基于ControlLogix平臺的挖泥控制系統設計

倪學莉，曹 智，李 俊

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

絞吸式挖泥船借助于絞刀和泥泵在水下挖掘泥沙[1]。在挖泥作業中，絞刀切削、破碎水下土層，以便泥泵把剝、松動的泥土吸起來，然后通過水上及陸上的排泥管道，將泥漿輸送到指定的區域，完成疏浚或者吹填[2]。絞吸式挖泥船主要由液壓系統和泥泵吸排系統兩大部分構成。液壓系統完成對絞刀、橫移、絞刀架、定位樁、拋錨等部分機械裝置的驅動。泥泵吸排系統則由動力系統、傳動系統、離心式泥漿泵、船體及輸泥系統等組成[3]。

目前主流的挖泥控制系統主要由PLC和監控計算機為核心組成[3-4]。以ROCKWELL公司的ControlLogix為基礎的過程自動化系統具有集散控制系統（DCS）的所有核心功能，且滿足SIL2安全級別的應用[5]。本文針對絞吸式挖泥船采用基于ControlLogix完成挖泥控制系統設計。

1 主要操縱監控項目

絞吸式挖泥船施工作業的效率除了與土質、排距、揚程、水流、風浪等工況條件有密切關系之外，在很大程度上取決于對絞刀轉速、橫移速度、橋架升降的控制[2]。

挖泥控制系統主要完成針對絞刀的控制，包括了絞刀的垂向給量、水平給量和左右橫移擺動速度的控制。還要針對橋架的升降和橫移速度進行控制。另外，在對斷面進行挖掘時，要通過對橫移速度的自動控制來調節泥漿的濃度。

總之，在絞吸式挖泥船挖泥作業過程中，需要對二十幾個工藝參數和過程變量進行監測和控制。另外，還要對六十幾個開關量節點信號進行檢測和輸出控制。主要的操縱監控項目需求如下所述。

1.1 泥泵柴油機遙控系統

驅動泥泵的柴油機是挖泥作業系統的主要動力源。配設了兩個相互串聯的泥泵，前端是水下泥泵，后面機艙里是艙內泥泵，每個泥泵分別由一臺柴油機驅動。在操縱室的操縱臺上設兩套泥泵柴油機遙控裝置，其主要功能是駕駛室操縱器發令、機旁回令、轉速控制加速、轉速控制減速以及應急停車按鈕等二十幾個項目。

1.2 液壓電控系統

液壓電控系統的PLC控制單元設在液壓電控柜中，電控柜布置在機艙中。而操縱手柄、開關、按鈕、調節電位器在操縱室操縱臺上。其主要完成操縱主樁快升、主樁慢升、主樁慢降、主樁快降、副樁快升、副樁慢升、副樁慢降、副樁快降、臺車進、臺車退、橋架快升、橋架慢升、橋架慢降、橋架快降、左拋錨收、左拋錨放、右拋錨收、右拋錨放、聯動慢左、聯動慢右及環保絞刀進、環保絞刀退等四十幾個項目。

1.3 主要模擬監測量及參數

主要的模擬監測量及參數分別是泥泵真空度：0.4～0.8 MPa；泥泵壓力：10～16 MPa；封水泵壓力：6～10 MPa；絞刀壓力：60～120 MPa；橫移壓力：80～140 MPa；橋架、定位樁、拋錨壓力：90～170 MPa；左右橫移絞刀：±35°；挖深：6～27 m；泥漿流速：5.5～6.5 m/s；泥泵主機轉速：1100～1200 r/min等二十幾個監測參數。

1.4 主要模擬控制量

主要的模擬控制量為絞刀速度，橫移速度，橫移放纜絞車張力控制，橋架下放深度及定位樁前移量等二十幾個控制參量。

1.5 主要工況設定參數

主要的工況設定參數為絞刀負荷、轉速，橫移負荷、轉速，橫移放纜絞車張力，泥漿流速，泥泵真空、泥泵、封水泵壓力，絞刀下放深度，絞刀前移距離，挖槽寬度，挖槽深度及邊坡坡度比等二十幾個設定參數。

2 系統結構及硬件選型

本方案基于ControlLogix系統，同時結合Ether-Net工業以太網和ControlNet控制網完成絞吸式挖泥船挖泥控制系統設計。

如圖1所示，絞吸式挖泥船挖泥控制系統采用上下位兩層C/S結構。

圖1 控制系統結構Fig.1 Schematic of control system

上層通過交換機SWITCH以EtherNet工業以太網協議將監控計算機操作員站和工程師站與船體移動控制站Controller和泥漿絞吸與輸送控制站Controller相連。下層2個控制站Controller分別通過ControlNet控制網與船體移動控制站I/O子站和泥漿絞吸與輸送控制站I/O子站相連。

上層操作員站和工程師站可選用商用計算機工作站，操作系統采用流行的Windows操作系統，監控軟件采用GE的HMI/SCADA軟件iFix。通過iFix生成的監控功能界面可動態顯示各主要設備的狀態、主要現場數據，如進出、流量、液位、電力參數、電量數據、事故報警等。而各種報表和過程曲線等則可由打印機輸出。

控制站和控制站I/O子站均采用ControlLogix系統，主要完成操縱監控項目開關量與模擬量的輸入、輸出以及邏輯和控制功能實現。

ControlLogix系統以開放式通信標準為基礎，采用模塊化結構，組成系統方便靈活，符合SIL2認證下的應用。根據應用要求的不同，可選擇Control-Logix標準模塊及標準工業網絡得到所需控制系統，如順控/安全連鎖系統、傳動控制系統以及集散控制系統等。

本設計方案控制站Controller選用ControlLogix系統的1756-L74控制器作為過程控制器。Control-Logix控制器可連接系統網絡、現場設備和第三方產品。能對大數量的輸入輸出點進行尋址（最多128000個數字量/最多4000個模擬量），可通過EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet等協議與其他通訊接口模塊通訊。

ControlNet通訊模塊通過橋接ControlNet鏈路，能傳輸消息到其它網絡上的設備。還能監控遠離控制器的遠程輸入/輸出模塊，同時可傳遞信息給其它網絡設備。其通過生產者/消費者標簽傳輸預定的數據，通訊速率為5 Mb/s。

本設計方案控制站I/O子站選用ControlLogix遠程1756-I/O模塊完成對現場數據的采集和控制。1756-I/O模塊機架可通過ControlNet通訊模塊與控制站Controller通訊。

其中，ControlLogix遠程1756-I/O模塊的模擬量輸入模塊選用1756-IF16，規格為16路單端、8路差分或4路高速差分輸入，輸入電壓/電流范圍：±10.5 V、0～10.5 V、0～5.25 V、0～21 mA。 ControlLogix 遠程1756-I/O模塊的模擬量輸出模塊選用1756-OF8H，規格為8個電壓或電流輸出，具有HART接口，輸出電壓/電流范圍：±10.4 V、0～21 mA、4～20 mA。ControlLogix遠程1756-I/O模塊的數字量輸入模塊選用1756-IB32，規格為32個10-31.2VDC輸入。ControlLogix遠程1756-I/O模塊的數字量輸出模塊選用1756-OB16D，規格為16個帶診斷的19.2-30VDC輸出。

3 主要監控功能界面及實現

絞吸式挖泥船挖泥控制系統的上層操作員站和工程師站監控功能界面由GE公司的HMI/SCADA軟件iFix組態實現。

iFix是一套提供現場數據采集，過程可視化及過程監控功能的HMI/SCADA軟件組件，所有組件能無縫地集成為一體。能實時、綜合的反映復雜的動態生產過程。上層工程師站和操作員站利用iFix軟件可完成對全廠的自動控制和生產管理。

本設計方案利用iFix軟件主要生成以下監控功能界面：

1）主界面：如圖2所示，系統主界面主要由挖泥船模型和主菜單組成。主菜單由挖泥、卸泥、控制及診斷幾項組成。選中主菜單可進入相應的子監控功能界面完成相應顯示及操作。

圖2 主界面Fig.2 Overall control interface

如圖3所示，挖泥船模型可顯示一般泵、圓形泥門、絞車及泥泵的實時狀態。其中，液壓泵、封水泵、沖洗泵等一般泵的定義為圓環：“灰色”不為RFU（ready for use），為現場操作或脫開；“綠色”為RFU，可以遙控；“紅色”為泵故障。三角：“灰色”則未運行；“灰色”+“閃爍”，表示正在啟動；“綠色”為正在運行；“紅色”則泵故障。

圖3 圖形定義Fig.3 Main equipment symbol

圓形泥門定義為外環：“灰色”為正常關閉；“紅色”為初始化或故障。填充內環：“灰色”為正常關閉；“綠色”為打開；“紅色”為泵初始化或故障。到達限位開關時文字可見。

絞車定義為外邊框：“灰色”則現場就地控制；“綠色”處于RFU狀態，可遙控；“紅色”表示故障。填充內圖形：“灰色”則現場就地控制或斷開；“綠色”正在啟動；“紅色”為故障。箭頭：“兩箭頭灰色”則沒有起升也未下放；“向上箭頭綠色”表示正在上升；“向下箭頭綠色”則正在下降。

泥泵定義為外形：“灰色”不為RFU（ready for use），選擇了現場操作或脫開；“綠色”為RFU，可以遙控。 內環：“灰色”則未運行；“灰色”+“閃爍”，表示正在啟動；“綠色”則正在運行；“紅色”為泵故障。

2）疏浚操作總攬界面：提供了施工過程中較為常用的一些數據。如：絞刀深度、轉速、橫移角度、距離、挖泥深度、泥漿的濃度及流速等信息，并反映整個疏浚過程。

3）絞刀系統界面：顯示艙內泵、水下泵的轉速、壓力及真空度、絞刀的液壓油箱溫度、系統壓力及轉速，以突出綠色字體顯示某項狀態的運行，當出現報警時，字體會變成紅色。

4）橫移及橋架絞車界面：顯示當前橋架的角度和深度，并以圖形來顯示。絞車運行方向會用綠色箭頭標明，同時橫移絞車的各種工況都能在頁面上進行顯示。

5）鋼樁臺車界面：顯示主、輔鋼樁的各個壓力值、臺車行程及各個狀態指示。同時該頁面上可以設置臺車步進設置，自動移動臺車。

6）液壓系統界面：顯示整個液壓系統主要構件，當需要使用應急液壓的時候，通過點擊“應急液壓投入”就可以啟動應急液壓，字體變綠色。

7）橋架角度校準頁面：通過輸入橋架長度、絞刀頭半徑、耳軸吃水與耳軸中心距離。

8）參數設置界面：將各個檢測報警點的上、下限值進行輸入，如有超差，系統將會報警。并且點擊“配置文件”可以讀取、保存原先的參數。

9）機艙監控界面：顯示三個柴油機組系統的重要參數及指標、主、停泊發電機運行狀態及電壓、電流等重要參數，給操作人員一個整體機艙重要設備的運行狀態信息，便于根據實際情況進行疏浚操作。

10）網絡圖界面：主要用于檢測整個系統網絡通信的運行狀況，正常時全為綠色，故障時為紅色。通過下方快捷鍵可迅速切換至疏浚操作總攬頁面。

4 結語

本文基于ControlLogix設計的挖泥控制系統，通過采用ControlLogix控制器，提高了監控功能的實時性和一致性，而EtherNet工業以太網和ControlNet控制網則實現了與ControlLogix遠程I/O模塊的通訊。最后，應用HMI/SCADA軟件iFix完成了對監控功能界面的組態及運行。總之，本方案設計的挖泥控制系統組態方便、簡單，更容易保持系統集成的一致性，能夠滿足絞吸式挖泥船挖泥作業生產的監控要求。