耙吸挖泥船自動抽艙門控制器研究與設計

張紅升，李曉剛，黃宗銳*

（1．中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208；2．中交上海航道局有限公司，上海 200002）

0 引言

耙吸挖泥船因其可以獨立完成挖、裝、運、拋、吹填等全過程作業，而且又具備自航能力，因此得到了大規模應用[1]。目前耙吸挖泥船正朝著大型化、高效化的方向發展[2]，控制系統更加向自動化、智能化發展[3]。在耙吸挖泥船吹泥施工過程中，泥艙內的泥沙通過抽艙門進入泥管與引水閘閥引入的海水混合成一定濃度的泥漿，泥泵通過排泥管系將泥漿輸送到吹填區內。抽艙門的開度如果過大，泥艙內泥沙進入泥管速度過快可能會造成堵管，危及設備安全；抽艙門的開度如果過小，泥艙內泥沙進入泥管速度過慢，則施工效率低下[4]。在保證安全作業的前提下，盡量提高施工效率是耙吸挖泥船吹泥施工所追求的目標[5]。因此控制系統在保障安全作業和提高疏浚施工效率上發揮了重要作用[6]，其中對抽艙門開度的控制顯得尤為重要。傳統上對抽艙門開度的控制都是采用手動控制，但是手動控制存在控制不夠及時和精細的問題，且控制效果受操作人員影響大、穩定性不夠，并且吹泥施工周期一般為2～3 h，在長時間的反復操作中，操作人員勞動強度大，容易犯錯，最終造成施工產量、效率低下，甚至會對設備安全造成危害。因此對抽艙門更有效、更精準的自動控制方法值得研究，以保證設備更安全以及施工更有效率。本文在分析抽艙門自動控制需求的基礎上，提出了耙吸挖泥船自動抽艙門控制器（Automatic Self Emptying-door Controller ASEC）的總體方案，重點研究了自動抽艙門控制器的設計需求、控制參數設置和定義、控制過程以及報警與異常處理，最后進行了實船試驗。

1 自動抽艙門控制器的設計需求

自動抽艙門控制器（ASEC）的目標是在保證吹泥施工安全的情況下，盡可能提高施工效率。吹泥施工安全需要將泥漿流速控制在盡量接近實用流速，不能低于臨界流速；提高施工效率即提高輸送密度，使泥漿濃度盡量接近期望濃度。上述目標需要控制器對抽艙門開度進行快速而有效地精確控制，且整個過程無需任何人工干預能夠自動運行，同時為保證設備安全，防止堵管現象的出現，在流速較小的時候，控制器對引水閘閥進行自動控制。

2 自動抽艙門控制器

2.1 控制器系統構成

本文提出的自動抽艙門控制器（ASEC）的控制位置在全自動疏浚控制臺，ASEC的激活與退出只能在全自動疏浚控制臺進行。ASEC的控制對象為1號～7號共7組抽艙門。ASEC采集濃度計、流量計數據，通過與設定值比較給出相應指令到液壓控制器，進而控制抽艙門的開度，并采集抽艙門上行程傳感器數值的反饋。自動抽艙門控制器的系統構成框圖如圖1所示。

圖1 自動抽艙門控制器的系統框圖Fig.1 System chart of automatic self emptying-door controller

2.2 控制器參數設置

自動抽艙門控制器的設置值包括：期望密度、臨界流速、實用流速。其中“期望密度”為吹泥施工的最佳泥漿濃度，“臨界流速”為防止堵管設定的最低流速，“實用流速”為吹泥施工的最佳流速，以上設置值均根據具體的船型和船上排泥管系的實際情況來確定。

2.3 ASEC控制過程

在自動抽艙門控制器取得控制權限，并且所有的啟動條件滿足后，ASEC輸出“控制器可用”信號，抽艙門自動控制開始運行。抽艙門自動控制分為“抽艙”和“洗艙”兩種工況，兩種工況的流程一樣，只是7組抽艙門循環的順序不一樣，“抽艙”為6號抽艙門→7號抽艙門→5號抽艙門→4號抽艙門→3號抽艙門→2號抽艙門→1號抽艙門；而“洗艙”為7號抽艙門→6號抽艙門→5號抽艙門→4號抽艙門→3號抽艙門→2號抽艙門→1號抽艙門。系統開始運行后先運行“抽艙”一個循環，之后通過當前排水量來判斷是否進入“洗艙”。如果當前排水量不是在空船重量的±10%范圍內，需進行“洗艙”；如果當前排水量是在空船重量的±10%范圍內，則認為吹泥施工完畢，抽艙門自動控制終止。抽艙門自動控制流程圖如圖2所示。

具體步驟如下：

步驟1：ASEC讀取參數設定值，開始抽艙，進入第1個循環。

步驟2：循環開始，打開循環中的第n組抽艙門10%（n=1，2，…，7）。

步驟3：控制器采集流量計反饋值并判斷當前流速是否大于110%實用流速并且持續15 s，如果是，進入步驟4；如果不是，進入步驟7。

步驟4：將循環中的第n組抽艙門的開度增加10%。

步驟5：檢測第n組抽艙門的開度是否為100%，如果是，進入步驟6；如果不是，返回步驟3。

步驟6：關閉第n-1組抽艙門并進入步驟11（n=1時跳過）。

步驟7：檢測當前流速是否在實用流速的±10%范圍內，如果是，進入步驟8；如果不是，進入步驟9。

步驟8：控制器采集濃度計反饋值并判斷當前密度是否小于期望密度，如果是，返回步驟4；如果不是，第n組抽艙門開度保持不變并進行步驟8。

步驟9：檢測當前流速是否大于臨界流速但小于實用流速的90%并且持續15 s，如果是，開20%抽艙引水閘閥并返回步驟3；如果不是，進入步驟10。

步驟10：檢測當前流速是否小于臨界流速，如果是，開100%抽艙引水閘閥并返回步驟3。如果抽艙引水閘閥開度為100%，同時當前流速小于臨界流速超過15 s，則關閉當前所有抽艙門。

步驟11：檢測第n組抽艙門是否為循環中的最后一組，如果是，進入步驟12；如果不是，n+1之后返回步驟2。

步驟12：抽艙門自動終止。

圖2 抽艙門自動控制流程圖Fig.2 Self emptying-door automatic control flow chart

2.4 報警輸出及異常處理

“執行超時”報警：當6號抽艙門從打開10%開始計時，持續20 min未打開到100%，發出ASEC故障超時報警，退出ASEC控制器；當其它任一組抽艙門從打開10%開始計時，持續10 min未打開到100%，發出ASEC故障超時報警，退出ASEC控制器。

“故障報警”在運行過程中發生停止條件，ASEC退出控制器，并發出相應停止條件為說明的故障報警提示。

以上退出控制器皆保持抽艙門的原狀態，但是全開抽艙引水閥，此措施是為保證設備安全。

3 調試和結果

本文提出的方法應用于中交上航局東方疏浚分公司耙吸挖泥船“新海虎8”，結合實船參數及以往的施工經驗設置實用流速為4 m/s，期望濃度為40%，臨界流速為3 m/s（粉細沙加淤泥土質）。每5 s進行1次數據采樣，得到的自動抽艙門控制器控制下與傳統手動控制下的泥漿流速對比如圖3所示，自動抽艙門控制器控制下與傳統手動控制下的密度對比如圖4所示。

圖3 自動控制與手動控制下泥漿流速曲線Fig.3 Mud flow velocity curve under automatic control and manual control

圖4 自動控制與手動控制下泥漿濃度曲線Fig.4 Mud concentration curve under automatic control and manual control

從圖中可以看出，在自動抽艙門控制器控制下，流速和濃度的變化比手動控制下響應速度更快，更接近期望值。綜合總體施工數據，施工的平均流速在自動控制下為3．98 m/s，手動控制下為3．95 m/s；平均濃度在自動控制下為41%，手動控制下為38%。可以看出自動抽艙門控制器在實際施工應用中效率比傳統手動控制更高。

4 結語

本文提出的耙吸挖泥船自動抽艙門控制器可以實現在耙吸挖泥船吹泥施工過程中自動控制抽艙門開度，不僅可以提高施工效率，又大大降低了操作人員的勞動強度，而且避免了人員在疲勞狀態下可能對設備安全產生的風險。從實船應用看，自動抽艙門控制器已達到設計要求，且運行十分穩定，在后續的設計和研究中還可以進一步優化。