CN109622267A - 一种移动式混凝土喷射机械手喷射物自动调节控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种移动式混凝土喷射机械手喷射物自动调节控制装置及方法，其包括人机交互单元、采集各传感信号的传感信号采集单元、控制单元及输出信号单元。以人机交互单元发送的操作者的喷射操控指令为依据，结合检测到的各传感信号，由控制单元进行逻辑运算处理，以对各喷射物的输出量进行动态调节，保证实际混合喷射物的品质，提升喷射施工效果，同时为系统的安全运行提供保障，降低操作者的劳动强度。

Description

一种移动式混凝土喷射机械手喷射物自动调节控制装置及 方法

技术领域

本发明涉及移动式混凝土喷射机械手喷射物自动调节控制装置及方法，具体涉及一种根据当前喷射动作操控信号值及喷射过程中的传感信号检测值，实现对各喷射物含量的实时动态调节，以达到保证实际混合喷射物的品质及喷射施工效果的目的，同时为系统的安全运行提供保障，降低操作手的劳动强度。

背景技术

喷射混合物可简要理解为由混凝土、速凝剂以及压力风三部分组成，其中压力风用于辅助将混凝土及速凝剂的混合物较好地附着在隧道面上。

移动式混凝土喷射机械手在进行喷射作业时，需要根据各隧道施工工艺要求及施工部位，对混凝土及速凝剂的组成进行配比调节，对供风量进行调节，混凝土则由泵送系统进行输送，速凝剂则一般由速凝剂泵进行输送，压力风则一般由供风管路系统的空压机提供（包括设备自带以及隧道施工现场自带）。

现有的技术一般通过在人机交互系统中按照实际施工工艺需求，调节好泵送混凝土量与速凝剂量的配比关系，在喷射施工过程中，根据当前的泵送方量大小，调节速凝剂泵的输送量，而供风量的大小则通过机械阀门手动调节。但是，诸类控制系统在运行时，对混凝土泵送量以及速凝剂输出量均有各自的匹配控制方案，但是实际上，风压的大小在很大程度上影响施工效果，目前往往需要人工根据当前的喷射物喷出状态或效果进行判断后手动调节相关参数，存在一定的延时，严重影响了施工效率，同时造成了部分物料的浪费。

为此需要开发设计一种控制装置及方法，将喷射混合物中的混凝土、速凝剂以及压力风进行自动匹配智能控制，自动对喷射动作进行调节。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对上述现有技术中缺乏将混凝土、速凝剂以及压力风进行智能匹配控制的现状，提供一种可有效解决该问题的移动式混凝土喷射机械手喷射物自动调节控制装置及方法，对喷射动作进行自动干预。

为解决上述技术问题，本专利所采用的技术方案是：一种移动式混凝土喷射机械手喷射物自动调节控制装置，该装置包括人机交互单元、传感信号采集单元、控制单元及输出信号单元，其中：

人机交互单元：与控制单元连接，用于接收操作者的喷射操控指令，并将接收到的操作者的喷射操控指令传送至控制单元；还用于接收和显示控制单元反馈的当前射控制指令状态信息；

传感信号采集单元：包括料位传感器、流量开关传感器、液位传感器及压力传感器，该料位传感器设置于泵送系统的料斗中以实时检测料斗中的混凝土量，该流量开关传感器设置于速凝剂调节系统的速凝剂输送管道中以实时检测速凝剂输送量，该液位传感器设置于速凝剂调节系统的速凝剂储存桶中以实时检测速凝剂储存桶中的速凝剂量，该压力传感器设置于供风管路系统的供风输送管道中以实时检测风压；该传感信号采集单元与该控制单元连接，以将前述各传感器采集到的传感信号发送到控制单元；

控制单元：用于接收人机交互单元发送的操作者的喷射操控指令，同时接收传感信号采集单元传送的各传感信号，并将该喷射操控指令与各传感信号相结合进行逻辑运算处理后输出喷射控制指令，并将该喷射控制指令发送至输出信号单元，同时将该喷射控制指令的状态信息反馈至人机交互单元进行显示；

输出信号单元：与该控制单元连接，用于接收控制单元发送的喷射控制指令，并将该喷射控制指令发送至泵送系统、速凝剂调节系统以及供风管路系统，以对喷射过程中的混凝土泵送量、速凝剂的添加量、供风量进行调节。

本发明同时提供一种移动式混凝土喷射机械手喷射物自动调节控制方法，该方法步骤如下：

1）设置各传感器：于泵送系统的料斗中设置料位传感器以实时检测料斗中的混凝土量；于速凝剂调节系统的速凝剂输送管道中设置流量开关传感器以实时检测速凝剂输送量；于速凝剂调节系统的速凝剂储存桶中设置液位传感器以实时检测速凝剂储存桶中的速凝剂量；于供风管路系统的供风输送管道中设置压力传感器以实时检测风压状况；

2）人机交互单元将操作者的喷射操控指令发送至控制单元，同时上述各传感器将采集到的各传感信号发送至控制单元，由控制单元将该喷射操控指令与各传感信号相结合进行逻辑运算处理后输出喷射控制指令；

3）控制单元将该喷射控制指令发送至输出信号单元，由输出信号单元将该喷射控制指令发送至泵送系统、速凝剂调节系统以及供风管路系统以对喷射过程中的混凝土泵送量、速凝剂的添加量、供风量进行调节；同时控制单元将该喷射控制指令的相关状态信息反馈至人机交互单元进行显示；

其中，上述提及的控制单元的逻辑运算处理过程如下：

设定混凝土输送速度为S，速凝剂的输出量为L，速凝剂的输出量与混凝土输出速度的关系为α，即L=α*S；同时设定供风量为Q，其与混凝土输出速度的关系为β，即：Q=β*S；

以下根据混凝土输送情况、速凝剂输送情况、风压情况分别对喷射控制系统进行调节；

（1）根据混凝土输送情况对喷射控制系统进行调节：设定料斗中的料位传感器采集的传感信号为h，并设定一料位低预警值为h1及一料位过低值为h2；当操作者操作启动自动喷射动作时，若h≥h1时，则维持现有的喷射控制系统参数；若h2＜h＜h1时，则降低混凝土输送速度，此时依据混凝土输送速度与速凝剂输出量的配比关系，速凝剂输出量随之减少；若h≤h2时，则停止自动喷射动作，即停止泵送、速凝剂输出；

（2）根据速凝剂输送情况对喷射控制系统进行调节：设定速凝剂输送管道中的流量开关传感器采集的传感信号为k1，并设定当管路中有速凝剂流动时，该流量开关闭合即k1=TRUE，无速凝剂流动时，该流量开关断开即k1=FALSE；同时设定速凝剂储存桶中的液位传感器采集的传感信号为a，并设定一液位低预警值为a1以及一液位过低值为a2；当操作者启动自动喷射动作时，先以操作者发送的喷射操控指令信息中的速凝剂输出量为基础，根据当前混凝土输送速度进行当前速凝剂输出量的调节，即参照L=α*S将当前速凝剂输出量调整为与操作者发送的喷射操控指令信息中的速凝剂输出量相同；其中，α通过人机交互单元进行调整，再根据以下情况进行调节：若a≥a1时，且k1=TRUE，则维持现有的喷射控制系统参数；若a≥a1时，且k1=FALSE，即停止泵送、速凝剂输出；若a2＜a＜a1时，且k1=TRUE，则降低速凝剂输出量，此时依据混凝土输送速度与速凝剂输出量的配比关系，泵送速度也将随之降低；若a2＜a＜a1时，且k1=FALSE，即停止泵送、速凝剂输出；若a≤a2时，则停止喷射动作，即停止泵送、速凝剂输出；

（3）根据风压情况对喷射控制系统进行调节：设定供风输送管道中的压力传感器采集的供风管路系统中的风压状况信号为P；同时设定一最小风压值P_Min、一较大风压值P_Max1、及一过大风压值P_Max2；当操作者启动自动喷射动作时，先以操作者发送的喷射操控指令信息中的供风量为基础，根据当前混凝土输送速度进行当前供风量的调节，即参照：Q=β*S将当前供风量调整为与操作者发送的喷射操控指令信息中的供风量相同；其中，β通过人机交互单元进行调整，再根据以下情况进行调节：若P＜P_Min，则判断供风管路系统工作停止或异常，喷射控制系统发出警告，干预喷射作业；若P_Min＜P＜P_Max1，则维持现有的喷射控制系统参数；若P＞P_Max1，则判定为设备喷射出口压力偏大，存在堵管风险，喷射控制系统发出警告，干预喷射作业，降低混凝土输送速度；若P＞P_Max2，则判定为设备喷射出口压力过大，存在堵管现象，喷射控制系统发出警告，干预喷射作业，停止自动喷射。

本发明以料位传感器对料斗中混凝土的料位进行判断，并将其用于辅助进行混凝土输送状态的判断，作为调节泵送速度和速凝剂输出量的影响因素；以液位传感器对速凝剂储存桶中的速凝剂量进行判断，并结合速凝剂输送管道中速凝剂的流动状态，辅助进行速凝剂输送状态的判断，作为调节泵送速度和速凝剂输出量的影响因素；以压力传感器对供风输送管道中的空气压力（风压）进行判断，辅助进行压缩空气输送状态的判断，作为调节泵送速度的影响因素，以及辅助进行喷射状态的判断依据。通过对喷射混合物中的三种介质（混凝土、速凝剂及压力风）输送状态进行判断，实现了喷射混合物中的三种介质输送量自动匹配控制；同时操作人员可以通过人机交互系统对该系统中的各参数进行调节，以满足不同的工况及施工工艺要求。且在人机交互单元中对当前操控信号、各传感器的信号值、以及当前喷射状态进行实时展示，实现喷射混合物的动态实时控制以外，为操作者提供了良好的自动喷射状态监视系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：在操控进行自动喷射动作过程中，通过判断混凝土料斗料位信号、速凝剂储存桶速凝剂液位信号、速凝剂输送管道的流量信号及供风输送管道风压信号，按照特定的控制逻辑，对自动喷射中混凝土泵送系统、速凝剂输送系统以及供风管路系统进行匹配控制。避免了因为混凝土料不足导致的速凝剂浪费，或速凝剂输送不足，导致的喷射物达不到施工工艺要求而需要返工，以及由于供风量的不匹配导致施工效果差等现象。从而可以避免该些现象直接带来的经济损失及甚至给隧道施工带来的一定质量安全隐患。

附图说明

图1是本发明的喷射物自动调节控制装置的组成框图。

具体实施方式

本发明为一种移动式混凝土喷射机械手喷射物自动调节控制装置及方法，其是根据人机交互系统中喷射操控的信号，以及应用于泵送系统、速凝剂调节系统、供风管路系统中的传感信号值，实时调节混凝土输送量、速凝剂输送量以及供风量，对设备喷射作业进行干预，同时将喷射状态信息在人机交互系统中进行显示。具体地，结合参见图1所示，本装置包括：人机交互单元、传感信号采集单元、控制单元及输出信号单元，其中：

人机交互单元：与控制单元连接，用于接收操作者的喷射操控指令（包括：自动喷射的启动和停止、喷射量的干预调节、速凝剂量的干预调节、供风量的干预调节等），并将接收到的操作者的喷射操控指令传送至控制单元；还用于接收和显示控制单元反馈的设备自动喷射时的喷射控制指令状态信息；

传感信号采集单元：包括料位传感器、流量开关传感器、液位传感器及压力传感器，该料位传感器设置于泵送系统的料斗中以实时检测料斗中的混凝土量，该流量开关传感器设置于速凝剂调节系统的速凝剂输送管道中以实时检测速凝剂输送量，该液位传感器设置于速凝剂调节系统的速凝剂储存桶中以实时检测速凝剂储存桶中的速凝剂量，该压力传感器设置于供风管路系统的供风输送管道中以实时检测风压(供风压力)。该传感信号采集单元与该控制单元连接，以将各传感器采集到的传感信号（料位传感器检测到的料斗中的混凝土量、流量开关传感器检测到的速凝剂输送管道中的速凝剂输送量、液位传感器检测到的速凝剂储存桶中的速凝剂量、以及压力传感器检测到的供风输送管道中的风压）发送到控制单元；

控制单元：用于接收人机交互单元发送的操作者的喷射操控指令，同时接收传感信号采集单元传送的各传感信号，并将该喷射操控指令与各传感信号相结合进行逻辑运算处理后输出喷射控制指令，并将该喷射控制指令发送至输出信号单元，同时将该喷射控制指令的相关状态信息（包括当前喷射状态信息和喷射时对应的各传感信号信息）反馈至人机交互单元进行显示；

输出信号单元：与该控制单元连接，用于接收控制单元发送的喷射控制指令，并将该喷射控制指令发送至泵送系统、速凝剂调节系统以及供风管路系统，以对喷射过程中的混凝土泵送量、速凝剂的添加量、供风量进行动态调节。

本发明利用上述装置进行移动式混凝土喷射机械手喷射物自动调节控制方法的具体步骤如下：

1）于泵送系统的料斗中设置料位传感器以实时检测料斗中的混凝土量，并以此推断泵送时的混凝土输送情况；于速凝剂调节系统的速凝剂输送管道中设置流量开关传感器以实时检测速凝剂输送量（即速凝剂的实际流动情况）；于速凝剂调节系统的速凝剂储存桶中设置液位传感器以实时检测速凝剂储存桶中的速凝剂量；于供风管路系统的供风输送管道中设置压力传感器以实时检测风压状况；

2）人机交互单元将操作者的喷射操控指令发送至控制单元，同时上述各传感器将采集到的各传感信号发送至控制单元，由控制单元将该喷射操控指令与各传感信号相结合进行逻辑运算处理后输出有效的喷射控制指令；

3）控制单元将该喷射控制指令发送至输出信号单元，由输出信号单元将该喷射控制指令发送至泵送系统、速凝剂调节系统以及供风管路系统，以对喷射过程中的混凝土泵送量、速凝剂的添加量、供风量进行动态调节；同时控制单元将该喷射控制指令的相关状态信息反馈至人机交互单元进行显示。

其中，上述提及的控制单元的逻辑运算处理过程如下：

设定混凝土输送速度为S(单位：m³/h)，速凝剂的输出量为L(单位：l/h)，速凝剂的输出量与混凝土输出速度的关系为α，即L=α*S；同时设定供风量为Q（单位：m³/h），其与混凝土输出速度的关系为β，即：Q=β*S。

1.根据混凝土输送情况对喷射控制系统进行调节

设定料斗中的料位传感器采集的传感信号（混凝土量）为h；并设定一料位低预警值为h1（料斗中料位偏低，对泵送系统的吸料有一定影响，即实际混凝土输送管中可能存在局部的空管）、及一料位过低值为h2（料斗中的料位过低，将严重影响泵送系统的吸料，混凝土输出管中存在大量的空管）。

当操作者操作启动自动喷射动作时，若h≥h1时，维持现有的喷射控制系统参数；

若h2＜h＜h1时，需要降低泵送速度（混凝土的输送速度），此时依据混凝土输送速度与速凝剂输出量的配比关系，速凝剂输出量也将减少；

若h≤h2时，则停止自动喷射动作，即停止泵送、速凝剂输出。

在进行上述三种区间的划分确定时，均需做保持延时处理，避免在区间之间跳变。

2.根据速凝剂输送情况对喷射控制系统进行调节

设定速凝剂输送管道中的流量开关传感器采集的传感信号为k1，并设定当管路中有速凝剂流动时，该流量开关闭合（即k1为TRUE），无速凝剂流动时，该流量开关断开（即k1为FALSE）。

同时设定速凝剂储存桶中的液位传感器采集的传感信号为a，并设定一个液位低预警值为a1（此时储存桶中液位偏低，需要补充速凝剂）以及一液位过低值为a2（此时速凝剂液位偏低，将影响其输送，需要补充速凝剂）。

此时，结合液位低信号及流量开关传感器信号能推断出在速凝剂泵运转时速凝剂的输送情况。

当操作者启动自动喷射动作时，先以操作者发送的喷射操控指令信息中的速凝剂输出量为基础，根据当前混凝土输送速度进行当前速凝剂输出量的调节，即参照L=α*S将当前速凝剂输出量调整为与操作者发送的喷射操控指令信息中的速凝剂输出量相同；其中，α通过人机交互单元进行调整，再根据以下情况进行调节：

若a≥a1时，且k1=TRUE，则维持现有的喷射控制系统参数；

若a≥a1时，且k1=FALSE，即停止泵送、速凝剂输出；

若a2＜a＜a1时，且k1=TRUE，则需要降低速凝剂输出量，此时依据混凝土输送速度与速凝剂输出量的配比关系，混凝土的泵送速度也将随之降低。

若a2＜a＜a1时，且k1=FALSE，即停止泵送、速凝剂输出；

若a≤a2时，则停止喷射动作，即停止泵送、速凝剂输出。

在进行上述五种区间的划分确定时，均需做保持延时处理，避免在区间之间跳变。

3.根据风压情况对喷射控制系统进行调节

设定供风输送管道中的压力传感器采集的供风管路系统中的风压状况信号为P；同时设定一最小风压值P_Min（风压过小，压力风输送系统工作停止或异常）、一较大风压值P_Max1（风压偏大，喷射出口压力偏大）、及一过大风压值P_Max2（风压过大，喷射出口压力过大）。

当操作者启动自动喷射动作时，先以操作者发送的喷射操控指令信息中的供风量为基础，根据当前混凝土输送速度进行当前供风量的调节，即参照：Q=β*S将当前供风量调整为与操作者发送的喷射操控指令信息中的供风量相同；其中，β通过人机交互单元进行调整，再根据以下情况进行调节：

若P＜P_Min，则判定为供风管路系统工作停止或异常，喷射控制系统发出警告，干预喷射作业，如停止自动喷射等；

若P_Min＜P＜P_Max1，则维持现有的喷射控制系统参数；

若P＞P_Max1，则判定为设备喷射出口压力偏大，存在堵管风险，喷射控制系统发出警告，干预喷射作业，降低泵送排量（混凝土输送速度）；

若P＞P_Max2，则判定为设备喷射出口压力过大，存在堵管现象，喷射控制系统发出警告，干预喷射作业，停止自动喷射。

在进行上述四种区间的划分确定时，均需做保持延时处理，避免在区间之间跳变。

Claims (2)

1.一种移动式混凝土喷射机械手喷射物自动调节控制装置，其特征在于，该装置包括人机交互单元、传感信号采集单元、控制单元及输出信号单元，其中：

人机交互单元：与控制单元连接，用于接收操作者的喷射操控指令，并将接收到的操作者的喷射操控指令传送至控制单元；还用于接收和显示控制单元反馈的当前射控制指令状态信息；

传感信号采集单元：包括料位传感器、流量开关传感器、液位传感器及压力传感器，该料位传感器设置于泵送系统的料斗中以实时检测料斗中的混凝土量，该流量开关传感器设置于速凝剂调节系统的速凝剂输送管道中以实时检测速凝剂输送量，该液位传感器设置于速凝剂调节系统的速凝剂储存桶中以实时检测速凝剂储存桶中的速凝剂量，该压力传感器设置于供风管路系统的供风输送管道中以实时检测风压；该传感信号采集单元与该控制单元连接，以将前述各传感器采集到的传感信号发送到控制单元；

控制单元：用于接收人机交互单元发送的操作者的喷射操控指令，同时接收传感信号采集单元传送的各传感信号，并将该喷射操控指令与各传感信号相结合进行逻辑运算处理后输出喷射控制指令，并将该喷射控制指令发送至输出信号单元，同时将该喷射控制指令的状态信息反馈至人机交互单元进行显示；

输出信号单元：与该控制单元连接，用于接收控制单元发送的喷射控制指令，并将该喷射控制指令发送至泵送系统、速凝剂调节系统以及供风管路系统，以对喷射过程中的混凝土泵送量、速凝剂的添加量、供风量进行调节。

2.一种移动式混凝土喷射机械手喷射物自动调节控制方法，其特征在于，该方法步骤如下：

1）设置各传感器：于泵送系统的料斗中设置料位传感器以实时检测料斗中的混凝土量；于速凝剂调节系统的速凝剂输送管道中设置流量开关传感器以实时检测速凝剂输送量；于速凝剂调节系统的速凝剂储存桶中设置液位传感器以实时检测速凝剂储存桶中的速凝剂量；于供风管路系统的供风输送管道中设置压力传感器以实时检测风压状况；

2）人机交互单元将操作者的喷射操控指令发送至控制单元，同时上述各传感器将采集到的各传感信号发送至控制单元，由控制单元将该喷射操控指令与各传感信号相结合进行逻辑运算处理后输出喷射控制指令；

3）控制单元将该喷射控制指令发送至输出信号单元，由输出信号单元将该喷射控制指令发送至泵送系统、速凝剂调节系统以及供风管路系统以对喷射过程中的混凝土泵送量、速凝剂的添加量、供风量进行调节；同时控制单元将该喷射控制指令的相关状态信息反馈至人机交互单元进行显示；

其中，上述提及的控制单元的逻辑运算处理过程如下：

设定混凝土输送速度为S，速凝剂的输出量为L，速凝剂的输出量与混凝土输出速度的关系为α，即L=α*S；同时设定供风量为Q，其与混凝土输出速度的关系为β，即：Q=β*S；

以下根据混凝土输送情况、速凝剂输送情况、风压情况分别对喷射控制系统进行调节；

（1）根据混凝土输送情况对喷射控制系统进行调节：设定料斗中的料位传感器采集的传感信号为h，并设定一料位低预警值为h1及一料位过低值为h2；当操作者操作启动自动喷射动作时，若h≥h1时，则维持现有的喷射控制系统参数；若h2＜h＜h1时，则降低混凝土输送速度，此时依据混凝土输送速度与速凝剂输出量的配比关系，速凝剂输出量随之减少；若h≤h2时，则停止自动喷射动作，即停止泵送、速凝剂输出；

（2）根据速凝剂输送情况对喷射控制系统进行调节：设定速凝剂输送管道中的流量开关传感器采集的传感信号为k1，并设定当管路中有速凝剂流动时，该流量开关闭合即k1=TRUE，无速凝剂流动时，该流量开关断开即k1=FALSE；同时设定速凝剂储存桶中的液位传感器采集的传感信号为a，并设定一液位低预警值为a1以及一液位过低值为a2；当操作者启动自动喷射动作时，先以操作者发送的喷射操控指令信息中的速凝剂输出量为基础，根据当前混凝土输送速度进行当前速凝剂输出量的调节，即参照L=α*S将当前速凝剂输出量调整为与操作者发送的喷射操控指令信息中的速凝剂输出量相同；其中，α通过人机交互单元进行调整，再根据以下情况进行调节：若a≥a1时，且k1=TRUE，则维持现有的喷射控制系统参数；若a≥a1时，且k1=FALSE，即停止泵送、速凝剂输出；若a2＜a＜a1时，且k1=TRUE，则降低速凝剂输出量，此时依据混凝土输送速度与速凝剂输出量的配比关系，泵送速度也将随之降低；若a2＜a＜a1时，且k1=FALSE，即停止泵送、速凝剂输出；若a≤a2时，则停止喷射动作，即停止泵送、速凝剂输出；

（3）根据风压情况对喷射控制系统进行调节：设定供风输送管道中的压力传感器采集的供风管路系统中的风压状况信号为P；同时设定一最小风压值P_Min、一较大风压值P_Max1、及一过大风压值P_Max2；当操作者启动自动喷射动作时，先以操作者发送的喷射操控指令信息中的供风量为基础，根据当前混凝土输送速度进行当前供风量的调节，即参照：Q=β*S将当前供风量调整为与操作者发送的喷射操控指令信息中的供风量相同；其中，β通过人机交互单元进行调整，再根据以下情况进行调节：若P＜P_Min，则判断供风管路系统工作停止或异常，喷射控制系统发出警告，干预喷射作业；若P_Min＜P＜P_Max1，则维持现有的喷射控制系统参数；若P＞P_Max1，则判定为设备喷射出口压力偏大，存在堵管风险，喷射控制系统发出警告，干预喷射作业，降低混凝土输送速度；若P＞P_Max2，则判定为设备喷射出口压力过大，存在堵管现象，喷射控制系统发出警告，干预喷射作业，停止自动喷射。