挖泥船泥泵離合器智能控制系統(tǒng)的研究

孫定禹　陳健　龍紅剛

摘 要：本文介紹了一套泥泵離合器智能控制系統(tǒng)，該智能控制系統(tǒng)具有多信號(hào)報(bào)警和診斷功能，能在駕駛室的集成疏浚控制臺(tái)上對(duì)泥泵離合器遠(yuǎn)程操作和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：挖泥船；泥泵離合器；智能控制；診斷

中圖分類號(hào)：U664.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，挖泥船的應(yīng)用越來越廣泛，挖泥船大量用于河道疏通、挖沙清淤、吹填造地、筑路等，且隨著工程需要，通過泥泵離合器智能控制系統(tǒng)控制本地泥泵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)挖泥、吹泥等不同的工況?，F(xiàn)在大多數(shù)耙吸式挖泥船多采用主機(jī)“一拖三模式”，采用雙速比齒輪箱驅(qū)動(dòng)泥泵，然后通過泥泵離合器智能控制系統(tǒng)操作合排，使主機(jī)驅(qū)動(dòng)泥泵，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多工況操作，本文就是針對(duì)這種雙速比齒輪箱離合器研究開發(fā)出的一套智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將獲取的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行采點(diǎn)、運(yùn)算、診斷后執(zhí)行對(duì)泥泵的控制，該智能控制系統(tǒng)不但能很好的控制高低速檔合排、脫排，而且對(duì)合排過程中出現(xiàn)的故障能進(jìn)行識(shí)別，并自行在診斷界面彈出故障點(diǎn)，能對(duì)離合器狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，此外在合排前后能配合功率管理系統(tǒng)實(shí)施功率管理。

2 智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

2.1 控制對(duì)象

泥泵離合器是耙吸式挖泥船泥泵傳動(dòng)的中間連接核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。泥泵通過主機(jī)，以離合器為紐帶，通過控制驅(qū)動(dòng)離合器合排使得泥泵實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速輸出。本文把離合器作為控制對(duì)象設(shè)計(jì)開發(fā)出一套智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)泥泵高、低速不同轉(zhuǎn)速切換輸出。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制不同特點(diǎn)，離合器控制系統(tǒng)可分氣壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。

2.2.1 氣壓系統(tǒng)

氣壓控制是對(duì)離合器上的進(jìn)氣通路進(jìn)行控制以響應(yīng)相應(yīng)高速檔或低速檔氣路通斷的操作，系統(tǒng)由濾器、壓力表、恒壓器、蓄能器、壓力開關(guān)、電磁閥組件、消音器等組成，如圖2為氣壓控制系統(tǒng)的工作原理圖。其中，壓力表示氣源壓力，濾器是將空氣中的雜質(zhì)過濾掉，通過減壓閥把壓力調(diào)到工作值，有一個(gè)安全閥保證氣源壓力不要過高，同時(shí)通過一個(gè)壓力檢測(cè)裝置監(jiān)測(cè)低于工作壓力值時(shí)報(bào)警，按下合排按鈕后控制空氣通過兩位兩通閥和兩位三通閥和節(jié)流閥后進(jìn)入蓄能器瓶，其中壓力監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)高速合排時(shí)壓力，壓力監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)低速合排時(shí)壓力，當(dāng)滿足高速合排壓力或者低速合排壓力后，分別操作高速合排按鈕和低速合排按鈕進(jìn)行合排操作，當(dāng)有應(yīng)急情況時(shí)，按下應(yīng)急停止按鈕控制兩位兩通閥泄放控制空氣，離合器自動(dòng)脫排。

2.2.2 電氣系統(tǒng)

該電氣系統(tǒng)通過采集功率管理系統(tǒng)、PCU主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)、主機(jī)系統(tǒng)、液壓PLC系統(tǒng)、MIMIC系統(tǒng)、泥泵離合器系統(tǒng)、泥泵齒輪箱系統(tǒng)、泥泵系統(tǒng)、AMS全船報(bào)警系統(tǒng)等各系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)來獲得整個(gè)離合器的工作狀態(tài)，如圖3為電氣系統(tǒng)框圖。在對(duì)各個(gè)狀態(tài)做出判定后，可操作相應(yīng)的離合器動(dòng)作。電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三處控制模式，即可在機(jī)艙-離合器箱機(jī)旁控制，又可在集控室控制，也可在駕駛室-疏浚臺(tái)遠(yuǎn)程遙控控制。離合器電氣系統(tǒng)為了確?？煽啃?，有DC24V及AC220V電路，控制系統(tǒng)的電源均為UPS電源，保障系統(tǒng)在主配電板失電情況下依然能保持工作及監(jiān)視狀態(tài)，離合器系統(tǒng)信號(hào)均被采集到泥泵控制系統(tǒng)PLC柜，供全船的監(jiān)控系統(tǒng)使用，此外系統(tǒng)還具有各種信號(hào)的報(bào)警功能，包括離合器電源故障、離合器主空氣壓力低、離合器控制空氣壓力低、離合器堵塞、離合器滑差、離合器緊急停止、離合器裝置故障等。

2.3 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)控制軟件是整個(gè)智能控制系統(tǒng)的控制神經(jīng)中樞，是系統(tǒng)的重要組成部分，根據(jù)不同船型選用合適的PLC控制模塊作為控制單元，并能與上位機(jī)構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，離合器的合排/脫排聯(lián)鎖由泥泵控制系統(tǒng)PLC執(zhí)行，泥泵離合器智能控制系統(tǒng)服務(wù)器方將各個(gè)系統(tǒng)信號(hào)采集處理后傳送到泥泵PLC柜控制中樞的客戶方，客戶可在SCADA界面監(jiān)測(cè)到整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)圖，進(jìn)而進(jìn)行操作。

2.3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性-診斷保護(hù)

為了確保整個(gè)“一拖三”泥泵離合器智能控制系統(tǒng)的安全性，避免誤操作引起離合器及相關(guān)設(shè)備損壞，在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用多信號(hào)互相聯(lián)鎖診斷控制，只有在滿足條件情況下方能操作離合器高低速檔合排，只要有脫排操作條件，離合器將合排不成功。

2.3.2 系統(tǒng)高低速合排操作執(zhí)行

智能控制系統(tǒng)對(duì)離合器的控制過程就是采集各系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算與判斷，再根據(jù)不同工況來控制各個(gè)電磁閥的得電與失電，實(shí)現(xiàn)高速檔或低速檔氣路的通與斷，從而充氣泥泵氣胎離合器，推動(dòng)泥泵齒輪箱和主機(jī)連接共同運(yùn)動(dòng)，完成輸出泥泵轉(zhuǎn)速的過程。當(dāng)離合器合排條件吻合后，按下“低速”合排按鈕，低速比離合器將合上；按下“高速”合排按鈕，離合器高速檔將合上。

3 應(yīng)用情況

廣州文沖船廠為上海航道局建造的科技含量非常高的萬方大型耙吸式挖泥船 “新海?！薄ⅰ靶潞ｑR”，分別于2009年11月、2010年2月交付使用，而后同類型挖泥船“新?；?”、“新海虎5”也分別于2011年9月、2011年12月交付使用。該4艘挖泥船參加了長江口深水航道治理、唐山曹妃甸、天津臨港工業(yè)區(qū)等重點(diǎn)工程項(xiàng)目建設(shè)，并成功進(jìn)入美洲等海外地區(qū)，4艘挖泥船均采用了本文所述的泥泵離合器智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)性能安全穩(wěn)定，施工可靠，操作和診斷方便，達(dá)到了國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，船東對(duì)此智能控制系統(tǒng)及診斷流程十分滿意。

該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：模塊化設(shè)計(jì)；采用PLC程序；控制箱采用可靠的UPS電源，保障斷電情況下泥泵離合器不會(huì)脫排導(dǎo)致泥漿罐在泥管里；具有多處控制操作功能，可在本地機(jī)旁控制、集控室控制、駕駛室控制；系統(tǒng)具有簡單友善的診斷界面，減少工作人員故障診斷反應(yīng)和處理時(shí)間等，大大提高了設(shè)備使用的安全性，減少工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)論

隨著船舶自動(dòng)化程度越來越高和設(shè)備的增加，原有的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)已滿足不了設(shè)備的兼容性和存在安全漏洞，為有效的減少設(shè)備操作流程，減輕施工人員工作量及提高系統(tǒng)安全性，我們研制了本文所述的離合器智能控制系統(tǒng)，它很好的適應(yīng)了目前耙吸式挖泥船雙速泥泵齒輪箱的特點(diǎn)，既具有高、低速合排診斷功能，又有泥泵在單泵高檔、單泵低檔、雙泵高低檔串并聯(lián)控制診斷功能，并給疏浚臺(tái)操作人員提供簡潔的可視化信息界面和故障處理信息界面，由于簡化了施工和故障診斷操作，勞動(dòng)效率大大提高，進(jìn)而縮短了施工項(xiàng)目完成時(shí)間，為船東產(chǎn)生了巨大效益，同時(shí)也產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益。

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