智能灌浆控制系统研究应用

智能灌浆控制系统研究应用

贺子英肖铧李思阳

中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司四川成都611130

摘要：智能灌浆控制系统是在现有灌浆系统和灌浆工艺的基础上，综合运用了先进的自动控制、网络通信、软件运算等技术，实现灌浆工艺自动控制、水泥浆液自动配置、压力自动调节、数据自动记录、信息联网自动汇总的灌浆工程全过程自动化与智能化管理，是传统基础处理灌浆行业迈向智能发展里程碑式的进步。

关键词：智能灌浆控制系统研究

1技术背景

灌浆技术已被广泛地应用于水工建筑物的地基加固和防渗工程中，由于灌浆工程是隐蔽工程，其施工质量和灌浆效果难以进行直观的检查，常常要借助于对施工过程中的分析来评定。因此，灌浆工程中常常要求对施工过程参数（流量、压力、水灰比等）进行检测，取的数据进行分析，用以评定灌浆效果。目前，国内外灌浆工程智能化程度绝大部分只停留在采用灌浆自动记录仪进行自动记录灌浆过程参数这一层面上。现行的灌浆记录仪一般都仅仅做到数据采集、显示和记录，来监控灌浆施工，不具备控制灌浆设备的功能，几乎所有的灌浆设备操作均由施工工人进行，所以灌浆施工的自动化程度不高，人为因素在灌浆过程中影响较大。随着科技进步的发展，通信技术及软件运算等技术的广泛应用，利用计算机智能自动监控灌浆、控制设备、传输数据、形成成果，是灌浆技术发展的必然趋势。

2智能灌浆控制系统技术特点

智能灌浆系统是在现有灌浆系统和灌浆工艺的基础上，综合运用了先进的自动控制、网络通信、信息加密、软件运算等技术，实现工艺自动控制、水泥浆液自动配置、压力自动调节、数据自动记录、信息联网自动汇总的灌浆工程全过程自动化与智能化管理。具有以下技术特点：

（1）全自动化，注浆、配浆、数据记录三大系统全自动化，节省人工；

（2）高度智能化，一键启动灌浆施工，专人值守，保障工程质量；

（3）高度集成化，适用缆机整体吊运或小型货车运输，方便现场设备转移，并可以减少现场管路与电线连接部署，提高工效及现场文明施工；

（4）专家系统，对灌浆过程中可能出现的抬动、劈裂、失水回浓、久灌不结束、大注入量、深孔浓浆铸钻杆都进行判断，并根据专家决策处理；

（5）信息与网络化，数据通过无线网络接入中央服务器，远程监控，方便管理。

3智能灌浆控制系统组成

智能灌浆控制系统主要由“智能灌浆单元”和“智能灌浆专家系统”两大部分组成，两者之间利用通信网络形成纽带连接，实现实时传输及动态控制。

（1）智能灌浆单元是智能灌浆系统的主要执行者，负责控制整个灌浆任务，主要包括数据处理中心、智能压力流量联合控制系统、智能配浆系统、集成式智能灌浆平台；

（2）智能灌浆专家系统是智能灌浆控制系统的核心，负责数据处理和灌浆工艺控制。

图3-1智能灌浆控制系统构成及流程图

3.2智能灌浆单元

智能灌浆单元是智能灌浆系统的主要执行者及实现者，安装在集成式智能灌浆平台上，主要包括数据中心、智能压力流量联合控制系统、智能配浆系统、集成式智能灌浆平台，实现注浆、配浆、数据记录三大系统全自动化。同时，智能灌浆单元实现高度集成化，方便现场设备转移，并可以减少现场管路与电线连接部署，提高工效及现场文明施工。

3.2.1数据处理中心

数据中心是数据感知的主要环节，主要功能是数据的采集、记录、传输以及与服务器网络通信的控制。其功能主要如下：

（1）现场数据采集、显示及记录

数据处理中心是数据记录处理的平台，具有现场数据显示记录功能。灌浆时能够实时显示1个孔段的灌浆时间、压力、密度、进浆流量、返浆流量、总注浆量、单位注灰量、抬动值等信息；压水时能够实时显示通道的压水时间、压力、段长、流量、透水率、抬动值等信息。

（2）通信协调及远程数据传输

利用现场通信网络（全网通），数据中心可以远程传输数据，会将现场真实灌浆数据、异常情况等上传至智能灌浆专家系统。同时，兼具通信协调器作用，协调云服务器与灌浆压力控制系统、智能配浆系统之间的通信。

数据中心只能保存当前孔段的灌浆或压水数据，灌浆或压水结束，且报表打印完成后，系统自动要求操作人员删除当前孔段的资料，否则不能进行下一孔段的灌浆或压水。删除资料时，系统将以无线网络的方式将当前资料上传云服务器（若无网络，系统将对该文件进行标记，待有网络时再一起上传），同时还会自动将前孔段的灌浆、压水记录报表通过数据导出器加密存储到移动存储设备中。

（3）防伪、防恶意篡及保密

数据中心信号线完整无接头，具备信号屏蔽功能，并采用加密数字信号传输方式；流量、压力、密度等需要传感器采集的数据只能通过传感器采集，不能在主机上以任何形式直接输入和修改；数据中心采集的原始数据不能够被人为滤除和删改；数据中心所形成的每一条记录均不可被删除和修改；数据中心处理的孔段原始报表，具有打印次数的记录及资料防伪码，资料防伪码与该孔段的基础数据（如孔号、段次、注入量、时间）相关，通过防伪码能有效辨别报表是否为后期伪造；移动存储设备中的灌浆记录不能被数据中心读写，仅用于对灌浆资料的备份，后期通过专项措施能验证导出的数据与灌浆打印记录是否一致。

（4）应急处置

当系统硬件或输入信号发生异常，具有故障自动报警和中止当前错误工作功能；可设定报警阈值(如压力最大或最小值)，当实际检测值超出预设范围时给出声音和文字报警信息，并记录发生的时间和量值；具有过程暂停功能，仪器工作可根据指令而暂停，暂停取消后，恢复暂停时刻的全部工作状态，记录暂停起止时间和暂停类型，暂停期间记录仪的各项操作处于锁定状态。

图3-2数据处理中心功能结构图

3.2.2智能压力流量联合控制系统

智能压力流量联合控制系统接受数据处理中心主协调器的调度，与云服务器系统联动，利用无线网络自云服务器下载相应的工艺参数，按照云服务器的工艺参数自动设定灌浆压力及返浆流量。根据数控指令，利用计算机、数据线、调压阀门及数控开关等手段代替人工控制压力及流量，控制效果好、精度高、响应速度快，同时也降低了因传统人工操作不当而产生的安全风险。其原理主要为：

（1）数据处理中心根据云服务器下载的工艺参数（设计要求、现行规范）进行目标压力、流量智能设定。

（2）智能压力控制系统接收数据处理中心指令调配，对返浆线路上的电动阀门的开合度进行控制，从而达到压力、流量控制。

（3）数据处理中心根据进浆流量计、压力计及返浆流量计传感的实时数据进行采集及记录，并通过无线网络反馈至云服务器智能灌浆专家系统，进行分析、决策以便对灌浆工艺参数进行智能动态控制。

图3-3智能压力流量联合控制系统工作流程图

3.2.3智能配浆系统

智能配浆系统与以往的传统配浆工艺相比，引入了由灌浆工艺控制自动配浆的理念和技术。实现配浆过程全智能化，无需施工人员在灌浆过程中输入新的配比数据，且具有自动搅拌功能；可实现浆液密度1.0g/cm3-2.0g/cm3的范围内无级配浆；可以实时调节浆液密度，从而稳定灌入浆液浓度，对于返浆变浓或变稀，具有良好的抑制作用。同时，配浆过程在封闭罐体中完成，大大减少水泥和水的浪费。其工作原理为：

（1）通过现场网络，数据处理中心自云服务器下载灌浆工艺参数，集成式智能灌浆平台的数据处理中心主协调器按照灌浆工艺参数智能控制配置浆液的浆液配比参数。

（2）自动配浆系统接收数据处理中心调配，利用计算机基于浆液目标密度、浆液需求量进行计算，通过配浆控制柜控制水及浆液供应管线上的电动阀门的开合度来进行浆液配置。

（3）数据处理中心系统利用配浆桶内置的密度计、温度计及位移传感器等仪器传感的实时数据，能实时显示目标密度、当前密度、计划浆量、剩余浆量和浆液温度，以便实时控制灌浆质量。

（4）同时利用无线网络，数据处理中心能灌浆数据实时传输至云服务器智能灌浆专家系统，对是否满足变浆条件、是否出现返浆变浓或变稀等情况进行判断并决策，动态对数据处理中心下达控制指令。

图3-4现场智能配浆系统布置图

3.2.4集成式智能灌浆平台

集成式智能灌浆平台将所有设备集中安装在一个灌浆平台上，解决了现场灌浆设备分散而凌乱、接线混乱、废液、水泥粉随处抛洒等工作面不清洁的问题；同时当需迁移工作面时，只需通过现场缆机或者货车简单配合即可进行。内设“干、湿”两个分区，干湿分离：

湿区（执行区）：主要包括灌浆泵、搅拌槽、配浆罐、高压阀门、灌浆管路、传感器等；干区（控制区）：主要包括数据中心、压力控制系统、智能配浆系统控制器等。

3.3智能灌浆专家系统

智能灌浆专家系统是智能灌浆系统的核心，主要有两大功能：数据处理和灌浆工艺控制。数据处理：负责报表处理、实时数据处理、网络及手机端数据管理、用户数据管理；灌浆工艺控制：负责决策和工艺控制，分析灌浆资料和实时数据，并根据分析的结果设定灌浆参数、进行灌浆控制。

灌浆专家系统根据设定好的灌浆工艺，替代人工操作，自动控制整个灌浆过程的实施。施工管理者可通过计算机联网云服务器，远程监控各灌浆作业面。

（1）在线监控现场灌浆作业

实时监控现场所有灌浆孔的灌浆情况，在网络保证的情况下，施工管理者可以远程实时查看到每个灌浆作业的流量、压力、密度、抬动值，完全再现了旁站监控的情形。

（2）灌浆数据实时汇总分析

网络保证的情况下，灌浆数据可以及时汇总到云服务器，并进行灌浆资料整理，生成各种报表（成果表、分序表、综合表）及曲线图，进行分工程部位、单元、排、孔、段的查询，能及时分析和掌握灌浆完成情况。

（3）设定灌浆工艺

根据具体工程要求结合现行规范设定灌浆工艺，包括起始浆液浓度、最大注浆压力、变浆条件、灌浆结束条件等。

（4）智能灌浆单元管路自动清洗功能

由于水泥浆液的特性，为避免管路阻塞，灌浆专家系统还具备管路自动清洗功能；

灌浆持续一段时间之后，根据灌浆情况，自动执行管路清洗命令，放入清水清洗灌浆管路、灌浆泵、配浆罐等。

（5）突发情况应急处理

发生抬动，自动进行降压处理；在发生劈裂时进行声音和文字报警；大注入率时自动调整限压、限流、调整水灰比，必要时自动间歇灌浆；遇到深孔浓浆，可能发生注浆管固结的情况，自动报警，必要时自动用大流量置换孔内的高温浓浆。

4结语

智能灌浆控制系统在灌浆工程现有的自动记录仪灌浆工艺的基础上，加强了对智能自动化程度的研究，真正实现注浆、配浆、数据记录智能自动化，一键启动灌浆施工，实现了对灌浆过程工艺及参数的自动监测和控制。

智能灌浆控制系统的研究应用，及时迅速向灌浆工程管理者提供各种实测的、可靠性高的灌浆过程参数数据，便于参建各方对灌浆情况的全面掌控并快速做出决策，从而保证了灌浆质量。

智能灌浆控制系统的研究应用，消除了人为性因素，从根本上保证了灌浆工程质量，避免了人为质量事故的发生。同时，高度的智能自动化，能很大程度上降低人员劳动强度及人工投入，减少施工成本。

不言而喻，智能灌浆控制系统的研究应用，使灌浆技术在智能化施工领域迈进了一大步，实现“隐蔽工程，阳光作业”，对行业领域带来了良好的社会效益和经济效益，应用前景广阔。