CN113931648A - 一种自动调节盾构机姿态的控制*** - Google Patents

一种自动调节盾构机姿态的控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了自动控制技术领域的一种自动调节盾构机姿态的控制***,包括上位机、下位机、盾构机姿态测量***、盾构机推进***以及反馈传感器,上位机与下位机之间通过以太网相互通讯,盾构机姿态测量***与下位机之间通过以太网单向通讯,反馈传感器与下位机之间通过CCLING单向通讯,本发明得益于算法自动计算控制,取盾构机后盾体与计划线的偏离程度以及偏转角度,以统一标准量化盾构机当前姿态,再结合盾构机姿态的实时变化情况来调整推进***各个分区的油缸压力可以更加稳定、高效地调整盾构机姿态,进而提高了盾构机施工的质量、降低施工的风险,以及提升盾构机施工行业的智能化水平。

Description

一种自动调节盾构机姿态的控制***
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域,具体为一种自动调节盾构机姿态的控制***。
背景技术
随着地下轨道交通以及各种隧道项目的不断增多,当前基建项目对盾构机的需求也随之不断增加,但是盾构在地下隧道施工过程中也将面临更复杂的施工环境、事故风险源。
在盾构机掘进施工过程中,盾构姿态关系到隧道施工安全和质量,是掘进过程的重要参考指标。目前盾构姿态的控制仍旧依靠盾构司机的施工经验,根据姿态导向***的情况人工调整各分区推进油缸推力大小。这种方法受人为因素影响,一旦调整不合理,不仅会使隧道施工质量达不到要求,还可能会造成施工事故。因此为满足盾构机掘进过程中姿态控制要求,有必要设计一种自动调节盾构机姿态的控制***,分析处理盾构机掘进数据,并自动控制盾构机的推进***来调节盾构机姿态。
基于此,本发明设计了一种自动调节盾构机姿态的控制***,以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自动调节盾构机姿态的控制***,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种自动调节盾构机姿态的控制***,包括上位机、下位机、盾构机姿态测量***、盾构机推进***以及反馈传感器,所述上位机与下位机之间通过以太网相互通讯,所述盾构机姿态测量***与下位机之间通过以太网单向通讯,所述反馈传感器与下位机之间通过CCLING单向通讯,所述下位机与盾构机推进***之间通过CCLING单向通讯,所述上位机用于进行数据存储分析与算法运算,所述下位机用于直接控制设备获取设备状态,所述盾构机推进***用于根据控制指令进行调节推力大小,盾构机姿态测量***实时将盾构机当前姿态相对计划线偏差值传输到下位机中,上位机从下位机读取以上数据和盾构机掘进关键参数并保存到数据库中,上位机根据模糊控制的算法计算出盾构机所需要的四个分区推进油缸压力推荐值,并将四个推荐值传输给下位机,下位机控制盾构机推进***。
优选的,所述盾构机姿态测量***可以实时测量计算出当前盾构机的铰接位置、盾尾位置的坐标,与计划线对比可得知当前的铰接水平偏差、铰接垂直偏差、盾尾水平偏差、盾尾垂直偏差。
优选的,所述上位机,是一套工控机设备,可以从下位机实时采集数据并保存入数据库中,进行数据分析和模糊控制的控制算法的运算,得出推进***分区压力数值,并推荐至下位机。
优选的,所述下位机,是单个PLC,可以采集盾构机测量***传输的数据,采集盾构机推进***各项反馈传感器的数据,向盾构机推进***发送控制指令。
优选的,所述盾构机推进***,包含推进油缸***和推进油缸控制***。
优选的,所述推进油缸***,是承接于已形成的隧道与盾构机盾体的结构,通过调整推进油缸***的推力分布,可以调整盾构机开挖方向。
优选的,所述推进油缸控制***,可以执行下位机的控制指令、调节各个分区油缸的压力。
优选的,所述反馈传感器,包括推进***的源压、各分区油缸压力与行程。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明得益于算法自动计算控制,取盾构机后盾体与计划线的偏离程度以及偏转角度,以统一标准量化盾构机当前姿态,再结合盾构机姿态的实时变化情况来调整推进***各个分区的油缸压力(即各个分区的推力),这样可以更加稳定、高效地调整盾构机姿态,进而提高了盾构机施工的质量、降低施工的风险,以及提升盾构机施工行业的智能化水平。
当然,实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述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发明的一些实施例,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为本发明自动调节盾构机姿态的控制***的通讯方式图;
图2为本发明盾构机推进油缸分布图;
图3为本发明自动调节盾构机姿态控制***原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明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发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3,本发明提供一种技术方案:一种自动调节盾构机姿态的控制***,包括上位机、下位机、盾构机姿态测量***、盾构机推进***以及反馈传感器,上位机与下位机之间通过以太网相互通讯,盾构机姿态测量***与下位机之间通过以太网单向通讯,反馈传感器与下位机之间通过CCLING单向通讯,下位机与盾构机推进***之间通过CCLING单向通讯,上位机用于进行数据存储分析与算法运算,下位机用于直接控制设备获取设备状态,盾构机推进***用于根据控制指令进行调节推力大小,盾构机姿态测量***实时将盾构机当前姿态相对计划线偏差值传输到下位机中,上位机从下位机读取以上数据和盾构机掘进关键参数并保存到数据库中,上位机根据模糊控制的算法计算出盾构机所需要的四个分区推进油缸压力推荐值,并将四个推荐值传输给下位机,下位机控制盾构机推进***,使各组推进油缸达到当前所需要的压力,以各个分区的压力差(又是推力差)来达到改变当前盾构机姿态的目的;
下位机控制盾构机推进***,盾构机姿态测量***可以实时测量计算出当前盾构机的铰接位置、盾尾位置的坐标,与计划线对比可得知当前的铰接水平偏差、铰接垂直偏差、盾尾水平偏差、盾尾垂直偏差,上位机,是一套工控机设备,可以从下位机实时采集数据并保存入数据库中,进行数据分析和模糊控制的控制算法的运算,得出推进***分区压力数值,并推荐至下位机,下位机,是单个PLC,可以采集盾构机测量***传输的数据,采集盾构机推进***各项反馈传感器的数据,向盾构机推进***发送控制指令,盾构机推进***,包含推进油缸***和推进油缸控制***,推进油缸***,是承接于已形成的隧道与盾构机盾体的结构,通过调整推进油缸***的推力分布,可以调整盾构机开挖方向,推进油缸控制***,可以执行下位机的控制指令、调节各个分区油缸的压力,反馈传感器,包括推进***的源压、各分区油缸压力与行程。
各个***之间的数据通讯方式如图1所示,下位机与上位机之间通过以太网相互通讯,姿态测量***通过以太网向下位机发送数据,下位机通过CCLINK接收反馈传感器的数据,下位机通过CCLINK通讯控制推进***的各分区压力,为防止上位机与下位机通讯异常而导致分区压力失控,在二者通讯数据中加入心跳包数据:上位机每秒通过字地址D1600向下位机发送一个脉冲信号,若下位机中D1600连续3秒内没接收到数据,则自行发出蜂鸣器报警至人员做停机处理,鉴于原有下位机控制逻辑中,以输入各分区比例减压阀开度百分比的方式手动控制各分区压力,在自动调节盾构机姿态控制***中,下位机除了向上位机传输盾构机姿态相关数据外,还传输当前上分区比例设定值、当前右分区比例设定值、当前下分区比例设定值、当前左分区比例设定值、当前上分区压力、当前右分区压力、当前下分区压力、当前左分区压力等数据;上位机结合算法计算得出的上分区目标压力、右分区目标压力、下分区目标压力、左分区目标压力来调整上分区压力比例值、右分区压力比例值、下分区压力比例值、左分区比例压力值,将这四项数据传输给下位机,完成对推进***各分区油缸压力的控制。
在图3所述分配区压规则中,P上环源压、F上环总推力由上位机数据库中调取数据,在盾构机掘进过程中,上位机实时采集盾构机的环号、掘进状态、推进速度、推力、刀盘扭矩等重要参数,与计算出的每环平均数据都记录在数据库中;ΔPtemp垂直需由地层信息与盾构机信息计算,或提前根据经验值设定。
在调节盾构机姿态的过程中,为了确保施工安全,需对各分区压力、分区压差、推进油缸行程差等参数做限定条件,在自动调节盾构机姿态时,由上位机从下位机采集这些参数设置值,并在达到临界条件时发出报警;上位机***以工控机位硬件环境、Windows 10为运行***、Microsoft Visual Studio为开发环境、C#为开发语言,由通讯模块、数据库模块、算法模块、主线程模块四个部分组成,通讯模块负责上位机与下位机数据交互,数据库模块以1S为单位记录上下位机及算法中主要参数等数据,算法模块原理如图3所示,主线程模块进行各模块之间的调用、连接,以及提供软件的主要运行条件。
下位机(PLC)接收到上位机发出的控制量数据后,经CClink通讯到远程设备站AJ65VBTCU-68DAVN输出0-10VDC的电压信号,电压信号接入比例阀放大器、输出0-500mA的电流信号至推进***分区比例减压阀,从而实现了调节推进***分区压力的目的,进而达到了调节盾构机姿态的目的;
盾构机推进***各组油缸在盾构机上的分布如图2所示,上、下、左、右四个分区共有32根油缸分为16组,其中左、右分区各有4组油缸,盾构机自重较大,因而下分区5组油缸、上分区3组油缸,当盾构机姿态在水平方向上需要向右纠偏时,应当左分区压力大于右分区压力,反之亦然;在垂直方向上需要抬头时,应当增大下分区压力、降低上分区压力,反之亦然;
上位机的算法,如图3所示,盾构机的姿态分为垂直姿态和水平姿态,上位机经下位机读取姿态测量***计算出的当前姿态数据:盾尾水平偏差d水平1与铰接水平偏差d水平2、盾尾垂直偏差d垂直1与铰接垂直偏差d垂直2,并将其分别作为水平控制输入参数、垂直控制输入参数;按照以下公式计算出A水平、B水平、ΔA水平、ΔB水平、A垂直、B垂直、ΔA垂直和ΔB垂直(第单位K时刻时)
A水平K=|d水平1+d水平2|∈[0,80]
B水平K=|d水平1-d水平2|∈[-4,4]
ΔA水平K=A水平K-A水平K-1∈[0,80]
ΔB水平K=B水平K-B水平K-1∈[-4,4]
A垂直K=|d垂直1+d垂直2|∈[0,80]
B垂直K=|d垂直1-d垂直2|∈[-4,4]
ΔA垂直K=A垂直K-A垂直K-1∈[0,80]
ΔB垂直K=B垂直K-B垂直K-1∈[-4,4]
再经过6个模糊控制器:以A水平和ΔA水平作为输入生成ΔP水平1、以A水平和B水平作为输入生成系数α、以B水平和ΔB水平作为输入生成ΔB水平2、以A垂直和ΔA垂直作为输入生成ΔP垂直1、以A垂直和B垂直作为输入生成系数β、以B垂直和ΔB垂直作为输入生成ΔB垂直2,其模糊控制规则库以地层信息结合盾构机主要参数而定;
水平压差和垂直压差的合成规则是
ΔP水平=a·Δp水平1+(1-α)Δp水平2
ΔPtemp垂直=α·Δp垂直1+(1-α)Δp垂直2
Δp水平1和Δp垂直1代表盾构机盾体整体姿态与计划线的偏离程度,Δp水平2和Δp垂直2代表盾构机盾体整体姿态相对计划线的角度,即预示盾构机掘进方向趋势,α和β为权重比例;
考虑到盾构机在垂直方向上的受力分析中,垂直方向上受盾体自重和地层浮力影响较大,故有垂直压差补偿
ΔP垂直=Δptemp垂直1+Δp补偿
其中Δp补偿为根据地层信息与盾构机参数计算得出值或预设值;
在确定分区压力分配规则时,考虑盾构机推进***自身的特性,分区压力P满足
Figure BDA0003301823100000061
(K为分区比例减压阀的设定百分比)
且为了避免4分区压力不均衡造成推进***憋压,导致盾构机异常停机,故设
F=P×n(F为推力,P为压力,n为常数,代表比例系数)
采用以下公式确定各分区区压推荐值
Pd=P上环源压-3
Pu=Pd-ΔP垂直
Fl+Fr=F上环总推力-Fu-Fd
Figure BDA0003301823100000071
Figure BDA0003301823100000072
其中Pl为左分区压力,为Pr右分区压力,Fu、Fd、Fl、Fr分别为上、下、左、右分区推力;
本发明得益于算法自动计算控制,取盾构机后盾体与计划线的偏离程度以及偏转角度,以统一标准量化盾构机当前姿态,再结合盾构机姿态的实时变化情况来调整推进***各个分区的油缸压力(即各个分区的推力)。这样可以更加稳定、高效地调整盾构机姿态,进而提高了盾构机施工的质量、降低施工的风险,以及提升盾构机施工行业的智能化水平。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然,根据本说明书的内容,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种自动调节盾构机姿态的控制***,包括上位机、下位机、盾构机姿态测量***、盾构机推进***以及反馈传感器,其特征在于:所述上位机与下位机之间通过以太网相互通讯,所述盾构机姿态测量***与下位机之间通过以太网单向通讯,所述反馈传感器与下位机之间通过CCLING单向通讯,所述下位机与盾构机推进***之间通过CCLING单向通讯,所述上位机用于进行数据存储分析与算法运算,所述下位机用于直接控制设备获取设备状态,所述盾构机推进***用于根据控制指令进行调节推力大小,盾构机姿态测量***实时将盾构机当前姿态相对计划线偏差值传输到下位机中,上位机从下位机读取以上数据和盾构机掘进关键参数并保存到数据库中,上位机根据模糊控制的算法计算出盾构机所需要的四个分区推进油缸压力推荐值,并将四个推荐值传输给下位机,下位机控制盾构机推进***。
2.根据权利要求1所述的一种自动调节盾构机姿态的控制***,其特征在于:所述盾构机姿态测量***可以实时测量计算出当前盾构机的铰接位置、盾尾位置的坐标,与计划线对比可得知当前的铰接水平偏差、铰接垂直偏差、盾尾水平偏差、盾尾垂直偏差。
3.根据权利要求1所述的一种自动调节盾构机姿态的控制***,其特征在于:所述上位机,是一套工控机设备,可以从下位机实时采集数据并保存入数据库中,进行数据分析和模糊控制的控制算法的运算,得出推进***分区压力数值,并推荐至下位机。
4.根据权利要求1所述的一种自动调节盾构机姿态的控制***,其特征在于:所述下位机,是单个PLC,可以采集盾构机测量***传输的数据,采集盾构机推进***各项反馈传感器的数据,向盾构机推进***发送控制指令。
5.根据权利要求1所述的一种自动调节盾构机姿态的控制***,其特征在于:所述盾构机推进***,包含推进油缸***和推进油缸控制***。
6.根据权利要求5所述的一种自动调节盾构机姿态的控制***,其特征在于:所述推进油缸***,是承接于已形成的隧道与盾构机盾体的结构,通过调整推进油缸***的推力分布,可以调整盾构机开挖方向。
7.根据权利要求5所述的一种自动调节盾构机姿态的控制***,其特征在于:所述推进油缸控制***,可以执行下位机的控制指令、调节各个分区油缸的压力。
8.根据权利要求1所述的一种自动调节盾构机姿态的控制***,其特征在于:所述反馈传感器,包括推进***的源压、各分区油缸压力与行程。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种自动调节盾构机姿态的控制***,其特征在于:
盾构机的姿态分为垂直姿态和水平姿态,上位机经下位机读取姿态测量***计算出的当前姿态数据:盾尾水平偏差d水平1与铰接水平偏差d水平2、盾尾垂直偏差d垂直1与铰接垂直偏差d垂直2,并将其分别作为水平控制输入参数、垂直控制输入参数;按照以下公式计算出A水平、B水平、ΔA水平、ΔB水平、A垂直、B垂直、ΔA垂直和ΔB垂直(第单位K时刻时)
A水平K=|d水平1+d水平2|∈[0,80]
B水平K=|d水平1-d水平2|∈[-4,4]
ΔA水平K=A水平K-A水平K-1∈[0,80]
ΔB水平K=B水平K-B水平K-1∈[-4,4]
A垂直K=|d垂直1+d垂直2|∈[0,80]
B垂直K=|d垂直1-d垂直2|∈[-4,4]
ΔA垂直K=A垂直K-A垂直K-1∈[0,80]
ΔB垂直K=B垂直K-B垂直K-1∈[-4,4]
再经过6个模糊控制器:以A水平和ΔA水平作为输入生成ΔP水平1、以A水平和B水平作为输入生成系数α、以B水平和ΔB水平作为输入生成ΔB水平2、以A垂直和ΔA垂直作为输入生成ΔP垂直1、以A垂直和B垂直作为输入生成系数β、以B垂直和ΔB垂直作为输入生成ΔB垂直2,其模糊控制规则库以地层信息结合盾构机主要参数而定;
水平压差和垂直压差的合成规则是
ΔP水平=α·Δp水平1+(1-α)Δp水平2
ΔPtemp垂直=α·Δp垂直1+(1-α)Δp垂直2
Δp水平1和Δp垂直1代表盾构机盾体整体姿态与计划线的偏离程度,Δp水平2和Δp垂直2代表盾构机盾体整体姿态相对计划线的角度,即预示盾构机掘进方向趋势,α和β为权重比例;
考虑到盾构机在垂直方向上的受力分析中,垂直方向上受盾体自重和地层浮力影响较大,故有垂直压差补偿
ΔP垂直=Δptemp垂直1+Δp补偿
其中Δp补偿为根据地层信息与盾构机参数计算得出值或预设值;
在确定分区压力分配规则时,考虑盾构机推进***自身的特性,分区压力P满足
Figure FDA0003301823090000031
(K为分区比例减压阀的设定百分比)
且为了避免4分区压力不均衡造成推进***憋压,导致盾构机异常停机,故设
F=p×n(F为推力,P为压力,n为常数,代表比例系数)
采用以下公式确定各分区区压推荐值
Pd=P上环深压-3
Pu=Pd-ΔP垂直
Fl+Fr=F上环总推力-Fu-Fd
Figure FDA0003301823090000032
Figure FDA0003301823090000033
其中Pl为左分区压力,为Pr右分区压力,Fu、Fd、Fl、Fr分别为上、下、左、右分区推力。
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