大型反鏟挖泥船集成監(jiān)控系統(tǒng)研制與應(yīng)用

羅剛，馮志勇，陳定，王璇

（中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300457）

0 引言

相對(duì)傳統(tǒng)的絞吸、耙吸和抓斗挖泥船而言，反鏟挖泥船是近年來出現(xiàn)的一種新的疏浚船型。中交天津航道局所屬“津泰”船是引進(jìn)荷蘭技術(shù)，在國(guó)內(nèi)建造的1艘反鏟挖泥船，其主要疏浚設(shè)備為位于船尾部的1臺(tái)反鏟式挖掘機(jī)。船舶施工時(shí)，由3根鋼樁將船體由自由浮態(tài)向上抬升一定高度，使船體處于半浮狀態(tài)，然后升降3根鋼樁的高度，使船體處于水平狀態(tài)。位于船首的鋼樁臺(tái)車用于船舶的掘進(jìn)行走。船舶的近距離航行，由位于船尾的2臺(tái)全回轉(zhuǎn)舵槳提供推進(jìn)動(dòng)力。反鏟式挖掘機(jī)、全回轉(zhuǎn)舵槳由液壓驅(qū)動(dòng)。鋼樁的升降、臺(tái)車的行走分別由液壓絞車驅(qū)動(dòng)。液壓動(dòng)力源為位于機(jī)艙的2臺(tái)液壓泵站，每臺(tái)泵站分別由1臺(tái)柴油機(jī)和液壓油泵組成。全船電站由2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組提供電力，必要時(shí)2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組可實(shí)現(xiàn)并車運(yùn)行。

“津泰”船近期成功進(jìn)行了集成監(jiān)控系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)改裝，該系統(tǒng)用于全船主要設(shè)備和施工過程的監(jiān)控。系統(tǒng)主要包括：疏浚監(jiān)測(cè)與控制、機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警[1]等功能。

1 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

反鏟挖泥船集成監(jiān)控系統(tǒng)主要包含以下幾項(xiàng)功能。

1.1 疏浚信息系統(tǒng)

疏浚信息系統(tǒng)[2]主要用于實(shí)現(xiàn)船舶施工過程的各種數(shù)據(jù)信息的集中管理。能夠?qū)Π惭b在船上的各傳感器的信號(hào)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)；能夠進(jìn)行船體及其各部分位置方向的計(jì)算并形成模型進(jìn)行顯示，實(shí)時(shí)計(jì)算挖泥船和船體各個(gè)部分的位置和方向，通過俯視和側(cè)視圖將船舶及施工地形模型呈現(xiàn)給用戶。

具體主要包含以下功能：數(shù)據(jù)文件管理、疏浚斷面、疏浚軌跡及拋泥軌跡顯示、船舶及施工地形的實(shí)時(shí)三維顯示、施工過程歷史回放、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、傳感器參數(shù)設(shè)置及其他可視化畫面顯示等。

1.2 反鏟挖掘機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控

反鏟挖掘機(jī)由操作室、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、大臂、小臂和鏟斗構(gòu)成，是疏浚施工的核心設(shè)備。

反鏟機(jī)操作室設(shè)有反鏟機(jī)操作手柄（控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、大臂、小臂和鏟斗）、控制箱（控制鋼樁、臺(tái)車及其它輔助設(shè)備）、監(jiān)控計(jì)算機(jī)等監(jiān)控設(shè)備。

反鏟機(jī)室裝有1個(gè)傾角傳感器，用于測(cè)量反鏟機(jī)的橫傾和縱傾角度，其角度值在反鏟機(jī)室和駕駛室設(shè)備監(jiān)視計(jì)算機(jī)屏幕顯示。

反鏟機(jī)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由5個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由2個(gè)編碼器來測(cè)量反鏟機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，在反鏟機(jī)室和駕駛室計(jì)算機(jī)顯示屏可以顯示其角度值。

反鏟機(jī)大臂、小臂和鏟斗的動(dòng)作分別由2個(gè)液壓油缸驅(qū)動(dòng)。大臂、小臂和鏟斗之間的連接軸上分別設(shè)有1個(gè)角度傳感器，用于測(cè)量大臂、小臂和鏟斗與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)角度。計(jì)算機(jī)軟件畫面實(shí)時(shí)顯示旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、大臂、小臂和鏟斗的姿態(tài)和角度。

1.3 臺(tái)車及鋼樁系統(tǒng)監(jiān)控

臺(tái)車由1臺(tái)絞車牽引實(shí)現(xiàn)在軌道上的往復(fù)行走，設(shè)有臺(tái)車最小行走距離和最大行走距離限位。當(dāng)臺(tái)車行走距離到達(dá)最小行走距離和最大行走距離時(shí)，臺(tái)車絞車應(yīng)停止動(dòng)作，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制箱、反鏟機(jī)室控制箱和駕駛室液壓設(shè)備操作臺(tái)相應(yīng)報(bào)警指示燈亮，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲響，反鏟機(jī)操作室和駕駛室設(shè)備監(jiān)視計(jì)算機(jī)顯示屏顯示報(bào)警信息。臺(tái)車的行走距離由長(zhǎng)度傳感器進(jìn)行測(cè)量，能夠在反鏟機(jī)操作室和駕駛室液壓設(shè)備操作臺(tái)設(shè)備監(jiān)視計(jì)算機(jī)顯示屏上連續(xù)顯示臺(tái)車的行程。

全船設(shè)有3根鋼樁，分別位于船尾左、右舷和船首臺(tái)車上。艉左、右鋼樁為固定樁，艏鋼樁為行走鋼樁。每根鋼樁設(shè)有上限位和下限位，當(dāng)鋼樁向上運(yùn)動(dòng)到上限位時(shí)，鋼樁絞車必須停止起升動(dòng)作，當(dāng)鋼樁向下運(yùn)動(dòng)到下限位時(shí)，鋼樁絞車必須停止下降動(dòng)作。當(dāng)鋼樁到達(dá)上下限位時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制箱、反鏟機(jī)操作室控制箱和駕駛室液壓設(shè)備操作臺(tái)報(bào)警指示燈亮，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲響，同時(shí)反鏟機(jī)操作室和駕駛室設(shè)備監(jiān)視計(jì)算機(jī)顯示屏發(fā)出報(bào)警信息。每根鋼樁的起升鋼絲繩設(shè)有拉力傳感器，用于監(jiān)測(cè)船舶半浮狀態(tài)時(shí)鋼絲繩所承受的拉力。拉力傳感器安裝于鋼樁起升滑輪軸上，當(dāng)鋼絲繩的拉力超出設(shè)定值時(shí)，在駕駛室液壓設(shè)備操作臺(tái)計(jì)算機(jī)和反鏟機(jī)操作室計(jì)算機(jī)上輸出報(bào)警信息，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲響。

絞車安裝絕對(duì)值編碼器，用于測(cè)量鋼絲繩收放長(zhǎng)度。絞車還可在反鏟機(jī)操作室和駕駛室液壓操作臺(tái)進(jìn)行控制。絞車啟動(dòng)和停止時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度是通過PLC控制自動(dòng)地按照設(shè)定的斜坡時(shí)間斜線上升和下降，以減少絞車動(dòng)作對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊作用。

1.4 船體吃水調(diào)節(jié)

當(dāng)船舶準(zhǔn)備開始施工時(shí)和處于施工過程中，船舶吃水可以通過鋼樁的升降進(jìn)行調(diào)節(jié)，使挖泥船保持在要求的設(shè)定吃水值。系統(tǒng)首先通過吃水傳感器測(cè)量實(shí)際吃水，并通過橫傾和縱傾傳感器值計(jì)算每個(gè)鋼樁的吃水。通過對(duì)比實(shí)際吃水深度與設(shè)定吃水深度值，當(dāng)實(shí)際吃水過小時(shí)，系統(tǒng)輸出控制指令控制鋼樁絞車帶動(dòng)鋼樁上升來增大實(shí)際吃水值；當(dāng)實(shí)際吃水過大時(shí)，系統(tǒng)輸出控制指令控制鋼樁絞車帶動(dòng)鋼樁下降來減小實(shí)際吃水值。當(dāng)船舶進(jìn)行吃水調(diào)節(jié)時(shí)，反鏟機(jī)應(yīng)停止挖掘作業(yè)，待船舶吃水調(diào)節(jié)完成后方可進(jìn)行挖掘作業(yè)。在船舶吃水調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)任何一個(gè)鋼絲繩拉力值超過限制值時(shí)，系統(tǒng)給出相應(yīng)報(bào)警信息并限制使鋼絲繩拉力進(jìn)一步增大的操作。

1.5 其它輔助設(shè)備監(jiān)控

其他輔助設(shè)備的監(jiān)控也是系統(tǒng)不可缺少的內(nèi)容。例如：液壓柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)和應(yīng)急停止控制、發(fā)電柴油機(jī)組及配電板運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)、油脂潤(rùn)滑系統(tǒng)的監(jiān)控、海淡水冷卻系統(tǒng)的遙控、主要液艙液位遙測(cè)以及輔助設(shè)備的遙控啟動(dòng)或停止等。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有2臺(tái)互為熱備用的服務(wù)器，位于駕駛室，其中1臺(tái)負(fù)責(zé)船舶施工數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸。在駕駛臺(tái)，設(shè)有推進(jìn)器控制臺(tái)和液壓設(shè)備控制臺(tái)。推進(jìn)器控制臺(tái)用于操作液壓舵槳，控制船舶航行。在推進(jìn)器控制臺(tái)上設(shè)有2臺(tái)操作計(jì)算機(jī)，1臺(tái)用于顯示船舶航行軌跡及海圖，1臺(tái)用于監(jiān)控船舶設(shè)備。液壓設(shè)備控制臺(tái)用于操作鋼樁、臺(tái)車及倒樁液壓設(shè)備。在液壓設(shè)備控制臺(tái)上設(shè)有1臺(tái)觸摸屏計(jì)算機(jī)，用于設(shè)備參數(shù)設(shè)定、設(shè)備的操作及狀態(tài)監(jiān)測(cè)。液壓駕駛室海圖桌，設(shè)有1臺(tái)辦公用計(jì)算機(jī)，用于日常辦公。在餐廳、發(fā)電機(jī)間、船長(zhǎng)、輪機(jī)長(zhǎng)、大副、大管輪房間將增加計(jì)算機(jī)接口，連接控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，用于施工監(jiān)測(cè)。

置于駕駛室的潮位儀、電羅經(jīng)、DGPS等設(shè)備通過串口網(wǎng)關(guān)連接到駕駛交換機(jī)JH2。

在反鏟機(jī)操作室設(shè)有4臺(tái)計(jì)算機(jī)，其中2臺(tái)計(jì)算機(jī)的顯示器并列安裝于設(shè)備支架上，用于監(jiān)視反鏟機(jī)的姿態(tài)及船舶施工定位顯示，其中1臺(tái)位于反鏟機(jī)操作室內(nèi)右前方的支架上，為觸摸屏計(jì)算機(jī)，用于監(jiān)視船舶設(shè)備狀態(tài)。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)圖如圖1。

圖1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The computer network structure

2.2 PLC網(wǎng)絡(luò)

全船設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制分別由2個(gè)PLC系統(tǒng)（PLC1和PLC2） 完成。PLC2主要用于管理液壓系統(tǒng)，如電磁閥通斷等；PLC1主要用于管理液壓系統(tǒng)之外的所有監(jiān)控點(diǎn)，如疏浚信息、船舶狀態(tài)、機(jī)艙監(jiān)控與報(bào)警等。PLC1和PLC2之間通過1個(gè)DP/DP coupler連接，經(jīng)過PROFIBUS總線實(shí)現(xiàn)相互通訊。整個(gè)PLC系統(tǒng)通過PLC1的網(wǎng)絡(luò)接口模塊CP343-1實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換流向如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)交換流向圖Fig.2 The data exchange flow-direction

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

集成監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用VC++進(jìn)行程序開發(fā)[3]，上位機(jī)軟件的主要作用是實(shí)現(xiàn)操作人員和集成監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互，集成監(jiān)控系統(tǒng)將全船所監(jiān)控設(shè)備的信息顯示給操作人員，操作人員能夠?qū)⒉僮髦噶钕逻_(dá)給集成監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)集成監(jiān)控系統(tǒng)所具有的全部功能。上位機(jī)軟件監(jiān)控畫面采用圖元組態(tài)[4]的形式實(shí)現(xiàn)，便于軟件監(jiān)控畫面根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行編輯修改。上位機(jī)軟件分為服務(wù)器軟件和操作站客戶端軟件，客戶端和服務(wù)器之間采用C/S結(jié)構(gòu)模式。考慮到程序的調(diào)試、使用和維護(hù)方便，將服務(wù)器和客戶端的功能集中到同一個(gè)軟件中，在實(shí)際使用中，根據(jù)服務(wù)器和客戶端IP地址的不同來確定是否使軟件充當(dāng)服務(wù)器或客戶端的功能。兩臺(tái)服務(wù)器中的任意一臺(tái)程序除完成歷史數(shù)據(jù)記錄外，都可以將船舶施工數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給岸基信息管理中心。軟件的主要監(jiān)控畫面內(nèi)容如下：

1）疏浚信息顯示畫面（海圖編輯、海圖背景及船舶定位顯示、水深信息顯示等）；

2）反鏟機(jī)姿態(tài)（側(cè)視圖、俯視圖、液壓機(jī)構(gòu)參數(shù)等）；

3）臺(tái)車及鋼樁系統(tǒng)（顯示臺(tái)車行程、絞車及鋼樁狀態(tài)等）；

4）液壓泵站及液壓系統(tǒng)（電磁閥狀態(tài)、模擬量/開關(guān)量傳感器數(shù)值等）；

5）液壓柴油機(jī)（運(yùn)行參數(shù)、報(bào)警信息）；

6）發(fā)電柴油機(jī)組（柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)、報(bào)警信息；電站電壓、電流、功率等）；

7）油脂潤(rùn)滑系統(tǒng)（閥門開/關(guān)、模擬量/開關(guān)量傳感器數(shù)值）；

8）機(jī)艙報(bào)警（顯示全船所有的報(bào)警信息，如液艙液位等）；

9）傳感器的參數(shù)設(shè)置（設(shè)置傳感器的增益、初值等）。

下位機(jī)采用西門子的SIMATIC S7-300系列PLC，采用step7編寫邏輯控制程序，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的底層邏輯控制和數(shù)據(jù)采集功能。PLC網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通過MODBUS TCP實(shí)現(xiàn)相互通信[5]。

3 實(shí)船應(yīng)用

該系統(tǒng)已經(jīng)成功安裝到“津泰”大型反鏟挖泥船上，該反鏟挖泥船是國(guó)內(nèi)目前最大的反鏟挖泥船。改裝后該船已在國(guó)內(nèi)進(jìn)行正常的挖泥施工，實(shí)際工作證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)功能均能滿足實(shí)際疏浚施工要求。

4 結(jié)語

反鏟挖泥船集成監(jiān)控系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首套專門為反鏟挖泥船疏浚施工而開發(fā)研制，并且成功應(yīng)用于大型反鏟挖泥船的集成監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用上下兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，綜合了計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，較好地實(shí)現(xiàn)了反鏟挖泥船疏浚信息管理、設(shè)備監(jiān)控、監(jiān)測(cè)報(bào)警以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與遠(yuǎn)程傳輸?shù)雀鞣N功能，為挖泥船施工生產(chǎn)提供了很好的操作管理平臺(tái)，能夠更好地發(fā)揮船舶的生產(chǎn)效率，更加方便船舶的操作管理，提高了船舶施工的安全性。

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