CN106968682A - 基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统及其方法。所述装置包括安装在顶管机工作的井内的激光器，以竖直的方式安装在顶管机的机头处并与激光器正对的平面光电传感器阵列，采集平面光电传感器阵列输出电压信号的数据采集卡，接收数据采集卡采集的数据信号进行数据处理的PLC控制器。平面光电传感器阵列随机头摆动时，激光器的激光束水平照射到平面光电传感器阵列上，PLC控制器根据数据采集卡连续性采集来的数据信号，对每次获得的相应光电传感器进行轨迹连线，由此获取顶管机的管道轴线的方位变化，根据一个设计轴线实时计算轴线偏差，根据轴线偏差控制PLC控制器实时控制纠偏油缸运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制系统及其控制方法，尤其涉及一种基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统及其顶管机自动纠偏控制方法。
背景技术
随着我国城市化建设的不断推进与发展，顶管法施工以其不需要开挖地面、占地面积少、交通影响小、开挖速度快、经济、环保的优势在综合管廊、地下通道等项目建设中不断发挥重要作用。但是由于地层土质变化、千斤顶推力不均、回填注浆不均、尾盾间隙不均以及已拼管节轴线不准等因素，顶管机很容易发生侧向偏转的现象，产生姿态偏差。已有顶管掘进机通过控制台面板进行手动操作的控制系统，通过检测系统显示位置差异，完全依靠工作人员根据位置变化对手动调整液压系统，纠偏效果差，容易造成蛇形偏差。
发明内容
针对上述提出的问题，本发明提供一种基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统及其顶管机自动纠偏控制方法，其以PLC控制器为核心，以平面光电传感器阵列为检测单元，可以同时实现实时采集管线方位变化、实时计算轴线偏差、实时控制纠偏油缸运动、在线显示轴线偏差角度、在线显示纠偏油缸压力、在线调整油缸压力等功能，能完成顶管机自动纠偏施工，提高顶管施工的效率与施工质量。
本发明的解决方案是：一种基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统，其包括：
PLC控制器，其根据施工要求驱动顶管机的纠偏油缸进行纠偏；
激光器，其安装在顶管机工作的井内；
平面光电传感器阵列，其以竖直的方式安装在顶管机的机头处，并与所述激光器正对，所述平面光电传感器阵列随所述机头摆动时，所述激光器的激光束水平照射到所述平面光电传感器阵列上，使所述平面光电传感器阵列中相应的光电传感器因感受激光束而输出电压信号；
数据采集卡，其采集所述平面光电传感器阵列输出的电压信号；
其中，所述PLC控制器接收所述数据采集卡采集的数据信号进行数据处理，实时控制所述纠偏油缸运动；所述PLC控制器的数据处理方法为：
步骤一、得到所述数据采集卡采集的数据信号；
步骤二、根据所述数据信号，获得所述平面光电传感器阵列上因感受激光束而输出电压信号的光电传感器；
步骤三、根据所述数据采集卡连续性采集来的数据信号，对每次获得的相应光电传感器进行轨迹连线，由此获取所述顶管机的管道轴线的方位变化，根据一个设计轴线实时计算轴线偏差，根据所述轴线偏差控制所述PLC控制器实时控制所述纠偏油缸运动；
步骤四、判断所述数据采集卡采集的数据信号传送是否中断，是中断，则结束，否则返回步骤二；
在步骤三的纠偏控制中，当管道轴线与设计轴线偏离值大于10％时，所述纠偏油缸开始进行纠偏作业，次纠偏角度不大于1°，依次逐步控制纠偏油缸，不断调整到设计轴线。
作为上述方案的进一步改进，所述PLC控制器中采用PID算法实施纠偏计算，逐步控制纠偏油缸的运动次序。
作为上述方案的进一步改进，所述激光器采用He-Ne激光器。
作为上述方案的进一步改进，所述平面光电传感器阵列包括呈阵列式排布的n×m个光电传感器，以及安装n×m个光电传感器的安装板，n和m为正整数。
进一步地，所述安装板开设呈阵列式排布的n×m个收容槽，每个收容槽内安装一个光电传感器。
再进一步地，每个收容槽内安装一个聚集凹面镜，所述光电传感器安装在相应收容槽的底部，所述聚集凹面镜对进入所述收容槽内的激光束聚集至相应的光电传感器上。
优选地，所有收容槽的底部相通，以便于所有光电传感器之间的电性接线。
进一步地，所述光电传感器采用光敏电阻作为光电接收元件。
作为上述方案的进一步改进，所述基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统还包括编码器，所述编码器将所述平面光电传感器阵列输出的多路电压信号进行编码，以减少所述平面光电传感器阵列到所述数据采集卡的数据通道的路数。
本发明还提供上述任意一种基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统的顶管机自动纠偏控制方法，其包括以下步骤：
步骤一、得到所述数据采集卡采集的数据信号；
步骤二、根据所述数据信号，获得所述平面光电传感器阵列上因感受激光束而输出电压信号的光电传感器；
步骤三、根据所述数据采集卡连续性采集来的数据信号，对每次获得的相应光电传感器进行轨迹连线，由此获取所述顶管机的管道轴线的方位变化，根据一个设计轴线实时计算轴线偏差，根据所述轴线偏差控制所述PLC控制器实时控制所述纠偏油缸运动；
步骤四、判断所述数据采集卡采集的数据信号传送是否中断，是中断，则结束，否则返回步骤二；
其中，在步骤三的纠偏控制中，当管道轴线与设计轴线偏离值大于10％时，所述纠偏油缸开始进行纠偏作业，次纠偏角度不大于1°，依次逐步控制纠偏油缸，不断调整到设计轴线。
本发明将激光器固定安装在工作井内，平面光电传感器阵列竖直安装在顶管机机头处，平面光电传感器阵列随机头摆动时，激光束水平照射到机头处竖直安装的平面光电传感器阵列上，平面光电传感器阵列中的光电传感器感受激光，然后输出电压信号，经处理、编码后，通过数据采集卡输入PLC控制器进行数据处理，实现顶管机的纠偏。本发明利用激光器和平面光电传感器阵列，通过数据采集卡采集的数据信号，使得PLC控制器获得所述平面光电传感器阵列上因感受激光束而输出电压信号的光电传感器，根据数据采集卡的连续性采集，PLC控制器对每次获得的相应光电传感器进行轨迹连线，由此获取顶管机的管道轴线的方位变，从而根据一个设计轴线实时计算轴线偏差，根据所述轴线偏差实时控制所述纠偏油缸运动。
附图说明
图1为本发明基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统的系统框图。
图2为图1中平面光电传感器阵列的结构示意图。
图3为图2中单个光电传感器的安装位置的剖视图。
图4为图2中单个光电传感器的光电信号调理电路图。
图5为图1中编码器和数据采集卡之间的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明的基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统包括激光器1、平面光电传感器阵列2、编码器3、数据采集卡4、PLC控制器5。PLC控制器5，也可以是CPU，或其他带有智能流程处理功能的电子设备，只要适于存储多条指令并可以加载并执行即可。
激光器1安装在顶管机工作的井内，平面光电传感器阵列2以竖直的方式安装在顶管机的机头处，并与激光器1正对，平面光电传感器阵列2随所述机头摆动时，激光器1的激光束水平照射到平面光电传感器阵列2上，使平面光电传感器阵列2中相应的光电传感器因感受激光束而输出电压信号。
数据采集卡4采集平面光电传感器阵列2输出的电压信号。PLC控制器5接收数据采集卡4采集的数据信号进行数据处理，如根据数据采集卡4连续性采集来的数据信号，对每次获得的相应光电传感器进行轨迹连线，由此获取所述顶管机的管道轴线的方位变化，根据一个设计轴线实时计算轴线偏差，根据轴线偏差控制PLC控制器5实时控制纠偏油缸6运动。
激光器1可采用He-Ne激光器，固定安装在工作井内。He-Ne激光器发射632.8nm的可见红光光束，发散角<3mrad，光束直径为φ4～φ6mm，发射功率稳定为10mW，工作性能稳定，寿命长。
请结合图2、图3及图4，平面光电传感器阵列2安装在激光器1正对的顶管机机头上。平面光电传感器阵列2可包括呈阵列式排布的n×m个光电传感器，以及安装n×m个光电传感器的安装板6。
光电传感器可采用光敏电阻7作为光电接收元件，根据顶管机姿态偏差范围和空间分辨率的要求，构成一定大小和一定数量光电传感器的平面点阵，图2为120mm×120mm的姿态偏差范围、空间分辨率为20mm的6×6平面光电传感器阵列2，光电传感器接收激光器1照射的激光。
光电传感器在具体安装时，安装板6开设呈阵列式排布的n×m个收容槽，每个收容槽内安装一个光电传感器。每个收容槽内安装一个聚集凹面镜8。所述光电传感器安装在相应收容槽的底部，聚集凹面镜8对进入所述收容槽内的激光束聚集至相应的光电传感器上。如图3所示，光电传感器采用聚焦凹面镜8接收激光可以有效地防止自然光的影响，并能克服激光束照射到光电接收元件空隙无信号输出的问题。所有收容槽的底部相通，以便于所有光电传感器之间的电性接线。每个光电传感器对应的光电信号调理电路，将平面光电传感器阵列2中各光电接收元件感受的激光信号转变为电压电平信号。如图4所示。
光敏电阻7具有光谱特性好、可靠性高、体积小、灵敏度高、反应快速、环氧树脂封装、寿命长等特点。光电信号调理电路供电电源电压为5V DC，分压电阻R的阻值选为2.7kΩ；光敏电阻Rg在正常光照下，其阻值在3kΩ左右，电路输出电压为2.50V左右，视为高电平；当激光照射光敏电阻时，其阻值将发生改变，减小至0.3kΩ左右，输出电压为0.5V左右，视为低电平。光电信号调理电路将激光信号转变为电压电平信号，且满足数据采集卡4(在本实施例中采用AC6651)的AC6651接口板卡I/O通道电平要求。
请结合图5，编码器3将平面光电传感器阵列2输出的多路电压信号进行编码，以减少平面光电传感器阵列2到数据采集卡4的数据通道的路数。由于平面光电传感器阵列2的传感器(即光敏电阻)点数较多，但传感器信号只能单个独立产生，而数据采集卡4的I/O通道数有限，如果采用每个传感器点对应一个通道，通道就会不够，也没有这种必要。所以，在光电信号送入后续接口板卡输入通道之前采用编码技术，将多路光电信号进行编码，PLC控制器5采集信号后再进行解码处理。对于6×6＝36的平面光电传感器阵列2，信号编码采用4片10线-4线优先编码器74HCl47，将36路光电传感器输出电平信号进行编码后减少为16路信号，其输出的编码信号经过通用I/O接口卡AC6651后输入PLC控制器5。
数据采集卡4选用AC6651接口板卡。AC6651是一款通用I/O脉冲板卡，由32路(4组8位可编程I/O端口，每组端口可以软件设置为输入或输出)可编程开关量及3路脉冲、计数器(8254一片)构成；采用PCI总线，符合PCIV2.1标准，占用256个I/O选通空间(自动分配)，支持即插即用，无需地址跳线；运用大规模可编程门阵列设计，可靠性高；32路开关量部分内置4.7k上拉电阻。DI/DO通道基本参数为：输入、输出电平为TTL电平(5V电平)，输入、输出高电平＞2.3V(＜5V)，输入、输出低电平＜0.8V(＞0V)。
基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统在应用时，对应的顶管机自动纠偏控制系统方法包括如下步骤。
步骤一、采集数据
得到所述数据采集卡采集的数据信号。
步骤二、相应点亮
根据所述数据信号，获得所述平面光电传感器阵列上因感受激光束而输出电压信号的光电传感器。
步骤三、轨迹连线
根据所述数据采集卡连续性采集来的数据信号，对每次获得的相应光电传感器进行轨迹连线，由此获取所述顶管机的管道轴线的方位变化，根据一个设计轴线实时计算轴线偏差，根据所述轴线偏差控制所述PLC控制器实时控制纠偏油缸6运动。
步骤四、判断扫描点是否继续得到数据
判断所述数据采集卡采集的数据信号传送是否中断，是中断，则结束即相应点灭，否则返回步骤二。
在步骤三的纠偏控制中，当管道轴线与设计轴线偏离值大于10％时，所述纠偏油缸6开始进行纠偏作业，次纠偏角度不大于1°，依次逐步控制纠偏油缸6，不断调整到设计轴线。
顶管机姿态测量方法可以通过软件编程设计成多个指令，交给PLC控制器5来执行，通过PLC控制器5的处理方法体现顶管机姿态测量方法。
综上所述，顶管机纠偏控制系统根据顶管施工要求，确定管道轴线方位，PLC控制器5实时控制顶管机的千斤顶组，保证管道轴线位置精度。平面光电传感器阵列2可以实时采集顶管机相对轴线的水平和竖直方向偏差，提供给PLC控制器5，经过计算后实现管道轴线纠偏闭环控制。
根据顶管机纠偏控制系统的机械结构，该系统可以实时采集管线的方位变化，计算轴线偏差，控制四组纠偏油缸6动作，实现顶管机的自动纠偏控制。
纠偏控制中，当测控单元检测到顶管机轴线与设计轴线偏离值大于10％时，开始进行纠偏作业。当长行程顶管施工中，偏离值则需要更小，减少顶管施工摩擦力。
顶管施工中使用液压纠偏油缸6作为纠偏装置。多个纠偏油缸6呈正交方位设置于顶管机内四个方位，每组纠偏油缸6由具有多个油缸组成。纠偏油缸一般带有液压锁，具有吨位大，行程短特点。
纠偏控制时要随时注意顶管机姿态，一般采用小角度纠偏，每次纠偏角度不大于1°，纠偏过程应平稳实施，避免快速纠偏产生的土应力的变化，引起顶管施工困难，地面沉陷或隆起现象。
偏离值较大时，也应采用小角度缓慢纠偏，按照一定的轨迹和曲率半径，依次逐步控制纠偏油缸6，不断调整到设计轴线。
PLC控制器5中采用PID算法实施纠偏计算，逐步控制纠偏油缸6运动次序，缓慢纠偏，避免矫枉过正现象。
纠偏中还需要实时监测周围土水压力和注浆压力，也可以通过调节注浆压力等方式协同控制管道轴线。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统，其包括：
PLC控制器，其根据施工要求驱动顶管机的纠偏油缸进行纠偏；
其特征在于：所述顶管机自动纠偏控制系统还包括：
激光器，其安装在顶管机工作的井内；
平面光电传感器阵列，其以竖直的方式安装在顶管机的机头处，并与所述激光器正对，所述平面光电传感器阵列随所述机头摆动时，所述激光器的激光束水平照射到所述平面光电传感器阵列上，使所述平面光电传感器阵列中相应的光电传感器因感受激光束而输出电压信号；
数据采集卡，其采集所述平面光电传感器阵列输出的电压信号；
其中，所述PLC控制器接收所述数据采集卡采集的数据信号进行数据处理，实时控制所述纠偏油缸运动；所述PLC控制器的数据处理方法为：
步骤一、得到所述数据采集卡采集的数据信号；
步骤二、根据所述数据信号，获得所述平面光电传感器阵列上因感受激光束而输出电压信号的光电传感器；
步骤三、根据所述数据采集卡连续性采集来的数据信号，对每次获得的相应光电传感器进行轨迹连线，由此获取所述顶管机的管道轴线的方位变化，根据一个设计轴线实时计算轴线偏差，根据所述轴线偏差控制所述PLC控制器实时控制所述纠偏油缸运动；
步骤四、判断所述数据采集卡采集的数据信号传送是否中断，是中断，则结束，否则返回步骤二；
在步骤三的纠偏控制中，当管道轴线与设计轴线偏离值大于10％时，所述纠偏油缸开始进行纠偏作业，次纠偏角度不大于1°，依次逐步控制纠偏油缸，不断调整到设计轴线。
2.如权利要求1所述的基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统，其特征在于：所述PLC控制器中采用PID算法实施纠偏计算，逐步控制纠偏油缸的运动次序。
3.如权利要求1所述的基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统，其特征在于：所述激光器采用He-Ne激光器。
4.如权利要求1所述的基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统，其特征在于：所述平面光电传感器阵列包括呈阵列式排布的n×m个光电传感器，以及安装n×m个光电传感器的安装板，n和m为正整数。
5.如权利要求4所述的基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统，其特征在于：所述安装板开设呈阵列式排布的n×m个收容槽，每个收容槽内安装一个光电传感器。
6.如权利要求5所述的基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统，其特征在于：每个收容槽内安装一个聚集凹面镜，所述光电传感器安装在相应收容槽的底部，所述聚集凹面镜对进入所述收容槽内的激光束聚集至相应的光电传感器上。
7.如权利要求6所述的基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统，其特征在于：所有收容槽的底部相通，以便于所有光电传感器之间的电性接线。
8.如权利要求4所述的基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统，其特征在于：所述光电传感器采用光敏电阻作为光电接收元件。
9.如权利要求1所述的基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统，其特征在于：所述基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统还包括编码器，所述编码器将所述平面光电传感器阵列输出的多路电压信号进行编码，以减少所述平面光电传感器阵列到所述数据采集卡的数据通道的路数。
10.一种如权利要求1至8中任意一项所述的基于光电传感器阵列的顶管机自动纠偏控制系统的顶管机自动纠偏控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤一、得到所述数据采集卡采集的数据信号；
步骤二、根据所述数据信号，获得所述平面光电传感器阵列上因感受激光束而输出电压信号的光电传感器；
步骤三、根据所述数据采集卡连续性采集来的数据信号，对每次获得的相应光电传感器进行轨迹连线，由此获取所述顶管机的管道轴线的方位变化，根据一个设计轴线实时计算轴线偏差，根据所述轴线偏差控制所述PLC控制器实时控制所述纠偏油缸运动；
步骤四、判断所述数据采集卡采集的数据信号传送是否中断，是中断，则结束，否则返回步骤二；
其中，在步骤三的纠偏控制中，当管道轴线与设计轴线偏离值大于10％时，所述纠偏油缸开始进行纠偏作业，次纠偏角度不大于1°，依次逐步控制纠偏油缸，不断调整到设计轴线。
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