一种浮空器电动缆绳应急切换拖曳系统及方法

技术领域

本发明涉及浮空器缆绳收放拖曳系统技术领域，特别是一种浮空器电动缆绳应急切换拖曳系统及方法。

背景技术

基于变频调速的拖曳系统应用于浮空器的地面锚泊、空中系留、放飞升空和下降回收，浮空器搭载雷达仪器设备完成预警，安保和环境监测功能，核心装置是绞车拖曳系统，绞车拖曳系统能够安全可靠的将浮空器升空与回收，保障搭载设备的安全。

在缆绳收放的过程中，存在当手柄或控制器异常浮空器不能正常收放等问题。若出现浮空器滞空不能回收，其解决方法是将排缆系统停止，电机人工松闸后进行应急人工收放缆，受风速湍流的影响，浮空器负载变化会使得操作人员失重或被拖曳，威胁操作人员安全，存在浮空器丢失的风险。现有应急收放方法增加了备用手柄或控制器的功能，但需要系统停车后跟换手柄或控制器。停车浮空器滞空过程中，缆绳张力集中会使得缆绳表皮与绞盘绳槽间产生相对滑动，磨损昂贵的缆绳。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种浮空器电动缆绳应急切换拖曳系统及方法。本发明具有能够在手柄或变频器出现异常的情况下及时回收浮空器装置，保证拖曳系统的安全性，当控制器或手柄恢复正常后，能够切换至自动收放模式的优点。

本发明的技术方案：一种浮空器电动缆绳应急切换拖曳系统，本系统在变频器通讯控制结构的基础上加设变频器端子控制结构作为应急控制，能快速在基于通讯控制的自动控制模式和基于端子控制的应急收放模式之间进行切换，在自动控制模式故障时利用应急收放模式来及时回收浮空器装置；所述变频器通讯控制基于Profinet通信；

本系统包括相互关联的PLC控制器、手柄、触摸屏、储缆绞车、牵引绞车、排缆机构、控制单元、变频器单元和网关单元。

前述的浮空器电动缆绳应急切换拖曳系统中，所述储缆绞车包括储缆筒和以力矩控制模式的储缆电机；

所述牵引绞车包括主绞盘、主绞盘电机、副绞盘和副绞盘电机；

所述排缆机构包括排缆丝杆、以速度控制模式的丝杆电机和排缆导轮；

所述变频器单元包括储缆绞车变频器、主绞盘变频器、副绞盘变频器和排缆丝杆变频器；

所述网关单元包括储缆绞车变频器Profinet网关卡、主绞盘变频器Profinet网关卡、副绞盘变频器Profinet网关卡和排缆丝杆变频器Profinet网关卡；

所述控制单元包括变频器禁止按钮、自动/应急切换旋钮、丝杆电机正反转旋钮、副绞盘电机解刹按钮和应急收放旋钮；所述应急收放旋钮中位为停车功能；

所述PLC控制器通过Profinet通信分别与储缆绞车变频器Profinet网关卡、主绞盘变频器Profinet网关卡、副绞盘变频器Profinet网关卡和排缆丝杆变频器Profinet网关卡相连；

所述变频器禁止按钮、自动/应急切换旋钮、丝杆电机正反转旋钮和应急收放旋钮分别与对应变频器单元相连，副绞盘电机解刹按钮与副绞盘电机相连。

一种浮空器电动缆绳应急切换拖曳方法，包括如下步骤：

S1、硬件布置：将浮空器电动缆绳应急切换拖曳系统的硬件布置完成并确保相对应的接线正确；

S2、初始化系统：浮空器电动缆绳应急切换拖曳系统初始化并进行自检，确保变频器单元自检状态正常；

S3、电机松闸：所有电机均处于松闸状态；

S4、状态判断：若PLC控制器与手柄均正常，执行步骤S5；若PLC控制器或手柄存在异常，执行步骤S6；

S5、自动控制模式：PLC控制器采集手柄信号并通过Profinet通信发送给对应的网关单元使对应变频器单元工作，实现自动收揽和自动放缆；

S6、切换应急收放模式：通过应急切换操作将工作模式由自动控制模式切换到应急切换模式；变频器单元内置的IPOS程序使能；

S7、应急收放模式：通过控制单元控制对应变频器单元的端子进行工作，实现应急收揽、应急放缆和应急收放停车；

S8、切换自动控制模式：控制器或手柄恢复正常时，通过恢复切换操作将工作模式由应急切换模式切换到自动控制模式。

前述的浮空器电动缆绳应急切换拖曳方法中，步骤S5所述的自动控制模式，包括自动收揽和自动放缆，其具体内容如下：

自动收揽：PLC控制器采集手柄信号，PLC控制器通过Profinet通信发送控制字给主绞盘变频器、副绞盘变频器、丝杆电机变频器和储缆电机变频器，从而确定主绞盘变频器与丝杆电机变频器的速度控制字、副绞盘变频器与储缆电机变频器的力矩控制字，主绞盘电机、副绞盘电机、储缆电机5和丝杆电机7按给定的控制字执行收揽工作；

自动放缆与自动收揽的流程相同，区别仅在于手柄信号不同，从而使得PLC控制器发送的控制字不同，最终执行放缆工作。

前述的浮空器电动缆绳应急切换拖曳方法中，步骤S6所述的应急切换操作和S8所述的恢复切换操作，其具体内容如下：

应急切换操作：

S6.1、按下变频器禁止按钮，储缆绞车变频器、主绞盘变频器、副绞盘变频器和排缆丝杆变频器均变为禁止状态；

S6.2、旋转自动/应急切换按钮至应急状态，储缆绞车变频器、主绞盘变频器、副绞盘变频器和排缆丝杆变频器的内置IPOS程序使能；

S6.3、释放变频器禁止按钮，储缆绞车变频器、主绞盘变频器、副绞盘变频器和排缆丝杆变频器均变为工作状态，由自动控制模式切换至应急收放模式；

恢复切换操作流程与应急切换操作的流程基本相同，其区别在于恢复切换操作是旋转自动/应急切换按钮至自动状态，这时内置IPOS程序失效。

前述的浮空器电动缆绳应急切换拖曳方法中，自动控制模式时储缆绞车变频器、主绞盘变频器、副绞盘变频器、排缆丝杆变频器的端子均为无功能。

前述的浮空器电动缆绳应急切换拖曳方法中，步骤S6.2所述的内置IPOS程序使能，其具体内容如下：

储缆绞车变频器、主绞盘变频器、副绞盘变频器和排缆丝杆变频器由Profinet通信控制切换至端子控制，变频器单元的端子功能设置如下：

主绞盘变频器端子控制设置包括DI01端子切换至正转功能、DI02端子切换至反转功能、DI03端子切换至使能功能、DI04端子切换至n11速度设定功能和DI05端子切换至n12速度设定功能；

副绞盘变频器端子控制设置包括DI01端子切换至正转功能、DI02端子切换至反转功能、DI03端子切换至使能功能、DI04端子切换至n11力矩设定功能和DI05端子切换至n12速度设定功能；

储缆绞车变频器端子控制设置包括DI01端子切换至正转功能，DI02端子切换至反转功能，DI03端子切换至使能功能，DI04端子切换至n11力矩设定功能,DI05端子切换至n12力矩设定功能；

排缆丝杆变频器端子控制设置包括DI01端子切换至正转功能，DI02端子切换至反转功能，DI03端子切换至使能功能，DI04端子切换至n11速度设定功能,DI05端子切换至n12速度设定功能。

前述的浮空器电动缆绳应急切换拖曳方法中，所述内置IPOS程序失效，其具体内容如下：

储缆绞车变频器、主绞盘变频器、副绞盘变频器和排缆丝杆变频器由端子控制切换至Profinet通信控制；

变频器单元的端子功能设置为，所述主绞盘变频器、副绞盘变频器、储缆绞车变频器和排缆丝杆变频器的端子控制设置均为将DI01端子、DI02端子、DI03端子、DI04端子和DI05端子切换到无功能。

前述的浮空器电动缆绳应急切换拖曳方法中，步骤S7所述的应急收放模式中，应急收揽的具体内容如下：

S7.1、按下副绞盘电机解刹按钮，副绞盘电机只打开刹车不输出力矩，旋转应急收放旋钮至收缆功能，通过延时继电器按储缆电机、主绞盘电机和丝杆电机的顺序进行启动；

S7.2、主绞盘电机正转配合储缆电机正转进行收揽；

S7.3、通过旋转丝杆电机正反转旋钮来改变丝杆电机的转动方向从而实现正反转排缆。

前述的浮空器电动缆绳应急切换拖曳方法中，S7.2所述的主绞盘电机正转，其具体内容为：

主绞盘变频器DI03端子得电，主绞盘变频器使能；DI01端子得电，主绞盘电机正转；主绞盘主变频器DI04端子得电，主绞盘电机以配置的n11转速运行。

前述的浮空器电动缆绳应急切换拖曳方法中，S7.2所述的储缆电机正转，其具体内容为：

储缆绞车变频器DI03端子得电，储缆电机使能；储缆绞车变频器DI01端子得电，储缆电机正转；储缆绞车变频器DI04端子得电，储缆电机以配置的n11力矩收缆。

前述的浮空器电动缆绳应急切换拖曳方法中，S7.2所述的通过旋转丝杆电机正反转旋钮来改变丝杆电机的转动方向从而实现正反转排缆，其具体内容为：

排缆丝杆变频器DI03端子得电，排缆丝杆变频器使能；排缆丝杆变频器DI04端子得电，丝杆电机以配置的n11转速运行；

当排缆丝杆运动到储缆绞车变频器左端，旋转丝杆电机正反转旋钮，排缆丝杆变频器DI02端子得电，丝杆电机反转排缆；

当排缆丝杆运动到储缆绞车变频器右端，旋转丝杆电机正反转旋钮，排缆丝杆变频器DI01端子得电，丝杆正转排缆。

前述的浮空器电动缆绳应急切换拖曳方法中，步骤S7所述的应急收放模式中，应急放缆的具体内容如下：

S7.4、按下副绞盘电机解刹按钮，副绞盘电机只打开刹车不输出力矩，旋转应急收放旋钮至放缆功能，通过延时继电器按储缆电机、主绞盘电机和丝杆电机的顺序进行启动；

S7.5、主绞盘电机反转配合储缆电机正转进行放缆；

S7.6、通过旋转丝杆电机正反转旋钮来改变丝杆电机的转动方向从而实现正反转排缆。

前述的浮空器电动缆绳应急切换拖曳方法中，S7.5所述的主绞盘电机反转，其具体内容为：

主绞盘变频器DI02端子得电，主绞盘电机反转；主绞盘变频器DI04端子得电，主绞盘电机以配置的n11转速运行。

前述的浮空器电动缆绳应急切换拖曳方法中，步骤S7所述的应急收放模式中，应急收放停车具体内容如下：

S7.7、旋转应急收放旋钮至中位，系统停车，按主绞盘电机、储缆电机和丝杆电机的顺序进行停车。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明相对于传统的缆绳收放系统当手柄或控制器异常损坏需要停车人工收放相比，采用变频器端子控制模式来回收缆绳拖曳系统负载，浮空器负载能够及时回收近地，例如2000米长度缆绳，采用0.4m/s速度应急收缆，收缆时间为1.4小时，而人工收揽速度需要几个小时甚至更长时间；即采用本发明进行回收效率远高于人工回收；

2、浮空器负载惯性较大，气流扰动引起缆绳张力波动，人工收缆时操作人员会出现失重摔倒或被缆绳拖曳等潜在危险情况，而采用本发明能够利用电机将浮空器负载安全的回收，避免人工操作潜在危险确保操作人员的安全。

因此，本发明具有能够在手柄或变频器出现异常的情况下及时回收浮空器装置，保证拖曳系统的安全性，当控制器或手柄恢复正常后，能够切换至自动收放模式的优点。

附图说明

图1是本发明拖曳系统的结构示意图；

图2是本发明变频器端子连接示意图；

图3是本发明拖曳方法的控制流程示意图；

图4是本发明应急收放模式下电气系统组成示意图；

图5是本发明端子功能的数据手册截图。

附图标记：1-储缆绞车，2-排缆机构，3-储缆筒，5-储缆电机，7-丝杆电机，8-排缆导轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1。一种浮空器电动缆绳应急切换拖曳系统，如图1、2所示，本系统在变频器通讯控制结构的基础上加设变频器端子控制结构作为应急控制，能快速在基于通讯控制的自动控制模式和基于端子控制的应急收放模式之间进行切换，在自动控制模式故障时利用应急收放模式来及时回收浮空器装置；所述变频器通讯控制基于Profinet通信；

本系统包括相互关联的PLC控制器、手柄、触摸屏、储缆绞车1、牵引绞车、排缆机构2、控制单元、变频器单元和网关单元。

所述储缆绞车1包括储缆筒3和以力矩控制模式的储缆电机5；

所述牵引绞车包括主绞盘、主绞盘电机、副绞盘和副绞盘电机；

所述排缆机构2包括排缆丝杆、以速度控制模式的丝杆电机7和排缆导轮8；

所述变频器单元包括储缆绞车变频器、主绞盘变频器、副绞盘变频器和排缆丝杆变频器；

所述网关单元包括储缆绞车变频器Profinet网关卡、主绞盘变频器Profinet网关卡、副绞盘变频器Profinet网关卡和排缆丝杆变频器Profinet网关卡；

所述控制单元包括变频器禁止按钮、自动/应急切换旋钮、丝杆电机正反转旋钮、副绞盘电机解刹按钮和应急收放旋钮；

所述PLC控制器通过Profinet通信分别与储缆绞车变频器Profinet网关卡、主绞盘变频器Profinet网关卡、副绞盘变频器Profinet网关卡和排缆丝杆变频器Profinet网关卡相连；

所述变频器禁止按钮、自动/应急切换旋钮、丝杆电机正反转旋钮和应急收放旋钮分别与对应变频器单元相连，副绞盘电机解刹按钮与副绞盘电机相连。

一种浮空器电动缆绳应急切换拖曳方法，如图3、4所示，包括如下步骤：

S1、硬件布置：将浮空器电动缆绳应急切换拖曳系统的硬件布置完成并确保相对应的接线正确；

S2、初始化系统：浮空器电动缆绳应急切换拖曳系统初始化并进行自检，确保变频器单元自检状态正常；

S3、电机松闸：所有电机均处于松闸状态；

S4、状态判断：若PLC控制器与手柄均正常，执行步骤S5；若PLC控制器或手柄存在异常，执行步骤S6；

S5、自动控制模式：PLC控制器采集手柄信号并通过Profinet通信发送给对应的网关单元使对应变频器单元工作，实现自动收揽和自动放缆；

S6、切换应急收放模式：通过应急切换操作将工作模式由自动控制模式切换到应急切换模式；变频器单元内置的IPOS程序使能；

S7、应急收放模式：通过控制单元控制对应变频器单元的端子进行工作，实现应急收揽、应急放缆和应急收放停车；

S8、切换自动控制模式：控制器或手柄恢复正常时，通过恢复切换操作将工作模式由应急切换模式切换到自动控制模式。

本发明采用的变频器为SEW变频器，其段子功能为常规出厂设置内容，已经定义好，可以查阅对应的数据手册，具体端子功能如附图5所示。

步骤S5所述的自动控制模式，包括自动收揽和自动放缆，其具体内容如下：

自动收揽：PLC控制器采集手柄信号，PLC控制器通过Profinet通信发送控制字给主绞盘变频器、副绞盘变频器、丝杆电机变频器和储缆电机变频器，从而确定主绞盘变频器与丝杆电机变频器的速度控制字、副绞盘变频器与储缆电机变频器的力矩控制字，主绞盘电机、副绞盘电机、储缆电机5和丝杆电机7按给定的控制字执行收揽工作；

自动放缆与自动收揽的流程相同，区别仅在于手柄信号不同，从而使得PLC控制器发送的控制字不同，最终执行放缆工作。

步骤S6所述的应急切换操作和S8所述的恢复切换操作，其具体内容如下：

应急切换操作：

S6.1、按下变频器禁止按钮，储缆绞车变频器、主绞盘变频器、副绞盘变频器和排缆丝杆变频器均变为禁止状态；

S6.2、旋转自动/应急切换按钮至应急状态，储缆绞车变频器、主绞盘变频器、副绞盘变频器和排缆丝杆变频器的内置IPOS程序使能；

S6.3、释放变频器禁止按钮，储缆绞车变频器、主绞盘变频器、副绞盘变频器和排缆丝杆变频器均变为工作状态，由自动控制模式切换至应急收放模式；

恢复切换操作流程与应急切换操作的流程基本相同，其区别在于恢复切换操作是旋转自动/应急切换按钮至自动状态，这时内置IPOS程序失效。

自动控制模式时储缆绞车变频器、主绞盘变频器、副绞盘变频器、排缆丝杆变频器的端子均为无功能。

步骤S6.2所述的内置IPOS程序使能，其具体内容如下：

储缆绞车变频器、主绞盘变频器、副绞盘变频器和排缆丝杆变频器由Profinet通信控制切换至端子控制，变频器单元的端子功能设置如下：

主绞盘变频器端子控制设置包括DI01端子切换至正转功能、DI02端子切换至反转功能、DI03端子切换至使能功能、DI04端子切换至n11速度设定功能和DI05端子切换至n12速度设定功能；

副绞盘变频器端子控制设置包括DI01端子切换至正转功能、DI02端子切换至反转功能、DI03端子切换至使能功能、DI04端子切换至n11力矩设定功能和DI05端子切换至n12速度设定功能；

储缆绞车变频器端子控制设置包括DI01端子切换至正转功能，DI02端子切换至反转功能，DI03端子切换至使能功能，DI04端子切换至n11力矩设定功能,DI05端子切换至n12力矩设定功能；

排缆丝杆变频器端子控制设置包括DI01端子切换至正转功能，DI02端子切换至反转功能，DI03端子切换至使能功能，DI04端子切换至n11速度设定功能,DI05端子切换至n12速度设定功能。

所述内置IPOS程序失效，其具体内容如下：

储缆绞车变频器、主绞盘变频器、副绞盘变频器和排缆丝杆变频器由端子控制切换至Profinet通信控制；

变频器单元的端子功能设置为，所述主绞盘变频器、副绞盘变频器、储缆绞车变频器和排缆丝杆变频器的端子控制设置均为将DI01端子、DI02端子、DI03端子、DI04端子和DI05端子切换到无功能。步骤S7所述的应急收放模式中，应急收揽的具体内容如下：

S7.1、按下副绞盘电机解刹按钮，副绞盘电机只打开刹车不输出力矩，旋转应急收放旋钮至收缆功能，通过延时继电器按储缆电机5、主绞盘电机和丝杆电机7的顺序进行启动；

S7.2、主绞盘电机正转配合储缆电机5正转进行收揽；

S7.3、通过旋转丝杆电机正反转旋钮来改变丝杆电机7的转动方向从而实现正反转排缆。

S7.2所述的主绞盘电机正转，其具体内容为：

主绞盘变频器DI03端子得电，主绞盘变频器使能；DI01端子得电，主绞盘电机正转；主绞盘主变频器DI04端子得电，主绞盘电机以配置的n11转速运行。

S7.2所述的储缆电机5正转，其具体内容为：

储缆绞车变频器DI03端子得电，储缆电机5使能；储缆绞车变频器DI01端子得电，储缆电机5正转；储缆绞车变频器DI04端子得电，储缆电机5以配置的n11力矩收缆。

S7.2所述的通过旋转丝杆电机正反转旋钮来改变丝杆电机7的转动方向从而实现正反转排缆，其具体内容为：

排缆丝杆变频器DI03端子得电，排缆丝杆变频器使能；排缆丝杆变频器DI04端子得电，丝杆电机7以配置的n11转速运行；

当排缆丝杆运动到储缆绞车变频器左端，旋转丝杆电机正反转旋钮，排缆丝杆变频器DI02端子得电，丝杆电机7反转排缆；

当排缆丝杆运动到储缆绞车变频器右端，旋转丝杆电机正反转旋钮，排缆丝杆变频器DI01端子得电，丝杆正转排缆。

步骤S7所述的应急收放模式中，应急放缆的具体内容如下：

S7.4、按下副绞盘电机解刹按钮，副绞盘电机只打开刹车不输出力矩，旋转应急收放旋钮至放缆功能，通过延时继电器按储缆电机5、主绞盘电机和丝杆电机7的顺序进行启动；

S7.5、主绞盘电机反转配合储缆电机5正转进行放缆；

S7.6、通过旋转丝杆电机正反转旋钮来改变丝杆电机7的转动方向从而实现正反转排缆。

S7.5所述的主绞盘电机反转，其具体内容为：

主绞盘变频器DI02端子得电，主绞盘电机反转；主绞盘变频器DI04端子得电，主绞盘电机以配置的n11转速运行。

步骤S7所述的应急收放模式中，应急收放停车具体内容如下：

S7.7、旋转收放旋钮停车，按主绞盘电机、储缆电机5和丝杆电机7的顺序进行停车。

实施例2。本实施例中应急模式下主绞盘电机收放速度0.4m/s，储缆绞车1收缆力矩2kN，储缆绞车1放缆力矩1kN,排缆丝杆速度0.4m/s。

应急收揽时：

按下副绞盘电机解刹按钮，副绞盘电机只打开刹车不输出力矩，旋转应急收放旋钮至收缆功能，通过延时继电器1KT21按储缆电机5、主绞盘电机和丝杆电机7的顺序进行启动；

启动完成后，主绞盘变频器正转端子得电，主绞盘变频器n11端子得电，主绞盘电机以0.2m/s的转速运行；

储缆绞车变频器正转端子得电，储缆绞车变频器n11端子得电，储缆电机5以2kN的力矩收缆；

排缆丝杆变频器n11端子得电，丝杆电机7以0.4m/s转速运行。

应急放揽时：

按下副绞盘电机解刹按钮，副绞盘电机只打开刹车不输出力矩，旋转应急收放旋钮至收缆功能，通过延时继电器1KT22按储缆电机5、主绞盘电机和丝杆电机7的顺序进行启动；

启动完成后，主绞盘变频器反转端子得电，主绞盘变频器n11端子得电，主绞盘电机以0.2m/s的转速运行；

储缆绞车变频器正转端子得电，储缆绞车变频器n11端子得电，储缆电机5以2kN的力矩收缆；

排缆丝杆变频器n11端子得电，丝杆电机7以0.4m/s转速运行。

其他内容与实施例1基本相同。