一种立井施工吊盘的自动平衡调节系统及方法

1.一种立井施工吊盘的自动平衡调节系统，包括吊盘(3)、均布悬挂吊盘(3)的四根钢丝绳(4)、分别控制四根钢丝绳(4)的四个绞车(5)、PLC控制器(6)，其特征在于：所述均布悬挂在吊盘(3)上的四根钢丝绳(4)上分别安装有张力传感器(2)，吊盘(3)上安装有姿态角传感器(1)和信号采集卡(7)，张力传感器(2)与姿态角传感器(1)经通信电缆与设置在吊盘(3)上的信号采集卡(7)连接，信号采集卡(7)经通信电缆与设置在绞车房的PLC控制器(6)连接，PLC控制器(6)经通信电缆与设置在井口的绞车(5)连接；所述安装在吊盘(3)上的姿态角传感器(1)的X、Y惯性主轴分别与钢丝绳(4)在吊盘(3)上四个连接点所形成的平行四边形相平行，呈矩形，即钢丝绳(4)与吊盘(3)形成的连接点为A、B、C和D，姿态角传感器(1)的X惯性主轴与连接点AB边或连接点CD边平行，姿态角传感器(1)的Y惯性主轴与边连接点AD边或连接点BC边平行，姿态角传感器(1)的Z惯性主轴垂直于吊盘(3)且竖直向上；吊盘(3)分别绕X、Y和Z惯性主轴转过的三个姿态角：横滚角α、俯仰角β和偏转角φ，通过姿态角传感器1测出；张力传感器(2)安装在钢丝绳(4)距离吊盘(3)一米的位置处，由张力传感器(2)测量出钢丝绳(4)的张力分别定义为Fi(i＝1，2，
3，4)；吊盘(3)倾斜时根据姿态角计算四根钢丝绳(4)长度与其平均长度之间的长度差值：
过吊盘(3)的中心O点构建水平基准面；过连接点A、B、C和D向水平基准面作垂线，垂足分别为A′、B′、C′和D′；根据姿态角传感器(1)测出的吊盘(3)姿态角α，β，φ，计算四个连接点A、B、C、D和水平基准面的高度差分别为：
A A ′ = a · ( - c o s α s i n β c o s φ + s i n α s i n φ ) ／
2+b·(cosαsinβsinφ+sinαcosφ)／2
B B ′ = - a · ( - c o s α s i n β c o s φ + s i n α s i n φ ) ／
2+b·(cosαsinβsinφ+sinαcosφ)／2
C C ′ = - a · ( - c o s α s i n β c o s φ + s i n α s i n φ ) ／
2-b·(cosαsinβsinφ+sinαcosφ)／2
D D ′ = a · ( - c o s α s i n β c o s φ + s i n α s i n φ ) ／
2-b·(cosαsinβsinφ+sinαcosφ)／2
式中，a和b分别为边AB和AD的边长；四根钢丝绳(4)长度与其平均长度之间的长度差用四个连接点A、B、C、D和水平基准面的高度差AA′、BB′、CC′和DD′近似表示，即Δl1≈AA′，Δl2≈BB′，Δl3≈CC′，Δl4≈DD′。
2.一种如权利要求1所述系统的立井施工吊盘的自动平衡调节方法，其特征在于：
a、通过姿态角传感器(1)和张力传感器(2)将实时采集到的吊盘(3)的姿态角信号和钢丝绳(4)的张力信号经信号采集卡(7)传输给PLC控制器(6)；
b、通过PLC控制器(6)根据吊盘(3)的姿态角信号分别计算出四根钢丝绳(4)的长度与其平均长度之间的长度差值Δli，根据钢丝绳(4)的张力计算出四根钢丝绳(4)的张力与其平均张力之间的张力差值ΔFi；
c、通过PLC控制器(6)根据钢丝绳(4)的长度差值Δli、钢丝绳(4)的张力差值ΔFi以及吊盘(3)提升或下放的运行方向，以四根钢丝绳(4)的平均长度和平均张力计算四台绞车(5)的转速调节量
d、通过PLC控制器(6)将转速调节量 的信号传输给绞车(5)，驱动绞车(5)的提升或下放，使绞车(5)提升或下放的钢丝绳(4)长度相等，从而使吊盘(3)保持水平平衡状态。
3.根据权利要求2所述的立井施工吊盘的自动平衡调节方法，其特征在于：所述以四根钢丝绳(4)的平均长度和平均张力计算四台绞车(5)的转速调节量：
(1)PLC控制器(6)根据钢丝绳(4)的长度差值Δli(i=1，2，3，4)以及吊盘(3)运行状态计算第i台绞车(5)转速调节量 若提升吊盘(3)，则绞车(5)转速调节量为若下放吊盘(3)，则绞车(5)转速调节量为 其中K1是姿态调节比
例系数，取大于0的正数；
(2)PLC控制器(6)根据钢丝绳(4)的张力差值ΔFi(i=1，2，3，4)和吊盘(3)运行状态计算第i台绞车(5)转速调节量 若提升吊盘(3)，则绞车(5)转速调节量为若下放吊盘(3)，则绞车(5)转速调节量为 其中K2是张力调节
比例系数，取大于0的正数；
(3)PLC控制器(6)根据绞车(5)转速调节量 和 计算第i台绞车(5)的最终转速调节量 其中w是权重系数，取0到1之间的常数。

一种立井施工吊盘的自动平衡调节系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种立井施工吊盘的自动平衡调节系统及方法，尤其适用于PLC控制和变频调速的立井施工吊盘在井筒的运行过程中调平吊盘姿态、均衡四根悬吊钢丝绳张力、保证吊盘平稳、安全、可靠运行。\n背景技术\n[0002] 吊盘绞车机构是立井施工过程中的重要设备，在建井施工作业中，需要提升和下放吊盘。由于吊盘在运行过程中没有导向装置，吊盘质心偏心和四台绞车运行速度不同步，这些因素都会导致吊盘在升降过程中运行不平稳，容易发生倾斜，也会导致悬吊吊盘的钢丝绳张力分布变得不均匀。倾斜的吊盘势必会危及作业工人的人身安全；不均匀的张力分布一方面会影响钢丝绳的整体使用寿命，另一方面也会产生安全隐患。目前，吊盘绞车控制系统由于采用了PLC控制和变频调速的先进技术，对传统的继电器控制系统进行技术改造，虽然提高了绞车之间运行的同步性，但是整个控制系统缺少对吊盘姿态和钢丝绳张力的信息反馈，这种开环的控制方式导致吊盘运行过程中依然存在吊盘倾斜和钢丝绳张力分布不均的问题。当吊盘运行一段距离发生倾斜后，必须将绞车系统停车进行调平，由吊盘上的信号工和地面绞车的操作工协同配合将吊盘手动调平后再继续运行，这不仅降低了生产效率，同时也存在因人工操作失误而产生的安全隐患。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种系统简单、操作方便、能自动将吊盘从倾斜位姿自动调节到水平状态的立井施工吊盘的自动平衡调节系统及方法。\n[0004] 本发明的立井施工吊盘的自动平衡调节系统，包括吊盘、均布悬挂吊盘的四根钢丝绳、分别控制四根钢丝绳的四个绞车、PLC控制器，所述均布悬挂在吊盘上的四根钢丝绳上分别安装有张力传感器，吊盘上安装有姿态角传感器和信号采集卡，张力传感器与姿态角传感器经通信电缆与设置在吊盘上的信号采集卡连接，信号采集卡经通信电缆与设置在绞车房的PLC控制器连接，PLC控制器经通信电缆与设置在井口的绞车连接；所述安装在吊盘上的姿态角传感器的X、Y惯性主轴分别与由钢丝绳和吊盘的连接点呈平行四边形的矩形，姿态角传感器的Z惯性主轴垂直于吊盘且竖直向上。\n[0005] 本发明的立井施工吊盘的自动平衡调节方法：\n[0006] a、通过姿态角传感器和张力传感器将实时采集到的吊盘姿态角和钢丝绳张力信号经信号采集卡传输给PLC控制器；\n[0007] b、通过PLC控制器根据吊盘的姿态角信号分别计算出四根钢丝绳的长度与其平均长度之间的长度差值 ，根据钢丝绳的张力计算出四根钢丝绳的张力与其平均张力之间的张力差值 ；\n[0008] c、通过PLC控制器根据钢丝绳的长度差值 、钢丝绳的张力差值 以及吊盘提升或下放的运行方向，以四根钢丝绳的平均长度和平均张力计算四台绞车的转速调节量；\n[0009] d、通过PLC控制器将转速调节量 信号传输给绞车，驱动绞车的提升与下放，使绞车提升或下放的钢丝绳长度相等，从而使吊盘保持的水平平衡状态。\n[0010] 所述以四根钢丝绳的平均长度和平均张力计算四台绞车的转速调节量：\n[0011] （1）PLC控制器根据钢丝绳的长度差值 （i=1,2,3,4）以及吊盘运行状态计算第i 台绞车转速调节量 ：若提升吊盘，则绞车转速调节量为 ；若下放吊盘，则绞车转速调节量为 ，其中 是姿态调节比例系数，取正数；\n[0012] （2）PLC控制器根据钢丝绳的张力差值 （i=1,2,3,4）和吊盘运行状态计算第i台绞车转速调节量 ：若提升吊盘，则绞车转速调节量为 ；若下放吊盘，则绞车转速调节量为 ，其中 是张力调节比例系数，取正数；\n[0013] （3）PLC控制器根据绞车转速调节量 和 计算第i 台绞车的最终转速调节量，其中 是权重系数，取0到1之间的常数。\n[0014] 有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明可以在吊盘绞车机构的运行过程中将吊盘从倾斜位姿自动调节到水平状态，将钢丝绳张力从分布不均匀的状态自动调节到均衡状态，最适用于采用了PLC控制和变频调速的绞车控制系统，保证吊盘的平稳、安全、可靠运行，具体优点主要为：\n[0015] 1、通过吊盘姿态角的信息反馈来调节绞车的转速，使得吊盘在运行过程中保持水平状态，解决了吊盘运行一段距离后就发生倾斜的问题；\n[0016] 2、通过钢丝绳张力信息反馈来调节绞车的转速，一方面使得钢丝绳张力分布变得均匀，另一方面可以避免单独采用姿态角反馈进行吊盘姿态调平而产生的钢丝绳松绳的问题；\n[0017] 3、采用自动平衡调节方式代替了现场工作人员手动调节的方式，提高了吊盘的调平效率，避免了人工调节的操作失误，提高了绞车运行的安全性和可靠性。\n附图说明\n[0018] 图1是本发明的系统示意图。\n[0019] 图2是本发明的吊盘倾斜时根据姿态角计算钢丝绳长度差原理示意图。\n[0020] 图中：姿态角传感器-1，张力传感器-2；吊盘-3，钢丝绳-4，绞车-5，PLC控制器-6，信号采集卡-7。\n具体实施方式\n[0021] 图1所示，本发明的立井施工吊盘的自动平衡调节系统，主要由姿态角传感器1、张力传感器2、均布悬挂吊盘3的四根钢丝绳4、分别控制四根钢丝绳4的四个绞车5、PLC控制器6、信号采集卡7构成。均布悬挂在吊盘3上的四根钢丝绳4上分别安装有张力传感器2，吊盘3上安装有姿态角传感器1和信号采集卡7，张力传感器2与姿态角传感器1经通信电缆与设置在吊盘3上的信号采集卡7连接，信号采集卡7经通信电缆与设置在绞车房的PLC控制器6连接，PLC控制器6经通信电缆与设置在井口的绞车5连接；安装在吊盘\n3上的姿态角传感器1的X、Y惯性主轴分别与由钢丝绳4和吊盘3的连接点呈平行四边形的矩形，即钢丝绳4与吊盘3形成的连接点为A、B、C和D的矩形，姿态角传感器1的X惯性主轴与边AB或边CD平行，姿态角传感器1的Y惯性主轴与边AD或边BC平行，姿态角传感器1的Z惯性主轴垂直于吊盘3且竖直向上；吊盘3分别绕X、Y和Z惯性主轴转过的三个姿态角：横滚角 、俯仰角 和偏转角 ，通过姿态角传感器1测出；张力传感器2安装在钢丝绳4距离吊盘3一米的位置处，由张力传感器2测量出钢丝绳4的张力分别定义为。\n[0022] 图2所示，吊盘3倾斜时根据姿态角计算四根钢丝绳4长度与其平均长度之间的长度差值：过吊盘3的中心O点构建水平基准面；过连接点A、B、C和D向水平基准面作垂线，垂足分别为 、 、 和 ；根据姿态角传感器1测出的吊盘3姿态角 ，计算四个连接点A、B、C、D和水平基准面的高度差分别为：\n[0023] \n[0024] \n[0025] \n[0026] \n[0027] 式中，和 分别为边AB和AD的边长；四根钢丝绳4长度与其平均长度之间的长度差可用四个连接点A、B、C、D和水平基准面的高度差 、 、 和 近似表示，即， ， ， 。\n[0028] 本发明的立井施工吊盘的自动平衡调节方法：\n[0029] 首先，PLC控制器6通过姿态角传感器1和张力传感器2实时采集吊盘3姿态角和钢丝绳4张力信号；\n[0030] 其次，PLC控制器6根据吊盘3的姿态角信号分别计算出四根钢丝绳4的长度与其平均长度之间的长度差值 ，根据钢丝绳4的张力计算出四根钢丝绳4的张力与其平均张力之间的张力差值 ；\n[0031] 然后，PLC控制器6根据钢丝绳4的长度差值 、钢丝绳4的张力差值 以及吊盘3提升或下放的运行方向，以四根钢丝绳4的平均长度和平均张力计算四台绞车5的转速调节量 ；\n[0032] 最后，PLC控制器6将转速调节量 的信号传输给绞车5，驱动绞车5按照计算的转速调节量 来提升或下放，使绞车5提升或下放的钢丝绳4长度相等，从而使吊盘3保持水平平衡状态。\n[0033] 所述以四根钢丝绳4的平均长度和平均张力计算四台绞车5的转速调节量：\n[0034] （1）PLC控制器6根据钢丝绳4长度差值 （i=1,2,3,4）以及吊盘3运行状态计算第i 台绞车5转速调节量 ：若提升吊盘3，则绞车5转速调节量为 ；若下放吊盘3，则绞车5转速调节量为 ，其中 是姿态调节比例系数，取正数；\n[0035] （2）PLC控制器6根据钢丝绳4张力差值 （i=1,2,3,4）和吊盘运行状态计算第i 台绞车5转速调节量 ：若提升吊盘3，则绞车5转速调节量为 ；若下放吊盘3，则绞车5转速调节量为 ，其中 是张力调节比例系数，取正数；\n[0036] （3）PLC控制器6根据绞车5转速调节量 和 计算第i台绞车5的最终转速调节量 ，其中 是权重系数，取0到1之间的常数。