一种盾构机掘进土质分析系统的制作方法

本发明涉及智能控制技术领域，具体为一种盾构机掘进土质分析系统。

背景技术：

盾构掘进是一个复杂的过程，涉及到多套驱动及控制系统和多个参数这些关键性的掘进参数之间存在着紧密的联系和相互作用，共同影响着盾构掘进效率。其中，土仓压力属于间接控制参数，主要通过调节推进速度和螺旋输送机排土速度协调控制进排土量来实现，而其他参数都可以通过驱动系统直接加以控制。此外，不同土质情况下应该设定相应的推进和切削参数。

土仓压力失衡是地表塌陷等灾难性事故发生的主要成因，土仓土压平衡受到仓内多相介质组分、掘进与排碴速度等因素的影响，这使得构成土仓土压平衡系统的掘进、出土、纠偏等多个子系统的动态协调控制极其困难，土压平衡技术是在盾构掘进过程中通过调整土仓进土量和排土量匹配关系实现压力动态平衡状态，从减小地表沉降的关键技术，而保证开挖面稳定。在掘进过程中盾构借助推进油缸的推力加压产生土压，并通过碴土和刀盘作用于整个开挖面，抵消土层环境的作用，同时通过调整掘进控制系统与盾构推进量相适应以维持开挖土量与排土量的平衡，使得土仓内土压力稳定在预定范围内。

在挖掘过程中土压平衡系统受到土质、液压系统的时变和非线性因素、盾构推进速度及螺旋输送排土器效率的影响，土压设定值与实际土压值存在着不稳定的偏差，由此可能带来地表沉降和开挖面崩塌等潜在的危险。因此，通过建立盾构系统的掘进土质分析系统，以提高盾构的施工质量，对于进一步优化掘进过程从而提高掘进效率具有重要意义，并且传统土压平衡系统的马达式盾构系统由于马达驱动压力随螺旋输送机驱动的负载而变，因此，压力容腔特性对土压控制特性影响较大，系统响应较慢，其动态特性有时难以满足工程要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种盾构机掘进土质分析系统，以解决上述背景技术中提出的问题。所述盾构机掘进土质分析系统具有响应速度快、抗干扰能力强、土压控制效果好、操作简单、集中管理的特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种盾构机掘进土质分析系统，包括人机界面、plc、土仓、螺旋输送机，所述plc包括控制站plc、工作站plc，所述人机界面通过以太网连接控制站plc，所述土仓连接排土机构螺旋输送机，所述控制站plc通过melscnet网络连接工作站plc，所述工作站plc通过模糊pid控制器连接土压传感器，所述土压传感器采用压紧式结构安装于土仓，所述土压传感器连接至变量马达。

优选的，所述变量马达由变量泵和蓄能器提供油源。

优选的，所述土压传感器通过变送器转化信号送入至工作站plc。

优选的，所述模糊pid控制器采用udc3500模糊pid控制器，所述模糊pid控制器具有3个模拟量输入通道、2个回路控制与5路数字量和模拟量输出。

优选的，所述人机界面包括触摸屏，所述压传感器量程为0.6mpa-5.0mpa，输出信号为0-10vdc。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本系统由恒压变量泵和蓄能器提供恒压油源，通过调节变量马达的排量，来改变液压马达驱动的螺旋输送机的转速即排土量，从而控制土仓内的土压，且变量马达驱动压力由恒压油源调定，不随负载而变，压力容腔效应影响较小，因此响应速度快，抗干扰能力强。本系统采用模糊pid控制器进行实时优化达到较为理想的控制效果，并利用melsecnet网络优化外部接线，使用触摸屏作为良好的人机界面，方便的图形界面使操作简单易懂，melsecnet网络通过同轴电缆将工作站plc连接起来，减少布线、高散控，由此达到输入输出点的扩大、集中管理、集中监控的目的，由控制站plc发出控制指令，通过液压执行机构完成对土压力的闭环控制，整个操作过程在人机界面的触摸屏即可完成，简化了操作流程，也避免了操纵人员的误操作。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明人机界面通过控制站plc与工作站plc连接示意图。

图中：人机界面1、控制站plc2、工作站plc3、melscnet网络4、模糊pid控制器5、土压传感器6、土仓7、变送器8、变量马达9、螺旋输送机10、变量泵11、蓄能器12。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～2，本发明提供一种技术方案：

一种盾构机掘进土质分析系统，包括人机界面1、plc、土仓7、螺旋输送机10，所述plc包括控制站plc2、工作站plc3，所述人机界面1通过以太网连接控制站plc2，所述土仓7连接排土机构螺旋输送机10，所述控制站plc2通过melscnet网络4连接工作站plc3，所述工作站plc3通过模糊pid控制器5连接土压传感器6，所述土压传感器6采用压紧式结构安装于土仓7，所述土压传感器6连接至变量马达9；所述变量马达9由变量泵11和蓄能器12提供油源；所述土压传感器6通过变送器8转化信号送入至工作站plc3；所述模糊pid控制器5采用udc3500模糊pid控制器，所述模糊pid控制器5具有3个模拟量输入通道、2个回路控制与5路数字量和模拟量输出；所述人机界面1包括触摸屏，所述压传感器6量程为0.6mpa-5.0mpa，输出信号为0-10vdc。

本系统基于恒压网络的盾构系统组成，由恒压变量泵11和蓄能器12提供恒压油源，当土仓7土压发生变化时，计算机通过调节变量马达9的排量，来改变液压马达驱动的螺旋输送机10的转速即排土量，从而控制土仓7内的土压；系统制动时，变量马达9转换为泵工况，在螺旋输送机10的惯性带动下向蓄能器12回馈压力油，达到能量回收的目的，制动能量可用于再加速。该系统管路压力损失较小，效率较高，变量马达9驱动压力由恒压油源调定，不随负载而变，压力容腔效应影响较小，因此响应速度快，抗干扰能力强。

在实际工程中，由于盾构推进的速度受到施工地层的地质影响，改变盾构推进速度调整土压的控制方式存在一定的限制与不确定性，因此本系统采用改变螺旋输送机10转速进行土压调节，所述土仓7为刀盘切削下的土体进入螺旋输送机10排出之前的过渡空间，在刀盘转动过程中土仓7中的土体不停的被土仓7中焊接的四个搅拌棒搅拌，搅拌过程中土仓7靠近中盾的一侧喷入泡沫以及膨润土等，一方面保证搅拌土体的塑性流动性，另一方面使土体的透水性降下来，从而保持开挖面的压力平衡。

控制站plc2安装在操作室内，完成盾构机的主要控制任务，利用melsecnet网络4采集工作站plc3的现场数据，组织控制流程和完成控制算法，实施对目标的控制，工作站plc3接受控制站plc2的命令实现现场数据的采集和对象控制；土仓7内部装有土压传感器6以实时监测掘进过程，土仓7两侧分别设置个接线口，传感器电缆通过接线口进入土箱内部，采集现场信息传送到地面的控制室内；对于土仓7位置的土压传感器6，由于渣土成份的复杂性和坚硬石块存在的可能性，为便于装卸多采用压紧式结构，对于注浆位置的土压传感器6，由于原料成份一致和基本没有坚硬物质，可采用螺纹式或压紧式安装。

本系统采用自适应pid控制器，沿用原有土压传感器6作为检测元件，将控制螺旋输送机10的比例阀作为执行机构，并利用melsecnet网络4优化外部接线，利用触摸屏作为良好的人机界面，方便的图形界面使操作，简单易懂；其中，自适应pid控制器采用模糊pid控制器5，即利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊数学规则对pid控制的比例、积分、微分系数进行实时优化，以达到较为理想的控制效果；人机界面1计算机根据所设定的输入和反馈信号，计算实际位置和理论位置的偏差以及当前的偏差变化，并根据模糊规则进行模糊推测，最后对模糊参数进行解模糊，输出pid控制器的比例、积分、微分系数。所述模糊pid控制器5采用udc3500模糊pid控制器5，具有3个模拟量输入通道，2个回路控制和不超过5路的数字量和模拟量输出。

模糊pid控制由于系统内土压力传感器6以及液压执行机构的比例溢流阀等各部件分布较散，分属不同的控制plc所控制，为了减少布线、集散控制，本系统采用melsecnet网络4，melsecnet网络4是一种高速、高可靠的数据通信网络，它通过同轴电缆将工作站plc3连接起来，由此达到输入输出点的扩大、集中管理、集中监控的目的的系统。

土压传感器6对土仓7实际土压进行采样，通过变送器8转化成4-20ma标准限号，送入控制站plc2；设定土压力由操作室内人机界面1触摸屏输入，与实际土压力一起，通过melsecnet环网传送到第一个工作站plc3，经pid运算由d/a模块输出至模糊pid控制器5，经模糊pid控制器5运算后的控制信号再由第二个工作站plc3的a/d模块接收，并传回控制站plc2，并由控制站plc2发出控制指令，通过液压执行机构完成对土压力的闭环控制。整个操作过程在人机界面1的触摸屏上即可完成，简化了操作流程，也避免了操纵人员的误操作。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。