耙吸挖泥船全自動與手動疏浚系統(tǒng)切換控制方法

賀海濤，龐景墩

（中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

耙吸挖泥船是一種裝備耙頭挖掘機具和吸泥裝置的大型自航、裝艙式挖泥船，適用于水域開闊的海灣、河口及海港、河流的航道疏浚作業(yè)，為世界各國在較大的疏浚工程中廣泛采用[1]。挖泥船的疏浚作業(yè)包括挖泥、拋泥與艏吹等主要過程[2]。與絞吸挖泥船不同，耙吸挖泥船在作業(yè)過程中始終在低速航行，操作人員既要顧及船舶的駕駛與避讓，又要關注施工設備的工作狀態(tài)以便采取相應的操作，所以存在人力資源耗費較大、容易出現操作人員疲勞、施工效率沒有達到最優(yōu)甚至引發(fā)生產事故等問題。因此在耙吸挖泥船上安裝全自動疏浚控制系統(tǒng)對于疏浚作業(yè)的提高效率、控制事故、降低人力成本具有重大意義[3]。

1 全自動疏浚控制系統(tǒng)的架構

傳統(tǒng)耙吸挖泥船通常安裝一套可編程邏輯控制器 PLC（Programmable Logic Controller），用于采集各類傳感器數據、發(fā)布指令驅動其他設備完成特定功能、與其他系統(tǒng)進行通訊、完成人機交互[4-5]。這種配置實現了疏浚過程的手動控制和一些簡單的自動控制功能，為了與下文區(qū)別，此處稱為手動PLC。

全自動疏浚系統(tǒng)[6-7]是在手動疏浚系統(tǒng)的基礎上另設置一套全自動PLC，用于實現耙吸挖泥船全自動疏浚功能，其他設備包括1個全自動疏浚控制臺，1臺計算機和1個HMI（Human Machine Interface人機接口）觸摸屏。

計算機、PLC通過以太網與船舶控制系統(tǒng)環(huán)網連通。計算機配置觸摸功能顯示器用于顯示專為全自動疏浚系統(tǒng)定制的SCADA（Supervisory Control And Acquistion檢測控制和數據采集）界面，并同時安裝定制的DTPS（Dredge Tracking And Profile System疏浚軌跡與剖面系統(tǒng)）程序，用于部分全自動功能參數設置。HMI主要用于操作人員的控制命令輸入、自動控制器參數設置宏按鈕運行狀態(tài)指示。手動PLC和全自動PLC共同構成了疏浚控制系統(tǒng)。

疏浚控制系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 疏浚控制系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structurediagram of dredging control system

由圖1可見，手動PLC系統(tǒng)和全自動PLC之間既有聯系又相對獨立。在全自動疏浚工況下，手動PLC從各系統(tǒng)采集數據，然后通訊傳輸給全自動PLC。根據不同的工況，全自動疏浚系統(tǒng)不斷調用其中的自動控制器，對數據進行計算與優(yōu)化[8]，再將計算結果返回給手動PLC，由手動PLC發(fā)出指令，驅動各設備完成動作。當全自動PLC出現故障或施工中出現無法由程序自己處理的情況，可以將全自動疏浚系統(tǒng)切除，回復常規(guī)的手動操作。

搭載全自動控制和手動控制系統(tǒng)的耙吸挖泥船涉及到全自動和手動兩套控制系統(tǒng)的控制權限切換。耙吸挖泥船施工過程中有許多大功率重型設備在高速運轉，有時需要在此類設備運轉的情況下進行手動/自動切換，因為手動與全自動是兩套相對獨立的控制系統(tǒng)，切換過程中如何處理正在運行的疏浚設備尤為重要。簡單地將設備停止或啟動不但降低了施工效率，甚至會直接損壞設備或造成安全事故。

為此，提出耙吸挖泥船全自動與手動疏浚系統(tǒng)切換控制方法，實現全自動與手動疏浚系統(tǒng)無縫切換控制，可以保障船舶全部工況下的施工安全，提升施工效率及全自動疏浚系統(tǒng)的適應性和可靠性。

2 全自動疏浚過程的切入

切入是指耙吸挖泥船的疏浚系統(tǒng)由手動控制狀態(tài)轉為自動控制狀態(tài)。當操作人員將檔位放置于該狀態(tài)時，表明全自動控制有效，此時可通過操作HMI上的相應宏按鈕進行全自動功能選擇。切入后全自動PLC取代手動PLC進行邏輯判斷，手動PLC僅作I/O驅動用途。全自動疏浚過程切入流程圖見圖2。

圖2 全自動疏浚過程切入流程圖Fig.2 Cut-in flowchart of full-automatic dredging progress

切入步驟為：操作人員將手動/自動轉換開關轉到自動檔位，檢測疏浚控制系統(tǒng)的手動PLC是否正在執(zhí)行控制程序。如果“是”則控制自動疏浚系統(tǒng)的全自動PLC輸出故障狀態(tài)至工作臺上的紅色信號燈，表示切入不成功，等待手動PLC本次掃描周期結束；如果“否”則手動PLC輸出“允許切入”命令至全自動PLC，在全自動PLC接到該命令后，則會輸出自動狀態(tài)至工作臺上的綠色信號燈，同時輸出信號鎖定手動PLC，表示切入成功，疏浚過程實現自動控制。

3 全自動疏浚過程的切出

切出是指耙吸挖泥船的疏浚系統(tǒng)由自動控制狀態(tài)轉為手動控制狀態(tài)。手動狀態(tài)下，全自動控制無效，全自動疏浚系統(tǒng)所有宏按鈕操作無效。如果操作人員在該狀態(tài)下進行宏按鈕操作，不論操作條件是否具備，全自動疏浚系統(tǒng)控制器件都不會進行任何形式的響應。此狀態(tài)下僅手動PLC投入使用。切出流程圖如圖3所示。

切出步驟為：操作人員將手動/自動轉換開關轉到手動檔位，檢測控制全自動疏浚系統(tǒng)全自動PLC是否正在執(zhí)行控制程序。如果“否”，則全自動PLC輸出信號，使得自動控制功能運行指示燈熄滅，自動控制功能無效，轉換為手動控制，切出成功；如果“是”，則檢測自動控制功能是否在關鍵進程，如果不在執(zhí)行關鍵進程（關鍵進程的描述見本文第4章），則停止當前自動功能，切入到手動控制狀態(tài)。如果正在執(zhí)行關鍵進程，進入過渡狀態(tài)，在過渡狀態(tài)下設備保持當前狀態(tài)并且故障指示燈亮，提示操作人員介入操作。

圖3 全自動疏浚過程切出流程圖Fig.3 Cut-out flowchart of full-automatic dredging progress

4 關鍵進程下的切出

確定系統(tǒng)是否處于關鍵進程主要基于兩點：首先，在一些較復雜工況下挖泥設備本身是否存在被損壞的風險。如耙管正在水下工作，因水下環(huán)境惡劣，在這種情況下切出時如果沒有過渡處理，耙管損壞的可能性較大。其次，在設備正常運行時，突然急停會給生產造成巨大的損失，如泥泵在正常工作時突然急停，會導致堵管，需要停產并人工清理管路。因此系統(tǒng)處于關鍵進程下切出需要一個過渡狀態(tài)，發(fā)出報警提示持續(xù)5 min，提醒人工干預，過渡狀態(tài)結束后系統(tǒng)控制權再進入手動狀態(tài)。若5 min后仍無人工介入，切出失敗，系統(tǒng)回歸自動控制狀態(tài)。

在挖泥、拋泥與艏吹3個工況中都存在關鍵進程。

在挖泥過程中，下列狀態(tài)時系統(tǒng)處于關鍵進程，這時切出全自動控制，系統(tǒng)會進入過渡狀態(tài)，在其它狀態(tài)下則可以直接切出。

1）在泥泵運行時切出。系統(tǒng)控制泥泵在當前轉速下運行5 min，期間操作人員應調整旋鈕，將手動控制的泥泵轉速與自動狀態(tài)下的轉速相匹配，防止在切換后旋鈕控制的轉速為0，泥泵停止運行。

2）在舷外波浪補償器動作時切出。系統(tǒng)首先要鎖定波浪補償器，使其暫停動作，然后將耙頭絞車提升1 m，之后再跟隨手動控制手柄的絞車速度，同時解鎖波浪補償器。

3）在著地過程耙管水平夾角超限時切出。系統(tǒng)首先鎖定波浪補償器，使其暫停動作，然后將耙頭絞車提升1 m，之后再跟隨手動控制手柄的絞車速度，同時解鎖波浪補償器。

4）在高壓沖水運行時切出。系統(tǒng)控制高壓沖水泵在當前的轉速下運行5 min，期間操作人員應調整旋鈕，將手動控制的高壓沖水泵轉速與自動狀態(tài)下的相匹配，防止在切換后旋鈕控制的轉速為0，高壓沖水泵停止運行。

在拋泥過程中，下列狀態(tài)時系統(tǒng)處于關鍵進程，這時切出全自動控制，系統(tǒng)會進入過渡狀態(tài)。其中：

1）在高壓沖水運行時切出。系統(tǒng)控制高壓沖水泵在當前的轉速下運行5 min，期間操作人員應調整旋鈕，將手動控制的高壓沖水泵轉速與自動狀態(tài)下的相匹配，防止在切換后旋鈕控制的轉速為0，高壓沖水泵停止運行。

2）在沖艙泥泵運行時切出。系統(tǒng)控制泥泵在當前的轉速下運行5 min，期間操作人員應調整旋鈕，將手動控制的泥泵轉速與自動狀態(tài)下的相匹配，防止在切換后旋鈕控制的轉速為0，泥泵停止運行。

在艏吹過程中，下列狀態(tài)時系統(tǒng)處于關鍵進程，這時切出全自動控制，系統(tǒng)會進入過渡狀態(tài)：

1）在泥泵運行時切出。系統(tǒng)首先關閉抽艙門，打開抽艙引水閘閥。如果泥漿的流速比臨界流速快0.5 m/s，則泥泵的轉速不用調整；如果低于臨界流速0.5 m/s，則先控制泥泵增速使泥漿流速超過臨界流速0.5 m/s，防止切換的瞬間，泥泵轉速不夠使泥漿流速降低導致堵管。然后，控制泥泵在此轉速下運行5 min，期間操作人員應調整旋鈕，將手動控制的泥泵轉速與自動狀態(tài)下的相匹配，防止在切換后旋鈕控制的轉速為0，泥泵停止運行。

2）在高壓沖水運行時切出。系統(tǒng)控制高壓沖水泵在當前的轉速下運行5 min，期間操作人員應調整旋鈕，將手動控制的高壓沖水泵轉速與自動狀態(tài)下的相匹配，防止在切換后旋鈕控制的轉速為0，高壓沖水泵停止運行。

5 結語

本文設計的耙吸挖泥船全自動與手動疏浚系統(tǒng)切換方法已實際應用于“新海虎8”號輪上，保證了整個疏浚系統(tǒng)的容錯性，實現了全自動疏浚系統(tǒng)和手動疏浚系統(tǒng)之間安全高效的切換。