CN107966988B - 盾构机施工用电机车的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的盾构机施工用电机车的控制系统，包括机车子系统，包括用于调整电机车速度的走行电机和用于制动的空压机；运行环境监控子系统，包括设RFID读卡器、RFID标签和编码器；自动驾驶子系统，与机车子系统和运行环境监控子系统连接，所述自动驾驶子系统用于根据编码器输出的计数脉冲获得电机车的运行速度和里程；还用于根据RFID读卡器读取到的位置信息，相应调整电机车的行驶速度、校正里程或切换电机车至自动驾驶状态。本发明的电机车的控制系统实现当电机车进入隧道后，人工开启自动架驶模式，机车自动启动、自动加速、自动减速、自动停止、自动鸣笛、自动开关灯等，将大大降低人工误操作的概率，同时降低人员劳动强度。

Description

盾构机施工用电机车的控制系统

技术领域

本发明涉及车辆控制技术领域，更具体地，涉及盾构机施工用电机车的控制系统。

背景技术

电机车是轨道车辆运输的一种牵引设备，动力是利用牵引电机驱动车轮转动，借助车轮与轨面间的摩擦力，使机车在轨道上运行。电机车的运行环境一般都在煤炭、冶金、矿山、隧道等，由于运行线路较为恶劣，坡道较多，易发生溜车事故；同时司机因疲劳等其他原因，易打瞌睡等。现有的电机车的控制方法较为简单，仅仅包括启动、停止、调速、换向、制动，并且通常由人工完成，自动化程度较低，对于电机车运行参数也没有系统地采集、分析和利用，因此，现有电机车的工作效率通常较低。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的盾构机施工用电机车的控制系统。

根据本发明的一个方面，提供一种电机车的控制系统，包括：

机车子系统，包括用于调整电机车速度的走行电机和用于制动的空压机；

运行环境监控子系统，包括设置在所述电机车上的RFID读卡器、分别设置在盾构机台车的尾部、隧道内不同地段的RFID标签和设置在所述电机车尾部的编码器；

自动驾驶子系统，与所述机车子系统和运行环境监控子系统连接，所述自动驾驶子系统用于根据编码器输出的计数脉冲获得电机车的运行速度和里程；还用于根据RFID读卡器读取到的位置信息，相应调整电机车的行驶速度、校正里程或切换电机车至自动驾驶状态。

优选地，所述的电机车的控制系统还包括：

遥控驾驶子系统，包括与所述电机车和运行环境监控子系统通信连接的遥控器，所述遥控驾驶子系统用于显示运行环境监控子系统采集的运行数据，在井口和台车内移车工况时，向所述机车子系统输出控制电机车的控制指令。

优选地，所述的电机车的控制系统还包括：

摄像监控子系统，包括设置在盾构机台车尾部的第一摄像装置、设置在电机车操作室中的第二摄像装置以及设置在电机车前、后两端的第三摄像装置和第四摄像装置，所述第一摄像装置用于监视盾构机台车尾部一定范围的环境，所述第一摄像装置的输出端与盾构机操作室的显示屏连接；所述第二摄像装置用于监视电机车司机；所述第三摄像装置用于监视电机车前方道路的情况；所述第四摄像设备用于监视电机车后面的载物情况。

优选地，所述运行环境监控子系统还包括：

空压机压力传感器、水平信号传感器以及与所述走行电机输入端连接的走行变频器；

相应地，所述自动驾驶子系统还用于：根据所述走行变频器的输出电流判断电机车的载重状态，限制所述走行变频器输出恒功率；根据所述水平信号传感器输出的水平度，调整所述走行变频器的输出功率。

优选地，所述的电机车的控制系统还包括：

瞌睡监控子系统，与所述第二摄像装置的输出端连接，所述瞌睡监控子系统用于根据所述第二摄像装置拍摄的司机画面，判断获知电机车司机处于瞌睡状态，以发送报警信息提醒电机车司机；根据电机车司机未在第一预设时间内解除报警，则向所述自动驾驶子系统发送降低电机车行驶速度的控制指令，根据电机车司机未在第二预设时间内解除报警，则向所述自动驾驶子系统发送零速制动或紧急制动的控制指令；所述瞌睡监控子系统还用于在判断获知电机车司机处于瞌睡状态时，向所述第二摄像装置发送采集司机影音图像的控制指令；其中，所述第一预设时间短于所述第二预设时间。

优选地，所述的电机车的控制系统还包括：

通信子系统，包括由多个无线路由器创建的、覆盖隧道的wifi网络，所述无线路由器设置为中继模式，所述wifi网络的用户名和密码均只有一个，所述自动驾驶子系统和摄像监控子系统通过通信子系统与地面控制室连接，以向所述地面控制室发送工况数据；

所述地面控制室通过所述通信子系统向电机车操作室喊话，或向所述自动驾驶子系统发送零速制动或紧急制动的控制指令，所述地面控制室通过所述通信子系统每隔预设时间向所述自动驾驶子系统发送脉冲信号，所述自动驾驶子系统根据预设时间未接收到所述脉冲信号控制电机车停止运行。

优选地，所述的电机车的控制系统还包括：

数据云平台，通过所述通信子系统与所述自动驾驶子系统连接，所述数据云平台用于接收所述运行数据，并将所述运行数据以动态图的形式进行展示；根据项目实际情况制定施工进度，通过设备运行情况，记录完成的工作量并与设置的工作计划进行比较，根据计划、实际完成情况，生成横道图或其它图形；对未完成的任务进行提醒。

优选地，所述的电机车的控制系统还包括：

运维监控子系统，用于实时展示接入所述控制系统的各设备的使用状况，并针对各设备的使用状况，制定设备保养计划，并记录每次设备的保养情况，以及当设备故障时，向维修人员下发维修任务。

本发明提出的电机车的控制系统，在井口移车和台车内移车工况下，能够通过遥控驾驶子系统控制电机车进行短距离移动，当电机车进入隧道后，人工开启自动架驶模式，机车自动启动、自动加速、自动减速、自动停止、自动鸣笛、自动开关灯等，将大大降低人工误操作的概率，同时降低人员劳动强度。

附图说明

图1为根据本发明实施例的电机车的控制系统的功能框图；

图2为根据本发明实施例的增量型编码器的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为了克服现有技术的上述问题，本发明实施例提供一种电机车的控制系统，参见图1，包括：

机车子系统101，包括用于调整电机车速度的走行电机、用于制动的空压机、汽笛和车灯；

运行环境监控子系统102，用于采集运行数据，所述运行环境监控子系统包括设置在电机车上的RFID读卡器、分别设置在盾构机台车的尾部、隧道的入口、上坡段起点、下坡段起点、转弯段起点、漫水段起点位置的RFID标签、水平信号传感器、设置在电机车尾部的、用于发送计数脉冲的编码器、空压机压力传感器以及与走行电机输入端连接的走行变频器。

需要说明的是，由于直接检测路面湿度及轨道转弯半径的传感器极其昂贵，因此本发明实施例的采用RFID标记法，在下坡段、转弯段、漫水段，和进台车段安装RFID标签，当电机车走近相应的RFID标签时，RFID读卡器读取到RFID标签的信息，例如，在下坡段起点设置的RFID标签，其预先记载有下坡的信息，例如下坡的坐标、长度、坡度、限速和注意事项等等。

水平信号传感器用于实时测量电机车与水平面的夹角，通过采集水平信号可以直观地判断电机车当前处于上坡还是下坡以及坡度大小。

电机车的刹车方式为气刹，空压机气压决定刹车效果，如果空压机气压不足，要不启动不了，要不刹不住，因此设置空压机压力传感器实时监控空压机的压力，保障电机车平稳安全的制动。

自动驾驶子系统103，与机车子系统和运行环境监控子系统连接，自动驾驶子系统用于根据运行数据获得控制机车子系统的控制指令。自动驾驶子系统用于实现电机车的自动驾驶，即不需要司机控制即可安全运行。

本发明实施例的编码器为增量型编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。在本发明实施例中，增量型编码器的A、B信号与PLC控制器的双通道正交计数器输入端连接，增量型编码器是直接利用光电转换原来输出两组脉冲A、B相，图2示出了本发明实施例的增量型编码器的工作原理图，A、B两组脉冲相位差为90°，从而可以方便地判断出旋转方向。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。A、B两组脉冲对于两个光敏接受管，A、B间距为S2，角度码盘的光栅间距分别为S0和S1，通过输出波形图克制每个运动周期的时序。

本发明实施例的自动驾驶子系统包括PLC控制器，PLC控制器(ProgrammableLogic Controller，英文简称PLC)，是一种具有微处理机的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行。在一个实施例中，PLC控制器为三菱FX系列PLC控制器。

在本发明实施例中，PLC控制器用于根据编码器输出的计数脉冲获得电机车的运行速度和里程。

具体地，PLC控制器通过把当前的A、B输出值保存起来，与下一个A、B输出值做比较，就可以轻易的得出角度码盘的运动方向。如果光栅格S0等于S1时，也就是S0和S1弧度夹角相同，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2，除以所消耗的时间，就得到此次角度码盘运动位移角速度。S0等于S1时，且S2等于S0的1/2时，1/4个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度，如果S0不等于S1，S2不等于S0的1/2，需要1个运动周期得到运动方向位和位移角度。

PLC控制器还用于根据RFID读卡器读取到的位置信息，相应调整电机车的行驶速度、校正里程或切换电机车至自动驾驶状态。当PLC控制器通过相应的RFID标签可知电机车进入隧道后，电机车在起步、变速和停车之前均自动鸣笛两次，在行驶过程中，每走行100m也会自动鸣笛一次，电机车根据机车运行情况自动开灯，打开警示报警器，运行10s后自动打开，停车10s后自动关闭。

需要说明的是，由于存在轮组打滑、变频器干扰等因数，通过PLC控制器对增量型编码器计数的方式得到的距离会存在一定的累积误差，为了消除该误差，在上述各实施例的基础上，本发明实施例在电机车上安装射频识别(英文名称即：RFID)读卡器，并且在隧道入口和上、下坡起点的位置分别安装具有唯一标识的RFID标签，当电机车经过上述位置时，RFID读卡器读取到相应的RFID标签，根据预设的RFID标签对应的位置坐标，即可获得电机车行驶的距离，进而对增量型编码器的计数值进行修正，从而保证里程测量的准确性。当电机车走近相应的RFID标签时，PLC控制器自动将速度限制在预先设定好的速度以内。

需要说明的是，盾构车台车尾部也设置一个RFID标签，每当机车运行至盾构机台车尾部，就进行更新里程。进一步地，在距离台车尾部前一定距离(例如100m)作为减速带，当电机车行驶至减速带后通过PLC控制器进行减速。

当电机车的尾部进入减速带内，电机车的速度由PLC控制器限制中4km/h在，当电机车的尾部距离台车尾部50m时，电机车的速度由PLC控制器限制中2km/h在，当电机车距离台车10m时，机车的速度由PLC控制器限制在0.9km/h内，这样就实现了电机车自动减速的功能。

在上述实施例的基础上，本发明预先将隧道的工况(比如整条线路按里程描述哪一段是转弯，哪一段是上坡，下坡等等)编程输入到PLC控制器中，各工况下对应的速度、档位控制均有要求，当RFID读取的位置信息或里程符合对应工况时，可自动进行速度控制和档位切换。以防万一标签掉落未读取到，但按里程计算应该是上坡时，可以进行控制，当然RFID标签的数据优先级最高，即以RFID标签的位置信息为准。

需要注意的是，在盾构机台车尾部安装RFID标签是为了自动更新里程数，而限制电机车速度也是根据这个里程数来实现的，为了安全起见，在距离台车100m的位置也安装RFID标签，用于防止里程不对时电机车发出运行指令。

每个RFID标签是个发射开关量指令的原件，接入PLC不同的输入口，和机车前进和后退指令一起完成控制，不是单独起作用。

PLC控制器还根据走行变频器的输出电流判断电机车的载重状态，限制走行变频器输出恒功率；根据水平信号传感器输出的水平度，调整走行变频器的输出功率。PLC控制器根据上下坡的角度与预设的速度档位之间的关系，调节走行变频器的运行。本发明实施例一共设置6个速度档位。

在一个可选实施例中，电机车具有6个档位，表1示出电机车的档位-速度表，从表1可知，档位越大则电机车的行驶速度越快，并且走行变频器的频率也越高。

表1 电机车的档位-速度表

在一个可选实施例中，控制系统还包括：

遥控驾驶子系统，包括与电机车和运行环境监控子系统通信连接的遥控器，遥控驾驶子系统用于显示运行环境监控子系统采集的运行数据，在井口和台车内移车工况时，向机车子系统输出控制电机车的控制指令。

需要说明的是，在井口移车和台车内移车工况下，电机车需要进行数次短距离移动，本发明实施例通过遥控驾驶子系统103进行短距离驾驶机车。遥控器与运行环境监控子系统的输出端连接，能够实时接收各个传感器采集到的运行数据，方便司机通过遥控器操作电机车。在具体实施时，遥控器可以采用与PLC控制器通信连接的方式，向PLC控制器输出控制指令，PLC控制器根据控制指令控制电机车启动、加速、减速、制动、鸣笛、开关灯等等。

电机车的详细故障在电机车操作室触摸屏上进行显示，将所有的故障进行逻辑并运算后发送至遥控器，遥控器设置故障反馈指示灯，当电机车有任何故障时，故障反馈指示灯会进行闪烁，提示操作人员查看相应的故障，以排除故障。

在上述各实施例的基础上，电机车的控制系统，还包括：

摄像监控子系统，包括设置在盾构机台车尾部的第一摄像装置、设置在电机车操作室中的第二摄像装置以及设置在电机车前、后两端的第三摄像装置和第四摄像装置，所述第一摄像装置用于监视盾构机台车尾部一定范围的环境，所述第一摄像装置的输出端与盾构机操作室的显示屏连接；所述第二摄像装置用于监视电机车司机；所述第三摄像装置用于监视电机车前方道路的情况；所述第四摄像设备用于监视电机车后面的载物情况。

需要说明的是，本发明实施例的第一摄像装置头可监视台车尾部300m左右的距离。实时监控电机车是否快到达盾构机。盾构操作室可以随时进行监控。当发生溜车事故时，司机可立即启动洞内警铃，提醒洞内人员立即撤往安全地带。保障洞内人员安全。本发明实施例的摄像监控子系统实现了监控道路工况，司机疲劳状态，盾尾进车工况和机车载物情况的作用。

在上述实施例的基础上，电机车的控制系统还包括：

瞌睡监控子系统，与第二摄像装置的输出端连接，瞌睡监控子系统用于根据第二摄像装置拍摄的司机画面，判断获知电机车司机处于瞌睡状态，以发送报警信息提醒电机车司机；根据电机车司机未在第一预设时间内解除报警，则向自动驾驶子系统发送降低电机车行驶速度的控制指令，根据电机车司机未在第二预设时间内解除报警，则向自动驾驶子系统发送零速制动或紧急制动的控制指令；瞌睡监控子系统还用于在判断获知电机车司机处于瞌睡状态时，向第二摄像装置发送采集司机影音图像的控制指令；其中，第一预设时间短于第二预设时间。作为本领域技术人员可以理解的是，零速度制动由变频器和低速轴制动实现，紧急制动有电机高速轴实现。

在上述各实施例的基础上，电机车的控制系统还包括：

通信子系统，包括由多个无线路由器创建的、覆盖隧道的wifi网络，无线路由器设置为中继模式，wifi网络的用户名和密码均只有一个，这就使得运动的电机车可以在多个路由器之间自由切换自动驾驶子系统和摄像监控子系统通过通信子系统与地面控制室连接，以向地面控制室发送工况数据；

地面控制室通过通信子系统向电机车操作室喊话，或向自动驾驶子系统发送零速制动或紧急制动的控制指令，地面控制室通过通信子系统每隔预设时间向自动驾驶子系统发送脉冲信号，自动驾驶子系统根据预设时间未接收到脉冲信号控制电机车停止运行。

需要说明的是，地面监控室对电机车有控制权和视频监控功能，电机车的详细故障在在地面监控室中的显示屏上进行显示。地面监控室可对电机车发出停止信号，在紧急情况下使用，让电机车停止运行，远程监控发出的停止指令，优先执行。脉冲接收只是反映通信的连续性，通信中断后PLC控制器逻辑判断为通信断，发出停机指令，电机车停止。

在上述各实施例的基础上，电机车的控制系统还包括：

数据云平台，通过通信子系统与自动驾驶子系统连接，数据云平台用于接收运行数据，并将运行数据以动态图的形式进行展示，通过建模，云平台将现场的实时参数和设备运行状态以动态图形的方式呈现出来，简单、直观的了解设备工作情况及设备的运行位置；根据项目实际情况制定施工进度，通过设备运行情况，记录完成的工作量并与设置的工作计划进行比较，根据计划、实际完成情况，生成横道图或其它图形；对未完成的任务进行提醒。

在上述各实施例的基础上，电机车的控制系统还包括：

运维监控子系统，用于实时展示接入控制系统的各设备的使用状况，并针对各设备的使用状况，制定设备保养计划，并记录每次设备的保养情况，以及当设备故障时，向维修人员下发维修任务，维修人员维修后平台将对每次的故障的原因，处理方案，处理结果进行记录，并补充进设备问题数据库，方便以后查询。

需要说明的是，电机车通信是否正常由软件知道控制发出指令，电机车的型号，设备使用地点及所属项目，设备的使用年限，设备的维修保养记录和其他设备信息，在项目开工前由设备管理人员一次性输入电机车操作屏。

运营维护系统对所有接入系统的设备的相关文档进行合理分类归档。方便设备的管理和维护。已记录设备项目结束后进行转场等操作，下一个项目的相关人员可通过平台获取该设备所有历史文档，如设备相关技术资料，合格证，使用说明书，维修保养记录等，实现无缝对接。能记录10天内所有的设备运行数据(包括操作记录、实时数据、系统故障、维保情况等)，这些数据可以在设备上的数据记录仪查询，也可以用U盘将这些数据转移到电脑里查看，还可以通过wifi网络传批量送到中控室。

本发明实施例还建立设备问题库，对施工过程中设备相关问题提供强有力的技术支持。现场发生设备故障情况时，可对故障的诊断提供支持，可提供相关解决方案，缩短因设备故障而导致的项目工期延误等情况

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种电机车的控制系统，其特征在于，包括：

机车子系统，包括用于调整电机车速度的走行电机和用于制动的空压机；

运行环境监控子系统，包括设置在所述电机车上的RFID读卡器、分别设置在盾构机台车的尾部、隧道内不同地段的RFID标签和设置在所述电机车尾部的编码器；RFID标签设置在隧道内不同地段为分别设置在隧道的入口、上坡段起点、下坡段起点、转弯段起点、漫水段起点位置；

自动驾驶子系统，与所述机车子系统和运行环境监控子系统连接，所述自动驾驶子系统用于根据编码器输出的计数脉冲获得电机车的运行速度和里程；根据RFID读卡器读取到的位置信息，相应调整电机车的行驶速度、校正里程或切换电机车至自动驾驶状态；

摄像监控子系统，包括设置在盾构机台车尾部的第一摄像装置、设置在电机车操作室中的第二摄像装置以及设置在电机车前、后两端的第三摄像装置和第四摄像装置，所述第一摄像装置用于监视盾构机台车尾部一定范围的环境，所述第一摄像装置的输出端与盾构机操作室的显示屏连接；所述第二摄像装置用于监视电机车司机；所述第三摄像装置用于监视电机车前方道路的情况；所述第四摄像设备用于监视电机车后面的载物情况；

所述运行环境监控子系统还包括：

空压机压力传感器、水平信号传感器以及与所述走行电机输入端连接的走行变频器；

相应地，所述自动驾驶子系统还用于：根据所述走行变频器的输出电流判断电机车的载重状态，限制所述走行变频器输出恒功率；根据所述水平信号传感器输出的水平度，调整所述走行变频器的输出功率。

2.如权利要求1所述的电机车的控制系统，其特征在于，还包括：

遥控驾驶子系统，包括与所述电机车和运行环境监控子系统通信连接的遥控器，所述遥控驾驶子系统用于显示运行环境监控子系统采集的运行数据，在井口和台车内移车工况时，向所述机车子系统输出控制电机车的控制指令。

3.如权利要求1所述的电机车的控制系统，其特征在于，还包括：

瞌睡监控子系统，与所述第二摄像装置的输出端连接，所述瞌睡监控子系统用于根据所述第二摄像装置拍摄的司机画面，判断获知电机车司机处于瞌睡状态，以发送报警信息提醒电机车司机；

根据电机车司机未在第一预设时间内解除报警，则向所述自动驾驶子系统发送降低电机车行驶速度的控制指令，根据电机车司机未在第二预设时间内解除报警，则向所述自动驾驶子系统发送零速制动或紧急制动的控制指令；

所述瞌睡监控子系统还用于在判断获知电机车司机处于瞌睡状态时，向所述第二摄像装置发送采集司机影音图像的控制指令；其中，所述第一预设时间短于所述第二预设时间。

4.如权利要求3所述的电机车的控制系统，其特征在于，还包括：

通信子系统，包括由多个无线路由器创建的、覆盖隧道的wifi网络，所述无线路由器设置为中继模式，所述wifi网络的用户名和密码均只有一个，所述自动驾驶子系统和摄像监控子系统通过通信子系统与地面控制室连接，以向所述地面控制室发送工况数据；

所述地面控制室通过所述通信子系统向电机车操作室喊话，或向所述自动驾驶子系统发送零速制动或紧急制动的控制指令，所述地面控制室通过所述通信子系统每隔预设时间向所述自动驾驶子系统发送脉冲信号，所述自动驾驶子系统根据预设时间未接收到所述脉冲信号控制电机车停止运行。

5.如权利要求4所述的电机车的控制系统，其特征在于，还包括：

数据云平台，通过所述通信子系统与所述自动驾驶子系统连接，所述数据云平台用于接收运行数据，并将所述运行数据以动态图的形式进行展示；根据项目实际情况制定施工进度，通过设备运行情况，记录完成的工作量并与设置的工作计划进行比较，根据计划、实际完成情况，生成横道图或其它图形；对未完成的任务进行提醒。

6.如权利要求4所述的电机车的控制系统，其特征在于，还包括：

运维监控子系统，用于实时展示接入所述控制系统的各设备的使用状况，并针对各设备的使用状况，制定设备保养计划，并记录每次设备的保养情况，以及当设备故障时，向维修人员下发维修任务。

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