DE4235716A1 - Regelungs-ueberwachungssystem fuer eine seilfoerderanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelungs-Überwachungssystem für eine Seilförderanlage mit elektrischer Antriebs­ maschine, insbesondere für eine Förderanlage großer Teufe und/oder mit einem nichtmetallischen Seil, bei der zur Vermeidung einer Anregung von Schwingungen der bewegten Massen von Seil und Last durch Geschwindigkeitsänderungen der Last, durch Drehzahländerungen der Antriebsmaschine oder bei mechanischen Notbremsungen, die Sollwerte der als Führungsgrößenregelung ausgebildeten Regelung dem Längs- Schwingungsverhalten des Systems oder einer seiner Haupt­ komponenten fortlaufend schwingungsvermeidend -oder zumindest-mindernd, angepaßt wird.

Entsprechende Regelungen zur Ruckvermeidung und damit Vermeidung der Anregung von Seillängsschwingungen bei Schachtförderanlagen, sind z. B. aus der EP-02 89 813 B1 (SA 88/2660) in einfacher Form sowie aus der SA 90/7429 und SA 91/5451 in verbesserter Form bekannt. Die in den vorgenannten Veröffentlichungen beschriebenen Regelungen liefern zufriedenstellende Resultate, wenn das Förderseil nicht zu lang oder nicht besonders elastisch ist; eine Verringerung des Seilsicherheitsfaktors, der auch einen Anteil zur Berücksichtigung der Seilschwingungen enthält, erlauben sie jedoch nicht ohne weiteres. Hierzu ist eine Garantie für eine geringere Seilbeanspruchung durch Schwingungen unter allen Betriebsbedingungen und auf Dauer notwendig.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Überwachungssystem anzu­ geben, das Schwingungen, insbesondere Längsschwingungen, aber auch Querschwingungen, in den Förderseilen im Dauerbetrieb mit Sicherheit erkennt, vorzugsweise auch klassifiziert und ihre Minimierung ermöglicht. Die maximale betriebliche Belastung der Förderseile soll sicher soweit verringert werden, daß eine dauerhafte Herabsetzung des Seilsicherheitsfaktors möglich ist. Auch weitaus elastischere Seile als Stahlseile, die leichter in großen Amplituden schwingen, sollen verwendbar werden. Weiterhin soll eine sichere Erfassung, Meldung und Ausregelung (Minimierung) von Seilschwingungen aller Art unabhängig von der Anregung, z. B. durch Seilscheiben­ schlag, Spurlattenfehler etc. erreicht werden.

Die Hauptaufgabe wird dadurch gelöst, daß das ununter­ brochene, einwandfreie Funktionieren der Anpassung sowie die Größe von, z. B. aus Querkräften resultierenden, Rest­ fehlern durch Überwachungs- und Meßeinrichtungen überwacht und ebenfalls kompensiert werden. Durch die erfindungs­ gemäße Überwachung und Kompensation, wird die Seilbean­ spruchung durch Schwingungen sicher so erheblich redu­ ziert, daß eine größere Teufe oder die Verwendung elastischerer Seile möglich ist. Mit Vorteil wird aus Sicherheitsgründen dabei der Regelung der zwingend vorhandenen Sicherheitsbremse laufend die Förder­ geschwindigkeit aufgegeben, so daß auch bei einer Notbremsung an beliebiger Stelle das Regelsystem die Sicherheitsbremse derart ansteuert, daß die Anregung von Schwingungen der bewegten Massen des Systems auch bei einer Notbremsung vermieden wird.

Entsprechend der Ausbildung des Notbremssystems weist auch das Überwachungssystem zwei redundante, vorzugsweise identische, Automatisierungseinheiten oder autonom arbeitende Automatisierungsgeräteteile auf, die vorzugsweise zur Funktionsselbstkontrolle eine intermittierend angesteuerte Überkreuzschaltung besitzen und bei denen eine fortlaufende Überprüfung auf gleiche Reaktionen stattfindet. Hierzu wird das erfindungs­ gemäße Überwachungssystem vorteilhaft in den sicherheits­ gerichteten Teil der Regelung und Steuerung der Förder­ maschine integriert. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Fördermaschinensteuerung und -regelung modulartig aufgebaut ist, da so einfach und sicher eine Anpassung des sicherheitsgerichteten Teils an die jeweiligen Anforde­ rungen eines Schachtes vorgenommen werden kann. Nur die Funktionsbausteine, die spezifische Eigenarten der Schachtanlage berücksichtigen, brauchen jeweils angepaßt werden, der Rest der Funktionsbausteine, und dies ist insbesondere für den Softwareteil wichtig, kann unver­ ändert bleiben. Softwarefehler können so mit größerer Sicherheit vermieden werden.

Die erfindungsgemäße Überwachung kann vorteilhaft einfach durch eine fortlaufende Seilkraftmessung erfolgen, wobei insbesondere der Traglastanteil und der Schwingungsanteil getrennt erfaßt und ausgewertet werden. So ist es vorteil­ haft möglich, den aus den Seilschwingungen resultierenden Anteil der Seilbeanspruchung zu erfassen, so daß der Seil­ sicherheitsfaktor um den größten Teil des Schwingungs­ anteils herabgesetzt werden kann. Vorteilhaft erfolgt dabei zumindest die Erfassung des Schwingungsanteils durch ein völlig von den sonstigen Regeleinrichtungen getrenn­ tes, mit den sicherheitsrelevanten Teilen verbundenes, System, so daß eine fortlaufende Überwachung und eine Überführung in den sicheren Zustand bei Fehlfunktion sichergestellt werden kann.

Die Kraftmessung kann einfach, etwa an einer Ab- oder Umlenkscheibe, vorteilhaft an ihren Lagern, die leicht mit Kraftmeßdosen ausrüstbar sind, erfolgen; evtl. ergänzt durch eine Messung an der Förderkorbaufhängung. Ebenso kann auch eine Messung über die elektrischen Größen der Antriebsmaschine erfolgen, hier sind jedoch Einzelstöße und schlagartige Anregungen nur ungenau erfaßbar. Die elektrische Messung entspricht dabei im Prinzip der Messung, die aus der Hängseil-Überwachungseinrichtung von Fördermaschinen (EP-04 02 518 A1) bekannt ist.

In Ausbildung der Erfindung ist vorteilhaft vorgesehen, daß die einzelnen Teile der Seilkraft durch Analog- oder Digitalfilter, insbesondere durch Bandpaßfilter, ermittelt werden. So werden Grenzwertüberschreitungen sicher detektiert. Detektierte Grenzwertüberschreitungen der Seilkraft werden vorteilhaft durch Überwachungsein­ richtungen angezeigt und insbesondere Korrekturrechen­ einheiten aufgegeben. Unzulässig hohe Seilkräfte werden durch die Korrektur-Recheneinheiten auf zulässige Werte zurückgeführt oder, wenn dies nicht sofort möglich ist, die Anlage vorteilhaft in einen sicheren Betriebszustand überführt, bis die Ursache der Überschreitung der höchstzulässigen Seilkraft beseitigt worden ist.

In Ergänzung der Seilkraftmessung ist weiterhin vorteil­ haft vorgesehen, daß das Überwachungssystem Beschleuni­ gungs- und/oder Schwingungsamplituden-Meßeinrichtungen in Verbindung mit dem Seil oder mit der Last, z. B. am Förder­ korb, aufweist, die mit Auswerteeinheiten, insbesondere integrierenden Auswerteeinheiten und Meldeeinrichtungen, verbunden sind. So steht eine weitere, zusätzliche Überwachungsmöglichkeit für das erfindungsgemäße System Genauigkeit und Sicherheit der Schwingungsausgleichs­ regelung weiter erhöht. Auch überlagerte Einflüsse können so erfaßt werden: Desweiteren ist es möglich, die Förder­ maschinenregelung an den örtlichen Schachtzustand derart anzupassen, daß sich eine schwingungsminimierte Fahrkurve ergibt. Dabei ergibt sich aus dem sich einstellenden Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverhalten auch ständig ein Hinweis auf den Zustand der Förderanlage.

Die Beschleunigungs- und/oder Schwingungsamplituden- Meßeinrichtung wird vorteilhaft, ebenso wie die Kraft­ meßeinrichtung am Förderkorb, über eine Korbtelefonier­ anlage oder eine Schachtsignal- und/oder Steuerungsanlage mit der Antriebsmaschinenregelung verbunden. Durch eine Integration der Teile des Überwachungssystems in vor­ handene Sicherheitseinrichtungen ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Überwachungssystems bei geringem Kostenaufwand möglich. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung einer Schachtsignalanlage mit Daten­ speicherung, da so eine Auswertung der Regeleingriffe in bezug auf den Schachtzustand möglich ist. Die erhaltenen Daten können einer fortlaufenden Auswertung durch Fach­ personal unterzogen werden, so daß auch eine Tendenz­ erkennung und die Einleitung vorbeugender Maßnahmen gegen Störungen möglich ist. Geeignete Schachtsignal­ anlagen sind bekannt (z. B. Signal- Recorder 7KE 4196-8AA der Siemens AG) , sie erlauben eine mehrspurige Aufzeichnung von Daten, so daß auch der gegenseitige Einfluß verschiedener Störungsgrößen aufeinander verfolgt werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Überwa­ chungssystems mit der Möglichkeit, durch klassische Regelungen nicht kompensierbare Einflüsse zu minimieren, besteht darin, zusätzlich eine insbesondere mit gewich­ tetem Eingriff zuschaltbare Fuzzy-Control-Einheit, vor­ zusehen. Von dieser können sonst nicht ausgeregelte Schwingungen, insbesondere Querschwingungen des Seils aufgrund von wissensbasierten Regeln oder zusätzlichen Sensoren, minimiert werden. Fuzzy-Control-Einheiten sind ebenso wie Neurocomputer in anforderungsmäßig vergleich­ baren Bereichen, z. B. im Stahlwerksbereich, bekannt (DE-40 08 510 A1). Ihren Anwendungen auch im Bergbau steht nichts im Wege. Mit ihnen kann eine weitere, auf die speziellen Gegebenheiten jeder Schachtanlage abgestellte, Verbesserung erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist dabei die Möglichkeit, die Fuzzy-Control-Einheit bzw. einen Neurocomputer zunächst parallel zu der klassischen Regelung zu installieren und entsprechend der wachsenden Betriebserfahrung bei längerem Gebrauch der normalen Regelung zu überlagern. Die Sicherheit der Anlagenfahr­ weise wird so zu keiner Zeit beeinträchtigt und das Regelungsverhalten in Bereichen, die eine klassische Regelung nicht erfassen kann, verbessert.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigt

Fig. 1 eine Darstellung der Seilkraftverhältnisse ohne Ausregelung der Schwingungen,

Fig. 2 eine Darstellung der Seilkraftverhältnisse mit verringerten Seilschwingungen,

Fig. 3 beispielhafte Meßorte,

Fig. 4 den Zusammenhang der Einflüsse auf die Seilkraft­ ermittlung und

Fig. 5 eine Prinzipschaltung für die Ermittlung der schwingenden Anteile in der Seilkraft.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen absoluten Sicherheitsabstand zwischen der Bruchkraft 3 und der Spitzenkraft 2, die sich aus der Addition der statischen Last 5 und der größten zu erwartenden Lastspitze im Rahmen der Schwingung 6 ergibt. Der Mittelwert der dynamischen Last wird durch 4 angegeben.

In Fig. 2 bezeichnet 9 die unveränderte Bruchkraft und 7 den erhöhten absoluten Sicherheitsabstand entsprechend der geringeren Amplitude der Restschwingung 12. Der Spitzen­ wert der Restschwingung 12 ist durch 8 angegeben. Den Mittelwert der dynamischen Last bezeichnet 10, er liegt in diesem Beispiel auf gleicher Höhe wie in Fig. 1. Auch die statische Last, gekennzeichnet durch 11 liegt auf gleicher Höhe wie in Fig. 1.

Aus dem Vergleich der Fig. 1 und 2 ergibt sich, daß durch die erfindungsgemäße Seilschwingungsvermeidung oder -minimierung entweder ein erhöhter absoluter Sicherheits­ abstand zur Bruchkraft erreicht wird oder bei gleichem absoluten Sicherheitsabstand 1 ein Absenken der zulässigen Bruchkraft oder ein Anheben der dynamischen Last möglich ist. Mit der erfindungsgemäßen Überwachung ausgerüstete Schachtförderanlagen können also entweder mit dünneren Seilen ausgerüstet werden, bei gleicher Seildicke tiefer abgeteuft oder höher belastet werden. In jedem Fall ergibt sich ein prinzipieller, erheblicher Vorteil, der auch unbedenklich ausgenutzt werden kann, da er der gleichen laufenden Sicherheitsüberwachung unterliegt wie die übrigen sicherheitsrelevanten Systeme.

In Fig. 3 bezeichnen 13 und 14 Seilscheiben, an deren Lagern vorteilhaft die Seilkraftmessungen vorgenommen werden können. Die für die Kraftmessung benötigten Meßeinrichtungen sind schematisch dargestellt und mit den Ziffern 15 und 16 bezeichnet. Eine Kraftmessung an den Seilscheiben 13 und 14 ist besonders einfach, da hier die Seilkräfte ebenso wie eventuell die Seilscheibenschwin­ gungen durch ortsfeste Einrichtungen ermittelt werden können. Den Vorteil der Ermittlung durch ortsfeste Einrichtungen hat auch das Messen der elektrischen Größen in den Seiltrommelantrieben 17 und 18. Nachteilig ist hier jedoch die Dämpfung der Seilschwingungen durch die Seilscheiben 13 und 14. Vorteilhaft kann hier jedoch die statische Last sehr genau ermittelt werden.

Von besonderem Vorteil ist eine Kraftmessung direkt an den Aufhängungen der Förderkörbe 19 und 20. Hier sind die Seilschwingungen völlig ungedämpft, eine Übermittlung der Meßwerte ist jedoch nur über eine Korbtelefonieranlage oder über eine Schachtsignalanlage möglich, so daß die Messung wesentlich aufwendiger wird als an den Seilscheiben 13 und 14. Unter Sicherheitsaspekten ist sowohl eine fortlaufende Überwachung auf Überschreiten von Höchstwerten als auch eine Messung der einzelnen Kraft- und Schwingungskompo­ nenten mit dem Ziel der Minimierung, an allen drei schematisch angedeuteten Meßpunkten erwünscht.

Vorteilhaft und überraschend einfach durchführbar ist auch eine Messung der Seilschwingungsamplituden in Querrich­ tung, etwa zwischen den Seiltrommeln und den Seilscheiben sowie im Schacht. Hierfür bieten sich Infrarotlasergeräte an, wie sie z. B. im Tagebau mit gutem Erfolg eingesetzt werden. Geräte dieser Art mit Strahlgittern eignen sich besonders als Geräte für die Überwachung der Querschwingungsamplitude.

In der schematischen Darstellung von Fig. 4 bezeichnet 21 das Signal der Nutzlastmasse, 22 das Signal der Förder­ mittelmasse, 23 die Seilmasse je Längeneinheit und 24 die Seillänge. Seilmasse und Seillänge werden in 25 mitein­ ander multipliziert und gelangen ebenso wie die Signale der einzelnen Massen in die Einheit 26, wo sie addiert werden. Die zusammengefaßten Massengrößen werden der Einheit 27 aufgegeben und hier mit der Erdbeschleunigung 28 und der Beschleunigung der Fördermaschine 29, die in der Einheit 30 zusammengefaßt werden, miteinander verknüpft. Nach Abzug der gemessenen Seilkraft in der Einheit 32 erfolgt dann die Auswertung des Schwingungs­ anteils in der Einheit 33.

Fig. 5 zeigt eine für die Auswertung geeignete Schaltung für die gemessene Seilkraft 34. Das Signal der gemessenen Seilkraft 34 wird einmal einem Bandpaßfilter 37 aufge­ geben, der alle Frequenzen zwischen den größten und kleinsten Frequenzen hindurchläßt, (so erhält man an seinem Ausgang die schwingenden Anteile in der Seilkraft, die in 35 ausgewertet werden können) und zum anderen der Auswerteeinheit 36 aufgegeben, die die absolute Kraft ermittelt. Die Schaltung in Fig. 5 zeigt lediglich eine besonders einfache Ausgestaltung, es versteht sich für den Fachmann, daß auf ähnlichem Weg z. B. auch die einzelnen Anteile der Seilkraft, wie sie evtl. aus Querkraft­ einflüssen resultieren, ermittelt werden können.

Das erfindungsgemäße Überwachungssystem ist insbesondere für Förderanlagen geeignet, die tiefer abgeteuft werden sollen, z. B. um neue Lagerstätten zu erschließen. Es ist aber ebenso von Vorteil, wenn neue Seile aufgelegt werden müssen. Dann kann ein schwächeres Seil gewählt werden. Unumgänglich notwendig wird ein derartiges System, wenn in Zukunft Förderseile sehr hoher Elastizität verwendet werden, z. B. aus Glas- oder Kohlefasern. Diese Seile sind nicht nur elastischer, sondern auch leichter als die bisher üblichen Stahlseile und neigen stärker zum Schwingen. Eine vollständige Schwingungsüberwachung ist hier unumgänglich.

Claims (17)

1. Regelungs-Überwachungssystem für eine Seilförderanlage mit elektrischer Antriebsmaschine, insbesondere für eine Förderanlage großer Teufe und/oder einem nichtmetallischen Seil, bei der zur Vermeidung einer Anregung von Schwin­ gungen der bewegten Massen von Seil und Last durch Geschwindigkeitsänderungen der Last, durch Drehzahlände­ rungen der Antriebsmaschine oder bei mechanischen Not­ bremsungen, die Sollwerte der als Führungsgrößenregelung ausgebildeten Regelung dem Längs-Schwingungsverhalten des Systems oder einer seiner Hauptkomponenten fortlaufend schwingungsvermeidend oder zumindest -mindernd angepaßt wird und wobei das ununterbrochene, einwandfreie Funktionieren der Anpassung sowie die Größe von, z. B. aus Querkräften resultierenden Restfehlern durch Über­ wachungs- und Meßeinrichtungen überwacht und ebenfalls kompensiert werden.

2. Überwachungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachung durch zwei redundante, vorzugsweise identische Automatisie­ rungseinheiten oder autonom arbeitende Automatisierungs­ geräteteile erfolgt, die vorzugsweise zur Funktions­ selbstkontrolle eine intermittierend angesteuerte Über­ kreuzschaltung aufweisen.

3. Überwachungssystem nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß es in einen sicherheitsgerichteten Teil der Regelung und Steuerung der Fördermaschine integriert ist, z. B. in das Bremssystem oder in das Schachtsteuersystem.

4. Überwachungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Über­ wachung eine fortlaufende Seilkraftmessung erfolgt, wobei insbesondere der Traglastanteil und der Schwingungsanteil getrennt erfaßt und ausgewertet werden.

5. Überwachungssystem nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Seil­ kraftmessung an einer Ab- oder Umlenkscheibe (13, 14), ins­ besondere an den Lagern einer Ab- oder Umlenkscheibe (13, 14) erfolgt.

6. Überwachungssystem nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seilkraftmessung über die elektrischen Größen der Antriebsmaschine (17, 18) erfolgt.

7. Überwachungssystem nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß, insbesondere zur Grenzwertüberwachung, die einzelnen Anteile der Seilkraft durch Analog- oder Digitalfilter, vorzugsweise durch Bandpaßfilter (37), ermittelt werden.

8. Überwachungssystem nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Grenzwertüberschreitungen der Seilkraft Überwachungsein­ richtungen und insbesondere Korrektur-Recheneinheiten aufgegeben werden.

9. Überwachungssystem nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß es Beschleunigungs- und/oder Schwingungsamplituden- Meßeinrichtungen in Verbindung mit dem Seil oder mit der Last, z. B. am Förderkorb (19, 20) aufweist, die mit Auswerteeinheiten, insbesondere integrierenden Auswerteeinheiten und Meldeeinrichtungen verbunden sind.

10. Überwachungssystem nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungs- und/oder Schwingungsamplituden- Meßeinrichtung ebenso wie die Kraftmeßeinrichtung mit der Antriebsmaschinenregelung verbunden ist, bei Anordnung am Förderkorb insbesondere über eine Korbtelefonieranlage.

11. Überwachungssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungs- und/oder Schwingungsamplituden- Meßeinrichtung ebenso wie die Kraftmeßeinrichtung stationsbezogen mit der Antriebsmaschinenregelung verbunden ist, insbesondere in Verbindung mit einer Schachtsignal- und/oder Steuerungsanlage.

12. Überwachungssystem nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungs-Meßeinrichtung, die insbesondere auf piezoelektrischer Basis arbeitend ausgebildet ist, Horizontal- und Vertikal-Beschleunigungswerte aufnimmt, vorverarbeitet und weitergibt.

13. Überwachungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es eine, insbesondere mit gewichtetem Eingriff zuschaltbare Fuzzy-Control-Einheit aufweist, die nicht ausgeregelte Schwingungen, insbesondere Quer­ schwingungen, des Seils aufgrund von wissensbasierten Regeln oder über zusätzliche Sensoren minimiert.

14. Überwachungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antriebsmaschinenregelung eine selbstlernfähige Restschwingungs-Kompensationseinheit aufweist, z. B. einen Neurocomputer, dessen Eingabewerte und Knotenwertverarbeitung wissensbasiert normiert sind.

15. Überwachungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es Teil eines, zumindest teilweise redundanten, aus Soft- und/oder Hardwaremodulen bestehenden Steuer- und Regelsystems einer Schachtförder­ anlage für Teufen insbesondere über 2000 m ist.

16. Überwachungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es Teil eines, zumindest teilweise redundanten, aus Soft- oder Hardwaremodulen bestehenden Steuer- und Regelsystems einer Schachtförderanlage mit Förderseilen aus nichtmetallischen Werkstoffen, insbe­ sondere Glas- oder Kohlenstoffasern, ist.

17. Überwachungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es bei einer mit einem Wechsel­ stromantrieb ausgerüsteten Fördermaschine, insbesondere einer schnell ansteuerbaren stromrichtergespeisten integrierten Fördermaschine, verwendet wird.