矩形盾構機土壓平衡控制系統及其方法
【專利摘要】本發明提供了一種矩形盾構機土壓平衡控制系統，用以對配備雙螺旋輸送機的矩形盾構機進行土壓平衡控制，包括了交互操作設備、計算機PLC主站、液壓泵站和土壓力傳感器，所述計算機PLC主站與所述交互操作設備連接，所述土壓力傳感器設于盾構機的土倉，所述計算機PLC主站根據所述土壓力傳感器傳輸而來的數據通過所述液壓泵站控制兩個所述螺旋輸送機的運作。本發明一方面利用土壓力傳感器和計算機PLC主站之間的信息傳遞，實時地針對土倉土壓的情況進行反饋控制，另一方面，對于螺旋輸送機轉速的控制，本發明引入了計算機PLC主站與液壓泵站的組合使用，運用液壓驅動液壓比例閥控制變量泵的技術，使得土壓的控制更靈敏、更快速、更可靠。
【專利說明】矩形盾構機土壓平衡控制系統及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及矩形盾構機的創新，尤其涉及一種矩形盾構機土壓平衡控制系統及其方法。
【背景技術】
[0002]通常的圓形或者小截面的土壓平衡盾構機是一種用于軟土地下隧道工程開挖的技術密集型重大工程裝備。通常都采用一臺螺旋輸送機進行排土輸送，主要作用是將盾構機泥土倉內刀盤切削下來的泥土排出盾體，并控制和保持土壓平衡，是土壓平衡盾構機的重要組成部分。
[0003]大截面矩形盾構機由于其截面較大，如采用一臺螺旋輸送機進行排土輸送則無法滿足施工排土的需求，故需采用二臺螺旋輸送機(即雙螺旋輸送機)來進行排土輸送，這使得土壓平衡系統控制的難度將大大增加，對土壓平衡的自動控制提出了更高的要求。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是提供一種能迎合雙螺旋輸送機排土輸送要求的矩形盾構機土壓平衡控制系統及其方法。
[0005]為了解決這一技術問題，本發明提供了一種矩形盾構機土壓平衡控制系統，用以對配備雙螺旋輸送機的矩形盾構機進行土壓平衡控制，包括了交互操作設備、計算機PLC主站、液壓泵站和土壓力傳感器，所述計算機PLC主站與所述交互操作設備連接，所述土壓力傳感器設于盾構機的土倉，所述計算機PLC主站根據所述土壓力傳感器傳輸而來的數據通過所述液壓泵站控制兩個所述螺旋輸送機的運作。
[0006]所述矩形盾構機土壓平衡控制系統還包括了電氣控制柜，所述計算機PLC主站通過所述電氣控制柜與所述液壓泵站連接。
[0007]所述液壓泵站包括兩個電機液壓泵和兩個液壓比例閥，兩個電機液壓泵分別與所述兩個所述液壓比例閥連接，所述兩個電機液壓泵均與所述計算機PLC主站連接，所述兩個液壓比例閥分別與兩個所述螺旋輸送機連接。
[0008]所述矩形盾構機土壓平衡控制系統還包括了計算機PLC從站，設于盾構機的推進千斤頂上的行程速度傳感器以及設于所述螺旋輸送機上的轉速傳感器，所述行程速度傳感器和轉速傳感器均通過所述計算機PLC從站與所述計算機PLC主站連接。
[0009]所述矩形盾構機土壓平衡控制系統還包括設于地面上的全站儀設備，所述全站儀設備與所述計算機PLC主站連接。
[0010]所述交互操作設備包括操作臺和觸摸屏。
[0011]本發明還提供了一種矩形盾構機土壓平衡控制方法，采用了本發明提供的矩形盾構機土壓平衡控制系統，還提供了設于盾構機的推進千斤頂上的行程速度傳感器、設于所述螺旋輸送機上的轉速傳感器以及設于地面上用以檢測沉降狀況的全站儀設備；
[0012]首先，先設定土壓的目標值，在掘進過程中，所述計算機PLC主站根據所述土壓力傳感器、行程速度傳感器、轉速傳感器和全站儀設備傳輸而來的數據計算出土倉的土壓檢測值與土壓的目標值之間的差值；
[0013]當所述土壓力傳感器檢測到土倉內的土壓檢測值大于目標值時，則通過所述計算機PLC主站加大所述螺旋輸送機的轉速，直至土倉內的土壓檢測值達到目標值；當所述土壓傳感器檢測到土倉內的土壓檢測值小于目標值時，則通過所述計算機PLC主站減小所述螺旋輸送機的轉速，直至土倉內的土壓檢測值達到目標值。
[0014]可選的，在加大或減小所述螺旋輸送機的轉速時，操作人員在所述交互操作設備上實施操作，通過所述計算機PLC主站分別手動控制兩個所述螺旋輸送機的轉速。
[0015]可選的，在加大或減小所述螺旋輸送機的轉速時，所述計算機PLC主站自動根據所述土壓力傳感器、行程速度傳感器、轉速傳感器和全站儀設備傳輸而來的數據分別自動控制兩個所述螺旋輸送機的轉速。
[0016]在自動控制的過程中，所述計算機PLC主站還根據預設的PID算法以及操作人員輸入的PID參數進行轉速控制命令的自動生成。
[0017]本發明提供了一種矩形盾構機土壓平衡控制系統和方法，一方面，利用土壓力傳感器和計算機PLC主站之間的信息傳遞，本發明可以實時地針對土倉土壓的情況進行反饋控制，另一方面，對于螺旋輸送機轉速的控制，本發明引入了計算機PLC主站與液壓泵站的組合使用，運用液壓驅動液壓比例閥控制變量泵的技術，使得土壓的控制更靈敏、更快速、
更可靠。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明實施例1提供的矩形盾構機土壓平衡控制系統的結構示意圖；
[0019]圖2是本發明實施例1提供的矩形盾構機土壓平衡控制系統的系統示意圖；
[0020]圖3是本發明實施例1提供的矩形盾構機土壓平衡控制方法的手動控制模式下的流程示意圖；
[0021]圖4是本發明實施例2提供的矩形盾構機土壓平衡控制方法的自動控制模式下的流程示意圖；
[0022]圖5和圖6是本發明實施例1與實施例2中觸摸屏的示意圖；
[0023]圖7是本發明實施例1與實施例2中操作臺的示意圖；
[0024]圖8和圖9是本發明實施例1與實施例2中矩形盾構機土壓平衡控制方法的示意圖；
[0025]圖10是本發明實施例2中自動模式下的矩形盾構機土壓平衡控制方法的示意圖；
[0026]圖中，1-土倉；2_土壓力傳感器；3_轉速傳感器；4_行程速度傳感器；5_推進千斤頂；6_螺旋輸送機；7_計算機PLC從站；8_交互操作設備；801_觸摸屏；802_操作臺；9-計算機PLC主站；10_電氣控制柜；11_液壓泵站；12_液壓比例閥；13_全站儀設備。
【具體實施方式】
[0027]以下將結合圖1至圖10通過兩個實施例對本發明提供的矩形盾構機土壓平衡控制系統和方法進行詳細的描述，其為本發明兩可選的實施例，可以認為本領域的技術人員在不改變本發明精神和內容的范圍內，能夠對其進行修改和潤色。
[0028]請參考圖1和圖2，本實施例提供了一種矩形盾構機土壓平衡控制系統，用以對配備雙螺旋輸送機的矩形盾構機進行土壓平衡控制，包括了交互操作設備8、計算機PLC主站
9、液壓泵站11和土壓力傳感器2，所述計算機PLC主站9與所述交互操作設備8連接，所述土壓力傳感器2設于盾構機的土倉I，所述計算機PLC主站9根據所述土壓力傳感器2傳輸而來的數據通過所述液壓泵站11控制兩個所述螺旋輸送機6的運作。
[0029]所述矩形盾構機土壓平衡控制系統還包括了電氣控制柜10，所述計算機PLC主站9通過所述電氣控制柜10與所述液壓泵站11連接。
[0030]所述液壓泵站11包括兩個電機液壓泵和兩個液壓比例閥12，兩個電機液壓泵分別與所述兩個所述液壓比例閥12連接，所述兩個電機液壓泵均與所述計算機PLC主站9連接，所述兩個液壓比例閥12分別與兩個所述螺旋輸送機6連接。
[0031]所述矩形盾構機土壓平衡控制系統還包括了計算機PLC從站7，設于盾構機的推進千斤頂5上的行程速度傳感器4以及設于所述螺旋輸送機6上的轉速傳感器3，所述行程速度傳感器4和轉速傳感器3均通過所述計算機PLC從站7與所述計算機PLC主站9連接。所述矩形盾構機土壓平衡控制系統還包括設于地面上的全站儀設備13，所述全站儀設備13與所述計算機PLC主站9連接。全站儀設備13可以包括了全站儀與測量靶，通過全站儀對測量靶的檢測實現工作軸線的測量。
[0032]本實施例采用控制計算機PLC主站9、計算機PLC從站7和MITSUBISHI NET局域網控制技術。將用于土壓平衡的雙PID控制程序寫入計算機PLC主站9，由其發出控制指令，使液壓泵站11工作。通過液壓比例閥12驅動雙螺旋輸送機6旋轉，進行排土作業。采用土壓力傳感器2來檢測泥土倉I內左右兩邊以及整體的土壓力，并同時將推進千斤頂5推進的速度和全站儀設備13所測地面沉降狀況，通過計算機PLC從站7將這些數據反饋給計算機PLC主站9，進行處理并計算出與操作目標值(管理土壓值)的差值，通過手動或自動模式調整雙螺旋輸送機6轉速的控制指令值，保持土壓平衡。
[0033]對于細節的設置，在本實施例中，所述交互操作設備8包括觸摸屏801與操作臺802，所述觸摸屏801與操作臺802均與所述計算機PLC主站9連接。所述交互操作設備8、計算機PLC主站9、電氣控制柜10和液壓泵站11均設于盾構機的臺車上。液壓泵站11通過液壓驅動油管連接所述螺旋輸送機6，計算機PLC主站9與計算機PLC從站7之間通過MITSUBISHI NET網絡通信電纜連接，電氣控制柜10分別通過驅動電纜與所述計算機PLC主站6以及液壓泵站11連接，行程速度傳感器4、轉速傳感器3和所述土壓力傳感器2均通過傳感器電纜與所述計算機PLC從站7連接。本實施例在系統中采用計算機PLC主站6、MITSUBISHI NET網絡和計算機PLC從站9等控制技術。可遠程自動檢測、采集施工和液壓系統的工作數據，發出控制指令，實現土壓平衡的控制。
[0034]本實施例在盾構機的泥土倉壁安裝了 8個土壓力傳感器2，可精確地檢測泥土倉I內各個位置的土壓力，將這些數據反饋給計算機PLC主站9，為土壓平衡提供了控制數據。本實施例利用在推進千斤頂5上安置的行程速度傳感器4，將這些數據作為土壓平衡控制的參考依據。本實施例還在地面上安置了全站儀設備13，可精確測量地面沉降數據，將這些數據作為土壓平衡控制目標值(管理土壓值)的設定依據。該矩形盾構機土壓平衡控制系統具有控制方案合理、方式創新、方法全面、形式可靠和操作方便等特點。[0035]本實施例還提供了一種矩形盾構機土壓平衡控制方法，采用了本實施例提供的矩形盾構機土壓平衡控制系統；
[0036]請參考圖8和圖9，并結合圖3和圖4，首先，先設定土壓的目標值，即管理土壓值；在掘進過程中，所述計算機PLC主站根據所述土壓力傳感器、行程速度傳感器、轉速傳感器和全站儀設備傳輸而來的數據計算出土倉的土壓檢測值與土壓的目標值之間的差值；
[0037]當所述土壓力傳感器檢測到土倉內的土壓檢測值大于目標值時，則通過所述計算機PLC主站加大所述螺旋輸送機的轉速，直至土倉內的土壓檢測值達到目標值；當所述土壓傳感器檢測到土倉內的土壓檢測值小于目標值時，則通過所述計算機PLC主站減小所述螺旋輸送機的轉速，直至土倉內的土壓檢測值達到目標值。
[0038]在這一控制方法的基本理念下，本實施例還進一步列舉了在手動控制模式下的矩形盾構機土壓平衡控制方法，主要用于初始掘進和復雜應急狀況的處理。請參考圖3，并結合圖5至圖7，在加大或減小所述螺旋輸送機的轉速時，操作人員在所述交互操作設備上實施操作，通過所述計算機PLC主站分別手動控制兩個所述螺旋輸送機的轉速。在手動模式時，可操作臺控制面板上的旋鈕，調節控制液壓比例閥的開度，人工控制雙螺旋輸送機轉速，達到土壓平衡的目的。
[0039]在手動模式時，可對泥土倉內由各種外部因素所引起的土壓力偏離目標值，產生偏差進行手動調節，能分別地對左右二臺雙螺旋輸送機進行單獨轉速操縱控制。可用于初始掘進階段和復雜土層掘進時的土壓平衡控制，能方便地應對復雜狀況的緊急處置。
[0040]實施例2
[0041]本實施例與實施例的區別僅在于，本實施例進一步列舉了自動控制模式下的矩形盾構機土壓平衡控制方法，至于控制方法的基本邏輯以及所采用的矩形盾構機土壓平衡控制系統與實施例1是一致的。
[0042]在本實施例中，即自動控制模式下，請參考圖4和圖10，在加大或減小所述螺旋輸送機的轉速時，所述計算機PLC主站自動根據所述土壓力傳感器、行程速度傳感器、轉速傳感器和全站儀設備傳輸而來的數據分別自動控制兩個所述螺旋輸送機的轉速。在自動控制的過程中，所述計算機PLC主站還根據預設的PID算法以及操作人員輸入的PID參數進行轉速控制命令的自動生成。
[0043]每個螺旋輸送機所對應的PID參數包括了周期、比例定數、積分定數、微分定數和過濾系數。
[0044]自動控制模式采用預設的計算機雙PID-1/2算法以及綜合處理運算，并且研究了手動整定與自動整定PID參數相結合的算法來完成土壓平衡控制。特別是自整定PID算法可以在控制過程中自動完成參數的整定，然后用整定得到的參數對過程進行控制。這樣既能簡化系統投運，又能優化控制品質，很好地滿足了在雙螺旋輸送機的狀態下，對自動控制土壓平衡的要求，使地面沉降得到有效控制，保證了盾構機的平穩掘進施工。
[0045]綜合兩個實施例來看，對左右二臺螺旋輸送機可分別進行單獨控制，也可進行聯合控制。可根據施工狀況分別選擇各自的工作模式:手動或自動模式。在自動模式時，可各自選擇手動整定或自動整定PID參數的算法來完成土壓平衡控制。
[0046]綜上所述，本發明提供了一種矩形盾構機土壓平衡控制系統和方法，一方面，利用土壓力傳感器和計算機PLC主站之間的信息傳遞，本發明可以實時地針對土倉土壓的情況進行反饋控制，另一方面，對于螺旋輸送機轉速的控制，本發明引入了計算機PLC主站與液壓泵站的組合使用，運用液壓驅動液壓比例閥控制變量泵的技術，使得轉速的控制更靈敏、更快速、更可靠。
【權利要求】
1.一種矩形盾構機土壓平衡控制系統，用以對配備雙螺旋輸送機的矩形盾構機進行土壓平衡控制，其特征在于:包括了交互操作設備、計算機PLC主站、液壓泵站和土壓力傳感器，所述計算機PLC主站與所述交互操作設備連接，所述土壓力傳感器設于盾構機的土倉，所述計算機PLC主站根據所述土壓力傳感器傳輸而來的數據通過所述液壓泵站控制兩個所述螺旋輸送機的運作。
2.如權利要求1所述的矩形盾構機土壓平衡控制系統，其特征在于:還包括了電氣控制柜，所述計算機PLC主站通過所述電氣控制柜與所述液壓泵站連接。
3.如權利要求1所述的矩形盾構機土壓平衡控制系統，其特征在于:所述液壓泵站包括兩個電機液壓泵和兩個液壓比例閥，兩個電機液壓泵分別與所述兩個所述液壓比例閥連接，所述兩個電機液壓泵均與所述計算機PLC主站連接，所述兩個液壓比例閥分別與兩個所述螺旋輸送機連接。
4.如權利要求1所述的矩形盾構機土壓平衡控制系統，其特征在于:還包括了計算機PLC從站，設于盾構機的推進千斤頂上的行程速度傳感器以及設于所述螺旋輸送機上的轉速傳感器，所述行程速度傳感器和轉速傳感器均通過所述計算機PLC從站與所述計算機PLC主站連接。
5.如權利要求1所述的矩形盾構機土壓平衡控制系統，其特征在于:還包括設于地面上用以檢測沉降狀況的全站儀設備，所述全站儀設備與所述計算機PLC主站連接。
6.如權利要求1所述的矩形盾構機土壓平衡控制系統，其特征在于:所述交互操作設備包括操作臺和觸摸屏。
7.一種矩形盾構機土壓平衡控制方法，其特征在于:采用了如權利要求1至6任意之一所述的矩形盾構機土壓平衡控制系統，還提供了設于盾構機的推進千斤頂上的行程速度傳感器、設于所述螺旋輸送機上的轉速傳感器以及設于地面上用以檢測沉降狀況的全站儀設備； 首先，先設定土壓的目標值，在掘進過程中，所述計算機PLC主站根據所述土壓力傳感器、行程速度傳感器、轉速傳感器和全站儀設備傳輸而來的數據計算出土倉的土壓檢測值與土壓的目標值之間的差值； 當所述土壓力傳感器檢測到土倉內的土壓檢測值大于目標值時，則通過所述計算機PLC主站加大所述螺旋輸送機的轉速，直至土倉內的土壓檢測值達到目標值；當所述土壓傳感器檢測到土倉內的土壓檢測值小于目標值時，則通過所述計算機PLC主站減小所述螺旋輸送機的轉速，直至土倉內的土壓檢測值達到目標值。
8.如權利要求7所述的矩形盾構機土壓平衡控制方法，其特征在于:在加大或減小所述螺旋輸送機的轉速時，操作人員在所述交互操作設備上實施操作，通過所述計算機PLC主站分別手動控制兩個所述螺旋輸送機的轉速。
9.如權利要求7所述的矩形盾構機土壓平衡控制方法，其特征在于:在加大或減小所述螺旋輸送機的轉速時，所述計算機PLC主站自動根據所述土壓力傳感器、行程速度傳感器、轉速傳感器和全站儀設備傳輸而來的數據分別自動控制兩個所述螺旋輸送機的轉速。
10.如權利要求9所述的矩形盾構機土壓平衡控制方法，其特征在于:在自動控制的過程中，所述計算機PLC主站還根據預設的PID算法以及操作人員輸入的PID參數進行轉速控制命令的自動生成。
【文檔編號】E21D9/093GK103821529SQ201410090557
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月12日 優先權日:2014年3月12日
【發明者】沈培堅 申請人:上海市機械施工集團有限公司