專利名稱：一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制技術(shù)，特別涉及一種自航全回轉(zhuǎn)
起重船起重機(jī)的反饋控制系統(tǒng)以及一種適合起重機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定控制的控制方法。
背景技術(shù)：
隨著海洋資源開發(fā)的發(fā)展，海洋油氣與海洋勘探平臺(tái)、海洋打撈工程、跨海大橋建 設(shè)持續(xù)不斷增加，海上大型工程作業(yè)對大型自航全回轉(zhuǎn)起重船工程施工的需求大量增加， 并且施工使用的起重船越來越趨于大型化。在海上，起重船作業(yè)過程是一個(gè)龐大而復(fù)雜的 系統(tǒng)工程，作業(yè)時(shí)起重功能由船上的起重機(jī)大型鋼結(jié)構(gòu)與電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)完成，作業(yè)過 程系統(tǒng)的狀態(tài)變化大，作業(yè)環(huán)境非常復(fù)雜、成本高，在短時(shí)間內(nèi)起吊數(shù)千噸重物，將在短時(shí) 間內(nèi)使船舶排水量急劇增加數(shù)千噸之多，對起重船的安全影響很大，由此帶來在起重作業(yè) 過程中操作者工作強(qiáng)度大、緊張度高。起重機(jī)的安全運(yùn)行對于海上作業(yè)的成功完成起到主 要作用，系統(tǒng)的安全保護(hù)面臨高要求。全回轉(zhuǎn)起重機(jī)工作過程影響船舶的各個(gè)方面，以起重 機(jī)為主，結(jié)合起重過程相關(guān)的船舶壓載水系統(tǒng)、船舶錨泊定位系統(tǒng)進(jìn)行多重安全保護(hù)十分 有必要。 目前微控制器在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用受到廣泛重 視，自動(dòng)控制技術(shù)成為提高生產(chǎn)率和保障安全的有效手段。自航全回轉(zhuǎn)巨型起重船機(jī)械結(jié) 構(gòu)、電氣控制復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量大，控制系統(tǒng)執(zhí)行器件的分布相距有較長的距離，給工程作業(yè) 安全保障帶來了困難?；诂F(xiàn)場總線的分布式控制技術(shù)成為復(fù)雜系統(tǒng)自動(dòng)控制與安全保護(hù) 的基礎(chǔ)；應(yīng)用工業(yè)PC機(jī)、微控制器及其現(xiàn)場總線的軟/硬件技術(shù)進(jìn)行自航全回轉(zhuǎn)巨型起重 船起重機(jī)的安全保護(hù)值得研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有的自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)在控制方面所存在的問題，而提 供一種能對自航全回轉(zhuǎn)巨型起重船的海上作業(yè)過程進(jìn)行反饋控制的系統(tǒng)和方法，以此提供 起重船的安全保護(hù)和進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)構(gòu)成以自航起重船的起重控制為主，結(jié)合船舶壓 載控制與錨泊控制，產(chǎn)生安全協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；將自航起重船的3個(gè)控制子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起 來，通過協(xié)調(diào)控制器進(jìn)行重物起吊過程的船舶穩(wěn)性實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證起重船作業(yè)過程的安全。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案 —種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)、起重控
制子系統(tǒng)、壓載控制子系統(tǒng)、錨泊控制子系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)，所述協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)通過現(xiàn)場總
線分別對起重控制子系統(tǒng)、壓載控制子系統(tǒng)、錨泊控制子系統(tǒng)進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)控制。 所述協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)由上位工控PC機(jī)和作為核心控制器的實(shí)時(shí)微控制器組成；
PC機(jī)與微控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，并由微控制器通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)對外控制。 所述起重控制子系統(tǒng)包括操控主令控制器組、微控制器1、工業(yè)控制PC機(jī)1、系統(tǒng)
狀態(tài)檢測顯示儀表、起升控制及其雙變頻器組、變幅控制及其雙變頻器組、回轉(zhuǎn)控制及其變
5頻器組、檢測傳感器組與信號變送器、安全保護(hù)與報(bào)警裝置，設(shè)備之間通過現(xiàn)場總線進(jìn)行聯(lián)
接，實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳遞，同時(shí)使多變頻器組、多執(zhí)行電機(jī)實(shí)行同步工作。 所述操控主令控制器組傳輸控制命令到微控制器I，微控制器I分別通過起升控
制及其雙變頻器組、變幅控制及其雙變頻器組、回轉(zhuǎn)控制及其變頻器組、檢測傳感器組與信
號變送器、安全保護(hù)與報(bào)警裝置對起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)中的起升電機(jī)組、變幅電機(jī)組、全回轉(zhuǎn)電機(jī)
群以及起重結(jié)構(gòu)傳感器組進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)起重過程的協(xié)調(diào)閉環(huán)反饋控制。 所述顯示儀表實(shí)現(xiàn)信息的共享。 所述起重結(jié)構(gòu)傳感器組配置模擬量、開關(guān)量傳感器，模擬量傳感器獲取的信號用于各種定量計(jì)算，開關(guān)量傳感器獲取的信號用于邏輯判斷，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過采集的信號計(jì)算與判斷，確認(rèn)起重船是否處于安全工作狀態(tài)；同時(shí)該傳感器組還配置重力、張力、扭矩、角度、速度、位置檢測傳感器，起到對起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)狀態(tài)的檢測、安全限位與控制作用，檢測被吊重物的起重情況。 所述壓載控制子系統(tǒng)包括壓載泵和液壓給水閥控制開關(guān)組、微控制器11、工業(yè)控制PC機(jī)II、檢測顯示儀表、水泵電機(jī)控制以及軟起動(dòng)器組、液壓驅(qū)動(dòng)裝置、水位檢測傳感器組與信號變送器、保護(hù)與報(bào)警裝置，設(shè)備之間通過現(xiàn)場總線進(jìn)行聯(lián)接，可以實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳遞。 所述控制開關(guān)組將控制命令傳至微控制器II，該控制器將根據(jù)命令通過水泵電機(jī)控制以及軟起動(dòng)器組、液壓驅(qū)動(dòng)裝置、水位檢測傳感器組與信號變送器、保護(hù)與報(bào)警裝置分別對壓載水艙與管系內(nèi)的水泵機(jī)組、給水閥以及水位傳感器組進(jìn)行控制，形成一個(gè)閉環(huán)反饋控制和監(jiān)視系統(tǒng)。 所述檢測顯示儀表實(shí)現(xiàn)信息的共享。 所述水位傳感器組中配置模擬量、開關(guān)量傳感器，模擬量傳感器獲取的信號用于各種定量計(jì)算，開關(guān)量傳感器獲取的信號用于邏輯判斷，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過采集的信號計(jì)算與判斷，確認(rèn)起重船是否處于安全工作狀態(tài)；該傳感器組還配置壓載泵流量、壓載艙水位檢測傳感器，用于實(shí)時(shí)計(jì)算船舶壓載與平衡情況。 所述錨泊控制子系統(tǒng)包括錨泊信號給定電位器組、微控制器III、工業(yè)控制PC機(jī)ni、圖解檢測顯示屏、船舶GPS定位檢測與顯示器、錨泊控制及其變頻器組、檢測傳感器組與信號變送器、保護(hù)與報(bào)警裝置，設(shè)備之間通過現(xiàn)場總線進(jìn)行聯(lián)接，可以實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳遞。 所述給定電位器組將信號傳至微控制器III，該控制器通過錨泊控制及其變頻器組控制船體上的錨泊電機(jī)組，并通過保護(hù)與報(bào)警裝置、檢測傳感器組與信號變送器接受錨泊傳感器組和船舶GPS上的信息實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制和監(jiān)視。 所述圖解板顯示屏進(jìn)行信息共享，同時(shí)船舶GPS定位檢測與顯示器接受船位信息并顯示出來。 所述錨泊傳感器組配置模擬量、開關(guān)量傳感器，模擬量傳感器獲取的信號用于各種定量計(jì)算，開關(guān)量傳感器獲取的信號用于邏輯判斷，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過采集的信號計(jì)算與判斷，確認(rèn)起重船是否處于安全工作狀態(tài)；該傳感器組還配置張力、扭矩、速度、船舶吃水檢測傳感器，并與船舶GPS信號聯(lián)接，能獲取實(shí)時(shí)的船舶位置信號，用于計(jì)算船位變化。
基于上述自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)的控制方法，該方法是在自航起重船整體的起重機(jī)構(gòu)、壓載系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)中分別配置各類合適的傳感器組，使自航起重船的起重控制、壓載控制、錨泊控制形成3個(gè)并行的內(nèi)閉環(huán)控制回路，并通過將起重船的穩(wěn)心控制在船舶穩(wěn)性的安全區(qū)域范圍內(nèi)為目標(biāo)的外閉環(huán)控制回路對3個(gè)并行的內(nèi)閉環(huán)控制回路進(jìn)總體行協(xié)調(diào)控制，從而形成多閉環(huán)回路的反饋控制方法。 所述3個(gè)并行的內(nèi)閉環(huán)控制回路為起重控制子系統(tǒng)閉環(huán)控制回路、壓載控制子系
統(tǒng)閉環(huán)控制回路、錨泊控制子系統(tǒng)閉環(huán)控制回路。 所述起重控制子系統(tǒng)閉環(huán)控制回路通過以下步驟實(shí)現(xiàn) (1A)主令控制器組發(fā)出起重機(jī)操控指令，輸入到微控制器； (2A)微控制器同時(shí)接收協(xié)調(diào)控制器的輸出指令，經(jīng)過計(jì)算與邏輯判斷后輸出執(zhí)行指令給執(zhí)行電機(jī)群，作用到被控對象起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)，完成起重功能； (3A)起重機(jī)構(gòu)狀態(tài)傳感器組檢測起重機(jī)狀態(tài)，反饋到比較器與協(xié)調(diào)控制器的輸出指令比較，產(chǎn)生偏差量，同時(shí)形成閉環(huán)反饋。
所述壓載控制子系統(tǒng)閉環(huán)控制回路通過以下步驟實(shí)現(xiàn) (1B)自動(dòng)控制時(shí)協(xié)調(diào)控制器發(fā)出指令，手動(dòng)控制時(shí)指令由控制開關(guān)組發(fā)出，輸入到微控制器； (2B)微控制器同時(shí)接收協(xié)調(diào)控制器的輸出指令，計(jì)算與邏輯判斷后輸出執(zhí)行指令
給電動(dòng)泵與液壓閥，作用到壓載水的管系與水艙，完成壓載水調(diào)控任務(wù)； (3B)壓載水系統(tǒng)狀態(tài)由水位檢測傳感器組檢測，反饋到比較器與協(xié)調(diào)控制器的輸
出指令比較，產(chǎn)生偏差量，同時(shí)形成閉環(huán)反饋。 所述錨泊控制子系統(tǒng)閉環(huán)控制回路通過以下步驟實(shí)現(xiàn) (1C)自動(dòng)控制時(shí)協(xié)調(diào)控制器發(fā)出指令，手動(dòng)控制時(shí)指令由信號給定電位器組發(fā)出，輸入到微控制器； (2C)微控制器同時(shí)接收協(xié)調(diào)控制器的輸出指令，計(jì)算與邏輯判斷后輸出執(zhí)行指令
給執(zhí)行電機(jī)群，作用到被控對象船舶大力錨與船體，完成錨泊控制功能； (3C)錨泊定位狀態(tài)由船舶定位檢測裝置檢測，反饋到比較器與協(xié)調(diào)控制器的輸出
指令比較，產(chǎn)生偏差量，同時(shí)形成閉環(huán)反饋。 所述外閉環(huán)控制回路通過以下步驟實(shí)現(xiàn) (1)由起重機(jī)構(gòu)狀態(tài)傳感器組檢測起重機(jī)狀態(tài)、壓載水系統(tǒng)水位檢測傳感器組檢測壓載狀態(tài)、船舶定位狀態(tài)檢測裝置檢測船舶位置； (2)將檢測到的信息共同輸入到船舶穩(wěn)性機(jī)算單元進(jìn)行計(jì)算，該單元的輸出反饋到比較單元，與穩(wěn)性給定狀態(tài)比較產(chǎn)生偏差，輸入到協(xié)調(diào)控制器； (3)協(xié)調(diào)控制器分別輸出起重協(xié)調(diào)指令、壓載協(xié)調(diào)指令、錨泊協(xié)調(diào)指令給3個(gè)并行的內(nèi)閉環(huán)控制回路，最終形成起重船穩(wěn)性自動(dòng)控制的閉環(huán)控制回路。 根據(jù)上述技術(shù)方案得到的本發(fā)明能夠使得自航全回轉(zhuǎn)巨型起重船通過協(xié)調(diào)控制進(jìn)行安全保護(hù)與綜合控制，可以對重物的起重過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測與控制，對于防止工作人員的誤操作有實(shí)際意義。系統(tǒng)以現(xiàn)場總線為分布式控制的基礎(chǔ)，使控制器之間具有冗余功能，對于提高系統(tǒng)的可靠性有價(jià)值；對于驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行電機(jī)的同步運(yùn)行有價(jià)值。當(dāng)控制系統(tǒng)的控制器運(yùn)行先進(jìn)的控制算法時(shí)，可以使起吊過程更加平穩(wěn)，以確保船舶的穩(wěn)心始終在穩(wěn)性允許的區(qū)域內(nèi)，對船舶的安全有意義；3個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)綜合控制，使起重船成為一個(gè)有機(jī)
7的結(jié)合體，從而使起重機(jī)構(gòu)更好地發(fā)揮重物的起吊功能，在提高生產(chǎn)效率和保障安全方面將取得良好的效果。微控制器與工業(yè)PC機(jī)結(jié)合的控制方式，有利于進(jìn)行先進(jìn)控制算法的計(jì)算，當(dāng)控制系統(tǒng)運(yùn)用具有預(yù)測功能的算法時(shí)，可以對起重過程中的重物位置變化、船舶的穩(wěn)心變化進(jìn)行預(yù)測，提前預(yù)告不安全情況，做到防患于未然。


以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
來進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖1為本發(fā)明中控制系統(tǒng)的組成示意圖。
圖2為本發(fā)明中控制方法的示意框圖。
具體實(shí)施例方式
為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。 本發(fā)明建立一種能對自航全回轉(zhuǎn)巨型起重船的海上作業(yè)過程進(jìn)行反饋控制的方法，以此提供起重船的安全保護(hù)和進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)構(gòu)成以自航起重船的起重控制為主，結(jié)合船舶壓載控制與錨泊控制，產(chǎn)生安全協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；將自航起重船的3個(gè)控制子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，通過協(xié)調(diào)控制器進(jìn)行重物起吊過程的船舶穩(wěn)性實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證起重船作業(yè)過程的安全。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是將自航全回轉(zhuǎn)巨型起重船的起重機(jī)構(gòu)、壓載系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)3個(gè)控制系統(tǒng)集成于一個(gè)系統(tǒng)，按協(xié)調(diào)控制原則進(jìn)行綜合控制與安全保護(hù)。在自航起重船整體的起重機(jī)構(gòu)、壓載系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)中分別配置各類合適的傳感器組，使自航起重船的起重控制、壓載控制、錨泊控制形成3個(gè)并行的閉環(huán)反饋；在此基礎(chǔ)上增加協(xié)調(diào)控制器，對3個(gè)子系統(tǒng)傳感器組采集的相關(guān)信號進(jìn)行計(jì)算，以將起重船的穩(wěn)心控制在船舶穩(wěn)性的安全區(qū)域范圍內(nèi)為目標(biāo)，運(yùn)用協(xié)調(diào)控制器對3個(gè)子系統(tǒng)的操作、控制進(jìn)行監(jiān)督與設(shè)定指令給定，最終起到安全保護(hù)控制作用。 在上述技術(shù)方案原理的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的具體實(shí)施分為兩部分系統(tǒng)部分和控制方法部分 首先系統(tǒng)部分如圖1所示， 該系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)、起重控制子系統(tǒng)、壓載控制子系統(tǒng)、錨泊控制子系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)，所述協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線分別對起重控制子系統(tǒng)、壓載控制子系統(tǒng)、錨泊控制子系統(tǒng)進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)控制。 協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)由上位工控PC機(jī)2和作為核心控制器的實(shí)時(shí)微控制器1組成；PC機(jī)2與微控制器1之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，并由微控制器通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)對外控制。
起重控制子系統(tǒng)包括操控主令控制器組3、微控制器14、工業(yè)控制PC機(jī)5、系統(tǒng)狀態(tài)檢測顯示儀表6、起升控制及其雙變頻器組16、變幅控制及其雙變頻器組17、回轉(zhuǎn)控制及其變頻器組18、機(jī)構(gòu)檢測保護(hù)與報(bào)警裝置19，設(shè)備之間通過現(xiàn)場總線進(jìn)行聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳遞，同時(shí)使多變頻器組、多執(zhí)行電機(jī)實(shí)行同步工作。同時(shí)操控主令控制器組3傳輸控制命令到微控制器4，微控制器4分別通過起升控制及其雙變頻器組16、變幅控制及其雙變頻器組17、回轉(zhuǎn)控制及其變頻器組18、機(jī)構(gòu)檢測保護(hù)與報(bào)警裝置19對起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)中的起升電機(jī)組27、變幅電機(jī)組28、全回轉(zhuǎn)電機(jī)群29以及起重結(jié)構(gòu)傳感器組30進(jìn)行控制和接受信號，實(shí)現(xiàn)起重過程的協(xié)調(diào)閉環(huán)反饋控制。所述顯示儀表6實(shí)現(xiàn)信息的共享。
壓載控制子系統(tǒng)包括壓載泵和液壓給水閥控制開關(guān)組12、微控制器13、工業(yè)控制PC機(jī)14、液位顯示儀表15、水泵電機(jī)控制及其軟起動(dòng)器組23、液壓驅(qū)動(dòng)裝置24、液位檢測與保護(hù)裝置25，設(shè)備之間通過現(xiàn)場總線進(jìn)行聯(lián)接，可以實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳遞。該控制開關(guān)組12將控制命令傳至微控制器13，該控制器將根據(jù)命令通過水泵電機(jī)控制以及軟起動(dòng)器組23、液壓驅(qū)動(dòng)裝置24、液位檢測與保護(hù)裝置25分別對壓載水艙與管系內(nèi)的水泵機(jī)組34、給水閥35以及水位傳感器組36進(jìn)行控制和接受信號，形成一個(gè)閉環(huán)反饋控制和監(jiān)視系統(tǒng)。同時(shí)液位顯示儀表15實(shí)現(xiàn)信息的共享。 所述錨泊控制子系統(tǒng)包括錨泊信號給定電位器組7 、微控制器8 、工業(yè)控制PC機(jī)9 、圖解檢測顯示屏11、船位顯示儀表10、錨泊控制及其變頻器組20、錨泊檢測與報(bào)警裝置21、船位檢測變送器22，設(shè)備之間通過現(xiàn)場總線進(jìn)行聯(lián)接，可以實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳遞。該給定電位器組7將信號傳至微控制器8，該控制器通過錨泊控制及其變頻器組20控制船體上的錨泊電機(jī)組31，并通過錨泊檢測與報(bào)警裝置21、船位檢測變送器22接受錨泊傳感器組32和船舶GPS33上的信息實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制和監(jiān)視。同時(shí)圖解板顯示屏11進(jìn)行信息共享，同時(shí)船位顯示儀表10接受船位信息并顯示出來。 同時(shí)自航全回轉(zhuǎn)巨型起重船傳感器根據(jù)需要配置模擬量、開關(guān)量傳感器，模擬量
傳感器獲取的信號用于各種定量計(jì)算，開關(guān)量傳感器獲取的信號用于邏輯判斷，協(xié)調(diào)控制
系統(tǒng)通過采集的信號計(jì)算與判斷，確認(rèn)起重船是否處于安全工作狀態(tài)。 起重機(jī)構(gòu)配置重力、張力、扭矩、角度、速度、位置檢測傳感器，起到對起重機(jī)鋼結(jié)
構(gòu)狀態(tài)的檢測、安全限位與控制作用，檢測被吊重物的起重情況。壓載系統(tǒng)配置壓載泵流
量、壓載艙水位檢測傳感器，用于實(shí)時(shí)計(jì)算船舶壓載與平衡情況。錨泊系統(tǒng)配置張力、扭矩、
速度、船舶吃水檢測傳感器，并與船舶GPS信號聯(lián)接，能獲取實(shí)時(shí)的船舶位置信號，用于計(jì)
算船位變化；全部的檢測參數(shù)可以計(jì)算出起重船的穩(wěn)心位置。 根據(jù)上述技術(shù)方案得到的系統(tǒng)工作過程如下 自航全回轉(zhuǎn)巨型起重船26的起吊過程中船舶的穩(wěn)性受起重機(jī)構(gòu)、錨泊機(jī)構(gòu)和壓載水系統(tǒng)的作用最大。起重機(jī)操控人員通過主令控制器組3發(fā)出對起重機(jī)的操控指令，該指令經(jīng)過微控制器4的模擬量或數(shù)字量輸入口輸入到微控制器4，微控制器4進(jìn)行計(jì)算與判斷，輸出分類執(zhí)行信號，通過現(xiàn)場總線分別傳輸給起升控制及其雙變頻器組16、變幅控制及其雙變頻器組17、回轉(zhuǎn)控制及其變頻器組18，控制巨型起重船26的起升電機(jī)組27、變幅電機(jī)組28、全回轉(zhuǎn)電機(jī)群29工作，改變起重機(jī)作業(yè)狀態(tài)，完成起重任務(wù)；其中的全回轉(zhuǎn)電機(jī)群29中的并行執(zhí)行電機(jī)通過同步信號實(shí)施同步運(yùn)行；起重機(jī)構(gòu)的狀態(tài)由傳感器組30檢測，通過檢測機(jī)構(gòu)19將信號傳送到現(xiàn)場總線，提供給微控制器1與4、顯示儀表6進(jìn)行信息共享，最終形成起重過程的協(xié)調(diào)閉環(huán)反饋控制。 依賴于工控PC機(jī)2的設(shè)定，錨泊控制與壓載控制可以工作在自動(dòng)與手動(dòng)作業(yè)裝態(tài)。當(dāng)工作在自動(dòng)狀態(tài)，船舶的定位要求可以通過工控PC機(jī)2或工控PC機(jī)9設(shè)定，壓載要求可以通過工控PC機(jī)2或工控PC機(jī)14設(shè)定。通過工控PC機(jī)2設(shè)定的信號需要通過微控制器1將指令通過現(xiàn)場總線傳給微控制器8和微控制器13進(jìn)行控制。自動(dòng)控制的執(zhí)行過程與手動(dòng)控制類似。
當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)；錨泊定位信號由給定電位器組7發(fā)出，該信號通過微控 制器8的模擬量或數(shù)字量輸入口輸入到微控制器8，微控制器8通過計(jì)算與判斷，輸出執(zhí)行 信號，通過現(xiàn)場總線傳輸給錨泊控制及其變頻器組20，控制錨泊電機(jī)組31運(yùn)行，改變船舶 的錨泊狀態(tài)；船舶的錨泊狀態(tài)通過錨泊傳感器組32檢測，輸入到錨泊檢測與報(bào)警裝置21， 21將信號傳送到現(xiàn)場總線，提供給微控制器1與8、圖解板顯示屏11進(jìn)行信息共享，形成錨 泊閉環(huán)反饋控制。船位信號受到船舶GPS定位系統(tǒng)的監(jiān)視，船位信號由船舶GPS單元33檢 測到，傳送到現(xiàn)場總線，提供給微控制器1與8、船位顯示儀表10共享，形成閉環(huán)反饋，同時(shí) 起到監(jiān)視的作用。當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，壓載控制信號由控制開關(guān)組12發(fā)出，該信號經(jīng) 過微控制器13的數(shù)字量輸入口輸入到微控制器13，微控制器13經(jīng)過計(jì)算與判斷，輸出執(zhí)行 信號，通過現(xiàn)場總線傳輸給水泵電機(jī)控制及其軟起動(dòng)器組23，控制水泵電機(jī)組34運(yùn)行；同 時(shí)通過現(xiàn)場總線控制液壓驅(qū)動(dòng)裝置24，控制給水閥35的開與關(guān)，改變各壓載艙的水位，改 變船舶的壓載狀態(tài)；船舶的壓載狀態(tài)由水位傳感器組36檢測，傳送給液位檢測與保護(hù)裝置 25，傳送到現(xiàn)場總線，提供給微控制器1與13、液位顯示儀表15進(jìn)行信息共享，形成閉環(huán)反 饋并起到監(jiān)視作用。 —種與上述系統(tǒng)配套使用的閉環(huán)控制控制工作過程如圖2所示
系統(tǒng)的控制形成局部控制的3個(gè)并行內(nèi)閉環(huán)和總體協(xié)調(diào)控制的1個(gè)外閉環(huán)；3個(gè) 內(nèi)閉環(huán)分別是起重控制子系統(tǒng)閉環(huán)、壓載控制子系統(tǒng)閉環(huán)、錨泊控制子系統(tǒng)閉環(huán)1個(gè)外閉 環(huán)是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)閉環(huán)；3個(gè)內(nèi)閉環(huán)在外閉環(huán)中形成并行控制結(jié)構(gòu)。 起重控制閉環(huán)子系統(tǒng)的起重機(jī)操控指令由主令控制器組202發(fā)出，輸入到微控制 器203，微控制器203同時(shí)接收綜合協(xié)調(diào)控制器209的輸出指令，經(jīng)過計(jì)算與邏輯判斷后輸 出執(zhí)行指令給執(zhí)行電機(jī)群204(含起升、變幅和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)群)，作用到被控對象起 重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)205，完成起重功能；起重機(jī)構(gòu)狀態(tài)傳感器組206檢測起重機(jī)狀態(tài)，反饋到比較 器201與綜合協(xié)調(diào)控制器209的輸出指令比較，產(chǎn)生偏差量，同時(shí)形成閉環(huán)反饋。
對于壓載控制閉環(huán)子系統(tǒng)，自動(dòng)控制時(shí)指令由綜合協(xié)調(diào)控制器209發(fā)出，手動(dòng)控 制時(shí)指令由控制開關(guān)組211發(fā)出，輸入到微控制器212，微控制器212同時(shí)接收綜合協(xié)調(diào)控 制器209的輸出指令，計(jì)算與邏輯判斷后輸出執(zhí)行指令給電動(dòng)泵與液壓閥213，作用到壓載 水的管系與水艙，完成壓載水調(diào)控任務(wù)；壓載水系統(tǒng)狀態(tài)由水位檢測傳感器組215檢測，反 饋到比較器210與綜合協(xié)調(diào)控制器209的輸出指令比較，產(chǎn)生偏差量，同時(shí)形成閉環(huán)反饋。
對于錨泊控制閉環(huán)子系統(tǒng)，自動(dòng)控制時(shí)指令由綜合協(xié)調(diào)控制器209發(fā)出，手動(dòng)控 制時(shí)指令由信號給定電位器組217發(fā)出，輸入到微控制器218，微控制器218同時(shí)接收綜合 協(xié)調(diào)控制器209的輸出指令，計(jì)算與邏輯判斷后輸出執(zhí)行指令給執(zhí)行電機(jī)群219，作用到被 控對象船舶大力錨與船體，完成錨泊控制功能；錨泊定位狀態(tài)由船舶定位檢測裝置221檢 測，反饋到比較器216與綜合協(xié)調(diào)控制器209的輸出指令比較，產(chǎn)生偏差量，同時(shí)形成閉環(huán) 反饋。 對于外閉環(huán)，由起重機(jī)構(gòu)狀態(tài)傳感器組206檢測起重機(jī)狀態(tài)、壓載水系統(tǒng)水位檢 測傳感器組215檢測壓載狀態(tài)、錨泊定位狀態(tài)檢測裝置221檢測船舶位置，并共同輸入到船 舶穩(wěn)性機(jī)算單元222進(jìn)行計(jì)算，222的輸出反饋到比較單元208，與穩(wěn)性給定狀態(tài)比較產(chǎn)生 偏差，輸入到綜合協(xié)調(diào)控制器209，綜合協(xié)調(diào)控制器209分別輸出起重協(xié)調(diào)指令、壓載協(xié)調(diào) 指令、錨泊協(xié)調(diào)指令給3個(gè)內(nèi)控制環(huán)，最終形成起重船穩(wěn)性自動(dòng)控制(外)閉環(huán)?？刂破?br> 10209、203、212與218運(yùn)算優(yōu)化的控制算法將對于起重船系統(tǒng)的穩(wěn)性控制起到非常重要的作 用。 以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變 化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等效物界定。
權(quán)利要求
一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)、起重控制子系統(tǒng)、壓載控制子系統(tǒng)、錨泊控制子系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)，其特征在于，所述協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線分別對起重控制子系統(tǒng)、壓載控制子系統(tǒng)、錨泊控制子系統(tǒng)進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)由上位工控PC機(jī)和作為核心控制器的實(shí)時(shí)微控制器組成；PC機(jī)與微控 制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，并由微控制器通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述起重控制子系統(tǒng)包括操控主令控制器組、微控制器1、工業(yè)控制PC機(jī)1、系統(tǒng)狀態(tài)檢測顯 示儀表、起升控制及其雙變頻器組、變幅控制及其雙變頻器組、回轉(zhuǎn)控制及其變頻器組、檢 測傳感器組與信號變送器、安全保護(hù)與報(bào)警裝置，設(shè)備之間通過現(xiàn)場總線進(jìn)行聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)信 息的雙向傳遞，同時(shí)使多變頻器組、多執(zhí)行電機(jī)實(shí)行同步工作。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述操控主令控制器組傳輸控制命令到微控制器I，微控制器I分別通過起升控制及其雙變 頻器組、變幅控制及其雙變頻器組、回轉(zhuǎn)控制及其變頻器組、檢測傳感器組與信號變送器、 安全保護(hù)與報(bào)警裝置對起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)中的起升電機(jī)組、變幅電機(jī)組、全回轉(zhuǎn)電機(jī)群以及起 重結(jié)構(gòu)傳感器組進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)起重過程的協(xié)調(diào)閉環(huán)反饋控制。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述顯示儀表實(shí)現(xiàn)信息的共享。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述起重結(jié)構(gòu)傳感器組配置模擬量、開關(guān)量傳感器，模擬量傳感器獲取的信號用于各種定量 計(jì)算，開關(guān)量傳感器獲取的信號用于邏輯判斷，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過采集的信號計(jì)算與判斷， 確認(rèn)起重船是否處于安全工作狀態(tài)；同時(shí)該傳感器組還配置重力、張力、扭矩、角度、速度、 位置檢測傳感器，起到對起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)狀態(tài)的檢測、安全限位與控制作用，檢測被吊重物的 起重情況。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述壓載控制子系統(tǒng)包括壓載泵和液壓給水閥控制開關(guān)組、微控制器11、工業(yè)控制PC機(jī)II、 檢測顯示儀表、水泵電機(jī)控制以及軟起動(dòng)器組、液壓驅(qū)動(dòng)裝置、水位檢測傳感器組與信號變 送器、保護(hù)與報(bào)警裝置，設(shè)備之間通過現(xiàn)場總線進(jìn)行聯(lián)接，可以實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳遞。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述控制開關(guān)組將控制命令傳至微控制器II，該控制器將根據(jù)命令通過水泵電機(jī)控制以及軟 起動(dòng)器組、液壓驅(qū)動(dòng)裝置、水位檢測傳感器組與信號變送器、保護(hù)與報(bào)警裝置分別對壓載水 艙與管系內(nèi)的水泵機(jī)組、給水閥以及水位傳感器組進(jìn)行控制，形成一個(gè)閉環(huán)反饋控制和監(jiān) 視系統(tǒng)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述檢測顯示儀表實(shí)現(xiàn)信息的共享。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述水位傳感器組中配置模擬量、開關(guān)量傳感器，模擬量傳感器獲取的信號用于各種定量計(jì) 算，開關(guān)量傳感器獲取的信號用于邏輯判斷，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過采集的信號計(jì)算與判斷，確認(rèn)起重船是否處于安全工作狀態(tài)；該傳感器組還配置壓載泵流量、壓載艙水位檢測傳感器， 用于實(shí)時(shí)計(jì)算船舶壓載與平衡情況。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述錨泊控制子系統(tǒng)包括錨泊信號給定電位器組、微控制器ni、工業(yè)控制PC機(jī)III、圖解檢測顯示屏、船舶GPS定位檢測與顯示器、錨泊控制及其變頻器組、檢測傳感器組與信號變送 器、保護(hù)與報(bào)警裝置，設(shè)備之間通過現(xiàn)場總線進(jìn)行聯(lián)接，可以實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳遞。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述給定電位器組將信號傳至微控制器III，該控制器通過錨泊控制及其變頻器組控制船 體上的錨泊電機(jī)組，并通過保護(hù)與報(bào)警裝置、檢測傳感器組與信號變送器接受錨泊傳感器 組和船舶GPS上的信息實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制和監(jiān)視。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述圖解板顯示屏進(jìn)行信息共享，同時(shí)船舶GPS定位檢測與顯示器接受船位信息并顯示出 來。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述錨泊傳感器組配置模擬量、開關(guān)量傳感器，模擬量傳感器獲取的信號用于各種定量計(jì) 算，開關(guān)量傳感器獲取的信號用于邏輯判斷，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過采集的信號計(jì)算與判斷，確 認(rèn)起重船是否處于安全工作狀態(tài)；該傳感器組還配置張力、扭矩、速度、船舶吃水檢測傳感 器，并與船舶GPS信號聯(lián)接，能獲取實(shí)時(shí)的船舶位置信號，用于計(jì)算船位變化。
15. 基于上述自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，該方法是 在自航起重船整體的起重機(jī)構(gòu)、壓載系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)中分別配置各類合適的傳感器組，使自 航起重船的起重控制、壓載控制、錨泊控制形成3個(gè)并行的內(nèi)閉環(huán)控制回路，并通過將起重 船的穩(wěn)心控制在船舶穩(wěn)性的安全區(qū)域范圍內(nèi)為目標(biāo)的外閉環(huán)控制回路對3個(gè)并行的內(nèi)閉 環(huán)控制回路進(jìn)行整體協(xié)調(diào)控制，從而形成多閉環(huán)回路的反饋控制方法。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制方法，其特征在于， 所述3個(gè)并行的內(nèi)閉環(huán)控制回路為起重控制子系統(tǒng)閉環(huán)控制回路、壓載控制子系統(tǒng)閉環(huán)控 制回路、錨泊控制子系統(tǒng)閉環(huán)控制回路。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制方法，其特征在于， 所述起重控制子系統(tǒng)閉環(huán)控制回路通過以下步驟實(shí)現(xiàn)(IA) 主令控制器組發(fā)出起重機(jī)操控指令，輸入到微控制器；(2A)微控制器同時(shí)接收協(xié)調(diào)控制器的輸出指令，經(jīng)過計(jì)算與邏輯判斷后輸出執(zhí)行指令 給執(zhí)行電機(jī)群，作用到被控對象起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)，完成起重功能；(3A)起重機(jī)構(gòu)狀態(tài)傳感器組檢測起重機(jī)狀態(tài)，反饋到比較器與協(xié)調(diào)控制器的輸出指令 比較，產(chǎn)生偏差量，同時(shí)形成閉環(huán)反饋。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制方法，其特征在于， 所述壓載控制子系統(tǒng)閉環(huán)控制回路通過以下步驟實(shí)現(xiàn)(IB) 自動(dòng)控制時(shí)協(xié)調(diào)控制器發(fā)出指令，手動(dòng)控制時(shí)指令由控制開關(guān)組發(fā)出，輸入到微 控制器；(2B)微控制器同時(shí)接收協(xié)調(diào)控制器的輸出指令，計(jì)算與邏輯判斷后輸出執(zhí)行指令給電 動(dòng)泵與液壓閥，作用到壓載水的管系與水艙，完成壓載水調(diào)控任務(wù)；(3B)壓載水系統(tǒng)狀態(tài)由水位檢測傳感器組檢測，反饋到比較器與協(xié)調(diào)控制器的輸出指 令比較，產(chǎn)生偏差量，同時(shí)形成閉環(huán)反饋。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制方法，其特征在于， 所述錨泊控制子系統(tǒng)閉環(huán)控制回路通過以下步驟實(shí)現(xiàn)(1C)自動(dòng)控制時(shí)協(xié)調(diào)控制器發(fā)出指令，手動(dòng)控制時(shí)指令由信號給定電位器組發(fā)出，輸 入到微控制器；(2C)微控制器同時(shí)接收協(xié)調(diào)控制器的輸出指令，計(jì)算與邏輯判斷后輸出執(zhí)行指令給執(zhí) 行電機(jī)群，作用到被控對象船舶大力錨與船體，完成錨泊控制功能；(3C)錨泊定位狀態(tài)由船舶定位檢測裝置檢測，反饋到比較器與協(xié)調(diào)控制器的輸出指令 比較，產(chǎn)生偏差量，同時(shí)形成閉環(huán)反饋。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制方法，其特征在于， 所述外閉環(huán)控制回路通過以下步驟實(shí)現(xiàn)(1) 由起重機(jī)構(gòu)狀態(tài)傳感器組檢測起重機(jī)狀態(tài)、壓載水系統(tǒng)水位檢測傳感器組檢測壓 載狀態(tài)、船舶定位狀態(tài)檢測裝置檢測船舶位置；(2) 將檢測到的信息共同輸入到船舶穩(wěn)性機(jī)算單元進(jìn)行計(jì)算，該單元的輸出反饋到比 較單元，與穩(wěn)性給定狀態(tài)比較產(chǎn)生偏差，輸入到協(xié)調(diào)控制器；(3) 協(xié)調(diào)控制器分別輸出起重協(xié)調(diào)指令、壓載協(xié)調(diào)指令、錨泊協(xié)調(diào)指令給3個(gè)并行的內(nèi) 閉環(huán)控制回路，最終形成起重船穩(wěn)性自動(dòng)控制的閉環(huán)控制回路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自航全回轉(zhuǎn)起重船起重機(jī)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線分別對起重控制子系統(tǒng)、壓載控制子系統(tǒng)、錨泊控制子系統(tǒng)進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)控制。該系統(tǒng)的控制方法，該方法是使自航起重船的起重控制、壓載控制、錨泊控制形成3個(gè)并行的內(nèi)閉環(huán)控制回路，并通過外閉環(huán)控制回路對3個(gè)并行的內(nèi)閉環(huán)控制回路進(jìn)行整體的協(xié)調(diào)控制。本發(fā)明能夠使得自航全回轉(zhuǎn)巨型起重船通過協(xié)調(diào)控制進(jìn)行安全保護(hù)與綜合控制，可以對重物的起重過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測與控制，對于防止工作人員的誤操作有實(shí)際意義。
文檔編號B66C23/88GK101704477SQ200810043840
公開日2010年5月12日 申請日期2008年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日
發(fā)明者宓為建, 施偉鋒, 施振華, 沈柳鋒, 費(fèi)國 申請人:上海海事大學(xué);上海振華港口機(jī)械(集團(tuán))股份有限公司