一种TBM压注式混凝土智能控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及TBM辅助控制系统领域，特别涉及一种TBM压注式混凝土智能控制系统及其控制方法。
背景技术
TBM在铁路和公路隧道以及引水工程项目中发挥着巨大的作用。TBM隧道在前期的勘察设计中都会发现隧道设计线路中存在软岩、大变形和破碎带等不良地质状况，这些不良地质条件是隧道施工中关键部分和安全风险管控的要点，在施工过程中会增大施工设备损坏和人员安全无法保证的风险。另一方面，TBM在不良地质条件下掘进时容易造成卡机和掘进反力不够等多种状况，影响施工进度，增大了工程投入，对整个项目造成不利影响。
针对上述问题，申请号为201910832222.2，名称为《一种压注式混凝土支护方法和实施其的支护机构》的发明专利中公开了一种新型的压注式混凝土支护方法，在TBM掘进中通过压注环和钢模板设置混凝土浇筑模型，并通过注浆管路向模型内浇筑混凝土，使隧道快速成型。但其中混凝土输送泵的操作和如何实现泵送的过程控制是需要解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种TBM压注式混凝土智能控制系统及其控制方法，所述技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种TBM压注式混凝土智能控制系统，包括液压泵站、本地控制系统、远程控制系统以及一个或多个输送泵，所述输送泵与液压泵站相连接，所述输送泵用于泵送混凝土，所述液压泵站用于向一个或多个输送泵同时提供泵送动力，所述本地控制系统包括本地控制柜、本地控制器和本地显示屏，所述本地控制器和所述本地显示屏均接入同一个CAN总线，所述本地控制器通过所述本地控制柜控制所述输送泵和所述液压泵站以及采集所述输送泵的运行状态数据，所述本地控制器能够处理所述运行状态数据及其处理结果，所述本地显示屏用于显示所述运行状态数据及其处理结果；
所述远程控制系统连入PROFINET网络，所述远程控制系统通过通讯协议转换器与所述本地控制系统所在的CAN总线双向通信连接，所述通讯协议转换器用于CAN转以太网，所述远程控制系统能够采集、处理所述本地控制系统中的数据，并显示、监控所述数据及其处理结果，所述远程控制系统能够通过所述本地控制系统远程控制所述输送泵和所述液压泵站。
另一方面，本发明提供了一种TBM压注式混凝土智能控制方法，包括以下步骤：
S1、接入一个或多个输送泵，选择本地或远程操作模式；
S2、若选择本地操作则依次执行S3和S5，若选择远程操作则依次执行S4和S5；
S3、启动液压泵站，本地调节输送泵的运行状态；
S4、启动液压泵站，通过通讯协议转换器从远端接入本地CAN总线以控制本地控制柜，进行远程调节输送泵的运行状态；
S5、对环形空间单点注入混凝土或多点注入混凝土。
本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：
a.可以实现远程本地操作的自由切换，快速高效的实现混凝土的注入，保证施工安全；
b.通过CAN总线和PROFINET通讯协议传输数据，实现毫秒级传输，在TBM隧道内保证数据传输安全稳定，高效支撑设备安全运行；
c.能够实时监控混凝土压注方量，做到注入精确控制，掌握隧道掘进和施工数据；
d.通过CAN转以太网模块可将多个输送泵在远程进行集中控制，省去了一一接线的过程，也方便其他本地设备接入CAN总线以实现远程的集中控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例提供的混凝土注浆设备示意图；
图2是本发明实施例提供的压注式混凝土智能控制系统示意图；
图3是本发明实施例提供的压注式混凝土智能控制方法流程图；
图4是本发明实施例提供的压注式混凝土智能控制系统控制柜操作面板示意图；
图5是本发明实施例提供的压注混凝土智能控制系统HMI界面示意图。
其中，附图标记分别为：1-出料口，2-进料口，3-输送泵，4-蓄能器，5-泵站控制阀组。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，更清楚地了解本发明的目的、技术方案及其优点，以下结合具体实施例并参照附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。除此，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明的一个实施例中，提供了一种TBM压注式混凝土智能控制系统，参见图1和图2，包括液压泵站、本地控制系统、远程控制系统以及一个或多个输送泵3，所述输送泵3与液压泵站相连接，所述输送泵3用于泵送混凝土，所述液压泵站能够向一个或多个输送泵3同时提供泵送动力，所述液压泵站在相应的与输送泵3联通的通道上还设有蓄能器4，所述蓄能器4为应急情况下使用以保证管路泵送压力，所述本地控制系统包括本地控制柜、本地控制器和本地显示屏，所述本地控制器和所述本地显示屏集成在所述本地控制柜上，参见图4，所述本地控制器和所述本地显示屏均接入同一个CAN总线，CAN是指控制器局域网络，所述本地控制器通过所述本地控制柜控制所述输送泵3和所述液压泵站以及采集所述输送泵3的运行状态数据，所述本地控制器能够处理所述运行状态数据及其处理结果，所述本地控制器能够对本地控制柜进行控制逻辑的处理，所述本地显示屏能够显示所述运行状态数据及其处理结果，本地显示屏优选为触控屏；通过本地控制器和本地显示屏的控制逻辑，操作员能够完成泵送动作、流量压力的采集以及泵送速度和泵送压力的控制；需要说明的是，本地控制系统能够同时对于多个输送泵3进行集中控制，也可以将存在多个本地控制系统与多个输送泵3进行一一对应的分散控制，本地控制柜对输送泵3的控制包括但不限于输送泵3的启停、搅拌及振动。
所述远程控制系统连入PROFINET网络，PROFINET是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。所述远程控制系统通过通讯协议转换器与所述本地控制系统所在的CAN总线双向通信连接，所述通讯协议转换器优选为CAN转以太网模块，所述远程控制系统能够采集、处理所述本地控制系统中的数据，并显示、监控所述数据及其处理结果，所述远程控制系统能够通过所述本地控制系统远程控制所述输送泵3和所述液压泵站。所述本地控制柜设有本地控制系统与远程控制系统切换的控制键。需要说明的是，远程控制系统可以存在于多个操作室内，即每个操作室都可以配有远程显示器和远程控制器，同时，当存在多个本地控制系统的情况下，多个本地控制系统优选接入同一个通讯协议转换器。
具体地，所述控制系统还包括输送泵控制阀组，所述输送泵控制阀组包括泵站控制阀组5，流量压力比例阀组以及压力流量传感器，泵站控制阀组5和流量压力比例阀组设置在输送泵3与液压泵站的连接通道上，压力流量传感器设置在输送泵3内，所述本地控制系统通过所述泵站控制阀组5和所述流量压力比例阀组调节相应的输送泵3的压力和流量，所述本地控制系统通过所述压力流量传感器采集相应的输送泵3的压力和流量数据。
在本发明的一个实施例中，所述远程控制系统包括PLC控制器、I/O模块、远程显示屏和网络交换机，所述PLC控制器、所述I/O模块、所述远程显示屏和所述网络交换机均接入PROFINET网络；所述I/O模块用于采集所述本地控制系统中的数据，I/O模块优选为工业级远程采集与控制模块，所述PLC控制器用于处理所述本地控制系统中的数据并向所述本地控制器发出控制指令，所述本地控制器根据所述控制指令利用所述本地控制柜对所述输送泵3和所述液压泵站进行控制，所述远程显示屏用于显示、监控所述数据及其处理结果，远程显示屏优选为触控屏，所述远程显示屏设有HMI，HMI即为人机界面，当有4台输送泵接入所述智能控制系统时，人机界面如图5所示，所述网络交换机与所述通讯协议转换器的一端相连接，所述通讯协议转换器的另一端接入CAN总线；所述远程控制系统可以通过网络交换机将不同输送泵3的控制权限分配到相同或不同的操作室内，在操作室内，操作员可以完成混凝土注浆的泵送控制，排量增减，压力监测，累计方量等操作。
在本发明的一个实施例中，所述控制系统还包括输送管路，输送泵设有出料口1和进料口2，所述输送管路能接入一个或多个输送泵3的出料口1，所述输送管路能将所述输送泵3注入的混凝土输送至TBM掘进中需浇筑的环形空间，所述环形空间由TBM的压注环与TBM的钢模板构成，TBM的压注环设有一个或多个可供所述输送管路连接的注入口，其中TBM指全断面硬岩隧道掘进机。
在本发明的一个实施例中，液压泵站内设有温度传感器和液位传感器；所述输送泵3的油缸设有接近开关和压力传感器，本地控制系统还能够采集、处理并显示来自所述温度传感器、所述液位传感器、所述接近开关和所述压力传感器发送的信息及其处理结果；在远程操作模式下，通过CAN转以太网模块，TCP/IP和CAN转以太网通讯协议，将本地控制器和本地显示屏的数据信息传输到操作室PLC控制器中，操作员在操作室可查看泵送压力和流量监控以及泵站油箱液位和温度信号显示，另外可以实现泵站启停控制、正泵反泵、排量增减的操作等。
在本发明的一个实施例中，输送泵包括主缸A、B以及与主缸A、B相应的摆缸A、B和泵送活塞A、B，在主缸A、B作用下，泵送活塞B前进、泵送活塞A后退，此时摆缸B为伸出状态、摆缸A为收回状态，其中的混凝土在泵送活塞B推动下，经过中间阀组、出料口1进入输送管道，双输送缸如此交替反复动作，以此来实现混凝土的连续泵送，在TBM掘进过程中，根据实际需要混凝土的方量来调整泵送的排量和进料的搅拌。
在本发明的一个实施例中，提供了一种TBM压注式混凝土智能控制方法，参见图3，包括以下步骤：
S1、接入一个或多个输送泵，选择本地或远程操作模式；
S2、若选择本地操作则依次执行S3和S5，若选择远程操作则依次执行S4和S5；
S3、启动液压泵站，本地调节输送泵的运行状态；
S4、启动液压泵站，通过通讯协议转换器从远端接入本地CAN总线以控制本地控制柜，进行远程调节输送泵的运行状态；
S5、对环形空间单点注入混凝土或多点注入混凝土。
进一步地，在步骤S5后，还包括步骤S6，
S6、调节输送泵至反泵运行，对输送泵和输送管路进行清洗。
在本发明的一个实施例中，调节输送泵的运行状态的操作包括正/反泵切换、左/右主缸切换、左/右摆缸切换、增/减排量切换、正/反搅拌切换。理论上远程控制系统可实现本地控制系统对输送泵和液压泵站的所有调整操作，两者可拥有相同的控制权限，但实际上因工程分工不同，对本地操作与远程操作的侧重点不同，为了方便分配工程任务和便于监管，将远程控制系统功能与本地控制系统功能进行了不同权限的划分，参见图3，例如本地控制系统可实现正/反泵切换、左/右主缸切换、左/右摆缸切换、增/减排量切换和正/反搅拌切换，远程控制系统可实现正/反泵切换、增/减排量切换、正/反搅拌切换和方量清零。需要说明的是本实施例中远程控制系统和本地控制系统对输送泵和液压泵站的控制范围包括但不限于上述。
在本发明的一个实施例中，操作室的操作员在压注式掘进模式下选择远程混凝土注入模式，首先控制柜操作面板远程/本地切换按钮要选择远程，在操作室注浆控制界面上控制允许为绿灯，此时控制人员可以启动液压泵站，在进料口注入混凝土后启动搅拌正转，启动正泵，根据注入的压力调节输送泵的排量，从而加快或者降低输送泵的速度，以达到设定的注入混凝土要求；当混凝土注入完成后，需要对输送管路进行清洗，配合输送管路开闭油缸、正泵反泵、搅拌正反转将输送泵的进料口、出料口和管路进行清洗。
在本发明的一个实施例中，操作员选择本地操作时，在本地控制器和本地显示屏控制下，按照混凝土注入的顺序，控制输送泵和液压泵站，结合输送管路可以进行单点注入，也可以在掘进时整环的注入，即在环形空间的多点式注入混凝土，通过压注环来保证注入的压力和密实度。
在本发明提供的所述智能控制系统中既可以实现本地控制柜的泵送操作，也可以在TBM操作室完成远程的泵送操作，其中本地控制柜和TBM司机室的数据传输通过CAN总线转以太网模块来实现，在操作室也可以实现泵送流量和压力的设定以及参数的监视；通过CAN总线和PROFINET通讯协议传输数据，实现毫秒级传输，在TBM隧道内保证数据传输安全稳定，高效支撑设备安全运行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
