一種基于ADAM模塊的挖溝機(jī)控制系統(tǒng)

王東峰++孫旭恒

摘要：在海洋油氣資源開發(fā)的過(guò)程中，海底管道及電纜鋪設(shè)漸漸成為重要的一個(gè)工程領(lǐng)域。在這個(gè)過(guò)程中，挖溝機(jī)起到越來(lái)越重要的作用。海底管道/埋纜挖溝機(jī)成為不可缺少的施工設(shè)備。以往的挖溝機(jī)控制系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，幾乎沒(méi)有傳感器，下水后無(wú)法及時(shí)反饋挖溝機(jī)工作狀態(tài)，給施工帶來(lái)了很大的不便。該文介紹了一種基于研華ADAM模塊的挖溝機(jī)控制系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)挖溝機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整挖溝作業(yè)中母船的工作參數(shù)，使挖溝作業(yè)更加順利的進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：挖溝機(jī)； ADAM模塊； 傳感器； 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

在海底管線的施工中，首先由鋪管船將管道或電纜鋪設(shè)到設(shè)計(jì)好的管線路由上，然后再由挖溝機(jī)沿管線路由挖溝將管線沉降到海溝中。因此，挖溝機(jī)是施工必須的裝備。目前，大多數(shù)挖溝機(jī)為噴射式，這種挖溝機(jī)效率高、成本低，在國(guó)內(nèi)海洋工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。該文講述的挖溝機(jī)控制系統(tǒng)就是針對(duì)這種電動(dòng)噴射式挖溝機(jī)進(jìn)行研究的，主要用于渤海海域海底管道及電纜挖溝作業(yè)。

1 挖溝機(jī)功能簡(jiǎn)介

該挖溝機(jī)主要用于海底管道及電纜挖溝埋設(shè)作業(yè)使用，也可用于海底管道維修時(shí)，在預(yù)定海床位置挖出有問(wèn)題的海底管道，為后續(xù)維修工作提供基礎(chǔ)作業(yè)面。

2 挖溝機(jī)控制系統(tǒng)組成

挖溝機(jī)整個(gè)控制系統(tǒng)分為如下三部分：中央控制單元、動(dòng)力和信號(hào)傳輸臍帶電纜及臍帶電纜絞車、挖溝機(jī)主體執(zhí)行元件和傳感器。

其中各個(gè)系統(tǒng)的功能如下：中央控制單元包括供配電、系統(tǒng)控制、聲納顯示、挖溝機(jī)狀態(tài)顯示等；動(dòng)力和信號(hào)傳輸臍帶電纜及臍帶電纜絞車包括動(dòng)力傳輸纜、通訊傳輸纜及配套絞車，其中動(dòng)力傳輸纜及通訊傳輸纜集成為一根臍帶電纜，纏繞在絞車的滾筒上，通過(guò)電纜滑環(huán)連接到電纜接口位置；挖溝機(jī)主體包括機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、2臺(tái)軸流泵、1個(gè)深度計(jì)、1個(gè)高度計(jì)、1個(gè)姿態(tài)傳感器、2個(gè)聲納頭、2個(gè)拉力傳感器、4個(gè)著底與位置傳感器、2個(gè)管道對(duì)中傳感器、一套水泵電壓測(cè)量系統(tǒng)以及一個(gè)漏水安全傳感器。

3挖溝機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)介紹

挖溝機(jī)主體上布置2個(gè)斷面聲納頭，安裝位置根據(jù)使用工況調(diào)整。當(dāng)作為挖溝埋管作業(yè)時(shí)，挖溝機(jī)騎在管道上拖曳，斷面聲納安裝在挖溝機(jī)的艏、艉部上方，與管道平行，用于監(jiān)視管道與挖溝機(jī)相對(duì)位置。當(dāng)作為作業(yè)面開挖作業(yè)時(shí)，2個(gè)斷面聲納分別安裝在橫拖的挖溝機(jī)的后部和側(cè)面，相互垂直，其中一只用來(lái)掃描溝形，另一只用來(lái)掃描裸露的管道。

以往的挖溝機(jī)主體上很少有各種傳感器，挖溝作業(yè)中，挖溝機(jī)的狀態(tài)參數(shù)無(wú)法進(jìn)行監(jiān)控，只能憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)整母船的行進(jìn)速度與行進(jìn)角度等參數(shù)，容易出現(xiàn)各種突發(fā)狀況。

該挖溝機(jī)主體上布置有多套傳感器，這些傳感器將實(shí)時(shí)信號(hào)反饋到母船上的監(jiān)控室內(nèi)，控制室內(nèi)的工控機(jī)采集各種信號(hào)，進(jìn)行處理后顯示挖溝機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

以往這些信號(hào)一般都是進(jìn)入到挖溝機(jī)主體上的接線箱，然后通過(guò)多芯電纜連接到母船上的控制室內(nèi)的信號(hào)采集卡上，這樣，當(dāng)多芯電纜出現(xiàn)斷線時(shí)，某一個(gè)甚至多個(gè)傳感器的信號(hào)將無(wú)法進(jìn)行采集，而且多個(gè)信號(hào)通道位于一根臍帶電纜內(nèi)，相互之間的干擾比較嚴(yán)重，容易造成信號(hào)的失真。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，該挖溝機(jī)控制系統(tǒng)選用研華公司的ADAM模塊，挖溝機(jī)所有的傳感器信號(hào)連接到模塊的IO點(diǎn)上，然后模塊與母船上的控制室進(jìn)行通訊，將傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)上，這樣，用一根雙絞線代替了以往的多芯電纜，減小了連接電纜的尺寸和重量，解決了干擾問(wèn)題。該控制系統(tǒng)主要用到了兩種模塊，ADAM-4017和ADAM-4050模塊。其中ADAM-4017是一款16位、8通道的模擬量輸入模塊，該模塊把傳感器電壓或電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。然后，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ虇挝?。?dāng)受到主機(jī)提示時(shí)，該模塊將通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。ADAM-4050模塊帶有7路數(shù)字量輸入和8路數(shù)字量輸出。主機(jī)可以利用該模塊的數(shù)字量輸入來(lái)檢測(cè)各個(gè)數(shù)字量信號(hào)。當(dāng)受到主機(jī)提示時(shí)，該模塊將通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

ADAM-4017模擬量輸入模塊輸入信號(hào)為電壓信號(hào)，挖溝機(jī)選用的傳感器大部分為0-5V電壓輸出信號(hào)，可以直接連接到模塊上，軟件中也無(wú)需進(jìn)行系數(shù)修正，但是電壓測(cè)量系統(tǒng)的電壓變送器輸出信號(hào)為4-20mA信號(hào)，必須在模塊的輸入通道端口連接一個(gè)精密電阻，在軟件采集中也必須進(jìn)行系數(shù)修正，具體修正方式如下。

電壓變送器參數(shù)：

輸入：0-450V（AC）

輸出：4-20mA

輸入端口并聯(lián)電阻：235Ω

由以上參數(shù)計(jì)算輸入電壓的方法為：

Vin=（Vout/235×1000mA-4mA） ×450/16

=（Vout-0.94V） ×119.68 （V）

計(jì)算輸入偏差SensorErr.AC=0.94V，系數(shù)SensorCoe.AC=119.68。

挖溝機(jī)姿態(tài)傳感器由于本身輸出特性，也需要進(jìn)行修正，由姿態(tài)傳感器資料知，當(dāng)傳感器與水平面平行時(shí)，輸出電壓為2.5V，當(dāng)傳感器向下或向上偏轉(zhuǎn)時(shí)，輸出電壓以2.5V為中心減小或增大，輸出電壓與角度的對(duì)應(yīng)計(jì)算公式為：

Vout=0.5V+（Angle+45°）×4/90 V

其中，Angle為角度值，取值范圍為-45.0°-- +45.0°。

從而可得：Angle=（ Vout-0.5V） ×22.5-45°=（Vout-2.5V） ×22.5 （°）。

計(jì)算輸入偏差值SensorErr.Pitch=2.5V，系數(shù)SensorCoe.Pitch= 22.5。

以上參數(shù)在軟件中進(jìn)行設(shè)置后，即可以得到水泵的實(shí)時(shí)輸入電壓值和挖溝機(jī)的俯仰姿態(tài)值。

4 挖溝機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件介紹

挖溝機(jī)作業(yè)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)將挖溝機(jī)數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、聲吶數(shù)據(jù)記錄與管理。全面支持挖溝機(jī)水下作業(yè)過(guò)程的監(jiān)控、導(dǎo)航和數(shù)據(jù)管理。

監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能概括為：

（1） 工程管理：一個(gè)完整埋管項(xiàng)目被描述為一個(gè)工程，其中發(fā)生的所有作業(yè)和數(shù)據(jù)被納于工程中統(tǒng)一記錄和管理；支持報(bào)表輸出和過(guò)程回放；

（2） 系統(tǒng)管理：軟件適合海底埋管機(jī)，允許系統(tǒng)具有多種構(gòu)形，可以根據(jù)需要通過(guò)軟件完成系統(tǒng)配置；

（3） 水下信息采集與融合：同時(shí)從水下傳感器與水面導(dǎo)航設(shè)備采集信息，并將其融合形成協(xié)調(diào)統(tǒng)一的系統(tǒng)工況與導(dǎo)航數(shù)據(jù)；

（4） 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控：通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立水下作業(yè)場(chǎng)景，利用融合后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則實(shí)時(shí)主動(dòng)監(jiān)測(cè)和報(bào)警；

（5） 拖體與作業(yè)船配合的綜合導(dǎo)航：預(yù)輸入埋設(shè)路由數(shù)據(jù)和數(shù)字地圖；提供船用GPS接口，對(duì)這些數(shù)據(jù)的采集與融合提供作業(yè)船的全面導(dǎo)航信息；提供超短基線定位系統(tǒng)接口，這些信息與水面導(dǎo)航信息進(jìn)行融合處理，提供埋設(shè)機(jī)綜合導(dǎo)航信息。

5 結(jié)語(yǔ)

該挖溝機(jī)工作過(guò)程中，在母船上的控制室內(nèi)，可以根據(jù)聲吶信號(hào)及傳感器反饋信號(hào)及時(shí)調(diào)整作業(yè)參數(shù)，從而使挖出的溝槽形狀更加完美，更加貼合海底管道及電纜的走向。目前該系統(tǒng)已成功應(yīng)用到多個(gè)挖溝和維修作業(yè)中，提高了海上作業(yè)效率，為海上安全生產(chǎn)提供了保障。

參考文獻(xiàn)

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