暢元洛-大專論文(工程機械專業(yè)2班)

1、河南科技大學繼續(xù)教育學院畢 業(yè) 設 計 論 文鑿巖臺車自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展專 業(yè)：工程機械運用與維護班 級：2015級（2）班姓 名：暢元洛學 號: 1555203421005指導老師：韓明巍畢業(yè)設計（論文）任務書班 級 2015級（2）班 學生姓名 暢元洛 學 號 1555203421005 題 目: 鑿巖臺車自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展 1、本論文的目的、意義 為了鑿巖臺車在隧道中可以更加靈活自如，通過現(xiàn)在臺車顯示出來的一些弊端改良創(chuàng)新，在一些危險巖爆地段可以利用機器人來代替人工，這樣既可保證進度又可做到人員安全兩全其美。 2、學生應完成的任務 此處由教師填寫 3、論文各部分內容及時間分配：（共

2、6 周）第一部分收集資料，整理篩選資料 ( 1 周) 第二部分確定論文方向，展開論述 ( 1 周) 第三部分書寫第一章內容，闡述國外研究背景 ( 1 周) 第四部分書寫第二章內容，闡述國內的發(fā)展前 ( 1周) 第五部分寫第三章內容，臺車現(xiàn)在的控制系統(tǒng) ( 1周)第六部分 闡述第四章，論文收尾，檢查。 ( 1 周) 指導教師： 2016 年 12 月 28 日審 批 人： 2017 年 月 日河南科技大學繼續(xù)教育學院?？飘厴I(yè)論文檢查表班級： 2015級(2)班 學生姓名： 暢元洛 指導教師：韓明巍論文題目鑿巖臺車自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展一、論文中期檢查(論文完成情況及主要內容)：此處由教師填寫教師簽

3、字： 2017年2月 日二、論文結題驗收： 此處由教師填寫教師簽字： 2017年4月 日三、論文評語及評分： 此處由教師填寫教師簽字： 2017年5月 日內 容 摘 要綜述了鑿巖臺車自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程，以Atlas最新推出的全電腦控制鑿巖臺車為例，介紹了臺車自動控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀。提出模塊化的軟硬件設計，分布式控制的發(fā)展與展望。網(wǎng)絡服務和三維圖形顯示技術是鑿巖臺車計算機控制系統(tǒng)的進一步發(fā)展方向。介紹了我國第一臺隧道鑿巖機器人控制系統(tǒng)，提出了進一步研究的幾個關鍵問題?！娟P鍵詞】：鑿巖臺車；自動控制；發(fā)展與展望；目 錄 第1章 國外隧道鑿巖臺車控制系統(tǒng)的發(fā)展1第2章 國內隧道鑿巖臺車控制系統(tǒng)的發(fā)展

4、22.1可靠性32.2定位精度42.3三維可視化技術5第3章 隧道鑿巖臺車控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀63.1 ABC三級鉆臂控制系統(tǒng)73.2 MWD “邊鉆邊測”模塊83.3 MMN模塊和MDPG模塊93.4 RRA鉆機遠程控制模塊103.5 SMRC單機遙控模塊113.6 IREDES國際鑿巖裝備數(shù)據(jù)交換標準12第4章 隧道鑿巖臺車控制系統(tǒng)發(fā)展展望134.1 控制系統(tǒng)的模塊化及標準化設計144.2 基于總線技術的分布式控制154.3 無線遙控操作技術的應用164.4 三維計算機圖形顯示技術17結 束 語18參 考 文 獻19引言： 我國正處于社會經(jīng)濟大發(fā)展的重要時期, 國民經(jīng)濟結構中基礎設施建設一直占有

5、舉足輕重的地位。近些年來, 在工程建設的眾多技術領域中隧道和地下工程技術十分突出。據(jù)來自于各方面的統(tǒng)計資料表明,至2003年年底, 我國大陸已建成的鐵路隧道有7400余座, 總長度4200km; 公路隧道1970余座,總長度近1000km; 已建成運營的城市地鐵總長近200km。此外,還建成大批地下廠房、地下設施和LPG等洞庫工程。從最近幾年的建設規(guī)模和速度來看,鐵路隧道和公路隧道分別約以每年300km和150km的建設速度在增長。正在規(guī)劃、設計和建設中的南水北調、西氣東輸和水電工程、LPG工程,也為隧道和地下工程事業(yè)的發(fā)展帶來了新的、更大的機遇。從隧道和地下工程的數(shù)量、規(guī)模和建設速度來看,

6、我國堪稱世界之最。在這些隧道中, 中硬巖隧道占相當比例。采用的主要鉆眼方法有人工手持風槍配簡易臺架鉆眼法、鑿巖臺車鉆眼法和隧道掘進。鉆鑿也達到了非常理想的效果，維護工作非常少。最早應用計算機進行鑿巖臺車控制的還有挪威的AMV公司，該公司也于1978年推出了自已的第一臺計算機控制鑿巖臺車，并首次成功地按預先設計的鉆孔方案自動完成鉆鑿循環(huán)。值得一提的是，1982年挪威成立了一家獨立的電子自動化公司Bever Control AS公司。該公司專門從事鑿巖臺車的計算機控制系統(tǒng)設計，最初與AMV公司一起合作開發(fā)計算機控制的鑿巖臺車 。Atlas Copco公司鉆臺的邊緣控制系統(tǒng)最先也是安裝Bever的系

7、統(tǒng)，1998年以后才有了他們自已開發(fā)的手動邊緣控制系統(tǒng)，1999年將手動操作升級為自動控制 J。裝備Bever控制系統(tǒng)的臺車現(xiàn)在已運行在挪威，瑞典，英國，德國，瑞士，奧地利，西班牙，韓國和中國等許多國家的隧道施工工地。鑿巖臺車自動化控制的發(fā)展第1章 國外隧道鑿巖臺車控制系統(tǒng)的發(fā)展由于隧道中的視覺條件而影響鑿巖臺車的鉆臂操作，恐怕是在機械化臺車中使用電子與計算機控制的最初動因之一 ，遠在1970年，挪威Ingeribr Thor Furuholmen AS(2oo4年更名為Skanska Norway AS)公司就預見到了這一點，并于1972年開始了自動鑿巖臺車的研究計劃，但由于設備造價高而且當

8、時鑿巖行業(yè)還不太接納這一技術，因此研究計劃暫時擱置。1977年這一計劃重新開始并于次年完成了三臂自動鑿巖臺車樣機的制造及試驗。第1臺工程樣機綜合考慮了傳感器與控制系統(tǒng)的安裝，使電子控制系統(tǒng)具有很好的抗損壞和防潮設計。但臺車仍由人工操作，自動裝置只實現(xiàn)了測量與顯示，以檢驗電子控制系統(tǒng)的可靠性和適用性。這臺工程樣機初次用于奧斯陸的一個大型下水道工程，需要鉆爆12條隧道。任務和時間都很集中，大約一年時間里，這臺鉆車連續(xù)工作(按兩班制)，共鉆孔380000m，爆破量接近270000m。巖石。工程實踐表明該臺車鉆孔能力高，電子裝置和傳感器的維護工作非常少。工程結束后，對鉆車的全面檢查結果顯示自動測量與顯

9、示系統(tǒng)有助于減小工作過程中臂的磨損。第2臺工程樣機于1979年完工，增加了計算機自動控制鉆臂定位和鉆孔循環(huán)。兩個月的調試結束后，這臺鉆車被用于挪威南部的兩個公路隧道工程，開始的時候使用手動控制，逐漸過度到自動方式，經(jīng)過對自動支撐和折彎補償處理的程序調整后，鉆車主要工作在自動控制模式，設備的運行令人滿意，在堅硬的玄武巖上累計鉆孔120000m，自動進行彎道邊緣孔的鉆鑿也達到了非常理想的效果，維護工作非常少。最早應用計算機進行鑿巖臺車控制的還有挪威的AMV公司，該公司也于1978年推出了自已的第一臺計算機控制鑿巖臺車，并首次成功地按預先設計的鉆孔方案自動完成鉆鑿循環(huán)。值得一提的是，1982年挪威成

10、立了一家獨立的電子自動化公司Bever Control AS公司。該公司專門從事鑿巖臺車的計算機控制系統(tǒng)設計，最初與AMV公司一起合作開發(fā)計算機控制的鑿巖臺車 。Atlas Copco公司鉆臺的邊緣控制系統(tǒng)最先也是安裝Bever的系統(tǒng)，1998年以后才有了他們自已開發(fā)的手動邊緣控制系統(tǒng)，1999年將手動操作升級為自動控制 J。裝備Bever控制系統(tǒng)的臺車現(xiàn)在已運行在挪威，瑞典，英國，德國，瑞士，奧地利，西班牙，韓國和中國等許多國家的隧道施工工地。第2章 國內隧道鑿巖臺車控制系統(tǒng)的發(fā)展2.1 可靠性我國對液壓鑿巖裝備的研究也不晚，1972年冶金工業(yè)部組織原中南礦冶學院與長沙礦山研究院共同研制液壓

11、鑿巖鉆車和液壓鑿巖機，1980年我國第1臺CGJ2Y型液壓鑿巖鉆車和YYG80液壓鑿巖機通過冶金部鑒定。隨后北京科技大學、中國煤炭科學院等1O多家單位參與這方面的研究工作，相繼開發(fā)出一系列產(chǎn)品，且液壓鑿巖設備的自動化程度在不斷提高，并向鑿巖機器人方向發(fā)展。原中南工業(yè)大學于1986年進行了學習再現(xiàn)式鑿巖機人研究，在實驗室完成了微機控制鑿巖自動定位和布孔的研究，北京科技大學于1993年完成了鑿巖機器人鉆孔過程計算機控制尋優(yōu)的實驗室研究。2.2 定位精度1998年，原中南工業(yè)大學在國家“863”高技術發(fā)展計劃智能機器人主題重大研究項目支持下，開始了國內鑿巖機器人實用化研究，在國外技術資料緊缺的情況下

12、，獨立自主開展研究工作，2000年JSZY2-90M型門架式兩臂隧道鑿巖機器人成功問世，成為我國第1臺隧道鑿巖機器人樣機，標志著我國液壓鑿巖技術及鑿巖臺車的自動化控制技術向產(chǎn)業(yè)化邁進了一大步。目前，在國家十五863計劃引導項目資金和科技部中小企業(yè)技術創(chuàng)新基金的資助下，中南大學與湖南山河智能機械股份有限公司進一步在鑿巖機器人本體結構、分布式控制 、提高鉆臂定位精度 馴、系統(tǒng)網(wǎng)絡功能等方面進行產(chǎn)業(yè)化研制。2.3 三維可視化技術JSZY2-90M型門架式兩臂隧道鑿巖機器人控制系統(tǒng)有以下幾個組成部分：計算機輔助隧道斷面設計系統(tǒng)(TUCAD)，激光車體定位導向系統(tǒng)，TDRc機載控制系統(tǒng)。TUCAD(圖2

13、-1)是自主開發(fā)的計算機輔助設計軟件平臺，可對隧道斷面及炮孔位置進行離線設計，具有我國鐵路隧道標準數(shù)據(jù)庫，設計文件可通過存儲卡載入機載計算機。激光車體定位導向系統(tǒng)可現(xiàn)場確定車體坐標，并對TUCAD設計的參考坐標進行校正。TDRC系統(tǒng)是鑿巖機器人實時控制系統(tǒng)，第一臺樣機采用上下位機結構，上位機用于鉆臂任務規(guī)劃和實時監(jiān)控(如圖2-2示)，可實時監(jiān)視鉆臂的定位過程及鑿巖進度；下位機用于集中式臂定位與鑿巖控制。圖2-1 TUCAD界面圖 2-2 機載控制系統(tǒng)界面 第3章 隧道鑿巖臺車控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀隨著電子技術、計算機技術、自動控制技術的發(fā)展，計算機控制的鑿巖臺車的功能、可靠性、精度不斷提高，工程效益日

14、益顯著。Rocket Bomer L1CL2CL3C系列鑿巖鉆車淘汰了以前的ECS電子控制系統(tǒng)，取而代之的是新一代的模塊化RCS計算機鉆車控制系統(tǒng)，鉆孔精度、信息記錄、可服務性往前提高了一大步，標志著計算機控制鑿巖臺車的發(fā)展進入了一個新的階段 。RCS是整個控制系統(tǒng)的基本平臺，這是一個基于CAN總線的分布式計算機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，軟硬件的模塊化設計便于鉆車功能的逐步擴展和完善。RCS實際上是一個專用計算機系統(tǒng)，其基本硬件平臺包括計算機、通信網(wǎng)絡、彩色顯示和數(shù)據(jù)輸入等單元；基本軟件包括數(shù)據(jù)載人、故障診斷、通信等功能；基本應用軟件有ABC、MWD等。模塊化和可擴展性是RCS的最大優(yōu)點，用戶可以從較低的

15、自動化程度開始，隨著工程要求的提高升級到較高一級的自動化水平。在RCS的基礎上，用戶可選擇的配置有以下幾種。3.1 ABC三級鉆臂控制系統(tǒng)ABC高級鉆臂控制系統(tǒng)是基于RCS平臺上的高速計算機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高速高精度的鉆鑿控制 。ABC有3個級別的控制可供用戶選擇：基本手動級，常規(guī)半自動級和全自動控制級。ABC基本手動級包括：鉆車由人工操作。手動操縱鉆臂和推進梁，基本鉆孔功能包括RPCF(鉆進壓力控制推進力)和自動防卡釬。手動控制功能通過電子裝置實現(xiàn)，具有系統(tǒng)監(jiān)視和故障診斷，能進行角度測量，能顯示推進梁的方向，幫助人工定位鉆臂，能進行孔深指示和基本信息備份。數(shù)字控制系統(tǒng)可提供更精確的控制

16、參數(shù)，與RPCF及FPC I(推進壓力控制沖擊)功能相結合，進一步減少了鉆具的消耗，鉆孔更直。ABC常規(guī)半自動級：它包含ABC基本級的全部功能，此外鉆孔方案由Pc軟件完成并通過Pc卡裝入到鑿巖臺車，屏幕上顯示炮孔位置和鉆臂方位，電腦引導操作者將鉆臂定位在預選的位置，并可隨時監(jiān)測鉆進過程，鉆進參數(shù)可以用圖線標繪出來或轉存到Pc卡上供以后分析評估。ABC全自動級：就是所謂的機器人，布孔設計及鉆孔過程參數(shù)的分析評估也在Pc機上完成，不同的是鉆孔過程的自動化，鉆臂運動和鉆孔都由RCS自動控制，操作員的作用由操作者變成了監(jiān)督員，預選的鉆孔方案和順序顯示在屏幕上，鉆臂干涉及孔序移動策略都由軟件來完成。但操

17、作者可隨時干預臺車的操作，在全自動的方式下，進行手動干預或進行半自動操作。3.2 MWD “邊鉆邊測”模塊 MWD是RCS系統(tǒng)的一個補充選件，它可以連續(xù)自動地采集整個鉆孔過程中的數(shù)據(jù)，MWD數(shù)據(jù)可以幫助更好地了解和分析隧道的地質結構，實現(xiàn)巖石的性質和狀態(tài)的可視化結。RCS系統(tǒng)中的傳感器以預選的采樣速率采集巖石狀態(tài)數(shù)據(jù)并存儲在高密度Pc卡中，鉆孔循環(huán)完成后，標準的鉆孔循環(huán)數(shù)據(jù)被送到辦公室進行分析、總和歸檔。辦公室Pc機軟件TM能夠從標準鉆孔循環(huán)數(shù)據(jù)中得出報告；而MWD采集了每個孔的推進速度、推理壓力、鑿錘壓力、阻尼壓力、旋轉速度、旋轉壓力、水流、水壓等詳實的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在軟件TunnelMan

18、ager Pro的支持下可得到所有已鉆孔的3D彩色可視化圖像報告(如圖2-1)，可從任何角度觀察孔，并能對圖像放大、縮小以詳細觀察孔內，不同顏色代表不同參數(shù)值，鉆孔區(qū)的整個結構清楚地展示在屏幕上。盡管MWD提供了大量的數(shù)據(jù)，但它不能進行解釋，將這些數(shù)據(jù)提供給承包商或地球物理學家進行解釋、作出判斷，幫助提出更合適的隧道開鑿方法。如果與下面提到的RRA模塊配合，就可將MWD數(shù)據(jù)直接通過網(wǎng)絡存取，那就可以現(xiàn)場作出判斷，及時調整開鑿方法。圖3-1 3D彩色可視化鉆孑L圖像3.3 MMN模塊和MDPG模塊 在辦公室規(guī)劃鉆孔方案并傳到鑿巖臺車上是容易實現(xiàn)的，但真正面對工程現(xiàn)場將鉆孔方案與巖石邊界對應起來就

19、不那么容易了，操作人員必須臨時調整，從而導致不理想的爆破效果。MMN和MDPG模塊就是為解決這一問題設計的，最終的鉆孔方案在井下就可按規(guī)劃參數(shù)現(xiàn)場自動修改。MMN用于消除導向誤差，把鉆車置于隧道中的正確位置，系統(tǒng)可直接把井下地圖信息傳給鉆車，操作人員可以在顯示屏上調整位置和顯示比例觀察井下地圖，參考點和隧道布置會在操作臺屏幕上顯示，然后對準激光束和推進梁的位置，如果鉆孔方案與礦體邊界相吻合，就可開始鉆鑿操作；如果存在偏差，MDPG鉆孔規(guī)劃模塊通過把推進梁與4個角的地理標志對齊來定義新的坐標系，按照臺車在井下的實際位置生成符合實際的鉆孔方案，然后由RCS ABC常規(guī)半自動級(或全自動級)鉆孔系統(tǒng)

20、自動完成鉆鑿任務。3.4 RRA鉆機遠程控制模塊用于將鉆機與現(xiàn)場商用網(wǎng)絡聯(lián)網(wǎng)，這樣可以通過Modem、手機或當?shù)鼐钟蚓W(wǎng)與鉆機聯(lián)網(wǎng)，可以遠程下載鉆孔規(guī)劃、上載記錄數(shù)據(jù)、鉆機狀態(tài)可以在線遠程監(jiān)視，便于工作順序(命令)臨時處理，記錄數(shù)據(jù)的傳輸和遠程故障診斷。3.5 SMRC單機遙控模塊更高一級的遙操作模塊，可以實時遠程操作鉆機，這需要保證寬帶通信網(wǎng)。3.6 IREDES國際鑿巖裝備數(shù)據(jù)交換標準這是一個用于鑿巖設備與用戶計算機系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的標準，便于使用來自不同廠家的生產(chǎn)設備。模塊化概念的機械、液壓、電子、軟件與新一代鉆機靈活配置，可滿足用戶的特殊需要，又不需要對其自動化系統(tǒng)作大的改動。 第4章 隧道鑿巖臺車控制系統(tǒng)發(fā)展展望隧道鑿巖機器人的發(fā)展方向除了研究更大功率和更高效率的鑿巖機和改進操作者的工作環(huán)境，就是更好的靈活機動性，更精確的定位和鑿巖控制。這無外乎包括計算機輔助設計，自動導航，自動定位，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，鑿巖控制，操作方式(遠程、三維顯示)，巖石狀態(tài)診斷以選取更合理的鑿巖方法，系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測，遠程技術服務。4.1 控制系統(tǒng)的模塊化及標準化設計可靈活配置成各種不同要求的用途，根據(jù)自動化程度的不同要求，包括機械部分、電子控制部分、計算機軟硬件等，可實現(xiàn)即插即用。4.2 基于總線技術的分布式控制為簡化布線、減少故障、靈