一种可全方位信息采集的隧道掘进信息采集平台

技术领域

本发明涉及隧道掘进机技术领域；尤其涉及一种可全方位信息采集的隧道掘进信息采集平台。

背景技术

随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的CCS(计算机集中控制系统)，到第二代的DCS(分散控制系统)，发展到现在流行的FCS(现场总线控制系统)。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。本质上属于一种计算机局域网络系统的现场总线控制系统(fieldbus control system,FCS)使用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维修费用。这是继电式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统(DCS)后的新一代控制系统。目前，国际上已知的现场总线类型有40余种，比较典型的现场总线有：FF，PROFIBUS，LonWorks，CAN，HART，CC-LINK等。其中，PRFIBUS的数据传输率较快，SIEMENS自动化设备级通信解决方案——PROFIBUS总线，已被广泛采用，企业的管理人员和技术人员对该总线的调试以及维护有一定了解，在电气传动领域，不管是支流还是交流的传动装置，大多支持PROFIBUS通信。

工业以太网是将以太网应用于工业控制和管理的局域网技术。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层则采用不同的现场总线或其他专用网络。但目前以太网已经渗透到了控制层和设备层，开始成为现场控制网络的一员。现场总线标准的特点是通讯协议比较简单，通讯速率比较低。可随着仪器仪表智能化的提高，传输的数据越来越复杂，甚至传输的是数据文件和Web网页，因而网络传输的高速性以及形式的多样性在控制系统中变得更为重要。但以太网和TCP/IP原本不是面向控制领域的，在体系结构、协议规则、物理介质、数据、软件、适用环境等诸多方面与成熟的自动化解决方案(如PLC、DCS、FCS)相比有很大差异。并且传统以太网采用采用总线式拓扑结构和CSMA/CD在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这个现象被称为以太网的不确定性。这是影响以太网长期无法直接进入过程控制领域的重要原因之一。真正意义上的工业以太网能很好地解决实时性问题，可有效解决传统以太网在隧道掘进过程中的应用局限问题。针对上述问题，如何通过工业以太网技术和现场总线控制系统的相互融合，有效解决隧道掘进机技术领域中基础自动化控制网络与过程和管理控制系统之间的无缝集成问题是隧道掘进机技术领域急需解决的技术问题。当前工业以太网技术和现场总线控制系统的优势互补及相互融合已成为自动控制领域的一个发展方向，因此，基于工业以太网技术和现场总线控制系统，提出一种可全方位信息采集的隧道掘进信息集成平台势在必行。

发明内容

本发明的目的是提供了一种可全方位信息采集的隧道掘进信息采集平台。本发明所涉及的信息集成平台，可有效解决隧道掘进机技术领域中基础自动化控制网络与过程和管理控制系统之间的无缝集成问题；本发明可满足不同厂家的设备或系统方便地接入同一种开放式互联网络，进而满足隧道掘进机掘进过程中产生的各类数据的实时存取、实时管理以及外网用户远程访问的需求，实现内网与外网的高效互访和数据集成，最终实现与隧道掘进机掘进作业相关的各个子系统的信息集成和控制。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种可全方位信息采集的隧道掘进信息集成平台，包括：现场设备级、现场监控级和远程管理级，所述现场设备级与所述现场监控级通信连接，所述现场监控级与所述远程管理级通信连接；

其中，

所述现场设备级，用于全面实时感知与隧道掘进机掘进作业相关的各类型信息，并根据现场监控级的控制命令执行掘进过程中的各向动作；其中，所述各类型信息，包括：隧道围岩状态信息、隧道地质预报信息、精细勘探信息、精准衬砌信息、实时掘进效果信息指标、实时掘进参数信息和各设备的状态信息；

所述现场监控级，用于接收现场设备级发送的与隧道掘进机作业相关的各类型信息并发送至远程管理级，监控隧道掘进机掘进作业过程、隧道掘进机子系统及其他相关系统运行状态、精细勘探信息、精准衬砌信息和地质预报信息；

所述远程管理级，用于实时存储和管理现场设备级的数据、供远程用户实时监控现场掘进作业数据、与第三方数据库进行实时数据交互、远程调度管理现场隧道掘进机掘进作业。

优选地，所述隧道围岩状态信息，包括：岩石单轴饱和抗压强度、单位岩体体积的节理数、围岩等级；

所述隧道地质预报信息，包括：以水平超长钻孔技术为核心的超前地质探测系统探测得到的数据；

所述精细勘探信息，包括：由水平超长钻孔的隧洞地质勘探技术进行精细地质情况勘探获取的地应力、岩体强度、岩体节理数、地质构造、渗透压力分布信息、围岩等级；

所述精准衬砌信息，包括：由精准衬砌智能作业系统提供的局部塌方风险的智能评估信息、塌方智能支护决策信息、隧道底部积渣清理信息；

所述实时掘进参数信息，包括：单刀推力、单刀扭矩、刀盘转速、推进速度、贯入度、总推进力、掘进导向；

所述各设备的状态信息，包括：设备工况数据信息、设备状态信息、设备报警信息和设备故障信息。

优选地，所述实时掘进效果信息指标：由如下公式计算得出：

其中，

优选地，所述现场监控级，包括：主站PLC控制器及主站(从)PLC控制器模块、2类主站模块，其中，主站PLC控制器及主站(从)PLC控制器模块采用主站+主站(从)双机热备设计，2类主站模块包含监控站、操作站、操作员接口和编程器。

优选地，所述远程管理级，包括：远程监控及信息管理模块、远程用户模块和其他远程数据库模块，其中，远程监控及信息管理模块，用于存取来自现场设备级的实时数据并实现现场作业数据的高效管理；远程用户模块为远程用户提供现场作业数据实时访问、浏览和分析功能，也为其他远程数据库与现场作业数据库模块之间的数据集成及访问提供支持，其他远程数据库模块给现场作业数据库模块需要的其他数据提供支持。

优选地，所述设备工况数据信息，包括：与隧道掘进机掘进作业相关的现场设备的工况数据信息，如电压、电流、压力、液位、温度、流量、阀门开关等；

所述设备状态信息，包括：设备操作方式、撑靴液压缸位置、后支撑状态；电动机及液压马达状态、输送机、除尘器、新风风机、空气冷却系统的状态；由于隧道掘进机机械系统、电气系统、液压系统、后配套设备的故障引起的各种停机状态；由于刀具检查/更换、岩石支护、无渣车引起的各种停机状态；各液压动力站、锚杆钻机、输送机液压系统状态。

优选地，所述现场设备级与现场监控级的通信连接以及所述现场监控级与所述远程管理级的通信连接，采用PROFIBUS现场总线和工业以太网技术相结合的方式实现。

优选地，所述主站PLC控制器及主站(从)PLC控制器模块通过PLC硬件来完成CPU的双机热备，两块CPU模块通过两块冗余内存交换模块达到热备目的，两块冗余内存交换模块之间用光纤连接。

优选地，所述远程管理级，包括：隧道掘进机施工实时信息管理系统和数据库；

其中，所述隧道掘进机施工实时信息管理系统为以掘进过程中自动采集的数据为基础进行独立设计研发的三层结构的实时信息管理系统；

所述数据库，包含：掘进作业数据库、工况数据库、状态信息数据库、报警信息数据库、故障信息数据库和含地质资料信息、设计参数信息在内的其他信息数据库。

优选地，所述远程监控级信息管理模块的监控与管理人员可以通过现场作业数据和其他远程数据库的数据之间的集成来综合分析判断隧道掘进机现场掘进作业状态，并基于综合数据的判断来确保隧道掘进机的高效安全掘进作业。

本发明具有以下优点：

(1)本发明实现的隧道掘进信息集成平台，可实现隧道掘进机掘进过程中各类数据的全方位采集；

(2)本发明实现的隧道掘进信息集成平台，具有传输抗干扰能力强、测量精度高、系统性能较高的优势和特点；

(3)本发明实现的隧道掘进信息集成平台，采用统一的协议标准，可实现不同厂家的设备或系统方便地接入同一网络，在同一控制系统中进行相互操作，不同生产厂家的性能类似的设备可相互替换，大大简化了系统集成，具有良好的可扩展性、互操作性和互替换性；

(4)本发明实现的隧道掘进信息集成平台，可以从根本上改变现有DCS系统集中于分散相结合的控制体系，大大简化系统结构，具有很强的可靠性，冗余设计也可增加集成平台的可靠性；

(5)本发明实现的隧道掘进信息集成平台，对设备现场环境具有高度的适应性，可满足隧道掘进机施工现场复杂环境的需求；

(6)本发明实现的隧道掘进信息集成平台，具有强大的网络通信能力，可满足隧道掘进机掘进过程中产生的各类数据进行实时存取、实时管理以及外网用户远程访问的需求，也可实现内网与外网的高效互访和数据集成；

(7)本发明实现的隧道掘进信息集成平台，可确保现场控制和现场数据采集的实时性，满足不同设备或系统高速通信或低速通信的需求，“现场总线+工业以太网”相结合的方式可同时满足隧道掘进机掘进过程中产生的各类数据的实时采集、高效存取和有效管理的需求。

附图说明

图1为本发明实施例的一种可全方位信息采集的隧道掘进信息集成平台的结构示意图；

图2为本发明实施例的现场设备级的结构示意图；

图3为本发明实施例的现场监控级的结构示意图；

图4为本发明实施例的远程管理级的结构示意图；

图5为本发明实施例的以太网与PROFIBUS-DP数据转换接口总体结构图；

图6为本发明实施例的接口系统程序结构图；

图7为本发明实施例的PLC控制系统双机热备的结构示意图；

图8为本发明实施例的远程管理级的施工实时管理信息系统技术架构图；

图9为本发明实施例的远程管理级的数据库分类图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本发明的进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。

实施例

本实施例涉及一种可全方位信息采集的隧道掘进信息集成平台，如图1所示，包括现场设备级300、现场监控级200和远程管理级100，采用三层结构的方式进行设计，并采用“集中管理、集中监控、分散控制”的模式实现与隧道掘进机掘进作业相关的各个子系统的信息集成和控制。

其中，现场设备级300包含隧道掘进机主机系统、隧道掘进机后配套系统、其他相对独立的配套设备(锚杆钻机、钢拱架安装器)、PROFIBUS-PA现场总线系统、隧道掘进机精准衬砌系统、隧道掘进机掘进导向系统、隧道掘进机施工连续皮带机出渣运输系统、隧道掘进机精细勘探系统和隧道掘进机地质预报系统；

现场监控级200包含显示器1#、显示器2#、……、显示器N#、主站PLC控制器及主站(从)PLC控制器、操作员监控器、工程师工作站和网桥；

远程管理级100包含隧道掘进机精细勘探系统、隧道掘进机地质预报系统、隧道掘进机施工现场数据库系统、远程用户访问系统、设计参数等数据库系统。

现场设备级300负责完成现场设备一级的高速数据传输、现场信号采集、工程量变换、控制电动机启停和阀门开关，对隧道掘进机运行状态进行实时诊断，并通过系统网络将数据传送到显示器1#～N#、操作员监控器、工程师工作站以及远程管理级的数据库中，在这一级，中央控制器(如PLC)通过高速串行线同分散的现场设备(如I/O、驱动器和阀门等)进行通信，同这些分散的设备进行数据交换。其中的PROFIBUS-PA适用于安全性要求较高、数据传输速率要求不高的场合，将自动化系统和过程控制系统与现场设备，如压力、液位和温度变送器等连接起来，以代替4～20mA模拟信号传输技术。

现场监控级200负责监控隧道掘进机掘进作业过程、隧道掘进机上的子系统及其其他相关系统运行状态、精细勘探、精准衬砌和地质预报等信息，并负责现场设备级的数据与远程管理级之间的数据交换。

远程管理级100负责存储和管理现场设备级的数据、供远程用户实时监控现场掘进作业数据、与第三方数据库进行实时数据交互、远程调度管理并控制现场隧道掘进机掘进作业。

如图2所示，现场设备级300由隧道掘进机主机及后配套系统等若干系统组成。

其中，现场设备级300的隧道掘进机主机及后配套系统由多台PLC组成，以多台PLC为核心完成所需电气控制任务。主机系统和后配套系统分别以一台大型PLC为控制核心，完成数据采集与控制任务，两台PLC之间通过网络通信接口建立实时通信。隧道掘进机主机系统及后配套系统的所有数字、模拟信号均直接接入PLC的数字量输入端与模拟量输入端，而控制所需的数字输出信号与模拟输出信号均由数字量输出端、模拟量输出端引至相应的被控器件与设备。

网络通信接口(以以太网接口为例)与PROFIBUS-DP数据转换接口分为两部分设计实现，一部分采用嵌入了PROFIBUS-DP协议的主站卡，使数据转换接口装置具备PROFIBUS-DP主站的功能，另一部分是将以太网上层应用的协议栈嵌入到主控制器，实现其服务器的功能，并且主控制器负责实现以太网与PROFIBUS-DP主站卡之间的数据转换。以太网与PROFIBUS-DP数据转换接口总体结构图如图5所示，该转换接口主要由主控制器、以太网接口、背板总线接口、PROFIBUS-DP主站卡组成。主控制器控制整个系统的工作，负责与总线设备通信，完成以太网与PROFIBUS-DP主站卡之间数据的转换，实现双向通信；以太网接口负责该数据转换接口装置与以太网的通信；背板总线接口与PROFIBUS-DP主站卡连接，负责对数据进行电平转换并传输；PROFIBUS-DP主站卡对从站进行数据诊断、参数化和配置处理，并与从站循环的进行数据交换，同时通过背板总线完成与主控制器的数据交换。

以太网与PROFIBUS-DP数据转换接口连接两个结构和通信协议完全不同的网络，其软件部分基于硬件进行构建，选择移植嵌入式操作系统作为软件平台，基于平台完成两部分程序设计，即硬件设备的驱动和基于嵌入式操作系统进行多任务设计实现以太网与PROFIBUS-DP之间的数据转换。以太网与PROFIBUS-DP数据转换接口系统程序结构图如图6所示。

现场设备级300的其他相对独立的配套设备包含除隧道掘进机主系统和后配套系统之外的相对独立且必须的配套设备，如锚杆钻机、钢拱架安装器等。相对独立的各个配套设备采取一台PLC为核心完成其电气控制任务，通过PLC的I/O接口完成对各个独立的配套设备的执行机构的控制和数据采集任务，通过PLC的网络通信接口与PROFIBUS-DP现场总线的连接，将采集到的作业数据实时高速传输至现场监控级相应的监控设备，进而最终传输至远程管理级相应的数据库中，并通过网络通信接口与PROFIBUS-DP数据转换接口实现远程管理级下达的控制任务。

现场设备级300的PROFIBUS-PA模块适用于具有流程控制特点的对象且适用于有本安防爆要求的区域。此外，PA模块也适用于现场数据传输速率要求不高的场合。PROFIBUS-PA通过网关转换器件连接到DP系统中，实现DP和PA的综合应用。当DP和PA网段连接时，需要在DP和PA网段之间加装网络连接设备。

现场设备级300的隧道掘进机精准衬砌系统模块利用一台PLC来完成隧道掘进机精准衬砌系统的电气控制任务。隧道掘进机精准衬砌系统的所有数字、模拟信号均直接接入PLC的数字量输入端与模拟量输入端，而控制所需的数字输出信号与模拟输出信号均由数字输出端、模拟量输出端引至相应的被控器件与设备。精准衬砌系统PLC与现场监控级通过网络通信接口与数据转换接口实现数据传输和控制信号接收。网络通信接口与PROFIBUS数据转换接口采用模块化设计。

现场设备级300的隧道掘进机掘进导向系统模块进行掘进机位置和方向的测量与显示，并通过主司机操作撑靴系统调向，该模量采用激光导向系统。中央控制箱负责从激光靶及激光全站仪传来的数据转化成可通过网络通信接口传输至现场监控级和远程管理级的数据，远程管理级对激光全站仪发出的控制数据也在中央控制箱被转化为适当的数据格式。所有的数据通过中央控制箱进行采集并通过网络通信接口和数据转接口上传至现场监控级的监控设备(显示器)，并由主站PLC控制器上传至远程管理级的数据库中，以供远程用户访问和管理。

现场设备级300的隧道掘进机施工连续皮带机出渣运输系统模块由PLC控制，该PLC控制柜设在皮带机驱动装置附近，可控制皮带机的启动和停止。另外，皮带机控制系统与现场监控级通过网络通信接口和数据转换接口进行连接，可通过这些接口将连续皮带机出渣运输系统的现场作业数据实时传输至现场监控级的设备和远程管理级的数据库中，并接收来自远程管理级的控制命令完成指定的出渣运输作业任务。现场作业数据由USB接口传输至连续皮带出渣运输系统PLC，然后经过不同协议的数据转换由网络通信接口发送至网络通信接口与PROFIBUS-DP数据转换接口，再有该数据转换接口经过不同协议的数据转换上传至现场设备级的监控设备和远程管理级的数据库中。

现场设备级300的隧道掘进机精细勘探系统模块通过深埋隧洞岩体力学特性超前智能探测与岩爆微震监测技术研发及应用和深埋长隧洞突涌水探测与整治关键技术研究与应用两个方面实现，每一个方面均由理论分析、探测试验与应用研究构成，这些方面为隧道掘进机精细勘探提供理论与试验、应用研究支撑，这些方面的探测、监测或安全控制子系统分别通过单一PLC或智能节点来完成控制功能，隧道掘进机精细勘探系统现场作业数据通过现场总线接口9～现场总线接口12与PROFIBUS-DP现场总线进行数据连接，进而将现场作业数据传输至现场监控级中的监控设备上和远程管理级中的数据库中，而理论分析、探测试验与应用研究的成果数据将通过以太网接口与Ethernet进行数据连接，进而将这些成果数据传输至远程管理级的数据库中，结合隧道掘进机精细勘探系统现场作业数据为隧道掘进机现场安全高效有序掘进作业提供支持。远程管理级下发的控制指令通过Ethernet传输至隧道掘进机精细勘探系统的以太网接口，通过以太网串口数据转换模块将控制指令下传至隧道掘进机精细勘探系统的各个PLC或智能节点，通过各个PLC或智能节点来控制现场执行机构实现控制。

现场设备级300的隧道掘进机地质预报系统模块通过深埋长隧洞大断层等地质构造地震超前探测技术实现。通过RS232接口接收来自隧道掘进机隧洞地震超前探测专用仪器与系统的现场作业数据来进行分析研究，得出的研究成果通过以太网接口11与Ethernet进行数据连接，进而将数据传输至远程管理级的数据库中，而隧道掘进机地质预报系统的现场作业数据同时通过地质预报系统PLC的网络通信接口传输到数据转换接口，通过数据协议转换，将数据传输至PROFIBUS-DP现场总线上，进而将数据传输至现场监控级的监控设备上供现场监控人员使用，远程管理级下发的控制命令通过Ethernet传输至现场监控级的主站PLC，再由主站PLC通过PROFIBUS-DP传输至现场设备级的隧道掘进机地质预报系统的从站PLC，由PLC控制相应执行机构进行相关作业。

如图3所示，现场监控级200主要由主站PLC控制器及主站(从)PLC控制器模块、2类主站模块和网桥模块组成。

其中，现场监控级200的主站PLC控制器及主站(从)PLC控制器模块用于连接现场设备级和现场监控级，本平台采用的是单主站结构，即网络中只有一个主站，且该主站为1类主站，网络中的从站都隶属于这个主站，从站与主站进行主从数据交换。

主站PLC控制器及主站(从)PLC控制器模块的双机热备的结构示意图如图7所示，采用了主站+主站(从)双机热备设计，通过PLC硬件来完成CPU的双机热备，两块CPU模块通过两块冗余内存交换模块达到热备目的，两块冗余内存交换模块之间用光纤连接。

现场监控级200的监控及显示模块属于PROFIBUS系统的2类主站，具有管理1类主站(主站PLC控制器及主站(从)PLC控制器模块)的组态数据和诊断数据的设备，也具有1类主站所具有的通信能力，用于完成各站点的数据读写、系统组态、监视、故障诊断、系统配置、编程、参数设定、在线检测等，如编程器、操作员接口、操作员监控器、工程师工作站等。

现场监控级200的网关模块是远程级网络与现场级网络之间的一个通信接口，在远程管理级设备和现场监控级设备之间传输控制、监视、管理，以及维护和运行信息。现场总线网关是一个多功能设备，除了作为一般的通信接口设备之外，他还是一个网桥，可以在两个H1网段之间传递信息，也是一个网关，完成H1网络和以太网/高速以太网之间的协议转换，同时也是一个控制器，执行以功能块描述的控制任务。

如图4所示，远程管理级100主要由远程监控及信息管理模块、远程用户模块和其他远程数据库模块组成。

其中，远程管理级100的远程监控及信息管理模块用于存取来自现场设备级的实时数据并实现现场作业数据的高效管理，可执行数据分析、存储、数据处理、归档以及其他与数据管理相关的任务，可实现远程监控及管理人员对现场设备级的设备及子系统的实时监控与控制，也可实现远程数据库的集成。此外，可供远程用户通过因特网和以太网对现场作业数据进行访问、浏览和分析。

远程管理级100的远程用户模块为远程用户(PC端、笔记本或手机移动端)提供现场作业数据实时访问、浏览和分析功能，也为其他远程数据库与现场作业数据库模块之间的数据集成及访问提供支持。

远程管理级100的给现场作业数据库模块需要的其他数据提供支持，这类的数据包含设计单位提供的数据、勘探单位提供的数据和其他所需数据，远程监控及信息管理模块的监控与管理人员可以通过现场作业数据和其他远程数据库的数据之间的集成来综合分析判断隧道掘进机现场掘进作业状态，并基于综合数据的判断来确保隧道掘进机的高效安全掘进作业。

远程管理级的施工实时管理信息系统基于Ethernet/Internet运行环境，采用先进的浏览器/服务器(B/S)结构模式，在J2EE三层结构平台上进行开发而成。施工实时管理信息系统为三层结构设计，其技术架构图如图8所示，分别是客户端层、服务端层及数据库层，采用JAVA技术进行开发，通过JDBC技术访问数据库，满足频繁访问需求。采用B/S结构可供以太网用户及Internet网用户使用浏览器访问系统，无需安装客户端，方便远程访问。对于数据库层，采用兼容Oracle、SQL Server、MySQL等多种关系数据库的模式，以满足隧道掘进机施工现场实时作业的数据存储需求以及非施工现场数据的存储需求。

远程管理级的施工实时管理系统的数据库由6类多个子数据库组成，每个子数据库又由不同数据表组成，其数据库的分类如图9所示，包含TBM作业数据库、TBM工况数据库、TBM状态信息数据库、TBM报警信息数据库、TBM故障信息数据库和其他信息数据库。其中，TBM作业数据库包含TBM动作的全部数据信息，TBM工况数据库包含TBM中主要的工况数据信息，TBM状态信息数据库包含TBM相关部分的操作状态信息，TBM报警信息数据库包含TBM施工过程中全部的报警记录信息，TBM故障信息数据库包含TBM施工过程中全部的故障记录信息，其他信息数据库包含地质资料信息、设计参数信息等。

本发明所涉及的隧道掘进信息集成平台，可有效解决隧道掘进机技术领域中基础自动化控制网络与过程和管理控制系统之间的无缝集成问题，满足不同厂家的设备或系统方便地接入同一种开放式互联网络，进而满足隧道掘进机掘进过程中产生的各类数据的实时存取、实时管理以及外网用户远程访问的需求，实现内网与外网的高效互访和数据集成，实现隧道掘进机掘进过程中产生的各类数据的实时采集、高效存取和有效管理，进而确保隧道掘进机的高效安全掘进作业。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。