CN109324557A - 一种搅拌桩在线监控仪及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种搅拌桩在线监控仪及其方法，该监控仪包括主控模块、供电模块、显示模块、施工参数传感器和通信模块；所述供电模块连接到所述主控模块、显示模块、施工参数传感器和通信模块；所述施工参数传感器连接到所述主控模块，将施工参数发送给所述主控模块；所述通信模块连接到所述主控模块，所述主控模块根据所述施工参数控制所述通信模块与服务器或者制浆控制柜的通信；所述显示模块连接到所述主控模块，所述主控模块根据所述施工参数控制所述显示模块的显示结果。本发明能够在施工过程中，监控桩机数据和制浆机数据，实现数据的可监控性。

Description

一种搅拌桩在线监控仪及其方法

技术领域

本发明属于施工技术领域，特别涉及一种搅拌桩在线监控仪及其方法。

背景技术

水泥搅拌桩技术是软基处理中，最常见、有效且经济的施工技术。其施工的方式主要是通过搅拌桩桩机和水泥制浆机两大部分组成，施工作业方便，成本低。搅拌桩机进行打桩作业，制浆机进行水泥浆生产的功能，共同工作完成搅拌桩施工作业。目前的搅拌桩施工系统，只能够进行施工作业操作。不具备对施工过程的实时在线监控和施工历史数据的保存追溯等功能。在作业工程中，存在操作全凭施工员经验和责任心，工程管理单位监管难度大的问题。另外，目前的搅拌桩机和制浆机独立工作，需要人工协调配合，不具备自动化控制功能，费时费工。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种搅拌桩在线监控仪及其方法，能够在施工过程中，监控桩机数据和制浆机数据，实现数据的可监控性。具体采用的技术方案如下：

一种搅拌桩在线监控仪，包括主控模块、供电模块、显示模块、施工参数传感器和通信模块；

所述供电模块连接到所述主控模块、显示模块、施工参数传感器和通信模块；所述施工参数传感器连接到所述主控模块，将施工参数发送给所述主控模块；所述通信模块连接到所述主控模块，所述主控模块根据所述施工参数控制所述通信模块与服务器或者制浆控制柜的通信；所述显示模块连接到所述主控模块，所述主控模块根据所述施工参数控制所述显示模块的显示结果。

可选的，所述施工参数传感器包括电流互感器、压力互感器、电磁流量计、深度编码器和密度计中的一种或多种，所述在线监控仪包括采集通道。

可选的，所述通信模块包括第一通信单元和第二通信单元，所述第一通信单元与所述服务器通信连接；所述第二通信单元与所述制浆控制柜通信连接。

可选的，所述第一通信单元包括LTE通信单元，所述LTE通信单元包括多星座GNSS接收机；所述第二通信单元包括LORA通信单元。

可选的，所述供电模块包括电源电路，所述电源电路包括隔离变压器和双路开关电源，其中一路所述开关电源连接到所述主控模块，另一路所述开关电源连接到所述施工参数传感器。

可选的，所述主控模块包括主控板卡，所述主控板卡包括EEPROM、flash或者RTC处理器，包含16路模拟量的采集输入、2路模拟量的控制输出、8路开关量的采集输入、6路开关量的采集输出、2路频率信号的采集输入的采集模块；包含RS232串行接口、RS485串行接口、RJ45以太网接口以及USB3.0串行通信总线的有线通信接口。

一种搅拌桩在线监控方法，应用于上述的搅拌桩在线监控仪，所述监控方法包括：

施工操作确定；

判断所述施工操作是否暂停；

若是，则暂停处理所述施工操作；若否，进行施工终止判断；

若施工终止，则结算施工数据并上报至服务器；若施工未终止，则进入秒数据处理步骤。

可选的，所述秒数据处理包括以下步骤：

获取并计算当前施工参数值；

更新施工参数最大值；

确定当前施工深度范围；

判断所述当前施工深度范围是否跨越段区；

若否，则计算所述当前段区内施工参数的累计值或平均值；若是，则更新施工段区。

可选的，所述施工操作包括灌浆操作，所述灌浆操作包括以下步骤：

计算当前施工深度预设范围内的累计浆量；

判断浆量是否达标；

若是，则保持灌浆作业；若不达标，则减缓下钻速度；若超出标准，则减缓喷浆速度；

判断灌浆操作是否结束；

若是，则结束作业；若否，则再次计算当前施工深度预设范围内的累计浆量、重复执行灌浆操作步骤。

可选的，所述判断所述当前施工深度范围是否跨越段区包括：

判断当前施工深度所在的25cm段范围是否跨越段区；

所述当前施工深度预设范围内的累计浆量为当前施工深度25cm内的累计浆量。

本发明提供的一种搅拌桩在线监控仪及其方法，该监控仪包括主控模块、供电模块、显示模块、施工参数传感器和通信模块；能够解决水泥搅拌桩施工过程中的，桩机数据监控记录，制浆机数据监控记录功能；对施工作业数据进行分析统计；判断施工是否达标，并对数据存储可追溯；将水泥搅拌桩机和制浆机进行通讯联动，实现通过搅拌桩机控制制浆机的功能，减少人员操作；在水泥搅拌桩机上提供图形化施工界面，显示实时桩机深度、实时电流、实时流量等工艺参数，让施工员在施工过程中能实时掌握施工状态。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本申请一实施例提供的搅拌桩在线监控仪模块框图；

图2为本申请另一实施例提供的搅拌桩在线监控仪模块框图；

图3为本申请一实施例提供的主板板卡的模块示意图；

图4为本申请一实施例提供的在线监控方法流程图；

图5为本申请一实施例提供的秒数据处理的方法流程图；

图6为本申请一实施例提供的灌浆操作的方法流程图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

本申请实施例提供了一种搅拌桩在线监控仪，如图1所示包括主控模块11、供电模块12、显示模块13、施工参数传感器14和通信模块15；

供电模块12连接到主控模块11、显示模块13、施工参数传感器14和通信模块15；施工参数传感器14连接到主控模块11，将施工参数发送给主控模块11；通信模块15连接到主控模块11，主控模块11根据施工参数控制通信模块15与服务器或者制浆控制柜的通信；显示模块13连接到主控模块11，主控模块11根据施工参数控制显示模块11的显示结果。

进一步的，在一个实施例中，如图2所示，施工参数传感器包括电流互感器141、压力互感器142、电磁流量计143、深度编码器144和密度计145中的一种或多种，在线监控仪还包括采集通道17，采集通道连接到各个施工参数传感器和主控板卡。在一个实施例中，传感器可以涵盖电磁流量计、电流互感器、压力变送器、光电编码器和密度计，在设计实现上，可以均采用了DC24V供电系统，标准的4-20mA输入、频率输出等接口。

进一步的，通信模块15包括第一通信单元和第二通信单元，第一通信单元与服务器通信连接；第二通信单元与制浆控制柜通信连接。

在一个具体实施例中，如图2所示，第一通信单元包括LTE通信单元151，LTE通信单元151包括多星座GNSS接收机；第二通信单元包括LORA通信单元152。其中，LTE(Long TermEvolution，长期演进)是由3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)组织制定的UMTS(Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统)技术标准的长期演进，于2004年12月在3GPP多伦多会议上正式立项并启动。LTE系统引入了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)和MIMO(Multi-Input&Multi-Output，多输入多输出)等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率(20M带宽2X2MIMO在64QAM情况下，理论下行最大传输速率为201Mbps，除去信令开销后大概为150Mbps，但根据实际组网以及终端能力限制，一般认为下行峰值速率为100Mbps，上行为50Mbps)，并支持多种带宽分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等。LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。GNSS系统——GNSS是Global Navigation Satellite System的缩写。本实施例中，LTE通信单元主要实现监控仪和服务器主站进行无线通信的功能，具体可采用Quectel公司EC20模块作为核心，可采用LTE 3GPP Rel.11技术，支持最大下行速率150Mbps和最大上行速率50Mbps；而且模块集成多星座GNSS接收机，满足不同环境下对快速、精准定位的需求，通过LTE-4G能够通过4G网络上报数据至服务器，实现数据实时上传，数据存储，追溯有保障。LORA通信单元主要实现的是搅拌桩监控仪与制浆控制柜的无线通信功能，采用LORA技术具有低功耗，通信距离远，无通信资费的优势，具体可采用Lierda公司的SD4RF-2F717N30作为核心，其内部基于SEMTECH射频集成芯片SX127X的射频模块，是一款高性能物联网无线收发器，其特殊的LoRa调试方式可大大增加通信距离，可广泛应用于各种场合的短距离物联网无线通信领域，具有体积小、功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等优势；工作频段：401-510；通信有限距离达5km@250bps。通过GNSS(GPS+北斗)定位功能实现桩孔桩机的定位，保证桩号与设计的对应和校对。

进一步的，所述供电模块包括电源电路，所述电源电路包括隔离变压器和双路开关电源，其中一路所述开关电源连接到所述主控模块，另一路所述开关电源连接到所述施工参数传感器。在一个实施例中，主机采用220V电压的市供交流电供电，其电路设计采用了隔离变压器、双路开关电源串联的形式，最终输出给控制系统双路隔离的24V直流电源。其中隔离变压器在电源系统中起到了低通滤波器的作用，能有效隔离施工作业环境下电源扰动，保护主机。双路开关电源具备110v-240v的宽电压输入范围，隔离的双路24v直流输出，能够将主控系统的系统电源和传感器电路电源隔离，从而提高采用精度。

进一步的，如图3所示，主控模块包括主控板卡，所述主控板卡包括EEPROM、flash或者RTC处理器，包含16路模拟量的采集输入、2路模拟量的控制输出、8路开关量的采集输入、6路开关量的采集输出、2路频率信号的采集输入的采集模块；包含RS232串行接口、RS485串行接口、RJ45以太网接口以及USB3.0串行通信总线的有线通信接口；主控板卡上的MCU可以采用NXP-LPC1768。该主控板卡11具有丰富采集口线(16路模拟量的采集输入、2路模拟量的控制输出、8路开关量的采集输入、6路开关量的采集输出、2路频率信号的采集输入的采集模块)，支持各型号的桩机类型，包括单头、双头、三头等市面所有型号。

在上述实施例中，通过显示模块实现人机交互显示，可以采用了组态架构的触摸屏电脑实现，其优势特点是触摸输入方式便捷，画面可定制程度好，具有优秀的处理运算能力，能够兼容市场上大多数产品。组态软件的设计上，结合了搅拌桩监控数据的显示，web主站上工程管理信息的下发，施工统计分析的数据显示，施工操作的输入等等功能。

本申请提供的搅拌桩在线监控仪具有如下优点：

1.先进的控制板卡设计：包含了16路模拟量的采集输入、2路模拟量的控制输出、8路开关量的采集输入、6路开关量的采集输出、2路频率信号的采集输入的采集模块；包含了RS232串行接口、RS485串行接口、RJ45以太网接口以及USB3.0串行通信总线的有限通信接口；包含了LTE、LORA两部分的无线通信接口。

2.高性能的软件实现。其控制板卡采用高性能、高可靠性的嵌入式软件实现，采用RTOS实时操作系统，结构化设计。架构设计上分设了：硬件抽象层、操作系统层、Xlib库函数、Api接口层、App应用层。平台化设计，兼容性高。

3.组态架构的人机交互界面。人机交互界面的设计基于了组态工业触摸屏电脑，有可靠性高、处理性能高、定制方便、交互方式便捷的优势。独立于控制板卡，使系统的模块化更彻底，提供整体系统可靠性。

4.应该功能的设计创新；能够实时采集搅拌桩施工过程中各大关键施工数据，包括：桩深度、灌浆流量、钻杆电流、喷浆压力、浆液密度、实时地理位置信息等；能够实时统计分析出工艺参数，包括：每沿米浆量(灰量)、累计浆量(灰量)、施工数据动态曲线。能够智能控制施工；控制记录仪会根据施工中当前的分析数据，对搅拌桩机的钻杆速度、浆泵机的泵浆速度自动控制，以达到每沿米的灌浆量不仅满足工艺要求，而且施工过程均匀；能够实时将记录参数，统计参数通过4G网络发送至物联网平台，实现远程施工管理监督、历史数据统计存储的功能。

基于上述搅拌桩在线监控仪，本申请还提供了一种搅拌桩在线监控方法，如图4所示，包括：

S11、施工操作确定；

S12、判断所述施工操作是否暂停；

S13、若是，则暂停处理所述施工操作；若否，进行S14施工终止判断；

S15、若施工终止，则结算施工数据并上报至服务器；S16、若施工未终止，则进入秒数据处理步骤。

进一步的，如图5所示，步骤S16秒数据处理或包括以下步骤：

S161、获取并计算当前施工参数值；

S162、更新施工参数最大值；

S163、确定当前施工深度范围；

S164、判断所述当前施工深度范围是否跨越段区；在一个实施例中，具体可以判断当前施工深度所在的25cm段范围是否跨越段区；

S165、若否，则计算所述当前段区内施工参数的累计值或平均值；S166、若是，则更新施工段区；将施工段区更改为跨越后的段区，比如段区由1跨到2，则更高施工段区为2区。

在一个实施例中，施工操作包括灌浆操作，灌浆操作如图6所示，包括以下步骤：

S201、计算当前施工深度预设范围内的累计浆量；在一个实施例中，当前施工深度预设范围内的累计浆量为当前施工深度25cm内的累计浆量。

S202、判断浆量是否达标；

S203、若是，则保持灌浆作业；S204、若不达标，则减缓下钻速度；S205、若超出标准，则减缓喷浆速度；

S206、判断灌浆操作是否结束；

S207、若是，则结束作业；若否，则重回步骤S201再次计算当前施工深度预设范围内的累计浆量、重复执行灌浆操作步骤S201到S206。

传统搅拌桩施工，对于喷浆是否达标，喷浆是否均匀。完全依赖搅拌桩机操作员感觉经验，无法有据有效的进行精确控制，容易出现喷浆不达标现象或者喷浆过量浪费现象。本申请提供的搅拌桩监控仪可以在设备上实时显示当前的各项工艺参数，并且可以开启自动施工模式，自动控制桩机在施工过程中实现均匀喷浆。另外还能实现桩机下钻速度的自动控制，保证桩机下钻过程喷浆均匀，改善成桩效果。

本申请提供的搅拌桩在线监控器及其方法具有搅拌桩施工记录功能；该功能主要实现对桩机施工作业中，所有实时的施工参数的采集统计功能，完整的记录整个桩机施工作业参数，以供施工单位，检查单位，业主单位进行检验检测，存储归档，历史追溯。

本申请提供的搅拌桩在线监控器及其方法具有搅拌桩施工记录功能还具有制浆控制柜控制功能；桩机监控仪和制浆控制柜之间通过LORA技术实现通信，即桩机监控仪可以通过LORA通讯，将送浆指令发送给制浆控制柜。施工员仅仅需要在触摸屏上点击即可进行送浆的启停，速度控制功能。彻底告别了传统依靠人工喊话的落后形式。

本申请提供的搅拌桩在线监控器及其方法具有搅拌桩施工记录功能还具有灌浆自动速度控制功能；灌浆自动速度控制功能，具体实现的是在桩机施工过程中，监控仪更具当前深度的平均喷浆量，同时控制桩机的下钻速度和喷浆速度，实现打桩中，混泥土的喷浆量均匀的要求。

本申请提供的搅拌桩在线监控器及其方法具有搅拌桩施工记录功能还具有数据统计分析上报功能；数据统计上报，具体指搅拌桩监控仪在完成施工监控作业后，将当前施工桩的工艺数据进行统计，包括累计喷浆量、累计灰量、平均下钻速度、平均提钻速度、平均喷浆压力、最大电流等等，并将施工中每20cm段的数据进行统计，形成报表形式。通过4G网络上传至服务器。施工相关单位即可依据此数据，成桩效果进行分析，同时存储数据可作为工程历史追溯数据以供查阅。其统计分析报表数据如下表：

本申请提供的搅拌桩在线监控仪包括为搅拌桩施工环境定制的电路设计，可靠性高，实时性高；结合了LTE和LORA的通信链路，实现了无线远程控制；改善了桩机操作对人工的依赖，提供了自动化控制的方案；数据记录准确可靠，能够上传服务器平台，实现了在线的监管监控；灵活的组态交互界面设计，支持快速定制；可靠的结构设计，能适应工地施工各种环境。该搅拌桩监控仪可以在施工设备上，直接遥控控制制浆控制柜进行送浆，停止和调试操作。

以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种搅拌桩在线监控仪，其特征在于，包括主控模块、供电模块、显示模块、施工参数传感器和通信模块；

所述供电模块连接到所述主控模块、显示模块、施工参数传感器和通信模块；所述施工参数传感器连接到所述主控模块，将施工参数发送给所述主控模块；所述通信模块连接到所述主控模块，所述主控模块根据所述施工参数控制所述通信模块与服务器或者制浆控制柜的通信；所述显示模块连接到所述主控模块，所述主控模块根据所述施工参数控制所述显示模块的显示结果。

2.如权利要求1所述的一种搅拌桩在线监控仪，其特征在于，所述施工参数传感器包括电流互感器、压力互感器、电磁流量计、深度编码器和密度计中的一种或多种,所述在线监控仪包括采集通道。

3.如权利要求1所述的一种搅拌桩在线监控仪，其特征在于，所述通信模块包括第一通信单元和第二通信单元，所述第一通信单元与所述服务器通信连接；所述第二通信单元与所述制浆控制柜通信连接。

4.如权利要求3所述的一种搅拌桩在线监控仪，其特征在于，所述第一通信单元包括LTE通信单元，所述LTE通信单元包括多星座GNSS接收机；所述第二通信单元包括LORA通信单元。

5.如权利要求1所述的一种搅拌桩在线监控仪，其特征在于，所述供电模块包括电源电路，所述电源电路包括隔离变压器和双路开关电源，其中一路所述开关电源连接到所述主控模块，另一路所述开关电源连接到所述施工参数传感器。

6.如权利要求1所述的一种搅拌桩在线监控仪，其特征在于，所述主控模块包括主控板卡，所述主控板卡包括EEPROM、flash或者RTC处理器，包含16路模拟量的采集输入、2路模拟量的控制输出、8路开关量的采集输入、6路开关量的采集输出、2路频率信号的采集输入的采集模块；包含RS232串行接口、RS485串行接口、RJ45以太网接口以及USB3.0串行通信总线的有线通信接口。

7.一种搅拌桩在线监控方法，其特征在于，应用于如权利要求1-6任一项所述的搅拌桩在线监控仪，所述监控方法包括：

施工操作确定；

判断所述施工操作是否暂停；

若是，则暂停处理所述施工操作；若否，进行施工终止判断；

若施工终止，则结算施工数据并上报至服务器；若施工未终止，则进入秒数据处理步骤。

8.如权利要求7所述的一种搅拌桩在线监控方法，其特征在于，所述秒数据处理包括以下步骤：

获取并计算当前施工参数值；

更新施工参数最大值；

确定当前施工深度范围；

判断所述当前施工深度范围是否跨越段区；

若否，则计算所述当前段区内施工参数的累计值或平均值；若是，则更新施工段区。

9.如权利要求8所述的一种搅拌桩在线监控方法，其特征在于，所述施工操作包括灌浆操作，所述灌浆操作包括以下步骤：

计算当前施工深度预设范围内的累计浆量；

判断浆量是否达标；

若是，则保持灌浆作业；若不达标，则减缓下钻速度；若超出标准，则减缓喷浆速度；

判断灌浆操作是否结束；

若是，则结束作业；若否，则再次计算当前施工深度预设范围内的累计浆量、重复执行灌浆操作步骤。

10.如权利要求9所述的一种搅拌桩在线监控方法，其特征在于，所述判断所述当前施工深度范围是否跨越段区包括：

判断当前施工深度所在的25cm段范围是否跨越段区；

所述当前施工深度预设范围内的累计浆量为当前施工深度25cm内的累计浆量。