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Titel: Elektrohydraulische St euereinrichtung für einen
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Messerschild Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Steuereinrichtung
für einen Messerschild, dessen Vortriebsmesser mittels gegen den Stützrahmen abgestützter
hydraulischer Messerzylinder einzeln oder gruppenweise vorpreßbar sind, mit einem
elektronischen Zentralrechner mit Programmwahlschalter und Anzeigeeinheit und mit
den einzelnen Nesserzylindern zugeordneten, mit Sensoren versehenen intelligenten
Ventilsteuergeräten, die über einem bidirektionalen Datenbus untereinander und mit
da Zentralrechner verbunden sind und Vent ilvorri chtung en zur Druckbeaufschlagung
der Zylinderräume der Nesserzylinder aufweisen.
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Nesserschilde werden für den Vortrieb von Tunnels, Stollen, Unteragestrecken
oder sonstigen Hohlräumen im Erdreich oder auch für den Grabenvortrieb eingesetzt.
Bei den bekannten Messerschilden bildet der Stützrahmen das gemeinsame Wiederlager
für die hydraulischen Messerzylinder, mit deren Hilfe die Votriebsmesser einzeln
oder gruppenweise gegen die Ortsbrust vorpreßbar sind. Sobald ii Zuge der Vortriebsarbeit
sämtliche Vortriebsmesser vorgespreßt sind, wird der Stützrabien nachgeholt, indem
alle Nesserzylinder gleichzeitig in Einschubrichtung hydraulisch beaufschlagt werden.
Bein Nachholen des Stützrahmens finden die Messerzylinder ihr Widerlager an den
stehenden Vortriebsmessern, die ihrerseits im Reibkontakt mit dem umgehenden Gebirge
stehen.
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Um beim Nachziehen des Stützrahmens unerwünschte Schrägstellungen
und Verkantungen desselben zu vermeiden und sicherzustellen, daß sämtliche Messerzylinder
au9 ihren Kolbenstangenseiten im wesentlichen mit gleichen Mengen beaufschlagt werden,
ist es bekannt, die Steuerung der Messerzylinder als Gleichlaufsteuerung auszubilden,
indem in die zu den Zylinderräunen der Messerzylinder führenden hydraulischen Anschlußleitungen
Stromregelventile eingeschaltet werden.
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Aus der DE-OS 25 46 755 ist eine Messerschild-Steuerung bekannt, bei
der das hydraulische Druckversorgungssystem mehrere, Jeweils von einem eigenen Motor
angetrieben., Pumpen umfaßt, an deren Pumpenausgänge die einzelnen Messerzylinder
über Stromteilungsventile anschließbar sind.
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Der Bauaufwand solcher Nesserschild-Steuerungen ist verhältnismäßig
groß.
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Bei einer anderen bekannten Messerschild-Steuerung nach der DE-OS
30 19 374 sind die Steuerventile der Messerzylinder eingangsseitig einerseits an
eine Teilstrom-Druckleitung und andererseits an eine mehrere Teilströme zusammenfassende
Sammeldruckleitung eines Mehrstrompumpenaggregates angeschlossen, wobei durch Schaltbetätigung
der Steuerventile wahlweise der Kolbenraum des zugeordneten Messerzylinders mit
der Sammeldruckleitung und der Ringraum des Messerzylinders mit der Teilstro-Druckleitung
verbindbar ist. Hiermit ist es nöglich, die Vortriebsmesser durch Anschluß der Messerzylinder-Kolbenräume
an die Sammeldruckleitung des Mehrstroipu eiaggregates mit verhältnismäßig großer
Vorschubgeschwindigkeit vorzupressen und den Stützrahien durch Anschluß der Nesserzylinder-Ringräume
an die Teilstrom-Druckleitungen des Mehrstrompumpenaggregates mit kleiner Geschwindigkeit
nachzuziehen. Dabei läßt sich ohne Verwendung von Stromregelventilen eine Gleichlaufsteuerung
werwirklichen, da
für das Nachziehen des Stützrahmens sämtliche
Messerzylinder-Ringräume durch die gleichen Mengen-Teilströme des gemeinsamen Mehrstrompumpenaggregates
beaufschlagt werden.
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Schließlich ist aus der DE-OS 30 19 290 eine mit Stronregelventilen
arbeitende Messerchild-Gleichlaufsteuerung bekannt, bei der für den Vorschub der
Vortriebsmesser und für das Nachziehen des Stützrehmens mit hohen hydraulischen
Arbeitsdrücken gearbeitet werden kann, ohne daß hierbei aber die Stroiregelventile
diesen hohen Ärbeitsdrücken ausgesetzt werden. Die Stromregelventile sind in die
Kolbenräume der Messerzylinder mit den rücklaufverbindenden Leitungen angeordnet,
die von die Schaltventile mit den Kolbenräunen verbindenden Druckleitungen Überbrückt
werden. Dabei sind den Stromregelventilen besondere Sperrventile vorgeschaltet,
die bei Druckbeaufschlagung der Ringräume der Messerzylinder selbsttätig entsperrbar
sind.
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Neuerdings ist auch eine elektrohydraulische Steuereinrichtung für
einen Nesserschild vorgeschlagen worden, bei der sämtliche Arbeitsbewegungen beim
Vorschub der Vortriebsmesser und beim Nachziehen des Stützrahmens von einei Zentralrechner
mit Programmwahl gesteuert werden. Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche elektrohydraulische
Messerschild-Steuerung bei möglichst einfachem und betriebssicherem Gesaitaufbau
so auszugestalten, daß sämtliche Arbeitsfunktionen einschließlich dei Funktionen
der Richtungssteuerung des Messerschildes bei allen in Betracht kommenden Einsatzfällen
zuverlässig durchgeführt werden können.
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Mit der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Messerzylinder
als Bestandteil ihrer intelligenten Ventilsteuergeräte sowohl ihren Kolbenstangenweg
abtastende Sensoren als auch den hydraulischen Druck in ihrem Kolben- und Ringraum
abtastende Sensoren aufweisen, und
daß die eine Hubregelung der
Messerzylinder bewirkenden Mikrocomputer der intelligenten Ventilsteuergeräte einen
die Istwertsignale der Sensoren speichernden Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM)
und einen das Steuerprogramm beinhaltenden Speicher (ROM) aufwei sn. Die Weg- und
Sollwerte werden vom Zentralrechner geliefert und ebenfalls ins RAM übernommen.
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Die erfindungsgeaäße Messerschild-Steuereinrichtung umfaßt als Hauptteile
einen übergeordneten Zentralrechner (Steuerrechner) sowie die den einzelnen Vortriebsmessern
zugeordneten intelligenten Ventilsteuergeräte, die sowohl untereinander als auch
mit dem Zentralrechner über einen gemeinsamen seriellen, bidirektionalen Datenbus
verbunden sind. Dieser Datenbus ist "line monitored11, d.h. er wird ständig auf
Bruch und Störungen überwacht.
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Das Datenaustauschprinzip besteht im wesentlichen aus einem Frage-
und Antwort spiel zwischen Zentralrechner und den intelligenten Ventilsteuergeräten.
Im Zentralrechner ist das Sollverhalten des Messerschildes abgespeichert. Über eine
Anzeigeeinheit kann Jederzeit der Istzustand angezeigt werden. Der Zentralrechner
sendet die Sollwerte an die intelligenten Ventilsteuergeräte, die die eigentliche
Regelung der Messerzylinder vornehmen. Über die kontinuierliche Weg- und Druckabtastung
der einzelnen Messerzylinder lassen sich alle Steuervorgänge durch Istwert- Sollwert
vergleich geregelt durchftibren, so daß die in der Praxis beim Messerschildvortrieb
vorkommenden Arbeitsvorgänge zuverlässig durchgeführt werden können. Dabei erdglicht
die kontinuierliche Druck- und Wegabtastung der Messerzylinder eine Anpassung der
M.sserschild-Betriebiweise an die Jeweilige Betriebssituation, so daß insbesondere
beim Nachholen des Stützrahmens wahlweise mit Gleichlauf oder mit gezieltem Ungleichlauf
(bei Kurvenfahrt) gearbeitet werden kann. Dabei lassen sich die Kolben- und Ringräume
der einzelnen Nesserzylinder
an Anpassung an die Jeweiligen betrieblichen
Gegebenheiten differenziert so vom hydraulischen Druckmedium beaufschlagen, daß
beim Vorpressen der Vortriebsmesser der gemeinsa-10 Stützrahmen nicht zurückgeschoben
oder beim Nachziehen des Stützrabmens der Reibkontakt zwischen den Vortriebsmesserin
und dei umgebenden Gebirge nicht überschritten und dadurch die Vortriebsmesser unbeabsichtigt
gegenüber dem stehenden Stützrahinen zurückgezogen werden.
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Die Ventilvorrichtungen können aus Servoventilen oder sogenannten
Schwarz-Weiß-Ventilen bestehen, die stufenweise, z.B. bei 40 bis 120 Impulsen Je
Minute Je nach der gewünschten oder erforderlichen Genauigkeit des Gleichlauf, Druckmedium
den Zylinderräumen zuführen. Hierbei bestimmt der langsamste Zylinder die Gleichlauigeschwindigkeit.
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Vorzugsweise wird die Anordnung so getroffen, daß Jedes intelligente
Ventilsteuergerät in einer, zweckmäßig am zugeordneten Messerzylinder angebauten
Baueinheit, neben der Ventilvorrichtung, den Sensoren und den Speichern (ROM/RAM)
einen Digital-Analogumsetzer für die von den Sensoren abgetasteten Istwerte aufweist,
der über den internen Datenbus mit dem Mikrocomputer und den Speichern verbunden
ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit des in der Zeichnung
anhand eines BlockschaltbIldes dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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In des dargestellten Blockschaltbild ist nur ein einziges intelligentes
Ventilsteuergerät eines Messerzylinders zusammen mit da Zentralrechner gezeigt.
Es versteht sich, daß Jedem einzelnen Messerzylinder des Messerchildes ein entsprechendes,
an dem gemeinsamen Zentralrechner angeschlossenes intelligentes Ventilsteuergerät
zugeordnet ist.
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Die gesamte Messerschild-Steuerung besteht demgemäß aus einem übergeordneten
Steuerrechner, dem sogenannten Zentralrechner
1 und den einzelnen
intelligenten Ventilsteuergeräten 2, die sowohl untereinander als auch mit dem Zentralrechner
1 über einen gemeinsamen, seriellen, bidirektionalen Datenbus 3 verbunden sind,
der im Betrieb ständig auf Bruch und Störungen überwacht wird. Das Datenaustauschprinzip
besteht im wes tlichen aus eine Frage-und Antwort spiel zwischen Zentralrechner
1 und den einzelnen Ventilsteuergeräten 2. Im Zentralrechner ist das Sollverhalten
des Messerschildes abgespeichert. Über oine Anzeigeeinheit des Zentralrechners kann
Jederzeit der Istzustand angezeigt werden. Der Zentralrechner sendet bei Messerschildvortrieb
Sollwerte an die intelligenten Ventilsteuergeräte 2, die die eigentlich. Regelung
der (nichtdargestellten) Nesserzylinder vornehmen. Es wird demgemäß mit einer hierarchisch
dezentralen Steuerung gearbeitet.
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Die Ventilsteuergeräte 2 sind Jeweils an einem hydraulischen Messerzylinder
angeordnet. Sie weisen drei Sensoren 4, 5 und 6 auf, von denen der Sensor 5 den
Weg der Kolbenstange, d.h. den Hub des Messerzylinders abtastet, während die beiden
anderen Sensoren 4 und 6 die Drücke im Kolbenraum und im Ringraum des Messerzylinders
erfassen. Die von den drei Sensoren 4, 5 und 6 abgegebenen Signale werden zeitsequentiel
über einen Multiplexer 7 ein« Abtast- und Halteglied 8 zugeführt. Dieser Schaltkreis
tastet die ankommenden Sensorwerte ab und gibt sie an einen Analog/Digital-Umsetzer
9 weiter, der die Analogwerte in binäre Zahlen umsetzt, die dann über eine PortbausteinlO
von einem Nikroprozessor (CPU) 11 auf den internen Datenbus 12 des Ventilsteuergerätes
geholt werden. Die umgesetzten Sensordaten werden dann in bestimmte Speicherstellen
eines Speichers mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 13 geschrieben, wo sie da Mikroprozessor
11 ständig zur Verfügung stehen. Die Abfrage, Umsetzung und Abspeicherung der Daten
geschehen im Betrieb fortlaufend, so daß ständig die aktuellen Druckverhältnisse
des Messerzylinders und die Wegedaten seiner
Kolbenstange im Speicher
13 vorhanden sind.
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Den Mikroprozessor 11 ist außerdem ein Nur-Lese-Speicher (ROM) 14
zugeordnet, der die verschliedenen Regelprogramme enthielt. Ein Adreßbus 15 verbindet
den Mikroprozessor 11 mit dem Portbaustein 10 und über eine universellen asynchronen
Empfänger/Sender (UART) 16 und eine Ankoppeleinheit 17 mit dem externen Datenbus
3.
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Jedes intelligente Ventilsteuergerät 2 weist außerdem in Baueinheit
mit den vorgenannten Elementen eine Ventllvorrichtung 18 auf, über die wahlweise
der Kolbenraum oder der Zylinderraum des zugeordneten Messerzylinders mit des hydraulischen
Druckmedium beaufschlagbar ist. Der Ventil-Vorrichtung zugeordnet ist ein Ventilverstärker
19, dessen Eingang mit einem A/D-Umsetzer 20 verbunden ist, der seinerseits eingansseitig
an eine Portausgabe 21 angeschlossen ist, die mit dem internen Datenbus 12 und dem
Adreßbus 15 in Verbindung steht. Mit 22 ist ein Porbaustein bezeichnet. Der Prozessor
11 steuert über diesen Portbaustein die Elemente 7, 8, 9 und 20.
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Im Messerschildbetrieb sendet der Zentralrechner 1 über den bidirektionalen
Datenbus 3 ein serielles Bitmuster, das dem intelligenten Ventilsteuergerät 2 mitteilt,
welcher Arbeitsschritt als nächster geschehen soll. Dieses Bitmuster hat fogenden
Aufbau: Redundanz-Wert-Befehl-Adresse. Die Adresse gilt für das angesprochene Ventilsteuergerät.
Der Befehl teilt diesem Ventilsteuergerät mit, was es mit den folgenden Wert anfangen
soll, und die Redundanz dient zur Datenübertragungssicherheit, um die Zuverlässigkeit
der Datenübertragung zu erhöhen, Hat das angesprochene Ventilsteuergerät 2 seine
Adresse auf der Datenleitung erkannt, so gelangen die Informationsbits über die
Ankopeleinheit 17 und den UART 16 seriell
parallel gewandelt auf
den internen Datenbus 12. Der Mikroprozessor 11 prüft nun die Daten per Programm
(Speicher 14) auf Plausibilität und Formatfehler. Danach sendet das Ventilsteuergerät
2 seinerseits eine Rückieldung an den Zentralrechner 1 mit folgendem Aufbau: Redundanz-Wert-Status-Adresse.
Die Adresse ist erforderlich, damit der Zentralrechner 1 das sendende Ventilsteuergerät
2 identifizieren kann. Der Status gibt an, was der nachfolgende Wert darstellt.
Die Redundanz dient zur Datensicherheit. Ii Status ist ebenfalls enthalten, ob die
Daten des Zentralrechners 1 von dem Ventilsteuergerät 2 richtig empfangen worden
sind. War dies nicht der Fall, so wird der Zentralrechner 1 aufgefordert, diese
Daten nochmals zu senden. Werden die Daten z.B. dreimal nicht richtig erkannt oder
werden Plausibilitäts- oder Formatfehler entdeckt, so wird die Übertragungsstrecke
als gestört erklärt und ein Fehler as Zentralrechner 1 angezeigt.
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Werden die Daten als richtig und sinnvoll erkannt, werden in der Rückmeldung
des Ventilsteuergerätes 2 dem Zentralrechner 1 die tatsächlichen Istwerte des Kolbenstangenweges
und der Druckverhältnisse in den Zylinderräumen des Nesserzylinders mitgeteilt.
Danach beginnt das intelligente Ventilsteuergerät 2 mit der Ausführung des Befehls.
Es regelt nun die Differenz zwischen des in Speicher 13 vorhandenen Istwert und
dos empfangenen Sollwert aus. Das Steuergerät 2 benötigt hierzu nicht die Hilfe
des Zentralrechners 1. Dieser sendet seine Informationen an das nächste Ventilsteuergerät
usw.
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Das intelligente Ventilsteuergerät regelt nun nach bestimmten Regleralgorithmen
den Stand der Kolbenstange und die Druckverhältnisse in den Zylinderräumen des Messerzylinders.
Die ausgerechneten Stellgrößen gelangen von dem Mikroprozessor 11 auf den internen
Datenbus 12,
über den Ausgabeportbaustein 22 an den D/A-Umsetzer
7 und von dort an den Ventilverstärker 19. Die z.B. als Proportionalventil ausgebildete
Ventilvorrichtung 18 beaufschlagt dann den zugeordneten Messerzylinder entsprechend
den Stellgrößen.
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Da die einzelnen intelligenten Steuergeräte 2 ihre Istzustände laufend
dem Zentralrechner 1 mitteilen, kann dieser den Gesamt zustand des Messerschildes
an seiner Anzeigeeinheit aufzeigen und die neuen Sollwerte mittels eines übergeordneten
Regelprogramms rechnen. Mit diesel Verfahren ist es somit möglich, den gesamten
Betriebsablauf eines Messerschildes in Anpassung an die Jeweilige Betriebssituation
nach einz vorgegebenen Programm zu steuern und dabei nach Bedarf beim Nachziehen
des Stützrabmens des Messerschildes mit einem absoluten Gleichlauf oder beim Durchfahren
von Kurven mit einem vorgegebenen Uhgleichlaui zu arbeiten. Aufgrund der kombinierten
programmgesteuerten Wegregelung und Druckregelung wird der Gleichlauf gesichert
und gewährleistet, daß beim Nachziehen des Stützrahmens der Messermantel nicht unbeabsichtigt
zurückläuft. Die gesamte Messerschild-Steuerung läßt sich im Vollautomatikbetrieb
durchführen.
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Für die Ventilvorrichtungen 18 können herkömmliche Serrovaetile oder
auch sogenannte Schwarz-Weiß-Ventile Verwendung finden, die stufenweise (z.B. 40
bis 20 Impulse Je Minute) Je nach gewunschter oder erforderlicher Genauigkeit des
Gleichlaufs, Druckmittel den einzelnen Zylinderräumen der Messerzylinder zuführen.
Wie erwähnt, bilden die Ventilvorrichtungen eine Baueinheit mit den Ventilsteuergeraten
2, die zweckmäßig an den Zylinderteilen der einzelnen Messerzylinder angebaut werden.
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