CN103603668A - 大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置，包括：全站仪，设置于始发工作井口；地面控制室，包括地面操作台、操作触摸屏和控制计算机PLC主站；地面控制柜，通过CC-LINK网络与地面控制室连接，包括：变频器和地面控制计算机PLC从站；井下控制柜的井下控制计算机PLC从站通过CC-LINK网络与地面控制计算机PLC从站通信；液压泵站，与变频器连接；液压阀组，通过液压油管与液压泵站连接；左右后推进油缸组，与液压阀组连接；激光长度传感器和压力传感器，分别设置于左右后推进油缸组的固定架上；所述液压阀组、左右后推进油缸组、激光长度传感器和压力传感器分别与所述井下控制计算机PLC从站通信。

Description

大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及机械技术领域，特别涉及一种大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置及控制方法。

背景技术

各类圆形和其他各种形式小口径掘进机本体在掘进施工中，是通过后推进系统中的液压油缸顶伸来产生向前掘进的动力，并且掘进机本体受后顶作用力面积较小，较易控制。而大截面（截面为6米×4米以上）矩形掘进机不同于圆形和其他形式的掘进机，因其大截面、大宽度矩形的特点，使得掘进机在初始以及在以后的各个掘进阶段，会受到各个方向作用力，特别是受后推进左右两边的顶力影响较大，通常容易形成水平方向的左右偏差，系统控制操作比较困难。如果不采取有效控制措施就会造成矩形掘进机偏离设计轴线，无法准确到达终点接收井的严重后果。同时，由于现有各类圆形和其他各种形式小口径掘进机后推进系统中的电气控制、液压部件和管路复杂繁多，给控制、安装、调试和施工操作带来诸多不便。

发明内容

本发明的目的在于提供大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置及控制方法，以解决现有的大截面矩形掘进机在掘进阶段偏离设计轴线，无法准确到达终点接收井的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置，应用于在始发工作井内的大截面矩形隧道掘进机，包括：

全站仪，设置于所述始发工作井口；

地面控制室，所述地面控制室包括地面操作台、操作触摸屏和控制计算机可编程逻辑控制器主站；

地面控制柜，通过一控制与通信链路系统网络与所述地面控制室连接，包括：变频器和与所述变频器连接的地面控制计算机可编程逻辑控制器从站；

井下控制柜，所述井下控制柜的井下控制计算机可编程逻辑控制器从站通过所述控制与通信链路系统网络与所述地面控制计算机可编程逻辑控制器从站通信；

液压泵站，与所述变频器连接；

液压阀组，通过一液压油管与所述液压泵站连接；

左右后推进油缸组，与所述液压阀组连接；

激光长度传感器和压力传感器，分别设置于所述左右后推进油缸组的固定架上；

所述液压阀组、左右后推进油缸组、激光长度传感器和压力传感器分别与所述井下控制计算机可编程逻辑控制器从站通信。

优选的，在所述的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置中，所述大截面矩形隧道掘进机的控制计算机可编程逻辑控制器主站与所述大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置的控制计算机可编程逻辑控制器主站是同一控制计算机可编程逻辑控制器主站。

优选的，在所述的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置中，所述地面操作台操作内容是选择操作界面、启动泵源、确定所需推进的油缸数量和推进轴线参数的一种或多种。

优选的，在所述的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置中，所述变频器、井下控制柜、液压泵站、液压油管、液压阀组、左右后推进油缸组、激光长度传感器和压力传感器的数量均为两个，关于大截面矩形隧道掘进机对称设置。

同时，本发明还提供一种大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制方法，应用于在始发工作井内的大截面矩形隧道掘进机，包括：

操作地面操作台，启动液压泵站，所述液压泵站推动左右后推进油缸组使所述大截面矩形隧道掘进机向前推进；

激光长度传感器检测所述左右后推进油缸组伸出的行程，压力传感器对所述左右后推进油缸组进行推力检测，并将检测数据通过井下控制计算机可编程逻辑控制器从站，采用控制与通信链路系统网络发送给控制计算机可编程逻辑控制器主站；

全站仪实时进行推进轴线的测量，根据全站仪的测试数据，确定设置的行程偏差允许值，并将测试数据显示在操作触摸屏上；

控制计算机可编程逻辑控制器主站根据所述检测数据和行程偏差允许值，通过地面控制计算机可编程逻辑控制器从站向变频器发出调节所述左右后推进油缸组伸缩速度的指令；同时通过井下控制计算机可编程逻辑控制器从站向液压阀组发出调节所述左右后推进油缸组推进压力的指令。

优选的，在所述的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制方法中，所述控制计算机可编程逻辑控制器主站控制所述大截面矩形隧道掘进机的主机。

优选的，在所述的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制方法中，所述地面操作台操作内容是选择操作界面、启动泵源、确定所需推进的油缸数量和推进轴线参数的一种或多种。

优选的，在所述的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制方法中，所述变频器、井下控制柜、液压泵站、液压阀组、左右后推进油缸组、激光长度传感器和压力传感器的数量均为两个，关于大截面矩形隧道掘进机对称设置。

在本发明提供的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置及控制方法，具有以下有益效果：本发明对水平方向左右后推进油缸组的伸出长度和推理检测，以及全站仪的推进轴线测量，来解决左右后推进油缸组行程偏差控制问题。对左右后推进油缸组推进压力与速度进行作业控制，以实现施工轴线处于有效控制范围内的目的。本发明设计，采用可编程逻辑控制器（PLC）和控制与通信链路系统（CCLINK）网络控制模式，采用独特的变频器控制电机直接驱动液压定量泵的技术，使控制装置的控制灵敏快速、可靠，液压系统结构简洁合理，安装、调试和操作简便，能很好地满足大截面矩形掘进机的掘进需求。

附图说明

图1是本发明的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置结构示意图；

图2是本发明的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置原理示意图；

图3是本发明的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置的操作触摸屏示意图；

图4是本发明的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置及控制方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1和图2所示，本发明提供一种大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置，应用于在始发工作井100内的大截面矩形隧道掘进机200，包括：

地面控制室，所述地面控制室包括地面操作台1、控制计算机可编程逻辑控制器（PLC）主站2和操作触摸屏3；

具体的，所述地面操作台1操作内容是选择操作界面、启动泵源、确定所需推进的油缸数量和推进轴线参数的一种或多种，但本发明不仅限于这些操作。

具体的，本发明将操作控制的所有功能，融入到大截面矩形隧道掘进机主机操控的操作触摸屏3界面上，将两者合二为一，可精确显示后推进系统的各个工作、施工状态和设计与工作轴线测量数据，使操作人员能十分方便地同一操作台上同时进行后顶作业和掘进机的施工操作、控制，既简便了操控，又节约了资源。

地面控制柜6，通过一控制与通信链路系统网络（CC-LINK网络）与所述地面控制室连接，包括：变频器7和与所述变频器7连接的地面控制计算机可编程逻辑控制器（PLC）从站；

特别的，本发明使用了左右2台变频器7驱动电机，来直接带动、控制液压泵站8中的液压定量泵运转速度，可分别控制左右后推进油缸组14，伸出的速度，系统反应灵敏、快速、可靠，能很方便地进行推进方向的控制，修正行程偏差。本发明省却了昂贵的液压变量泵、比例阀和相关的液压部件，精简节约。

井下控制柜5，所述井下控制柜5的井下控制计算机PLC从站通过所述CC-LINK网络与所述地面控制计算机PLC从站通信；

液压泵站8，与所述变频器7连接；

液压阀组10，通过一液压油管9与所述液压泵站8连接；

具体的，所述液压泵站8、液压油管9和液压阀组10的数量均为两个，本发明只需通过2根液压油管9即可将液压泵站8连接到液压阀组10，取代了通常需要使用的64根液压管路，使控制与液压系统结构简洁、合理，控制可靠，安装和调试简便。

全站仪11，设置于所述始发工作井口，运用全站仪11实时测量、传输数据，作为设定和控制推进轴线15的标准；

左右后推进油缸组14，与所述液压阀组10连接，所述液压泵站8为所述左右后推进油缸组14提供动力；

激光长度传感器12和压力传感器13，分别设置于所述左右后推进油缸组14的固定架上；

具体来说，所述激光长度传感器12具有精度高、可靠性强，能准确地检测左右后推进油缸组14的行程；所述压力传感器13具有精度高、抗干扰性强，能准确地检测左右后推进油缸组14的推进压力。

所述液压阀组10、左右后推进油缸组14、激光长度传感器12和压力传感器13分别与所述井下控制计算机PLC从站通信。

优选的，在本发明中，所述大截面矩形隧道掘进机的控制计算机PLC主站与所述大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置的控制计算机PLC主站是同一控制计算机PLC主站。也就是说，控制装置借用了大截面矩形隧道掘进机的PLC主站（通过Net网络16控制掘进机主机），二套系统合二为一（节省了1台PLC主站），将后推进系统控制装置的程序写入其中，可远程自动检测、采集施工和液压系统的工作数据，发出控制指令，实现后顶推进施工自动化控制。

特别要说明的是，在发明中，井下控制柜5、所述变频器7、液压泵站8、液压油管9、液压阀组10、左右后推进油缸组14、激光长度传感器12和压力传感器13的数量均为两个，关于大截面矩形隧道掘进机对称设置。

同时，如图4所示，本发明还提供一种大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制方法，应用于在始发工作井内的大截面矩形隧道掘进机，包括：

步骤一：操作地面操作台，启动液压泵站，所述液压泵站推动左右后推进油缸组使所述大截面矩形隧道掘进机向前推进；

具体的，所述地面操作台操作内容是选择操作界面、启动泵源、确定所需推进的油缸数量和推进轴线参数的一种或多种，但本发明不仅限于这些操作。

步骤二：激光长度传感器检测所述左右后推进油缸组伸出的行程，压力传感器对所述左右后推进油缸组进行推力检测，并将检测数据通过井下控制计算机PLC从站，采用控制与通信链路系统网络发送给控制计算机PLC主站；

步骤三：全站仪实时进行推进轴线的测量，根据全站仪的测试数据，确定设置的行程偏差允许值，并将测试数据显示在操作触摸屏上；

步骤四：控制计算机PLC主站根据所述检测数据和行程偏差允许值，通过地面控制计算机PLC从站向变频器发出调节所述左右后推进油缸组伸缩速度的指令；同时通过井下控制计算机PLC从站向液压阀组发出调节所述左右后推进油缸组推进压力的指令。

具体来说，当控制计算机PLC主站检测到大截面矩形掘进机的推进方向往左偏离轴线时，控制计算机便自动向左侧后推进油缸组的液压驱动变频器发出加大推进频率的输出指令，同时向右边后推进油缸的液压驱动变频器发出减小推进频率的输出指令，从而修正了左右后推进油缸伸出的速度与行程偏差，使大截面矩形掘进机逐渐向右靠近设计轴线，回归到正确的前进方向上。反之，当控制计算机PLC主站检测到大截面矩形掘进机的推进方向往右偏离轴线时，控制计算机便自动发出相反的指令，予以行程偏差和轴线的修正，从而达到大截面矩形掘进机在施工阶段控制装置对推进轴线控制的目的。

同时，根据检测到的左右后推进压力偏差值，向左右液压阀组发出压力修正指令，使左右两侧后推进压力得到均衡控制，既保证了左右后推进的速度控制，也保证了液压和机械系统的正常工作。

优选的，在本发明中，所述控制计算机PLC主站控制所述大截面矩形隧道掘进机的主机。也就是说，控制装置借用了大截面矩形隧道掘进机的PLC主站（通过Net网络16控制掘进机主机），二套系统合二为一（节省了1台PLC主站），将后推进系统控制装置的程序写入其中，可远程自动检测、采集施工和液压系统的工作数据，发出控制指令，实现后顶推进施工自动化控制。

特别要说明的是，在发明中，所述变频器、井下控制柜、液压泵站、液压阀组、左右后推进油缸组、激光长度传感器和压力传感器的数量均为两个，关于大截面矩形隧道掘进机对称设置。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置，应用于在始发工作井内的大截面矩形隧道掘进机，其特征在于，包括：

全站仪，设置于所述始发工作井口；

地面控制室，所述地面控制室包括地面操作台、操作触摸屏和控制计算机可编程逻辑控制器主站；

地面控制柜，通过一控制与通信链路系统网络与所述地面控制室连接，包括：变频器和与所述变频器连接的地面控制计算机可编程逻辑控制器从站；

井下控制柜，所述井下控制柜的井下控制计算机可编程逻辑控制器从站通过所述控制与通信链路系统网络与所述地面控制计算机可编程逻辑控制器从站通信；

液压泵站，与所述变频器连接；

液压阀组，通过一液压油管与所述液压泵站连接；

左右后推进油缸组，与所述液压阀组连接；

激光长度传感器和压力传感器，分别设置于所述左右后推进油缸组的固定架上；

所述液压阀组、左右后推进油缸组、激光长度传感器和压力传感器分别与所述井下控制计算机可编程逻辑控制器从站通信。

2.如权利要求1所述的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置，其特征在于，所述大截面矩形隧道掘进机的控制计算机可编程逻辑控制器主站与所述大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置的控制计算机可编程逻辑控制器主站是同一控制计算机可编程逻辑控制器主站。

3.如权利要求1所述的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置，其特征在于，所述地面操作台操作内容是选择操作界面、启动泵源、确定所需推进的油缸数量和推进轴线参数的一种或多种。

4.如权利要求1所述的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制装置，其特征在于，所述变频器、井下控制柜、液压泵站、液压油管、液压阀组、左右后推进油缸组、激光长度传感器和压力传感器的数量均为两个，关于大截面矩形隧道掘进机对称设置。

5.一种大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制方法，应用于在始发工作井内的大截面矩形隧道掘进机，其特征在于，包括：

操作地面操作台，启动液压泵站，所述液压泵站推动左右后推进油缸组使所述大截面矩形隧道掘进机向前推进；

激光长度传感器检测所述左右后推进油缸组伸出的行程，压力传感器对所述左右后推进油缸组进行推力检测，并将检测数据通过井下控制计算机可编程逻辑控制器从站，采用控制与通信链路系统网络发送给控制计算机可编程逻辑控制器主站；

全站仪实时进行推进轴线的测量，根据全站仪的测试数据，确定设置的行程偏差允许值，并将测试数据显示在操作触摸屏上；

控制计算机可编程逻辑控制器主站根据所述检测数据和行程偏差允许值，通过地面控制计算机可编程逻辑控制器从站向变频器发出调节所述左右后推进油缸组伸缩速度的指令；同时通过井下控制计算机可编程逻辑控制器从站向液压阀组发出调节所述左右后推进油缸组推进压力的指令。

6.如权利要求5所述的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制方法，其特征在于，所述控制计算机可编程逻辑控制器主站控制所述大截面矩形隧道掘进机的主机。

7.如权利要求5所述的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制方法，其特征在于，所述地面操作台操作内容是选择操作界面、启动泵源、确定所需推进的油缸数量和推进轴线参数的一种或多种。

8.如权利要求5所述的大截面矩形隧道掘进机后推进系统控制方法，其特征在于，所述变频器、井下控制柜、液压泵站、液压阀组、左右后推进油缸组、激光长度传感器和压力传感器的数量均为两个，关于大截面矩形隧道掘进机对称设置。

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