基于钢丝绳永久缠绕来控制工业机械的操作.pdf

公开了基于钢丝绳永久缠绕来控制工业机械的操作。一种工业机械，包括铲斗、提升卷筒、连接在提升卷筒和铲斗之间的钢丝绳、提升马达、传感器、和控制器。传感器生成与围绕提升卷筒的钢丝绳的钢丝缠绕数目有关的信号，该信号由控制器接收。基于来自传感器的信号，控制器确定围绕提升卷筒的缠绕钢丝的数目。如果控制器确定围绕提升卷筒的永久缠绕的数目不足，则控制器设定提升马达的一个或多个参数。控制器将提升马达的所述一个或多个参数设定为低于用于所述参数的正常操作值的值。

1.  一种工业机械，包括：
铲斗；
提升卷筒；
连接在所述提升卷筒和所述铲斗之间的钢丝绳，所述钢丝绳具有一定长度；
马达，所述马达具有至少一个操作参数并且被配置成向所述钢丝绳施加力；
传感器，所述传感器能操作成生成与所述钢丝绳的所述长度有关的信号；和
控制器，所述控制器被配置成：
接收与所述钢丝绳的所述长度有关的所述信号，
基于所述信号确定围绕所述提升卷筒的钢丝缠绕的数目，
将围绕所述提升卷筒的所述钢丝缠绕的数目与阈值相比较，
如果围绕所述提升卷筒的所述钢丝缠绕的数目大于或者等于所述阈值，则将所述马达的所述至少一个操作参数设定为第一操作值，和
如果围绕所述提升卷筒的所述钢丝缠绕的数目小于所述阈值，则将所述马达的所述至少一个操作参数设定为第二操作值，所述第二操作值低于所述第一操作值。

2.  根据权利要求1所述的工业机械，其中所述马达是提升马达。

3.  根据权利要求1所述的工业机械，其中所述马达的所述至少一个操作参数是选自下述组中的至少一个操作参数，该组包括：马达速度、马达扭矩和马达缓变速率。

4.  根据权利要求1所述的工业机械，其中所述第二操作值被确定为围绕所述提升卷筒的所述钢丝缠绕的数目的函数。

5.  根据权利要求1所述的工业机械，其中所述传感器是解析器。

6.  根据权利要求5所述的工业机械，其中所述解析器是与所述马达相关联的旋转位移解析器。

7.  根据权利要求5所述的工业机械，其中与所述钢丝绳的所述长度有关的所述信号是与所述解析器的解析器计数有关的信号。

8.  根据权利要求1所述的工业机械，其中所述阈值是用于所述工业机械向所述钢丝绳施加最大可用力的、围绕所述提升卷筒的永久缠绕的最小数目。

9.  一种工业机械，包括：
提升卷筒；
铲斗；
连接在所述提升卷筒和所述铲斗之间的钢丝绳，所述钢丝绳具有从所述提升卷筒延伸的钢丝绳长度；
具有至少一个操作参数的马达；
传感器，所述传感器能操作成生成与从所述提升卷筒延伸的所述钢丝绳长度有关的信号；和
控制器，所述控制器被配置成：
接收与从所述提升卷筒延伸的所述钢丝绳长度有关的信号，
确定从所述提升卷筒延伸的所述钢丝绳长度，
将从所述提升卷筒延伸的所述钢丝绳长度与阈值相比较，
如果从所述提升卷筒延伸的所述钢丝绳长度小于或者等于所述阈值，则将所述马达的所述至少一个操作参数设定为第一操作值，和
如果从所述提升卷筒延伸的所述钢丝绳长度大于所述阈值，则将所述马达的所述至少一个操作参数设定为第二操作值，所述第二操 作值低于所述第一操作值。

10.  根据权利要求9所述的工业机械，其中所述马达是提升马达。

11.  根据权利要求9所述的工业机械，其中所述马达的所述至少一个操作参数是选自下述组中的至少一个操作参数，该组包括：马达速度、马达扭矩和马达缓变速率。

12.  根据权利要求9所述的工业机械，其中所述第二操作值被确定为从所述提升卷筒延伸的所述钢丝绳长度的函数。

13.  根据权利要求9所述的工业机械，其中所述传感器是解析器。

14.  根据权利要求13所述的工业机械，其中所述解析器是与所述马达相关联的旋转位移解析器。

15.  根据权利要求13所述的工业机械，其中与从所述提升卷筒延伸的所述钢丝绳长度有关的所述信号是与所述解析器的解析器计数有关的信号。

16.  根据权利要求9所述的工业机械，其中所述阈值是用于所述工业机械向所述钢丝绳施加最大可用力的、从所述提升卷筒延伸的钢丝绳的最大长度。

17.  一种控制工业机械的马达的方法，所述方法包括：
在处理器处，接收与钢丝绳的长度有关的信号；
在所述处理器处，基于与所述钢丝绳的所述长度有关的所述信号，确定围绕提升卷筒的钢丝缠绕的数目；
在处理器处，将围绕所述提升卷筒的所述钢丝缠绕的数目与阈值相比较；
如果围绕所述提升卷筒的所述钢丝缠绕的数目大于或者等于所述阈值，则使用所述处理器将所述马达的至少一个操作参数设定为第一操作值；和
如果围绕所述提升卷筒的所述钢丝缠绕的数目小于所述阈值，则使用所述处理器将所述马达的所述至少一个操作参数设定为第二操作值，所述第二操作值低于所述第一操作值。

18.  根据权利要求17所述的方法，其中所述马达是提升马达。

19.  根据权利要求17所述的方法，其中所述马达的所述至少一个操作参数是选自下述组中的至少一个操作参数，该组包括：马达速度、马达扭矩和马达缓变速率。

20.  根据权利要求17所述的方法，其中所述第二操作值被确定为围绕所述提升卷筒的所述钢丝缠绕的数目的函数。

21.  根据权利要求17所述的方法，还包括使用解析器来生成与所述钢丝绳的所述长度有关的信号。

22.  根据权利要求21所述的方法，其中所述解析器是与所述马达相关联的旋转位移解析器。

23.  根据权利要求21所述的方法，其中与所述钢丝绳的所述长度有关的所述信号是与所述解析器的解析器计数有关的信号。

24.  根据权利要求17所述的方法，其中所述阈值是用于工业机械向所述钢丝绳施加最大可用力的、围绕所述提升卷筒的永久缠绕的罪小数目。

25.  一种控制工业机械的马达的方法，所述方法包括：
使用处理器确定挖掘循环中铲斗的位置；
使用所述处理器确定所述铲斗的所述位置是否在所述挖掘循环的预定区域之内；
如果所述铲斗的所述位置在所述挖掘循环的所述预定区域之内，则使用所述处理器将所述马达的至少一个操作参数设定为第一操作值，和
如果所述铲斗的所述位置在所述挖掘循环的所述预定区域之外，则使用所述处理器将所述马达的所述至少一个操作参数设定为第二操作值，所述第二操作值大于所述第一操作值。

26.  根据权利要求25所述的方法，其中所述马达是提升马达。

27.  根据权利要求25所述的方法，其中所述马达的所述至少一个操作参数是选自下述组中的至少一个操作参数，该组包括：马达速度、马达扭矩和马达缓变速率。

28.  根据权利要求25所述的方法，其中所述第一操作值被确定为所述铲斗的所述位置的函数。

29.  根据权利要求25所述的方法，其中所述挖掘循环的所述预定区域是所述马达不能向所述钢丝绳施加最大可用力的所述工业机械的所述挖掘循环的部分。

30.  一种工业机械，包括：
铲斗；
提升卷筒；
连接在所述提升卷筒和所述铲斗之间的钢丝绳；
具有至少一个操作参数的启动装置；和
控制器，所述控制器被配置成：
监视与围绕所述提升卷筒的永久缠绕的数目有关的所述工业 机械的参数，和
基于与围绕所述卷筒的所述永久缠绕的数目有关的所述工业机械的所述参数，修改所述启动装置的所述至少一个操作参数。

31.  根据权利要求30所述的工业机械，其中围绕所述卷筒的所述永久缠绕的数目与所述钢丝绳的长度有关。

32.  根据权利要求31所述的工业机械，其中所述马达的所述至少一个操作参数是选自下述组中的至少一个操作参数，该组包括：马达速度、马达扭矩和马达缓变速率。

33.  根据权利要求30所述的工业机械，其中所述启动装置被配置成向所述钢丝绳施加力。

34.  根据权利要求33所述的工业机械，其中所述启动装置的所述至少一个操作参数是施加到所述钢丝绳的所述力。

35.  根据权利要求30所述的工业机械，其中所述控制器被配置成从传感器接收信号，所述信号和与围绕所述卷筒的所述永久缠绕的数目有关的所述工业机械的所述参数相关联。

36.  根据权利要求35所述的工业机械，其中所述传感器是与所述启动装置相关联的解析器。

基于钢丝绳永久缠绕来控制工业机械的操作
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年1月21日提交的申请号为61/929,763的美国专利申请的权益，其全部内容通过引入合并于此。
背景技术
本申请涉及控制诸如电绳或动力铲的工业机械的操作。
发明内容
诸如电绳铲的工业机械被用于执行挖掘操作，以从例如矿山的工作面(a bank of a mine)移除材料。然而，如今存在多种不同的市售的工业机械。由于尺寸、几何形状、作业能力等的不同，用户必须拥有各种不同的机械用于完成不同的任务。
在那些机械当中可能是很多绳铲(rope shovels)。绳铲通常包括钢丝绳和钢丝绳所缠绕的提升卷筒。钢丝绳的端部安装有索环，索环将钢丝绳刚性附接到提升卷筒，并且索环卷曲到钢丝绳的端部上以将索环固定到钢丝绳。然而，索环没有被设计为或能够保持有效负载的整个重量(例如，铲斗、铲斗内的材料、和其重要至少部分由钢丝绳支撑的机械的任何其他组件，等等)。相反，有效负载的重量由围绕提升卷筒的永久缠绕负担(即，钢丝绳围绕提升卷筒持续的旋转)。当负载施加到铲时，永久缠绕围绕卷筒绷紧。卷筒和钢丝绳之间的摩擦将钢丝绳锚定到卷筒，而铲处于操作中以支撑有效负载。
本文中描述的发明的实施例涉及工业机械和用于工业机械的控制系统，控制系统用于调节或控制例如施加到钢丝绳的马达扭矩和速度，使得扭矩和速度与围绕提升卷筒的钢丝绳的多个永久缠绕有关(例如， 成比例)。控制系统允许共同绳长度在不同机械之间使用。通过确定围绕提升卷筒的钢丝缠绕的总数目(即，包括永久缠绕和活动缠绕)，控制系统能够确保足够数目的永久缠绕存在用于给定负载，并且马达扭矩和速度被限制直到足够数目的永久缠绕用于负载。结果，当足够或最小数目的永久缠绕存在于提升卷筒上时，控制系统仅将峰值负载施加到钢丝绳。
另外，通过确保在提升卷筒上总是存在足够数目的钢丝绳永久缠绕，可以使用比另外要求更短的提升绳，因为仅在存在足够数目的永久缠绕支撑钢丝绳上的负载时施加全动力。例如，这允许将对于旧机械来说足够长的钢丝绳用在更新、更大的机械上，而不用担心通过施加钢丝绳和索环不能支撑的负载而可能危害新机械的安全性。
在一个实施例中，本发明提供一种工业机械，该工业机械包括铲斗、提升卷筒、连接在提升卷筒和铲斗之间的钢丝绳、提升马达、传感器、和控制器。传感器生成与钢丝绳的长度或铲斗的位置有关的信号，由控制器接收所述信号。基于来自传感器的信号，控制器确定围绕提升卷筒的钢丝缠绕的总数目、钢丝绳的长度、或铲斗的位置中的一个。如果控制器确定围绕着提升卷筒的永久缠绕数目不足，或铲斗的位置或钢丝绳的长度对应于不足数目的围绕着提升卷筒的永久缠绕，则控制器设定提升马达的一个或多个参数。所述控制器将提升马达的所述一个或多个参数中的每一个设定为低于用于所述参数的正常操作值的值。当控制器确定存在足够数目的围绕提升卷筒的永久缠绕，以向钢丝绳施加正常操作动力时，控制器将所述一个或多个参数重设为正常操作值。
在另一个实施例中，本发明提供一种工业机械，该工业机械包括提升卷筒、铲斗、连接在提升卷筒和铲斗之间的钢丝绳、马达、传感器、和控制器。马达被配置成对钢丝绳施加力并且具有至少一个操作参数。传感器生成与钢丝绳的长度有关的信号，由控制器接收所述信 号。基于来自传感器的信号，控制器确定围绕提升卷筒的缠绕钢丝的总数目，并且将缠绕钢丝的总数目与阈值相比较。如果围绕提升卷筒的缠绕钢丝的总数目大于或等于阈值，则控制器将马达的所述至少一个运行参数设定为第一操作值。如果围绕提升卷筒的缠绕钢丝的总数目小于阈值，则控制器将马达的所述至少一个运行参数设定为第二操作值。第二操作值低于第一操作值。
在另一个实施例中，该发明提供一种工业机械，该工业机械包括提升卷筒、铲斗、连接在提升卷筒和铲斗之间的钢丝绳、具有至少一个操作参数的马达、传感器、和控制器。钢丝绳具有从提升卷筒延伸的钢丝绳长度。传感器生成与从提升卷筒延伸的钢丝绳的长度有关的信号，由控制器接收所述信号。基于来自传感器的信号，控制器确定从提升卷筒延伸的钢丝绳的长度，并且将从提升卷筒延伸的钢丝绳的长度与阈值相比较。如果从提升卷筒延伸的钢丝绳的长度小于或等于阈值，则控制器将马达的所述至少一个运行参数设定为第一操作值。如果从提升卷筒延伸的钢丝绳的长度大于阈值，则控制器将马达的所述至少一个运行参数设定为第二操作值。第二操作值低于第一操作值。
在另一个实施例中，该发明提供一种控制工业机械的马达的方法。该工业机械包括处理器、钢丝绳、和提升卷筒。该方法包括接收与钢丝绳的长度有关的信号，基于钢丝绳的长度确定围绕提升卷筒的缠绕钢丝的数目，并且将围绕提升卷筒的钢丝缠绕的数目与阈值相比较。该方法还包括如果围绕提升卷筒的钢丝缠绕的数目大于或等于阈值，则将马达的所述至少一个操作参数设定为第一操作值。该方法还包括如果围绕提升卷筒的钢丝缠绕的数目小于阈值，则将马达的所述至少一个操作参数设定为第二操作值。第二操作值低于第一操作值。
在另一个实施例中，该发明提供一种控制工业机械的马达的方法。该方法包括使用处理器确定在挖掘循环内铲斗的位置，使用处理器确定铲斗的位置是否在挖掘循环的预定范围内，并且如果铲斗的位置在 挖掘循环的预定范围内，则使用处理器将马达的至少一个操作参数设定为第一操作值。该方法还包括，如果铲斗的位置不在挖掘循环的预定范围内，则使用处理器马达的所述至少一个操作参数设定为第二操作值。第二操作值大于第一操作值。
在另一个实施例中，该发明提供一种工业机械，该工业机械包括铲斗、提升卷筒、连接在提升卷筒和铲斗之间的钢丝绳、具有至少一个操作参数的启动装置、和控制器。控制器被配置成监视工业机械的与围绕提升卷筒的永久缠绕的数目有关的参数，并且基于工业机械的与围绕提升卷筒的永久缠绕的数目有关的参数来修改启动装置的所述至少一个操作参数。
在详细解释本发明的任何实施例之前，将理解的是，本发明不将其应用限制于以下说明书阐述或附图中所示的组件的详细布置和配置。本发明可以是其他实施例和以不同的方式实践和实现。而且，将理解的是本文使用的措辞和术语的目的是描述，并且不应当被认作是限制性的。使用“包括”、“包含”、或“具有”和本文的其他变形的意思是包括下文列出的项目及其等同物以及另外的项目。除非另外指出或限制，词组“安装”、“连接”、“支撑”、和“耦合”及其变形被广泛使用并且包括直接和间接安装、连接、支撑和耦合。
此外，应当理解的是，出于讨论的目的，本发明的实施例可以包括硬件、软件、和电子组件或模块，好像大多数组件仅在硬件中实现一样被说明和描述。然而，本领域普通技术人员基于对本详细说明书的阅读，将认识到，在至少一个实施例中，本发明基于电子的方面可以在由一个或多个处理单元执行的软件中实现(例如，存储在永久计算机可读介质上)，诸如微处理器和/或专用集成电路(“ASIC”)。同样的，应当注意的是，多个基于硬件和软件的装置、以及多个不同结构组件可以用于实现本发明。例如，说明书中描述的“服务器”和“计算装置”可以包括一个或多个处理单元、一个或多个计算机可读介质模块、 一个或多个输入/输出接口、和连接组件的各种连接(例如，系统总线)。
通过考虑详细说明和附图，本发明的其他方面将会变得显而易见。
附图说明
图1图示了根据本发明的一个实施例的工业机械。
图2图示了根据本发明的一个实施例的图1的工业机械的控制系统。
图3图示了根据本发明的另一个实施例的图1的工业机械的控制系统。
图4图示了包括多个钢丝缠绕的提升卷筒。
图5图示了根据本发明的一个实施例用于确定提升钢丝绳缠绕的技术。
图6图示了根据本发明的另一个实施例用于确定钢丝绳长度的技术。
图7图示了根据本发明的另一个实施例用于确定铲斗位置的技术。
图8是根据本发明的一个实施例用于控制工业机械的参数的过程。
图9是根据本发明的另一个实施例用于控制工业机械的参数的过程。
图10是根据本发明的另一个实施例用于控制工业机械的参数的过程。
具体实施方式
本文描述的发明涉及与工业机械的动态控制相关联的系统、方法、装置、和计算机可读介质(例如，工业机械的一个或多个控制设定或参数)。诸如电动绳铲或相似采矿机械的工业机械能操作成执行挖掘操作以从矿床移除有效负载(例如，材料等)。在执行挖掘操作的过程中，施加在工业机械的钢丝绳上的力随着例如铲斗内负载的重量、提升力的 量、铲动力的量等变化。在特定情况下，可以向钢丝绳施加超过钢丝绳和索环的负载能力的力，索环将钢丝绳连接到提升卷筒。为了防止这样的情况，工业机械的控制系统被配置成动态控制施加到钢丝绳的提升力的量(例如，提升马达扭矩，提升马达速度等)。基于围绕提升卷筒的钢丝绳的钢丝缠绕的数目(例如，永久缠绕和活动缠绕)，这种控制通过调整可以施加到钢丝绳的力或动力的量完成。当存在围绕提升卷筒的足够数目的钢丝缠绕来担负该力(即，至少最小数目的永久缠绕)时，仅允许该工业机械施加最大可用力。如果存在不足数目的钢丝缠绕，马达扭矩、速度、参数斜率等可以被限制为与钢丝绳永久缠绕的数目相对应的值。
围绕提升卷筒的足够数目的钢丝缠绕(即，永久缠绕)对应于需要平衡或超出施加到钢丝绳的力的永久缠绕的数目。例如，由围绕提升卷筒的钢丝绳的每个永久缠绕承受给定力。可以由永久缠绕承受的力的总和必须匹配或超过施加到钢丝绳的力。替代地，可以通过索环和永久缠绕承受的力必须匹配或超过施加到钢丝绳的力。此外，每个永久缠绕和索环能够承受的力取决于提升卷筒的尺寸、钢丝绳的长度、钢丝绳的规格，提升卷筒和钢丝绳之间的摩擦、索环的尺寸等。如果大于钢丝绳和索环可以承受的力的力施加到钢丝绳和索环(即，不足的永久缠绕)，则钢丝绳和索环可能从提升卷筒上分离或损坏。
尽管本文所述的发明的实施例可以结合各种工业机械(例如，绳铲、绳斗电铲、交流机械、直流机械等)应用、施行、或使用，但是针对电动绳或动力铲描述本文所述的发明的实施例，诸如图1中所示的动力铲10。动力铲10包括履带15，用于推进动力铲10向前和后退，和用于转弯绳铲10(即，通过改变左右履带相对彼此的速度和/或方向)。履带15支撑包括操作室30的基座25。基座25能够围绕摆动轴35摆动或旋转，例如，从挖掘位置移动到倾倒位置。履带15的移动对摆动动作是不必要的。绳铲10还包括枢转铲斗柄部部45和铲斗50。铲斗50包括铲斗门55，用于倾倒铲斗50内的材料。
绳铲10包括耦合在基座25和吊杆65之间的吊索60用于支撑吊杆65。绳铲还包括钢丝绳或提升索70，在基座25内附接到绞车或提升卷筒(参见图4)用于缠绕提升索70以升降铲斗50，并且铲斗行程电缆75连接在另一个绞车(未示出)和铲斗门55之间。绳铲10还包括鞍块80和滑轮85。在一些实施例中，绳铲10是由Joy Global Surfacc Mining制造的系列铲。
图2图示了与图1绳铲10相关联的控制器200。控制器200电连接和/或通信连接到绳铲10的各个模块或组件。例如，所图示的控制器200连接到一个或多个指示器205、用户接口模块210、一个或多个提升启动装置(例如，马达等)和提升装置215、一个或多个铲动启动装置(例如，马达等)和铲动驱动220、一个或多个摆动启动装置(例如，马达等)和摆动驱动225、数据存储或数据库230、电源模块235、和一个或多个传感器240。控制器200包括硬件和软件的组合，所述组合能操作成除了别的之外控制动力铲10的操作，控制吊杆65、斗杆45、铲斗50等的位置，启动一个或多个指示器205(例如，液晶显示器[“LCD”])，监视动力铲10的操作等。除了别的之外，一个或多个传感器240包括加载应变仪、一个或多个倾角罗盘、龙门销、一个或多个马达励磁模块、一个或多个解析器等。在一些实施例中，可以使用除了铲动马达驱动的铲动驱动(例如，铲动驱动用于单足柄、棒、液压缸等)。
在一些实施例中，控制器200包括在控制器200和/或动力铲10内提供动力、操作控制、和对组件和模块保护的多个电动或电子组件。例如，除了别的之外，控制器200包括处理单元250(例如，微处理器、微控制器、或另一个适合的编程装置)、存储器255、输入单元260、和输出单元265。除了别的之外，该处理单元250包括控制单元270、算术逻辑单元(“ALU”)275、和多个寄存器280(在图2中示出为一组寄存器)，并且使用已知的计算机架构实现，诸如改良的哈佛架构、冯·诺伊 曼架构等。该处理单元250、存储器255、输入单元260、和输出单元265、以及连接到控制器200的各个模块通过一个或多个控制和/或数据总线(例如，公共总线)连接。出于说明的目的，控制和/或数据总线在图2中大致示出。鉴于本文所述的发明，一个或多个控制和/或数据总线用于各个模块和组件之间的互连和通信对本领域技术人员是公知的。在一些实施例中，控制器200部分或全部在半导体(例如，现场可编程门阵列[“FPGA”]半导体)芯片上实现，诸如通过寄存器传输级(“RTL”)设计处理开发的芯片。
例如，存储器255包括程序存储区域和数据存储区域。程序存储区域和数据存储区域可以包括不同类型存储器的组合，诸如只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)(例如，动态RAM[“DRAM”]，同步DRAM[“SDRAM”]等)、电可擦除可编程只读存储器(“EEPROM”)、闪速存储器、硬盘、SD卡、或其他适合的磁、光、物理、或电子存储器装置。处理单元250连接到存储器255并且执行能够存储在存储器255的RAM、存储器255的ROM(例如，在一般永久基底上)、或诸如另一个存储器或磁盘的另一个永久计算机可读介质内的软件指令。包括在动力铲10实现内的软件可以被存储在控制器200的存储器255内。软件包括例如固件、一个或多个应用、编程数据、滤波器、规则、一个或多个程序模块、和其他可执行指令。控制器200被配置成从存储器检索和执行除了别的之外与本文所描述的控制处理和方法有关的指令。在其他架构中，控制器200包括另外的、较少的、和不同的组件。
电源模块235将额定交流(AC)或直流(DC)电压供给到控制器200或动力铲10的其他组件或模块。电源模块235由例如具有额定线电压在100V到240V AC之间和频率大约为50-60Hz的电源供电。电源模块235还被配置成供给更低电压以操作控制器200或动力铲10内的电路和组件。在其他结构中，动力铲10内的控制器200或其他组件和模块由一个或多个电池或电池组、或另一个独立于电网的电源(例如，发电机、太阳能电池板等)供电。
用户接口模块210用于控制或监视动力铲10。例如，用户接口模块210可操作耦合到控制器200以控制铲斗50的位置、吊杆65的位置、斗杆45的位置等。用户接口模块210包括完成用于铲10的所需控制和监视等级需要的数字和模拟输入或输出装置的组合。例如，用户接口模块210包括显示器(例如，主显示器、次显示器等)和诸如触摸屏显示器的输入装置、多个旋钮、表盘、开关、按钮等。显示器是例如液晶显示器(“LCD”)，发光二极管(“LED”)显示器、有机LED(“OLED”)显示器、电致发光显示器(“ELD”)、表面传导电子发射显示器(“SED”)、场致发射显示器(“FED”)、薄膜晶体管(“TFT”)LCD等。用户接口模块210还可以被配置成实时或基本实时显示与动力铲10相关联的情况或数据。例如，用户接口模块210被配置成显示动力铲10的测量电子特征、动力铲10的状态、铲斗50的位置、斗杆45的位置等。在一些实现中，用户接口模块210结合一个或多个指示器205(例如，LED，扩音器等)被控制，以提供动力铲10的状态或情况的视觉或听觉指示。
图3图示了用于动力铲10的更详细的控制系统400(例如，应用于DC机械中)。例如，动力铲10包括主控制器405、网络交换机410、控制柜415、辅助控制柜420、操作室425、第一提升驱动模块430、第二提升驱动模块435、铲动驱动模块440、摆动驱动模块445、提升场模块450、铲动场模块455、摆动场模块460。控制系统400的各个组件通过例如利用用于工业自动化的一个或多个网络协议的光纤通信系统连接和通信，诸如过程现场总线(“PROFIBUS”)、以太网、控制网、现场总线基础、联络总线、控制域网(“CAN”)总线等。控制系统400可以包括以上参照图2描述的组件和模块。例如，一个或多个提升马达和/或驱动215对应于第一和第二提升驱动模块430和435，一个或多个铲动马达和/或驱动220对应于铲动驱动模块440，并且一个或多个摆动马达和/或驱动225对应于摆动驱动模块445等。用户接口210和指示器205可以被包括在操作室425等内，应变计、测倾仪、龙门销，解析器等可以将电信号提供到主控制器405、控制器柜415、辅助 柜420等。
第一提升驱动模块430、第二提升驱动模块435、铲动驱动模块440、和摆动驱动模块445被配置成从例如主控制器405接收控制信号，以控制铲10的提升、铲动、和摆动操作。控制信号与用于铲10的提升、铲动、和摆动马达215、220和225的驱动信号相关联。当驱动信号应用到马达215、220、和225时，马达的输出(例如，电和机械输出)被监视并且反馈给主控制器405(例如，经由场模块450-460)。马达的输出包括例如马达速度、马达扭矩、马达动力、马大电流等。基于与铲10相关联的这些和其他信号，主控制器405被被配置成确定或计算铲10或其组件的一个或多个操作状态或位置。在一些实施例中，主控制器405确定铲斗位置、铲斗柄部角度或位置、提升绳缠绕角度、提升马达每分钟转数(“RPM”)、围绕提升卷筒500的缠绕钢丝的数目、铲动马达RPM、铲斗速度、铲斗加速度等。
上述铲10的控制器200和/或控制系统400用于基于例如围绕提升卷筒的钢丝缠绕的数目来控制工业机械10的操作。图4图示了卷筒500，诸如提升卷筒，用于卷绕钢丝绳(例如，钢丝绳70)。卷筒500包括一定数目的钢丝缠绕505(即，包括永久缠绕和活动缠绕)。工业机械10的控制器200或控制系统400被配置成确定例如围绕卷筒500的钢丝绳的钢丝缠绕的数目，并且基于确定的钢丝缠绕的数目，控制施加到钢丝绳的力。
参照图5-7图示用于铲10的钢丝缠绕或永久缠绕控制特征的实施。图5图示了铲斗50位置和用于确定围绕提升卷筒500的钢丝缠绕的数目的钢丝绳长度之间的关系。图5图示了铲斗50在第一位置(1)、第二位置(2)、和第三位置(3)。尽管出于示例性的目的图5中仅图示了三个位置，但是任何数目的其他位置可以用于确定钢丝缠绕的数目。在一些实施例中，不管铲斗50的位置，钢丝缠绕的数目被连续确定。
对于铲斗50的每个位置，提升卷筒500和滑轮85之间的钢丝绳的长度X是固定的。相似的，围绕滑轮85的长度W是基本固定的。长度W的变化相对于单个钢丝缠绕的围绕提升卷筒的钢丝绳量是可以是忽略不计的。出于说明的目的，图5所示长度W没有变化。钢丝绳70的操作长度然后基于铲斗50的位置变化。在位置(1)，钢丝绳的操作长度是零(即，钢丝绳的伸出长度仅对应于固定长度X和W之和)。在位置(2)，钢丝绳的操作长度为Y₁，并且钢丝绳的伸出长度等于长度X、W和Y₁之和。在位置(3)，钢丝绳的操作长度为Y₂，并且钢丝绳的伸出长度等于长度X、W和Y₂之和。控制器200被配置成确定例如每个位置(1)、(2)、和(3)的提升解析器计数。在位置(1)解析器计数对应于开始点，位置(1)和位置(2)或(3)之间解析器计数的改变可以用于确定钢丝绳从开始位置(1)的长度的改变。钢丝绳的长度的改变可以被用于确定围绕提升卷筒500的钢丝缠绕的数目。具体地，围绕提升卷筒的钢丝绳的卷绕数目可以如以下设定的等式1确定：
R=M-ΔYL---(1)]]>
其中R是围绕提升卷筒的钢丝缠绕或钢丝绳卷绕的数目，L是钢丝绳围绕提升卷筒单个卷绕的长度，ΔY是钢丝绳从位置(1)到位置(2)或(3)的长度的改变，并且M是提升卷筒容量或围绕提升卷筒的钢丝缠绕的最大数目。钢丝缠绕的最大数目M可以被计算为钢丝绳的总长度减去上述长度W和X，除以围绕提升卷筒的钢丝绳的单个卷绕的长度L。钢丝绳长度的改变ΔY计为上述几乎固定长度X和W，当确定钢丝绳的长度的改变时取消。围绕提升卷筒的钢丝缠绕的最大数目取决于工业机械10(例如，吊杆长度、提升卷筒尺寸等)。例如，当钢丝绳和更大机械一起使用时(例如，和更大的吊杆)，使用标准化钢丝绳长度可以导致围绕提升卷筒的数目更小的最大钢丝缠绕。相反，当相同长度钢丝绳和更小的机械一起使用时(例如，和更短的吊杆)，可以存在数目更大的最大钢丝缠绕。随着铲斗从位置(1)移动，围绕提升卷筒的钢丝缠绕的数目减小。围绕提升卷筒的钢丝缠绕的最大数目M、和围绕提升卷筒的钢丝绳的单个卷绕长度L可以被预先确定并且编入控制器200，目的是计算围绕提升卷筒的钢丝绳卷绕的数目R。在围绕提升卷 筒的钢丝缠绕或钢丝绳卷绕的数目被确定之后，钢丝缠绕的数目用于设定用于工业机械10的操作参数的值，如下所阐述的。在一些实施例中，铲斗位置、钢丝绳的总长度、或钢丝绳从位置(1)到例如位置(2)或位置(3)的长度的改变被用于设定用于工业机械10的操作参数的值。
图6图示了用于确定是否有足够数目的永久缠绕存在于提升卷筒500上的替代技术。在图6中，由控制器200确定的铲运动学模型被用于通过确定实时吊杆点绞车位置和铲斗位置来确定是否存在足够数目的围绕提升卷筒500的永久缠绕。工业机械的运动学模型接收例如来自解析器的与工业机械的各个组件的位置或特征有关的信号和信息。解析器是例如安装到工业机械10内的各个齿轮的旋转位移解析器。解析器将调解、处理等来自一个或多个解析器的电信号提供到控制器200。运动学模型然后用于基于解析器和与提升马达215、铲动马达220和摆动马达225相关联的提升、铲动和摆动信号的输出，确定或计算例如铲10的特征，诸如铲斗的位置、关于绞车85的提升缠绕角度等。使用运动学模型，控制器200确定绞车85和铲斗50之间钢丝绳的长度L。如果钢丝绳的长度L大于或等于预定值(例如，其对应于预定最小数目的永久缠绕)，则长度L被用于设定用于工业机械10的操作参数的值，如以下所述。
图7图示了用于确定是否有足够数目的永久缠绕存在于提升卷筒上的替代技术。在图7中，铲斗50的位置被用于确定在提升卷筒上是否存在足够数目的永久缠绕。铲斗50的位置可以分为与不同位置的挖掘循环相对应的任何数目的不同区域。在图7中，挖掘循环分为四个区域：A、B、C、和D。在与最大钢丝绳长度相对应的区域A中，不足数目的永久缠绕围绕提升卷筒，并且在区域A中铲斗50的位置被用于设置用于工业机械10的操作参数的值。如果铲斗位于区域B、C、或D中，有足够数目的永久缠绕，并且基于永久缠绕的数目，不控制工业机械10的操作参数。如上所述，当使用标准化钢丝绳长度和不同尺寸机械时，围绕提升卷筒的最大钢丝缠绕的数目可以变化。例如， 当标准化绳长度用在更大的机械(例如，具有更长的吊杆)上时，有更小数目的最大钢丝缠绕。更大机械也可以松出更多钢丝绳。这样，在挖掘循环期间，更大机械可以比更小机械更频繁的具有围绕提升卷筒的不足数目的永久缠绕，并且对于更大的机械，与不足数目的永久缠绕相对应的挖掘循环(例如，区域A)的部分可以更大。在一些实施例中，例如，使用参照图6的上述运动学模型可以确定铲斗的位置。在其他实施例中，控制器200(例如，基于解析器计数)确定例如绞车85的提升钢丝绳角度。然后，提升钢丝绳角度可以与对应于挖掘循环的不同区域(例如，区域A、B、C、和D)的角度相比较。
过程600、700、和800与本文所描述的参照挖掘操作和挖掘操作期间施加的力(例如，提升力等)相关联。本文参照过程600、700、和800的所描述的各个步骤能够同时、并行、或以与所图示的执行串行方式不同的顺序被执行。每个过程600、700、和800也能够使用比所说明的实施例更少的步骤被执行。例如，基于围绕提升卷筒500的钢丝缠绕的数目，一个或多个函数、公式、或算法可以被用于计算所需马达速度或马达扭矩。
如图8所示，过程600在确定提升解析器计数的步骤605开始。如上所述，解析器可以是旋转位移解析器，该旋转位移解析器提供在挖掘操作期间钢丝绳延伸超过钢丝绳的固定长度多少的指示。基于解析器计数，钢丝绳的长度被确定(步骤610)。钢丝绳长度可以是从提升卷筒500延伸到铲斗50的总钢丝绳长度，或者是从绞车85延伸到铲斗50的钢丝绳长度。在步骤615中，绳长度被用于确定钢丝绳70围绕提升卷筒500的钢丝缠绕的数目，如上所述。如果，在步骤620中，钢丝缠绕的数目小于或等于阈值(即，最小数目的钢丝绳永久缠绕)，则工业机械的参数被设定(步骤625)。工业机械的(一个或多个)参数可以被设定为，例如，钢丝缠绕数目的函数(例如，线型函数、非线型函数、多项式函数等)，可以与钢丝缠绕的数目成正比(例如，直接成正比例的)等。如果在步骤620中，钢丝缠绕的数目大于阈值，则工业机械的(一 个或多个)参数被设定或被保持在正常操作值(步骤630)。在步骤625(一个或多个)参数被设定以后，过程600回到再次确定解析器计数的步骤605，钢丝绳长度被确定(步骤610)，钢丝缠绕的数目被确定(步骤615)，和钢丝缠绕的数目与阈值相比较(步骤620)。如果在步骤625(一个或多个)参数被设定以后，钢丝缠绕的数目大于阈值，则(一个或多个)参数被重设到正常操作值(步骤630)。
工业机械的参数可以包括，例如马达扭矩、马达速度、马达缓变速率(ramp rate)及其的组合等。这些参数的一个或多个可以被设定为低于正常操作值的值。如所示示例，在挖掘操作的给定部分期间马达速度可以被设定为低于正常操作值的每分钟转速(“RPM”)值，在挖掘操作的给定部分期间马达扭矩可以被设定为正常操作扭矩的百分数的值(例如，＜100％的正常操作力矩)，或缓变速率可以被设定为使从钢丝绳上的存在负载逐渐减少超所所需时间间隔(例如，几秒)过渡的值。此外或可替换的，速度限定和扭矩限定可以一起被设定，速度限定和缓变速率一起被设定，扭矩限定和缓变速率一起被设定，或者速度限定、扭矩限定、和缓变速率所有一起被设定。在一些实施例中，限定参数可以基于钢丝绳70的总长度按比例分配或成比例。此外，限定参数可以对应于预定值(例如，扭矩、速度、缓变速率的设定值等)，或者对这些参数的限定值可以与围绕提升卷筒500的钢丝缠绕的数目相关或作为其函数动态或连续计算。
如图9所示，过程700开始于例如控制器200确定钢丝绳的长度的步骤705。如上参照图6所述，控制器200可以使用工业机械10的运动学模型确定钢丝绳的长度L。钢丝绳长度可以是从提升卷筒500延伸到铲斗50的总钢丝绳长度，或者是从绞车85延伸到铲斗50的钢丝绳长度。在步骤710中，如果钢丝绳长度大于或等于长度阈值(即，不足的永久缠绕)，则工业机械的参数被设定(步骤715)。工业机械的(一个或多个)参数可以被设定为，例如，钢丝绳长度的函数(例如，线型函数、非线型函数、多项式函数等)，可以与钢丝绳的长度成正比(例如， 直接成正比例的)等。如果在步骤710中，钢丝绳长度小于长度阈值(即，足够的永久缠绕)，则工业机械的(一个或多个)参数被设定或被保持在正常操作值(步骤720)。在步骤715(一个或多个)参数被设定以后，过程500回到钢丝绳长度被确定的步骤705，并且钢丝绳长度与阈值相比较(步骤710)。如果在步骤715(一个或多个)参数被设定以后，钢丝绳长度不再大于或等于阈值，则(一个或多个)参数被重设到正常操作值(步骤720)。
如上所述参照过程600，工业机械的参数可以包括，例如马达扭矩、马达速度、马达缓变速率及其组合等。这些参数的一个或多个可以被设定为低于正常操作值的值。如所图示的示例，在挖掘操作的给定部分期间，马达速度可以被设定为低于正常操作速度的RPM值，在挖掘操作的给定部分期间马达扭矩可以被设定为是正常操作扭矩的百分数的值(例如，＜100％的正常操作力矩)，或缓变速率可以被设定为使从钢丝绳上的存在负载逐渐减少超所需时间间隔(例如，若干秒)过渡的值。此外或可替换的，速度限定和扭矩限定可以一起被设定，速度限定和缓变速率一起被设定，扭矩限定和缓变速率一起被设定，或者速度限定、扭矩限定、和缓变速率所有一起被设定。此外，限定参数可以对应于预定值(例如，扭矩、速度、缓变速率的设定值等)，或者对这些参数的限定值可以与钢丝绳长度相关或作为函数动态或连续计算。
如图10所示，过程800开始于例如控制器200确定铲斗50的位置的步骤805。如上参照图7所述，控制器200可以使用例如工业机械10的运动学模型或绞车85的钢丝绳角度确定铲斗50的位置。在步骤810，如果铲斗位于预定位置(即，图7的区域A)，则工业机械的一个或多个参数被设定(步骤815)。工业机械的(一个或多个)参数可以被设定为，例如，铲斗位置数目的函数(例如，线型函数、非线型函数、多项式函数等)，可以与铲斗的位置成正比(例如，基于挖掘循环中的位置)等。如果在步骤810，铲斗不在预定区域，则工业机械的(一个或多个)参数被设定或被保持在正常操作值(步骤820)。在步骤815(一个或多个)参数被设定以后，过程500回到铲斗50的位置被再次确定的步骤805， 并且铲斗50的位置与挖掘循环的预定区域相比较(步骤810)。如果在步骤815(一个或多个)参数被设定以后，铲斗50不再在预定区域中，则(一个或多个)参数被重设到正常操作值(步骤820)。
如上所述参照过程600和700，工业机械的参数可以包括，例如马达扭矩、马达速度、马达缓变速率及其组合等。这些参数的一个或多个可以被设定为低于正常操作值的值。如所图示的示例，在挖掘操作的给定部分期间马达速度可以被设定为低于正常操作值的每分钟转速(“RPM”)值，在挖掘操作的给定部分期间马达扭矩可以被设定为正常操作扭矩的百分数的值(例如，＜100％的正常操作力矩)，或缓变速率可以被设定为使从钢丝绳上的存在负载逐渐减少超所所需时间间隔(例如，几秒)过渡的值。此外或可替换的，速度限定和扭矩限定可以一起被设定，速度限定和缓变速率一起被设定，扭矩限定和缓变速率一起被设定，或者速度限定、扭矩限定、和缓变速率所有一起被设定。此外，限定参数可以对应于预定值(例如，扭矩、速度、缓变速率的设定值等)，或者对这些参数的限定值可以与铲斗的位置相关或作为其函数动态或连续计算。
在一些实施例中，由于一旦铲斗继续进一步到挖掘循环中，有足够数目的永久缠绕在卷筒上用于施加动力，这种钢丝缠绕或永久缠绕控制仅在挖掘循环之前启动。在其他实施例中，钢丝缠绕或永久缠绕控制在挖掘循环的一部分中启动。同样，除了由于有效负载限制钢丝绳和索环在机械上的失效，钢丝缠绕或永久缠绕控制也考虑到用于将索环附接到钢丝绳(例如，通过要求额外永久缠绕)的卷曲过程中的变化。钢丝缠绕或永久缠绕控制也可以允许增加在特定提升卷筒上的绳行程，使得长范围的附属物可以和标准提升卷筒和标准传送一起使用。
因此，除了别的之外，本发明提供基于围绕提升卷筒的钢丝缠绕数目，用于控制工业机械的操作参数的系统、方法、装置、和计算机可读介质。在权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。