一种TBM的一键启停控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及TBM控制技术领域，尤其涉及一种TBM的一键启停控制系统及控制方法。

背景技术

硬岩全断面隧道掘进机（以下简称TBM）是一种机、电、液、光、气等多系统集成的大型隧道施工装备，在山岭隧道、抽水蓄能、引水工程的建设中发挥着重要作用。

目前，TBM驾驶仍以主司机操作为主，主司机根据上位机、监控界面信息结合经验逐步完成启动或停机，TBM启动、停止步骤繁琐，操作依赖于主司机的经验。因此，提高TBM启停的规范性、标准化及自动化程度具有十分重要的意义。

近年来伴随着科学技术的发展逐步出现了自动掘进方面的相关研究，多采用专家系统、人机交互系统实现自动掘进控制，通常主要涉及的技术问题主要针对掘进、姿态控制。目前TBM一键启停方面的相关研究较为稀缺。

公告日为2015.10.28、公告号为CN 204731566 U的中国实用新型专利公开了一种掘进机自动启停控制系统，包括若干监测掘进和运料机组转速的转速传感器、若干监测运料装置压力的压力传感器、用于启动机组的启动模组、用于关闭机组的停止模组、控制器和急停模组，控制器内设有启动时监测回路绝缘电阻和油温的电控系统；根据电控系统及传感器对电路电阻和油温、机组的转速的多重监测，顺序控制各个机组和模块进行启动，确保启动过程安全 ；停机时，通过对运料装置压力的监测，保证卸料完成之后进行停机，实现掘进机各部件按照预定的顺序进行启动和停止。但是该专利主要实现各部件按照预定的顺序进行启动和停止，而不能实现TBM在不同工况及设备状态情况的一键启停控制。

公开日为2022-10-21、公开号为CN115217484A的中国发明专利公开了一种盾构掘进自动控制方法和系统，用以解决现有掘进过度依赖于主司机的经验和工作态度导致隧道成型质量难以控制。本发明控制系统包括专家系统，专家系统与PLC控制器相连接，专家系统包括：知识库、推理机、解释机和人机交互设备，知识库、人机交互设备均与推理机相连接，知识库、推理机均与解释机相连接，解释机与人机交互设备相连接，推理机通过上位机与PLC控制器相连接，知识库与上位机相连接。但是该专利主要解决的技术问题是针对盾构机自动掘进模式的启停控制，而不能实现TBM的一键启停控制。

因此，设计一种TBM的一键启停方法及系统具有十分重要的意义。

发明内容

针对上述的技术问题，本发明提出一种TBM的一键启停控制系统及控制方法，用于解决现有技术中缺乏TBM掘进机的一键启停控制系统的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种TBM的一键启停控制系统，包括依次连接的边缘感知层、状态监测层、控制决策层和决策执行层，边缘感知层包括用于监测TBM的机械结构系统、电气系统和液压流体系统的多源数据采集传输单元；状态监测层包括TBM实时状态监测系统，TBM实时状态监测系统用于TBM设备状态实时监测与状态识别；控制决策层包括TBM多系统耦合协同控制系统，TBM多系统耦合协同控制系统根据TBM设备状态实时监测数据，通过协同控制分析与推理，形成针对性TBM启动、停止多系统耦合协同控制策略；决策执行层通过主控制器实现TBM多模式、全工序的一键启停控制。本发明解决了现有TBM启动、停止步骤繁琐，操作依赖于主司机的经验的问题；降低了TBM操作难度，提高TBM启停的规范性、标准化及自动化程度，减轻了的主司机操作负担，降低了TBM启停时间及能耗，节约了施工成本。

进一步地，为了形成针对性TBM启动、停止多系统耦合协同控制策略，所述的TBM多系统耦合协同控制系统包括基于专家经验构建的协同控制规则知识库、含有TBM启停标准步序的标准模块和含有设备状态的状态数据模块，所述的TBM多系统耦合协同控制系统针对不同工况及设备状态，通过协同控制知识推理与知识解释，形成针对性TBM启动、停止多系统耦合协同控制策略。

进一步地，所述的含有设备状态的状态数据模块根据设备状态与启停过程节点选择，推荐能够执行TBM启停模式及工序；所述的TBM多系统耦合协同控制系统根据模式及工序选择结果，通过协同控制知识推理与解释，形成针对性TBM启停多系统耦合协同控制策略和故障报警信息提示。

进一步地，为了实现TBM设备状态实时感知，所述多源数据采集传输单元通过多种传感器感知机械结构系统、电气系统和液压流体系统边缘设备的状态信息，实现TBM设备状态实时感知。

进一步地，为了实现TBM设备状态实时监测与状态识别，所述TBM实时状态监测系统包括依次连接的数据采集模块、数据传输模块、数据存储模块、数据处理模块、数据分析模块和数据展示模块。

进一步地，为了便于实现驾驶者对启停过程节点、模式、工序选择的控制以及故障报警信息提示，所述的控制决策层还包括用于启停过程节点、模式、工序选择以及故障报警信息提示的人机交互设备；所述人机交互设备包括故障报警信息提示模块、模式及工序选择模块、一键启动或停止按钮模块以及终端设备状态提示及操作模块；所述故障报警信息提示模块用于实时滚动显示故障报警信息；模式及工序选择模块用于通过点击模式及工序条框选择待执行的启动、停止模式及工序；一键启动或停止按钮模块用于通过一键启动或停止按钮进入一键启动或停止模式；终端设备状态提示及操作模块用于表示终端设备处于运行状态或停止状态。

一种TBM的一键启停控制系统的控制方法，包括一键启动控制方法，所述的一键启动控制方法，包括如下步骤：

A1、开机自检：基于TBM实时状态监测系统执行开机准备检查，所述开机准备检查项目包括刀盘的基本状态、刀盘及刀盘危险区域内无工作人员、撑靴已经完成换步行程处于最前端并且已经撑紧洞壁、后支撑收回、掘进参数、液压油与齿轮油液位以及油脂量的开机检查；

A2、泵启动：基于TBM设计要求启动推进泵、辅助泵、齿轮油泵、油脂泵、内水循环泵、循环过滤泵；

A3、皮带机启动：皮带机启动分为主机皮带机启动和后配套皮带机启动，后配套皮带机启动运行至预设速度后启动主机皮带机；

A4、刀盘启动：刀盘启动前基于TBM实时状态监测系统数据自动检查联锁条件，刀盘满足联锁条件时，允许刀盘启动并运行至预设速度，否则人机交互设备报警显示故障信息；

A5、推进启动：推进启动前基于TBM实时状态监测系统数据自动检查联锁条件，推进满足联锁条件时，允许推进启动并运行至预设推进速度，否则人机交互设备报警显示故障信息。

进一步地，所述步骤A2的泵启动间隔基于实时监测变压器、电机电流确定；当电流数值快速增大时禁止同时启动后续设备，当电流数值稳定时允许启动后续设备；当步骤A2所述的各个泵均已稳定运行时，允许启动步骤A3执行，否则人机交互设备报警显示故障信息。

进一步地，还包括一键停止控制方法，所述的一键停止控制方法，包括如下步骤：

B1、推进停止：推进速度由预设速度归0，“推进高压”置于0；当推进速度与推进高压均置0时，允许停止阶段步B2执行，否则人机交互设备报警显示故障信息；

B2、刀盘停止：推进压力接近0、刀盘旋转若干圈清除盘面上的渣石、降低刀盘转速直至刀盘停止、停止刀盘喷水、关闭主驱动电机；当刀盘停止步序执行完且主驱动电机已停机时，允许步骤B3执行，否则人机交互设备报警显示故障信息；

B3、皮带机停止：皮带机停止分为主机皮带机停止和后配套皮带机停止，主机皮带机停止后再停止后配套皮带机；基于TBM实时状态监测系统的视频图像数据，确定主机皮带机、后配套皮带机停机时间；当主机皮带与后配套皮带均停止时，允许启动步骤B4执行，否则人机交互设备报警显示故障信息；

B4、泵停止：基于TBM设计要求依次停止循环过滤泵、内水循环泵、油脂泵、齿轮油泵、辅助泵、推进泵；当进行换步或长时间停机时在各个泵停止前需要将后支撑伸出，直至后支撑靴接触巷道底拱面并且压力到达预设数值；当所述的循环过滤泵、内水循环泵、油脂泵、齿轮油泵、辅助泵、推进泵均已停止时，允许启动步骤B5执行，否则人机交互设备报警显示故障信息。

进一步地，所述的一键停止控制方法还包括如下步骤：

B5、停机自检：基于TBM实时状态监测系统数据自动执行停机自检，所述停机检查项目包括操作台选择开关置中、电位计置0、操作台电源关闭、后支撑伸出；当停机检查项目满足预设条件时，人机交互设备显示停机提示，否则人机交互设备报警显示故障信息。

本发明的有益效果：

1、本发明基于协同控制规则知识库，将TBM启动、停止的过程分解为标准步序；

2、本发明通过多系统耦合协同控制实现TBM多模式、全工序一键启停控制；

3、本发明基于边缘感知层与状态监测层实现TBM设备状态实时监测与状态识别；其次，针对不同工况及工序，通过实时状态监测数据以及主控制器的协同控制分析与推理，形成针对性TBM启动、停止多系统耦合协同控制策略；最后，通过主控制器逻辑与参数的控制多系统关联边缘设备（电机泵、皮带机、主驱动电机等）的启动或停止，从而实现TBM多模式、全工序一键启停控制，降低TBM操作难度，提高TBM启停的规范性、标准化及自动化程度；

4、本发明的边缘感知层通过布置电压、电流、功率因数、频率、温度、压力、位移、流量、速度、液位等多种类型传感器，感知机、电、液各系统边缘设备的状态信息，实现TBM设备状态实时感知；

5、本发明的状态监测知层通过TBM实时状态监测系统对机、电、液系统边缘设备多源状态信息的数据采集、传输、存储、处理等多项数据处理与分析手段，实现TBM设备状态实时监测与状态识别；

6、本发明的控制决策层针对不同工况及工序，通过实时状态监测数据与上位机协同控制分析与推理，形成针对性TBM启动、停止多系统耦合协同控制；

7、本发明的决策执行层通过主控制器逻辑与参数的控制，控制推进支撑、刀盘驱动、齿轮润滑、密封润滑、液压系统、水系统等多个系统边缘设备（电机泵、皮带机、主驱动电机等）的启动或停止，从而实现TBM多模式、全工序一键启停控制；

8、本发明的TBM一键启停功能，解决了现有TBM启动、停止步骤繁琐，操作依赖于主司机的经验的问题；降低了TBM操作难度，提高TBM启停的规范性、标准化及自动化程度，减轻了的主司机操作负担，降低了TBM启停时间及能耗，节约了施工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明的系统框图；

图2为本发明的人机交互界面图；

图3为本发明的数据采集与传输流程图；

图4为本发明的一键启动流程图；

图5为本发明的一键停止流程图。

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付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。

如图1所示，本发明实施例1所述的TBM的一键启停控制系统，该TBM的一键启停控制系统可分为边缘感知层、状态监测层、控制决策层、决策执行层。首先，基于边缘感知与状态监测实现TBM设备状态实时监测与状态识别；其次，针对不同工况及工序，通过实时状态监测数据与协同控制分析与推理，形成针对性TBM启动、停止多系统耦合协同控制策略；最后，通过主控制器逻辑与参数的控制多系统关联边缘设备（电机泵、皮带机、主驱动电机等）的启动或停止，从而实现TBM多模式、全工序一键启停控制。

进一步地，所述边缘感知层包括多源数据采集传输单元，多源数据采集传输单元通过布置电压、电流、功率因数、频率、温度、压力、位移、流量、速度、液位等多种类型传感器，用于感知TBM的电气系统、液压流体系统和机械结构系统各系统边缘设备的状态信息，实现TBM设备状态实时感知。

进一步地，所述状态监测层包括TBM实时状态监测系统，TBM实时状态监测系统通过对TBM的电气系统、液压流体系统和机械结构系统边缘设备多源状态信息的数据采集、传输、存储、处理、分析、展示等多源数据处理与分析手段，实现TBM设备状态实时监测与状态识别。

其中，所述TBM实时状态监测系统包括数据采集模块、数据传输模块、数据存储模块、数据处理模块、数据分析模块和数据展示模块。

进一步地，所述控制决策层包括TBM多系统耦合协同控制系统。针对不同工况及工序，TBM多系统耦合协同控制系统通过实时状态监测数据与协同控制分析与推理，形成针对性TBM启动、停止多系统耦合协同控制策略。首先，基于专家经验构建协同控制规则知识库，并将TBM启动、停止的过程分解为标准步序，形成含有TBM启停标准步序的标准模块；其次，设置含有设备状态的状态数据模块，根据设备状态与启停过程节点选择，推荐能够执行TBM启停模式及工序；最后，根据模式及工序选择结果，通过协同控制知识推理与解释，形成针对性TBM启停多系统耦合协同控制策略和故障报警信息提示。

进一步地，所述决策执行层通过主控制器逻辑与参数的控制，控制推进支撑、刀盘驱动、齿轮润滑、密封润滑、液压系统、水系统等多个系统边缘设备（电机泵、皮带机、主驱动电机等）的启动或停止，从而实现TBM多模式、全工序一键启停控制。

实施例2，其与实施例1的区别技术特征在于，如图2所示，所述的控制决策层还包括人机交互设备即上位机。控制决策层的所述模式及工序，通过设计上位机人机交互界面，实现启停过程节点、模式、工序选择以及故障报警信息提示。TBM一键启停的人机交互界面如图2所示，该界面分为故障报警信息提示模块、模式及工序选择模块、一键启动或停止按钮模块以及终端设备状态提示及操作模块。本实施例中，上位机采用工业电脑。如图3所示，上述多种传感器将监控数据传至PLC控制器，PLC控制器通过工业以太网交换机传输至工业电脑。

所述故障报警信息提示模块实时滚动显示故障报警信息；模式及工序选择模块通过点击模式及工序条框选择待执行的启动、停止模式及工序；一键启动或停止按钮模块通过一键启动或停止按钮进入一键启动或停止模式。终端设备状态提示及操作模块绿色表示终端设备处于运行状态，红色表示终端设备处于停止状态，绿色点头表示TBM启动过程进度，红色剪头表示停止过程进度，通过点击终端设备按钮选择启动、停止过程节点，执行对应终端设备及其关联设备的启动或停止。其中，所述的终端设备按钮不是传统意义上的终端设备启动或停止按钮，而是启动、停止过程节点的执行命令按钮，钮按能够控制终端设备及其启动、停止过程中关联设备的启动、停止。

此外，故障报警提示不仅仅是故障信息提示，还可以基于知识图谱实现可视化故障诊断及故障处理指导建议。

实施例3，所述的TBM的一键启停控制系统的控制方法，包括启动阶段的一键启动控制方法和停止阶段的一键停止控制方法，一键启动控制方法包括五个顺序步序。如图4所示，启动阶段：开机自检，液压、流体泵启动，皮带机启动，刀盘启动，推进启动。

所述启动阶段步序1：开机自检

基于TBM实时状态监测系统数据自动执行开机准备检查，所述开机准备检查项目包括刀盘的基本状态，刀盘及刀盘危险区域内无工作人员，撑靴已经完成换步行程处于最前端并且已经撑紧洞壁，后支撑收回，连续皮带机速度到达，掘进参数，液压油与齿轮油液位以及油脂量等多项开机检查。当开机检查项目满足预设条件时，允许启动阶段步序2执行，否则上位机报警显示故障信息。

所述启动阶段步序2：液压、流体泵启动

基于TBM设计要求依次启动推进泵、辅助泵、齿轮油泵、油脂泵、内水循环泵、循环过滤泵。设备顺序启动间隔基于实时监测变压器、电机电流确定，当电流数值快速增大时禁止同时启动后续设备，当电流数值稳定时允许启动后续设备。当所述液压、流体泵均已稳定运行时，允许启动阶段步序3执行，否则上位机报警显示故障信息。

所述启动阶段步序3：皮带机启动

皮带机启动分为主机皮带机启动和后配套皮带机启动，后配套皮带机启动运行至预设速度后启动主机皮带机。皮带机启动前基于TBM实时状态监测系统数据自动检查联锁条件。主机皮带机、后配皮带机满足联锁条件时，允许其电机启动。当主机皮带机、后配皮带机均运行至预设速度时，允许启动阶段步序4执行，否则上位机报警显示故障信息。

所述启动阶段步序4：刀盘启动

刀盘启动前基于TBM实时状态监测系统数据自动检查联锁条件，刀盘满足其联锁条件时，允许刀盘启动并运行至预设速度，允许启动阶段步序5执行，否则上位机报警显示故障信息。

所述启动阶段步序5：推进启动

推进启动前基于TBM实时状态监测系统数据自动检查联锁条件，推进满足联锁条件时，允许推进启动并运行至预设推进速度，否则人机交互设备报警显示故障信息。

停止阶段的一键停止控制方法均也包括五个顺序步序。如图5所示，停止阶段：推进停止，刀盘停止，皮带机停止，液压、流体泵停止，停机自检。

所述停止阶段步序1：推进停止

推进速度由预设速度归0，“推进高压”置于0；当推进速度与推进高压均置0时，允许停止阶段步序2执行，否则人机交互设备报警显示故障信息；

所述停止阶段步序2：刀盘停止

基于TBM设计要求刀盘停止步骤包括：推进压力接近0，刀盘旋转几圈清除盘面上的渣石，逐渐降低刀盘转速直至刀盘停止，停止刀盘喷水，关闭主驱动电机。当刀盘依据设计要求逐步执行刀盘停止步序且主驱动电机已停机时，允许停止阶段步序3执行，否则上位机报警显示故障信息。

所述停止阶段步序3：皮带机停止

皮带机停止分为主机皮带机停止和后配套皮带机停止，主机皮带机停止后再停止后配套皮带机。基于TBM实时状态监测系统的视频图像数据，确定主机皮带机、后配套皮带机停机时间。其中主机皮带机、后配套皮带机后部分别布置一个高清摄像头，分别用于监测主机皮带、后配套皮带出渣、皮带破损。当主机皮带清空后允许停止主机皮带机，当主机皮带机停止且后配套皮带清空后允许停止后配套皮带机。当主机皮带机、后配套皮带机均已停机时，允许停止阶段步序4执行，否则上位机报警显示故障信息。

所述停止阶段步序4：液压、流体泵停止

基于TBM设计要求依次停止循环过滤泵、内水循环泵、油脂泵、齿轮油泵、辅助泵、推进泵。基于TBM设计要求当进行换步或长时间停机时在液压、流体泵停止前需要将后支撑伸出，直至后支撑靴接触巷道底拱面并且压力到达预设数值。基于TBM实时状态监测系统运行反馈信号和变压器、电机电流数值判别所述液压、流体泵是否正常停止。当所述液压、流体泵均已停止时，允许启动阶段步序5执行，否则上位机报警显示故障信息。

所述停止阶段步序5：停机自检

基于TBM实时状态监测系统数据自动执行停机自检，所述停机检查项目包括操作台选择开关置中、电位计置0、操作台电源关闭、后支撑伸出等多项停机检查。当停机检查项目满足预设条件时，上位机显示停机提示，否则上位机报警显示故障信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。