CN205590138U - 一种提升机悬停锁罐张力释放控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种提升机悬停锁罐张力释放控制装置，该装置可消除在整个锁罐过程中，装、卸载轻载或重载物品进出罐笼因钢丝绳弹性伸缩多带来的冲击，保证进出罐笼的平稳，实现短时乃至长时间罐笼的悬停锁罐释放的精确控制，提高了安全性及可靠性，同时缩短物品进出罐笼的时间，降低了运行维护工作量，提高了生产效率。

Description

一种提升机悬停锁罐张力释放控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种控制方法，具体涉及提升机悬停锁罐张力释放控制装置，属于矿山提升机控制技术领域。

背景技术

矿井是地下矿山的咽喉，而矿井提升系统是矿山安全生产的重要组成部分。矿井提升机是矿井井下和地面的联系桥梁，其主要是采用钢丝绳带动容器/罐笼等在井筒中升降，以完成输送物料或人员的任务，是矿山生产至关重要的大型设备，矿井提升机能否安全可靠的运行，将直接影响到煤矿生产人员的生命安全和煤矿的生产能力。

矿井提升系统的核心设备之一是提升容器/罐笼等，主要承担着物料或人员的上下井的承载任务，随着我国煤炭行业的高速发展，矿井提升系统的对象呈现深井、重物的发展态势，因此罐笼也趋于大型化，以满足现代矿井一体式、大型化、高重量设备的上下井的工作需求。当罐笼在立井与井口、井底等连接处进行装载及卸载重型设备时，由于提升钢丝绳终端载荷的变化，很容易引起钢丝绳的弹性伸缩，罐笼会因此突然上下窜动，使钢丝绳打滑以及操车设备作业困难，导致矿车冲击罐道以致罐道变形或损坏，甚至造成事故。与此同时，作为矿井提升机的一个重要组成部分，钢丝绳承担着悬挂提升容器（罐笼）和传递力矩的任务，其在提升过程中，特别是提升容器装载及卸载重型设备时受力较为复杂多样，不仅存在钢丝绳伸缩现象，而且当受到外力例如动静载荷、编捻力等，反复作用时，极易造成钢丝绳损坏，影响钢丝绳寿命，甚至会造成断绳等重大事故。

为此，为了确保矿井提升运行的可靠、安全，通常国内煤矿生产企业都在矿井上下停车位置设置承接锁罐装置，以降低重型设备进出罐笼时因钢丝绳伸缩而上下窜动，同时避免外力磨损钢丝绳。目前，国内立井罐笼提升中常用的罐笼承接锁罐装置多通过摇台、锁爪及驱动液压油缸实现，但在使用过程中仍存在一些问题。摇台承接时，罐笼呈全悬吊状态，罐笼与摇台硬连接，摇台从上面搭接罐笼的底盘，通过锁爪锁罐，能量变化主要集中在钢丝绳与摇台及锁爪间的转换，这需要对液压油缸进行准确控制，确保三者的同步工作，可补偿设备或货物等进罐时钢丝绳引起的弹性形变；当释放罐笼时，由于重型设备或货物出罐笼带来的载荷变化使钢丝绳弹性伸长量相应的发生变化而无法得到适当补偿，进而造成罐笼释放后上下浮动，其浮动量很容易超过安全裕量从而使钢丝绳打滑，对提升设备产生较大的冲击，不仅如此，如果液压压力过快释放，也容易导致钢丝绳和罐笼上下蠕动，液压压力释放过慢，使得驱动时间加长，降低煤矿生产运行效率，无法满足安全、高效生产的要求，因此，迫切的需要一种新的技术方案来解决上述技术问题。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种提升机悬停锁罐张力释放控制方法及装置，该方法实现短时乃至长时间罐笼的悬停精确控制，提高了安全性及可靠性，同时缩短物品进出罐笼的时间，降低了运行维护工作量，提高了生产效率。

为使矿井提升机控制装置具备短时乃至长时间悬停提升物的能力，同时可实现锁罐张力释放控制，本实用新型提供一种提升机悬停锁罐张力释放控制装置，其特征在于，包括提升机、功率变换器、悬停张力释放控制系统、非线性电机控制系统、数据处理与数据交互系统、人机系统。功率变换器分别和提升机及非线性电机控制系统相连，悬停张力释放控制系统分别和非线性电机控制系统与数据处理与数据交互系统相连，人机系统输出控制信号与数据处理与数据交互系统进行数据交互。通过悬停控制配合逐步的释放张力实现的，通过对力矩的控制，达到钢丝绳缓慢释放，不上下抖动，从而保证罐笼平稳。

进一步，悬停张力释放控制系统包括速度控制器、悬停控制器、钢丝绳张力控制器、PLC控制器组成。所述的速度控制器分别与悬停控制器及钢丝绳张力控制器相连，悬停控制器分别和速度控制器、钢丝绳张力控制器相连，其输出端与非线性电机控制系统相连。速度控制器采集速度给定信号ω_ref和提升机实际转速ω_r，构成闭环控制，同时通过对速度信息量的比较、处理输出实际转速ω_r及其幅值|ω_r|、速度偏差量Δω_r及幅值|Δω_r|。

进一步，所述悬停控制器通过采集实际转速ω_r及其幅值|ω_r|、速度偏差量Δω_r及幅值|Δω_r|输出控制提升机所需的电磁转矩给定信息量T_ref至钢丝绳张力控制器及非线性电机控制系统。钢丝绳张力控制器同时采集悬停控制器输出的电磁转矩给定信息量T_ref及PLC控制器传输的行程距离，锁罐、释放等信号，输出与钢丝绳张力对应的提升机负载信号T给非线性电机控制系统。

进一步，非线性电机系统输出触发信号，控制功率变换器工作，同时与数据处理与数据交互系统进行并行通讯。所述的数据处理与数据交互系统通过工业以太网与人机系统进行信息通讯。

具体的，当PLC控制器检测到释放罐笼的信息时，悬停张力释放控制系统检测由于重型设备或货物出罐笼带来的载荷变化，对钢丝绳张力进行控制。

一种提升机悬停锁罐张力释放控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1）钢丝绳张力控制器主要实现在锁罐释放后提升机悬停至启动加减速时，自适应补偿由载荷变化使钢丝绳弹性伸长量的张力，进行张力释放控制，避免罐笼释放后上下浮动，具体的实现步骤为：

11）钢丝绳张力控制器采集PLC控制器传输过来的罐笼下放深度L，由弹性力学可知，钢丝绳张力模型为：

；

式中，S为钢丝绳的横断面积，E为钢丝绳的弹性模量；

12）若提升点至罐笼的钢丝绳的张力伸长量为，悬停控制释放罐笼启动时的加速度为a,钢丝绳每米质量为m,由钢丝绳下放或提升重物的偏微分模型可知：

；

13）弹性张力的传输速度取决于钢丝绳的自身参数,有：

14）考虑悬停控制输出电磁转矩，构建钢丝绳张力模型为：

式中，g为重力加速度，满足数理方程解：；

可得钢丝绳的最大/最小张力为：

；

2） 建立力矩随加速度变化的斜坡函数，通过逐步减小张力补偿量，在设定的t₁时刻达到钢丝绳的最小释放张力，以匹配钢丝绳的弹性伸缩量，实现张力释放控制，其斜坡函数为：

。

相对于现有技术，本实用新型的优点如下：通过逐步增加力矩补偿增量，实现张力的缓慢释放，避免突然增大力矩增量导致，张力瞬间释放造成钢丝绳弹性抖动；该提升机悬停锁罐张力释放控制方法无需额外增加硬件投资，可消除在在整个锁罐过程中，装、卸载轻载或重载物品进出罐笼因钢丝绳弹性伸缩多带来的冲击，保证进出罐笼的平稳，实现短时乃至长时间罐笼的悬停精确控制，提高了安全性及可靠性，同时缩短物品进出罐笼的时间，降低了运行维护工作量，提高了生产效率。

附图说明

图1是本实用新型控制装置结构示意图；

图2力矩随加速度变化的斜坡函数；

图中：1、提升机， 2、功率变换器，3、悬停张力释放控制系统，4、非线性电机控制系统，5、数据处理与数据交互系统，6、人机系统，7、罐笼。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式进一步介绍本实用新型的技术方案。

实施例：

参见图1，一种提升机悬停锁罐张力释放控制装置，包括提升机1、功率变换器2、悬停张力释放控制系统3、非线性电机控制系统4、数据处理与数据交互系统5、人机系统6，功率变换器2分别和提升机1及非线性电机控制系统4相连，悬停张力释放控制系统3分别和非线性电机控制系统4与数据处理与交互系统5相连，人机系统6输出控制信号与数据处理与数据交互系统5进行数据交互。提升机1采用绕线式异步电机作为提升电机，功率变换器2为多电平PWM变换器，其功率器件为IGBT或IGCT等全控器件；悬停张力释放控制系统3包括速度控制器31、悬停控制器32、钢丝绳张力控制器33、PLC控制器34，其中PLC控制器34采用西门子S7-300可编程控制器。速度控制器31分别与悬停控制器32及钢丝绳张力控制器33相连，悬停控制器32分别和速度控制器31、钢丝绳张力控制器33相连，其输出端与非线性电机控制系统4相连。速度控制器31采集速度给定信号ω_ref和提升机实际转速ω_r，构成闭环控制，同时通过对速度信息量的比较、处理输出实际转速ω_r及其幅值|ω_r|、速度偏差量Δω_r及幅值|Δω_r|。悬停控制器32通过采集实际转速ω_r及其幅值|ω_r|、速度偏差量Δω_r及幅值|Δω_r|输出控制提升机所需的电磁转矩给定信息量T_ref至钢丝绳张力控制器33及非线性电机控制系统4。钢丝绳张力控制器33同时采集悬停控制器32输出的电磁转矩给定信息量T_ref及PLC控制器34传输的行程距离，锁罐、释放等信号，输出与钢丝绳张力对应的提升机负载信号T给非线性电机控制系统4。非线性电机系统4采用非线性反馈线性化方法或多层滑模控制方法进行绕线式异步电机的控制，针对多电平功率变换器，非线性电机系统4采用等效载波调制策略输出可调触发信号控制功率变换器2工作，在满足控制性能的同时，减小了系统计算量。非线性电机系统4采用SPI通讯方式与数据处理与数据交互系统5进行串行通讯，数据处理与数据交互系统5通过工业以太网与人机系统6进行信息通讯。

当PLC控制器检测到释放罐笼的信息时，悬停张力释放控制系统3检测由于重型设备或货物出罐笼带来的载荷变化，对钢丝绳张力进行控制，悬停锁罐张力释放控制方法具体的通过以下步骤实现，1）钢丝绳张力控制器主要实现在锁罐释放后提升机悬停至启动加减速时，自适应补偿由载荷变化使钢丝绳弹性伸长量的张力，进行张力释放控制，避免罐笼释放后上下浮动，具体的实现步骤为：

11）钢丝绳张力控制器采集PLC控制器传输过来的罐笼下放深度L，由弹性力学可知，钢丝绳张力模型为：

；

式中，S为钢丝绳的横断面积，E为钢丝绳的弹性模量；

12）若提升点至罐笼的钢丝绳的张力伸长量为，悬停控制释放罐笼启动时的加速度为a,钢丝绳每米质量为m,由钢丝绳下放或提升重物的偏微分模型可知：

；

13）弹性张力的传输速度取决于钢丝绳的自身参数,有：

14）考虑悬停控制输出电磁转矩，构建钢丝绳张力模型为：

式中，g为重力加速度，满足数理方程解：；

可得钢丝绳的最大/最小张力为：

；

2） 建立力矩随加速度变化的斜坡函数，通过逐步减小张力补偿量，在设定的t₁时刻达到钢丝绳的最小释放张力，以匹配钢丝绳的弹性伸缩量，实现张力释放控制，其斜坡函数为：

。

需要说明的是上述实施例仅仅是本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本实用新型权利要求所保护的范围。

Claims (2)

1.一种提升机悬停锁罐张力释放控制装置，其特征在于，包括提升机、功率变换器、悬停张力释放控制系统、非线性电机控制系统、数据处理与数据交互系统、人机系统,功率变换器分别和提升机及非线性电机控制系统相连，悬停张力释放控制系统分别和非线性电机控制系统与数据处理与数据交互系统相连，非线性电机控制系统与数据处理与数据交互系统采用串行通讯方式，人机系统输出控制信号通过工业以太网与数据处理与数据交互系统进行数据交互。

2.根据权利要求1 所述的一种提升机悬停锁罐张力释放控制装置，其特征在于，所述的功率变换器为多电平变换器，功率器件采用IGBT或者IGCT。