用于执行可预测工作周期的工业机器、能量管理系统以及操作该工业机器的方法 |
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| 申请号 | CN201380017934.X | 申请日 | 2013-09-23 | 公开(公告)号 | CN104379845B | 公开(公告)日 | 2017-06-23 |
| 申请人 | 哈尼施费格尔技术公司; | 发明人 | 乔·武特克; 威廉·A·多塞特; 马库斯·N·巴尔; 贾森·索尔吉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于执行可预测工作周期的工业机器、 能量 管理系统以及操作该工业机器的方法，一种工业机器包括至少一个 控制器 ，所述控制器被配置为：(1)检测在由所述工业机器执行并且包括多个工作周期分段的重复工作周期内的再生工作周期分段的出现；以及(2) 修改 在所述工业机器中包括的至少一个电源对于所述再生工作周期分段(即，在所述再生工作周期分段之前和/或期间)的操作。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种工业机器，所述工业机器执行多个工作周期分段，其中所述多个工作周期分段中的至少一个是再生工作周期分段，所述再生工作周期分段是当消耗的机器功率为负时的工作周期分段，所述工业机器包括： |
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| 说明书全文 | 用于执行可预测工作周期的工业机器、能量管理系统以及操作该工业机器的方法 [0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本申请要求在2012年9月21日提交的美国临时申请No.61/703,879的优先权，其整体内容通过引用被并入在此。 技术领域发明内容[0004] 诸如电绳或电铲的挖掘铲用于从例如一堆矿取出材料。操作员在挖掘操作期间控制铲子，以将铲斗装上材料。操作员将在铲斗中包含的材料放置于倾倒位置处，诸如到拖运卡车内，到移动破碎机内，到在地上的区域上，到传送带上等。在卸下材料后，挖掘周期继续，并且操作员将铲斗摇摆回那个堆，以执行另外的挖掘。 [0005] 在运行期间，铲子的工作周期是重复的。例如，铲子的工作周期通常包括挖掘分段、摆动分段、倾倒分段和返回分段。这些分段以微小的变化被重复(例如，由于挖掘条件)。因此，铲子的工作周期分段是可预测的，并且，工作周期分解算法已经被开发和并入用于提供半自主控制、机器监视和操作员性能监视的重设备控制器内。该算法可以基于铲子或更具体而言铲斗的运动、位置、速度、扭矩等来确定工作周期分段。 [0006] 因此，本发明的实施例 [0007] 使用工作周期分段的可预测性来在工作周期的再生部分期间有效地获得能量，并且改善机械能量使用(即，最小化燃料消耗)。具体地说，本发明的一个实施例提供了一种工业机器，该工业机器包括至少一个控制器。所述控制器被配置为：(1)检测在由所述工业机器执行的、包括多个工作周期分段的重复工作周期内的再生工作周期分段的出现；以及(2)修改在所述工业机器中包括的至少一个电源对于所述再生工作周期分段的操作。 [0008] 本发明的另一个实施例提供了一种操作工业机器的方法。所述方法包括：由控制器检测在由所述工业机器执行的重复工作周期内的再生工作周期分段的出现，所述重复工作周期包括多个工作周期分段。所述方法也包括：由所述控制器修改所述工业机器对于所述再生工作周期的操作。 [0009] 本发明的另一个实施例提供了一种能量管理系统。所述能量管理系统包括双向电力总线和电力转换单元，所述电力转换单元从所述双向电力总线接收电气电力，并且产生调节的电能。所述系统也包括致动器，所述致动器从所述电力转换单元接收调节的电能，以在具有多个工作周期分段的重复的工作周期内操作至少一个工具。所述系统进一步包括引擎和耦合到所述引擎并且被所述引擎驱动的电动机-发电机。所述电动机/发电机产生电能，并且向所述双向电力总线供应电气电力。另外，所述系统包括控制器，所述控制器被配置为：(1)检测其间产生再生电力的所述多个工作周期分段之一的出现；以及(2)基于所述再生电力来修改所述引擎和所述双向电力总线的至少一个对于所述工作周期分段的操作。 附图说明[0011] 图1图示了铲子和拖运卡车。 [0012] 图2示意地图示了在图1的铲子中包括的能量管理系统。 [0013] 图3图示了在由图1的铲子执行的工作周期期间的电力消耗和产生。 [0014] 图4示意地图示了在图2的能量管理系统中包括的控制器。 [0015] 图5是图示由图4的控制器执行的管理能量的方法的流程图。 具体实施方式[0016] 在详细说明本发明的任何实施例之前，应当明白，本发明在其应用上不限于在下面的说明中给出或在下面的附图中图示的组件的构造和布置或数量的细节。本发明能够具有其他实施例，并且能够以各种方式被实施或执行。 [0017] 而且，应当明白，在此使用的短语和术语用于说明的目的，并且不应当被看作限制。在此的“包括”或“具有”及其变化形式的使用意味着涵盖其后列出的术语和其等同物以及另外的项目。术语“安装”、“连接”和“耦合”被广义地使用，并且涵盖直接和间接安装、连接和耦合两者。而且，“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合，并且可以包括电气连接或耦合，不论是否是直接的或间接的。而且，可以使用包括直接连接、无线连接等的任何已知手段来执行电子通信和通知。 [0018] 也应当注意，可以使用多个基于硬件和软件的装置以及多个不同的结构组件来实现本发明。另外，应当明白，本发明的实施例包括硬件、软件和电子组件或模块，其为了说明的目的可以被图示和描述得好象完全以硬件实现组件的大多数。然而，本领域内的普通技术人员基于本详细说明的阅读将认识到，在至少一个实施例中，可以以由诸如微处理器和/或专用集成电路(“ASIC”)的一个或多个处理单元可执行的软件(例如，存储在永久计算机可读介质上)来实现本发明的基于电 子的方面。与此相同，应当注意，多个基于硬件和软件的装置以及多个不同的结构组件可以用于实现本发明。而且，并且如在随后的段落中所述，在附图中图示的具体机械配置意欲例示本发明的实施例，并且其他替代机械配置是可能的。例如，在说明书中描述的“控制器”可以包括标准处理组件，诸如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)。 [0019] 图1描述了示例性电气绳铲100。该绳铲100包括轨道105，用于将绳铲100向前和向后推动绳铲100，并且用于转动绳铲100(即，通过相对于彼此改变左和右轨道的速度和/或方向)。轨道105支撑基座110，基座110包括驾驶室115。基座110能够围绕摆动轴125摆动或旋转，以例如在挖掘位置和倾倒位置之间移动。在一些实施例中，轨道105的移动对于摆动运动是不必要的。铲子100进一步包括支撑可枢转的铲斗柄135和铲斗140的吊杆130。铲斗140可以包括用于在铲斗140内倾倒内容的门145。在操作期间，绳铲100通过打开门145来将在铲斗140中包含的材料倾倒到倾倒位置内，诸如拖运卡车175的床176。在一些实施例中，不是包括门145，铲斗140具有抓斗设计，其被打开和闭合以挖掘材料和倾倒材料。应当明白，虽然将铲子100图示了与拖运卡车175一起使用，但是铲子100也能够从铲斗140向其他倾倒位置倾倒材料，诸如向移动矿业破碎机内、向输送机上和/或向地面上的区域上。 [0020] 也如图1中所示，铲子100也包括：在底座110和吊杆130之间耦合的拉紧悬索150，用于支撑吊杆130；以及，起重线缆155，其附接到在基座110内的绞车(未示出)，用于将线缆155缠绕以升高和降低铲斗140。铲子100也包括在铲斗柄135的底部上的推挤小齿轮和齿条，用于延伸和收缩铲斗140(即，执行铲斗140的推挤运动)。另外，在一些实施例中，铲子 100包括铲斗行程线缆160，用于打开和闭合门145。 在一些实施例中，除了或取代线缆150的一个或多个，铲子100包括将吊杆130连接到底座110的一个或多个受拉杆件。 [0021] 铲子100包括一个或多个“致动器”，用于驱动或操作一个或多个“工具”。该“致动器”可以包括电动机或液压马达。该“工具”可以包括在铲子100中包括的各种组件，诸如用于操作线缆150或柄135的绞车、用于操作门145的机构(例如，线缆160)、用于操作铲斗140的抓斗设计的机构、用于摆动基座110的机构和用于操作轨道105的机构。 [0022] 例如，图2图示了在铲子100中包括的能量管理系统190。系统190包括泵驱动变速器200和引擎202(即，柴油内燃机)。使用在燃料供应(未示出)中包含的燃料(即，柴油、汽油、石油、天然气、丙烷、生物燃料、氢气等)来驱动引擎202。泵驱动变速器200驱动在铲子100中包括的一个或多个液压马达。液压马达可以驱动在铲子100中包括的压缩器、加热、通风和空气调节(“HVAC”)系统、风扇等。泵驱动变速器200机械地耦合到引擎202并且被引擎 202驱动。虽然未示出，但是引擎202也可以机械地耦合到被引擎驱动的交流发电机，以产生用于对于在铲子100中包括的热水器、室内和室外的灯光、音响、控制器、电子装置、泵、风扇等供电。 [0023] 引擎202也机械地耦合到电动机发电机204。电动机发电机204被引擎202驱动以产生电能。电动机发电机204向双向电力总线206输出所产生的电能。电力转换单元(“PCU”)208也耦合到总线206。PCU208将在总线206上可获得的电能转换为致动器(例如，电动机)可使用的调节的电能。例如，PCU208可以将在总线206上可获得的电能从第一电压转换为第二电压。 [0024] 如图2中所示，PCU208可以向一个或多个电动机或电动机器210 提供调节的电能。机器210是用于操作和驱动诸如用于操作线缆155和160的绞车的、在铲子100中包括的工具 211的致动器。在总线206上剩余的未使用能量可以选用地被存储到一个或多个能量存储装置213，诸如一个或多个超级电容器或电池。如图2中所示，制动斩波器214也可以耦合到总线206。制动斩波器214消耗或散失在总线206上剩余的未使用能量(即，未被机器210消耗并且被存储到能量存储装置213的能量)。 [0025] 如上在发明内容中所述，操作员操作铲子100以执行包括多个工作周期分段的重复工作周期。工作周期分段可以包括挖掘分段(“DIG”)、摆动分段(“S”)、倾倒分段(“DUMP”)和返回分段(“R”)。在挖掘分段中，操作员在铲斗140与一堆材料接合以将材料装近铲斗140内的同时抬高铲斗140。接下来，在摆动分段中，操作员摆动被装上的铲斗140，这将铲斗140从该堆脱离，并且将铲斗140向诸如拖运卡车175的倾倒位置移动。在倾倒分段中，在铲斗140位于倾倒位置(例如，拖运卡车175的床176)之上的情况下，操作员打开铲斗140的门145(例如，使用柄135)或打开铲斗140的抓斗并且将材料从铲斗140向倾倒位置内倾倒。在返回分段中，操作员将铲斗140降低到堆地面以开始另一个周期。操作员以微小的变化(例如，基于挖掘条件)来重复工作周期的这些分段。 [0026] 图3图示了铲子100的示例功耗。如图3中所示，引擎202可以提供预定最大功率的预定马力(参见行216)。然而，由铲子100随着时间消耗的实际平均马力变化(参见行127)。而且，由铲子100在特定工作周期分段上消耗的平均马力(参见虚线218)在分段之间不同。 例如，如图3中所示，在挖掘分段期间比其他分段消耗平均更大的功率。而且，在摆动分段期间，当操作员在摆动分段期间将铲斗140加速(“SACC”)时(例如，当启动铲斗摆动时)比当操作员在摆动分段期间将铲斗140减速时(“SDEC”)(例如，当停止铲斗摆动时)消耗更多的功 率。类似地，当操作员在返回分段期间将铲斗140加速时(“RACC”)比当操作员在返回分段期间将铲斗140减速时(“RDEC”)消耗更多的功率。 [0027] 也如图3中所示，工作周期的部分表示再生工作周期分段。再生工作周期分段是其中因为工具211的制动或变慢导致产生电能的工作周期分段(或其一部分)。可以将再生工作周期分段定义为当所消耗的机器功率为负(即，从再生产生的电能超过所消耗的能量)时的工作周期分段。如图3中所示，摆动和返回分段(例如，摆动分段的减速部分和返回分段的减速和返回到折叠部部分)是再生工作周期分段。例如，机器210可以在“马达驱动模式”和“发电模式”中操作。在“马达驱动模式”中，机器210充当马达，并且消耗能量来操作和驱动工具211中的一个或多个。在“发电模式”中，机器210产生电能。具体地说，在再生工作周期分段期间，机器210的一个或多个用于通过将工具211的动能转换为电能来将工具211变慢或制动。具体地说，当制动工具211时，机器210被置于“发电模式”中，这使得机器210将工具211变慢或停止。在“发电模式”中的同时，机器210充当产生电能的发电机。所产生的电能被从机器210供应到连接到总线206的PCU 208。并且最后被供应到总线206。因此，在一个或多个机器210在工作周期分段期间产生电能的同时，耦合到总线206的其他电气运动致动器和辅助负载(例如，未将工具211制动的其他机器210)可以消耗所产生的能量。所产生的能量也可以被存储在能量存储装置213中。然而，在运行期间消耗再生能量减少或消除了存储所获得的能量的需要，这减少或消除了对于诸如超级电容器、电池、动态制动电阻器和相关组件的能量存储装置的需要。减少或消除这些装置导致降低的机器成本和改善的可靠性。使用再生能量也可以减少在引擎202上的能量需求，这降低了当操作铲子100时的能量(例如，燃料)成本。 [0028] 而且，在给出在重复工作周期中包括的工作周期分段的可预测性 的情况下，可以有效地管理由铲子100产生和消耗的能量。例如，如图2中所示，可以在被配置成执行用于铲子100的能量管理的能量管理系统190中包括控制器300。如图4中示意地所示，控制器300包括处理单元350(例如，微处理器、专用集成电路(“ASIC”)等)、一个或多个计算机可读存储器模块355和输入/输出接口365。应当明白，在一些实施例中，控制器300包括多个处理单元、存储器模块和/或输入/输出接口。而且，在一些实施例中，控制器300包括除了在图4中所示的那些之外的另外的组件。 [0029] 处理单元350检索和执行在计算机可读模块355中存储的指令和数据。处理单元350也作为执行指令的一部分向计算机可读模块355存储数据。计算机可读模块355包括永久计算机可读介质，并且包括易失性存储器、非易失性存储器(例如，快闪存储器)或其组合。输入/输出接口365从控制器300外部的装置和系统接收信息，并且向控制器300外部的装置和系统输出信息。例如，输入/输出接口365使用一个或多个有线或无线连接与引擎 202、发电机204和/或CPU 208的一个或多个进行通信。在一些实施例中，输入/输出接口365也向计算机可读模块355存储从控制器300外部的装置和系统接收的数据，并且/或者从模块355检索数据，以输出到外部装置和系统。 [0030] 如图4中所示，输入/输出接口365也与操作员接口370进行通信。操作员接口370包括一个或多个操作员控制的输入装置，诸如操纵杆、控制杆、脚踏板和其他致动器。操作员可以使用操作员接口370来发出用于铲子100的运动命令。该运动命令可以包括推挤控制、摇摆控制、提升控制、推进控制和门控制。该运动命令被控制器300使用来向用于操作一个或多个工具211的PCU208输出由操作员指令的数字运动命令。该运动命令包括例如升起、降低、推挤延伸、推挤收缩、顺时针摇摆、逆时针摇摆、铲斗门释放、左轨道向前、左轨道向后、右轨道向前和右轨道向后。应当明白，在一些实施例中，操作员接口 370与和控制器300分离的控制器进行通信。在这些实施例中，控制器300与独立的控制器进行通信以接收运动命令(例如，用于发送到PCU208和/或用于内部使用，如下更详细所述)。 [0031] 如图4中所示，控制器300也与位置传感器380进行通信，该位置传感器380监视铲斗140和/或铲子100的其他组件的位置和/或状态。例如，在一些实施例中，控制器300耦合到一个或多个推挤传感器、摇摆传感器、提升传感器和铲子传感器。推挤传感器检测铲斗140的延伸或收缩的水平。摇摆传感器检测柄135的摇摆角。提升传感器基于起重线缆155位置来检测铲斗140的高度。铲子传感器检测铲斗门(或抓斗)的位置。铲子传感器也可以包括负载传感器、速度传感器、加速度传感器和缺陷传感器，它们检测关于在铲斗140内的负载的信息。在一些实施例中，传感器380的一个或多个包括解析器，该解析器指示用于运动铲斗140的马达(例如，推挤马达、摇摆马达和/或提升马达)的绝对位置或相对运动。在其他实施例中，传感器380的一个或多个包括绝对编码器、线性移位换能器或其他感测技术。再一次，应当明白，在一些实施例中，传感器380与和控制器300分离的控制器进行通信。在这些实施例中，控制器300与独立的控制器进行通信以从传感器380接收数据。 [0032] 在计算机可读存储器模块355中存储的指令当被处理单元350执行时执行特定功能。例如，控制器300执行指令以执行各种能量管理方法。具体地说，如下更详细所述，控制器300执行指令，检测由铲子100执行的再生工作周期分段，并且管理铲子100(例如，引擎202、发电机204和/或总线206)，以在所识别的分段期间有效地提供和消耗能量。如在本申请中使用，控制器300通过下述方式“检测”再生工作周期分段：识别当前工作周期分段是再生工作周期分段，或者预测未来(例如，随后)的工作周期分段是再生工作周期分段。 [0033] 例如，图5是图示由控制器300执行(通过使用处理单元350执行指令)来管理由铲子100使用和产生的能量的方法的流程图。如图5中所示，当操作员对于铲子100执行重复工作周期时(在框390)，控制器300被配置为检测再生工作周期分段的出现(在框400)。如上所述，铲子100执行包括以预定顺序执行的多个工作周期分段的重复工作周期。该工作周期分段的一个或多个可以操作再生能量，并且因此，被看作再生工作周期分段。为了检测再生工作周期分段，控制器300可以被配置为检测被铲子100执行的当前工作周期分段。在一些实施例中，控制器300使用通过用户接口270接收的运动命令、从传感器380接收的信息和(选用的)从PCU208接收的信息来确定当前工作周期分段(例如，挖掘、摆动、倾倒或返回)。如上所述，用于确定和跟踪工作周期的算法存在并且可以被控制器300使用。替代地或补充点，独立的控制器可以被配置为确定或跟踪当前工作周期分段，并且可以向控制器300提供当前工作周期分段的标识符。 [0034] 在确定当前工作周期分段后，控制器300识别当前工作周期分段是否是再生工作周期分段(例如，使用查找表或在模块355中存储的其他数据)。替代地或补充地，控制器300(1)基于当前工作周期分段和在重复工作周期中包括的工作周期分段的序列来确定随后的工作周期分段(例如，下一个工作周期分段)；以及(2)识别随后的工作周期分段是否是再生工作周期分段。当控制器300确定当前和/或随后的工作周期分段是再生工作周期分段时，控制器300修改铲子100的操作以增大能量效率(在框402)。 [0035] 例如，在一些实施例中，控制器300通过下述方式来修改铲子100：使用再生能量来将引擎202的速度增大为大于额定操作速度。具体地说，发电机204可以使用通过总线206供应的再生能量，以驱动或辅助引擎202的机械组件和机械地耦合到引擎202的其他组件，诸如泵驱动变速器200。因为能量是在旋转速度上的改变的平方的函数，所以 增大的引擎速度导致增大的能量存储或可获得性。诸如利用飞轮增加对于引擎202和/或泵驱动变速器200的惯性也允许进一步增大作为旋转惯性的能量存储。也可以使用另外的动力总成惯性来补偿在工作周期的动态部分期间的引擎控制波动。可以然后在非再生工作周期分段期间消耗所存储的旋转能量，这改善了机器效率。另外，源自增大的引擎速度的增大的能量存储容量可以减少或消除对于能量存储装置的需要，该能量存储装置例如是超级电容器或电池，这减小了机器成本和重量并且改善了可靠性。 [0036] 补充地或替代地，控制器300可以通过下述方式来修改铲子100的操作：命令比再生工作周期分段预期的引擎202的额定操作速度低的引擎速度参考。当引擎202使用闭环速度控制方案时，较低的引擎速度参考使得引擎202减小燃料摄入(例如，被引擎控制器控制)，直到获得较低的速度参考。在再生工作周期分段之前命令较低的引擎速度允许当使用再生能量驱动或辅助驱动引擎202和其他机械耦合的负载时在旋转驱动线速度上的更大的改变。因此，降低额定运行速度允许提高能量存储或可获得性，并且在非再生工作周期分段期间可以消耗所存储的旋转能量，这改善了机器效率。而且，源自降低的引擎速度参考的增大的能量存储容量可以减小或消除对于能量存储装置的需要，该能量存储装置诸如是超级电容器或电池，这减少了机器成本和重量并且改善了可靠性。 [0037] 补充地或替代地，控制器300可以通过再生工作周期分段预期地减少总线电压来修改铲子100的操作。被控制器300命令的减少的总线电压因为在总线电压中的较大的可允许改变而改善了整体能量存储能力。也可以获得增大的存储能量，因为在再生工作周期分段期间将允许在总线电压上的较大的改变。可以在非再生工作周期分段中消耗存储的能量，这改善了机器能量效率。也可以通过将诸如超级电容器或电池的另外的存储装置耦合到总线206来增加能量存储。然而，源 自减少总线电压的增大的能量存储容量可以减少或消除对于能量存储装置的需要，该能量存储装置诸如是超级电容器或电池，这减少了机器成本和重量并且改善了可靠性。 [0038] 因此，本发明的实施例除了别的之外也提供用于诸如用于采矿和建筑环境的设备的工业设备的能量管理系统和方法。然而，应当明白，在此所述的能量管理系统和方法可以用于具有可预测的工作周期的任何装置或系统。因此，在本文中描述的铲子100的细节不限制本发明的范围，并且所述的能量管理系统和方法可以与其他类型的铲子、其他采矿机械、其他工业机械和其他非工业机械一起使用。例如，制造和装配机械、交通系统(如铁路和/或电车系统)和具有重复和可预测操作周期或序列的其他系统可以使用在此所述的能量管理系统和方法。 [0039] 而且，应当明白，控制器300可以被配置为在再生工作周期分段的任何部分的开始之前和/或期间修改铲子100对于再生工作周期分段的操作。具体地说，如在本申请中使用，修改“对于”再生工作周期分段的操作包括在该分段的任何部分的开始之前和/或期间修改操作。例如，在一些实施例中，控制器300被配置为大体在检测到当前或随后的再生工作周期分段的出现后立即修改铲子100的操作。控制器300也可以被配置为在再生工作周期分段的开始之前执行修改，并且，在一些实施例中，对于再生工作周期分段的持续时间保持修改。在再生工作周期分段其间或之后，控制器300可以被配置为撤消该修改(例如，将引擎202返回到正常或未修改的操作速度和/或将总线206返回到正常或未修改的操作电压——例如，在修改之前使用的操作速度和/或操作电压)。例如，控制器300可以被配置为检测再生工作周期分段的结束(例如，通过检测随后的非再生工作周期分段的开始)，并且在再生工作周期分段的结束之前、之时或之后将铲子100返回到未修改的操作条件。 [0040] 也应当明白，可以以各种配置来组合上面的能量管理方法。例如，在一些实施例中，控制器300被配置为在再生工作周期分段之前和/或之间修改总线206的电压，而不修改引擎202的操作，或者反之亦然。而且，在一些实施例中，控制器300被配置为在再生工作周期分段的不同部分期间执行不同的修改(例如，在再生工作周期分段的开始之前或在再生工作周期分段的第一部分期间修改总线206，并且在再生工作周期分段的第二部分期间修改引擎202)。期望的修改或组合可以取决于被控制的机械、装置或系统和/或相关联的操作环境。另外，应当明白，由发电机供应的电力可以被引导到除了在此所述的那些之外的铲子100的其他组件(诸如，交流发电机或压缩机)。 |
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