一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护系统及方法与流程

本发明涉及工程机械电动化与安全控制，具体涉及一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护系统及方法。

背景技术：

1、传统液压挖掘机的上车部分具备无限连续回转能力，此设计在其自备动力的模式下是最优的，能够提供无约束的作业灵活性。然而，在采用电缆供电这一新模式时，机械的传统特性与供电介质的物理约束产生了根本矛盾：供电电缆，尤其是专用防扭缆，具有明确的最大允许扭转角度，机械的无限回转能力直接导致电缆存在过度扭绞而损坏的重大风险。

2、目前，为移动设备提供电缆供电的解决方案有常规低压交流市电供电模式，该模式通常直接接入380v/220v低压市电，其设计与应用主要针对小型设备或低功率场景。尤其对于动力需求通常在200kw以上的大型工程机械，若采用380v电压等级供电，将导致供电电流极大，超过500a。为承载如此大的电流，所需电缆的截面积巨大，使得电缆异常沉重、刚硬，在现场拖曳、盘绕、收纳极为困难，严重降低了设备的机动性与部署效率。更关键的是，沉重电缆的张力控制变得复杂，加剧了扭转过程中的机械应力，使得现有基于低压场景设计的、简单的防扭缆措施完全失效。

3、现有尝试解决上述矛盾的技术方案，多属于在旧有模式上的"外部干预"型，例如，有公开号为cn120504224a的中国专利，涉及一种电动工程机械电缆卷筒控制方法、控制器及工程机械，减少在电动工程机械作业的过程中，因电缆松动、凌乱而导致的人工消耗的效果。存在以下根本性局限：第一，控制逻辑滞后。普遍采用基于实际位移的软件反馈控制，响应慢，无法防止误操作导致的瞬间超限。第二，安全机制脆弱。核心保护逻辑，如角度监测、断电判断，通常嵌入在主控模块软件中，构成单点失效风险。一旦主控模块故障、死机或受干扰，则安全功能随之失效。第三，缺乏系统级高压安全架构。尤其缺乏一种能够直接、安全、高效地接入工业现场广泛存在的10kv高压电网，并为大型工程机械提供动力的系统性解决方案。现有方案既未解决前述大功率下的电缆物理难题，也未能为高压、高风险场景设计一个内生性的、绝对可靠的终极硬件安全保护层。

技术实现思路

1、本发明提出一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护系统及方法，能够直接适配10kv高压市电，为大型工程机械提供可靠连续动力，并基于电缆最大允许扭转角度，通过硬件固化单侧限位角度，从物理层面彻底、独立地根除电缆扭绞风险，彻底解决"电缆物理安全限值"与"机械传统运动模式"之间的矛盾，还能硬件设定不同阈值调整限位角度适配不同规格电缆。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护系统，包括：绝对角度监测模块监测并输出工程机械上车与下车之间的绝对回转角度信号；所述绝对角度监测模块连接有独立安全控制模块的硬件输入端，设有负责硬件设定并锁定安全回转角度阈值的不可软件改写单元；至少一个硬件执行通道，通过硬质电缆直接连接在所述独立安全控制模块的硬件输出端与所述工程机械的回转动力源控制回路之间；所述独立安全控制模块通过其内部硬件电路比较所述绝对回转角度信号与所述安全回转角度阈值，在超限时驱动所述硬件执行通道动作以切断动力源。

3、优选地，所述硬件执行通道包括报警通道和动力切断通道，所述独立安全控制模块在绝对回转角度达到预警阈值时触发报警通道，在达到所述安全回转角度阈值时触发动力切断通道，所述预警阈值比所述安全回转角度阈值小。

4、优选地，所述绝对角度监测模块为多圈绝对值编码器，其旋转轴通过传动机构与工程机械的回转轴机械耦合。

5、优选地，所述传动机构包括固定于回转机构上的驱动件和与所述驱动件啮合的同步齿轮，所述同步齿轮与所述绝对值编码器之间连接有减速机。

6、优选地，包括独立硬件保护回路，具备设置于供电电缆受力部位的力传感器，所述力传感器的信号直接接入所述独立安全控制模块的专用硬件输入通道；当检测到力值超过预设的硬件阈值时，所述独立安全控制模块通过独立的硬件输出通道直接切断为所述工程机械供电的主电源。

7、优选地，不可软件改写单元包括拨码开关、硬件跳线器或带有物理钥匙的专用设定器。

8、优选地，还包括主控模块，基于从工程机械获取的操作意图信号，前馈控制电缆卷筒的收放速度，以协同机械回转运动并维持电缆恒张力。

9、优选地，包括人机交互界面，实时显示与供电安全及设备状态相关的关键参数，所述关键参数包括当前绝对回转角度、距离所述安全回转角度阈值的剩余角度、以及电缆实时张力。

10、优选地，所述安全回转角度阈值是根据防扭电缆的最大允许扭转角度计算得出的单侧回转角度限值。

11、本发明还采用以下技术方案：一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护方法，实现上述的一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护系统，包括以下步骤：

12、s1，获取为工程机械供电的防扭电缆的最大允许扭转角度；

13、s2，基于所述最大允许扭转角度，确定工程机械的安全回转角度阈值，并将所述阈值以硬件方式设定于一独立安全控制模块中；

14、s3，持续监测上车部分的绝对回转角度，当所述绝对回转角度达到所述安全回转角度阈值时，直接切断工程机械的回转动力源，从而将其最大回转作业范围物理地限制在基于电缆安全特性的有限角度内。

15、本发明的有益效果是：可针对不同电缆规格重新计算并硬件设定不同阈值，适应不同电缆规格；从根本上杜绝电缆扭绞风险，实现高压移动供电的本质安全；构建硬件优先的安全架构，避免软件故障或网络攻击导致安全功能失效；建立多重冗余的独立保护回路，确保单点故障时系统仍具备安全保护能力；采用不可软件改写的硬件设定机制，防止安全参数被恶意篡改或误操作变更；实现从"无限回转"到"有限回转"的作业模式转换，突破传统滑环供电的技术瓶颈；形成电缆空间姿态与力学状态的协同监测体系，保障供电全程的安全性与可靠性。

1.一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护系统，其特征在于，包括：绝对角度监测模块监测并输出工程机械上车与下车之间的绝对回转角度信号；所述绝对角度监测模块连接有独立安全控制模块的硬件输入端，设有负责硬件设定并锁定安全回转角度阈值的不可软件改写单元；至少一个硬件执行通道，通过硬质电缆直接连接在所述独立安全控制模块的硬件输出端与所述工程机械的回转动力源控制回路之间；所述独立安全控制模块通过其内部硬件电路比较所述绝对回转角度信号与所述安全回转角度阈值，在超限时驱动所述硬件执行通道动作以切断动力源。

2.根据权利要求1所述的一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护系统，其特征在于，所述硬件执行通道包括报警通道和动力切断通道，所述独立安全控制模块在绝对回转角度达到预警阈值时触发报警通道，在达到所述安全回转角度阈值时触发动力切断通道，所述预警阈值比所述安全回转角度阈值小。

3.根据权利要求1或2所述的一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护系统，其特征在于，所述绝对角度监测模块为多圈绝对值编码器，其旋转轴通过传动机构与工程机械的回转轴机械耦合。

4.根据权利要求3所述的一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护系统，其特征在于，所述传动机构包括固定于回转机构上的驱动件和与所述驱动件啮合的同步齿轮，所述同步齿轮与所述绝对值编码器之间连接有减速机。

5.根据权利要求1所述的一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护系统，其特征在于，包括独立硬件保护回路，具备设置于供电电缆受力部位的力传感器，所述力传感器的信号直接接入所述独立安全控制模块的专用硬件输入通道；当检测到力值超过预设的硬件阈值时，所述独立安全控制模块通过独立的硬件输出通道直接切断为所述工程机械供电的主电源。

6.根据权利要求1所述的一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护系统，其特征在于，不可软件改写单元包括拨码开关、硬件跳线器或带有物理钥匙的专用设定器。

7.根据权利要求1所述的一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护系统，其特征在于，还包括主控系统，基于从工程机械获取的操作意图信号，前馈控制电缆卷筒的收放速度，以协同机械回转运动并维持电缆恒张力。

8.根据权利要求1所述的一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护系统，其特征在于，包括人机交互界面，实时显示与供电安全及设备状态相关的关键参数，所述关键参数包括当前绝对回转角度、距离所述安全回转角度阈值的剩余角度、以及电缆实时张力。

9.根据权利要求1所述的一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护系统，其特征在于，所述安全回转角度阈值是根据防扭电缆的最大允许扭转角度计算得出的单侧回转角度限值。

10.一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护方法，其特征在于，实现权利要求1-9任一项所述的一种防止电缆扭绞的电缆供电式工程机械保护系统，包括以下步骤：