CN107345884B - 一种隧道掘进机刀具在线监测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种隧道掘进机刀具在线监测装置，其特点是，包括后台控制器和云端服务器、6LoWPAN协议边缘路由器和若干个粘附在刀具刀圈上的刀具监测控制器，后台控制器是一个大屏幕的微机或者平板电脑，6LoWPAN协议边缘路由器通过IPv4协议连接后台控制器和云端服务器；刀具监测控制器包括6LoWPAN协议控制器分别与测量刀具磨损量电路、测量温度电路、测量振动旋转电路相连接。能够对刀具的磨损、转速、温度、振动参数进行在线监测，随时、准确掌握刀具状况，延长刀具的使用时间和最佳的更换时间，进而提高工作效率，降低工程成本。并提供其流程合理，适用性强，效果佳的监测方法。

Description

一种隧道掘进机刀具在线监测装置及其方法

技术领域

本发明属于工程技术领域，具体涉及一种隧道掘进机刀具在线监测装置及其方法。

背景技术

随着城市交通，铁路，公路，水利及其它市政工程等建设事业的高速增长，中国已经成为世界最大的隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，简称TBM）制造基地及应用市场。

刀具是TBM破岩掘进的关键部件，是易损耗品。人工检测刀具磨损量与换刀工作约占全部工时的30%～40%，严重拉低了TBM的工作效率，而每停工一天会有近千万的经济损失，因此需要对刀盘上每一个刀位的刀具在使用过程中的磨损、转速、温度、振动情况进行在线监测，让施工人员实时掌握每个刀具的工况，为更换刀具的时机提供更加精确的判据，可提高TBM工作效率，保证工程工期，减少工程投入。

发明内容

本发明的目的是，为了解决现有技术的不足，提供一种隧道掘进机刀具在线监测装置，其结构合理，能够对刀具的磨损、转速、温度、振动参数进行在线监测，随时、准确掌握刀具状况，延长刀具的使用时间和最佳的更换时间，进而提高工作效率，降低工程成本。并提供流程合理，适用性强，效果佳的隧道掘进机刀具在线监测方法。

实现本发明目的之一采用的技术方案是，一种隧道掘进机刀具在线监测装置，其特征是，它包括后台控制器和云端服务器、6LoWPAN协议边缘路由器和若干个粘附在刀具刀圈上的刀具监测控制器，所述的后台控制器是一个大屏幕的微机或者平板电脑，所述的6LoWPAN协议边缘路由器通过IPv4协议连接所述的后台控制器和云端服务器；所述的刀具监测控制器包括6LoWPAN协议控制器分别与测量刀具磨损量电路、测量温度电路、测量振动旋转电路相连接。

所述的测量振动旋转电路为三轴加速度和三轴陀螺仪传感器。

本发明的一种隧道掘进机刀具在线监测方法，包括按顺序执行的下列步骤：

1）初始化系统的S1阶段：施工人员打开后台控制器的电源，运行隧道掘进机刀具在线监测软件，选择【系统初始化】功能，确保边缘路由器正常工作，然后在刀盘上安装刀具，在监测中根据上传的报文数据，判断出活动的刀具监测控制器所对应的IP地址，进行手动注册并录入其在刀盘上的物理地址，全部刀具就位后，将所有上传数据历史记录清空，进入S2阶段；

2）启动系统的S2阶段：施工人员将TBM开进到工作面处开始施工，然后在隧道掘进机刀具在线监测软件界面上选择【进入工作状态】功能，进入S3阶段；

3）接收各终端报文的S3阶段：隧道掘进机刀具在线监测软件开始接收并存储各刀具监测控制器上传的刀具数据到数据库，并阶段性打包形成Excel数据表格文件上传到指定的云端服务器中，供施工企业管理人员和刀具生产企业调看生成的曲线图表，每个终端的数据报文间隔为10秒钟，超时未收到某终端报文会形成警告信息，进入S4阶段；

4）是否有终端磨损量警告报文的S4阶段：隧道掘进机刀具在线监测软件依据终端上传数据修改界面上模拟刀盘图中相应刀具的颜色，如果报告磨损量在正常范围，小于10mm，则该刀具显示为绿色；如果报告磨损量在预警范围，大于10mm而小于15mm，则该刀具显示为黄色；如果报告磨损量在警告范围，大于15mm而小于25mm，则该刀具显示为橙色并闪烁，同时播放磨损量大警告声，此时是否停机更换刀具，要看施工人员的综合考量，以同时更换刀具数目最多为最优时刻；如果报告磨损量在严重警告范围，大于25mm，则该刀具显示为红色并闪烁，同时播放立即停机警报声，此时施工人员应该立即停机更换刀具，进入S5阶段；

5）是否有终端温度警告报文的S5阶段：隧道掘进机刀具在线监测软件依据终端上传数据修改界面上模拟刀盘图中相应刀具的颜色，如果报告温度在正常范围，85℃～100℃，则该刀具显示为绿色；如果报告温度在警告范围，101℃～115℃，则该刀具显示为橙色并闪烁，同时播放温度高警告声，提示操作人员加大刀盘喷水座的喷水量，降低刀具温度；如果报告温度在严重警告范围，大于115℃，则该刀具显示为红色并闪烁，同时播放立即停机警报声，此时施工人员应该立即停机检查，避免由高温引起刀具轴承磨损及密封性损坏，进入S6阶段；

6）是否TBM停机换刀的S6阶段：如果当前要更换刀具，则需要施工人员操作隧道掘进机刀具在线监测软件，删除被替换刀具的IP及注册信息，录入新加入的刀具IP并对应好在刀盘上的物理地址，然后进入S7阶段；

7）是否系统停工的S7阶段：如果施工人员没有关闭隧道掘进机刀具在线监测软件，并且各终端上传的转速数据正常，则进入S3阶段，否则结束整个流程。

本发明的一种隧道掘进机刀具在线监测装置，采用能够自组网的6LoWPAN协议控制器，将刀盘上所有的刀具监测控制器组成一个动态的物联网络，通过边缘路由器将刀具监测信息传送到后台控制器和云端服务器，做后续的分析处理，提供给施工人员刀具预警信息，其结构合理，能够对刀具的磨损、温度、转速、振动参数进行在线监测，随时、准确掌握刀具状况，延长刀具的使用时间和最佳的更换时间，进而提高工作效率，降低工程成本。

本发明的隧道掘进机刀具在线监测方法具有如下优点：

1）可以实现TBM刀具磨损量和工作温度的在线监测，不用停工检测，减少了施工人员的工作量；

2）在一定程度上提高设备故障诊断效率并可实现预防式维修；

3）可以全面、快速、可靠地反映实际工况下刀具的状态，大幅提高TBM工作效率，减少工程投入；

4）流程合理，适用性强，效果佳。

附图说明

图1为本发明的一种隧道掘进机刀具在线监测装置结构示意图；

图2为图1中刀具监测控制器原理框图；

图3为本发明的一种隧道掘进机刀具在线监测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种隧道掘进机刀具在线监测装置及其方法进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种隧道掘进机刀具在线监测装置，包括后台控制器4和云端服务器、6LoWPAN协议边缘路由器3和若干个粘附在TBM刀盘刀具上的刀具监测控制器1。所述的后台控制器4是一个大屏幕的微机或者平板电脑，多个刀具监测控制器1具有自组网功能，自动构成6LoWPAN协议无线网络2，该网络的优点是具有强大的自愈功能，多个刀具监测控制器1中只要有一个刀具监测控制器保持和边缘路由器3的通信，其它所有的刀具监测控制器都能够将报文发送到边缘路由器3。边缘路由器3通过IPv4网络连通后台控制器4并且发送报文到指定的云端服务器。

如图2所示，所述的刀具监测控制器1包括6LoWPAN协议控制器6分别与测量刀具磨损量电路5、测量温度电路7、测量振动旋转电路8相连接。其中，6LoWPAN协议控制器6、测量温度电路7、测量振动旋转电路8和电源电路密封于树脂薄片9内。测量温度电路7的热敏电阻兼6LoWPAN协议控制器6的天线接口、充电接口。测量刀具磨损量电路5接口由防水接头接入树脂薄片9内。测量刀具磨损量电路5和树脂薄片9都粘附在被监测刀具上，测量刀具磨损量电路5是损耗品，树脂薄片9在刀具报废后可回收重复使用。所述的测量振动旋转电路8为三轴加速度和三轴陀螺仪传感器。

如图3所示，本发明提供的一种隧道掘进机刀具在线监测方法，包括按顺序执行的下列步骤：

1）初始化系统的S1阶段：施工人员打开后台控制器4的电源，运行在后台控制器上的隧道掘进机刀具在线监测软件，选择【系统初始化】功能，确保边缘路由器3正常工作，然后在刀盘上安装刀具，在监测中根据上传的报文数据，判断出活动的刀具监测控制器所对应的IP地址，进行手动注册并录入其在刀盘上的物理地址，全部刀具就位后，将所有上传数据历史记录清空，进入S2阶段；

2）启动系统的S2阶段：施工人员将TBM开进到工作面处开始施工，然后在隧道掘进机刀具在线监测软件界面上选择【进入工作状态】功能，进入S3阶段；

3）接收各终端报文的S3阶段：隧道掘进机刀具在线监测软件开始接收并存储各刀具监测控制器上传的刀具数据到数据库，并阶段性打包形成Excel数据表格文件上传到指定的云端服务器中，供施工企业管理人员和刀具生产企业调看生成的曲线图表，每个终端的数据报文间隔为10秒钟，超时未收到某终端报文会形成警告信息，进入S4阶段；

4）是否有终端磨损量警告报文的S4阶段：隧道掘进机刀具在线监测软件依据终端上传数据修改界面上模拟刀盘图中相应刀具的颜色，如果报告磨损量在正常范围，小于10mm，则该刀具显示为绿色；如果报告磨损量在预警范围，大于10mm而小于15mm，则该刀具显示为黄色；如果报告磨损量在警告范围，大于15mm而小于25mm，则该刀具显示为橙色并闪烁，同时播放磨损量大警告声，此时是否停机更换刀具，要看施工人员的综合考量，以同时更换刀具数目最多为最优时刻；如果报告磨损量在严重警告范围，大于25mm，则该刀具显示为红色并闪烁，同时播放立即停机警报声，此时施工人员应该立即停机更换刀具，进入S5阶段；

5）是否有终端温度警告报文的S5阶段：隧道掘进机刀具在线监测软件依据终端上传数据修改界面上模拟刀盘图中相应刀具的颜色，如果报告温度在正常范围，85℃～100℃，则该刀具显示为绿色；如果报告温度在警告范围，101℃～115℃，则该刀具显示为橙色并闪烁，同时播放温度高警告声，提示操作人员加大刀盘喷水座的喷水量，降低刀具温度；如果报告温度在严重警告范围，大于115℃，则该刀具显示为红色并闪烁，同时播放立即停机警报声，此时施工人员应该立即停机检查，避免由高温引起刀具轴承磨损及密封性损坏，进入S6阶段；

6）是否TBM停机换刀的S6阶段：如果当前要更换刀具，则需要施工人员操作隧道掘进机刀具在线监测软件，删除被替换刀具的IP及注册信息，录入新加入的刀具IP并对应好在刀盘上的物理地址，然后进入S7阶段；

7）是否系统停工的S7阶段：如果施工人员没有关闭隧道掘进机刀具在线监测软件，并且各终端上传的转速数据正常，则进入S3阶段，否则结束整个流程。

所述的隧道掘进机刀具在线监测软件根据控制流程和功能用计算机语言编制程序，为本领域技术人员所熟悉的技术。

以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，所属领域的普通技术人员应该理解，参照上述实施例所作的任何形式的修改、等同变化均在本发明权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种隧道掘进机刀具在线监测方法，它涉及隧道掘进机刀具在线监测装置，所述的隧道掘进机刀具在线监测装置包括:后台控制器和云端服务器、6LoWPAN协议边缘路由器和若干个粘附在刀具刀圈上的刀具监测控制器，所述的后台控制器是一个大屏幕的微机或者平板电脑，所述的6LoWPAN协议边缘路由器通过IPv4协议连接所述的后台控制器和云端服务器；所述的刀具监测控制器包括6LoWPAN协议控制器, 所述的6LoWPAN协议控制器分别与测量刀具磨损量电路、测量温度电路、测量振动旋转电路相连接，其特征是，还包括以下操控步骤：

1）初始化系统的S1阶段：施工人员打开后台控制器的电源，运行隧道掘进机刀具在线监测软件，选择【系统初始化】功能，确保边缘路由器正常工作，然后在刀盘上安装刀具，在监测中根据上传的报文数据，判断出活动的刀具监测控制器所对应的IP地址，进行手动注册并录入其在刀盘上的物理地址，全部刀具就位后，将所有上传数据历史记录清空，进入S2阶段；

2）启动系统的S2阶段：施工人员将TBM开进到工作面处开始施工，然后在隧道掘进机刀具在线监测软件界面上选择【进入工作状态】功能，进入S3阶段；

3）接收各终端报文的S3阶段：隧道掘进机刀具在线监测软件开始接收并存储各刀具监测控制器上传的刀具数据到数据库，并阶段性打包形成Excel数据表格文件上传到指定的云端服务器中，供施工企业管理人员和刀具生产企业调看生成的曲线图表，每个终端的数据报文间隔为10秒钟，超时未收到某终端报文会形成警告信息，进入S4阶段；

4）是否有终端磨损量警告报文的S4阶段：隧道掘进机刀具在线监测软件依据终端上传数据修改界面上模拟刀盘图中相应刀具的颜色，如果报告磨损量在正常范围，小于10mm，则该刀具显示为绿色；如果报告磨损量在预警范围，大于10mm而小于15mm，则该刀具显示为黄色；如果报告磨损量在警告范围，大于15mm而小于25mm，则该刀具显示为橙色并闪烁，同时播放磨损量大警告声，此时是否停机更换刀具，要看施工人员的综合考量，以同时更换刀具数目最多为最优时刻；如果报告磨损量在严重警告范围，大于25mm，则该刀具显示为红色并闪烁，同时播放立即停机警报声，此时施工人员应该立即停机更换刀具，进入S5阶段；

5）是否有终端温度警告报文的S5阶段：隧道掘进机刀具在线监测软件依据终端上传数据修改界面上模拟刀盘图中相应刀具的颜色，如果报告温度在正常范围，85℃～100℃，则该刀具显示为绿色；如果报告温度在警告范围，101℃～115℃，则该刀具显示为橙色并闪烁，同时播放温度高警告声，提示操作人员加大刀盘喷水座的喷水量，降低刀具温度；如果报告温度在严重警告范围，大于115℃，则该刀具显示为红色并闪烁，同时播放立即停机警报声，此时施工人员应该立即停机检查，避免由高温引起刀具轴承磨损及密封性损坏，进入S6阶段；

6）是否TBM停机换刀的S6阶段：如果当前要更换刀具，则需要施工人员操作隧道掘进机刀具在线监测软件，删除被替换刀具的IP及注册信息，录入新加入的刀具IP并对应好在刀盘上的物理地址，然后进入S7阶段；

7）是否系统停工的S7阶段：如果施工人员没有关闭隧道掘进机刀具在线监测软件，并且各终端上传的转速数据正常，则进入S3阶段，否则结束整个流程。