CN107500136B - 海洋吊机自动控制*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海洋吊机自动控制***，包括管理层S1、功能层S2、数据处理层S3、执行层S4，管理层S1分为用户、维护人员和管理人员三种类型，根据不同的使用权限划分各自可用的功能，据此开放三类数据库供不同的管理对象使用，发出相应的指令；功能层S2向上与管理层S1相接，接收管理层S1的指令，向下与数据处理层S3相连，并向数据处理层S3发出和反馈信号或命令；数据处理层S3分为电力配送子***和逻辑控制子***；执行层S4接受数据处理层S3的控制，完成最终的动作。本发明的***，使用iCrane智能控制***，便于网络管理、维护以及快速升级，整体提升海洋吊机系列产品的智能化水平。

Description

海洋吊机自动控制***
技术领域
本发明属于自动化控制技术领域，涉及一种海洋吊机自动控制***。
背景技术
iCrane(intelligent crane)智能吊机，海洋平台吊机是海洋钻采平台及工程船舶配套的特种起吊作业设备，在海洋工程和海上油田开发中有着重要作用。海洋平台吊机自动控制***是海洋平台吊机的关键组成部分。现阶段海洋平台吊机控制***正逐步发展成为包含动力供配、信号采集、运动控制、安全保护、监测报警等多功能为一体的高度集成***。海洋平台吊机需要满足多种复杂工况要求，涵盖变幅、回转、提升下放等常规工况，载人及恒张力等特殊工况，对控制***稳定性、安全性以及操作性等都有严苛的要求。由于缺乏统一规划，设计、配套、施工等环节都存在随意性，甚至同一公司生产的同系列产品，在性能、外观、备件等方面都相对孤立，产品间的设计和物资储备不能共享，核心技术沉淀缓慢，更不具备网络管理、快速升级的能力。为了促进海洋吊机产品高效发展，加快系列化进程，本发明提出海洋吊机自动控制***，具备这种理念的产品不仅安全可靠性极大提升，还可实现信息共享、远程服务、快速匹配和替换升级等各种高端功能，并带来可观的经济效益。
发明内容
本发明的目的是提供一种海洋吊机自动控制***，解决了现有海洋吊机控制***中由于缺乏统一规划和管理而导致的设计、配套、施工等环节存在随意性，甚至同一公司生产的同系列产品，在性能、外观、备件方面都相对孤立的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种海洋吊机自动控制***，包括4个层级，分别是管理层S1、功能层S2、数据处理层S3、执行层S4，
管理层S1分为用户、维护人员和管理人员三种类型，管理层S1处于顶端，根据不同的使用权限划分各自可用的功能，据此开放三类数据库供不同的管理对象使用，发出相应的指令；
功能层S2向上与管理层S1相接，接收管理层S1的指令，向下与数据处理层S3相连，并向数据处理层S3发出和反馈信号或命令；
数据处理层S3分为电力配送子***和逻辑控制子***；
执行层S4接受数据处理层S3的控制，完成最终的动作。
本发明的海洋吊机自动控制***，其特征还在于：所述的功能层S2包含电源控制、信号采集、安全保护、监测报警、逻辑控制五个功能模块，
电源控制包含电源的分配及控制，具备常规电源与应急电源的切换；
信号采集包含吊机所有的信号反馈接收与网络通信转换，按照网络信号、数字信号和模拟信号分别进行采集与处理；
安全保护包括涉及安全可靠性的各项重要功能，1)电力配送子***中的安全保护措施，包括应急电源、急停保护、应急照明、辅助通讯设备，此类保护措施均由硬件机构直接实现，不受软件控制；2)逻辑控制子***中的安全保护措施，包括主/辅钩防碰保护、变幅位置保护、***过载保护、回转区域保护，此类保护措施主要依靠软件程序做出判断而启动；
监测报警包含吊机的各项报警信息的启动与记录，预设报警条件和触发条件，按需求制定报警级别并写入日志；
逻辑控制包含吊机的各项逻辑控制。
所述的电力配送子***中，包括一个配电板，该配电板中设置有常规+应急两种供电结构，该配电板分别与照明设备、温控设备、监视设备、辅助设备、备用设备连接。
所述的逻辑控制子***中，包括中央控制器，中央控制器分别连接有显示单元及操作单元及辅助控制器，显示单元及操作单元、中央控制器及辅助控制器均与控制电源分配模块和应急控制电路连接。
所述的控制电源分配模块将海洋平台交流电制转换为直流电制并分配至各设备；应急控制电路中设置各类急停回路；显示单元包含显示器及触摸屏；操作单元包含手柄及操作按钮。
所述的执行层S4包含电液复合传动单元、变频或直驱传动单元、传感检测单元，电液复合传动单元与液压执行设备控制连接，变频或直驱传动单元与电力执行设备控制连接。
所述的传感检测单元的布局是，在回转支承钢丝绳变幅式海洋平台吊机上，角度仪安装在主臂上，角度仪检测吊机变幅角度；主钩限位开关安装在主钩钢丝绳与主臂之间，辅钩限位开关安装在辅钩钢丝绳与主臂之间，主钩限位开关和辅钩限位开关分别感知吊钩碰撞，采用机械式重锤或电子感应方式；板式拉力计安装在主钩钢丝绳上，板式拉力计用来检测主钩钢丝绳拉力；测力销安装在辅钩钢丝绳上，测力销用来检测辅钩吊重。
本发明的有益效果是，提出海洋吊机自动控制***采用iCrane智能吊机的概念，用于对海洋吊机控制***进行规范化设计和管理；使用iCrane智能控制***，使海洋吊机系列化产品设计和物资储备共享，有利于技术沉淀，便于网络管理、维护以及快速升级，整体提升海洋吊机系列产品的智能化水平。
附图说明
图1为本发明的***模型架构图；
图2为本发明实施例采用电液复合传动单元控制原理图；
图3为本发明实施例的传感检测单元布局示意图。
图中，1.角度仪，2.主钩限位开关，3.辅钩限位开关，4.板式拉力计，5.测力销，6.电源控制，7.信号采集，8.安全保护，9.监测报警，10.逻辑控制，11.照明设备，12.温控设备，13.监视设备，14.辅助设备，15.备用设备，16.配电板，17.控制电源分配模块，18.应急控制电路，19.显示单元，20.操作单元，21.网络组件，22.远程控制器，23.中央控制器，24.辅助控制器，25.电液复合传动单元，26.变频或直驱传动单元，27.传感检测单元，28.液压执行设备，29.电力执行设备，30.电磁阀，31.液压马达，32.绞车，
S1表示管理层，S2表示功能层，S3表示数据处理层，S4表示执行层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明的海洋吊机自动控制***(或简称iCrane智能控制***)，包括4个层级，分别是管理层S1、功能层S2、数据处理层S3、执行层S4，
管理层S1分为用户、维护人员和管理人员三种类型，管理层S1处于顶端，根据不同的使用权限划分各自可用的功能，据此开放三类数据库供不同的管理对象使用，发出相应的指令；
功能层S2包含电源控制6、信号采集7、安全保护8、监测报警9、逻辑控制10五个功能模块，该五个功能模块各自的功能及设置如下：
电源控制6(功能模块)包含电源的分配及控制，结合海洋平台自身电制开展详细设计，具备常规电源与应急电源的切换，并且考虑到了吊机的旋转部件对电力输送产生的影响；
信号采集7(功能模块)包含吊机所有的信号反馈接收与网络通信转换，按照网络信号、数字信号和模拟信号分别进行采集与处理；
安全保护8(功能模块)包括涉及安全可靠性的各项重要功能，1)电力配送子***中的安全保护措施，包括应急电源、急停保护、应急照明、辅助通讯设备，此类保护措施均由硬件机构直接实现，不受软件控制，软件失效后这些安全保护措施都可以正常启动完成保护，有效提升了海洋平台吊机的安全可靠性。2)逻辑控制子***中的安全保护措施，包括主/辅钩防碰保护、变幅位置保护、***过载保护、回转区域保护，此类保护措施主要依靠软件程序做出判断而启动；如果用户有超高的安全性要求，不允许这类保护在CPU软件故障时失效，则可以配备双CPU冗余***，最大化的保证海洋平台吊机的安全可靠性。
监测报警9(功能模块)包含吊机的各项报警信息的启动与记录，预设报警条件和触发条件，按需求制定报警级别并写入日志。报警分为两类，一类通过硬件实现，如火灾报警装置，通常独立配置第三方套件，自带扬声器和警示灯；另一类通过软件实现，靠蜂鸣器或指示灯等小型元件发声发光，如油温、油位及各运动速度超限报警。为防止吊机在运行过程中突然停止对***造成冲击，可以在软件中设置两级报警机制，即设置预报警功能，使两级报警在发声频率和灯光颜色上加以区别，有效的提示操作者吊机的运动状态。在预报警过程中，iCrane智能控制***自动启动速度保护功能，对相应执行机构运行速度进行减速处理，最终报警触发后再令执行机构运动停止，有效减缓冲击；
逻辑控制10(功能模块)包含吊机的各项逻辑控制，结合液压***设计和用户要求统筹考虑。上述的5个功能模块是有机结合的，例如逻辑控制功能在以上的4个功能模块中都有体现才能达到控制吊机的目的。
功能层S2向上与管理层S1相接，接收管理层S1的指令，向下与数据处理层S3相连，并向数据处理层S3发出和反馈信号或命令；
数据处理层S3分为电力配送子***和逻辑控制子***，在电力配送子***中，包括一个配电板16，该配电板16中设置有常规+应急两种供电结构，该配电板16分别与照明设备11、温控设备12、监视设备13、辅助设备14、备用设备15连接，
在逻辑控制子***中，包括中央控制器23，中央控制器23分别连接有显示单元19、操作单元20及辅助控制器24，还可以扩展连接网络组件21与远程控制器22，显示单元19及操作单元20、中央控制器23及辅助控制器24均与控制电源分配模块17和应急控制电路18连接；控制电源分配模块17将海洋平台交流电制转换为直流电制并分配至各设备；应急控制电路18中设置各类急停回路；显示单元19包含显示器、触摸屏等显示设备；操作单元20包含手柄、操作按钮等元件；网络组件21与远程控制器22是吊机网络化管理选件，根据具体要求配置；中央控制器23是吊机数字化控制的核心元件，可以采用多种形式的工业通用控制器产品，也可以为专用嵌入式处理器，吊机主程序存储在这里，是吊机进行检测、运算、采集、执行等指令的指挥中枢；辅助控制器24可以将一些特殊功能独立出来订制，并有益于中央控制器23的功能扩展；
该数据处理层S3的监视、控制及网络组件21与功能层S2中的部分功能模块不重复，数据处理层S3和功能层S2所处的层级不同，描述角度不同，数据处理层S3描述数据处理设备，功能层S2描述***功能。
执行层S4接受数据处理层S3的控制，完成最终的动作。
执行层S4包含电液复合传动单元25、变频或直驱传动单元26、传感检测单元27，电液复合传动单元25与液压执行设备28控制连接，变频或直驱传动单元26与电力执行设备29控制连接，液压执行设备28和电力执行设备29执行完成最终的动作。
该执行层S4中的传感检测单元27与功能层S2中的部分功能模块不重复，执行层S4和功能层S2所处的层级不同，描述角度不同，执行层S4描述执行设备，功能层S2描述***功能。
图1中的电力配送子***纵向跨过数据处理层S3和执行层S4，电力配送子***通过配电板16，采用常规+应急的方式与照明设备11、温控设备12、监视设备13、辅助设备14、备用设备15连接；照明设备11包含投光灯、泛光灯等；温控设备12包括加热器、温湿度控制器等；监视设备13包括CCTV摄像***、电话***等，辅助设备14包括甚高频传送装置等。这些都是需要按要求具体配置的，本申请只抽象模型，细节设计不在本申请范畴内。
图1中，电力配送子***中由于含有个别数据处理电路(例如温控器)和执行设备(例如照明灯)，所以跨越数据处理层S3和执行层S4。另外，逻辑控制子***同时跨越数据处理层S3，并且还涵盖执行层S4中的逻辑控制部分。
从配电板16引出的两个大箭头分别表示常规与应急电源的供应，逻辑控制子***中的所有用电元件都需要供电，作为iCrane智能控制***集中表示，具体元件根据不同的电制牵引过去即可。
上述的每个单元模块，都能够进行详细的设计规划，根据用户需求将其划分为几种配置方案，例如高配、中配、低配，通过设计、实验等手段对产品的各个环节作出最优化筛选与确认。
上述的每个单元模块，在实际使用时，根据用户特定需求还可以增减相应单元模块。比如个别简装全液压吊机仅配置电力配送子***及应急控制电路18，通过少量继电器和接触器完成控制，无软件，逻辑功能较少，没有运动控制算法，自动化水平不高。大多数海洋平台吊机涉及了iCrane智能控制***中的绝大部分设置，其中逻辑控制子***所在的数据处理层在很大程度上影响着吊机的自动化、智能化水平。
iCrane智能控制***的核心元件为图1中的中央控制器23，该中央控制器23既可以采用多种形式的工业通用控制器产品，也可以设计专用的嵌入式处理器。
本发明装置的实施方式是：
1)iCrane智能控制***按照电压等级将其横向划分为电力配送子***和逻辑控制子***两大部分，其中每一个单元模块都包含了多种形式的自动控制元器件，它们可以采用行业内的成熟产品，也可以采用某公司独立研制的专用个性化设备模块。目前国内外大多数海洋平台吊机生产制造厂商都倾向于应用成熟控制器产品作为核心元件开展设计，只不过控制器选用不同厂家的产品罢了，LIEBHERR等欧美公司使用的控制器多为赫斯默G系列或丹弗斯MC系列、TSC使用西门子S7系列，这些控制器虽然名称和外观各异，但原理相似，都是可编程数字控制产品，具有多年证实的安全、可靠、稳定性，能够有效缩短研发周期，便于现场升级和替换维修。
2)根据吊机整体的结构设计，执行设备传动形式主要分为电液复合传动单元25和变频(或直驱)传动单元26，这两种形式可以单独存在，也可以共同存在。随着传动方式的不同，运动及调速功能实现方法主要包括两种，一是通过液压***调节流量；二是使用变频调速技术。两种方法的运动执行命令均由逻辑控制子***发出，执行动作包括主/辅钩的升降、吊臂变幅、基座回转，以及恒张力和载人运动等。
3)执行设备通过继电器纯硬件控制和软件触发两种自动控制形式实现。吊机在信号有效采集的基础上依靠控制器发送多种输出信号，激发或控制相关元件动作。
参照图2，以采用电液复合传动单元25的吊机为例，中央控制器23发送模拟量信号调节比例放大器(属于电液复合传动单元25)增益，实现运动控制，同时使吊机能够自动调节运动速度，具有很强的灵活性。运动控制原理是：操作手柄将手柄信号(位置状态)转换成电信号传递给中央控制器23(即PLC)，中央控制器23中的AI捕捉手柄信号，经过CPU运算处理后通过AO及功率放大(利用功率放大器)，功率放大后的信号驱动电磁阀30动作，电磁阀30通过流量调节控制液压马达31的转速，液压马达31带动绞车32动作，绞车32上配置的编码器实时测算转速反馈回中央控制器23中的CPU，CPU进一步计算并自动控制功率放大器的输出，电磁阀30的驱动信号随之变化，从而调节了执行机构的运动速度。
参照图3，用于负载监测的传感检测单元27的一种布局是，在回转支承钢丝绳变幅式海洋平台吊机上，角度仪1安装在主臂上，角度仪1检测吊机变幅角度；主钩限位开关2安装在主钩钢丝绳与主臂之间，辅钩限位开关3安装在辅钩钢丝绳与主臂之间，主钩限位开关2和辅钩限位开关3分别感知吊钩碰撞，采用机械式重锤或电子感应方式；板式拉力计4安装在主钩钢丝绳上，板式拉力计4用来检测主钩钢丝绳拉力；测力销5安装在辅钩钢丝绳上，测力销5用来检测辅钩吊重。
海洋平台吊机必须配置多重保护措施保障人身和设备安全，实时检测吊机正常工作、满载、超载、变幅超限等工作状态，在各个运算控制器中测算吊机与设计力矩曲线的偏差，显示、判断危险工况并报警，以便启动过载保护等安全措施。运算处理器有两种设置方式，一种是集成在中央控制器23中，节省安装空间，集成化程度高；另一种是作为辅助控制器24的独立配置，仅在需要时与中央控制器23进行信息交互，独立配置方式可靠性高，程序单独执行，不受主控***的影响。安全保护及报警功能涉及iCrane智能控制***的各个层面。传感检测单元27是iCrane智能控制***中的关键环节之一，传感检测精度及反应速度直接影响控制***的质量安全。
按照iCrane智能控制***的架构，安全保护措施分为两类：
1)电力配送子***中的安全保护措施，包括应急电源、急停保护、应急照明、辅助通讯设备等。此类保护措施均由硬件***直接实现，不受软件控制，软件失效后这些安全保护措施都可以正常启动完成保护，有效提升海洋平台吊机安全可靠性。
2)逻辑控制子***中的安全保护措施，包括主/辅钩防碰保护、变幅位置保护、***过载保护、回转区域保护等。此类保护措施主要依靠软件程序做出判断而启动。如果用户有超高的安全性要求，不允许这类保护在CPU软件故障时失效，则可以配备双CPU冗余***，最大化的保证海洋平台吊机的安全可靠性。
以上两类安全保护措施产生两类报警。一类通过硬件实现，如火灾报警装置，通常独立配置第三方套件，自带扬声器和警示灯；另一类通过软件实现，靠蜂鸣器或指示灯等小型元件发声发光，如油温、油位及各运动速度超限报警等。为防止吊机在运行过程中突然停止对***造成冲击，可以在软件中设置两级报警机制，即设置预报警功能，使两级报警在发声频率和灯光颜色上加以区别，有效的提示操作者吊机的运动状态。在预报警过程中，iCrane智能控制***自动启动速度保护功能，对相应执行机构运行速度进行减速处理，最终报警触发后再指令执行机构运动停止，有效减缓冲击。
本发明的iCrane智能控制***，不仅极大提升海洋吊机安全可靠性，还可实现信息共享、远程服务、快速匹配和替换升级等各种高端功能，促进吊机产品高效发展，加快系列化进程，并带来可观的经济效益。
本发明的iCrane智能控制***，为高度抽象化的设计模型，图1按层级、功能、数据类型等详细展示了模型的架构。本发明给出了海洋吊机系列产品的总体方案和规范化设计管理方法，业内其他技术人员可使用此模型快速确定技术方案和进行规范化管理，各个模块的详细设计工作是根据明确的控制对象确定的，是不能直接复制的，也并不在本申请的范畴之内。

Claims (6)

1.一种海洋吊机自动控制***，其特征在于：包括4个层级，分别是管理层S1、功能层S2、数据处理层S3、执行层S4，
管理层S1分为用户、维护人员和管理人员三种类型，管理层S1处于顶端，根据不同的使用权限划分各自可用的功能，据此开放三类数据库供不同的管理对象使用，发出相应的指令；
功能层S2向上与管理层S1相接，接收管理层S1的指令，向下与数据处理层S3相连，并向数据处理层S3发出和反馈信号或命令；
所述的功能层S2包含电源控制(6)、信号采集(7)、安全保护(8)、监测报警(9)、逻辑控制(10)五个功能模块，
电源控制(6)包含电源的分配及控制，具备常规电源与应急电源的切换；信号采集(7)包含吊机所有的信号反馈接收与网络通信转换，按照网络信号、数字信号和模拟信号分别进行采集与处理；安全保护(8)包括涉及安全可靠性的各项重要功能，1)电力配送子***中的安全保护措施，包括应急电源、急停保护、应急照明、辅助通讯设备，此类保护措施均由硬件机构直接实现，不受软件控制；2)逻辑控制子***中的安全保护措施，包括主/辅钩防碰保护、变幅位置保护、***过载保护、回转区域保护，此类保护措施主要依靠软件程序做出判断而启动；监测报警(9)包含吊机的各项报警信息的启动与记录，预设报警条件和触发条件，按需求制定报警级别并写入日志；逻辑控制(10)包含吊机的各项逻辑控制；
数据处理层S3分为电力配送子***和逻辑控制子***；
执行层S4接受数据处理层S3的控制，完成最终的动作。
2.根据权利要求1所述的海洋吊机自动控制***，其特征在于：所述的电力配送子***中，包括一个配电板(16)，该配电板(16)中设置有常规+应急两种供电结构，该配电板(16)分别与照明设备(11)、温控设备(12)、监视设备(13)、辅助设备(14)、备用设备(15)连接。
3.根据权利要求1所述的海洋吊机自动控制***，其特征在于：所述的逻辑控制子***中，包括中央控制器(23)，中央控制器(23)分别连接有显示单元(19)、操作单元(20)及辅助控制器(24)，显示单元(19)及操作单元(20)、中央控制器(23)及辅助控制器(24)均与控制电源分配模块(17)和应急控制电路(18)连接。
4.根据权利要求3所述的海洋吊机自动控制***，其特征在于：所述的控制电源分配模块(17)将海洋平台交流电制转换为直流电制并分配至各设备；应急控制电路(18)中设置各类急停回路；显示单元(19)包含显示器及触摸屏；操作单元(20)包含手柄及操作按钮。
5.根据权利要求1所述的海洋吊机自动控制***，其特征在于：所述的执行层S4包含电液复合传动单元(25)、变频或直驱传动单元(26)、传感检测单元(27)，电液复合传动单元(25)与液压执行设备(28)控制连接，变频或直驱传动单元(26)与电力执行设备(29)控制连接。
6.根据权利要求5所述的海洋吊机自动控制***，其特征在于：所述的传感检测单元(27)的布局是，在回转支承钢丝绳变幅式海洋平台吊机上，角度仪(1)安装在主臂上，角度仪(1)检测吊机变幅角度；主钩限位开关(2)安装在主钩钢丝绳与主臂之间，辅钩限位开关(3)安装在辅钩钢丝绳与主臂之间，主钩限位开关(2)和辅钩限位开关(3)分别感知吊钩碰撞，采用机械式重锤或电子感应方式；板式拉力计(4)安装在主钩钢丝绳上，板式拉力计(4)用来检测主钩钢丝绳拉力；测力销(5)安装在辅钩钢丝绳上，测力销(5)用来检测辅钩吊重。
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