DCM施工管理控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

竇 勇，喬朝起，劉海龍，付院平，鄒春曉

（1.中交一航局安裝工程有限公司，天津 300457；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300461）

引 言

傳統(tǒng)的換填施工作業(yè)已經(jīng)對沿海的生態(tài)帶來了嚴重影響，因此采用更環(huán)保的工法替代傳統(tǒng)方法來建設(shè)港口、碼頭、防波堤、人工島等是必然的發(fā)展趨勢。DCM（Deep Cement Mixing）工法具有加固強度高、沉降小、施工噪音小、不會污染水質(zhì)等優(yōu)點，對周圍環(huán)境無不良影響，是一種環(huán)保的水域軟基處理工法，因此，DCM 工法在越來越多地被采用。

1 工藝系統(tǒng)概述

香港機場第三跑道系統(tǒng)工程 3204標段主要內(nèi)容為打制DCM樁，工程位于機場航空高度管制區(qū)域，施工中臺風、暴雨、高溫、潮濕等極端天氣多，環(huán)保要求復(fù)雜嚴格，海域位于垃圾填埋區(qū)，地質(zhì)情況復(fù)雜，同時業(yè)主對成樁質(zhì)量要求也非常高，對切片次數(shù)、樁長及成樁連續(xù)性都有明確要求。

DCM施工船為深層水泥拌合船，全長60 m，寬26 m，型深4.1 m，樁架高度48.6 m，采用三套處理機，每套 4組攪拌軸，一次處理面積可達13.92 m2，最大處理深度可達水面下35 m，配備了吃水儀、水深計、料位計、GPS等一系列先進的自動化檢測儀器，其施工管理控制系統(tǒng)具有高度的自動化性能，能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵式制樁，并可以手動、自動施工任意轉(zhuǎn)換。

1.1 制供漿系統(tǒng)

制供漿系統(tǒng)由一套獨立的PLC系統(tǒng)管理控制，提前設(shè)定好水灰比后，將水、水泥灰、添加劑按照一定比例攪拌均勻，存入儲漿罐后進行泥漿的輸送。

1.2 處理機水下拌合制樁系統(tǒng)

處理機水下拌合制樁系統(tǒng)負責制樁流程。制樁流程分為貫入噴漿模式、上拔噴漿模式兩種，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行選擇。該系統(tǒng)也有獨立的PLC系統(tǒng)負責功能實現(xiàn)，同時，該PLC系統(tǒng)負責與制供漿系統(tǒng) PLC間進行通訊，形成兩個系統(tǒng)間的連續(xù)作業(yè)。圖1為處理機水下拌合制樁系統(tǒng)設(shè)備組成。

圖1 處理機水下拌合制樁系統(tǒng)設(shè)備組成

1.3 報表管理系統(tǒng)

報表管理系統(tǒng)負責將施工數(shù)據(jù)進行實時記錄和存儲，形成對成樁質(zhì)量、作業(yè)時間、貫入深度等的統(tǒng)計、分析，輔助生產(chǎn)作業(yè)。

2 施工管理控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

DCM船施工管理控制系統(tǒng)（以下簡稱“控制系統(tǒng)”）作為DCM工程船的控制系統(tǒng)中樞，主要負責根據(jù)作業(yè)前設(shè)定的施工作業(yè)曲線控制處理機系統(tǒng)、制供漿系統(tǒng)及其附屬設(shè)備的運轉(zhuǎn)，同時還作為控制系統(tǒng)與報表管理系統(tǒng)信息交換的橋梁，將DCM樁制樁施工過程中各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)，如處理機鉆桿轉(zhuǎn)速、處理機縱向運行速度、泥漿供應(yīng)速度等上傳給報表管理系統(tǒng)，并存儲在系統(tǒng)服務(wù)器中。

控制系統(tǒng)主要包括三套相互獨立的 PLC系統(tǒng)分別控制三套處理機，PLC控制器采用 LS PLCD的XGK-CPUH系列，每套可以獨立運行，三套控制系統(tǒng)通過Ethernet網(wǎng)絡(luò)進行互通連接，以太網(wǎng)通訊模塊采用XGL-EFMT。各控制系統(tǒng)與各自I/O站通過Modbus-485通訊，Modbus-485通訊模塊采用XGL-C42；與現(xiàn)場各檢測儀表通過 Modbus-485通訊以及模擬量方式連接；與變頻器通過Modbus-485通訊連接；與GPS定位系統(tǒng)通過Modbus-485通訊連接。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計功能

控制系統(tǒng)設(shè)計主要實現(xiàn)了以下功能：

1）采集現(xiàn)場各種檢測裝置信號，用來監(jiān)控各執(zhí)行機構(gòu)動作。詳見表 1現(xiàn)場檢測設(shè)備清單。表中DI代表開關(guān)量輸入、AI代表模擬量輸入、Et代表以太網(wǎng)通訊。

表1 現(xiàn)場檢測設(shè)備清單

制漿系統(tǒng)中檢測儀器，用來對水灰比和制漿量進行控制，同時便于操作員隨時監(jiān)視制漿系統(tǒng)的工作情況，為下一步施工工序做準備。

供漿系統(tǒng)中的壓力傳感器、電磁流量計，對泥漿輸送管路的狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集并根據(jù)采集到的流量數(shù)據(jù)控制泵的運行，使操作員能夠?qū)崟r掌握泥漿輸送管路的壓力和供漿量。

處理機系統(tǒng)中各類儀表，能夠?qū)μ幚頇C當前的作業(yè)狀態(tài)進行實時的檢測和控制。

2）被控設(shè)備具備兩種控制方式：控制室“自動”和控制室“手動”

在操作員室的操作站 HMI界面上，有控制室“自動”和“手動”切換按鈕，當設(shè)備進行調(diào)試或進行手動制樁時，中控室操作員可將按鈕切換為“手動”，對系統(tǒng)設(shè)備進行單體啟動停止操作，或按照工藝流程進行手動作業(yè)。當系統(tǒng)進行自動制樁作業(yè)時，操作員可將按鈕切換到“自動”，進行一鍵啟動作業(yè)。

同時，在控制柜柜門上，安裝有生產(chǎn)流程監(jiān)視板，可以直觀的看到整個施工過程中各個環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)及部分數(shù)據(jù)。

3）內(nèi)置兩種工藝流程

貫入噴漿模式：處理機鉆桿貫入泥面邊貫入邊噴漿，貫入過程中用下噴漿口噴漿，根據(jù)鉆桿結(jié)構(gòu)及工藝需求，該模式是先噴漿后攪拌，到達制樁深度后提升進行再次攪拌。此種方式多用于地質(zhì)情況良好、貫入過程中基本無障礙物、并且樁較短時采用（樁長＜6 m）。

上拔噴漿模式：處理機鉆桿貫入泥面，貫入過程中用下噴漿少量噴水輔助貫入，到達制樁深度后進行樁底處理，底部處理結(jié)束后，鉆桿上拔同時上噴漿口噴漿，進行攪拌。此種方式多是地質(zhì)情況復(fù)雜，貫入過程中會有障礙物，并且樁長比較長（樁長＞6 m）。

貫入噴漿模式的施工曲線如圖 2。上拔噴漿模式的施工曲線如圖3。

圖2 貫入噴漿模式施工曲線示意

圖3 上拔噴漿模式施工曲線示意

4）報表管理系統(tǒng)

報表管理系統(tǒng)記錄控制系統(tǒng)傳輸過來的系統(tǒng)作業(yè)時間、制樁高程數(shù)據(jù)、處理機電流數(shù)據(jù)、噴漿瞬時量、水深、潮位等數(shù)據(jù)。在施工作業(yè)結(jié)束后形成坐標形式的曲線圖報表，可以讓操作人員第一時間直觀的看到本次作業(yè)的結(jié)果，分析成樁質(zhì)量和生產(chǎn)用料，發(fā)現(xiàn)問題并在下一次施工過程中解決問題。

同時，積累下來的歷史數(shù)據(jù)也可以形成數(shù)據(jù)庫，在成樁取芯檢測后，對比最優(yōu)的曲線設(shè)定，為后期DCM施工提供參照。

4 控制系統(tǒng)組成

4.1 系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)硬件主要分監(jiān)控層、控制層和執(zhí)行層，監(jiān)控層包括監(jiān)控室內(nèi)的6套施工操作站、1套數(shù)據(jù)庫管理工作站（含服務(wù)器）、打印機；控制層由電氣室內(nèi)PLC系統(tǒng)組成；執(zhí)行層包括各執(zhí)行機構(gòu)的變頻器、電機、閥門等執(zhí)行機構(gòu)，以及現(xiàn)場檢測儀表等。

硬件根據(jù)系統(tǒng)主要包含制供漿系統(tǒng)和處理機系統(tǒng)。

制供漿系統(tǒng)主要控制設(shè)備包括：水泥灰儲料倉（垂直及水平絞龍）、添加劑儲料倉、水儲藏倉、計量罐、攪拌罐、儲漿罐、閥門、泥漿泵、輸漿管路以及相應(yīng)的料位計、流量儀等儀器儀表。

處理機系統(tǒng)主要控制設(shè)備包括：一套PLC控制系統(tǒng)、提升絞車（變頻控制）、處理機（4臺電機、變頻控制）、泥漿泵（4臺、變頻控制）、相應(yīng)的管路、閥門及儀表。

4.2 系統(tǒng)軟件組成

控制系統(tǒng)軟件由PLC軟件和HMI組態(tài)軟件及SQL數(shù)據(jù)庫組成。

1）PLC程序

基于XG5000編程軟件，采用梯形圖編程語言，開發(fā)編制施工控制系統(tǒng)PLC程序，它是實現(xiàn)整個工藝流程控制功能的核心部分，是人機交互界面HMI開發(fā)的基礎(chǔ)。

2）人機交互界面HMI

HMI人間交互界面采用施耐德Citect組態(tài)軟件開發(fā)。通過OPC模式，建立與PLC程序間對應(yīng)的實時標簽數(shù)據(jù)庫聯(lián)系，組態(tài)報警，動作按鈕，參數(shù)設(shè)置，創(chuàng)建工況顯示圖形，組態(tài)圖形的各種屬性等，完成所有的監(jiān)控作業(yè)。

開發(fā)完成的HMI運行在操作室的操作員站，可以直觀地監(jiān)控施工系統(tǒng)的運行狀況。在施工開始前，首先要將本次施工參數(shù)錄入到參數(shù)設(shè)置界面中，包括：DCM樁位參數(shù)、樁長（預(yù)計）、樁頂樁底高程、樁截面積、處理機貫入和上拔極限速度、計劃達到的切土次數(shù)、噴漿模式、水泥牌號、水泥和粉煤灰摻量、水灰比、添加劑種類及摻量、水泵PID、泥漿泵PID等。施工開始時只需要操作員點擊自動施工頁面的Start按鈕，就可以啟動自動施工系統(tǒng)，設(shè)備的運行信號、故障狀態(tài)全部顯示在主界面上，并且可以隨時對施工流程進行暫停、重新啟動、手動介入等操作。

DCM施工管理系統(tǒng)HMI各界面可以跳轉(zhuǎn)。主要包括施工系統(tǒng)主界面、自動作業(yè)操作界面、參數(shù)設(shè)置界面、報警設(shè)置界面、報警界面、報表趨勢圖界面等。通過畫面上方的標簽可以自由切換。同時，HMI畫面支持中英文語言切換，適應(yīng)香港實際情況，能夠滿足更多操作人群的使用需求。

3）報表管理系統(tǒng)

實現(xiàn)工控數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)的對接是工控領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢，DCM 船舶施工管理控制系統(tǒng)，不僅要在工藝控制方面形成體系，還要對施工的全生命周期進行監(jiān)測和記錄。本項目中報表管理系統(tǒng)可實現(xiàn)對歷史施工進行全方位的記錄和分析。

通過施耐德Citect組態(tài)軟件中的Report功能，利用 cicode代碼讀取和處理組態(tài)數(shù)據(jù)庫中的標簽值，生成施工過程數(shù)據(jù)，并輸出表格和圖形等。

5 控制系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點

DCM施工管理控制系統(tǒng)是DCM工程船的神經(jīng)中樞，DCM 水泥樁質(zhì)量的優(yōu)劣取決于該系統(tǒng)是否精確、穩(wěn)定、可靠，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計階段和試驗調(diào)試階段的經(jīng)驗，控制系統(tǒng)的重點和難點如下：

1）施工曲線的確定

DCM 施工控制曲線是由多個參數(shù)匹配后共同決定的控制施工系統(tǒng)的一個依據(jù)，一個施工曲線是否合理，也是保證施工質(zhì)量的前提。

施工曲線的確定，需要根據(jù)工藝方結(jié)合地質(zhì)及試驗，給出的制樁長度L（m），每延米水泥摻量S（kg/m）、每延米的攪拌次數(shù)W（次/m），計算設(shè)計樁頂高程、樁底高程判定、水泥漿噴漿量、處理機旋轉(zhuǎn)速度、處理機提升及貫入速度等參數(shù)，同時需要注意施工不同階段狀態(tài)轉(zhuǎn)換時不同機構(gòu)的動作延時，模擬出施工方案曲線。

2）檢測儀表的可靠性

由于DCM工藝對船舶定位、噴漿量、處理機縱向位置、鉆桿速度等參數(shù)的檢測和控制要求極高，因此對于各類檢測儀表的可靠性提出了很高的要求，既要保證檢測精度，也要保證抗干擾能力。

為保證各檢測儀表的正常工作，防止干擾信號及供電系統(tǒng)對弱電回路產(chǎn)生損害，系統(tǒng)設(shè)計時在PLC系統(tǒng)供電回路前端增加隔離變壓器，在模擬量通道安裝信號隔離器，對現(xiàn)場檢測儀表、PLC機架做可靠的接地。

通訊方式選擇在船體中性點不接地小電源系統(tǒng)是很重要的，對于料位計、流量計、水深計等儀表，在滿足數(shù)據(jù)傳送要求的情況下，使用模擬量通訊傳輸信號要比 Modbus-485通訊更加穩(wěn)定可靠。因為DCM船相對工藝復(fù)雜，系統(tǒng)龐大，在船體上有限的空間里要密集的布置大功率設(shè)備、眾多的供電電纜、控制電纜、通信電纜及電纜橋架，同時經(jīng)常會有維修電焊作業(yè)，這些客觀因素都會對電壓源信號造成影響。Modbus-485通訊是使用電壓差分信號，一旦有電壓干擾，就會產(chǎn)生信號的偏差，而4～20 mA模擬量通訊，采用電流傳輸信號，而工業(yè)現(xiàn)場的噪聲電流通常小于nA級別，因此帶來的誤差非常小，使這種通訊方式更穩(wěn)健。

3）DCM施工緊急情況時的處理

自動控制系統(tǒng)應(yīng)與工藝進行密切配合，結(jié)合實際情況，提供開放式的流程控制。程序在自動施工過程中，若遇到硬夾層或障礙物，處理機電機電流會超過報警電流將報警信號通訊至PLC控制器，此時在 PLC程序中加入邏輯判斷條件停止自動施工流程，轉(zhuǎn)由手動作業(yè)接管流程。手動作業(yè)時通過控制絞車速度和處理機轉(zhuǎn)速改變處理機貫入速度和鉆桿轉(zhuǎn)速，減慢下鉆速度，若下鉆困難，可控制處理機原地反轉(zhuǎn)半分鐘，再次正轉(zhuǎn)下鉆，也可上提30 cm，增大泥漿泵噴水流量，以最高鉆桿轉(zhuǎn)速，最慢貫入速度鉆入。貫入過程中繼續(xù)觀察電流，電流過大立刻停機，反復(fù)幾次，即可通過硬層。

6 結(jié) 語

通過 DCM 施工管理控制系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試中，借鑒和學習了國外DCM施工經(jīng)驗和理論，結(jié)合一航局多年在DCM工法上的研究成果和在機電控制方面的經(jīng)驗積累，使得“CCCC DCM1”和“砂樁2號”（后改造為DCM船）成為高度自動化的深層水泥拌合船，并經(jīng)香港機場項目率先投入使用。DCM 施工管理控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性已經(jīng)得到了驗證，為進一步推動船機自動化水平提供了借鑒。