主动式电动波浪补偿起重机的控制系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种主动式电动波浪补偿起重机的控制系统，包括：波浪补偿计算装置，实时采集和计算波浪补偿数据；手柄数据转换装置，将人工操作指令转换为手柄数据；卷筒控制器，实时采集波浪补偿卷筒的起升限位数据和驱动状态数据，并根据驱动命令控制电动机运转；中央控制器，读取并将波浪补偿数据和手柄数据叠加计算得到合成转速，如果起重机系统的当前运动状态正常，则向卷筒控制器发送包含合成转速的驱动命令以驱动电动机运转。本实用新型专利技术相对于传统的液压驱动控制系统大大提高了驱动效率并同时减小了能源损耗，还利用锂电池和超级电容吸收再生能量，有效降低船舶发电机功率，具有很高的实用价值。

Control system of active electric wave compensation crane

The utility model discloses a control system, an active heave compensation crane includes: electric wave compensation calculation device, real-time data acquisition and calculation of wave compensation data; a data conversion device, the manual instruction is converted to handle data; drum controller, real time acquisition wave compensation drum lifting limit data and driving state data and, according to the driving motor control command; the central controller, read and wave compensation data and handle data calculated by superposition speed, if the current state of motion of the crane system is normal, to drum controller sends contains drive commands to drive the motor running speed synthesis. The utility model is compared with the traditional hydraulic drive control system greatly improves driving efficiency and reduce the energy loss, also use lithium batteries and super capacitors regenerative energy absorption, effectively reduce the generator power, has very high practical value.

【技术实现步骤摘要】
主动式电动波浪补偿起重机的控制系统
本技术涉及海上起重机领域，尤其涉及一种波浪补偿起重机的控制系统，该起重机适用于海面吊装与水下安装。
技术介绍
随着现代海洋工程的大力发展，各种安装于工程船、钻井平台等海洋浮动体上的起重机也应用越来越多。由于海浪等因素的干扰，使安装于浮动体上的起重机也受到干扰，进一步引起相关的起升负载载荷产生相应的干扰运动,从而危及到整个吊装作业的安仝性与精确性。波浪补偿是指因海面起伏引起作业装备产生波动而进行的补偿校正。波浪补偿技术主要应用于海上补给，海洋钻井、深海探测等方面。通过波浪补偿能够大大增强操作人员和吊装设备的安全性以及保证水下安装的精准性，同时减少因为天气因素而带来的作业停工。例如，申请号为CN201210219968.4的中国专利文件提供了一种主动升沉波浪补偿控制系统，包括：起升卷筒、船舶姿态运动传感器、绝对值编码器、张力传感器和补偿设备。起升卷筒安装在离岸起重机上，通过钢丝绳绕过支臂前端的悬挂支点吊装一负载，负载浸没于水面下。船舶姿态运动传感器实时检测船舶升沉运动。绝对值编码器实时检测起升卷筒的运动状况。张力传感器实时检测钢丝绳的动态张力。补偿设备连接到船舶姿态运动传感器、绝对值编码器和张力传感器，补偿设备基于历史数据和实时检测的船舶升沉运动、升卷筒的运动状况和钢丝绳的动态张力的数据计算预测参数，并基于预测参数施加补偿电压于起升卷筒。本专利技术还揭示了一种主动升沉波浪补偿控制方法。基于以上优点，有必要设计一种主动式升沉波浪补偿起重机。目前国际上的主动式波浪补偿起重机的控制系统主要采用液压驱动控制，例如申请号为CN200910056001.7的专利文献就提供了一种超大型浮吊的重载打捞波浪补偿系统，包括机械系统、液压系统、监控系统以及液压油缸和蓄能器的控制等，机械系统由起升卷筒、各套滑轮、钢丝绳、大吨位吊钩组成；液压系统由油缸、蓄能器、液压油泵、液压阀组成；监控系统由浮吊本体位移监测、浮吊船体位移监测、浮吊起吊重物位移监测组成。本专利技术解决了超大型浮吊重载打捞时、重物被吊出水面的瞬间，由于重物体积庞大，海水形成涡流使浮吊船体船倾且摇摆不定，而吊重也随之摇摆，无法控制的问题；以及解决海上吊装大型结构时，波浪对浮吊船体影响导致的海上平台对接困难问题，保证货物着落到船甲板安全或海洋平台安装安全；而且允许船有一定的倾斜，适应海上作业的恶劣工况。然而，上述的液压驱动控制系统和油缸驱动系统具有结构复杂，效率较低，能耗较大等问题。本技术针对上述起重机驱动控制系统的缺点，提出了一种主动式电动波浪补偿起重机的控制系统。
技术实现思路
为了解决上述问题，本技术的目的在于提供一种主动式电动波浪补偿起重机的控制系统，起重机固定于离岸母船上，包括卷筒系统、臂架系统和控制臂架系统的人工操作手柄，卷筒系统包括波浪补偿卷筒、多个驱动波浪补偿卷筒转动的电动机和围绕波浪补偿卷筒的吊装绳，吊装绳连接波浪补偿卷筒和臂架系统，其长度随着波浪补偿卷筒的转动而伸缩，从而控制臂架系统的运动姿态，控制系统包括：波浪补偿计算装置，用于实时采集离岸母船当前的运动数据，并根据运动数据计算波浪补偿数据；手柄数据转换装置，将人工操作手柄输入的指令转换为手柄数据；卷筒控制器，用于实时采集波浪补偿卷筒当前的起升限位数据和驱动状态数据，并根据接收到的驱动命令控制电动机运转；中央控制器，用于读取波浪补偿数据和手柄数据，将波浪补偿数据和手柄数据叠加计算得到合成转速，并读取卷筒控制器中的起升限位数据和驱动状态数据来对起重机的当前运动状态进行判断，如果当前运动状态正常，则向卷筒控制器发送包含合成转速的驱动命令，以驱动电动机运转；如果当前运动状态不正常，则向卷筒控制器发出停机命令，以终止电动机运转。优选地，电动机采用永磁同步大扭矩电机。进一步地，卷筒系统位于离岸母船的船舱内，臂架系统包括起重机臂架、摆动滑轮、改向滑轮和用于吊装重物的吊钩，吊装绳依次连接波浪补偿卷筒、摆动滑轮、改向滑轮和吊钩，其长度随着波浪补偿卷筒的转动而伸缩，从而控制臂架系统的运动姿态。进一步地，臂架系统上还设有臂架控制器和与臂架控制器相连接的臂架编码器，臂架编码器用于记录起重机臂架的俯仰角度，从而计算出臂架系统的幅度数据；臂架控制器读取幅度数据并将之传输给中央控制器。优选地，起重机臂架包括固定于离岸母船的的下筒体、与下筒体通过回转装置连接的上筒体、安装于上筒体的主臂架和与主臂架连接的副臂架；其中，回转装置内设有回转驱动装置和回转编码器，回转编码器用于记录上筒体相对于离岸母船的回转角度，并通过臂架控制器将回转角度传输给中央控制器。进一步地，回转驱动装置采用液压驱动。优选地，卷筒系统的电动机连接于多个逆变器构成的逆变器单元，逆变器单元与卷筒控制器相连接，其中，多个逆变器分别与多个电动机一一对应连接，且多个逆变器共同使用一根直流母线，直流母线连接于外部电源。进一步地，逆变器单元通过现场总线或者工业以太网与卷筒控制器进行数据传输。优选地，卷筒系统还包括整流变压器和将交流电转换为直流电的整流单元，整流变压器通过直流母线连接整流单元前端，整流单元后端通过直流母线与逆变器单元连接。进一步地，卷筒系统还包括整流单元控制器，用于采集整流单元的运行参数，并将运行参数通过卷筒控制器传输给中央控制器。优选地，卷筒系统还包括卷筒编码器，用于计算波浪补偿卷筒的转速和圈数，卷筒编码器通过卷筒控制器连接于中央控制器，并将转速和圈数通过卷筒控制器传输给中央控制器。进一步地，卷筒系统还设有相互连接的电容模块和电容模块控制器，电容模块连接于直流母线上，用于补偿或者吸收电动机的功率，电容模块控制器通过卷筒控制器连接于中央控制器，并将电容模块的功率信号传输给中央控制器。优选地，卷筒系统还设有相互连接的锂电池组模块和电池组模块控制器，锂电池组模块用于持续吸收电动机的再生能量，电池组模块控制器通过卷筒控制器连接于中央控制器，并将锂电池组模块的功率信号传输给中央控制器。进一步地，卷筒系统还设有相互连接的制动电阻模块和电阻模块控制器，制动电阻用于消耗电动机的多余的且无法被电容模块或锂电池组模块吸收的再生能量，电阻模块控制器通过卷筒控制器连接于中央控制器，并将制动电阻模块的功率信号传输给中央控制器。优选地，逆变器单元、电动机和制动电阻模块分别连接于外部的淡水冷却设备来进行热交换，中央控制器连接于淡水冷却设备，并对淡水冷却设备中的水温和流量进行实时监控。卷筒系统进一步地，控制系统还包括连接于波浪补偿计算装置的运动参考单元，运动参考单元用于实时测量离岸母船的升沉信号，并将升沉信号传输给波浪补偿计算装置。优选地，波浪补偿计算装置是根据设定的主动升沉补偿算法和接收到的升沉信号来计算得到波浪补偿数据的。进一步地，臂架系统上还装载有重量传感器，用于检测吊装绳上的负载重量；控制系统还包括力矩限制器系统，用于采集负载重量数据和计算预定方向的额定载重量，当负载重量超过预设比例的额定载重量时，力矩限制系统报警并向中央控制器发出限制运行信号，以限制起重机继续向预定方向运行。优选地，还包括起重机管理系统，起重机管理系统与中央控制器连接，用于接收和存储中央控制器的数据信息。进一步地，起重机管理系统包括显示屏，用于显示中央控制器的数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种主动式电动波浪补偿起重机的控制系统，所述起重机固定于离岸母船上，包括卷筒系统、臂架系统和控制所述臂架系统的人工操作手柄，所述卷筒系统包括波浪补偿卷筒、多个驱动所述波浪补偿卷筒转动的电动机和围绕所述波浪补偿卷筒的吊装绳，所述吊装绳连接所述波浪补偿卷筒和所述臂架系统，其长度随着所述波浪补偿卷筒的转动而伸缩，从而控制所述臂架系统的运动姿态，其特征在于，所述控制系统包括：波浪补偿计算装置，用于实时采集所述离岸母船当前的运动数据，并根据所述运动数据计算波浪补偿数据；手柄数据转换装置，用于将所述人工操作手柄输入的指令转换为手柄数据；卷筒控制器，用于实时采集所述波浪补偿卷筒当前的起升限位数据和驱动状态数据，并根据接收到的驱动命令控制所述电动机运转；中央控制器，用于读取所述波浪补偿数据和所述手柄数据，将所述波浪补偿数据和所述手柄数据叠加计算得到合成转速，并读取所述卷筒控制器中的所述起升限位数据和所述驱动状态数据来对所述起重机的当前运动状态进行判断，如果当前运动状态正常，则向所述卷筒控制器发送包含所述合成转速的所述驱动命令，以驱动所述电动机运转；如果当前运动状态不正常，则向所述卷筒控制器发出停机命令，以终止所述电动机运转。...

【技术特征摘要】
1.一种主动式电动波浪补偿起重机的控制系统，所述起重机固定于离岸母船上，包括卷筒系统、臂架系统和控制所述臂架系统的人工操作手柄，所述卷筒系统包括波浪补偿卷筒、多个驱动所述波浪补偿卷筒转动的电动机和围绕所述波浪补偿卷筒的吊装绳，所述吊装绳连接所述波浪补偿卷筒和所述臂架系统，其长度随着所述波浪补偿卷筒的转动而伸缩，从而控制所述臂架系统的运动姿态，其特征在于，所述控制系统包括：波浪补偿计算装置，用于实时采集所述离岸母船当前的运动数据，并根据所述运动数据计算波浪补偿数据；手柄数据转换装置，用于将所述人工操作手柄输入的指令转换为手柄数据；卷筒控制器，用于实时采集所述波浪补偿卷筒当前的起升限位数据和驱动状态数据，并根据接收到的驱动命令控制所述电动机运转；中央控制器，用于读取所述波浪补偿数据和所述手柄数据，将所述波浪补偿数据和所述手柄数据叠加计算得到合成转速，并读取所述卷筒控制器中的所述起升限位数据和所述驱动状态数据来对所述起重机的当前运动状态进行判断，如果当前运动状态正常，则向所述卷筒控制器发送包含所述合成转速的所述驱动命令，以驱动所述电动机运转；如果当前运动状态不正常，则向所述卷筒控制器发出停机命令，以终止所述电动机运转。2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述电动机采用永磁同步大扭矩电机。3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述卷筒系统位于所述离岸母船的船舱内，所述臂架系统包括起重机臂架、摆动滑轮、改向滑轮和用于吊装重物的吊钩，所述吊装绳依次连接所述波浪补偿卷筒、所述摆动滑轮、所述改向滑轮和所述吊钩，其长度随着所述波浪补偿卷筒的转动而伸缩，从而控制所述臂架系统的运动姿态。4.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述臂架系统上还设有臂架控制器和与所述臂架控制器相连接的臂架编码器，所述臂架编码器用于记录所述起重机臂架的俯仰角度，从而计算出所述臂架系统的幅度数据；所述臂架控制器读取所述幅度数据并将之传输给所述中央控制器。5.如权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述起重机臂架包括固定于所述离岸母船的的下筒体、与所述下筒体通过回转装置连接的上筒体、安装于所述上筒体的主臂架和与所述主臂架连接的副臂架；其中，所述回转装置内设有回转驱动装置和回转编码器，所述回转编码器用于记录所述上筒体相对于所述离岸母船的回转角度，并通过所述臂架控制器将所述回转角度传输给所述中央控制器。6.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述回转驱动装置采用液压驱动。7.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述卷筒系统的所述电动机连接于多个逆变器构成的逆变器单元，所述逆变器单元与所述卷筒控制器相连接，其中，所述多个逆变器分别与多个所述电动机一一对应连接，且所述多个逆变器共同使用一根直流母线，所述直流母线连接于外部电源。8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述逆变器单元通过现场总线或者工业以太网与所述卷筒控制器相连接来进行数据传输。9.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述卷筒系统还包括整流变压器和将交流电转换为直流电的整流单元，所述整流变压器通过所述直流母线连接所述整流单元前端，所述整流单元后端通过所述直流母线与所述逆变器单元连接。10.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述卷筒系统还包括整流单元控制器，用于采集所述整流单元的运行参数，并将所述运行参数通过所述卷筒控制器传输给所述中央控制器。11.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡东伟，程向阳，沈刚，秦方玮，孟旭，褚德英，孔祥川，徐林，刘险峰，
申请(专利权)人：上海振华重工集团股份有限公司，
类型：新型
国别省市：上海,31