專利名稱：一種立井施工吊盤的自動平衡調節系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種立井施工吊盤的自動平衡調節系統及方法，尤其適用于PLC控制和變頻調速的立井施工吊盤在井筒的運行過程中調平吊盤姿態、均衡四根懸吊鋼絲繩張力、保證吊盤平穩、安全、可靠運行。
背景技術：
吊盤絞車機構是立井施工過程中的重要設備，在建井施工作業中，需要提升和下放吊盤。由于吊盤在運行過程中沒有導向裝置，吊盤質心偏心和四臺絞車運行速度不同步， 這些因素都會導致吊盤在升降過程中運行不平穩，容易發生傾斜，也會導致懸吊吊盤的鋼絲繩張力分布變得不均勻。傾斜的吊盤勢必會危及作業工人的人身安全；不均勻的張力分布一方面會影響鋼絲繩的整體使用壽命，另一方面也會產生安全隱患。目前，吊盤絞車控制系統由于采用了 PLC控制和變頻調速的先進技術，對傳統的繼電器控制系統進行技術改造，雖然提高了絞車之間運行的同步性，但是整個控制系統缺少對吊盤姿態和鋼絲繩張力的信息反饋，這種開環的控制方式導致吊盤運行過程中依然存在吊盤傾斜和鋼絲繩張力分布不均的問題。當吊盤運行一段距離發生傾斜后，必須將絞車系統停車進行調平，由吊盤上的信號工和地面絞車的操作工協同配合將吊盤手動調平后再繼續運行，這不僅降低了生產效率，同時也存在因人工操作失誤而產生的安全隱患。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術中的不足之處，提供一種系統簡單、操作方便、能自動將吊盤從傾斜位姿自動調節到水平狀態的立井施工吊盤的自動平衡調節系統及方法。本發明的立井施工吊盤的自動平衡調節系統，包括吊盤、均布懸掛吊盤的四根鋼絲繩、分別控制四根鋼絲繩的四個絞車、PLC控制器，所述均布懸掛在吊盤上的四根鋼絲繩上分別安裝有張力傳感器，吊盤上安裝有姿態角傳感器和信號采集卡，張力傳感器與姿態角傳感器經通信電纜與設置在吊盤上的信號采集卡連接，信號采集卡經通信電纜與設置在絞車房的PLC控制器連接，PLC控制器經通信電纜與設置在井口的絞車連接；所述安裝在吊盤上的姿態角傳感器的X、Y慣性主軸分別與由鋼絲繩和吊盤的連接點呈平行四邊形的矩形，姿態角傳感器的Z慣性主軸垂直于吊盤且豎直向上。本發明的立井施工吊盤的自動平衡調節方法
a、通過姿態角傳感器和張力傳感器將實時采集到的吊盤姿態角和鋼絲繩張力信號經信號采集卡傳輸給PLC控制器；
b、通過PLC控制器根據吊盤的姿態角信號分別計算出四根鋼絲繩的長度與其平均長
度之間的長度差值AZi ,根據鋼絲繩的張力計算出四根鋼絲繩的張力與其平均張力之間的張力差值A巧;
C、通過PLC控制器根據鋼絲繩的長度差值Aii、鋼絲繩的張力差值以及吊盤提升或下放的運行方向，以四根鋼絲繩的平均長度和平均張力計算四臺絞車的轉速調節量W ；
d、通過PLC控制器將轉速調節量4信號傳輸給絞車，驅動絞車的提升與下放，使絞車
提升或下放的鋼絲繩長度相等，從而使吊盤保持的水平平衡狀態。所述以四根鋼絲繩的平均長度和平均張力計算四臺絞車的轉速調節量
(1)PLC控制器根據鋼絲繩的長度差值(1=1,2,3，4)以及吊盤運行狀態計算第i臺絞車轉速調節量W :若提升吊盤，則絞車轉速調節量為W =;若下放吊盤，則絞車轉速調節量為4= - ,其中A是姿態調節比例系數，取正數；
(2)PLC控制器根據鋼絲繩的張力差值(1=1，2，3，4)和吊盤運行狀態計算第/臺絞車轉速調節量4 :若提升吊盤，則絞車轉速調節量為W =;若下放吊盤，則絞車轉速調節量為4 = ，其中是張力調節比例系數，取正數；
(3)PLC控制器根據絞車轉速調節量4和4計算第i臺絞車的最終轉速調節量 。^^+^ !^,其中城是權重系數’取”丨』I之間的常數。有益效果由于采用了上述技術方案，本發明可以在吊盤絞車機構的運行過程中將吊盤從傾斜位姿自動調節到水平狀態，將鋼絲繩張力從分布不均勻的狀態自動調節到均衡狀態，最適用于采用了 PLC控制和變頻調速的絞車控制系統，保證吊盤的平穩、安全、可靠運行，具體優點主要為
1、通過吊盤姿態角的信息反饋來調節絞車的轉速，使得吊盤在運行過程中保持水平狀態，解決了吊盤運行一段距離后就發生傾斜的問題；
2、通過鋼絲繩張力信息反饋來調節絞車的轉速，一方面使得鋼絲繩張力分布變得均勻，另一方面可以避免單獨采用姿態角反饋進行吊盤姿態調平而產生的鋼絲繩松繩的問題；
3、采用自動平衡調節方式代替了現場工作人員手動調節的方式，提高了吊盤的調平效率，避免了人工調節的操作失誤，提高了絞車運行的安全性和可靠性。
圖I是本發明的系統示意圖。圖2是本發明的吊盤傾斜時根據姿態角計算鋼絲繩長度差原理示意圖。圖中姿態角傳感器-1，張力傳感器-2 ;吊盤-3，鋼絲繩-4，絞車-5，PLC控制器-6，信號采集卡_7。
具體實施例方式圖I所示，本發明的立井施工吊盤的自動平衡調節系統，主要由姿態角傳感器I、 張力傳感器2、均布懸掛吊盤3的四根鋼絲繩4、分別控制四根鋼絲繩4的四個絞車5、PLC 控制器6、信號采集卡7構成。均布懸掛在吊盤3上的四根鋼絲繩4上分別安裝有張力傳感器2，吊盤3上安裝有姿態角傳感器I和信號采集卡7，張力傳感器2與姿態角傳感器I經通信電纜與設置在吊盤3上的信號采集卡7連接，信號采集卡7經通信電纜與設置在絞車房的PLC控制器6連接，PLC控制器6經通信電纜與設置在井口的絞車5連接；安裝在吊盤 3上的姿態角傳感器I的X、Y慣性主軸分別與由鋼絲繩4和吊盤3的連接點呈平行四邊形的矩形，即鋼絲繩4與吊盤3形成的連接點為Α、B、C和D的矩形，姿態角傳感器I的X慣性主軸與邊AB或邊CD平行，姿態角傳感器I的Y慣性主軸與邊AD或邊BC平行，姿態角傳感器I的Z慣性主軸垂直于吊盤3且豎直向上；吊盤3分別繞X、Y和Z慣性主軸轉過的三個姿態角橫滾角α俯仰角#和偏轉角十通過姿態角傳感器I測出；張力傳感器2安裝在鋼絲繩4距離吊盤3 —米的位置處，由張力傳感器2測量出鋼絲繩4的張力分別定義為 6 ￠ = 1,2,3，4)。圖2所示，吊盤3傾斜時根據姿態角計算四根鋼絲繩4長度與其平均長度之間的長度差值過吊盤3的中心O點構建水平基準面；過連接點A、B、C和D向水平基準面作垂線，垂足分別為Af、B <、C和Df ;根據姿態角傳感器I測出的吊盤3姿態角H計算四個連接點A、B、C、D和水平基準面的高度差分別為
AAt = a -(-cosiK sin ,￡5cos φ+sm asm φ') 2+b ■ (cos a sin ^sm φ+ ηαχ.ο 孓 2
BB' = —a■ (-cosO'sm ^cos φ+ πα φ)! 2+b- (cos asm ^sin φ+5\ηαζοζφ) 2
CC1 = -a - (-cosaisin ^cos^ + sinasm φ) / 2-h. (cosaisiii ^sm ^ + sm￡3icos φ) / 2 DD' = a ■ (-cos asm βζο^φ+ sin asin φ) i2-h- (cos of sin ,61 sin ￠+ sin CK cos ^)/ 2
式中，Ω和&分別為邊AB和AD的邊長；四根鋼絲繩4長度與其平均長度之間的長度差可用四個連接點Α、B、C、D和水平基準面的高度差、5及、CC和￡ ￡5(近似表示，即 M1 M , Ai2 m BBt, AI3 CC , Ai4 DD'。本發明的立井施工吊盤的自動平衡調節方法
首先，PLC控制器6通過姿態角傳感器I和張力傳感器2實時采集吊盤3姿態角和鋼絲繩4張力信號；
其次，PLC控制器6根據吊盤3的姿態角信號分別計算出四根鋼絲繩4的長度與其平均長度之間的長度差值,根據鋼絲繩4的張力計算出四根鋼絲繩4的張力與其平均張力
之間的張力差值;
然后，PLC控制器6根據鋼絲繩4的長度差值Ali、鋼絲繩4的張力差值以及吊盤3 提升或下放的運行方向，以四根鋼絲繩4的平均長度和平均張力計算四臺絞車5的轉速調節量W ;
最后，PLC控制器6將轉速調節量4的信號傳輸給絞車5，驅動絞車5按照計算的轉速
調節量W來提升或下放，使絞車5提升或下放的鋼絲繩4長度相等，從而使吊盤3保持水平平衡狀態。所述以四根鋼絲繩4的平均長度和平均張力計算四臺絞車5的轉速調節量
(I)PLC控制器6根據鋼絲繩4長度差值Aii (i=l, 2，3，4)以及吊盤3運行狀態計算第i臺絞車5轉速調節量4 :若提升吊盤3，則絞車5轉速調節量為W =;若下放吊盤3，
則絞車5轉速調節量為M =-馬,其中是姿態調節比例系數，取正數；
(2)PLC控制器6根據鋼絲繩4張力差值(i=l,2，3，4)和吊盤運行狀態計算第i臺絞車5轉速調節量4 :若提升吊盤3，則絞車5轉速調節量為4 = -Γ2·Δ巧；若下放吊盤3， 則絞車5轉速調節量為4 = Γ2 ·Δ$，其中K2是張力調節比例系數，取正數；
(3)PLC控制器6根據絞車5轉速調節量M和4計算第i臺絞車5的最終轉速調節量 d +w·^,其中w是權重系數，取O到I之間的常數。
權利要求
1.一種立井施工吊盤的自動平衡調節系統，包括吊盤(3)、均布懸掛吊盤(3)的四根鋼絲繩(4)、分別控制四根鋼絲繩(4)的四個絞車(5)、PLC控制器(6)，其特征在于所述均布懸掛在吊盤(3)上的四根鋼絲繩(4)上分別安裝有張力傳感器(2)，吊盤(3)上安裝有姿態角傳感器(I)和信號采集卡(7 )，張力傳感器(2 )與姿態角傳感器(I)經通信電纜與設置在吊盤(3 )上的信號采集卡(7 )連接，信號采集卡(7 )經通信電纜與設置在絞車房的PLC控制器(6 )連接，PLC控制器(6 )經通信電纜與設置在井口的絞車(5 )連接；所述安裝在吊盤(3 ) 上的姿態角傳感器(I)的X、Y慣性主軸分別與由鋼絲繩(4)和吊盤(3)的連接點呈平行四邊形的矩形，姿態角傳感器(I)的Z慣性主軸垂直于吊盤(3)且豎直向上。
2.一種如權利要求I所述系統的立井施工吊盤的自動平衡調節方法，其特征在于a、通過姿態角傳感器(I)和張力傳感器(2)將實時采集到的吊盤(3)的姿態角信號和鋼絲繩(4)的張力信號經信號采集卡(7)傳輸給PLC控制器(6)；b、通過PLC控制器(6)根據吊盤(3)的姿態角信號分別計算出四根鋼絲繩(4)的長度與其平均長度之間的長度差值Aii ,根據鋼絲繩(4)的張力計算出四根鋼絲繩(4)的張力與其平均張力之間的張力差值;C、通過PLC控制器(6)根據鋼絲繩(4)的長度差值、鋼絲繩(4)的張力差值以及吊盤(3)提升或下放的運行方向，以四根鋼絲繩(4)的平均長度和平均張力計算四臺絞車(5)的轉速調節量4 ；d、通過PLC控制器(6)將轉速調節量W的信號傳輸給絞車(5)，驅動絞車(5)的提升或下放，使絞車(5)提升或下放的鋼絲繩(4)長度相等，從而使吊盤(3)保持水平平衡狀態。
3.根據權利要求2所述的立井施工吊盤的自動平衡調節方法，其特征在于所述以四根鋼絲繩(4)的平均長度和平均張力計算四臺絞車(5)的轉速調節量(1)PLC控制器(6)根據鋼絲繩(4)的長度差值(i=l,2,3，4)以及吊盤(3)運行狀態計算第i臺絞車(5)轉速調節量4 :若提升吊盤(3)，則絞車(5)轉速調節量為W =ZrAZi ；若下放吊盤(3)，則絞車(5)轉速調節量為,其中Z1是姿態調節比例系數，取正數；(2)PLC控制器(6)根據鋼絲繩(4)的張力差值Ag(i=l，2，3，4)和吊盤(3)運行狀態計算第i臺絞車(5)轉速調節量4 :若提升吊盤(3)，則絞車(5)轉速調節量為< =-A . Ag;若下放吊盤(3)，則絞車(5)轉速調節量為4 = . Ag ,其中i2是張力調節比例系數，取正數；(3)PLC控制器(6)根據絞車(5)轉速調節量4和4計算第i臺絞車(5)的最終轉速調節量+w·^,其中w是權重系數，取O到I之間的常數。
全文摘要
一種立井施工吊盤的自動平衡調節系統及方法，尤其適用于由PLC控制和變頻調速的絞車控制系統。系統包括設置在懸吊鋼絲繩上的張力傳感器、安裝在吊盤上的姿態角傳感器、信號采集卡和設置在絞車房的PLC控制器；由PLC控制器通過姿態角傳感器和張力傳感器實時采集吊盤姿態角和鋼絲繩張力信號，計算四根鋼絲繩長度與其平均長度之間的長度差、張力與其平均張力之間的張力差，然后以四根鋼絲繩長度同時向平均長度靠攏、鋼絲繩張力同時向平均張力靠攏的原則計算四臺絞車的轉速調節量，并驅動絞車進行調節。本發明可以在吊盤絞車機構的運行過程中將吊盤從傾斜位姿自動調節到水平狀態，將鋼絲繩張力從分布不均勻的狀態自動調節到均衡狀態。
文檔編號B66D1/52GK102602838SQ201210047179
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月28日 優先權日2012年2月28日
發明者吳榮華, 周公博, 張磊, 彭玉興, 曹國華, 朱真才, 李偉, 王進杰, 王重秋, 邵杏國 申請人:中國礦業大學