耙吸挖泥船疏浚設備操控智能化系統(tǒng)的開發(fā)

董恒瑞

摘? ? 要：通過開發(fā)耙吸挖泥船疏浚設備操控智能化系統(tǒng)，使繁瑣的控制過程簡單化;智能化診斷及故障情況判定，便于操控人員快速識別及排除故障。

關鍵詞：耙吸式挖泥船;邏輯規(guī)則;智能化

中圖分類號：U664.82 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Through the development of intelligent control system for dredging equipment of trailing suction dredger， the automatic serialization control of dredging equipment makes the complicated control process simple and intuitive. Intelligent diagnosis and fault determination are convenient for operators to quickly identify and eliminate faults.

Key words： Suction hopper dredger; Logic rule; Intelligent

1? ? ?前言

隨著耙吸挖泥船參與的疏浚工程對工期和質(zhì)量要求越來越高，特別是業(yè)主更強調(diào)繁忙航道作業(yè)中的耙吸挖泥船先行避讓的要求，對耙吸挖泥船舶操控安全、疏浚工藝的要求也不斷提高。

目前，傳統(tǒng)的耙吸挖泥船需要船員在操控臺上根據(jù)當前工況、現(xiàn)場環(huán)境、設備狀態(tài)等，操作一系列的開關按鈕或手柄等來操作控制施工機具設備。這種控制過程以相互獨立的分散式操作為主，雖然系統(tǒng)具備各局部單元的自動化控制和基本的診斷功能，但距離智能化控制還存在一定的差距，尚不能解決因操作人員的操控差異帶來的施工效率上的差異。因此，在更高程度的全系統(tǒng)自動化、智能化疏浚方面的發(fā)展還有較大的提升空間。

通過研究耙吸挖泥船施工機理及對應的疏浚設備的智能化控制策略，為船舶開發(fā)耙吸挖泥船疏浚設備操控智能化系統(tǒng)，增強船舶控制的自動化程度和智能化水平，有效避免操作人員的水平帶來的工作差異，通過簡化操作過程來提高效率。

2? ? 操縱智能化系統(tǒng)構成

耙吸挖泥船疏浚設備操控智能化系統(tǒng)，基于可編程嵌入式控制器（PAC）。PAC內(nèi)嵌智能控制決策模型，通過實時采集疏浚監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，配合智能操控終端，向系統(tǒng)PLC控制器輸出控制指令，激活、執(zhí)行各種過程控制，通過系統(tǒng)界面把控操作過程及狀態(tài)。智能化子系統(tǒng)構成示意圖，如圖1所示。

3? ? ?操縱智能化系統(tǒng)主要功能

操縱智能化系統(tǒng)功能，基于疏浚作業(yè)階段自動判斷模型（DPADS）的3大功能模塊：自動耙管（APSS）序列化控制;自動疏浚（ADSS）序列化控制，自動沖水（AJSS）序列化控制。

3.1疏浚作業(yè)階段的自動判斷模型（DPADS）

疏浚作業(yè)階段自動判斷智能模型（DPADS）集成在位于疏浚控制臺的PAC中，主要針對各作業(yè)階段智能識別及綜合控制，其功能包括：設備動作進程識別及作業(yè)階段的判定、設備及控制過程安全保護和報警。

3.1.1控制過程序列

根據(jù)挖泥船作業(yè)的特征，在本系統(tǒng)中將船舶作業(yè)過程劃分為航行、疏浚、卸泥、停泊4大階段，每個階段包含若干子階段，如圖2所示。

3.1.2控制過程安全保護及報警

基于疏浚作業(yè)階段自動判斷智能模型（DPADS），可實時建立APSS、ADSS、AJSS自動控制序列在執(zhí)行過程中出現(xiàn)的故障與診斷界面之間的動態(tài)關聯(lián)。一旦故障出現(xiàn)，可通過按下智能診斷按鈕，控制界面自動跳轉(zhuǎn)至相應的診斷界面，方便故障判斷及協(xié)助維護。

3.1.3設備安全決策

包括：主機、泥泵、沖水泵、液壓、吊架、絞車等重要設備工作特征的診斷。

3.1.4控制過程傳感器安全決策

主要功能包括：傳感器斷電診斷、傳感器進水診斷、傳感器越界診斷、傳感器線性故障診斷等。針對故障傳感器進行判別標記，例如：閘閥、蝶閥限位條件標記（假開、假關）;吊架限位條件標記（到位、未到位）;各傳感器故障標記等。

3.2? ?自動耙管（APSS）控制

自動耙管控制序列的智能APSS軟控面板，設置6組模式按鈕：“擱墩”控制耙管到達擱墩位置;“舷內(nèi)”控制A字架到達弦內(nèi)位置;“舷外”控制A字架到達弦外位置;“吸口”控制耙管到達吸口位置;“離地”控制耙頭深度達到;“著地”控制耙頭放置施工面。

3.2.1模式轉(zhuǎn)換及控制

疏浚作業(yè)階段自動判斷智能模型（DPADS），建立了對應的條件預設，所有功能按鈕將按照相應邏輯規(guī)則執(zhí)行。

例如：A1擱墩模式按鈕，可以把處于A2舷內(nèi)、A3舷外、A4吸口等狀態(tài)或處于過渡狀態(tài)中的耙管一鍵控制至A1擱墩狀態(tài)，通過DPADS中的邏輯規(guī)則對各動作條件判斷（如液壓系統(tǒng)是否滿足等）;狀態(tài)條件判斷（如擱墩限位，A子架限位等狀態(tài)）;各個絞車及A字架的連鎖控制，從而實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。A1擱墩至A2舷內(nèi)模式轉(zhuǎn)換控制過程，見圖3所示。

3.2.2主要安全決策

（1）動作時間保護及傳感器失效報警

當轉(zhuǎn)換過程所用的時間超過設定時間，系統(tǒng)將停止絞車及吊架動作及系統(tǒng)界面報警;當水下傳感器出現(xiàn)進水、斷線等故障時，將退出自動控制模式，同時系統(tǒng)界面報警。

（2）耙管垂直、水平角度保護

通過調(diào)整吊架推出、收進的速度和收放耙頭、耙中絞車，使垂直和水平夾角保持在設定范圍內(nèi);當角度不在設定范圍內(nèi)時，通過系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)耙中、耙頭絞車速度，使其在合理的范圍內(nèi)。

（3）最大安全角度及航速保護

在A5離地、A6著地模式下，垂直、水平角度不能大于最大安全范圍角度，系統(tǒng)根據(jù)不同土質(zhì)定義設定值。例如：當處于A6著地模式時，如果耙頭在船首方向?qū)Φ睾剿俨辉诎踩秶鷥?nèi)，則自動控制耙頭提升至A5離地模式。

3.3? ?自動疏浚（ADSS）控制

自動疏?？刂菩蛄械闹悄蹵DSS軟控面板，設置6個模式按鈕：“航行”控制停泵及關閉所有閘閥;“挖泥”建立裝艙管路并啟動泥泵等相關設備;“旁通”建立旁通管路并啟動泥泵等相關設備;“停泵”停止泥泵;“抽艙”建立抽艙管路并啟動泥泵等相關設備進入抽艙作業(yè);“壓艙”建立壓載管路并啟動泥泵等相關設備進行快速裝艙。

3.3.1狀態(tài)判斷及對應控制

通過疏浚作業(yè)階段自動判斷智能模型（DPADS）預設的狀態(tài)，判斷對應的啟動條件。例如：挖泥、旁通、抽艙、壓艙功能按鈕的一鍵關聯(lián)啟動。激活按鈕系統(tǒng)，會依次判斷液壓系統(tǒng)、沖洗泵是否運行。如果沖洗泵未運行，啟動沖洗泵;如果對應設備運行正常，系統(tǒng)將閘閥預置到模式對應的管路;然后判斷封水泵是否啟動，如果啟動，系統(tǒng)啟動泥泵，系統(tǒng)動作完成;如果封水泵未啟動，系統(tǒng)啟動封水泵然后再啟動泥泵，系統(tǒng)動作完成。其控制過程示意圖，如圖4所示。

例如：航行功能按鈕的一鍵關聯(lián)啟動。激活按鈕，首先系統(tǒng)依次判斷液壓系統(tǒng)是否啟動？泥泵是否停止？如果不滿足條件，系統(tǒng)將停止動作;如果滿足條件，系統(tǒng)進行下一步判斷沖洗泵是否啟動;如果沖洗泵啟動，關閉所有閘閥，動作完成;如果沖洗泵未啟動，啟動沖洗泵后關閉所有閘閥，動作完成。其控制過程示意圖，如圖5所示。

3.3.2主要安全決策

（1）動作時間保護和控制/啟動失敗報警

在控制模式執(zhí)行過程中，由于人為或非可監(jiān)測因素導致控制過程終止時，將在系統(tǒng)界面發(fā)出報警。例如：當動作過程閘閥預置時間超過設定時間，現(xiàn)場確認閘閥狀態(tài)安全后，可通過系統(tǒng)界面對假開、假關狀態(tài)進行一鍵確認。

（2）控制聯(lián)鎖保護

管路通路未建立時，泥泵不允許啟動。如果在泥泵運行狀態(tài)下，將禁止導致出現(xiàn)管路通路未建立的操作，以防止用戶的誤操作。如果由于機旁人為控制等特殊操作導致管路通路未建立，泥泵將停止，同時發(fā)出聲光報警。如果由于閘閥限位故障，導致管路通路出現(xiàn)未建立的狀態(tài)（非指令操作），則發(fā)出報警，同時界面將彈出提示確認窗口。

3.4? ?自動沖水（AJSS）控制

自動沖水控制序列的智能AJSS軟控面板，設置4個模式按鈕：“挖泥”建立耙頭沖水管路并啟動液壓泵、沖水泵;“準備”建立耙頭沖水管路并將沖水泵調(diào)至怠速;“航行”停止沖水泵并關閉所有蝶閥;“沖洗”建立泥艙沖洗管路并啟動沖水泵。

3.4.1關聯(lián)啟動

通過疏浚作業(yè)階段自動判斷智能模型（DPADS）預設的狀態(tài)，判斷對應啟動條件。例如：高壓沖水的一鍵關聯(lián)啟動，激活對應耙頭。首先，系統(tǒng)判斷液壓系統(tǒng)是否運行？如判斷液壓系統(tǒng)未運行，系統(tǒng)將停止動作;如正常運行系統(tǒng)通過對蝶閥控制建立耙頭沖水管路，然后啟動高壓沖水泵并調(diào)制預設怠速，動作完成。其控制過程示意圖，如圖6所示。

3.4.2主要安全決策

（1）動作時間保護和控制/啟動失敗報警

在控制模式執(zhí)行過程中，由于人為或非可監(jiān)測因素導致控制過程終止時，將在系統(tǒng)界面（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

發(fā)出報警。以高壓沖水泵的啟動為例：當動作過程高壓沖水泵啟動超時設定時間后，系統(tǒng)界面輸出高壓沖水泵啟動超時提示。

（2）控制聯(lián)鎖保護

管路通路未建立時，沖水泵不允許啟動。例如：沖水泵運行狀態(tài)下，將禁止導致出現(xiàn)管路通路未建立的操作，如果用戶仍然發(fā)出錯誤的操作指令，則系統(tǒng)將發(fā)出報警提示;如果由于特殊操作導致管路通路未建立，沖水泵將停止，同時發(fā)出報警;如果由于蝶閥限位故障，導致管路通路出現(xiàn)未建立的狀態(tài)（非指令操作），則發(fā)出聲光報警，同時系統(tǒng)界面將彈出提示確認窗口。

4? ? 實船應用及展望

2019年6月，在“浚海2”輪安裝了該系統(tǒng)，12月完成了系統(tǒng)測試。在實船施工作業(yè)中，通過該系統(tǒng)的自動化程度和智能化水平有效降低了操耙員的工作難度，推進了生產(chǎn)操作的標準程度。

從市場推廣角度來看，耙吸挖泥船疏浚設備操控智能化系統(tǒng)可與現(xiàn)有的耙吸挖泥船DCS系統(tǒng)進行無縫集成，便于在公司現(xiàn)有的耙吸挖泥船集成控制系統(tǒng)的基礎上進行安裝部署，開展推廣應用，快速實現(xiàn)公司現(xiàn)有耙吸挖泥船的自動化、智能化升級改造，提升疏浚工藝決策的智能化水平，為后期基于大數(shù)據(jù)的工藝分析、信息挖掘、智能疏浚提供基礎。疏浚設備操控及工藝決策智能化研究，對于耙吸挖泥船的新造船的應用示范、舊船的升級改造具有廣泛的推廣價值。