一种顶管机操作系统及操作方法与流程

本发明涉及顶管设备技术领域，具体为一种顶管机操作系统及操作方法。

背景技术：

顶管机是现代城市建设地下管线施工或水环境工程截流管网施工的主要设备之一，因其无需开挖土地面层特点施工对地面建筑物影响小，可有效降低施工的干扰问题而广泛适用。顶管机一般分为土压平衡顶管机、泥水平衡顶管机以及气压平衡顶管机等。

泥水平衡式顶管是一种以全断面切削土体，以泥水压力来平衡土压力和地下水压力，又以泥水作为输送弃土介质的机械自动化顶管施工法。泥水平衡顶管系统主要由顶管机头、地面操作台及其他辅助设备组成，机头内部有plc控制箱，地面操作台对机头给出动作信号控制机头的动作。排泥系统将弃土排除，吊车下管，由千斤顶将管道分段顶进。

目前常规顶管机顶管施工轴线控制主要通过地面操作台操作员手动远程操控顶管机头的纠偏装置实现。短距离顶管纠偏量需要借助安装在顶管机内的视频监控查看机头内标靶与安装在工作井的全站仪激光引导点偏差值进行控制。随着科技的不断发展目前自动测量导向系统也越来越多的应用到顶管施工测量控制中，该自动测量导向系统能够获得顶管机相对与管道设计中心线的偏差及其姿态指导用于较长距离的顶管作业，然而获取相关偏差数据后顶管机纠偏仍需要地面操作台操作员进行手动操控的远程控制机头内的纠偏油缸完成纠偏施工。纠偏施工存在一定的滞后延时性，施工偏差受操作员的影响较大，施工中不及时纠偏依然存在前段管节发生偏位的情况，人工操作纠偏已不能满足超长顶管或曲线顶管控制的控制要求。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够提高顶管机的精度，避免出现顶进过程出现偏差，有效减少纠偏工作量，提高施工效率，实现过程可控的顶管机操作系统及操作方法。技术方案如下：

一种顶管机操作系统，包括主控制器、测量导向系统、刀盘控制系统、主顶控制系统、纠偏控制系统；

测量导采集顶管机位置及轨迹信息并发送给主控制器，主控制器接收顶管机位置及轨迹信息后，结合工控机录入的设计轨迹规划顶管机施工线路；

刀盘控制系统包括刀盘电机，刀盘电机通过第一变频器连接到主控制器，主控制器通过控制第一变频器频率来控制顶管机刀盘的启动、正转、反转以及升速和降速；

主顶控制系统包括主顶油缸，主顶油缸上设有第一行程传感器，通过第一行程传感器获取主顶油缸的行程信息；主顶油缸通过第一电磁比例阀连接到主控制器，主控制器利用第一电磁比例阀控制主顶油缸伸长、收缩以及顶进速度；

纠偏控制系统包括纠偏油缸，纠偏油缸通过第二电磁比例阀连接到主控制器，主控制器结合测量导向系统测得的顶管机轨迹与设计轨迹进行对比计算偏差值，并利用第二电磁比例阀控制纠偏油缸伸长或收缩，从而实现顶管机的上仰、下俯、向左、向右四个方向的纠偏动作，纠偏油缸的伸长、收缩值由安装在纠偏油缸上的第二行程传感器实时进行反馈

进一步的，还包括泥水输送系统，泥水输送系统包括输送电机和用于检测输送出的泥水密度的密度传感器，输送电机通过第二变频器连接到主控制器，主控制器通过控制第二变频器进而控制输送电机的启动、正转、反转、升速或降速。

更进一步的，所述测量导向系统还包括全自动全站仪、mtg-m光靶、棱镜、第三行程传感器；所述全自动全站仪安装在邻近工作井的管道中部，棱镜安装再邻近工作井的管道末端管节内壁；mtg-m光靶安装在顶管机上，第三行程传感器设置于顶管洞口顶部。

更进一步的，还包括远程控制装置，远程控制装置包括依次连接的分收发器、主收发器和遥控器；分收发器还连接到主控制器。

一种顶管机操作系统的操作方法，包括：

在始发井中安装一个激光发射装置，在顶管机上安装激光靶；

顶进施工距离小于200m且为直线顶进时，激光束平行于设计轴线入射至激光靶，激光靶感应激光斑的中心位置，计算出顶管机的轴线与设计轴线的位置偏差关系；

当顶管进行超过200m距离或是曲线顶进施工时，通过安装在管道邻近顶管机机头方向的前段第二节管道内壁的前视棱镜和参考棱镜、安装在邻近工作井的管道末端管节内壁的后视棱镜以及管道中部的全自动全站仪、控制箱以及第三行程传感器测量顶管的距离，实现管道实时顶进轨迹测量，包括水平角、垂直角；全站仪将输出信号传输给地面操作平台的工控机，工控机控制全站仪的运行；工控机对测量导向系统测得顶管机运动轨迹与设计轨迹进行数据分析对比得到偏差信息，并将偏差信息反馈给主控制器，主控制器根据偏差信息控制纠偏油缸的伸长或收缩，从而实现顶管机的上仰、下俯、向左、向右四个方向的纠偏动作。

本发明的有益效果是：本发明通过多种传感器采集顶管机的过程使用参数，通过顶管机使用参数结合测量导向系统、顶管机的各项智能控制统实时调整顶管机的运动，提高了顶管机的精度，实现了过程可控；本发明的纠偏操作可有效避免事后处理，在过程中进行主动控制，可精确控制顶管机顶进轨迹，避免出现顶进过程出现偏差，有效减少纠偏工作量，提供了顶管机施工精度，提高了施工效率。

附图说明

图1为本发明顶管机操作系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，一种智能顶管机自动操作系统，包括：顶管机刀盘及纠偏油缸自动控制系统、智能测量导向系统、主顶自动控制系统、泥水输送系统、主控制器及监控装置；

所述顶管机刀盘及纠偏油缸自动控制系统、智能测量导向系统、管道状态实时监控系统、主顶控制系统、泥水输送系统分别与主控制器连接；所述顶管机刀盘自动控制系统装置包括依次连接的主控制器、变频器和刀盘电机，变频器同时连接主控制器和刀盘电机；所述纠偏油缸自动控制装置包括依次连接的主控制器、电磁比例阀，电磁比例阀连接纠偏油缸；所述的主顶自动控制系统包括依次连接的主控制器、电磁比例阀，电磁比例阀连接主顶油缸；所述泥水输送系统包括依次连接的主控制器、变频器和输送电机，变频器同时连接主控制器和输送电机；所述主控制器包括信号采集及处理单元、逻辑运算单元和输出单元；所述监控装置包括实时监测装置和远程控制装置。

还包括有顶管机头内纠偏油缸上安设有编码器式行程传感器；泥水输送系统安设有密度传感器，主顶控制系统在顶管机始发的工作井内主顶油缸内安装行程传感器。上述装置同时连接到主控制器。还包括有顶管机自动测量导航系统所需的全自动全站仪、无线电台及遥控设备、mtg-m光靶、棱镜、控制箱、顶管洞口顶部设行程传感器。

所述泥水输送系统上还安装有用于检测输送出的泥水密度的密度传感器。所述实时监测装置包括工控机，工控机通过can接口卡连接主控制器。

本实施例顶管机操作系统的操作方法包括：

通过智能测量导向系统采取顶管机位置及轨迹信息；

主控制器接收顶管机位置及轨迹信息后，结合工控机录入的设计轨迹自动规划顶管机施工线路；

通过远程控制系统启动顶管机进行智能施工；

顶管机施工过程中，通过安装在洞口顶部的行程传感器、安装在顶管机纠偏油缸处以及主顶进油缸处的编码器式行程传感器以及泥水输送系统上安装的密度传感器获得顶管机施工过程中的主要参数。

所述的智能测量导向系统，以激光靶技术为基础，实时测量顶管机轴线与设计轴线的位置偏差关系。系统在始发井中安装一个激光发射装置，在顶管机上安装激光靶。当顶进施工距离小于200m且为直线顶进时，激光束平行于设计轴线入射至激光靶，激光靶精确感应激光斑的中心位置，通过软件准确计算顶管机的轴线与设计轴线的位置偏差关系，并通过图形结合数字的方式直观显示偏差信息。

进一步的，当顶管进行超过200m以上的长距离或是曲线顶进施工时，通过安装在管道邻近顶管机机头方向的前段第二节管道内壁的前视棱镜和参考棱镜、安装在邻近工作井的管道末端管节内壁的后视棱镜以及管道中部的全自动全站仪、无线电台、控制箱以及通过行程传感器测量顶管的距离等实现管道实时顶进轨迹测量，包括水平角、垂直角等。全站仪将输出信号通过无线电台发送信号传输给地面操作平台的工控机。工控机及其应用工具控制全站仪的运行。工控机对测量导向系统测得顶管机运动轨迹与设计轨迹对比进行数据分析用于实时控制系统主控制器，同时可实时监测显示顶管机位置及顶管施工轨迹线路的信息。

顶管机刀盘及纠偏自动控制系统工作是根据顶管机施工中智能测量导向系统，获得顶进实际轨迹参数、纠偏油缸换编码器式行程传感器信息计算的刀盘角度信息，进而通过主控器控制连接顶管机刀盘的变频器频率控制顶管机刀盘的启动、正转、反转以及升速和降速。当主控制器检测变频器电流值突然增大时控制器程序默认为刀盘正转过程遇到阻力，控制器控制变频器控制刀盘电机实施反转，电流值恢复正常并持续120s后控制器控制变频器孔子刀盘电机正转。主控器结合测量导向系统测得的顶管机轨迹与设计轨迹进行对比计算偏差值进而控制纠控制顶管机纠偏油缸的伸长、收缩，从而进一步的实现顶管机的上仰、下俯、向左、向右等四个方向的纠偏动作，纠偏油缸的伸长、收缩值由安装在纠偏油缸换编码器式行程传感器实时进行反馈。

顶管机泥水输送系统工作过程为：顶管机刀盘电机启动主控器相继启动泥水输送系统电机，输送系统通过对刀盘切削的土料加水形成的泥水。主控制器通过控制变频器进而控制输送系统电机的启动、正转、反转、升速和降速。泥水密度传感器用于实时监测输送泥水的密度并将数据反馈于主控制器。

顶管施工主顶控制系统工作过程为：主顶油缸内安装行程传感器及电磁比例阀，主顶自动控制系统通过行程传感器获取主顶油缸行程信息，主控制器利用电磁比例阀控制主顶油缸伸长、收缩以及顶进速度。

本发明智能顶管机自动操作系统实现顶管机施工中刀盘及纠偏系统、主顶控制系统、泥水输送系统等的自动控制，同时还可以保留人工控制系统。主控制器作为操作系统的核心部件，接收并处理信号，形成指令控制其他装置的运行；信号采集及处理功能的实现不能影响原顶管机的操作功能，故增加以两位开关，实现就地/远程控制。

本发明利用通过研发调整加装泥水平衡式顶管机施工智能自动控制系统实现了顶管机刀盘及纠偏系统主顶控制系统、泥水输送系统等的自动控制，提高施工过程的准确性，提高施工效率，保障施工质量。