一种超深矿井提升机多绳协同控制系统及方法

摘要

一种超深矿井提升机多绳协同控制系统及方法，属于提升机多绳控制系统及方法。变频电机的输出轴与提升机卷筒连接，变频电机控制器与变频电机连接；钢丝绳连接于提升机卷筒和容器之间，在提升机卷筒和容器之间的钢丝绳途径上有伺服液压缸，伺服液压缸控制系统与伺服液压缸连接，伺服液压缸的顶部通过铰支座与天轮连接，在钢丝绳上连接有拉压力传感器，在容器上连接有位姿角传感器；伺服液压缸与比例伺服阀连接，比例伺服阀的输入口同时与蓄能器、溢流阀、单向阀和截止阀连接；伺服液压缸控制系统有无线接收器，位姿角传感器和拉压力传感器有无线发射器。位姿角传感器反馈容器的位姿状态调节液压缸伸缩，避免钢丝绳间运动不同步引起的容器倾斜。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种提升机多绳控制系统及方法，特别是一种超深矿井提升机多绳协同控 制系统及方法。

背景技术：

目前，随着我国将深部资源开发作为重要的发展战略，，超深矿井大型提升装备成为 实现深部资源开发的关键装备，传统的单绳缠绕式提升机和多绳摩擦式提升机随着井深的 增加有效荷载率、提升效率、安全性等迅速下降而不能用于超深井提升。多绳缠绕式提升 机兼具前两种提升机的特性，在超深井提升领域已有应用，然而受钢丝绳特性差异、钢丝 绳稳态及动态变形、钢丝绳缠绕运动误差等因素的影响，多绳提升装备在运行过程中必然 产生钢丝绳间的运动不同步引起的容器倾斜现象；另外由于运行过程中的振动和冲击，导 致钢丝绳间的张力差异急剧增加，造成提升系统不能正常工作，甚至造成断绳等重大事故。 如果在容器发生倾斜后停机进行修正，将大大降低工作效率。

发明内容：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种超深矿井提升机多绳协同控制系统及 方法，实现容器位姿角和钢丝绳张力的实时控制与调节。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该超深矿井提升机多绳协同控制包括 控制系统及控制方法；

控制系统包括有多组提升控制系统，结构相同；其中一组提升控制系统包括：提升机 卷筒、钢丝绳、拉压力传感器、位姿角传感器、容器、伺服液压缸、伺服液压缸控制系统、 变频电机、变频电机控制器、比例伺服阀、蓄能器、溢流阀、单向阀、截止阀、泵和马达；

变频电机的输出轴与提升机卷筒连接，变频电机控制器与变频电机连接；钢丝绳连接 于提升机卷筒和容器之间，在提升机卷筒和容器之间的钢丝绳途径上有伺服液压缸，伺服 液压缸控制系统与伺服液压缸连接，伺服液压缸的顶部通过铰支座与天轮连接，在钢丝绳 上连接有拉压力传感器，在容器上连接有位姿角传感器；伺服液压缸与比例伺服阀连接， 比例伺服阀的输入口同时与蓄能器、溢流阀、单向阀和截止阀连接；所述的伺服液压缸控 制系统有无线接收器，所述的位姿角传感器和拉压力传感器有无线发射器。

所述的伺服液压缸控制系统包括：AD板卡PCL816、伺服控制器、DA板卡PCL6126 和伺服放大器；AD板卡PCL816的输入端与位姿角传感器和拉压力传感器连接，AD板卡 PCL816的输出端通过AD转换器与伺服控制器连接，伺服控制器的输出端与DA板卡 PCL6126的输入端连接，DA板卡PCL6126的输出端通过AD转换器与伺服放大器的输入 端连接，伺服放大器的输出端与伺服阀连接。

所述伺服液压缸的铰支座一端固定在地面，另一端与天轮连接，通过液压缸的伸缩调 节钢丝绳的伸长和张力。

控制方法：

开始时给定速度信号和位姿信号，速度信号通过变频电机控制器，经速度反解计算之 后控制提升机卷筒，进而控制钢丝绳，调节罐笼速度，速度传感器将罐笼速度反馈给伺服 电机变频控制器，形成闭环控制；位姿信号经位姿控制器处理后进入伺服液压缸控制系统， 经过伺服液压控制系统的位姿反解后形成控制比例伺服阀的信号，进而控制伺服液压缸， 调节钢丝绳长度。罐笼的位姿经位姿角传感器和位姿正解反馈给位姿控制器，钢丝绳张力 通过拉压力传感器经位子正解反馈给伺服液压缸控制系统，形成闭环控制。

所述伺服液压缸控制系统接收来自拉压力传感器的信号和位姿信号，控制伺服液压缸 的伸缩；变频电机控制器接收给定的速度信号和速度传感器的反馈信号，控制变频电机的 转速。

有益效果，由于采用了上述方案，用于检测钢丝绳张力大小的拉压力传感器和用于检 测容器倾角的位姿角传感器，传感器对容器的位姿倾角和钢丝绳张力进行采集，并与井上 控制器实现通信；用于调节钢丝绳伸长和张力的伺服液压缸；用于控制伺服液压缸的控制 系统和控制提升机卷筒变频电机的控制器。安装在容器上的位姿角传感器检测容器因倾斜 与各平面形成的夹角，位姿角传感器存在X、Y、Z三个惯性主轴，只检测容器在水平面 内的倾斜，故位姿角传感器的X惯性主轴与水平面形成夹角a，Y惯性主轴与垂直面的夹 角为0，Z惯性主轴与垂直面形成的夹角大小同样为a。位姿角传感器获取的夹角大小信 息反馈给伺服液压缸控制系统，控制系统通过计算得到每根钢丝绳与平均长度的长度差 值，通过调节伺服液压缸的伸缩改变绳长进行容器调平。

在调节钢丝绳长度的过程中钢丝绳之间的张力产生差异，拉压力传感器测出钢丝绳张 力，将张力信号反馈给伺服液压缸控制系统，伺服液压缸控制系统通过调节伺服液压缸的 伸缩来改变钢丝绳的张力。两种调节相互配合使容器在达到位姿平衡的同时又不会出现松 绳的现象。

伺服液压缸控制系统的AD板卡PCL816接收容器位姿和钢丝绳拉压力信号，通过 AD转换将信号反馈给伺服控制器，伺服控制器将信号用算法进行处理后传输给DA板卡 PCL6126，通过AD转换信号进入伺服放大器，进而传递给伺服阀，对伺服液压缸进行控 制。

优点：通过位姿角传感器反馈容器的位姿状态来调节液压缸伸缩，避免钢丝绳间运动 不同步引起的容器倾斜现象。通过拉压力传感器反馈钢丝绳的张力信息来调节液压缸伸 缩，一方面调节钢丝绳张力，使钢丝绳张力均匀，另一方面避免了单独采用位姿角反馈进 行容器调平而产生的钢丝绳松绳问题。代替工人对容器进行调平，提高了工作效率和可靠 性。

附图说明

图1是本发明的控制系统构成图。

图2是液压伺服控制系统原理图。

图3是本发明控制系统原理方框图。

图4是本发明液压控制系统结构图。

图中：1、提升机卷筒；2、钢丝绳；3、天轮；4、拉压力传感器；5、位姿角传感器； 6、容器；7、伺服液压缸；8、伺服液压缸控制系统；9、变频电机；10、变频电机控制器； 11、比例伺服阀；12、蓄能器；13、溢流阀；14、单向阀；15、截止阀；16、泵；17、马 达。

具体实施方式

实施例1：该超深矿井提升机多绳协同控制包括控制系统及控制方法；

控制系统包括有多组提升控制系统，结构相同；其中一组提升控制系统包括：提升机 卷筒1、钢丝绳2、天轮3、拉压力传感器4、位姿角传感器5、容器6、伺服液压缸7、 伺服液压缸控制系统8、变频电机9、变频电机控制器10、比例伺服阀11、蓄能器12、 溢流阀13、单向阀14、截止阀15、泵16和马达17；

变频电机9的输出轴与提升机卷筒1连接，变频电机控制器10与变频电机9连接； 钢丝绳2连接于提升机卷筒1和容器6之间，在提升机卷筒1和容器6之间的钢丝绳2途 径上有伺服液压缸7，伺服液压缸控制系统8与伺服液压缸7连接，伺服液压缸7的顶部 通过铰支座与天轮3连接，在钢丝绳2上连接有拉压力传感器4，在容器6上连接有位姿 角传感器5；伺服液压缸7与比例伺服阀11连接，比例伺服阀11的输入口同时与蓄能器 12、溢流阀13、单向阀14和截止阀15连接；所述的伺服液压缸控制系统8有无线接收 器，所述的位姿角传感器5和拉压力传感器4有无线发射器。

所述的伺服液压缸控制系统包括：AD板卡PCL816、伺服控制器、DA板卡PCL6126 和伺服放大器；AD板卡PCL816的输入端与位姿角传感器和拉压力传感器连接，AD板卡 PCL816的输出端通过AD转换器与伺服控制器连接，伺服控制器的输出端与DA板卡 PCL6126的输入端连接，DA板卡PCL6126的输出端通过AD转换器与伺服放大器的输入 端连接，伺服放大器的输出端与伺服阀连接，对伺服液压缸进行控制。伺服控制器可采用 BKSC-47P5GA伺服控制器。

所述伺服液压缸的铰支座一端固定在地面，另一端与天轮连接，通过液压缸的伸缩调 节钢丝绳的伸长和张力。

控制方法：

开始时给定速度信号和位姿信号，速度信号通过变频电机控制器，经速度反解计算之 后控制提升机卷筒，进而控制钢丝绳，调节罐笼速度，速度传感器将罐笼速度反馈给伺服 电机变频控制器，形成闭环控制；位姿信号经位姿控制器处理后进入伺服液压缸控制系统， 经过伺服液压控制系统的位姿反解后形成控制比例伺服阀的信号，进而控制伺服液压缸， 调节钢丝绳长度。罐笼的位姿经位姿角传感器和位姿正解反馈给位姿控制器，钢丝绳张力 通过拉压力传感器经位子正解反馈给伺服液压缸控制系统，形成闭环控制。

所述伺服液压缸控制系统接收来自拉压力传感器的信号和位姿信号，控制伺服液压缸 的伸缩；变频电机控制器接收给定的速度信号和速度传感器的反馈信号，控制变频电机的 转速。

无线传输模块使用AGPGS10901。

所述拉压力传感器和位姿角传感器，为GPRS无线传感器。

如图1所示，本发明的超深矿井提升机多绳协同控制系统主要由提升机卷筒1、钢丝 绳2、天轮3、拉压力传感器4、位姿角传感器5、容器6、伺服液压缸7、伺服液压缸控 制系统8、变频电机9、变频电机控制器10构成。连接在容器上的钢丝绳3上分别安装有 拉压力传感器4，容器上安装有位姿角传感器5，位姿角传感器5和拉压力传感器4通过 无线传输与伺服液压缸控制系统8通信。安装在容器上的位姿角传感器5可以测出容器因 倾斜与各平面形成的夹角，位姿角传感器5存在X、Y、Z三个惯性主轴，本发明只考虑 容器在水平面内的倾斜，故位姿角传感器5的X惯性主轴与水平面形成夹角a，Y惯性主 轴与垂直面的夹角为0，Z惯性主轴与垂直面形成的夹角大小同样为a。位姿角传感器5 获取的夹角大小信息反馈给伺服液压缸控制系统8，控制系统8通过计算得到每根钢丝绳 2与平均长度的长度差值，通过调节伺服液压缸7的伸缩改变绳长进行容器调平。

在调节钢丝绳2长度的过程中会使钢丝绳2间的张力产生差异，拉压力传感器4测出钢丝 绳张力，将张力信号反馈给伺服液压缸控制系统8，伺服液压缸控制系统8通过调节伺服 液压缸7的伸缩来改变钢丝绳2的张力。两种调节相互配合使容器在达到位姿平衡的同时 又不会出现松绳的现象。