CN105045323B - 智能灌浆系统 - Google Patents

Abstract

智能灌浆系统。设单片机、键盘和显示器。在制浆桶内插入水、水泥粉、沙粒、化学添加剂、浓浆液等装有电磁阀、传感器或电子秤等管路；用编程控制浆液配比、用量等,配浆效率高、配比准确、劳动强度小。在灌浆泵驱动电机端增设有通信接口的变频器,单片机输入端接压力传感器,输出端接高压阀门和报警装置；驱动电机功率和管路压力可控,节省电能；操作人员远离高压管路，安全。在制浆桶上方，固定输出端接单片机的拉力传感器,下端悬吊浸没于水泥浆液的金属重物；单片机连续测量显示比重，实时调整浆液浓度，保证灌浆质量,清洗次数少。智能灌浆只需要人工输入灌浆参数，后续的配浆、灌浆等操作全部由系统自动完成，省时省工。用于水电站灌浆施工,特别是边坡、坝基等处。

Description

智能灌浆系统

(一)技术领域：本发明涉及一种具有智能控制的灌浆检测记录系统。用于水电站灌浆工程中的工程计量和质量监控。属容量、流量测量类(G01F)。

(二)背景技术：

灌浆工程一般用在电站水坝施工中。灌浆是指向电站水坝的堤岸、地基等灌入水泥、沙浆等物质，以加强牢固性，提高防渗性能。因此，灌浆质量将决定电站水坝的整体质量。

现有水电站的灌浆检测记录系统总布置见图1:为了检测向灌浆孔6n内灌入的浆液流量、密度、压力、抬动等数值并进行记录，在灌浆管路2n中顺次设制浆桶1n、进浆流量传感器3n、密度传感器4n、灌浆泵5n、灌浆孔6n、抬动传感器7n、压力传感器8n、回浆流量传感器13n然后送回到制浆桶。五个传感器分别通过各传感器电信号线3.1n、4.1n、7.1n、8.1n、13.1n与远处的灌浆自动记录仪9n传感器接头连接,将各传感器检测数据送到记录仪,再用打印机10n打印出灌浆施工记录表,供业主观看，使之了解和掌握灌浆施工质量。压力传感器和回浆流量传感器间管路上设有高压电动阀门12n。灌浆自动记录仪按需要可设声光报警器11n。

现有上述灌浆检测记录系统中涉及制浆桶1n中水泥浆液比重测量是采用人工进行:人工将制浆桶(也称搅拌槽)中配置好的水泥浆液取样一块放在固定体积的比重称上称出重量,便可获得这一槽水泥浆液的比重。这种人工测量有如下问题:1)人工采样费工费时。2)比重称维护困难，每次称重后，必须清洗、凉干，十分麻烦。3)水泥浆液采集是断续的,一次取样代替这一槽水泥浆液比重,不利于保证灌浆质量。

现有上述灌浆检测记录系统中的涉及制浆桶1n、浆液原材料的配浆系统存在如下问题：现有制浆桶中浆液的配制全是人工进行。根据灌浆工程质量的要求，不同的地质结构、部位、灌浆孔深度都需要不同浓度的水泥浆液，人工配浆的方法需要2至3人全程值守,且配浆过程需要不断地核对浆液浓度是否达到了要求，导致效率低、成本高，劳动强度大，费时费工，配比准确率得不到保证。

现有上述灌浆检测记录系统中涉及灌浆泵5n、高压电动阀门12n及管道等的加压系统存在如下问题：1)由于现有灌浆泵以恒定功率输出，不能调节,且一直以最大功率输出，而实际使用中大多数情况只需要很小的压力，为了减小管路压力到实际需要的大小，需要人工调节高压电动阀门开启的大小，使部分浆液通过回浆管路回到制浆桶，以减小压力,由此造成能量浪费。2)由于现有灌浆管路上的高压电动阀门必须由操作人员根据压力传感器8n处的压力表显示的压力进行实时调节,费时费工。3)在进行大压力灌浆时，由于管路上压力较大，有爆管的危险，危及操作人员人身安全。

现有灌浆系统的灌浆流程是：①取得灌浆工艺要求；②在灌浆记录仪上输入灌浆参数；③按灌浆工艺要求人工配置200L一定比例的浆液；④启动灌浆泵，开始灌浆；⑤200L浆液用完之后关闭灌浆泵；⑥灌浆若未达到要求时，需要重复第③④⑤三个步骤，往往需要重复数十遍，直到灌浆达到要求。这个过程非常单调、漫长，不仅浪费人工，效率低下，甚至导致人为作弊，篡改灌浆数据,影响灌浆质量。

(三)发明内容：

本发明提供的智能灌浆系统，目的就是解决上述现有的灌浆检测记录系统中如下问题:1)水泥浆比重测量采用人工取样方法存在费时费工、比重称维护清洗困难、断续采集,灌浆质量难保证。2)现有配浆方法效率低、人工成本高、配比不准确、劳动强度大、费时费工。3)现有灌浆泵为大压力恆功率输出导致能量浪费、人工操作大压力高压阀门不安全易伤亡。4)传统灌浆过程全部由人工操作，不仅效率低下,且易导致人为作弊，篡改灌浆数据,影响灌浆质量。

技术方案如下:

智能灌浆系统，包括:制浆桶1n、灌浆泵5n、灌浆泵驱动电机5n、高压电动阀门12n、压力传感器8n、声光报警器11n；其特征是：

1)设单片机控制系统6、键盘7、显示器8；单片机控制系统内有沿输入信息传输方向顺次连接的光耦隔离电路6.1、A/D转换6.2、单片机6.3。2)设如下在线式水泥浆液比重计：在所述制浆桶1n、或者与制浆桶间水泥浆液循环流通的容器的上方，固定一个拉力传感器10，拉力传感器下端以细线11悬吊一个己知空气中重量的金属重物12，且金属重物完全浸没于被测水泥浆液中，不接触其它物体；拉力传感器电信号输出端10a接光耦隔离电路输入端,并经A/D转换连接到单片机传感器电信号输入接口6.4。3)设如下的自动配浆系统:在制浆桶1n内设置插入分别通入水、水泥粉、沙粒和化学添加剂的如下四根管路及装置(见实施例1)；或者仅设置插入分别通入水和浓浆液的如下两根管路及装置(见实施例2):①插入装有水管电磁阀1A的自来水管1,自来水管入口端与装有水流量传感器1B的自来水供水管路1C连通；②插入装有水泥电磁阀2A的水泥粉管2,水泥粉管入口与支撑有水泥电子秤2B的水泥漏斗2C连通；水泥漏斗上方为有水泥供料控制装置2D的水泥送料装置出料口2E；③插入装有沙粒电磁阀3A的沙粒管3,沙粒管入口与支撑有沙粒电子秤3B的沙漏斗3C连通；沙漏斗上方为有沙粒供料控制装置3D的沙粒送料装置出料口3E；④插入装有添加剂电磁阀4A的添加剂管4；入口端与支撑有添加剂电子秤4B的添加剂漏斗4C连通；添加剂漏斗上方为有添加剂供料控制装置4D的添加剂送料装置出料口4E；⑤插入装有浓浆液电磁阀5A的浓浆液管5,浓浆液管入口端与安装有浓浆液流量传感器5B的浓浆液供应管路5C连接。上述水流量传感器1B、水泥电子秤2B、沙粒电子秤3B、添加剂电子秤4B以及拉力传感器10共五个传感器电信号输出端均顺次经过光耦隔离电路6.1、A/D转换电路连接到单片机传感器电信号输入接口6.4。单片机中控制信号输出端口6.6，经过光耦隔离电路6.1后接如下七个配浆执行元件的电磁线圈:①水管电磁阀1A、②水泥电磁阀2A、③水泥供料控制装置2D、④沙粒电磁阀3A、⑤沙粒供料控制装置3D、⑥添加剂电磁阀4A、⑦添加剂供料控制装置4D(见实施例1)。或者仅上述水流量传感器1B、浓浆液流量传感器5B、拉力传感器10共三个传感器电信号输出端经过光耦隔离电路、A/D转换电路之后连接到单片机传感器电信号输入接口6.4；对应单片机控制信号输出端囗6.6经过光耦隔离电路接如下两个配浆执行元件的电磁线圈:水管电磁阀1A和浓浆液电磁阀5A(见实施例2)。4)设如下的灌浆压力自控系统:在所述灌浆泵驱动电机5n输入端增设变频器9；所述压力传感器8n的压力电信号输出端8.1n接光耦隔离电路输入端,并经A/D转换连接到单片机传感器电信号输入接口6.4；单片机设控制信号输出端口6.6通过光耦隔离电路分别接声光报警器11n、高压电动阀门12n；单片机与变频器上分别设有传输信息的变频器通信端口6.5和通信端口9.1。

5)单片机设有对外通信端口6.7,经过光耦隔离电路,与其它通信设备连接。

上述单片机通信端口6.7采用RS485接口为佳。上述水泥、沙粒、或化学添加剂各种送料装置均可采用送料管路或螺旋输送机。上述水泥、沙粒、或化学添加剂各种供料控制装置分别采用在送料装置出料口处的供料电磁阀或螺旋输送机电控开关2D、3D、4D。

本发明有益效果：

1)在线式水泥浆液比重计用单片机连续测量并显示，便于人工或其它自动化设备实时调整浆液浓度，使整个灌浆过程中浓度与设计值吻合,能保证灌浆质量。且单片机响应速度快，省时；无需人工取样，省工。只需在每次灌浆结束后才清洗设备，而现有比重称是每次取样测量后均要清洗，大大减少比重计清洗量。

2)自动配浆系统:采用可编程单片机控制系统，可设定上述配浆中需要的4种或2种原料的配比、用量、从管路中放出的速度、排放时间及先后次序等，使各混合物的配比达到施工质量要求。配浆效率高、配比准确、人工劳动强度小。同时用在线式水泥浆液比重计实时监测浓度是否达到要求，实现自动配浆。当浓浆液可自动由管路通入时，采用浓浆配稀浆(见实施例2)。这种方式可实现全程无人值守的全自动配浆。

3)灌浆压力自控系统:由于增设变频器，使灌浆泵驱动电机电源的频率、电压可以按需要设定，即灌浆泵输出功率可按需要控制调节,可大大节约电能。管路压力由系统自动调节，实时高效，节省人工成本。单片机控制系统由变频器通信接口控制变频器，使操作人员远离高压管路，同时因为设有光耦隔离电路，使操作人员远离强电系统，保证了操作人员的人身安全。设有声光报警装置和高压电动阀门，管路压力超限自动报警、自动开启高压阀门进行泄压，避免因压力超限致使大坝坝基抬动进而造成严重工程事故。

4)智能灌浆系统：采用全自动控制灌浆，输入灌浆参数和灌浆结束条件之后，系统会自动控制配浆系统进行配浆，控制灌浆压力自控系统进行灌浆，直到达到设定的结束灌浆条件或者人为中止灌浆。灌浆过程全自动化无需人工干预,省时省工，提高灌浆效率。

(四)附图说明

图1现有水电站的灌浆检测记录系统总布置图。

图2自动配浆系统管路组成图。

图3在线式水泥浆液比重计结构示意图。

图4智能灌浆系统的控制部分原理总框图。

(五)具体实施方式

实施例1:

本实施例智能灌浆系统由以下部分组成,下面对照附图分别一一说明。

1)见图4,设单片机控制系统6、键盘7、显示器8。单片机控制系统内有沿输入信息传输方向顺次连接的光耦隔离电路6.1、A/D转换6.2、单片机6.3及通信端囗6.7。键盘7用于输入设置，与单片机键盘接囗6.8连接。显示器8用于显示数据，与单片机显示器接囗6.9连接。

2)在线式水泥浆液比重计:见图3,在灌浆检测记录系统中的盛有被测水泥浆液1m的制浆桶1n上方固定一个拉力传感器10，拉力传感器下端通过细线11悬吊金属重物12，拉力传感器用于测量因金属重物的重力而产生的拉力，金属重物完全浸没于被测水泥浆液中，且不与其它物体接触。金属重物在空气中的重量G是事先由拉力传感器测得的已知数据。拉力传感器10测量细线11上产生的拉力F，这个拉力由金属重物12的重力G和被测水泥浆液1m对金属重物的浮力F1合成,即F1＝G－F。

见图3、图4,拉力传感器10电信号线输出端10a将拉力F模拟电信号传给光耦隔离电路6.1，再通过A/D转换6.2，传输的拉力F数字信号输入到单片机传感器电信号输入接囗6.4中，通过单片机计算便可获得被测水泥浆液1m的比重值ρ。计算公式如下:

浮力F1＝G－F＝ρg V

上式中:G-事先测得的金属重物在空气中自身的重力。F-单片机读出的拉力传感器细线上产生的拉力。V-金属重物的体积。g-重力加速度。由此便获得被测水泥浆液的比重值ρ：

ρ＝(G－F)/g V

3)设<直接配浆的自动配浆系统>:

见图2,在制浆桶1n内设置插入分别通入水、水泥粉、沙粒和化学添加剂的如下四根管路及装置:①插入装有水管电磁阀1A的自来水管1,自来水管入口端与装有水流量传感器1B的自来水供水管路1C连通。②插入装有水泥电磁阀2A的水泥粉管2,水泥粉管入口与支撑有水泥电子秤2B的水泥漏斗2C连通；水泥漏斗上方为水泥送料管路出料口2E,在出料口2E处设有水泥供料电磁阀2D。③插入装有沙粒电磁阀3A的沙粒管3,沙粒管入口与支撑有沙粒电子秤3B的沙漏斗3C连通；沙漏斗上方为沙粒送料管路出料口3E,在出料口3E处设有沙粒供料电磁阀3D。④插入装有添加剂电磁阀4A的化学添加剂管4,化学添加剂管入口与支撑有添加剂电子秤4B的添加剂漏斗4C连通；添加剂漏斗上方为添加剂送料管路出料口4E,在出料口4E处设有添加剂供料电磁阀4D。

见图4,上述自动配浆系统中水流量传感器1B、水泥电子秤2B、沙粒电子秤3B、添加剂电子秤4B、拉力传感器10共五个传感器电信号输出端均连接到光耦隔离电路6.1输入端,再经A/D转换6.2连接到单片机6.3传感器电信号输入接囗6.4。单片机的控制信号输出端囗6.6接如下7个配浆执行元件的电磁线圈:①水管电磁阀1A、②水泥电磁阀2A、③水泥供料控制装置2D、④沙粒电磁阀3A、⑤沙粒供料控制装置3D、⑥添加剂电磁阀4A、⑦添加剂供料控制装置4D。

自动配浆系统工作过程:1)用键盘7设置浆液浓度和配比信息。2)单片机控制系统自动控制水泥电磁阀2A、水泥供料电磁阀2D，再配合水泥电子秤2B输出的重量信息，实现控制输入制浆桶内的水泥灰重量。同理，单片机控制系统检测沙粒电子秤3B和添加剂电子秤4B输出的重量信息，控制沙粒电磁阀3A、沙粒供料电磁阀3D、添加剂电磁阀4A、添加剂供料电磁阀4D的开关时间，使配比达到要求；同时单片机控制系统根据在线式比重计的拉力传感器10反馈的密度信息调节自来水管电磁阀1A，使浆液浓度达到要求。

3)灌浆压力自控系统:

见图4，增设变频器9,变频器主电路9.3电源输入端接市电三相交流电输入5A，变频器主电路的三相交流电输出端接灌浆泵驱动电机5B电源输入端。主电路一般包括整流滤波电路和IGBT等器件和电路。这里变频器选用380V-15KW通用变频器,因是市售产品,这里不再详述。

见图4,见图1,上述灌浆压力自控系统中,灌浆检测记录系统中压力传感器8n的电信号输出端8.1n接光耦隔离电路6.1输入端,再经A/D转换6.2连接到单片机传感器电信号输入端口6.4。单片机设控制信号输出端口6.6,通过光耦隔离电路分别与灌浆管路上装的高压电动阀门12n和声光报警装置11n输入端连接。单片机设变频器通信接口6.5,变频器上设有通信接口9.1,用于两者间传输信息。见图4,变频器上的通信接口9.1接控制回路9.2,控制回路9.2根据通信接口9.1获得压力控制信息，通过主回路9.3对输入的三相交流电5A的电压频率进行改变，再将改变后的三相交流电输出到灌浆泵驱动电机5B，实现对灌浆泵驱动电机5B的功率控制，最终达到对灌浆压力的控制。

灌浆压力自控系统工作过程：操作人员通过键盘7设定灌浆管路压力，并设置最大管路压力的限制值。单片机从压力传感器输出的电信号8.1n获得当前管路压力，通过单片机的变频器通信接囗6.5控制变频器9适当调整灌浆泵驱动电机5B的输出功率，使灌浆压力达到设定值。当出现意外情况导致无法通过变频器调节管路压力时，单片机控制声光报警器11n发出报警信息。当出现意外情况，管路压力超过设定的最大管路压力，并且单片机控制系统无法控制压力下降时，单片机通过控制输出端囗6.6开启高压电动阀门12n，被动降低压力，并控制声光报警器发出报警信息。

5)本发明智能灌浆系统整体工作过程：①用键盘和显示器输入浆液密度、灌浆压力以及灌浆结束标准。②启动灌浆。③智能灌浆系统根据设定的密度、压力,分别控制在线式比重计监测密度、自动配浆系统进行配浆、压力自控系统调节灌浆泵输出功率，使灌浆密度、压力均达到设定值。④达到灌浆结束标准，灌浆自动结束，或者其它情况人为中止灌浆。

实施例2:除以下特征与实施例1不同,其余全部相同。

<浓浆配稀浆的自动配浆系统>

1)见图2,在制浆桶1n内设置插入分别通入水和浓浆液的如下两根管路及装置:

①插入装有水管电磁阀1A的自来水管1,自来水管入口端与装有水流量传感器1B的自来水供水管路1C连通。⑤插入装有浓浆液电磁阀5A的浓浆液管5,浓浆液管入口端与安装有浓浆液流量传感器5B的浓浆液供应管路5C连接。

2)见图4，上述水流量传感器1B、浓浆液流量传感器5B、拉力传感器10(见图3)共3个传感器的电信号输出端连接到单片机控制系统6光耦隔离电路6.1输入端,再经A/D转换6.2连接到单片机6.3传感器电信号输入端口6.4。单片机控制信号输出端囗6.6通过光耦隔离电路接如下2个配浆执行元件的电磁线圈:水管电磁阀1A和浓浆液电磁阀5A。

Claims (3)

1.智能灌浆系统，包括:制浆桶(1n)、灌浆泵(5n)、灌浆泵驱动电机、高压电动阀门(12n)、压力传感器(8n)、声光报警器(11n)；其特征是：

1)设单片机控制系统(6)、键盘(7)、显示器(8)；单片机控制系统内有沿输入信息传输方向顺次连接的光耦隔离电路(6.1、A/D转换电路(6.2)、单片机(6.3)；

2)设如下在线式水泥浆液比重计：在所述制浆桶(1n)、或者与制浆桶间水泥浆液循环流通的容器的上方，固定一个拉力传感器(10)，拉力传感器下端以细线(11)悬吊一个己知空气中重量的金属重物(12)，且金属重物完全浸没于被测水泥浆液中，不接触其它物体；拉力传感器电信号输出端(10a)接光耦隔离电路输入端,并经A/D转换连接到单片机传感器电信号输入接口(6.4)；

3)设如下的自动配浆系统:

在制浆桶内设置插入分别通入水、水泥粉、沙粒和化学添加剂的如下四根管路及装置；或者仅设置插入分别通入水和浓浆液的如下两根管路及装置:

①插入装有水管电磁阀(1A)的自来水管(1),自来水管入口端与装有水流量传感器(1B)的自来水供水管路(1C)连通；②插入装有水泥电磁阀(2A)的水泥粉管(2),水泥粉管入口与支撑有水泥电子秤(2B)的水泥漏斗(2C)连通；水泥漏斗上方为有水泥供料控制装置(2D)的水泥送料装置出料口(2E)；③插入装有沙粒电磁阀(3A)的沙粒管(3),沙粒管入口与支撑有沙粒电子秤(3B)的沙漏斗(3C)连通；沙漏斗上方为有沙粒供料控制装置(3D)的沙粒送料装置出料口(3E)；④插入装有添加剂电磁阀(4A)的添加剂管(4)；入口端与支撑有添加剂电子秤(4B)的添加剂漏斗(4C)连通；添加剂漏斗上方为有添加剂供料控制装置(4D)的添加剂送料装置出料口(4E)；⑤插入装有浓浆液电磁阀(5A)的浓浆液管(5),浓浆液管入口端与安装有浓浆液流量传感器(5B)的浓浆液供应管路(5C)连接；

上述水流量传感器、水泥电子秤、沙粒电子秤、添加剂电子秤以及拉力传感器共五个传感器电信号输出端均顺次经过光耦隔离电路、A/D转换电路连接到单片机传感器电信号输入接口(6.4)；单片机中设有控制信号输出端口(6.6)，经过光耦隔离电路后接如下七个配浆执行元件的电磁线圈:①水管电磁阀、②水泥电磁阀、③水泥供料控制装置、④沙粒电磁阀、⑤沙粒供料控制装置、⑥添加剂电磁阀、⑦添加剂供料控制装置；或者仅上述水流量传感器、浓浆液流量传感器、拉力传感器共三个传感器电信号输出端经过光耦隔离电路、A/D转换电路之后连接到单片机传感器电信号输入接口(6.4)；对应单片机控制信号输出端囗(6.6)经过光耦隔离电路接如下两个配浆执行元件的电磁线圈:水管电磁阀和浓浆液电磁阀；

4)设如下的灌浆压力自控系统:

在所述灌浆泵驱动电机输入端增设变频器(9)；所述压力传感器(8n)的压力电信号输出端(8.1n)接光耦隔离电路输入端,并经A/D转换连接到单片机传感器电信号输入接口(6.4)；单片机设控制信号输出端口(6.6)通过光耦隔离电路分别接声光报警器(11n)、高压电动阀门(12n)；单片机与变频器上分别设有传输信息的变频器通信端口(6.5)和通信端口(9.1)；

5)单片机设对外通信端口(6.7)经过光耦隔离电路,与其它通信设备连接。

2.按权利要求1所述智能灌浆系统，其特征是：所述对外通信端口(6.7)采用RS485接口。

3.按权利要求1所述智能灌浆系统，其特征是所述水泥、沙粒、或化学添加剂各种送料装置均采用送料管路或螺旋输送机；上述水泥、沙粒、或化学添加剂供料控制装置分别采用在送料装置出料口处的供料电磁阀或螺旋输送机电控开关(2D、3D、4D)。