CN110080261B - 一种桶式结构的控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请的目的是提供一种桶式结构的控制系统，所述控制系统包括：上位机、桶式结构、PLC控制模块、数据采集模块及排水泵，其中，所述PLC控制模块与所述桶式结构相连，用于控制所述桶式结构的姿态及下沉；所述数据采集模块与所述桶式结构相连，用于采集所述桶式结构的姿态数据及位置数据，并将所采集的数据传输至所述PLC控制模块及所述上位机；所述排水泵一端与所述桶式结构相连，另一端与所述PLC控制模块相连，用于产生负压控制所述桶式结构负压下沉；所述上位机用于接收所述采集模块采集的数据，对所述采集的数据进行分析，以根据分析的结果调整所述桶式结构的姿态。从而获取桶式结构的姿态信息并自动纠偏，保证桶式结构的浮运平衡和平稳下沉。

Description

一种桶式结构的控制系统

技术领域

本申请涉及自动控制系统领域，尤其涉及一种桶式结构的控制系统。

背景技术

桶式基础结构防波堤是一种防波堤结构。通过对桶体内部充压缩空气来实现气浮托运。沉贯时就位时，先靠自身重量及平台上部结构重量使其筒裙底端插入海底一定深度，桶内形成封闭空间，然后用泵抽吸，形成负压，依靠桶顶内外表面压差，克服桶体下沉阻力，使桶体下沉到预定深度，从而达到施工要求。在整个的工艺流程中，桶式结构的倾斜度和下沉的标高是控制系统的主要控制目标，也是衡量工程质量的一个重要参数。因此，需要控制系统进行控制桶式基础结构的平衡。

发明内容

本申请的目的是提供一种桶式结构的控制系统，以保证新型桶式结构的浮运平衡和平稳下沉。

为解决上述技术问题，根据本申请的一方面，提供了一种桶式结构的控制系统，所述控制系统包括：上位机、桶式结构、PLC控制模块、数据采集模块及排水泵，其中，

所述桶式结构包括进气管路、排气管，其中，所述进气管路用于向所述桶式结构内部充入气体，所述排气管用于将所述桶式结构内部气体排出，控制所述桶式结构的下沉速率；

所述PLC控制模块与所述桶式结构相连，用于控制所述桶式结构的姿态及下沉；

所述数据采集模块与所述桶式结构相连，用于采集所述桶式结构的姿态数据及位置数据，并将所采集的数据传输至所述PLC控制模块及所述上位机；

所述排水泵一端与所述桶式结构相连，另一端与所述PLC控制模块相连，用于产生负压控制所述桶式结构负压下沉；

所述上位机用于接收所述采集模块采集的数据，对所述采集的数据进行分析，以根据分析的结果调整所述桶式结构的姿态。

进一步地，所述数据采集模块包括倾斜仪、多个传感器及多个定位模块；其中，所述倾斜仪与所述PLC控制模块相连，用于将采集到的所述桶式结构的姿态数据传输至所述PLC控制模块；所述多个传感器包括真空压力传感器及双轴倾角传感器；所述定位模块用于采集所述桶式结构的位置信息，并将所述位置信息传输至所述PLC控制模块及所述上位机，其中，所述位置信息包括标高信息。

进一步地，所述真空压力传感器设置于所述进气管路上，用于采集所述进气管路内的气体压力并将所采集的气体压力传输至所述PLC控制模块，所述双轴倾角传感器用于采集所述桶式结构的姿态数据。

进一步地，所述上位机接收所述PLC控制模块传输的所述桶式结构的姿态数据及多个定位模块传输的位置信息，并对所述姿态数据及位置信息进行分析，以根据分析结果调整所述桶式结构的姿态。

进一步地，所述上位机用于根据所述姿态数据、所述标高信息及标高变化量确定所述桶式结构的下沉速率，将下沉速率传输至所述PLC控制模块，以对所述桶式结构进行下沉和姿态调整控制。

进一步地，所述桶式结构包括多个内舱，其中，每个内舱上设置进气管路、排水管路，所述排水管路上设置电磁阀，用于控制桶式结构的姿态。

进一步地，所述上位机用于获取所述定位模块的位置信息，将所述位置信息转换为工程坐标系下的坐标，并进行显示。

进一步地，所述真空压力传感器的压力测量量程包括-0.1～1Mpa。

进一步地，所述控制系统包括报警模块，其中，所述报警模块与所述采集模块及排水泵相连，用于监测所述采集模块及排水泵的故障信息，以进行报警，并将所述故障信息传输至所述上位机进行显示。

与现有技术相比，本申请提供的一种桶式结构的控制系统，所述控制系统包括：上位机、桶式结构、PLC控制模块、数据采集模块及排水泵，其中，所述桶式结构包括进气管路、排气管，其中，所述进气管路用于向所述桶式结构内部充入气体，所述排气管用于将所述桶式结构内部气体排出，控制所述桶式结构的下沉速率；所述PLC控制模块与所述桶式结构相连，用于控制所述桶式结构的姿态及下沉；所述数据采集模块与所述桶式结构相连，用于采集所述桶式结构的姿态数据及位置数据，并将所采集的数据传输至所述PLC控制模块及所述上位机；所述排水泵一端与所述桶式结构相连，另一端与所述PLC控制模块相连，用于产生负压控制所述桶式结构负压下沉；所述上位机用于接收所述采集模块采集的数据，对所述采集的数据进行分析，以根据分析的结果调整所述桶式结构的姿态。可实现自动控制、自动纠偏，提升管理质量，实现桶式结构的上气浮上升、气浮托运至安装位置和负压下沉至设计标高全过程自动控制，获取桶式结构的姿态信息并自动纠偏，保证桶式结构的浮运平衡和平稳下沉。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出本申请一实施例中桶式结构的控制系统的结构示意图；

图2示出本申请一实施例中桶式结构的控制系统的原理示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述。

在本申请一实施例中，提供了一种桶式结构的控制系统，如图1所示的桶式结构的控制系统的结构示意图，其中，所述控制系统包括：上位机1、桶式结构2、PLC控制模块3、数据采集模块4及排水泵5，其中，所述桶式结构2包括进气管路21、排气管22，其中，所述进气管路21用于向所述桶式结构2内部充入气体，所述排气管22用于将所述桶式结构2内部气体排出，控制所述桶式结构2的下沉速率；所述PLC控制模块3与所述桶式结构2相连，用于控制所述桶式结构2的姿态及下沉；所述数据采集模块4与所述桶式结构2相连，用于采集所述桶式结构2的姿态数据及位置数据，并将所采集的数据传输至所述PLC控制模块3及所述上位机1；所述排水泵5一端与所述桶式结构2相连，另一端与所述PLC控制模块3相连，用于产生负压控制所述桶式结构2负压下沉；所述上位机1用于接收所述采集模块4采集的数据，对所述采集的数据进行分析，以根据分析的结果调整所述桶式结构2的姿态。在此，桶式结构2包括多个内舱，其中，每个内舱上设置进气管路21、排水管路23，所述排水管路23上设置电磁阀24，用于控制桶式结构的姿态。桶式结构内部分九个舱，每个舱上有进排气孔和排水口，通过电磁阀和抽水泵控制每个舱的进排气状态或者抽水状态来控制桶式结构的平衡。

本申请所述的PLC控制模块3包括CPU，CPU自带RS485通讯端口，可以很方便的和现场设备进行自由口通讯，CPU通过RS485通讯端口采集GPS的高程数据，通过数字量输入单元采集现场的数字信号，通过模拟量输入单元采集现场的模拟信号，再结合上位机1的操作指令，判断出桶式结构的倾斜姿态，再根据不同的工艺流程，来控制九个隔舱的进排气阀和排水泵的打开和关闭，通过调节九个隔舱内部的气压或者排水泵产生的负压来调节桶式结构的姿态，以达到自动纠偏的目的。

优选地，所述数据采集模块4包括倾斜仪41、多个传感器42及多个定位模块43；其中，所述倾斜仪41与所述PLC控制模块3相连，用于将采集到的所述桶式结构2的姿态数据传输至所述PLC控制模块3；所述多个传感器42包括真空压力传感器及双轴倾角传感器；所述定位模块43用于采集所述桶式结构2的位置信息，并将所述位置信息传输至所述PLC控制模块3及所述上位机1，其中，所述位置信息包括标高信息。进一步地，所述上位机1用于获取所述定位模块43的位置信息，将所述位置信息转换为工程坐标系下的坐标，并进行显示。在此，如图2所示的控制系统的原理示意图，其中，PLC控制模块3包括CPU、通信端口、I/O输入、模拟输入(AD)单元及I/O输出，PLC控制模块3的I/O输出与多个排水泵5和多个控制阀24相连，模拟输入单元与倾斜仪41相连，传感器42将采集的数据通过I/O输入端口传输至PLC，外部开关8控制PLC的上电和未上电，定位模块43包括四个GPS，由四台定位模块(GPS)通过RS232端口输出经纬度信号，分别连接到PLC控制模块3和上位机1，PLC控制模块根据GPS输出的Z方向信号来判断构件变化的情况，为姿态控制提供依据。同时，上位机1读取GPS信号并通过坐标转换，计算出构件在工程坐标系下的坐标，在上位机1上进行显示。另配备倾斜仪直接连到PLC控制模块3的模拟模块，通过PLC的CPU对其进行循环扫描以进行桶式结构2的姿态控制；从而本申请所述的控制系统采用了冗余控制策略，采用两套控制纠篇系统根据预先设定的控制优先策略进行姿态和下沉控制，保证了控制系统的可靠性和稳定性。

进一步地，所述上位机1接收所述PLC控制模块3传输的所述桶式结构2的姿态数据及多个定位模块43传输的位置信息，并对所述姿态数据及位置信息进行分析，以根据分析结果调整所述桶式结构2的姿态。具体地，所述上位机1用于根据所述姿态数据、所述标高信息及标高变化量确定所述桶式结构的下沉速率，将下沉速率传输至所述PLC控制模块3，以对所述桶式结构2进行下沉和姿态调整控制。在本申请一实施例中，在桶式结构充气浮运阶段，通过桶体上的进气管路21向桶体内部充入压缩充气，使桶体结构2漂浮于水面，调整桶体内的充气量，使桶体的入水深度达到满足拖航稳定性的要求。因此，通过数据模块4对桶式结构2的姿态数据进行采集，并传输至PLC控制模块3和上位机1，以便上位机1快速计算并反馈至PLC控制模块3进行充放气调节，保证桶式结构2的姿态稳定性。在自重下沉和负压下沉阶段，PLC控制模块3不仅具有姿态监控功能，还具有标高监测功能，可以根据姿态、标高和利用标高变化量计算出桶式结构2的下沉速率，进行下沉和姿态调整控制。通过桶内气体排出和利用排水泵抽水，同时通过排气和抽水速度控制下沉的速率、下沉过程中若发生倾斜时通过对不同隔舱排气量和抽水量调节，确保整个过程处于姿态稳定状态，直至桶式结构2下沉至预设的标高。

优选地，所述真空压力传感器设置于所述进气管路21上，用于采集所述进气管路21内的气体压力并将所采集的气体压力传输至所述PLC控制模块3，所述双轴倾角传感器用于采集所述桶式结构2的姿态数据。在此，PLC控制模块3需要在桶式结构2气浮上升、气浮托运、自重下沉、负压下沉的四个环节中能够根据要求控制桶式结构的上升和下降，在上升和下降的过程中保持桶式结构的稳定，且能够控制桶体上升和下降的高度；另外，PLC控制模块3具有手动功能，操作面板上的操作按钮开关连接到PLC的I/O模块，PLC根据操作开关的操作对外部设备进行控制，可以通过操作台上的“手动/自动”按钮进行切换两种控制模式。其中，自动控制模式中，需要PLC控制模块3的外围加装传感器，进排气管路安装真空压力传感器，桶式结构上安装测斜仪、GPS、充气管路，排水管路上装电磁阀。在桶体气浮上升、充气浮运、自重下沉和负压下沉的过程中。PLC控制模块3根据传感器42采集到的数据，以桶体倾斜度和工程标高为控制目标，通过自动纠偏程序计算后反馈控制电磁阀或者排水泵，来调整桶体的浮运姿态和定位下沉及姿态。空气压力传感器测量充气管路内的空气压力，直接连到PLC控制模块3中的模拟量输入单元，经PLC计算后在上位机界面上显示。上位机1与PLC采用RS485的通讯方式，通过上位机1对现场设备状态和构件的在运动过程中姿态显示，对系统产生的报警进行提示，为现场操作人员提供操作参考。

本申请所述的控制系统控制精度高，桶体的倾斜角度和桶体的高度通过GPS和倾斜仪测量，测量结果经RS485通讯接口实时传输给控制系统，可以对桶体的姿态和上升下降的高度进行精确的控制，操作自动化程度比较高，能有效的保证施工质量。

另外，在PLC控制模块3的手动控制方式时，是采用按钮和接触器组合来控制阀和排水泵，在施工工程中操作人员观察刻在桶壁的水位刻度来判断桶体的倾斜姿态，从而确定桶体的各个舱上进气阀、排气阀和排水泵的开启和关闭，然后通过操作台上的按钮来对控制阀和排水泵进行操作，从而保持桶体的平衡。手动控制方式实现应急处理，确保工程施工的连续性和可靠性。

进一步地，所述真空压力传感器的压力测量量程包括-0.1～1Mpa。在此，检测舱内压力的变化，采用专用数据库进行存储；使用的压力传感器为真空压力模拟量传感器，压力测量量程为-0.1～1Mpa，测量精度为0.1％FS，可以满足负压测量和精度要求。

在本申请一实施例中，采用4台GPS和一个双轴倾角传感器进行采集桶式结构2的姿态数据。GPS实时提供桶式结构2的位置三维坐标，GPS系统在Z轴方向精度可以到达5cm，水平精度3cm。双轴倾角传感器实时提供桶式结构2的倾斜姿态，倾角仪精度为0.01°。

进一步地，所述控制系统包括报警模块6，其中，所述报警模块6与所述采集模块4及排水泵5相连，用于监测所述采集模块4及排水泵5的故障信息，以进行报警，并将所述故障信息传输至所述上位机进行显示。在此，报警模块能够监测系统的工作状态，当出现传感器断线、GPS通讯故障、排水泵过载等故障时，系统自动发出声音和闪光报警信号，而且上位机1的操作界面上会显示当前的故障信息，这时按下“消音”按钮，系统警报声解除，闪光报警继续保持直至故障排除，故障解除后，故障信息进入数据库供以后查询。

施工人员可以在上位机1上观察到桶式结构2的位置和高程、桶式结构的倾斜姿态、现场电磁阀和排水泵的开闭状态和舱内大气压力等信息，而且所有传感器信息、操作信息全部录入数据库，可以随时查看历史记录。在自动纠偏的过程中，施工人员可以通过上位机界面实时观察桶式结构的状态。

在本申请一实施例中，例如桶式结构1的气浮上升阶段，在上位机1上点击“气浮上升”按钮并输入上升的目标高度，PLC控制模块3自动打开进气阀，空压机不断的往储气罐内灌入压缩空气，压缩空气通过进气管路进入桶式结构2的内部，使桶体内部气压升高，操作人员可以在上位机1的界面上观察到每个舱的空气压力值、桶式结构X轴和Y轴的倾斜角度以及4个GPS的标高，若桶体产生倾斜，则PLC控制模块3自动关闭该舱对应的进气阀来调整桶体的姿态，施工人员可以在上位机1的界面上实时观察进气阀的开闭情况，当桶体到达设定的高度时，则自动关闭所有进气阀。

在本申请一实施例中，例如桶式结构1的气浮托运阶段，在上位机1上点击“气浮拖运”按钮，PLC控制模块3进入气浮拖运状态，在该状态下桶式结构2处于平衡状态可以进行拖运，当气浮拖运的过程中，PLC控制模块3实时监测桶式结构2的倾斜度和高度，当桶体发生倾斜或者低于目标高度时，PLC控制模块3自动打开进气阀进行补气，当桶体重新回到平衡状态或者到达设定高度时，则PLC控制模块3自动关闭进气阀。桶式结构维持平衡状态继续拖运直至目的位置。

在本申请一实施例中，例如桶式结构1的自重下沉阶段，当桶体到达指定位置时，在上位机上1点击“自重下沉”按钮，PLC控制模块3关闭进气阀门，打开排气阀门，桶式结构1在自身重量的作用下开始下沉，在下沉的过程中PLC控制模块3自动调节排气阀的打开和关闭，是桶体平稳下沉，直至下沉结束。

在本申请一实施例中，例如桶式结构的负压下沉阶段，在完成桶体结构自重下沉后，在上位机1上点击“负压下沉”按钮，并设置下沉高度，PLC控制模块3关闭排气阀，自动打开排水泵产生负压，桶体在大气压力的作用下继续下沉，在下沉过程中，PLC控制模块3自动调整桶体的倾斜度，使桶式结构平稳入泥，当到达目的高度时，PLC控制模块3自动关闭排水泵，负压下沉阶段结束。

通过本申请所述的控制系统，可实现自动控制、自动纠偏，提升管理质量，实现桶式结构的上气浮上升、气浮托运至安装位置和负压下沉至设计标高全过程自动控制，获取桶式结构的姿态信息并自动纠偏，保证桶式结构的浮运平衡和平稳下沉。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (7)

1.一种桶式结构的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：上位机、桶式结构、PLC控制模块、数据采集模块及排水泵，其中，

所述桶式结构包括进气管路、排气管，其中，所述进气管路用于向所述桶式结构内部充入气体，所述排气管用于将所述桶式结构内部气体排出，控制所述桶式结构的下沉速率；

所述PLC控制模块与所述桶式结构相连，用于控制所述桶式结构的姿态及下沉，当PLC控制模块为手动控制方式时，根据桶壁的水位刻度来判断桶体的倾斜姿态，采用按钮和接触器组合对控制阀和排水泵进行操作；

所述数据采集模块与所述桶式结构相连，用于采集所述桶式结构的姿态数据及位置数据，并将所采集的数据传输至所述PLC控制模块及所述上位机；

所述排水泵一端与所述桶式结构相连，另一端与所述PLC控制模块相连，用于产生负压控制所述桶式结构负压下沉；

所述上位机用于接收所述采集模块采集的数据，对所述采集的数据进行分析，以根据分析的结果使PLC控制模块进行充放气调节，调整所述桶式结构的姿态；

其中，所述数据采集模块包括倾斜仪、多个传感器及多个定位模块；

其中，所述倾斜仪与所述PLC控制模块相连，用于将采集到的所述桶式结构的姿态数据传输至所述PLC控制模块；

所述多个传感器包括真空压力传感器及双轴倾角传感器，所述真空压力传感器的压力测量量程包括-0.1～1Mpa；

所述定位模块用于采集所述桶式结构的位置信息，并将所述位置信息传输至所述PLC控制模块及所述上位机，其中，所述位置信息包括标高信息。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述真空压力传感器设置于所述进气管路上，用于采集所述进气管路内的气体压力并将所采集的气体压力传输至所述PLC控制模块，所述双轴倾角传感器用于采集所述桶式结构的姿态数据。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述上位机接收所述PLC控制模块传输的所述桶式结构的姿态数据及多个定位模块传输的位置信息，并对所述姿态数据及位置信息进行分析，以根据分析结果调整所述桶式结构的姿态。

4.根据权利要求1或3所述的控制系统，其特征在于，所述上位机用于根据所述姿态数据、所述标高信息及标高变化量确定所述桶式结构的下沉速率，将下沉速率传输至所述PLC控制模块，以对所述桶式结构进行下沉和姿态调整控制。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述桶式结构包括多个内舱，其中，每个内舱上设置进气管路、排水管路，所述排水管路上设置电磁阀，用于控制桶式结构的姿态。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述上位机用于获取所述定位模块的位置信息，将所述位置信息转换为工程坐标系下的坐标，并进行显示。

7.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括报警模块，其中，所述报警模块与所述采集模块及排水泵相连，用于监测所述采集模块及排水泵的故障信息，以进行报警，并将所述故障信息传输至所述上位机进行显示。