(tǒng)圖。U1是起升機(jī)構(gòu)變頻器,M01是起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)。U2是小車機(jī)構(gòu)變頻器,M02是小車機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)。U3是當(dāng)初機(jī)構(gòu)變頻器,M03和M04是當(dāng)初機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī),由于起重機(jī)跨度一般在30~40米,比較長,所以通常采用兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),以防止出現(xiàn)偏斜。A12是PLC系統(tǒng)的CPU,Z坐標(biāo)檢測、X坐標(biāo)檢測、Y坐標(biāo)檢測均為定位檢測設(shè)備,本實(shí)施例不單獨(dú)列舉具體型號(hào),定位檢測設(shè)備品種繁多,不同工況有不同應(yīng)用,最終都是為了實(shí)現(xiàn)位置檢測功能。
圖1中其他設(shè)備為起重機(jī)通用控制設(shè)備,不一一說明。
圖1中U1、U2、U3機(jī)三個(gè)定位設(shè)備運(yùn)與CPU通過通訊總線連接。CPU負(fù)責(zé)運(yùn)行速度和加速度的運(yùn)行,以及起重機(jī)的工藝控制。U1、U2和U3負(fù)責(zé)執(zhí)行CPU的運(yùn)行指令,完成最終的防搖控制。定位設(shè)備為CPU運(yùn)行提供基本位置數(shù)據(jù)。
圖2是三維運(yùn)行示意圖。小車運(yùn)行方向?yàn)閄坐標(biāo),大車運(yùn)行方向?yàn)閅坐標(biāo),起升運(yùn)行方向?yàn)閆坐標(biāo)。在載荷搖擺時(shí),載荷在dX和dY兩個(gè)方向上進(jìn)行擺動(dòng)。雖然起重機(jī)吊鉤都采用多個(gè)滑輪,具有多跟鋼絲繩,當(dāng)鋼絲繩的擺動(dòng)方向一致,而且起重機(jī)在吊運(yùn)載荷時(shí),通常起升高度不是很高,與起升高度相比,鋼絲繩的單根搖擺的影響可以忽略,這個(gè)吊鉤仍然可以看做為一個(gè)單擺模型。
圖3是起重機(jī)載荷在XY平面的搖擺示意圖。圖3是圖2中吊鉤搖擺的簡化示意圖,吊鉤可以看做為一個(gè)擺球,在大小車運(yùn)行時(shí),會(huì)產(chǎn)生在dX和dY方向上的擺動(dòng)。擺動(dòng)夾角分別為α和θ。雖然載荷的搖擺有小車和大車運(yùn)行共同作業(yè)產(chǎn)生,但可以分解為XZ平面和YZ平面上的擺動(dòng),并且擺動(dòng)規(guī)律相同,所以可以分別計(jì)算兩個(gè)平面上的運(yùn)行速度和加速度,然后分別控制小車和大車的運(yùn)行即可實(shí)現(xiàn)載荷的防搖。下面以YZ平面為例進(jìn)行討論(即大車運(yùn)行規(guī)律)。
起重機(jī)水平運(yùn)行規(guī)律在文獻(xiàn)《橋式起重機(jī)水平運(yùn)行及抓斗擺動(dòng)規(guī)律研究》當(dāng)中已經(jīng)有詳細(xì)計(jì)算,根據(jù)該文件當(dāng)起重機(jī)安裝圖4速度曲線進(jìn)行運(yùn)行時(shí),其載荷的擺動(dòng)規(guī)律如圖5所示。加速時(shí)擺角θ、擺速ω沿L+經(jīng)過tA變化到A點(diǎn),減速時(shí)沿圖中的L-'線經(jīng)過(tB-tA)變化到B點(diǎn),這時(shí)的θ、ω不可能都為零,也就是沒有實(shí)現(xiàn)消擺。若要實(shí)現(xiàn)消擺,最后減速時(shí)載荷的擺動(dòng)變化應(yīng)沿L-到達(dá)原點(diǎn),L+與L-是關(guān)于ω軸對(duì)稱的,那么點(diǎn)A有一個(gè)關(guān)于ω軸的對(duì)稱點(diǎn)A′在Γ-上,若由點(diǎn)A′開始減速,經(jīng)過時(shí)間(tB-tA)則可實(shí)現(xiàn)消擺。所以減速前應(yīng)使擺動(dòng)位置由A點(diǎn)變化到A′點(diǎn),解決辦法是在點(diǎn)A使加速度變?yōu)榱?,沿L0經(jīng)過一段勻速時(shí)間到達(dá)點(diǎn)A′,如圖5所示。同時(shí)調(diào)整加速時(shí)間,使運(yùn)行距離與目標(biāo)距離相同。即起重機(jī)必須按照?qǐng)D6的水平運(yùn)行曲線去運(yùn)行,才能實(shí)現(xiàn)防搖。
當(dāng)加速時(shí)間確定后,勻速時(shí)間和減速時(shí)間就確定了。目標(biāo)距離與加速時(shí)間成正比例。根據(jù)現(xiàn)場和電動(dòng)機(jī)功率大小起重機(jī)有一最高限速Vm,決定加速時(shí)間有一最大值tm。假設(shè)基于tm的運(yùn)行距離為Sm,當(dāng)目標(biāo)距離大于Sm時(shí),由于加速時(shí)間不能再增加。只有增加勻速時(shí)間。若增加的時(shí)間恰好為抓斗擺動(dòng)周期整數(shù)倍,則不會(huì)影響消擺過程。
目前已經(jīng)有諸多文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)說明和計(jì)算,本發(fā)明不在詳細(xì)說明實(shí)現(xiàn)防擺時(shí)對(duì)加速度、減速時(shí)間、勻速時(shí)間的計(jì)算過程。
目前變頻器已經(jīng)在起重機(jī)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)中大范圍普及,因?yàn)樽冾l器在交流異步電動(dòng)機(jī)上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)高精度的閉環(huán)矢量控制,即給定加速度、給定速度可以與輸出加速度、輸出速度的誤差非常小,所以在防搖控制系統(tǒng)中,最終的執(zhí)行環(huán)節(jié)采用變頻器實(shí)現(xiàn)將節(jié)省大量的實(shí)時(shí)運(yùn)算,CPU主要簡單的將初始值進(jìn)行計(jì)算即可通過變頻器的精確執(zhí)行實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的防搖控制。具體實(shí)現(xiàn)流程如下,依然以大車的運(yùn)行為例。
根據(jù)上位機(jī)的工作指令,CPU根據(jù)大車目標(biāo)位置和當(dāng)前位置的距離,最終計(jì)算得到運(yùn)行大車的最大速度為Vm,加速度為a,加速時(shí)間為t1,減速時(shí)間與加速時(shí)間相等,t3=t1,勻速時(shí)間為t2。通過通訊控制,將數(shù)據(jù)發(fā)送到大車變頻器,大車變頻器按照指定加速度a運(yùn)行t1時(shí)間,然后進(jìn)入勻速狀態(tài),以速度Vm運(yùn)行t2時(shí)間,然后以加速度-a進(jìn)行減速運(yùn)行,運(yùn)行時(shí)間為t3,最終大車停止。此時(shí)YZ平面上載荷的擺動(dòng)量dY應(yīng)該趨于0。從而實(shí)現(xiàn)大車運(yùn)行時(shí)的防擺。
小車的計(jì)算與大車相同,依據(jù)以上描述通用可以實(shí)現(xiàn)在XZ平面上的防搖。這樣即可以以變頻器為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)起重機(jī)大車和小車在XY平面上的防搖。