CN104615070B - 一种环形顶管远程控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环形顶管远程控制系统及控制方法，所述远程控制系统包括工控机、导向纠偏子系统、无线基站和远程控制中心，所述工控机分别连接第一PLC模块、无线基站、导向纠偏子系统和注浆子系统，所述无线基站与远程控制中心连接，所述导向纠偏子系统与第一PLC模块和所述工控机连接；远程控制中心通过无线基站向工控机发送控制指令，工控机根据控制指令控制注浆子系统，并将指令传送至第一PLC模块，分别对刀盘子系统、泥水输送子系统进行闭环控制，并根据导向纠偏子系统采集的信号实现环形顶管的纠偏导向控制。与现有技术相比，本发明可以实时反馈、调整环形顶管的工作状态，实现开挖过程的自动化，可以解决环形顶管隐蔽施工的难题。

Description

一种环形顶管远程控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤其是涉及一种环形顶管远程控制系统及控制方法。

背景技术

隧道工程建设中，盾构法具有非开挖、机械化程度高、施工速度快、对周围环境影响小、有利于劳动保护的优势。目前，世界上最大的盾构直径已达到17.5m，但以现有的技术和施工工艺，采用盾构法建设超大直径和异形断面隧道还存在诸多难题。

针对目前超大直径隧道建设所面临的问题，可以考虑对现有的顶管法进行改进，采用环形顶管的施工方法。环形顶管由内外两层壳体组成，在两层壳体的环形区域内，安装有覆盖整个环形断面的小刀盘及相应的推进和辅助系统，后部为管节，待管节贯通后再采用常规方法开挖管节内部的土体。

环形顶管工法中，环形区域狭窄，人员无法进入，所有的开挖过程属于隐蔽施工，无法采用常规的顶管控制技术，现有技术中还未有适用于此种工法的、可实现远程控制的控制系统。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种环形顶管远程控制系统及控制方法，该控制系统可以实时反馈、调整环形顶管的工作状态，实现开挖过程的自动化，解决环形顶管隐蔽施工的难题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种环形顶管远程控制系统，包括工控机、导向纠偏子系统、无线基站和远程控制中心，所述环形顶管的刀盘连接有第一PLC模块和注浆子系统，所述第一PLC模块分别连接刀盘子系统和泥水输送子系统，所述工控机分别连接第一PLC模块、无线基站、导向纠偏子系统和注浆子系统，所述无线基站与远程控制中心连接，所述导向纠偏子系统与第一PLC模块连接。

所述远程控制中心包括依次连接的数据存储单元、控制单元和显示器，所述数据存储单元、控制单元均与无线基站连接。

所述导向纠偏子系统包括定位模块和纠偏模块，其中，所述定位模块包括陀螺仪测量定位器、倾斜仪测量定位器和与工控机连接的第二PLC模块，所述第二PLC模块分别连接陀螺仪测量定位器和倾斜仪测量定位器，所述纠偏模块包括纠偏油缸和油缸传感器，所述纠偏油缸和油缸传感器均与第一PLC模块连接。

所述注浆子系统包括依次连接的注浆压力传感器、第三PLC模块和注浆泵，所述第三PLC模块与所述工控机连接。

所述第一PLC模块支持多机通讯功能，并设置有不同的节点地址，采用RS-485或RS-422与所述工控机进行通讯。

所述第一PLC模块的数据处理方式采用多CPU冗余处理方式。

所述第二PLC模块的数据处理方式采用多CPU冗余处理方式。

所述第三PLC模块的数据处理方式采用多CPU冗余处理方式。

一种环形顶管远程控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)远程控制中心接收并存储操作人员的控制指令，所述控制指令一方面存储在数据存储单元，另一方面通过无线基站发送至工控机；

2)工控机接收控制指令，驱动注浆子系统，并将控制指令发送给指定刀盘的第一PLC模块；

3)第一PLC模块对控制指令进行处理和D/A转化后，分别驱动刀盘子系统和泥水输送子系统，环形顶管启动；

4)开挖过程中，工控机通过刀盘子系统、泥水输送子系统、注浆子系统和导向纠偏子系统采集当前环形顶管的工作数据，并通过无线基站反馈给远程控制中心；

5)远程控制中心对反馈数据进行保存和处理，实时显示当前的掘进状态，并发出新的控制指令，调整当前环形顶管的工作状态。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的数据和指令采用无线信号传输，可实现环形顶管的远程控制；

(2)远程控制中心可实时显示当前环形顶管的工作状态，数据存储单元可以存储工作数据，便于日后分析和施工资料积累；

(3)本发明的远程控制系统采用闭环反馈调节机制，自动化程度高，可解决环形顶管施工区域狭窄，隐蔽施工质量难以控制的缺点；

(4)由于环形顶管的断面较大，刀盘数量较多，本发明的远程控制系统通过对刀盘的第一PLC模块设置不同的节点地址，采用RS-485或RS-422进行通讯，可实现对多个刀盘的协调控制。

附图说明

图1为环形顶管示意图；

图2为本发明控制系统的结构示意图；

图3为油缸控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

环形顶管如图1所示，包括外层壳体和内层壳体，在内层壳体和外层壳体所围成的环形区域内分布有刀盘，实现对土体的切削。后部管节中，在结构弯矩较小处设置有部分中空管道，作为管路和控制电缆的安放通道。在内层壳体、外层壳体和管节与土壤接触的表面还有注浆孔，通过注浆减小推进时的摩擦。

如图2所示，本发明实施例提供一种环形顶管远程控制系统，环形顶管的刀盘连接有第一PLC模块1和注浆子系统4，第一PLC模块1分别连接刀盘子系统2和泥水输送子系统3。所述远程控制系统包括四个部分：工控机5、导向纠偏子系统6、无线基站7和远程控制中心8，工控机5设置在施工现场，分别连接第一PLC模块1、注浆子系统4、无线基站7和导向纠偏子系统6，无线基站7与远程控制中心8连接。

远程控制中心8包括依次连接的数据存储单元81、控制单元82和显示器83，数据存储单元81、控制单元82均与无线基站7连接，控制单元82内有数据处理模块、显示驱动模块和I/O模块，数据处理模块和I/O模块分别与数据存储单元81连接，显示驱动模块与显示器83连接。

导向纠偏子系统6包括定位模块和纠偏模块，其中，定位模块包括陀螺仪测量定位器61、倾斜仪测量定位器62和与工控机5连接的第二PLC模块63，所述纠偏模块包括纠偏油缸64和油缸传感器65，所述纠偏油缸64和油缸传感器65均与第一PLC模块连接。

刀盘子系统2包括电动机21、减速器22、刀盘23和转速传感器24、顶进油缸25和顶进油缸传感器26等；泥水输送子系统3包括进泥阀31、排泥阀32和相应阀门传感器33、34以及开挖面土压传感器35等。注浆子系统4包括注浆压力传感器41、第三PLC模块42和注浆泵43。

刀盘的第一PLC模块1内部集成有数据处理模块、通讯模块、D/A和A/D转换模块，并采用多CPU构成冗余系统。

优选地，刀盘的第一PLC模块1支持多机通讯功能，并设置有不同的节点地址，采用RS-485或RS-422与工控机进行通讯，实现工控机对多个刀盘的协调控制。

本发明实施例还提供一种环形顶管远程控制方法，包括以下步骤：

1)远程控制中心8接收并存储操作人员的控制指令，同时将该控制指令通过无线基站7发送给工控机5；

2)工控机5接收控制指令，对注浆子系统4进行控制，并将控制指令发送给指定刀盘的第一PLC模块1；

3)第一PLC模块1对控制指令进行处理的D/A转化后，分别驱动刀盘子系统2和泥水输送子系统3，环形顶管启动；

4)开挖过程中，工控机5通过刀盘子系统2、泥水输送子系统3、注浆子系统4和导向纠偏子系统6采集当前环形顶管的工作数据，并通过无线基站7反馈给远程控制中心8；

5)远程控制中心8对反馈数据进行保存和处理，实时显示当前的掘进状态，并发出新的控制指令，调整当前环形顶管的工作状态。

下面结合图2和具体实例对各系统的控制过程做具体阐述。

(1)刀盘子系统2：工控机5将指令传送至指定刀盘的第一PLC模块1，经过处理和D/A转化后，控制驱动刀盘电动机21和顶进油缸25的工作状态，从而实现对刀盘转速、扭矩、推力等工作参数的调节。同时，电动机内置的传感器24采集电动机当前的工作数据(电压、电流、转速、温度等)，顶进油缸传感器26采集顶进油缸25的工作参数(压力、行程等)，通过第一PLC模块1A/D转化和处理后，经工控机5传送至远程控制中心8，实现刀盘子系统2的反馈调节。

(2)泥水输送子系统3：包括进泥阀31、排泥阀32和相应阀门传感器33、34以及开挖面土压传感器35等。根据土压传感器35测定当前开挖面的土压力，调整泥水压力，实现土压的动态平衡控制。例如，当土压传感器35检测到土压增大时，控制指令经第一PLC模块1处理和D/A转化后，增大进泥阀31的开口率，减小排泥阀32的开口率，从而平衡开挖面的土压力。

(3)导向纠偏子系统6：隧道开挖时，安装在环形顶管前部的陀螺仪测量定位器61、倾斜仪测量定位器62对当前顶管的姿态和推进精度进行定位，所得的数据经第二PLC模块63处理和A/D转换后，经工控机5传送至远程控制中心。控制单元82和操作人员根据反馈的信息，发出新的指令至相应刀盘的第一PLC模块1，对当前纠偏油缸64的工作状态进行调整，并通过油缸传感器65进行反馈，从而实现对顶管的纠偏和姿态调整。

(4)注浆子系统4：注浆压力传感器41实时采集注浆压力值，经第三PLC模块42、工控机5和无线基站7反馈至远程控制中心8，而相应的控制指令经第三PLC模块42处理和D/A转换后，传送至注浆泵43，通过调整注浆泵43阀门的开口率调整注浆压力和注浆量。

图3为油缸控制示意图，以纠偏油缸64为例，其上设有电液比例阀66。远程控制中心8的指令传送至工控机5，由相应刀盘的第一PLC模块1处理和D/A转换后，变为电液比例阀66可识别的模拟信号，通过调整油缸64的液压阀，实现对油缸64的连续控制。同时，纠偏油缸64工作时，内部的传感器65采集当前油缸的工作数据(压力、行程等)，经第一PLC模块1处理和A/D转换后，经工控机5传送至远程控制中心8，实现反馈调节。

综合上述实施实例，针对环形顶管的施工原理和特点，本发明提出了一套环形顶管远程控制系统及控制方法。该系统采用闭环反馈调节机制，对执行机构较多采用电液控制方式，流程清晰，自动化程度高，解决了环形顶管隐蔽施工的问题；设置了数据存储单元，能实时存储环形顶管的工作数据和操作人员发出的指令，便于日后分析和施工技术积累。

Claims (8)

1.一种环形顶管远程控制系统，其特征在于，包括工控机、导向纠偏子系统、无线基站和远程控制中心，所述环形顶管的刀盘连接有第一PLC模块和注浆子系统，所述第一PLC模块分别连接刀盘子系统和泥水输送子系统，所述工控机分别连接第一PLC模块、无线基站、导向纠偏子系统和注浆子系统，所述无线基站与远程控制中心连接，所述导向纠偏子系统与第一PLC模块连接，所述工控机通过第一PLC模块实现对多个刀盘的协调控制；

所述导向纠偏子系统包括定位模块和纠偏模块，其中，所述定位模块包括陀螺仪测量定位器、倾斜仪测量定位器和与工控机连接的第二PLC模块，所述第二PLC模块分别连接陀螺仪测量定位器和倾斜仪测量定位器，所述纠偏模块包括纠偏油缸和油缸传感器，所述纠偏油缸和油缸传感器均与第一PLC模块连接；

所述泥水输送子系统包括进泥阀、排泥阀、相应阀门传感器以及开挖面土压传感器，根据土压传感器测定当前开挖面的土压力，调整泥水压力，实现土压的动态平衡控制。

2.根据权利要求1所述的环形顶管远程控制系统，其特征在于，所述远程控制中心包括依次连接的数据存储单元、控制单元和显示器，所述数据存储单元、控制单元均与无线基站连接。

3.根据权利要求1所述的环形顶管远程控制系统，其特征在于，所述注浆子系统包括依次连接的注浆压力传感器、第三PLC模块和注浆泵，所述第三PLC模块与所述工控机连接。

4.根据权利要求1所述的环形顶管远程控制系统，其特征在于，所述第一PLC模块支持多机通讯功能，并设置有不同的节点地址。

5.根据权利要求1或4所述的环形顶管远程控制系统，其特征在于，所述第一PLC模块的数据处理方式采用多CPU冗余处理方式。

6.根据权利要求1所述的环形顶管远程控制系统，其特征在于，所述第二PLC模块的数据处理方式采用多CPU冗余处理方式。

7.根据权利要求3所述的环形顶管远程控制系统，其特征在于，所述第三PLC模块的数据处理方式采用多CPU冗余处理方式。

8.一种如权利要求1所述的环形顶管远程控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)远程控制中心接收并存储操作人员的控制指令，所述控制指令一方面存储在数据存储单元，另一方面通过无线基站发送至工控机；

2)工控机接收控制指令，驱动注浆子系统，并将控制指令发送给指定刀盘的第一PLC模块；

3)第一PLC模块对控制指令进行处理和D/A转化后，分别驱动刀盘子系统和泥水输送子系统，环形顶管启动；

4)开挖过程中，工控机通过刀盘子系统、泥水输送子系统、注浆子系统和导向纠偏子系统采集当前环形顶管的工作数据，并通过无线基站反馈给远程控制中心；

5)远程控制中心对反馈数据进行保存和处理，实时显示当前的掘进状态，并发出新的控制指令，调整当前环形顶管的工作状态。