一种气动绞车主动升沉补偿装置及控制方法技术领域
本发明涉及一种气动绞车主动升沉补偿装置，属于机电一体化、传感与测控技术领域，可适用于港口码头、海洋工程等行业。
背景技术
与传统的电动绞车、液压绞车相比，气动绞车功率范围及转速范围均较宽，具有较高的起动转矩，能带载启动。而且更重要的是由于其工作介质是压缩空气，不会引起火灾，具有防爆性能；无漏油隐患，不会对工作环境造成污染，具有绿色环保等特点。
不同于陆地作业，海洋平台由于受风、浪、涌、流的影响，会产生较大幅度的升沉运动，因此绞车等相关作业设备必须要适合海上作业的特点，才能达到安全生产目的。由于国内对气动流体力学研究较少，目前国内的气动绞车还处在开环控制阶段，与电动绞车、液压绞车相比，对其升沉补偿控制的研究开展很少，因而国产气动绞车只能在一些作业要求不高的场合使用，对于深海采油采矿、海洋能源勘探、水下机器人操作与保障等作业要求高的场合，气动绞车无法发挥其固有的优点。
针对国内气动绞车现状，本发明设计了一种气动绞车主动升沉补偿装置，使气动绞车能适用于海洋平台、港口码头的作业，拓宽了气动绞车工作领域。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种结构设计合理，可以通过控制器对气动绞车进行放缆、收缆以及升沉补偿进行控制，能适用于海洋平台、港口码头的作业，拓宽了气动绞车工作领域的气动绞车主动升沉补偿装置及控制方法。
技术方案：本发明所述的一种气动绞车主动升沉补偿装置的控制方法，包括如下：
（1）气动绞车放缆控制：升沉补偿控制器控制进气开关阀、放缆开关阀开通，控制流量比例调节阀为最大开度，打开气源，气动绞车按最大速度放缆；
（2）气动绞车收缆控制：升沉补偿控制器控制进气开关阀、收缆开关阀开通，控制流量比例调节阀为最大开度，打开气源，气动绞车按最大速度收缆；
（3）气动绞车收、放缆速度调节：升沉补偿控制器控制进气开关阀开通，根据当前是收缆还是放缆状态，控制对应的收缆开关阀或放缆开关阀开通，打开气源；升沉补偿控制器再根据控制所需的转速等参数，实时计算所需的进气流量，控制流量比例调节阀输出对应的气体流量，实现对气动马达的调速，从而达到气动绞车收、放缆的速度调节；
（4）气动绞车的升沉补偿控制：CPU模块首先接收通信模块送出的加速度、倾斜角信号，再经计算，得到气动绞车升沉运动的位移、速度、加速度、倾斜角等4个参数；接收A/D采集模块送出的缆长、张力、流量等3个参数，并由缆长参数计算出收放缆速度参数；这8个参数作为升沉补偿智能控制算法的输入参数，由升沉补偿智能控制算法进行分析决策，最终获得运转方向、进气流量等2个输出参数，然后通过进气开关阀、收缆开关阀、放缆开关阀控制气动马达的运转方向，实现气动绞车的收缆或放缆；通过D/A输出模块控制流量比例调节阀的输出流量，以调整气动马达的进气流量，达到气动绞车收放缆的速度调节目的，最终实现气动绞车的升沉补偿。
进一步的，所述气动绞车主动升沉补偿装置，包括绞车状态检测器、流量及方向调节器以及升沉补偿控制器；
所述绞车状态检测器包括加速度传感器、倾角传感器、缆长传感器、张力传感器，以上各传感器将检测到的数据送给升沉补偿控制器，由升沉补偿控制器分析决策，实现气动绞车的升沉补偿；
所述升沉补偿控制器是整个装置的核心部分，由CPU模块、通信模块、A/D采集模块以及D/A输出模块组成；
所述通信模块实现对绞车状态检测器中的加速度传感器、倾角传感器送出的加速度、倾斜角测量信号进行接收，并送给CPU模块进行分析决策；
所述A/D采集模块实现对绞车状态检测器中的缆长传感器、张力传感器送出的缆长、张力测量信号、以及流量及方向调节器中的流量传感器送出的流量信号进行A/D转换，将这些模拟信号转换为数字信号，并送给CPU模块分析决策；
所述D/A输出模块对流量及方向调节器中的流量比例调节阀提供模拟量控制信号，实现进气流量的调节，最终实现对气动马达的转速控制；
所述CPU模块是整个装置的核心单元，CPU模块接收通信模块以及A/D采集模块采集到的各参数，然后进行分析决策，控制流量及方向调节器对气动马达的调节；
所述流量及方向调节器安装在气动绞车上的气动马达的进气口前端，由进气开关阀、流量比例调节阀、流量传感器、收缆开关阀和放缆开关阀组成，所述进气开关阀依次与所述流量比例调节阀、收缆开关阀和放缆开关阀连接，所述流量比例调节阀与所述收缆开关阀和放缆开关阀之间还设有流量传感器，该流量及方向调节器受升沉补偿控制器控制，实现气动绞车气源的开通、关断，进气流量的调节和检测。
进一步的，所述加速度传感器、倾角传感器安装在气动绞车基座底部，实现气动绞车升沉运动的加速度、倾斜角等参数的采集。
进一步的，所述缆长传感器、张力传感器安装在气动绞车排缆机构的检测总成上，以检测缆绳收放时的缆长、张力等参数。
进一步的，所述进气开关阀、收缆开关阀、放缆开关阀、流量比例调节阀均采用电动阀。
进一步的，所述进气开关阀的进气端连接有压缩空气气源。
进一步的，所述CPU模块采用单片机或PLC控制模块。
进一步的，所述CPU模块接收通信模块送出的加速度、倾斜角信号，再经计算，得到气动绞车升沉运动的位移、速度、加速度、倾斜角等4个参数；并接收A/D采集模块送出的缆长、张力、流量等3个参数，并由缆长参数计算出收放缆速度参数；上述8个参数作为升沉补偿智能控制算法的输入参数，由CPU模块进行分析决策，最终获得运转方向、进气流量等2个输出参数，然后通过进气开关阀、收缆开关阀、放缆开关阀控制气动马达的运转方向，实现气动绞车的收缆或放缆；同时通过D/A输出模块控制流量比例调节阀的输出流量，以调整气动马达的进气流量，达到气动绞车收放缆的速度调节目的，最终实现气动绞车的升沉补偿。
有益效果：本发明所述的一种气动绞车主动升沉补偿装置，其结构设计合理，可以通过控制器对气动绞车进行放缆、收缆以及升沉补偿进行控制，能适用于海洋平台、港口码头的作业，拓宽了气动绞车工作领域。
附图说明
图1为本发明的补偿装置系统框图示意图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种气动绞车主动升沉补偿装置，该装置主要由绞车状态检测器、流量及方向调节器、升沉补偿控制器等三大部分组成，具有对气动绞车姿态、缆长、张力的检测、进气流量调节、方向速度控制等功能，整体框图如图1所示。
1、绞车状态检测器
主要由加速度传感器1、倾角传感器2、缆长传感器3、张力传感器4组成，加速度传感器1、倾角传感器2安装在气动绞车基座底部，实现气动绞车升沉运动的加速度、倾斜角等参数的采集；缆长传感器3、张力传感器4安装在气动绞车排缆机构的检测总成上，以检测缆绳收放时的缆长、张力等参数；以上参数送给升沉补偿控制器，由控制器的智能控制算法分析决策，实现气动绞车的升沉补偿。
2、流量及方向调节器
流量及方向调节器安装在气动绞车上的气动马达的进气口前端，主要由进气开关阀5、流量比例调节阀6、流量传感器7、收缆开关阀8、放缆开关阀9等组成，流量及方向调节器受升沉补偿控制器控制，实现气动绞车气源的开通、关断，进气流量的调节和检测等，具体如下：
（1）当需要气动绞车放缆时，升沉补偿控制器控制进气开关阀5、放缆开关阀9开通，控制流量比例调节阀6为最大开度，打开气源，气动绞车按最大速度放缆；
（2）当需要气动绞车收缆时，升沉补偿控制器控制进气开关阀5、收缆开关阀8开通，控制流量比例调节阀6为最大开度，打开气源，气动绞车按最大速度收缆；
（3））当需要对气动绞车收、放缆速度调节时，升沉补偿控制器控制进气开关阀5开通，根据当前是收缆还是放缆状态，控制对应的收缆开关阀8或放缆开关阀9开通，打开气源；升沉补偿控制器再根据控制所需的转速等参数，实时计算所需的进气流量，控制流量比例调节阀6输出对应的气体流量，实现对气动马达的调速，从而达到气动绞车收、放缆的速度调节。
3、升沉补偿控制器
升沉补偿控制器是整个装置的核心部分，由CPU模块10、通信模块11、A/D采集模块12、D/A输出模块13等组成，功能如下：
（1）通信模块11实现对绞车状态检测器中的加速度传感器1、倾角传感器2送出的加速度、倾斜角测量信号进行接收，并送给CPU模块10，供智能控制算法分析决策；
（2）A/D采集模块12实现对绞车状态检测器中的缆长传感器3、张力传感器4送出的缆长、张力测量信号、以及流量及方向调节器中的流量传感器7送出的流量信号进行A/D转换，将这些模拟信号转换为数字信号，并送给CPU模块10，供智能控制算法分析决策；
（3）D/A输出模块13对流量及方向调节器中的流量比例调节阀6提供模拟量控制信号，实现进气流量的调节，最终实现对气动马达的转速控制；
（4）CPU模块10是整个装置的核心单元，CPU模块10首先接收通信模块11送出的加速度、倾斜角信号，再经计算，得到气动绞车升沉运动的位移、速度、加速度、倾斜角等4个参数；接收A/D采集模块12送出的缆长、张力、流量等3个参数，并由缆长参数计算出收放缆速度参数。这8个参数作为升沉补偿智能控制算法的输入参数，由升沉补偿智能控制算法进行分析决策，最终获得运转方向、进气流量等2个输出参数，然后通过进气开关阀5、收缆开关阀8、放缆开关阀9控制气动马达的运转方向，实现气动绞车的收缆或放缆；通过D/A输出模块13控制流量比例调节阀6的输出流量，以调整气动马达的进气流量，达到气动绞车收放缆的速度调节目的，最终实现气动绞车的升沉补偿。
本发明的目的在还在于提供一种气动绞车主动升沉补偿装置的控制方法，其具体的控制方法包括如下：
1、绞车姿态、缆长、张力等参数的获取
加速度传感器1、倾角传感器2实现气动绞车升沉运动的加速度、倾斜角等姿态参数的采集，并由通信模块11接收这些测量信号参数，送给CPU模块10；缆长传感器3、张力传感器4检测缆绳收放时的缆长、张力等信号、流量传感器7检测流量比例调节阀6输出的流量信号，缆长、张力、流量等信号由A/D采集模块12进行A/D转换，转换为数字信号后送给CPU模块10。CPU模块10获取了加速度、倾斜角、缆长、张力、流量等参数后，再经进一步分析计算，最终获取了气动绞车升沉运动的位移、速度、加速度、倾斜角，以及缆长、收放缆速度、张力、出气流量，共8个输入参数，供升沉补偿智能控制算法分析决策。
2.气动绞车放缆控制
升沉补偿控制器控制进气开关阀、放缆开关阀开通，控制流量比例调节阀为最大开度，打开气源，气动绞车按最大速度放缆；
3、气动绞车收缆控制
升沉补偿控制器控制进气开关阀、收缆开关阀开通，控制流量比例调节阀为最大开度，打开气源，气动绞车按最大速度收缆；
4、气动绞车收、放缆速度调节
升沉补偿控制器控制进气开关阀开通，根据当前是收缆还是放缆状态，控制对应的收缆开关阀或放缆开关阀开通，打开气源；升沉补偿控制器再根据控制所需的转速等参数，实时计算所需的进气流量，控制流量比例调节阀输出对应的气体流量，实现对气动马达的调速，从而达到气动绞车收、放缆的速度调节；
5、气动绞车的升沉补偿控制
CPU模块首先接收通信模块送出的加速度、倾斜角信号，再经计算，得到气动绞车升沉运动的位移、速度、加速度、倾斜角等4个参数；接收A/D采集模块送出的缆长、张力、流量等3个参数，并由缆长参数计算出收放缆速度参数；这8个参数作为升沉补偿智能控制算法的输入参数，由升沉补偿智能控制算法进行分析决策，最终获得运转方向、进气流量等2个输出参数，然后通过进气开关阀、收缆开关阀、放缆开关阀控制气动马达的运转方向，实现气动绞车的收缆或放缆；通过D/A输出模块控制流量比例调节阀的输出流量，以调整气动马达的进气流量，达到气动绞车收放缆的速度调节目的，最终实现气动绞车的升沉补偿。
作为上述技术方案的进一步优化：所述进气开关阀5、收缆开关阀8、放缆开关阀9、流量比例调节阀6均采用电动阀，所述进气开关阀的进气端连接有压缩空气气源，所述CPU模块采用单片机或PLC控制模块。
本发明所述的一种气动绞车主动升沉补偿装置，其结构设计合理，可以通过控制器对气动绞车进行放缆、收缆以及升沉补偿进行控制，能适用于海洋平台、港口码头的作业，拓宽了气动绞车工作领域。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。