CN103758800A - 多液压缸隧道模拟实验平台的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道模拟加载实验平台的控制系统，将液压缸进行分组，每组内的各液压缸进出口油路并联，通过减压阀控制各组液压缸出力，通过换向阀控制各组液压缸伸缩，本发明对于多液压缸的隧道加载实验平台，本发明的控制系统能够解决由于实验平台的结构尺寸较大，配置伺服阀、数据采集卡以及传感器的成本极高，电路结构复杂的技术问题，提高系统的可靠性，降低了系统的故障率；使得操作难度降低，极大的减少了操作人员的负担。

Description

多液压缸隧道模拟实验平台的控制系统
技术领域
本发明属于地下工程模拟试验技术，特别涉及无水至高压水环境下围岩及隧道结构的相互作用、结构受力及变形模拟试验研究的多液压缸的隧道模拟实验平台的控制系统。
背景技术
隧道结构与围岩相互作用的室内模拟试验装置，无论是动态仿真还是模型试验，在国内外均比较成熟，如日本、德国、美国等国家的相关试验室，以及铁道部科学研究院西南研究所、西安交通大学、中国矿业大学、同济大学等单位都有相关的试验装备。但这些试验装备都只能模拟在无水或者低压水条件下，隧道开挖过程中围岩内部的应力变化和围岩支护结构之间的相互作用规律，难以满足水压连续加载的试验条件，亦不能模拟高压水环境下围岩及隧道结构的相互作用的试验。为了给实际工程提供可参考的依据，有必要研制出一套模拟不同隧道环境下围岩及隧道结构相互作用的试验平台。相比无水及低压水的模拟试验条件，高压水环境的模拟对平台的尺寸和承载要求有相应的提高，设备的尺寸的加大对其密封性、开盖方式、加载及过载保护、设备的运输等提出了新的难题，而且目前隧道的施工面临的四大难题，仅停留在预测---按经验施工---设立应急预案阶段，缺少模拟试验后有参照性的数据参考，不能科学地、环保地采用施工步序、选择注浆与否以及获悉不同水压条件下的影响、衬砌结构受力和围岩稳定性。随着隧道修建技术的发展和防水材料工艺的革新，有水甚至有高压水环境下围岩及隧道结构的相互作用、结构受力及变形模拟试验研究将有急剧增长的趋势。
申请人北京交通大学之前已经申请的专利号为200610113485.0、名称为隧道结构、围岩及地下水相互作用的模拟实验台，公开了利用水压加载的模拟实验台结构。该结构中液压加载部分由8个液压缸实现，采用的控制方法为伺服控制，即采用8个伺服阀分别控制8个液压缸实现力加载，其中力传感器的信号由数据采集卡采入上位机，伺服阀的输入信号由上位机通过数据采集卡给定。
对于多液压缸的隧道加载实验平台，若采用上述控制方法，由于实验平台的结构尺寸较大，配置伺服阀、数据采集卡以及传感器的成本极高，电路结构相当复杂；由于伺服阀、数据采集卡以及传感器等元件数目太多，且系统工作环境较为恶劣，这无疑降低了系统的可靠性，增加了系统的故障率；系统中需要控制的阀数量过多，控制中所需的信号采集与输出均需在人机交互界面上有所体现，这也就使得操作难度及不便程度较大，极大的增加了操作人员的负担。
针对现有技术存在的缺陷，提出本发明。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种适用于多液压缸的隧道模拟实验平台的控制系统。
为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案是：一种隧道模拟加载实验平台的控制系统，其特征在于，将液压缸进行分组，每组内的各液压缸进出口油路并联，通过减压阀控制各组液压缸出力，通过换向阀控制各组液压缸伸缩，具体而言：该并联控制所需的控制元件有：比例减压阀、换向阀、力传感器、位移传感器、PLC控制器、比例放大器、工控机；
其中，工控机作为上位机，与下位机PLC控制器进行串口通信实现状态监测和指令下达；
PLC控制器作为下位机，主要用于实现信号的采集与控制信号的输出；比例减压阀用于实现比例改变进入液压缸的油压，实现不同的液压缸出力；
换向阀主要用于实现液压缸的伸缩换向；
比例放大器用于调理PLC控制器输出的控制信号，并将调理后的信号输入减压阀线圈，控制减压阀工作；
力传感器用于采集液压缸出力值，位移传感器用于采集液压缸位移值，便于用户监测液压缸当前状态。
所述的PLC控制器包括：采集传感器信号的AI模块，输出控制信号控制减压阀的AO模块，控制换向阀的DO模块，与作为上位机的工控机进行通信的RS-485串口通信口。
本发明的有益效果是：
对于多液压缸的隧道加载实验平台，本发明的控制系统能够解决由于实验平台的结构尺寸较大，配置伺服阀、数据采集卡以及传感器的成本极高，电路结构复杂的技术问题，提高系统的可靠性，降低了系统的故障率；使得操作难度降低，极大的减少了操作人员的负担。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：
图1本发明的组合控制系统示意框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步阐述。
图1本发明的组合控制系统示意框图，如图1所示出的，本发明的多液压缸的隧道模拟加载实验平台的控制系统包括：各液压缸组内各液压缸进出口油路并联，通过比例减压阀控制各液压组缸的液压缸出力，通过换向阀控制各液压缸组的液压缸伸缩；该并联控制方案所需的控制元件有：比例减压阀、换向阀、力传感器、位移传感器、PLC控制器、比例放大器、工控机；控制器采用西门子PLC，型号为S7-300，其中，工控机作为上位机，与下位机PLC控制器进行串口通信实现状态监测和指令下达；PLC控制器作为下位机，主要用于实现信号的采集与控制信号的输出；比例减压阀用于实现比例改变进入液压缸的油压，实现不同的液压缸出力；换向阀主要用于实现液压缸的伸缩换向；比例放大器用于调理PLC控制器输出的控制信号，并将调理后的信号输入减压阀线圈，控制减压阀工作；力传感器用于采集液压缸出力值，位移传感器用于采集液压缸位移值，便于用户监测液压缸当前状态。
PLC控制器包括：采集传感器信号的AI模块，输出控制信号控制减压阀的AO模块，控制换向阀的DO模块，与作为上位机的工控机进行通信的RS-485串口通信口。

Claims (2)

1.一种多液压缸隧道模拟实验平台控制系统，其特征在于，将液压缸进行分组，每组内的各液压缸进出口油路并联，通过减压阀控制各组液压缸出力，通过换向阀控制各组液压缸伸缩，具体而言：该并联控制所需的控制元件有：比例减压阀、换向阀、力传感器、位移传感器、PLC控制器、比例放大器、工控机；
其中，
工控机作为上位机，与下位机PLC控制器进行串口通信实现状态监测和指令下达；
PLC控制器作为下位机，主要用于实现信号的采集与控制信号的输出；比例减压阀用于实现比例改变进入液压缸的油压，实现不同的液压缸出力；
换向阀用于实现液压缸的伸缩换向；
比例放大器用于调理PLC控制器输出的控制信号，并将调理后的信号输入减压阀线圈，控制减压阀工作；
力传感器用于采集液压缸出力值，位移传感器用于采集液压缸位移值，便于用户监测液压缸当前状态。
2.根据权利要求1所述的一种多液压缸隧道模拟实验平台控制系统，其特征在于，所述的PLC控制器包括：采集传感器信号的AI模块，输出控制信号控制减压阀的AO模块，控制换向阀的DO模块，与作为上位机的工控机进行通信的RS-485串口通信口。
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