CN111824957A - 一种多层多臂式塔机的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层多臂式塔机的控制系统，其特征在于，包括：多层多臂式起重臂、回转机构、并行起升机构、并行变幅机构、数据采集系统和运行控制系统。所述运行控制系统将数据采集系统采集来的塔机状态参数进行逻辑运算分析，为塔机给出最科学高效的动作操控指令，通过将这些指令传输到所述回转机构，并行起升机构和并行变幅机构实现三层起重臂的起升，回转，变幅动作，且这三层起重臂协同作业，互不干涉，在保证塔机安全作业的前提下，极大的提高了塔机吊装物料的作业效率。

Description

一种多层多臂式塔机的控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种多层多臂式塔机的控制系统及控制方法，属于建筑塔机智能控制的技术领域。

背景技术

近年来，随着中国城市化建设进程加快，塔机作为建筑施工现场重要的垂直运输机械，在建筑施工现场肩负着物料搬运的责任。在这样的背景之下，工地现场为缩短建筑工期，常常会要求塔机司机提高工作效率，甚至延长吊装工作时间来尽快完成工作。这样的任务要求不仅会给塔机司机造成负担，也会增加塔机发生安全事故的概率。

因此，基于单一塔机主体旋转的多层和/或多臂塔机成为本领域技术人员为解决高效吊装的新思路。以下是本领域中所公开的相关专利文献：

中国专利文献CN106892365A公开一种双臂并行平头塔式起重机，包括两个并行倒三角形起重臂、两个独立起升机构、两台独立变幅机构、两个独立变幅小车、能够布置两个起升机构的平衡臂和回转节,两套起升机构的起升钢丝绳分别通过塔顶上各自的导绳滑轮进入变幅小车的导绳滑轮和起升滑轮组,固定于臂端，形成一台塔机上两套独立的起升系统,起重臂上弦杆一端与回转节一侧耳板连接，下弦杆与回转节接头连接,回转节另一侧连接平衡臂,两套变幅小车分别置于两个并行起重臂上，分别由两个变幅机构牵引进行变幅运动,变幅小车控制系统驱动两个变幅小车单独、同时独立或同步工作，本发明解决现有技术中起重臂主肢截面过大的问题,而且通过设置两个变幅小车提高了工作效率。

中国专利文献CN105523491A公开了一种地面控制的双臂塔机电子式监控系统及其监控方法，包括依次连接的传感器组,中央处理器和显示屏。通过电子式传感器件采集变幅、重量及回转等信号,经过中央处理器运算及处理,将数据通过显示屏输出,驾驶员可以通过屏幕直观的了解当前塔机的实时工作状态,同时当塔机超载或超力矩时,中央处理器将切断塔机相应的电气回路,中断违规操作,从而有力的保护塔机的正常运行。虽然文中明确记载会通过所述中央处理器进行调节，但是根据判定的具体条件仅限于以下三种情况：起重量超限、力矩超限、力矩差超限，然而上述判定规则并不适用于更为复杂的作业场景，如协调多层多臂同时协调安全作业等。

中国专利文献CN108190761A本发明公开了一种塔式起重机,包括基础底节,基础底节上转动连接有基础中节,所述基础中节顶端固接有下起重臂，下起重臂包括下起重前臂和下平衡臂，下起重前臂下方滑动连接有下起重钩，下起重钩上设有电机一,电机一控制下起重钩在所述下起重前臂上滑动，所述下平衡臂下方设有若干下配块，下配块上分别设有一电机二,每个电机二控制一下配块在所述下平衡臂上滑动,所述下起重臂上设有转动平台,转动平台上设有上起重臂，上起重臂包括上起重前臂和上平衡臂,上起重前臂下方滑动连接有上起重钩，上起重钩上设有电机三。该起重机具有双臂双控制操作,工作效率高,加快建设速度,控制室防淋雨的特点,整体功能完善,实用性强。本专利文献通过下起重臂上转动设置上起重臂，且每个起重臂上分别设有控制室，实现双臂双控制操作，增加工作效率,提高施工速度；通过上下起重臂上分别设置收线盘,收线盘间连接有钢线,且收线盘上分别通过电机控制绕线，使得上下起重臂可联动，还可控制两者之间转动的夹角,操作实施方便。

虽然现有技术中针对多臂多层的塔机都有提及，但是针对层与层之间和臂与臂之间的相对独立控制或者综合安全控制装置或者控制方法均未涉及，这也是本发明所一直研发关注的技术点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开一种多层多臂式塔机的控制系统。

本发明还公开上述控制系统的控制方法。

本发明通过在应用建筑施工的塔机上协同运用数据采集系统，获取统计工作状态下的实时参数，建立多层多臂塔机工作模型，进而提供一种切实可行的控制逻辑方法，实现应用多层多臂塔机进行高效安全的作业，提高工作效率和安全性。

本发明的技术方案如下：

一种多层多臂式塔机的控制系统，其特征在于，包括：多层多臂式起重臂、回转机构、并行起升机构、并行变幅机构、数据采集系统和运行控制系统；

所述多层多臂式起重臂包括多层机构，每层所述机构包括一对夹角为180°的起重臂，在塔机塔身顶端设置有多级回转塔身，所述回转塔身的级数与所述多层机构的层数对应，每层设置的起重臂连接在同级的回转塔身上；

本发明所述控制系统及方法要保证起重臂在吊装物料时，不同层的起重臂不发生干涉；本发明中以三层机构为例：所述的多层起重臂由三对起重臂构成，每一对起重臂为一层，一共三层，每一层均以塔身为支撑，可以独立的进行起升、回转、变幅动作；每一对起重臂以塔机的塔身中心线为基准相互对称安装；

所述回转机构用于：驱动每一级的回转塔身独立的进行回转动作：每一级回转塔身装有回转角度传感器，所述回转角度传感器用于实时采集回转塔身的回转角度量；

所述并行起升机构用于：驱动塔机进行起升动作，每一条起重臂配有一个起升机构，在起升机构的卷扬机处装有起升位移传感器，所述起升位移传感器用于实时采集起升位移量；位于同一层起重臂的两个起升机构分别配有独立控制单元和一个总控制单元，所述独立控制单元对所述起升机构进行独立控制，同层的所述总控制单元对同层的所述独立控制单元进行控制；

所述并行变幅机构用于：驱动塔机进行变幅动作，每一条起重臂配有一个变幅机构，在变幅机构上装有变幅位移传感器，所述起变幅移传感器用于实时采集变幅位移量；同时装有重量传感器，用于实时采集每个起重臂起吊重物的重量。位于同一层的两个变幅机构配有独立控制单元和一个总控制单元，独立控制单元对所属变幅机构进行独立控制，总控制单元对独立控制单元进行控制；

所述数据采集系统包括起升位移传感器、变幅移传感器、重量传感器和回转角度传感器；所述数据采集系统用于采集塔机工作状态下的实时数据，并将实时数据传输到运行控制系统中，运行控制系统依靠数据采集系统所采集数据对塔机进行科学有效的控制；

所述运行控制系统，用于控制塔机的起升、回转、变幅动作，且每层起重臂共同动作时，互不干扰。

根据本发明优选的，所述数据采集系统还包括：激光测距器；所述激光测距器安装在变幅小车一侧，用于测量变幅小车与其下方地面上的障碍物的实时距离。设置激光测距仪的目的在于，要求激光测距器所发出的射线不会被起吊物体所遮挡，影响采集数据的真确性。

根据本发明优选的，所述数据采集系统还包括风速仪，所述风速仪安装在塔机顶部无挡风处，用于实时采集塔机周围环境的风速。

一种多层多臂式塔机的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

高度控制方法：

根据数据采集系统中的起升位移传感器获得的六条起重臂的起升吊物的高度数据，判断同一层的起重臂起升吊物的高度是否一致：

在吊物高度不一致时，则通过控制所述起升机构的独立单元调整起升高度，确保吊物起升高度一致；

在吊物高度一致时，则通过控制所述总控制单元实现吊物的同时起吊；

幅度控制方法：

设定塔机塔身顶端沿任一起重臂方向的水平静位移：依据GB/T 5031-2008塔式起重机国家标准规定，所述塔机塔身顶端沿任一起重臂方向的水平静位移小于等于1.34H/100，其中所述H为每一层起重臂臂根铰点到地面的距离；

同层一对起重臂同时吊装物体时，两侧起重臂的幅度位移距离和起吊的重物重量满足如下关系：

其中，B₁、B₂分别是起重臂上的变幅位移量，G为所吊物体所受重力，m₁和m₂分别为两边所吊物体的质量；E为塔身材料的弹性模量；I分别为塔身截面的惯性矩；H为每一层起重臂臂根铰点到地面的距离；

根据数据采集系统中的变幅位移传感器获得的六条起重臂的变幅小车的位移数据和所吊物体的重量数据，判断同一层的起重臂变幅小车幅度位置是否在安全距离之内：

当变幅小车幅度超出安全距离之外时，则通过控制所述变幅机构的独立单元调整幅度，确保两个变幅小车所吊重物即位置关系在安全范围之内；

回转角度控制方法：

a.建立塔机模型坐标系和回转模型坐标系：

以地平面与塔身中心线的交点为坐标原点O，以正东方向为X轴正方向，以正北方向为Y轴正方向，以垂直于地面向上的方向为Z轴的正方向；

XOY平面即为回转模型坐标系；

b.确定塔机吊钩钢丝绳与起重臂的防碰撞安全模型：

在塔机模型坐标系中，分别将三层起重臂所在中心线投影到回转模型坐标系XOY平面上，生成三条过原点的直线A1,A2,A3；

记直线A1与X轴正方向的夹角为θ1，直线A2与X轴正方向的夹角为θ2，直线A3与X轴正方向的夹角为θ3，夹角范围为0°～180°，分别记三层起重臂上变幅小车的幅度位置到Z轴的距离为a1，a2，a3；所述夹角θ由回转角度传感器采集得到，所述幅度a由变幅位移传感器采集得到；

确定任一一层的吊钩与任一不同一层的起重臂的安全距离L：

第二层的吊钩与第一层的起重臂的安全距离L21：

第三层的吊钩与第一层的起重臂的安全距离L31：

第三层的吊钩与第二层的起重臂的安全距离L32：

所述安全距离L是根据现场施工环境的不同自行选定合理的范围值；

c.确定塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的防碰撞安全模型

在塔机模型坐标系中，记变幅小车到其下方地面上的障碍物的实时距离为h₁，变幅小车到吊钩的距离为h₂

确定塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的安全距离为：

N＝h₁-(h₂+α)，其中α为所吊物体的高度；

所述安全距离N是根据现场施工环境的不同自行选定合理的范围值。

一种多层多臂式塔机的控制方法，其特征在于，所述方法包括：起升、回转、变幅动作综合控制方法：

d.确定塔机吊钩工作位置

在所述塔机模型坐标系中，每个吊装物体都有起升和放置有两个位置：

所述起升位置W1(x₁,y₁,z₁),放置位置W2(x₂,y₂,z₂)；

所述塔机通过控制吊钩变化高度、幅度、回转角度三个变量来将吊装物体吊起放置：完成从起升位置到放置位置或从放置位置到起升位置的吊装工作；

所述吊钩要到达的W1和W2位置点中的(x,y)由塔机回转角度和变幅小车变动幅度决定，z由塔机起升高度决定；其位置信息由所述高度传感器，幅度传感器，回转角度传感器采集，并在运行控制系统中运算得到；

e.控制工作逻辑

塔机控制吊钩完成从起升位置到放置位置或从放置位置到起升位置的吊装工作过程中，塔机先调整回转角度，再依次调整吊钩高度、幅度，吊钩开始起升后，塔机首先根据下一个位置的(x,y)确定塔机的回转角度，回转角度确定后，塔机回转机构就不再动作，只调整吊钩高度和幅度完成吊装工作；

当其中一层或两层起重臂的回转机构不再动作后，则剩余两层或一层起重臂要将吊钩起升到最高位置，保证剩余起重臂进行回转动作时，与不动的起重臂发生碰撞。在该层起重臂吊钩起升到最高位置时，所述塔机吊钩钢丝绳与起重臂的防碰撞安全模型不再生效，该层起重臂可自由进行回转动作。

根据本发明优选的，所述多层多臂式塔机的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：将高度、幅度、回转角度传感器和激光测距器等数据采集装置采集到的塔机状态参数应用到所述的起重臂间安全距离L的计算公式和吊钩与障碍物间安全距离N的计算公式中，计算得到的数值作为塔机的实际工作距离，通过将实际工作距离与规定的安全工作距离相对比，确定塔机各个吊钩钢丝绳与起重臂的防碰撞功能和确定塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的防碰撞功能：

a.塔机各个吊钩钢丝绳与起重臂的防碰撞功能

当实际工作距离大于或等于安全距离L时，塔机进行正常工作；

当实际工作距离小于安全距离L时，存在两种情况：

①将要干涉的两层起重臂在运行过程中，尚未确定准确吊装位置(x,y)的回转角度，此时运行控制系统可通过控制任意一层回转机构调整两层起重臂间的夹角，将实际工作距离控制在安全范围之内；

②将要干涉的两层起重臂中，已经有一层起重臂确定了准确吊装位置(x,y)的回转角度，则未确定回转角度的一层起重臂需控制回转机构调整两层起重臂间的夹角达到安全距离；待确定吊装位置的起重臂完成吊装，未确定吊装位置的起重臂再进行吊装工作，此时完成吊装工作的起重臂需控制回转机构调整两层起重臂间的夹角始终保持安全距离；

b.塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的防碰撞功能

当实际工作距离大于或等于安全距离N时，塔机进行正常工作；

当实际工作距离小于安全距离N时，运行控制系统通过控制起升机构进行限位调整，将吊物所在位置调整至实际工作距离大于或等于安全距离N。

如上述多层多臂式塔机的控制方法的应用方法，其特征在于，运用多层多臂式塔机对建筑工地的多个物料堆放点位进行协调吊装作业。

如上述多层多臂式塔机的控制方法的应用方法，其特征在于，运用多层多臂式塔机在重力势能储能站中的混凝土块进行上下吊装：

在电力充足的时候，将混凝土块由低处吊往高处堆放起来，将电能转化成混凝土块的重力势能储存起来；

在电力短缺的时候，再把混凝土块从高处放下来，经过发电机将混凝土块所储存的重力势能转化成电能释放出来。本技术方案可以很好的弥补太阳能，风能这类新能源发电不稳定的缺陷，将新能源发电更好的并入电网系统中，满足供电需求。

本发明的技术优势在于：

本发明要解决的问题是如何运行塔式起重机准确高效，安全可靠的实现施工现场物料的吊装摆放工作，因此本发明运用数据采集系统与塔机控制系统相结合，实现塔机的数字化和智能化控制，在保障塔机状态安全的的前提下，公开一种智能可靠的控制系统以实现物料吊装的起升，变幅，回转动作，以提高整个重力势能储能发电的工作效率。

附图说明

附图1为本发明塔机组成分布图，以三层起重臂为例；

附图2为本发明所述控制系统的电路连接图；

附图3为本发明的建立塔机模型坐标系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1、

一种多层多臂式塔机的控制系统包括：多层多臂式起重臂、回转机构、并行起升机构、并行变幅机构、数据采集系统和运行控制系统。涉及的多层多臂式塔机主要应用于建筑施工现场，以提高建筑工地物料搬运效率，缩短工期。

高度控制方法：

根据数据采集系统中的起升位移传感器获得的六条起重臂的起升吊物的高度数据，判断同一层的起重臂起升吊物的高度是否一致：

在吊物高度不一致时，则通过控制所述起升机构的独立单元调整起升高度，确保吊物起升高度一致；

在吊物高度一致时，则通过控制所述总控制单元实现吊物的同时起吊；

幅度控制方法：

在进行吊装物体块动作时，根据GB/T 5031-2008塔式起重机国家标准，塔机在额定载荷作用下，塔机臂根铰点的水平静位移应不大于1.34H/100。依据标准规定，本发明塔机塔身顶端沿任一起重臂方向的水平静位移小于等于1.34H/100，其中所述H为每一层起重臂臂根铰点到地面的距离；

同层一对起重臂同时吊装物体时，两侧起重臂的幅度位移距离和起吊的重物重量应该满足如下关系：

其中，B₁、B₂分别是起重臂上的变幅位移量，G为所吊物体所受重力，m₁和m₂分别为两边所吊物体的质量；E为塔身材料的弹性模量；I分别为塔身截面的惯性矩；H为每一层起重臂臂根铰点到地面的距离。

根据数据采集系统中的变幅位移传感器获得的六条起重臂的变幅小车的位移数据和所吊物体的重量数据，判断同一层的起重臂变幅小车幅度位置是否在安全距离之内：

当变幅小车幅度超出安全距离之外时，则通过控制所述变幅机构的独立单元调整幅度，确保两个变幅小车所吊重物即位置关系在安全范围之内；

回转角度控制方法：

a.建立塔机模型坐标系和回转模型坐标系：

以地平面与塔身中心线的交点为坐标原点O，以正东方向为X轴正方向，以正北方向为Y轴正方向，以垂直于地面向上的方向为Z轴的正方向；

XOY平面即为回转模型坐标系；

b.确定塔机吊钩钢丝绳与起重臂的防碰撞安全模型：

在塔机模型坐标系中，分别将三层起重臂所在中心线投影到回转模型坐标系XOY平面上，生成三条过原点的直线A1,A2,A3；

记直线A1与X轴正方向的夹角为θ1，直线A2与X轴正方向的夹角为θ2，直线A3与X轴正方向的夹角为θ3，夹角范围为0°～180°，分别记三层起重臂上变幅小车的幅度位置到Z轴的距离为a1，a2，a3；所述夹角θ由回转角度传感器采集得到，所述幅度a由变幅位移传感器采集得到；

确定任一一层的吊钩与任一不同一层的起重臂的安全距离L：

第二层的吊钩与第一层的起重臂的安全距离L21：

第三层的吊钩与第一层的起重臂的安全距离L31：

第三层的吊钩与第二层的起重臂的安全距离L32：

所述安全距离L可根据现场施工环境的不同自行选定合理的范围值；

c.确定塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的防碰撞安全模型

在塔机模型坐标系中，记变幅小车到其下方地面上的障碍物的实时距离为h₁，变幅小车到吊钩的距离为h₂

确定塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的安全距离为：

N＝h₁-(h₂+α)，其中α为所吊物体的高度；

所述安全距离N可根据现场施工环境的不同自行选定合理的范围值。

实施例2、

如实施例1所述的一种多层多臂式塔机的控制系统对多层多臂式塔机的控制方法，所述方法包括：起升、回转、变幅动作综合控制方法：

d.确定塔机吊钩工作位置

在所述塔机模型坐标系中，每个吊装物体都有起升和放置有两个位置：

所述起升位置W1(x₁,y₁,z₁),放置位置W2(x₂,y₂,z₂)；

所述塔机通过控制吊钩变化高度、幅度、回转角度三个变量来将吊装物体吊起放置：完成从起升位置到放置位置或从放置位置到起升位置的吊装工作；

所述吊钩要到达的W1和W2位置点中的(x,y)由塔机回转角度和变幅小车变动幅度决定，z由塔机起升高度决定；其位置信息由所述高度传感器，幅度传感器，回转角度传感器采集，并在运行控制系统中运算得到。

e.控制工作逻辑

塔机控制吊钩完成从起升位置到放置位置或从放置位置到起升位置的吊装工作过程中，塔机先调整回转角度，再依次调整吊钩高度、幅度，吊钩开始起升后，塔机首先根据下一个位置的(x,y)确定塔机的回转角度，回转角度确定后，塔机回转机构就不再动作，只调整吊钩高度和幅度完成吊装工作；

当其中一层或两层起重臂的回转机构不再动作后，则剩余两层或一层起重臂要将吊钩起升到最高位置，保证剩余起重臂进行回转动作时，与不动的起重臂发生碰撞。在该层起重臂吊钩起升到最高位置时，所述塔机吊钩钢丝绳与起重臂的防碰撞安全模型不再生效，该层起重臂可自由进行回转动作。

实施例3、

如实施例2所述的多层多臂式塔机的控制方法，所述控制方法还包括：将高度、幅度、回转角度传感器和激光测距器等数据采集装置采集到的塔机状态参数应用到所述的起重臂间安全距离L的计算公式和吊钩与障碍物间安全距离N的计算公式中，计算得到的数值作为塔机的实际工作距离，通过将实际工作距离与规定的安全工作距离相对比，确定塔机各个吊钩钢丝绳与起重臂的防碰撞功能和确定塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的防碰撞功能：

a.塔机各个吊钩钢丝绳与起重臂的防碰撞功能

当实际工作距离大于或等于安全距离L时，塔机进行正常工作；

当实际工作距离小于安全距离L时，存在两种情况：

①将要干涉的两层起重臂在运行过程中，尚未确定准确吊装位置(x,y)的回转角度，此时运行控制系统可通过控制任意一层回转机构调整两层起重臂间的夹角，将实际工作距离控制在安全范围之内；

②将要干涉的两层起重臂中，已经有一层起重臂确定了准确吊装位置(x,y)的回转角度，则未确定回转角度的一层起重臂需控制回转机构调整两层起重臂间的夹角达到安全距离；待确定吊装位置的起重臂完成吊装，未确定吊装位置的起重臂在进行吊装工作，此时完成吊装工作的起重臂需控制回转机构调整两层起重臂间的夹角始终保持安全距离。

b.塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的防碰撞功能

当实际工作距离大于或等于安全距离N时，塔机进行正常工作；

当实际工作距离小于安全距离N时，运行控制系统通过控制起升机构进行限位调整，将吊物所在位置调整至实际工作距离大于或等于安全距离N。

实施例4、

本发明除应用在建筑施工领域进行建筑物料的垂直运输外，可以在依靠重力势能储能的新能源发电技术的背景下，提供一种应用于重力势能储能的方法。在重力势能储能站现场，运用所述多层多臂塔式起重机将数千块混凝土块进行上下吊装。在电力充足的时候，将混凝土块由低处吊往高处堆放起来，将电能转化成混凝土块的重力势能储存起来；在电力短缺的时候，再把混凝土块从高处放下来，经过发电机将混凝土块所储存的重力势能转化成电能释放出来，达到电力存储释放的目的。

一种多层多臂式塔机的控制系统及控制方法为重力势能储能电厂提供一种储能混凝土块的起吊放置控制方法，具体的：

用于重力势能储能的一种多层多臂式塔机在进行储能放电过程中，每一层起重臂起吊储能混凝土块时，同一层两侧的起重臂起升高度和小车变化幅度一致。

本发明针对重力势能储能技术优选的进行塔机每一层的回转角度控制：

a.建立塔机模型坐标系和回转模型坐标系：

以地平面与塔身中心线的交点为坐标原点O，以正东方向为X轴正方向，以正北方向为Y轴正方向，以垂直于地面向上的方向为Z轴的正方向；

XOY平面即为回转模型坐标系；

b.确定塔机吊钩钢丝绳与起重臂的防碰撞安全模型：

在塔机模型坐标系中，分别将三层起重臂所在中心线投影到回转模型坐标系XOY平面上，生成三条过原点的直线A1,A2,A3；

记直线A1与X轴正方向的夹角为θ1，直线A2与X轴正方向的夹角为θ2，直线A3与X轴正方向的夹角为θ3，夹角范围为0°～180°，分别记三层起重臂上变幅小车的幅度位置到Z轴的距离为a1，a2，a3；所述夹角θ由回转角度传感器采集得到，所述幅度a由变幅位移传感器采集得到；

确定任一一层的吊钩与任一不同一层的起重臂的安全距离L：

第二层的吊钩与第一层的起重臂的安全距离L21：

第三层的吊钩与第一层的起重臂的安全距离L31：

第三层的吊钩与第二层的起重臂的安全距离L32：

所述安全距离L可根据现场施工环境和储能混凝土块尺寸的不同自行选定合理的范围值。确定安全距离L以保证每一层起重臂在进行吊装工作时不会发生相互干涉现象。

本发明针对重力势能储能技术优选的确定塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的防碰撞安全模型：

在塔机模型坐标系中，记变幅小车到其下方地面上的障碍物的实时距离为h₁，变幅小车到吊钩的距离为h₂

确定塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的安全距离为：

N＝h₁-(h₂+α)，其中α为所吊物体的高度。

所述安全距离N可根据现场施工环境和储能混凝土块尺寸的不同自行选定合理的范围值。确定安全距离N以保证起吊混凝土块不会与下方堆叠的混凝土块发生碰撞。

实施例5、

如实施例4，本实施例提供一种储能混凝土块吊装控制逻辑：

a.建立储能场工作空间坐标系

以地平面与塔身中心线的交点为坐标原点O’，以正南方向为X’轴正方向，以正东方向为Y’轴正方向，以垂直于地面向上的方向为Z’轴的正方向，建立塔机动作模型空间直角坐标系；

b.确定塔机吊钩工作位置

在所述空间直角坐标系中，每个吊装物体都有起升和放置有两个位置，分别为起升位置W1(x’1,y’1,z’1),放置位置W2(x’2,y’2,z’2)；所述塔机通过控制吊钩变化高度，幅度，回转角度三个变量来将混凝土块吊起放置，完成从起升位置到放置位置或从放置位置到起升位置的吊装工作；

所述吊钩要到达的W1和W2位置点中的(x’,y’)由塔机回转角度和变幅小车变动幅度决定，z’由塔机起升高度决定；其位置信息由所述高度传感器，幅度传感器，回转角度传感器采集，并在运行控制系统中运算得到。

塔机控制吊钩完成从起升位置到放置位置或从放置位置到起升位置的吊装工作过程中，塔机先调整回转角度，再依次调整吊钩高度、幅度，吊钩开始起升后，塔机首先根据下一个位置的(x,y)确定塔机的回转角度，回转角度确定后，塔机回转机构就不再动作，只调整吊钩高度和幅度完成吊装工作；

在储能场工作空间坐标系中，三层起重臂每一层负责吊装混凝土块的三个不同起升位置(x’1,y’1)距离大于所述安全距离L；三层起重臂每一层负责吊装混凝土块的三个不同放置位置(x’2,y’2)距离大于所述安全距离L。保障每一层起重臂调整安全距离后，不会影响最终起升位置或放置位置的定位。

所述控制逻辑方法还包括：将高度、幅度、回转角度传感器和激光测距器等数据采集装置采集到的塔机状态参数应用到所述的起重臂间安全距离L的计算公式和吊钩与障碍物间安全距离N的计算公式中，计算得到的数值作为塔机的实际工作距离，通过将实际工作距离与规定的安全工作距离相对比，确定塔机各个吊钩钢丝绳与起重臂的防碰撞功能和确定塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的防碰撞功能：

①塔机各个吊钩钢丝绳与起重臂的防碰撞功能

基于每一层起重臂吊装起升位置和放置位置不会发生相互干涉现象，塔机各个吊钩钢丝绳与起重臂的防碰撞功能只在塔机进行回转，寻找吊装位置的(x,y)的过程中有效：

当实际工作距离大于或等于安全距离L时，塔机进行正常工作；

当实际工作距离小于安全距离L时，运行控制系统通过控制回转机构进行回转角度调整，将吊物所在位置调整至实际工作距离大于或等于安全距离L；

②塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的防碰撞功能

当实际工作距离大于或等于安全距离N时，塔机进行正常工作；

当实际工作距离小于安全距离N时，运行控制系统通过控制起升机构进行限位调整，将吊物所在位置调整至实际工作距离大于或等于安全距离N。

如图1所示，塔机各个组成部分位置为：塔身位置1，第一层起重臂位置2，第二层起重臂位置3，并行变幅机构位置4，第三层起重臂位置5，变幅小车位置6，运行控制系统位置7，并行起升机构位置8，回转机构位置9。

第一层起重臂，第二层起重臂和第三层起重臂均以塔身为支撑依次向上排布在塔身上端位置。应用于重力势能储能的塔机在运行控制系统100的控制下分别对三层起重臂上端并行变幅机构500，并行起升机构400，回转机构300进行控制，实现三层起重臂的起升，回转，变幅动作，且三层起重臂可以进行协同作业，互不干涉，极大的提高了作业效率。

如图2所示，是本发明所述控制系统的电路连接图，包括运行控制系统100、数据采集系统200、回转机构300、并行起升机构400和并行变幅机构500的组成连接关系。

所述运行控制系统100包括：总控制单元110和独立控制单元120。具体的总控制单元110用于控制同一起重臂的起升机构和变幅机构统一动作；独立控制单元120用于独立的调整每一条起重臂的起升机构和变幅机构动作，使两侧起重臂所吊物体的高度、幅度差在安全范围之内。

所述数据采集系统200包括：起升位移传感器210、变幅位移传感器220、回转角度传感器230、重量传感器240、激光测距器250和风速仪260。

所述数据采集系统200用于采集塔机工作状态下的实时数据，并将实时数据传输到运行控制系统100中，运行控制系统100依靠数据采集系统所采集数据对塔机进行科学有效的控制；

所述激光测距器250安装在变幅小车一侧，用于测量变幅小车与其下方地面上的障碍物的实时距离。设置激光测距仪的目的在于，要求激光测距器所发出的射线不会被起吊物体所遮挡，影响采集数据的真确性。

所述风速仪260安装在塔机顶部无挡风处，用于实时采集塔机周围环境的风速。

所述回转机构300用于驱动每一级的回转塔身独立的进行回转动作：每一级回转塔身装有回转角度传感器，所述回转角度传感器用于实时采集回转塔身的回转角度量；

所述并行起升机构400用于：驱动塔机进行起升动作，每一条起重臂配有一个起升机构，在起升机构的卷扬机处装有起升位移传感器，所述起升位移传感器用于实时采集起升位移量；位于同一层起重臂的两个起升机构分别配有独立控制单元和一个总控制单元，所述独立控制单元对所述起升机构进行独立控制，同层的所述总控制单元对同层的所述独立控制单元进行控制；

所述并行变幅机构500用于：驱动塔机进行变幅动作，每一条起重臂配有一个变幅机构，在变幅机构上装有变幅位移传感器，所述起变幅移传感器用于实时采集变幅位移量；

同时装有重量传感器240，用于实时采集每个起重臂起吊重物的重量。位于同一层的两个变幅机构配有独立控制单元和一个总控制单元，独立控制单元对所属变幅机构进行独立控制，总控制单元对独立控制单元进行控制。

Claims (8)

1.一种多层多臂式塔机的控制系统，其特征在于，包括：多层多臂式起重臂、回转机构、并行起升机构、并行变幅机构、数据采集系统和运行控制系统；

所述多层多臂式起重臂包括多层机构，每层所述机构包括一对夹角为180°的起重臂，在塔机塔身顶端设置有多级回转塔身，所述回转塔身的级数与所述多层机构的层数对应，每层设置的起重臂连接在同级的回转塔身上；

所述回转机构用于：驱动每一级的回转塔身独立的进行回转动作：每一级回转塔身装有回转角度传感器，所述回转角度传感器用于实时采集回转塔身的回转角度量；

所述并行起升机构用于：驱动塔机进行起升动作，每一条起重臂配有一个起升机构，在起升机构的卷扬机处装有起升位移传感器，所述起升位移传感器用于实时采集起升位移量；位于同一层起重臂的两个起升机构分别配有独立控制单元和一个总控制单元，所述独立控制单元对所述起升机构进行独立控制，同层的所述总控制单元对同层的所述独立控制单元进行控制；

所述并行变幅机构用于：驱动塔机进行变幅动作，每一条起重臂配有一个变幅机构，在变幅机构上装有变幅位移传感器，所述起变幅移传感器用于实时采集变幅位移量；同时装有重量传感器，用于实时采集每个起重臂起吊重物的重量；位于同一层的两个变幅机构配有独立控制单元和一个总控制单元，独立控制单元对所属变幅机构进行独立控制，总控制单元对独立控制单元进行控制；

所述数据采集系统包括起升位移传感器、变幅移传感器、重量传感器和回转角度传感器；

所述运行控制系统，用于控制塔机的起升、回转、变幅动作，且每层起重臂共同动作时，互不干扰。

2.根据权利要求1所述的一种多层多臂式塔机的控制系统，其特征在于，所述数据采集系统还包括：激光测距器；所述激光测距器安装在变幅小车一侧，用于测量变幅小车与其下方地面上的障碍物的实时距离。

3.根据权利要求1所述的一种多层多臂式塔机的控制系统，其特征在于，所述数据采集系统还包括风速仪，所述风速仪安装在塔机顶部无挡风处，用于实时采集塔机周围环境的风速。

4.一种多层多臂式塔机的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

高度控制方法：

根据数据采集系统中的起升位移传感器获得的六条起重臂的起升吊物的高度数据，判断同一层的起重臂起升吊物的高度是否一致：

在吊物高度不一致时，则通过控制所述起升机构的独立单元调整起升高度，确保吊物起升高度一致；

在吊物高度一致时，则通过控制所述总控制单元实现吊物的同时起吊；

幅度控制方法：

同层一对起重臂同时吊装物体时，两侧起重臂的幅度位移距离和起吊的重物重量满足如下关系：

其中，B₁、B₂分别是起重臂上的变幅位移量，G为所吊物体所受重力，m₁和m₂分别为两边所吊物体的质量；E为塔身材料的弹性模量；I分别为塔身截面的惯性矩；H为每一层起重臂臂根铰点到地面的距离；

根据数据采集系统中的变幅位移传感器获得的六条起重臂的变幅小车的位移数据和所吊物体的重量数据，判断同一层的起重臂变幅小车幅度位置是否在安全距离之内：

当变幅小车幅度超出安全距离之外时，则通过控制所述变幅机构的独立单元调整幅度，确保两个变幅小车所吊重物即位置关系在安全范围之内；

回转角度控制方法：

a.建立塔机模型坐标系和回转模型坐标系：

以地平面与塔身中心线的交点为坐标原点O，以正东方向为X轴正方向，以正北方向为Y轴正方向，以垂直于地面向上的方向为Z轴的正方向；

XOY平面即为回转模型坐标系；

b.确定塔机吊钩钢丝绳与起重臂的防碰撞安全模型：

在塔机模型坐标系中，分别将三层起重臂所在中心线投影到回转模型坐标系XOY平面上，生成三条过原点的直线A1,A2,A3；

记直线A1与X轴正方向的夹角为θ1，直线A2与X轴正方向的夹角为θ2，直线A3与X轴正方向的夹角为θ3，夹角范围为0°～180°，分别记三层起重臂上变幅小车的幅度位置到Z轴的距离为a1，a2，a3；所述夹角θ由回转角度传感器采集得到，所述幅度a由变幅位移传感器采集得到；

确定任一一层的吊钩与任一不同一层的起重臂的安全距离L：

第二层的吊钩与第一层的起重臂的安全距离L21：

第三层的吊钩与第一层的起重臂的安全距离L31：

第三层的吊钩与第二层的起重臂的安全距离L32：

所述安全距离L是根据现场施工环境的不同自行选定合理的范围值；

c.确定塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的防碰撞安全模型

在塔机模型坐标系中，记变幅小车到其下方地面上的障碍物的实时距离为h₁，变幅小车到吊钩的距离为h₂

确定塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的安全距离为：

N＝h₁-(h₂+α)，其中α为所吊物体的高度；

所述安全距离N是根据现场施工环境的不同自行选定合理的范围值。

5.根据权利要求4所述的一种多层多臂式塔机的控制方法，其特征在于，所述多层多臂式塔机的控制方法，其特征在于，所述方法包括：起升、回转、变幅动作综合控制方法：

d.确定塔机吊钩工作位置

在所述塔机模型坐标系中，每个吊装物体都有起升和放置有两个位置：

所述起升位置W1(x₁,y₁,z₁),放置位置W2(x₂,y₂,z₂)；

所述塔机通过控制吊钩变化高度、幅度、回转角度三个变量来将吊装物体吊起放置：完成从起升位置到放置位置或从放置位置到起升位置的吊装工作；

所述吊钩要到达的W1和W2位置点中的(x,y)由塔机回转角度和变幅小车变动幅度决定，z由塔机起升高度决定；

e.控制工作逻辑

塔机先调整回转角度，再依次调整吊钩高度、幅度；

当其中一层或两层起重臂的回转机构不再动作后，则剩余两层或一层起重臂要将吊钩起升到最高位置。

6.根据权利要求4所述的一种多层多臂式塔机的控制方法，其特征在于，所述多层多臂式塔机的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：将高度、幅度、回转角度传感器和激光测距器等数据采集装置采集到的塔机状态参数应用到所述的起重臂间安全距离L的计算公式和吊钩与障碍物间安全距离N的计算公式中，计算得到的数值作为塔机的实际工作距离，通过将实际工作距离与规定的安全工作距离相对比，确定塔机各个吊钩钢丝绳与起重臂的防碰撞功能和确定塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的防碰撞功能：

a.塔机各个吊钩钢丝绳与起重臂的防碰撞功能

当实际工作距离大于或等于安全距离L时，塔机进行正常工作；

当实际工作距离小于安全距离L时，存在两种情况：

①将要干涉的两层起重臂在运行过程中，尚未确定准确吊装位置(x,y)的回转角度，此时运行控制系统可通过控制任意一层回转机构调整两层起重臂间的夹角，将实际工作距离控制在安全范围之内；

②将要干涉的两层起重臂中，已经有一层起重臂确定了准确吊装位置(x,y)的回转角度，则未确定回转角度的一层起重臂需控制回转机构调整两层起重臂间的夹角达到安全距离；待确定吊装位置的起重臂完成吊装，未确定吊装位置的起重臂再进行吊装工作，此时完成吊装工作的起重臂需控制回转机构调整两层起重臂间的夹角始终保持安全距离；

b.塔机各个吊钩与吊钩下方的障碍物的防碰撞功能

当实际工作距离大于或等于安全距离N时，塔机进行正常工作；

当实际工作距离小于安全距离N时，运行控制系统通过控制起升机构进行限位调整，将吊物所在位置调整至实际工作距离大于或等于安全距离N。

7.如权利要求4所述多层多臂式塔机的控制方法的应用方法，其特征在于，运用多层多臂式塔机对建筑工地的多个物料堆放点位进行协调吊装作业。

8.如权利要求4所述多层多臂式塔机的控制方法的应用方法，其特征在于，运用多层多臂式塔机在重力势能储能站中的混凝土块进行上下吊装：

在电力充足的时候，将混凝土块由低处吊往高处堆放起来，将电能转化成混凝土块的重力势能储存起来；

在电力短缺的时候，再把混凝土块从高处放下来，经过发电机将混凝土块所储存的重力势能转化成电能释放出来。

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