CN211924163U - 一种盾构机渣车自动出渣控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种盾构机渣车自动出渣控制系统，包括箱体，箱体内设有电源，所述箱体上设有触摸屏，箱体内设有与PLC控制器，电源和触摸屏均与PLC控制器相连接；所述PLC控制器分别与激光位移传感器和超声波传感器相连接，激光位移传感器和超声波传感器设置在盾构机的出渣口，激光位移传感器用于检测渣车内的渣土液位，超声波传感器用于检测渣车的位置；所述PLC控制器通过无线模块与渣车控制器相连接。本实用新型可以实现渣车的自动出渣，节省了人力资源，降低了劳动强度，同时避免了因为人为原因造成渣车装渣过多导致在小车出渣时洒落在轨道上，提高了盾构机的智能化水平，为无人化掘进提供必要的技术支持。

Description

一种盾构机渣车自动出渣控制系统

技术领域

本实用新型涉及盾构智能控制的技术领域，尤其涉及一种盾构机渣车自动出渣控制系统。

背景技术

在隧道和地下工程施工中，盾构机作为常用的设备，出渣方式主要有三种，管道输送、连续皮带机输送和渣车运输三种方式，其中渣车运输在地铁施工中最为常用。渣车出渣需要司机把小车停在盾构机出渣口处，每当渣斗装满后需要司机移动小车把装满渣土的渣斗移出。在出渣过程中需要渣车司机随时观察渣斗液位，装满渣土后还需要和盾构司机沟通才能够更换渣斗，这种出渣方式受到人为因素影响比较大，在掘进过程中需要专人负责此项工作而且因为隧道内的空间影响，渣车司机没有良好的视野来观察渣车液位。

实用新型内容

针对现有盾构机出渣人工劳动强度大，受人为因素影响较大的技术问题，本实用新型提出一种盾构机渣车自动出渣控制系统，可以实现渣车自动移动更换渣斗，减少渣车司机的工作量，为后期智能化掘进提供技术支持。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：一种盾构机渣车自动出渣控制系统，包括箱体，箱体内设有电源，所述箱体上设有触摸屏，箱体内设有与PLC控制器，电源和触摸屏均与PLC控制器相连接；所述PLC控制器分别与激光位移传感器和超声波传感器相连接，激光位移传感器和超声波传感器设置在盾构机的出渣口，激光位移传感器用于检测渣车内的渣土液位，超声波传感器用于检测渣车的位置；所述PLC控制器通过无线模块与渣车控制器相连接。本实用新型通过激光位移传感器实时检测渣车内的渣土是否满的，通过超声波传感器实时检测渣车的运动状态，通过箱体将整个装置固定在盾构机上，通过触摸屏来调节PLC控制器，从而将控制命令通过无线模块传送至渣车控制器，从而实现渣车的启停控制，从而实现盾构机渣车的自动出渣。

进一步地，所述电源为开关电源，开关电源通过第一断路器与PLC控制器相连接；所述开关电源与第二断路器相连接，第二断路器与保险端子相连接，保险端子与市电相连接；所述第二断路器与端子台相连接。开关电源含有变压器功能，所以不需要单独设置变压器，第二断路器可以直接与开关电源相连，不需要再过端子台，端子台的作用是为了与箱体外部接线方便。第一断路器对PLC控制器进行安全保护，从而实现开关电源对PLC控制器的安全供电；通过变压器将市电220V转化为24V的开关电源，端子台方便接线，保险端子对接入的市电进行保护，第二断路器实现对箱体内的电源保护。

进一步地，所述无线模块包括蓝牙模块发射端和蓝牙模块接收端，蓝牙模块发射端与PLC控制器相连接，蓝牙模块发射端与蓝牙模块接收端相匹配，蓝牙模块接收端与渣车控制器相连接。蓝牙模块发射端安装在盾构机上，蓝牙模块接收端设置安装在渣车上，当渣车进入蓝牙模块发射端的区域范围内，通过蓝牙模块接收端与蓝牙模块发射端实现与PLC控制的连接。

进一步地，所述超声波传感器包括第一超声波传感器和第二超声波传感器，第一超声波传感器和第二超声波传感器分别前后固定在盾构机的出渣口的侧部，且第一超声波传感器和第二超声波传感器的高度低于渣车的高度。通过第一超声波传感器和第二超声波传感器的信号从有变无或从无变有来判断渣车是前进状态还是后退状态，从而实现对渣车的位置进行检测。

进一步地，所述激光位移传感器安装在靠近出渣口的顶部。通过激光从皮带机出渣口上部垂直照射到渣土上进行渣车渣斗内渣土液位的判断。

进一步地，所述激光位移传感器、第一超声波传感器和第二超声波传感器的上部均安装有挡泥板。挡泥板可以避免渣土从皮带机上掉落干扰三个传感器的检测效果。

进一步地，所述PLC控制器与报警模块相连接，报警模块包括蜂鸣器，蜂鸣器与PLC控制器相连接。当各个设备没有正常连接或工作，提醒工作人员。

本实用新型的有益效果：通过设置在皮带机出渣口的激光位移传感器实时检测渣车的渣斗内液位，通过超声波传感器实时检测渣车的移动状态，通过PLC控制器根据激光位移传感器和超声波传感器采集的数据进行处理和分析，通过蓝牙技术传送至渣车控制器，从而控制渣车的启动、停车、速度调节和刹车。本实用新型可以实现渣车的自动出渣，节省了人力资源，降低了劳动强度，同时避免了因为人为原因造成渣车装渣过多导致在小车出渣时洒落在轨道上，提高了盾构机的智能化水平，为无人化掘进提供必要的技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1所示激光位移传感器和超声波传感器的安装位置示意图。

图3为本实用新型的工作流程图。

图中，1为箱体，2为激光位移传感器，3为第一超声波传感器，4为第二超声波传感器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种盾构机渣车自动出渣控制系统，包括箱体1，箱体1用于保护其内的电子元器件，箱体1安装在盾构机的出渣口处。箱体1内设有电源，电源为整个控制设备供电。所述箱体1上设有触摸屏，触摸屏上设有启动按钮和关闭按钮，分别用于控制整个系统的开启和关闭。箱体1内设有与PLC控制器，PLC控制器实现渣车运动状态和渣土液位的数据的处理和分析并进行相应的比较运算，设置的阈值存储在存储器内，存储器与PLC控制器相连接，设置的阈值包括激光位移传感器2检测渣车中渣土液位的阈值和超声波传感器检测信号保持的时间等，电源和触摸屏均与PLC控制器相连接；所述PLC控制器分别与激光位移传感器2和超声波传感器相连接，激光位移传感器2和超声波传感器设置在盾构机的出渣口，激光位移传感器用于检测渣车内的渣土液位，超声波传感器用于检测渣车的位置；所述PLC控制器通过无线模块与渣车控制器相连接。

所述电源为开关电源，开关电源通过第一断路器与PLC控制器相连接；所述开关电源与变压器相连接，变压器与端子台相连接，端子台通过第二断路器与保险端子相连接，保险端子与市电相连接。开关电源为24V开关电源，第一断路器为24V断路器，第二断路器为220V短路器。开关电源含有变压器功能，所以不需要单独设置变压器，第二断路器可以直接与开关电源相连，不需要再过端子台，端子台的作用是为了与箱体外部接线方便。

所述无线模块包括蓝牙模块发射端和蓝牙模块接收端，蓝牙模块发射端与PLC控制器相连接，蓝牙模块发射端与蓝牙模块接收端相匹配，蓝牙模块接收端与渣车控制器相连接。蓝牙模块发射端安装在盾构机上，蓝牙模块接收端设置安装在渣车上，当渣车进入蓝牙模块发射端的区域范围内，通过蓝牙模块接收端与蓝牙模块发射端实现与PLC控制的连接。

所述PLC控制器与报警模块相连接，报警模块包括蜂鸣器，蜂鸣器与PLC控制器相连接。报警模块用于当设备异常接入时蜂鸣器进行报警，提醒工作人员注意，当故障解除PLC控制器进行相应的数据运算及命令传输。

皮带机出渣过程中或者在用龙门吊倾倒渣土过程中都会使渣斗外部布满渣土，考虑到接近开关检测距离短当渣车长时间使用后渣斗外侧的渣土容易和渣土小车发生碰撞造成损坏，而对射型激光传感器，因为检测精度很高所以安装要求也要求较高而且施工环境恶劣容易被渣土阻挡导致传感器误判，经过现场考察和分析决定选用检测距离远且抗干扰能力强的超声波传感器用于渣土小车位置检测。渣土小车本身是可以移动的为了判断小车的移动方向，防止在自动出渣控制系统控制渣土小车时运动方向错误，需要判断渣土小车的移动方向，通过实验测试决定安装两个超声波传感器，通过安装问题及检测信号的变化判断小车的移动方向。超声波传感器的型号为邦纳QT50U。

为了能够准确的检测渣车内渣土的液位，选取激光位移传感器，激光位移传感器的型号为邦纳LTF12IC2LD。激光位移传感器从皮带机出渣口上部垂直照射到渣土上进行小车渣斗内渣土液位的判断。如图2所示，激光位移传感器安装在靠近出渣口的顶部。为了检测到渣土的液位，激光位移传感器采取顶部安装的方法，把激光位移传感器尽量靠近出渣口，这样可以更加准确的检测出渣土的液位。皮带机在运行过程中容易发生渣土掉落，为了避免因为渣土从皮带机上掉落干扰传感器的检测需要在激光位移传感器和超声波传感器的上部均安装一个挡泥板。顶部容易掉渣，虽然激光位移传感器向下照射，但是防止泥水在顶部积累过多损坏激光位移传感器，超声波传感器上部安装个挡泥板，可以防止泥水粘连在检测端。激光位移传感器能够自身发生激光，当激光照射到物体表面会发生反射现象，通过检测反射激光与入射激光之间得夹角计算出渣车中渣土的液位。激光位移传感器的顶部安装会导致检测到的渣土液位会从大到小显示，当小于某个值后，就可以认为渣斗已经装满，需要在PLC控制运算中设置一个阈值，当液位小于阈值后，系统可以认为当前渣车已装满需要进行换斗操作。为了更好的适应不同的设备，把这一阈值在上位机上开发，PLC控制器与触摸屏采用PROFINET通讯，在现场使用时可以根据实际情况来自行设置。

渣土小车的姿态及渣土液位通过激光位移传感器的采集后，需要一个采集运算设备进行相关数据的处理和分析，选择西门子PLC控制器进行相关运算的处理，PLC控制器的具体型号为西门子CPU 319-3 PN/DP。运算后的结果需要传输到小车的主控室内控制小车的移动。因为小车是可以运动的，通过硬件连接无法实现，经过测试发现无线蓝牙模块满足设计要求，决定选择无线蓝牙模块作为无线传输介质。无线蓝牙模块发射端安装在盾构机的渣车自动出渣控制系统的箱体内，无线蓝牙模块接收端安装在渣土小车上进行小车侧的控制。

设计一个箱体1方便安装在盾构机上，箱体1内元件构成有：24v开关电源、plc、220v断路器、24v断路器、端子台、保险端子、无线蓝牙模块、触摸屏。220v断路器和24v断路器提供电路安全保护，24v开关电源提供电力，PLC控制器负责数据的采集及运算，端子台方便接线，触摸屏用于数据的显示和输入。在触摸屏上我们可以显示渣车内渣土的液位，可以设置渣土的阈值。可以实时显示超声波传感器的状态、蓝牙模块接收端和蓝牙模块发射端的连接状态、记录当前出渣量等功能。触摸屏的型号为西门子6AV2124-OMC01-OAXO。

所述超声波传感器包括第一超声波传感器3和第二超声波传感器4，第一超声波传感器3和第二超声波传感器4分别前后固定在盾构机的出渣口的侧部，且第一超声波传感器3和第二超声波传感器4的高度低于渣车的高度。通过第一超声波传感器和第二超声波传感器的信号从有变无或从无变有来判断渣车是前进状态还是后退状态，从而实现对渣车的位置进行检测。

为了能够检测到小车的移动状态，需要在盾构机的侧面安装2个超声波传感器即第一超声波传感器和第二超声波传感器，当第一节渣车停到位后，第一个超声波传感器安装在离渣车尾部10cm处，第二个超声波传感器水平安装在第一个超声波传感器右侧20cm处，两个超声波传感器与渣车间距保持在40-50cm。渣车进站后第一超声波传感器3和第二超声波传感器4都会检测到信号发送给PLC控制器，当第一超声波传感器3的信号从有变为无后几秒钟之内如果第二超声波传感器4的信号也从有变为无，可以判断小车是前进状态。当第二超声波传感器信号从有变为无后几秒钟之内如果第一超声波传感器3的信号也从有变为无，可以判断渣车是后退状态。当第一超声波传感器3和第二超声波传感器4的信号都从有变为无后保持几秒钟，可以认为当前渣车为最后一节渣车。当第一超声波传感器3和第二超声波传感器4的信号都从有变为无后保持几秒钟又从无变为有，可以认为当前渣车已到位。每次小车移动做计数存储，当计数到达触摸屏设定值，认为出渣完成，提示司机可以把渣车开出。触摸屏设定值一般需要现场根据拖挂的渣车数量决定，一般挂4节渣车。

该需要控制小车的运动，现在常见的渣车为变频控制可以调速，而且渣车为了安全自带气动刹车系统。自带出渣控制系统需要给渣车的渣车控制器四个信号，分别是启动信号、停止信号、速度调节信号、刹车信号。当渣土小车进入到无线蓝牙模块发射端的区域范围内，无线蓝牙模块接收端会自动连接到自动出渣控制系统的PLC控制器。

如图3所示，本发明的控制逻辑如下：第一步、当渣土小车进站停稳后，司机离开小车按下自动出渣系统的启动按钮，PLC控制器会先检测无线蓝牙模块接收端、激光位移传感器、超声波传感器是否在线，小车停止信号和小车刹车信号正常，如果异常鸣笛通过报警模块提示司机，当故障解除后系统正常运行可以进行出渣操作。第二步、盾构机开始出渣，当激光位移传感器检测到渣土液位达到阈值后，PLC控制器通过蓝牙模块把数据传输到渣土小车主控室内的渣土控制器。第三步、渣土控制器接收到蓝牙模块发送过来的信号后，控制渣车移动，首先松开刹车，然后给变频器启动信号，当变频器运行后自动出渣系统给出一个恒定速度控制小车向前移动。第四步、当超声波传感器检测到小车到位后自动出渣系统停止启动信号，将小车速度设置为零并给出停止信号，当小车变频器停止后，自动出渣系统发出刹车信号渣土控制器停止小车，第五步、重复上述操作直到最后一节渣车装满后，鸣笛通知司机所有渣车已装满可以把小车开出。

正常掘进中，每一环的掘进时间大约在30分钟左右。本发明通过渣车自动出渣控制系统的应用，司机可以在出渣时进行其它工作，可以节省人力资源，降低劳动强度；也可以避免因为人为原因造成渣车装渣过多导致在小车出渣时洒落在轨道上，提高了盾构机的智能化水平，为无人化掘进提供必要的技术支持。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种盾构机渣车自动出渣控制系统，包括箱体（1），箱体（1）内设有电源，其特征在于，所述箱体（1）上设有触摸屏，箱体（1）内设有与PLC控制器，电源和触摸屏均与PLC控制器相连接；所述PLC控制器分别与激光位移传感器和超声波传感器相连接，激光位移传感器和超声波传感器设置在盾构机的出渣口，激光位移传感器用于检测渣车内的渣土液位，超声波传感器用于检测渣车的位置；所述PLC控制器通过无线模块与渣车控制器相连接。

2.根据权利要求1所述的盾构机渣车自动出渣控制系统，其特征在于，所述电源为开关电源，开关电源通过第一断路器与PLC控制器相连接；所述开关电源与第二断路器相连接，第二断路器与保险端子相连接，保险端子与市电相连接；所述第二断路器与端子台相连接。

3.根据权利要求1或2所述的盾构机渣车自动出渣控制系统，其特征在于，所述无线模块包括蓝牙模块发射端和蓝牙模块接收端，蓝牙模块发射端与PLC控制器相连接，蓝牙模块发射端与蓝牙模块接收端相匹配，蓝牙模块接收端与渣车控制器相连接。

4.根据权利要求1所述的盾构机渣车自动出渣控制系统，其特征在于，所述超声波传感器包括第一超声波传感器和第二超声波传感器，第一超声波传感器和第二超声波传感器分别前后固定在盾构机的出渣口的侧部，且第一超声波传感器和第二超声波传感器的高度低于渣车的高度。

5.根据权利要求1或4所述的盾构机渣车自动出渣控制系统，其特征在于，所述激光位移传感器安装在靠近出渣口的顶部。

6.根据权利要求5所述的盾构机渣车自动出渣控制系统，其特征在于，所述激光位移传感器和超声波传感器的上部均安装有挡泥板。

7.根据权利要求1或6所述的盾构机渣车自动出渣控制系统，其特征在于，所述PLC控制器与报警模块相连接，报警模块包括蜂鸣器，蜂鸣器与PLC控制器相连接。

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