一种巷道盾构施工及其数据采集系统的制作方法

本发明涉及数据采集系统技术领域，具体为一种巷道盾构施工及其数据采集系统。

背景技术：

盾构机是一种超大型隧道掘进设备，目前主要应用于城市地铁建设。数据采集是指从传感器和其他待测设备的模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。为了让地面施工人员乃至远离施工现场的管理人员能够准确、及时地查看隧道内盾构机的工作状态、掘进参数和运行记录，保障盾构施工更加稳定、高效、安全地进行，必须配备功能齐全的监控系统和数据采集系统，使盾构机施工管理实现自动化、智能化。

申请公布号为cn102562085a，申请日为20101223的本发明公开了一种基于scada系统的盾构机远程数据采集系统，包括plc程控器，数据采集服务器，路由器，数据采集服务器采集plc程控器中盾构机各项实时数据并控制、实时监控，通过一对对称数字用户线路(sdsl)双向传输到地面web发布服务器并实施监控，同时通过路由器向局域网发布，通过路由端口开放后向网络发布，达到远程监控和实时观测到盾构机的运行状况。本方案实现了web发布，为远程诊断设备故障、分析运行参数带来可能，对项目部施工质量的集中监控提供平台。

申请公布号为cn105006131a，申请日为20150730的发明公开了一种基于手机的盾构机无线数据采集系统，包括盾构上位机、交换机、无线路由器、手机和远程监控服务器。本方案使手机在隧道内利用wifi信号采集盾构上位机中的数据，当手机带到隧道外时可通过移动网络将采集的数据传输到远程监控服务器，将无线路由器即时数据传输和手机应用于盾构机中，实现了数据的无线传输。

然而上述方案仍存在以下问题:1.盾构在施工过程中会引起地表沉降，而沉降发生的主要原因是地层损失，地层损失的主要影响因素包括推进过程中的排土量、注浆压力和注浆量等；2.由于传感器输出的电信号通常很微弱，并伴有噪声，需要对其进行必要的调理。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种巷道盾构施工及其数据采集系统，以解决上述背景技术中提出的问题。所述巷道盾构施工及其数据采集系统具有采集监测地层损失的功能，且具有抗干扰能力强、自动化水平高特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种巷道盾构施工及其数据采集系统，包括pc、plc、r485总线、传感器，所述传感器通过r485总线连接plc，所述plc与pc之间通过p485ug串口拓展卡相连，所述传感器包括测速仪、旋转编码器、电子皮带秤、质量流量计、压力传感器，所述测速仪、旋转编码器连接高频计数模块，所述plc与压力传感器设有信号隔离器，所述传感器通过pcmcia接口连接信号调理模块、信号采集卡至pc，所述测速仪安装于螺旋输送机出土口处，所述电子皮带秤安装于皮带输送机上，所述质量流量计安装于注浆泵的管道上，所述压力传感器安装于注浆泵的两路出口。

优选的，所述信号调理模块选用cm3501信号调理模块，压力传感器选用zfby3801压力传感器。

优选的，所述高频计数模块选用dam3070d高频计数模块，有2路独立的32位计数器，频率测量范围达100khz。

优选的，所述信号调理模块外接一个直流电源。

优选的，所述信号采集卡为2路12位模拟输出，集12位a/d转换器、12位d/a位转换器、16路单端接地的模拟输入通道、8位或24位并行输入输出线及两路24位定时器与计数器为一体，支持dma方式和双缓冲区模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本系统实现对出土量和注浆量的测量，有效减小和控制底层损失，提高了盾构施工质量，下位机包括测速仪、旋转编码器、电子皮带秤、质量流量计、压力传感器，主要完成数据采集工作，高频计数模块是用于测速仪和旋转编码器的增量信号，plc与pc之间通过p485ug串口拓展卡相连，且在压力传感器和新增之间加装一个信号隔离器，实现一路信号输入两路信号输出，完成高频采集，传感器和pc间添加cm3501信号调理模块、信号采集卡，向传感器提供恒流供电，增益放大器可对小信号进行放大，提高输出信号值，有效滤除干扰信号。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明传感器、p485ug串口拓展卡、信号调理模块与信号采集卡连接示意图。

图中：pc1、plc2、r548总线3、高频计数模块4、测速仪5、旋转编码器6、电子皮带秤7、质量流量计8、信号隔离器9、压力传感器10、传感器11、p485ug串口拓展卡12、信号调理模块13、信号采集卡14。

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：

一种巷道盾构施工及其数据采集系统，包括pc1、plc2、r485总线3、传感器11，所述传感器11通过r485总线3连接plc2，所述plc2与pc1之间通过p485ug串口拓展卡12相连，所述传感器11包括测速仪5、旋转编码器6、电子皮带秤7、质量流量计8、压力传感器10，所述测速仪5、旋转编码器6连接高频计数模块4，所述plc2与压力传感器10设有信号隔离器9，所述传感器11通过pcmcia接口连接信号调理模块13、信号采集卡14至pc1，所述测速仪5安装于螺旋输送机出土口处，所述电子皮带秤7安装于皮带输送机上，所述质量流量计8安装于注浆泵的管道上，所述压力传感器10安装于注浆泵的两路出口；所述信号调理模块13选用cm3501信号调理模块，压力传感器10选用zfby3801压力传感器；所述高频计数模块4选用dam3070d高频计数模块，有2路独立的32位计数器，频率测量范围达100khz；所述信号调理模块13外接一个直流电源；所述信号采集卡14为2路12位模拟输出，集12位a/d转换器、12位d/a位转换器、16路单端接地的模拟输入通道、8位或24位并行输入输出线及两路24位定时器与计数器为一体，支持dma方式和双缓冲区模式。

本数据采集系统分为上位机和下位机两部分，下位机包括测速仪5、旋转编码器6、电子皮带秤7、质量流量计8、压力传感器10五个传感器11检测从站，主要完成数据采集工作，旋转编码器6用于测量针轮装置的转速，dam3070d高频计数模块4是用于测速仪5和旋转编码器6的增量信号；上位机是放在操作室的工控pc1，是数据采集主站，主要负责读取下位机采集的数据并进行相应的处理和数据存储；传感器11分布在多处，传感器11检测装置采集各个参数，通过rs485总线3实时传输给主站pc1，并与pc1进行串口通信，将收到的数据在pc1上显示并利用后台处理软件进行处理，该系统采用分布式。

在本发明的数据采集系统中，上位机与下位机的通信以主从方式进行，rs485总线1构成了主从式的多机串行总线通讯系统，pc1按照通讯协议向下位机发送命令，下位机接收到命令后进行各种操作；pc1与各下位机之间的通讯方式采用半双工方式，每一个下位机被赋予唯一的从站地址，pc1采用轮循的方式在一个固定周期内先后访问5个从站，由pc1轮流向各个从站发送命令，在其控制下完成与各个下位机模块的数据交换，即上位机向下位机发送命令，下位机收到指令后作出相应的回应，每一次通信都是由上位机作为主动方则一直作为被动的服务器。

rs485总线1通信构造简单、技术成熟、造价低廉，便于维护，传输速度最大为10mbps，最大距离为1200m，是基于modbus协议的rs485串行总线的通信网络，另外，plc2通过串口通信的方式将采集到的数据传给上位机pc1，plc2与pc1之间通过p485ug串口拓展卡12相连。

系统实现对出土量和注浆量的测量，合理的注浆量可以有效减小地层损失率精确测量、控制注浆量对提高施工质量、控制地层损失有重要意义，测量出土量主要是在螺旋输送机出土处安装测速仪5测量出土口速度，再将速度与出土口的横截面积进行积分来测量排土体积，另外在皮带输送机上安装模块式电子皮带7秤测量土体重量，利用针轮装置测出土量，即让土体带动针轮转动，通过测针轮的转速反推出出土速度，再与出土口横截面积进行积分运算得出出土体积；测量注浆量主要是通过在注浆泵的两个管道上都安装质量流量计8和基于注浆压力与行程的基础上得到的，因此主要的数据需求量包括注浆出口压力以及注浆泵的行程，压力值测量采用4-20ma的泥浆压力传感器10，采用可编程控制器plc2完成采集工作。

压力传感器10已与盾构机电气控制系统的相连该负责整台盾构机各传感器11数据采集、逻辑运算和执行器控制，采集频率较低，而高频采集是实现注浆泵有效行程测量精度的重要保证，因此本系统在压力传感器10和plc2之间加装一个信号隔离器9，实现一路信号输入两路信号输出。

测速仪5与旋转编码器6均是增量输出，不支持modbus协议，因此采用dam3070d高频计数模块4采集测速仪5与旋转编码器6的增量信号，输出modbus协议格式的数据传给上位主站pc1，dam3070d高频计数模块4有2路独立的32位计数器，频率测量范围最大达到100khz。

由于传感器11输出的电信号通常很微弱，并伴有噪声，因此需要信号调理模块13对其进行必要的调理，传感器11、信号调理模块13、信号采集卡14、pc1之间通过pcmcia接口进行数据交换，信号调理装置的功能一般有放大、隔离、多路复用、滤波、激励和线性化等；信号调理模块13主要实现对信号传感器11采集的原始模拟信号的放大、滤波、隔离、转换等功能，以达到信号采集装置的采集要求，信号调理模块13已内装调理电路，只需外接一个直流电源即可；考虑到成本和采购方便，本系统选用cm3501信号调理模块13，主要功能包括向传感器11提供恒流供电，增益放大器可对小信号进行放大，提高输出信号值，低通滤波电路对输入信号进行阶抗混滤波，有效滤除干扰信号。

为便于与软件集成，本系统还选用多功能数据采集6024e信号采集卡14作为数据采集设备，该板卡可提供数字触发、2路12位模拟输出、2个24位20mhz计数器/定时器和8条数字线，集12位a/d转换器、12位d/a位转换器、16路单端接地的模拟输入通道、8位或24位并行输入输出线(5v、ttl)及两路24位定时器与计数器为一体；6024e信号采集卡14支持dma方式和双缓冲区模式，保证了实时信号不间断采集与存储。在双极性时，输入电压范围选择有100mv、1v、10v、20v四种，最高采样率为200kbit/s，主要完成数据采集功能。

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。