CN102701103B - 矿井提升机安全制动及冗余控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿井提升机安全制动及冗余控制系统，滚筒转速传感器、电机转速传感器的检测信号输入速度冗余检测器，处理后将信号输入至速度信号比较器，与指令信号进行比较后，信号输入至速度闭环控制器，速度闭环控制器将信号传送至压力信号比较器和压力前馈控制器，压力信号比较器将压力传感器信号与速度闭环控制器的输出信号比较后，输入到压力闭环控制器，压力闭环控制器的信号经过开关输入至加法器，形成三通比例减压阀的控制信号；压力传感器断开，速度闭环控制器的输出信号通过压力前馈控制器处理后输入至加法器，加法器的输出信号控制三通比例减压阀，实现制动力矩的控制。本发明控制精度高，响应速度快，能够实现以恒定的减速度进行制动。

Description

矿井提升机安全制动及冗余控制系统

技术领域

 本发明属于矿用设备，具体涉及一种矿井提升机安全制动及冗余控制系统。

背景技术

矿井提升机是矿山生产的重要提升设备，担负着升降工作人员、上提矿产或设备、下放材料和器械等重要任务，是矿山机械中“四大件”之一，有着“矿井咽喉”之美称。

    矿井提升机的制动系统是提升系统安全工作的最后一道保障，制动性能的好坏直接关系到矿山生产的效率、工人的人身安全和公共财产安全。

    盘式制动系统具有安全性能好、制动力矩可调、灵敏度高、结构紧凑、质量轻、惯量小、安装和维护方便等优点，被矿山机械广泛采用。

    在提升机盘式制动过程中，影响制动效果的因素有很多，比如摩擦副的材料、影响闸盘与闸瓦之间动摩擦因数的因素、碟形弹簧的性能以及液压站残压的大小，等等。制动过程中，效果良好的一种方法称为恒减速制动方法，该方法的原理就是在制动的过程中，制动器控制提升容器按照一个恒定的减速度进行减速，这样操作可以最大限度地保证钢丝绳不被拉断，也可以避免钢丝绳与卷筒间出现相对滑动现象。

目前，恒减速电液制动系统实施方法多采用比例溢流阀，电液伺服阀或伺服比例阀控制制动油缸压力，来实现对制动力矩的控制，这些方法都有各自的优缺点，如：

    采用电液比例溢流阀控制系统压力的液压回路，与常用的开关阀压力控制回路相比较，系统的结构更加简约，还能实现压力的连续调节，即无级调压。但是采用溢流阀控制加载力时会出现一些问题。当溢流阀来控制系统加载力时，由于它受最小稳定流量的限制，不能保证小流量或零流量时的控制性能，而且采用溢流阀控制加载力时，它的控制容腔体积要比减压阀控制容腔体积大，加载系统相应的响应速度就会降低，抗压力冲击能力差，这样系统的动态性能就会变差。

    采用电液伺服阀或伺服比例阀（也有用电液比例换向阀）通过压力传感器闭环控制制动压力，一旦压力传感器故障，或反馈通道断开，压力控制会完全失效。另外，用电液伺服阀或伺服比例阀控制压力，在控制策略上也不如压力阀方便。电液伺服阀还有抗污染能力差、成本高、维护工作量大、可靠性低等缺点。如果设备维护稍有疏忽，在安全制动过程中就可能发生重大安全事故。例如申请号为 CN201010534232.7，发明创造名称为“一种矿井提升机恒减速安全制动系统及制动方法”的发明专利，采用的就是用电液比例换向阀控制制动油压。

    现有技术中，液压制动器液压动力源，无论采用定量泵还是变量泵，电机都处于长期运转状态，会产生大的空转能量消耗，引起系统发热，也有待于改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述不足，提供一种矿井提升机安全制动及冗余控制系统，该系统平稳性和安全性高，控制精度高，响应速度快，且双向调节，速度冗余，能够实现使制动减速度不随负荷、工况变化而变化，以恒定的减速度进行制动。

本发明的技术方案：一种矿井提升机安全制动及冗余控制系统，它包括电机、液压泵、溢流阀、单向阀、蓄能器、二通换向阀、压力传感器、提升机制动油缸、提升机滚筒、提升机减速器、提升机电机、滚筒转速传感器、油箱、压力闭环控制器、速度闭环控制器、压力信号比较器和速度信号比较器，所述矿井提升机安全制动及冗余控制系统增设了三通比例减压阀、电机转速传感器、速度冗余检测器、压力前馈控制器、加法器、开关、变频器、蓄能器压力传感器；其中，所述的变频器通过导线与电机连接，电机与液压泵连接, 液压泵的出口Pp通过管路与单向阀连接，溢流阀设置在液压泵与单向阀之间，单向阀通过管路分别与蓄能器、蓄能器压力传感器、三通比例减压阀的进油口P连接, 三通比例减压阀的回油口T通过管路与油箱连接，三通比例减压阀的压力出油口A通过管路分别与提升机制动油缸的进油口、压力传感器、二通换向阀的进油口连接，二通换向阀的回油口通过管路与油箱连通，提升机制动油缸与提升机滚筒连接，提升机滚筒分别与提升机减速器、滚筒转速传感器连接，提升机减速器与提升机电机连接, 提升机电机与电机转速传感器连接；滚筒转速传感器、电机转速传感器的检测信号同时输入至与其滚筒转速传感器、电机转速传感器连接的速度冗余检测器，经速度冗余检测器处理后将信号输入至与其速度冗余检测器连接的速度信号比较器，与指令信号进行比较后，信号输入至与其速度信号比较器连接的速度闭环控制器，构成冗余速度闭环反馈回路；速度闭环控制器分别与压力信号比较器、压力前馈控制器连接，压力信号比较器分别与压力传感器、压力闭环控制器连接，压力前馈控制器、压力闭环控制器与加法器连接，加法器与三通比例减压阀连接，开关设置在压力闭环控制器与加法器之间，压力传感器与开关连接。

采用三通比例减压阀控制提升机制动油缸的压力，所述三通比例减压阀是先导型减压阀或直动型减压阀中的任意一种。

在电机轴端增设了电机转速传感器和速度冗余检测器，构成一路备用的速度闭环反馈回路。

压力传感器故障或反馈通道断开，开关自动断开，速度闭环控制器的输出信号通过压力前馈控制器处理后输入至加法器，加法器的输出信号输入至三通比例减压阀，构成了控制三通比例减压阀的压力开环控制通道，实现制动力矩的控制。

所述变频器实现控制电动机转速或用变频器软启动的节能控制。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、本发明采用三通比例减压阀控制制动力，具有以下优点：a、与比例溢流阀加载方式相比，控制容腔因为不包含泵、蓄能器等元件，控制容腔体积要小得多，所以控制性能受容腔的影响小；采用三通的比例减压阀，能够保证负载流量较小甚至负载流量为负时（制动缸退回）的压力控制性能。压力上升时间和下降时间基本相同，具备双向通流的能力，而且可以在两个方向上对液流压力进行控制，具有过载保护功能；b、与采用伺服阀或伺服比例阀闭环控制方式相比，在保证一定控制性能的同时，价格低廉、工作可靠、维护更简单，抗油液污染能力强；c、因伺服阀或伺服比例阀主要功能是调节流量，不能直接用来调节压力；若要控制压力必须与压力传感器配合形成反馈回路，才能起到控制压力的作用。而三通比例减压阀不用压力传感器就直接开环控制压力，克服了伺服比例阀控制方式中的因压力反馈环节失效而导致整个控制环节失效的缺点，使控制策略更加灵活，系统工作更加可靠。

2、本发明在压力控制的反馈回路中，除压力传感器反馈回路，还有比例三通减压阀内反馈回路，在提高了压力控制精确性的同时，具有冗余功能，一旦压力传感器和反馈通道发生故障，就控制开关23断开，系统自动转入压力内部 闭环控制状态，提高了制动系统的可靠性。 

3、本发明设置电机转速和提升机滚筒转速双速度检测传感器，在速度冗余检测器中始终保证有一路正确的转速信号输出，对转速闭环控制也采用双保险，其中某一路出现故障，也不会影响速度闭环的正常工作，降低了速度反馈失效的概率，增加了系统控制的可靠性，能够保证制动系统实现提升机安全的全时恒减速制动控制。

4、在液压系统中，驱动液压泵工作的电机增设了变频器控制电动机转速或用变频器软启动，降低了系统的空转能耗，减小了系统发热，既保证了泵工作的平稳性，又起到了节能作用。

附图说明

图1是本发明的示意图。

具体实施方式

一种矿井提升机安全制动及冗余控制系统，如图1所示，它包括电机2、液压泵3、溢流阀4、单向阀5、蓄能器6、二通换向阀8、压力传感器9、提升机制动油缸10、提升机滚筒11、提升机减速器12、提升机电机13、滚筒转速传感器14、油箱17、压力闭环控制器19、速度闭环控制器22、压力信号比较器24和速度信号比较器25，所述矿井提升机安全制动及冗余控制系统增设了三通比例减压阀7、电机转速传感器15、速度冗余检测器20、压力前馈控制器18、加法器21、开关23、变频器1、蓄能器压力传感器16；其中，所述的变频器1通过导线与电机2连接，电机2与液压泵3连接, 液压泵3的出口Pp通过管路与单向阀5连接，溢流阀4设置在液压泵3与单向阀5之间，单向阀5通过管路分别与蓄能器6、蓄能器压力传感器16、三通比例减压阀7的进油口P连接, 三通比例减压阀7的回油口T通过管路与油箱17连接，三通比例减压阀7的压力出油口A通过管路分别与提升机制动油缸10的进油口、压力传感器9、二通换向阀8的进油口连接，二通换向阀8的回油口通过管路与油箱17连通，提升机制动油缸10与提升机滚筒11连接，提升机滚筒11分别与提升机减速器12、滚筒转速传感器14连接，提升机减速器12与提升机电机13连接, 提升机电机13与电机转速传感器15连接；滚筒转速传感器14、电机转速传感器15的检测信号同时输入至与其滚筒转速传感器14、电机转速传感器15连接的速度冗余检测器20，经速度冗余检测器20处理后将信号输入至与其速度冗余检测器20连接的速度信号比较器25，与指令信号进行比较后，信号输入至与其速度信号比较器25连接的速度闭环控制器22，构成冗余速度闭环反馈回路；速度闭环控制器22分别与压力信号比较器24、压力前馈控制器18连接，压力信号比较器24分别与压力传感器9、压力闭环控制器19连接，压力前馈控制器18、压力闭环控制器19与加法器21连接，加法器21与三通比例减压阀7连接，开关23设置在压力闭环控制器19与加法器21之间，压力传感器9与开关23连接。

采用三通比例减压阀7控制提升机制动油缸10的压力，所述三通比例减压阀7是先导型减压阀。

在电机2轴端增设了电机转速传感器15和速度冗余检测器20，构成一路备用的速度闭环反馈回路。

压力传感器9故障或反馈通道断开，开关23自动断开，速度闭环控制器22的输出信号通过压力前馈控制器18处理后输入至加法器21，加法器21的输出信号输入至三通比例减压阀7，构成了控制三通比例减压阀7的压力开环控制通道，实现制动力矩的控制。

所述变频器1能够实现控制电动机转速或用变频器软启动的节能控制。

工作过程：变频器1控制电机2的启动与调速，电机2带动液压泵3工作，系统安全压力由溢流阀4设定，液压泵3启动后经过单向阀5给蓄能器6充压，当压力达到设定值时蓄能器压力传感器16给出信号控制变频器1，使电机2关闭，当压力低于某一设定值时蓄能器压力传感器16给出信号控制变频器1，使电机2启动，液压泵3给蓄能器6充压补油，保证系统有足够的工作压力。这一过程可大幅降低能耗，起到了节能作用。三通比例减压阀7用于控制滚筒11上的制动缸10内的压力，为滚筒11提供可控的制动力矩。

制动力矩由液压制动系统与控制系统共同完成，速度冗余检测20将提升机电机13上的转速传感器15或卷筒11上的转速传感器14的速度信号经过处理，与指令信号比较产生控制信号，经速度闭环控制器22、压力闭环控制器19、加法器21处理，控制三通比例减压阀7的出口压力，出口压力通过管路作用于提升机制动油缸10上，产生制动力矩以达到恒减速制动的作用。

Claims (5)

1.一种矿井提升机安全制动及冗余控制系统，它包括电机（2）、液压泵（3）、溢流阀（4）、单向阀（5）、蓄能器（6）、二通换向阀（8）、压力传感器（9）、提升机制动油缸（10）、提升机滚筒（11）、提升机减速器（12）、提升机电机（13）、滚筒转速传感器（14）、油箱（17）、压力闭环控制器（19）、速度闭环控制器（22）、压力信号比较器（24）和速度信号比较器（25），其特征是所述矿井提升机安全制动及冗余控制系统增设了三通比例减压阀（7）、电机转速传感器（15）、速度冗余检测器（20）、压力前馈控制器（18）、加法器（21）、开关（23）、变频器（1）、蓄能器压力传感器（16）；其中，所述的变频器(1)通过导线与电机(2)连接，电机(2)与液压泵(3)连接, 液压泵(3)的出口（Pp）通过管路与单向阀(5)连接，溢流阀（4）设置在液压泵（3）与单向阀（5）之间，单向阀(5)通过管路分别与蓄能器(6)、蓄能器压力传感器(16)、三通比例减压阀(7)的进油口（P）连接, 三通比例减压阀(7)的回油口（T）通过管路与油箱(17)连接，三通比例减压阀(7)的压力出油口（A）通过管路分别与提升机制动油缸(10)的进油口、压力传感器(9)、二通换向阀(8)的进油口连接，二通换向阀(8)的回油口通过管路与油箱(17)连通，提升机制动油缸(10)与提升机滚筒（11）连接，提升机滚筒（11）分别与提升机减速器(12)、滚筒转速传感器(14)连接，提升机减速器(12)与提升机电机(13)连接, 提升机电机(13)与电机转速传感器(15)连接；滚筒转速传感器（14）、电机转速传感器（15）的检测信号同时输入至与其滚筒转速传感器（14）、电机转速传感器（15）连接的速度冗余检测器（20），经速度冗余检测器（20）处理后将信号输入至与其速度冗余检测器（20）连接的速度信号比较器（25），与指令信号进行比较后，信号输入至与其速度信号比较器（25）连接的速度闭环控制器（22），构成冗余速度闭环反馈回路；速度闭环控制器（22）分别与压力信号比较器（24）、压力前馈控制器（18）连接，压力信号比较器（24）分别与压力传感器（9）、压力闭环控制器（19）连接，压力前馈控制器（18）、压力闭环控制器（19）与加法器（21）连接，加法器（21）与三通比例减压阀（7）连接，开关（23）设置在压力闭环控制器（19）与加法器（21）之间，压力传感器（9）与开关（23）连接。

2.如权利要求1所述的矿井提升机安全制动及冗余控制系统，其特征是采用三通比例减压阀（7）控制提升机制动油缸（10）的压力，所述的三通比例减压阀（7）是先导型减压阀或直动型减压阀中的任意一种。

3. 如权利要求1所述的矿井提升机安全制动及冗余控制系统，其特征是在电机（2）轴端增设了电机转速传感器（15）和速度冗余检测器（20），构成一路备用的速度闭环反馈回路。

4. 如权利要求1所述的矿井提升机安全制动及冗余控制系统，其特征是压力传感器（9）故障或反馈通道断开，开关（23）自动断开，速度闭环控制器（22）的输出信号通过压力前馈控制器（18）处理后输入至加法器（21），加法器（21）的输出信号输入至三通比例减压阀（7），构成了控制三通比例减压阀（7）的压力开环控制通道，实现制动力矩的控制。

5. 如权利要求1所述的矿井提升机安全制动及冗余控制系统，其特征在于所述变频器（1）实现控制电动机转速或用变频器软启动的节能控制。