CN112177619A - 一种泥水盾构双作用气体保压控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥水盾构双作用气体保压控制系统，它包括以并联的方式分别与盾构机气压仓连通的两路气压控制阀组，以及与两路气压控制阀组控制连接的双作用气体保压控制器；本发明响应速度快，数据处理能力强，能够根据气压仓压力传感器实时采集数据，通过对这些压力数据的处理，剔除由于环境波动引起的失真数据，在系统响应时间内对动态变化数据进行平均值处理，实时反映气压仓压力变化趋势，达到气压仓压力的动态平衡。进一步提高泥水盾构施工过程气体保压系统的精度和动态响应速度，为泥水盾构控制系统设计提供基础数据及理论。

Description

一种泥水盾构双作用气体保压控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，尤其涉及一种用于泥水盾构双作用气体保压控制系统。

背景技术

随着现代社会的不断发展与进步，特别是现代交通运输业的快速发展，给人们的出行带来了很大的便利。谈到现代交通运输业的快速发展，就不得不提到在地下隧道施工建设过程中起着关键作用的泥水平衡盾构，极大地提高了隧道施工安全性和施工效率，尤其是在跨江、越海等地下交通建设过程中泥水平衡盾构在施工过程中发挥着巨大的作用。

近年来随着城市地下超大断面隧道施工需求的急剧增长，超大直径泥水平衡盾构施工技术逐渐引起盾构及掘进技术研究者的重视。针对复杂多变的工程地质环境施工，泥水平衡盾构有其独特的优势和可靠性，尤其是在一些跨江、越海等水下隧道进行盾构选型设计的时候，施工决策者更倾向于泥水平衡盾构，但泥水平衡盾构在装备造价、施工成本等方面都是比其他类型盾构高出很多，所以泥水平衡盾构施工过程泥水仓的泥水平衡控制技术是所有隧道施工技术人员最关心的事情。

但，由于泥水平衡盾构泥水循环系统的气垫仓技术研究局限性，当前的气垫仓控制仍然处于气动控制技术，其控制精度和系统响应能力已不能满足当前超大直径泥水平衡盾构施工过程对气垫仓精确控制的需求。因此，基于泥水平衡盾构气垫仓保压控制系统气动控制的优势，有效结合电子信息化技术，开展泥水平衡盾构双作用气体保压控制系统的研究迫在眉睫。针对泥水盾构双作用气体保压控制系统在盾构施工过程中的特殊性，既满足可靠性要求，又能够提高气体保压控制系统的自动化水平、数据运算精度及控制系统响应速度。基于以上要求进行泥水盾构双作用气体保压控制系统的设计。

通过关键技术研究，利用模糊控制理论技术对压力参数进行相关处理，采用PID、平均值等多种算法进行软件设计，实现泥水盾构双作用气体保压控制系统对气压仓压力平衡的动态控制。

发明内容

本发明的泥水盾构双作用气体保压控制系统从盾构施工过程中进行气压仓保压控制试验。在该试验中采用闭环控制方式，通过利用模糊控制理论技术对压力参数进行相关处理，采用PID、平均值等多种算法进行软件设计，实现泥水盾构双作用气体保压控制系统对气压仓压力平衡的动态控制。该控制系统结构简单，操作方便。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种泥水盾构双作用气体保压控制系统，它包括以并联的方式分别与盾构机气压仓连通的两路气压控制阀组，以及与两路气压控制阀组控制连接的双作用气体保压控制器；

所述两路气压控制阀组结构相同，该气压控制阀组包括电控比例调压阀、以及分别与电控比例调压阀的控制气体出口连通的第一气动控制比例阀和第二气动控制比例阀；所述电控比例调压阀的控制气体进口与控制气源连通，电控比例调压阀的电控执行器与双作用气体保压控制器电连接；所述第一气动控制比例阀的进气口与工作气源连通，第一气动控制比例阀的出气口与盾构机气压仓连通；所述第一气动控制比例阀的定位器与电控比例调压阀的控制气体出口连通，第一气动控制比例阀的执行器与执行气源连通；所述第二气动控制比例阀的进气口与盾构机气压仓连通，第二气动控制比例阀的出气口回流至工作气源，所述第二气动控制比例阀的定位器与电控比例调压阀的控制气体出口连通，第二气动控制比例阀的执行器与执行气源连通；

所述双作用气体保压控制器由电源模块、处理器、通讯模块、I/O模块、A/D模块之间通过背板总线连接组成；所述I/O模块的输入端连接有两个分别控制两路主气路通断的按钮指示控制面板, I/O模块的输入端还连接有两个分别对两路主气路进行压力调节的压力调节面板；所述A/D模块的控制输入端分别连接有用于对两路气压控制阀组的控制气阀值、PID控制器积分参数和PID控制器比例参数进行输入的设定面板；A/D模块的信号输入端分别与两路气压仓压力传感器信号连接，A/D模块的控制电流输出端分别与两路电控比例调压阀的电控执行器电连接。

进一步的，所述通讯模块通过电缆与主控室PLC双向通讯连接，所述主控室PLC与工业电脑双向通讯连接。

进一步的，所述A/D模块的显示端分别连接有两个显示两路气压控制阀组设定压力和实际压力的压力数显表。

本发明的优点是控制系统响应速度快，数据处理能力强，能够根据气压仓压力传感器实时采集数据，通过对这些压力数据的处理，剔除由于环境波动引起的失真数据，在系统响应时间内对动态变化数据进行平均值处理，实时反映气压仓压力变化趋势，达到气压仓压力的动态平衡。进一步提高泥水盾构施工过程气体保压系统的精度和动态响应速度，可以实现如下试验：针对泥水盾构施工过程中气压仓保压测试试验：首先把泥水盾构双作用气体保压控制箱安装在规定区域，按照要求连接好远程控制终端总线电缆及其他控制电缆，组装好主气路及控制气路与电控比例调压阀、气动控制比例进气阀、气动控制比例排气阀的气管连接，然后进行测试前的试验检查，试验设备满足试验条件后，打开气体保压系统供电电源。根据试验要求通过远程控制终端打开本地控制，对1路或2路的压力设定值及控制气阀值等参数进行设置。通过本地1路压力监测单元或2路压力监测单元记录相关试验数据，得到该泥水盾构双作用气体保压控制系统的控制精度等相关数据。

附图说明

图1是本发明的控制系统原理简图。

图中序号：1、工业电脑；2、主控室PLC；3、电源模块；4、处理器；5、通讯模块；6、I/O模块；6-1、按钮指示控制面板；6-2、压力调节面板；7、A/D模块；7-1、设定面板；7-2、气压仓压力传感器；8、压力数显表；9、电控比例调压阀；10、第一气动控制比例阀；11、第二气动控制比例阀；12、盾壳；13、气压仓后隔板；14、盾构机气压仓；15、气压仓前隔板；16、刀盘。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体的实施方式对本发明做更加详细的叙述：

如图1所示，本实施例的泥水盾构双作用气体保压控制系统包括以并联的方式分别与盾构机气压仓14连通的两路气压控制阀组，以及与两路气压控制阀组控制连接的双作用气体保压控制器；

所述两路气压控制阀组结构相同，该气压控制阀组包括电控比例调压阀9、以及分别与电控比例调压阀9的控制气体出口连通的第一气动控制比例阀10和第二气动控制比例阀11；所述电控比例调压阀9的控制气体进口与控制气源连通，电控比例调压阀9的电控执行器与双作用气体保压控制器电连接；所述第一气动控制比例阀10的进气口与工作气源连通，第一气动控制比例阀10的出气口与盾构机气压仓连通；所述第一气动控制比例阀10的定位器与电控比例调压阀9的控制气体出口连通，第一气动控制比例阀10的执行器与执行气源连通；所述第二气动控制比例阀11的进气口与盾构机气压仓连通，第二气动控制比例阀11的出气口回流至工作气源，所述第二气动控制比例阀11的定位器与电控比例调压阀9的控制气体出口连通，第二气动控制比例阀11的执行器与执行气源连通；

所述双作用气体保压控制器由电源模块3、处理器4、通讯模块5、I/O模块6、A/D模块7之间通过背板总线连接组成；所述I/O模块6的输入端连接有两个分别控制两路主气路通断的按钮指示控制面板6-1, I/O模块6的输入端还连接有两个分别对两路主气路进行压力调节的压力调节面板6-2；所述A/D模块7的控制输入端分别连接有用于对两路气压控制阀组的控制气阀值、PID控制器积分参数和PID控制器比例参数进行输入的设定面板7-1；A/D模块7的信号输入端分别与两路气压仓压力传感器7-2信号连接，A/D模块7的控制电流输出端分别与两路电控比例调压阀9的电控执行器电连接；所述通讯模块5通过电缆与主控室PLC 2双向通讯连接，所述主控室PLC 2与工业电脑1双向通讯连接；所述A/D模块7的显示端分别连接有两个显示两路气压控制阀组设定压力和实际压力的压力数显表8。

本实施例具体的说：本发明的泥水盾构双作用气体保压控制系统包括工业电脑、主控室PLC、电源模块、处理器、通讯模块、I/O模块、A/D模块、1路压力设定“+”按钮、1路压力设定“-”按钮、2路压力设定“+”按钮、2路压力设定“-”按钮、1路主气路工作指示灯、1路主气路启动/停止旋钮、2路主气路工作指示灯、2路主气路启动/停止旋钮、1路PID控制器比例参数输入电位器、1路PID控制器积分参数输入电位器、1路控制气阀值设置电位器、1路气压仓压力传感器、2路PID控制器比例参数输入电位器、2路PID控制器积分参数输入电位器、2路控制气阀值设置电位器、2路气压仓压力传感器、1路电控比例调压阀执行器、1路电控比例调压阀阀体、2路电控比例调压阀执行器、2路电控比例调压阀阀体、1路气动控制比例阀1的执行器、1路气动控制比例阀1的定位器、1路气动控制比例阀1的阀体、1路气动控制比例阀2的执行器、1路气动控制比例阀2的定位器、1路气动控制比例阀2的阀体、2路气动控制比例阀1的执行器、2路气动控制比例阀1的定位器、2路气动控制比例阀1的阀体、2路气动控制比例阀2的执行器、2路气动控制比例阀2的定位器、2路气动控制比例阀2的阀体、盾壳、气压仓后隔板、气压仓、气压仓前隔板、刀盘、1路设定压力数显表、1路实际压力数显表、2路设定压力数显表、2路实际压力数显表；

其中，工业电脑、主控制室PLC之间通过总线电缆组成远程控制终端；电源模块、处理器、通讯模块、I/O模块、A/D模块之间通过背板总线组成泥水盾构双作用气体保压控制器；1路压力设定“+”按钮、1路压力设定“-”按钮、2路压力设定“+”按钮、2路压力设定“-”按钮分别通过控制电缆和I/O模块连接，组成压力设定值输入单元；1路主气路工作指示灯、1路主气路启动/停止旋钮、2路主气路工作指示灯、2路主气路启动/停止旋钮分别通过控制电缆和I/O模块连接，组成主气路控制及指示单元；1路PID控制器比例参数输入电位器、1路PID控制器积分参数输入电位器、2路PID控制器比例参数输入电位器、2路PID控制器积分参数输入电位器分别通过控制电缆与A/D模块连接，组成PID控制器控制参数设定单元；1路控制气阀值设置电位器、2路控制气阀值设置电位器分别通过控制电缆与A/D模块连接，组成控制气阀值设定单元；1路气压仓压力传感器、2路气压仓压力传感器分别通过控制电缆与A/D模块连接，组成气压仓压力检测单元；1路电控比例调压阀执行器、1路电控比例调压阀阀体之间通过装配组成1路电控比例调压阀；2路电控比例调压阀执行器、2路电控比例调压阀阀体之间通过装配组成2路电控比例调压阀；1路气动控制比例阀1的执行器、1路气动控制比例阀1的定位器、1路气动控制比例阀1的阀体通过装配组成1路气动控制比例进气阀；1路气动控制比例阀2的执行器、1路气动控制比例阀2的定位器、1路气动控制比例阀2的阀体通过装配组成1路气动控制比例排气阀；2路气动控制比例阀1的执行器、2路气动控制比例阀1的定位器、2路气动控制比例阀1的阀体通过装配组成2路气动控制比例进气阀；2路气动控制比例阀2的执行器、2路气动控制比例阀2的定位器、2路气动控制比例阀2的阀体通过装配组成2路气动控制比例排气阀；气压仓前隔板、气压仓后隔板通过钢结构焊接组成气压仓；1路设定压力数显表、1路实际压力数显表通过控制电缆与A/D模块和电源模块分别连接组成1路压力监测单元、2路设定压力数显表、2路实际压力数显表通过控制电缆与A/D模块和电源模块分别连接组成2路压力监测单元；所述控制系统采用远程终端和本地控制。

其中，所述远程控制终端通过总线电缆与泥水盾构双作用气体保压控制器的通讯模块连接。

其中，所述1路电控比例调压阀执行器、2路电控比例调压阀执行器分别通过控制电缆与泥水盾构双作用气体保压控制器的A/D模块连接。

其中，所述1路电控比例调压阀阀体、2路电控比例调压阀阀体进气口分别通过气管与压力为1.5Bar的压缩空气源连接；其出气口通过气管分别与1路气动控制比例阀1的定位器、1路气动控制比例阀2的定位器、2路气动控制比例阀1的定位器、2路气动控制比例阀2的定位器连接，输出0.2Bar～1.0Bar的压缩空气进行控制。

其中，所述1路气动控制比例阀1的执行器、1路气动控制比例阀2的执行器通过气管分别与1路压力为6.5Bar压缩空气源连接，为1路气动控制比例阀1和2的控制提供动力；2路气动控制比例阀1的执行器、2路气动控制比例阀2的执行器通过气管分别与2路压力为6.5Bar压缩空气源连接，为2路气动控制比例阀1和2的控制提供动力。

其中，所述1路气动控制比例进气阀通过气体管道与压缩空气源连接，1路气动控制比例排气阀通过气体管道与气压仓前隔板连接，通过控制1路气动控制比例进气阀和1路气动控制比例排气阀使气压仓的气压保持在设定值允许的范围之内。

其中，所述2路气动控制比例进气阀通过气体管道与压缩空气源连接，2路气动控制比例排气阀通过气体管道与气压仓前隔板连接，通过控制2路气动控制比例进气阀和2路气动控制比例排气阀使气压仓的气压保持在设定值允许的范围之内。

其中，所述两路保压控制系统是一用一备，可以利用1或2路主气路启动/停止旋钮及主气路工作指示灯进行切换操作及监控，通过远程控制终端设置可以实现压力设定及允许本地操作。

其中，所述泥水盾构双作用气体保压控制系统可以实现泥水盾构气压仓和人舱的压缩空气保压控制。

所述控制系统通过远程控制终端、泥水盾构双作用气体保压控制器、压力设定值输入单元、主气路控制及指示单元、PID控制器控制参数设定单元、控制气阀值设定单元、气压仓压力检测单元、1路电控比例调压阀、2路电控比例调压阀、1路气动控制比例进气阀、1路气动控制比例排气阀、2路气动控制比例进气阀、2路气动控制比例排气阀组成。该控制系统采用闭环控制方式，通过利用模糊控制理论技术对压力参数进行相关处理，采用PID、平均值等多种算法进行软件设计。

实施步骤：

假设有泥水盾构施工气压仓气体保压控制测试要求：

1、有泥水盾构施工气压仓气体保压控制测试需求；

一、试验准备

1、检查控制系统中各控制单元中控制电缆的连接是否正常，如有异常可进行适当处理。确定总电源处于断开状态。

2、检查控制系统中电控比例调压阀、气动控制比例阀是否状态良好，控制气管路及主气路管与电控比例调压阀、气动控制比例阀的组装是否合格。

3、闭合泥水盾构双作用气体保压控制系统供电电源、通过远程控制终端设置本地控制、根据试验要求对控制系统进行一些必要的参数设定。

4、进行泥水盾构施工气压仓气体保压控制测试试验，记录相关参数数据。

二、试验过程

1、针对泥水盾构施工气压仓气体保压控制测试试验：

1）启动气体保压控制系统后，观察PLC处理器、电源模块、通讯模块的状态指示灯的颜色变化，做相关记录；

2）气体保压控制系统进入运行状态后，在泥水盾构主控室通过工业电脑人机界面设置气体保压控制系统本地操作权限，根据试验要求启动1路气体保压控制系统并通过PID控制器控制参数设定单元设置PID控制器参数及控制气阀值，通过1路压力设定值输入单元设置气压仓设定压力；

3）分时段记录（2）中所述相关数据，通过对应数据分析，找出对应关系；

4）待测试试验结束后，依次关闭气压仓进气手动阀和排气阀，使气压仓保持设定压力，确保泥水盾构停止施工过程中气压仓压力稳定，然后关闭、拆除试验的泥水盾构双作用气体保压控制系统，恢复泥水盾构原有的气体保压控制系统。

5）按照上述步骤进行泥水盾构双作用气体保压控制系统中2路保压控制系统在泥水盾构施工气压仓气体保压控制测试试验，并记录相关试验数据。完成针对泥水盾构施工气压仓气体保压控制测试试验。

根据试验得到的启示：

1、可以给予泥水盾构控制系统设计人员以理论指导；

2、可以给予泥水盾构施工管理人员以理论指导；

3、对泥水盾构智能化控制设计的深入研究做好基础工作。

具体控制过程如下：

1、控制系统的处理器能够根据布置在泥水盾构气压仓内的1路气压仓压力传感器实时采集气体压力数据；

2、通过对这些数据的处理，根据1路气体保压系统设定的PID控制器比例、微分参数、设定的控制气阀值及压力设定值进行运算、比较、判断；

3、通过（2）数据运算的结果，控制1路电控比例调压阀来实现对1路气动控制比例进气阀及排气阀的实时控制；

4、按照步骤2、3进行循环控制，达到泥水盾构气压仓压力保持平衡的目的，控制精度可以达到±0.02Bar；

5、按照上述步骤进行泥水盾构双作用气体保压控制系统中2路保压控制系统在泥水盾构施工气压仓气体保压控制测试试验。

本实例表明本控制系统响应速度快，数据处理能力强，能够根据气压仓压力传感器实时采集数据，通过对这些压力数据的处理，剔除由于环境波动引起的失真数据，在系统响应时间内对动态变化数据进行平均值处理，实时反映气压仓压力变化趋势，达到气压仓压力的动态平衡。进一步提高泥水盾构施工过程气体保压系统的精度和动态响应速度，为泥水盾构控制系统设计提供基础数据及理论。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，但请注意：本发明的技术范围并不限定于这些实施方式，而是包括权利要求书中所记载的发明及其均等物。任何本领域的技术人员在不脱离本发明构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种泥水盾构双作用气体保压控制系统，其特征在于：它包括以并联的方式分别与盾构机气压仓（14）连通的两路气压控制阀组，以及与两路气压控制阀组控制连接的双作用气体保压控制器；

所述两路气压控制阀组结构相同，该气压控制阀组包括电控比例调压阀（9）、以及分别与电控比例调压阀（9）的控制气体出口连通的第一气动控制比例阀（10）和第二气动控制比例阀（11）；所述电控比例调压阀（9）的控制气体进口与控制气源连通，电控比例调压阀（9）的电控执行器与双作用气体保压控制器电连接；所述第一气动控制比例阀（10）的进气口与工作气源连通，第一气动控制比例阀（10）的出气口与盾构机气压仓连通；所述第一气动控制比例阀（10）的定位器与电控比例调压阀（9）的控制气体出口连通，第一气动控制比例阀（10）的执行器与执行气源连通；所述第二气动控制比例阀（11）的进气口与盾构机气压仓连通，第二气动控制比例阀（11）的出气口回流至工作气源，所述第二气动控制比例阀（11）的定位器与电控比例调压阀（9）的控制气体出口连通，第二气动控制比例阀（11）的执行器与执行气源连通；

所述双作用气体保压控制器由电源模块（3）、处理器（4）、通讯模块（5）、I/O模块（6）、A/D模块（7）之间通过背板总线连接组成；所述I/O模块（6）的输入端连接有两个分别控制两路主气路通断的按钮指示控制面板（6-1）, I/O模块（6）的输入端还连接有两个分别对两路主气路进行压力调节的压力调节面板（6-2）；所述A/D模块（7）的控制输入端分别连接有用于对两路气压控制阀组的控制气阀值、PID控制器积分参数和PID控制器比例参数进行输入的设定面板（7-1）；A/D模块（7）的信号输入端分别与两路气压仓压力传感器（7-2）信号连接，A/D模块（7）的控制电流输出端分别与两路电控比例调压阀（9）的电控执行器电连接。

2.根据权利要求1所述的泥水盾构双作用气体保压控制系统，其特征在于：所述通讯模块（5）通过电缆与主控室PLC（2）双向通讯连接，所述主控室PLC（2）与工业电脑（1）双向通讯连接。

3.根据权利要求1所述的泥水盾构双作用气体保压控制系统，其特征在于：所述A/D模块（7）的显示端分别连接有两个显示两路气压控制阀组设定压力和实际压力的压力数显表（8）。

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