CN103821529B - 矩形盾构机土压平衡控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矩形盾构机土压平衡控制系统，用以对配备双螺旋输送机的矩形盾构机进行土压平衡控制，包括了交互操作设备、计算机PLC主站、液压泵站和土压力传感器，所述计算机PLC主站与所述交互操作设备连接，所述土压力传感器设于盾构机的土仓，所述计算机PLC主站根据所述土压力传感器传输而来的数据通过所述液压泵站控制两个所述螺旋输送机的运作。本发明一方面利用土压力传感器和计算机PLC主站之间的信息传递，实时地针对土仓土压的情况进行反馈控制，另一方面，对于螺旋输送机转速的控制，本发明引入了计算机PLC主站与液压泵站的组合使用，运用液压驱动液压比例阀控制变量泵的技术，使得土压的控制更灵敏、更快速、更可靠。

Description

矩形盾构机土压平衡控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及矩形盾构机的创新，尤其涉及一种矩形盾构机土压平衡控制系统及其方法。

背景技术

通常的圆形或者小截面的土压平衡盾构机是一种用于软土地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。通常都采用一台螺旋输送机进行排土输送，主要作用是将盾构机泥土仓内刀盘切削下来的泥土排出盾体，并控制和保持土压平衡，是土压平衡盾构机的重要组成部分。

大截面矩形盾构机由于其截面较大，如采用一台螺旋输送机进行排土输送则无法满足施工排土的需求，故需采用二台螺旋输送机（即双螺旋输送机）来进行排土输送，这使得土压平衡系统控制的难度将大大增加，对土压平衡的自动控制提出了更高的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能迎合双螺旋输送机排土输送要求的矩形盾构机土压平衡控制系统及其方法。

为了解决这一技术问题，本发明提供了一种矩形盾构机土压平衡控制系统，用以对配备双螺旋输送机的矩形盾构机进行土压平衡控制，包括了交互操作设备、计算机PLC主站、液压泵站和土压力传感器，所述计算机PLC主站与所述交互操作设备连接，所述土压力传感器设于盾构机的土仓，所述计算机PLC主站根据所述土压力传感器传输而来的数据通过所述液压泵站控制两个所述螺旋输送机的运作。

所述矩形盾构机土压平衡控制系统还包括了电气控制柜，所述计算机PLC主站通过所述电气控制柜与所述液压泵站连接。

所述液压泵站包括两个电机液压泵和两个液压比例阀，两个电机液压泵分别与所述两个所述液压比例阀连接，所述两个电机液压泵均与所述计算机PLC主站连接，所述两个液压比例阀分别与两个所述螺旋输送机连接。

所述矩形盾构机土压平衡控制系统还包括了计算机PLC从站，设于盾构机的推进千斤顶上的行程速度传感器以及设于所述螺旋输送机上的转速传感器，所述行程速度传感器和转速传感器均通过所述计算机PLC从站与所述计算机PLC主站连接。

所述矩形盾构机土压平衡控制系统还包括设于地面上的全站仪设备，所述全站仪设备与所述计算机PLC主站连接。

所述交互操作设备包括操作台和触摸屏。

本发明还提供了一种矩形盾构机土压平衡控制方法，采用了本发明提供的矩形盾构机土压平衡控制系统，还提供了设于盾构机的推进千斤顶上的行程速度传感器、设于所述螺旋输送机上的转速传感器以及设于地面上用以检测沉降状况的全站仪设备；

首先，先设定土压的目标值，在掘进过程中，所述计算机PLC主站根据所述土压力传感器、行程速度传感器、转速传感器和全站仪设备传输而来的数据计算出土仓的土压检测值与土压的目标值之间的差值；

当所述土压力传感器检测到土仓内的土压检测值大于目标值时，则通过所述计算机PLC主站加大所述螺旋输送机的转速，直至土仓内的土压检测值达到目标值；当所述土压传感器检测到土仓内的土压检测值小于目标值时，则通过所述计算机PLC主站减小所述螺旋输送机的转速，直至土仓内的土压检测值达到目标值。

可选的，在加大或减小所述螺旋输送机的转速时，操作人员在所述交互操作设备上实施操作，通过所述计算机PLC主站分别手动控制两个所述螺旋输送机的转速。

可选的，在加大或减小所述螺旋输送机的转速时，所述计算机PLC主站自动根据所述土压力传感器、行程速度传感器、转速传感器和全站仪设备传输而来的数据分别自动控制两个所述螺旋输送机的转速。

在自动控制的过程中，所述计算机PLC主站还根据预设的PID算法以及操作人员输入的PID参数进行转速控制命令的自动生成。

本发明提供了一种矩形盾构机土压平衡控制系统和方法，一方面，利用土压力传感器和计算机PLC主站之间的信息传递，本发明可以实时地针对土仓土压的情况进行反馈控制，另一方面，对于螺旋输送机转速的控制，本发明引入了计算机PLC主站与液压泵站的组合使用，运用液压驱动液压比例阀控制变量泵的技术，使得土压的控制更灵敏、更快速、更可靠。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的矩形盾构机土压平衡控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的矩形盾构机土压平衡控制系统的系统示意图；

图3是本发明实施例1提供的矩形盾构机土压平衡控制方法的手动控制模式下的流程示意图；

图4是本发明实施例2提供的矩形盾构机土压平衡控制方法的自动控制模式下的流程示意图；

图5和图6是本发明实施例1与实施例2中触摸屏的示意图；

图7是本发明实施例1与实施例2中操作台的示意图；

图8和图9是本发明实施例1与实施例2中矩形盾构机土压平衡控制方法的示意图；

图10是本发明实施例2中自动模式下的矩形盾构机土压平衡控制方法的示意图；

图中，1-土仓；2-土压力传感器；3-转速传感器；4-行程速度传感器；5-推进千斤顶；6-螺旋输送机；7-计算机PLC从站；8-交互操作设备；801-触摸屏；802-操作台；9-计算机PLC主站；10-电气控制柜；11-液压泵站；12-液压比例阀；13-全站仪设备。

具体实施方式

以下将结合图1至图10通过两个实施例对本发明提供的矩形盾构机土压平衡控制系统和方法进行详细的描述，其为本发明两可选的实施例，可以认为本领域的技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

请参考图1和图2，本实施例提供了一种矩形盾构机土压平衡控制系统，用以对配备双螺旋输送机的矩形盾构机进行土压平衡控制，包括了交互操作设备8、计算机PLC主站9、液压泵站11和土压力传感器2，所述计算机PLC主站9与所述交互操作设备8连接，所述土压力传感器2设于盾构机的土仓1，所述计算机PLC主站9根据所述土压力传感器2传输而来的数据通过所述液压泵站11控制两个所述螺旋输送机6的运作。

所述矩形盾构机土压平衡控制系统还包括了电气控制柜10，所述计算机PLC主站9通过所述电气控制柜10与所述液压泵站11连接。

所述液压泵站11包括两个电机液压泵和两个液压比例阀12，两个电机液压泵分别与所述两个所述液压比例阀12连接，所述两个电机液压泵均与所述计算机PLC主站9连接，所述两个液压比例阀12分别与两个所述螺旋输送机6连接。

所述矩形盾构机土压平衡控制系统还包括了计算机PLC从站7，设于盾构机的推进千斤顶5上的行程速度传感器4以及设于所述螺旋输送机6上的转速传感器3，所述行程速度传感器4和转速传感器3均通过所述计算机PLC从站7与所述计算机PLC主站9连接。所述矩形盾构机土压平衡控制系统还包括设于地面上的全站仪设备13，所述全站仪设备13与所述计算机PLC主站9连接。全站仪设备13可以包括了全站仪与测量靶，通过全站仪对测量靶的检测实现工作轴线的测量。

本实施例采用控制计算机PLC主站9、计算机PLC从站7和MITSUBISHINET局域网控制技术。将用于土压平衡的双PID控制程序写入计算机PLC主站9，由其发出控制指令，使液压泵站11工作。通过液压比例阀12驱动双螺旋输送机6旋转，进行排土作业。采用土压力传感器2来检测泥土仓1内左右两边以及整体的土压力,并同时将推进千斤顶5推进的速度和全站仪设备13所测地面沉降状况，通过计算机PLC从站7将这些数据反馈给计算机PLC主站9，进行处理并计算出与操作目标值(管理土压值)的差值，通过手动或自动模式调整双螺旋输送机6转速的控制指令值，保持土压平衡。

对于细节的设置，在本实施例中，所述交互操作设备8包括触摸屏801与操作台802，所述触摸屏801与操作台802均与所述计算机PLC主站9连接。所述交互操作设备8、计算机PLC主站9、电气控制柜10和液压泵站11均设于盾构机的台车上。液压泵站11通过液压驱动油管连接所述螺旋输送机6，计算机PLC主站9与计算机PLC从站7之间通过MITSUBISHI NET网络通信电缆连接，电气控制柜10分别通过驱动电缆与所述计算机PLC主站6以及液压泵站11连接，行程速度传感器4、转速传感器3和所述土压力传感器2均通过传感器电缆与所述计算机PLC从站7连接。本实施例在系统中采用计算机PLC主站6、MITSUBISHI NET网络和计算机PLC从站9等控制技术。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，实现土压平衡的控制。

本实施例在盾构机的泥土仓壁安装了8个土压力传感器2，可精确地检测泥土仓1内各个位置的土压力，将这些数据反馈给计算机PLC主站9，为土压平衡提供了控制数据。本实施例利用在推进千斤顶5上安置的行程速度传感器4，将这些数据作为土压平衡控制的参考依据。本实施例还在地面上安置了全站仪设备13，可精确测量地面沉降数据，将这些数据作为土压平衡控制目标值(管理土压值)的设定依据。该矩形盾构机土压平衡控制系统具有控制方案合理、方式创新、方法全面、形式可靠和操作方便等特点。

本实施例还提供了一种矩形盾构机土压平衡控制方法，采用了本实施例提供的矩形盾构机土压平衡控制系统；

请参考图8和图9，并结合图3和图4，首先，先设定土压的目标值，即管理土压值；在掘进过程中，所述计算机PLC主站根据所述土压力传感器、行程速度传感器、转速传感器和全站仪设备传输而来的数据计算出土仓的土压检测值与土压的目标值之间的差值；

当所述土压力传感器检测到土仓内的土压检测值大于目标值时，则通过所述计算机PLC主站加大所述螺旋输送机的转速，直至土仓内的土压检测值达到目标值；当所述土压传感器检测到土仓内的土压检测值小于目标值时，则通过所述计算机PLC主站减小所述螺旋输送机的转速，直至土仓内的土压检测值达到目标值。

在这一控制方法的基本理念下，本实施例还进一步列举了在手动控制模式下的矩形盾构机土压平衡控制方法，主要用于初始掘进和复杂应急状况的处理。请参考图3，并结合图5至图7，在加大或减小所述螺旋输送机的转速时，操作人员在所述交互操作设备上实施操作，通过所述计算机PLC主站分别手动控制两个所述螺旋输送机的转速。在手动模式时，可操作台控制面板上的旋钮，调节控制液压比例阀的开度，人工控制双螺旋输送机转速，达到土压平衡的目的。

在手动模式时，可对泥土仓内由各种外部因素所引起的土压力偏离目标值，产生偏差进行手动调节，能分别地对左右二台双螺旋输送机进行单独转速操纵控制。可用于初始掘进阶段和复杂土层掘进时的土压平衡控制，能方便地应对复杂状况的紧急处置。

实施例2

本实施例与实施例的区别仅在于，本实施例进一步列举了自动控制模式下的矩形盾构机土压平衡控制方法，至于控制方法的基本逻辑以及所采用的矩形盾构机土压平衡控制系统与实施例1是一致的。

在本实施例中，即自动控制模式下，请参考图4和图10，在加大或减小所述螺旋输送机的转速时，所述计算机PLC主站自动根据所述土压力传感器、行程速度传感器、转速传感器和全站仪设备传输而来的数据分别自动控制两个所述螺旋输送机的转速。在自动控制的过程中，所述计算机PLC主站还根据预设的PID算法以及操作人员输入的PID参数进行转速控制命令的自动生成。

每个螺旋输送机所对应的PID参数包括了周期、比例定数、积分定数、微分定数和过滤系数。

自动控制模式采用预设的计算机双PID-1/2算法以及综合处理运算，并且研究了手动整定与自动整定PID参数相结合的算法来完成土压平衡控制。特别是自整定PID算法可以在控制过程中自动完成参数的整定，然后用整定得到的参数对过程进行控制。这样既能简化系统投运，又能优化控制品质，很好地满足了在双螺旋输送机的状态下，对自动控制土压平衡的要求，使地面沉降得到有效控制，保证了盾构机的平稳掘进施工。

综合两个实施例来看，对左右二台螺旋输送机可分别进行单独控制，也可进行联合控制。可根据施工状况分别选择各自的工作模式：手动或自动模式。在自动模式时，可各自选择手动整定或自动整定PID参数的算法来完成土压平衡控制。

综上所述，本发明提供了一种矩形盾构机土压平衡控制系统和方法，一方面，利用土压力传感器和计算机PLC主站之间的信息传递，本发明可以实时地针对土仓土压的情况进行反馈控制，另一方面，对于螺旋输送机转速的控制，本发明引入了计算机PLC主站与液压泵站的组合使用，运用液压驱动液压比例阀控制变量泵的技术，使得转速的控制更灵敏、更快速、更可靠。

Claims (8)

1.一种矩形盾构机土压平衡控制系统，用以对配备双螺旋输送机的矩形盾构机进行土压平衡控制，其特征在于：包括了交互操作设备、计算机PLC主站、液压泵站和土压力传感器，所述计算机PLC主站与所述交互操作设备连接，所述土压力传感器设于盾构机的土仓，所述计算机PLC主站根据所述土压力传感器传输而来的数据通过所述液压泵站控制两个所述螺旋输送机的运作，还包括了计算机PLC从站，设于盾构机的推进千斤顶上的行程速度传感器以及设于所述螺旋输送机上的转速传感器，所述行程速度传感器和转速传感器均通过所述计算机PLC从站与所述计算机PLC主站连接，还包括设于地面上用以检测沉降状况的全站仪设备，所述全站仪设备与所述计算机PLC主站连接。

2.如权利要求1所述的矩形盾构机土压平衡控制系统，其特征在于：还包括了电气控制柜，所述计算机PLC主站通过所述电气控制柜与所述液压泵站连接。

3.如权利要求1所述的矩形盾构机土压平衡控制系统，其特征在于：所述液压泵站包括两个电机液压泵和两个液压比例阀，两个电机液压泵分别与所述两个所述液压比例阀连接，所述两个电机液压泵均与所述计算机PLC主站连接，所述两个液压比例阀分别与两个所述螺旋输送机连接。

4.如权利要求1所述的矩形盾构机土压平衡控制系统，其特征在于：所述交互操作设备包括操作台和触摸屏。

5.一种矩形盾构机土压平衡控制方法，其特征在于：采用了如权利要求1至4任意之一所述的矩形盾构机土压平衡控制系统，还提供了设于盾构机的推进千斤顶上的行程速度传感器、设于所述螺旋输送机上的转速传感器以及设于地面上用以检测沉降状况的全站仪设备；

首先，先设定土压的目标值，在掘进过程中，所述计算机PLC主站根据所述土压力传感器、行程速度传感器、转速传感器和全站仪设备传输而来的数据计算出土仓的土压检测值与土压的目标值之间的差值；

当所述土压力传感器检测到土仓内的土压检测值大于目标值时，则通过所述计算机PLC主站加大所述螺旋输送机的转速，直至土仓内的土压检测值达到目标值；当所述土压力传感器检测到土仓内的土压检测值小于目标值时，则通过所述计算机PLC主站减小所述螺旋输送机的转速，直至土仓内的土压检测值达到目标值。

6.如权利要求5所述的矩形盾构机土压平衡控制方法，其特征在于：在加大或减小所述螺旋输送机的转速时，操作人员在所述交互操作设备上实施操作，通过所述计算机PLC主站分别手动控制两个所述螺旋输送机的转速。

7.如权利要求5所述的矩形盾构机土压平衡控制方法，其特征在于：在加大或减小所述螺旋输送机的转速时，所述计算机PLC主站自动根据所述土压力传感器、行程速度传感器、转速传感器和全站仪设备传输而来的数据分别自动控制两个所述螺旋输送机的转速。

8.如权利要求7所述的矩形盾构机土压平衡控制方法，其特征在于：在自动控制的过程中，所述计算机PLC主站还根据预设的PID算法以及操作人员输入的PID参数进行转速控制命令的自动生成。