大型自航絞吸挖泥船智能化集成控制系統(tǒng)

羅剛，馮志勇，陳定，方磊

（中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點實驗室，天津　300457）

大型自航絞吸挖泥船智能化集成控制系統(tǒng)

羅剛，馮志勇，陳定，方磊

（中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點實驗室，天津300457）

依托國家工信部“5 000 kW絞刀功率絞吸式疏浚船關(guān)鍵技術(shù)研究”項目，針對目標船舶的技術(shù)特點和設備配置，研究了大型自航絞吸挖泥船智能化集成控制系統(tǒng)6個主要方面的技術(shù)內(nèi)容：智能化疏浚集成控制系統(tǒng)框架模型研究、疏?？刂葡到y(tǒng)（DCS）開發(fā)、基于疏浚效率的船舶電站功率管理開發(fā)研究、疏浚軌跡與三維土質(zhì)剖面顯示系統(tǒng)開發(fā)研究、軟件模型研究、自動控制系統(tǒng)開發(fā)研究；研制試驗樣機對研究成果進行了功能試驗驗證。該研究成果能夠應用于我國自主建造大型自航/非自航絞吸挖泥船，具有較高應用推廣價值。

自航絞吸挖泥船；智能化；控制系統(tǒng)；疏浚

0　引言

隨著疏浚市場需求的不斷變化和市場競爭加劇，大型自航絞吸式疏浚船舶以其強大的疏浚施工能力、高自治度、可作業(yè)性和機動靈活性好等突出特點，日益成為各大疏浚公司施工船隊建設中的戰(zhàn)略性裝備。但是大型自航絞吸式疏浚船舶的設計和建造一直以來都為國外公司所壟斷，包括智能化集成控制系統(tǒng)在內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)成為了制約我國發(fā)展高端大型自航絞吸式疏浚船舶的主要因素。

為了能夠打破國外的技術(shù)封鎖，開展大型自航絞吸式疏浚船舶的自主研究，在國家工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研計劃支持下，由中交天津航道局有限公司牽頭承擔了“5 000 kW絞刀功率絞吸式疏浚船關(guān)鍵技術(shù)研究項目”。“智能化集成控制系統(tǒng)研究”項目是該項目的一個子研究課題。“智能化集成控制系統(tǒng)研究”項目針對大型自航絞吸式疏浚船舶控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵性技術(shù)內(nèi)容進行研究，主要內(nèi)容有：智能化疏浚集成控制系統(tǒng)框架模型研究、疏?？刂葡到y(tǒng)（DCS）開發(fā)、基于疏浚效率的船舶電站功率管理開發(fā)研究、疏浚軌跡與三維土質(zhì)剖面顯示系統(tǒng)開發(fā)研究、軟件模型研究、自動控制系統(tǒng)開發(fā)研究等6個方面。

控制系統(tǒng)對疏浚船舶而言就是大腦。如果沒有裝備技術(shù)先進的控制系統(tǒng)，疏浚船舶無法發(fā)揮其強大的疏浚施工生產(chǎn)能力和精確高效的疏浚性能。也正是由于疏浚船舶集成控制技術(shù)在疏浚船舶生產(chǎn)效率和性能方面所起到的關(guān)鍵性作用，疏浚船舶集成控制系統(tǒng)，特別是融合了現(xiàn)代先進自動控制技術(shù)的大型疏浚船舶的智能化集成控制系統(tǒng)，一直是國外公司技術(shù)保密程度最高的核心裝備，它們對疏浚船舶集成控制系統(tǒng)方面的關(guān)鍵技術(shù)也從未對外公開。針對大型自航絞吸式疏浚船舶的特點，為了能夠在大型自航絞吸式疏浚船舶智能化集成控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)取得突破，主要研究了如下6方面內(nèi)容。

1　疏浚控制系統(tǒng)框架模型研究

依據(jù)大型自航絞吸式疏浚船舶特點和各系統(tǒng)功能進行了總體框架方案研究與設計，系統(tǒng)總體框架分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。

1）硬件系統(tǒng)：全船控制系統(tǒng)網(wǎng)絡由計算機控制網(wǎng)和PLC控制網(wǎng)組成。其中含有3個光纖環(huán)網(wǎng)，1個為計算機以太網(wǎng)絡，2個為PLC profibus網(wǎng)絡。PLC和計算機之間通過Modbus/TCP[1]進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。全船整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1　全船控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Network structure diagram of overall control system for dredger

2）軟件系統(tǒng)：集成控制系統(tǒng)的軟件可分為：PLC控制程序（下位機）和計算機控制軟件（上位機）兩部分。

①PLC控制程序，對應于3個PLC系統(tǒng)的3個相對獨立的子系統(tǒng)，PLC控制程序也分為3個部分：疏浚控制（DCS）PLC、功率管理（PMS）PLC、監(jiān)測報警（AMS）PLC控制程序。

PLC控制程序的主要功能為：實現(xiàn)所有設備的控制邏輯（包括自動控制功能等）；實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的采集（包括傳感器、設備接口數(shù)據(jù)等）；實現(xiàn)所有操作輸入（設備狀態(tài)反饋、按鈕/手柄控制主令等）和設備控制輸出（電機、電磁閥、指示燈/儀表/蜂鳴器等）；實現(xiàn)和上位機的數(shù)據(jù)通訊。

②計算機控制軟件是用于上位機控制的軟件，用于操作人員和控制系統(tǒng)進行人機交互。顯示全船各個系統(tǒng)的相關(guān)狀態(tài)信息和發(fā)送操作人員指令給各個控制單元。上位機控制軟件采用VC++編程[2]語言開發(fā)完成。

計算機控制軟件的主要功能為：顯示疏浚信息；實現(xiàn)施工設計；施工數(shù)據(jù)存儲與歷史回放；實現(xiàn)施工數(shù)據(jù)的無線傳輸；顯示設備監(jiān)視的畫面和參數(shù)；顯示機艙報警信息；實現(xiàn)各種施工參數(shù)設置及控制指令輸入；實現(xiàn)與下位機及網(wǎng)絡計算機之間的數(shù)據(jù)通訊。

2　疏浚設備的監(jiān)測控制功能研究

疏浚設備是大型自航絞吸式疏浚船舶的核心設備，主要疏浚設備的控制方式如圖2。

圖2　疏浚設備控制方式Fig.2　Control mode of dredging equipment

根據(jù)各疏浚設備特點和使用要求，研究疏浚設備的控制功能與邏輯，確定各設備控制方式。合理設置主令控制信號，精心選擇合適的主令控制器形式，在保證使用方便的同時兼顧臺面布置的精簡美觀。根據(jù)控制邏輯，合理設計控制聯(lián)鎖條件，同時給出必要的報警信號，確保設備安全。優(yōu)化控制流程，合理設計手動/自動控制程序，控制更加高效可靠。以絞刀驅(qū)動系統(tǒng)為例，研究疏浚設備的控制方案，如圖3。

圖3　疏浚設備控制流程圖Fig.3　Flow diagram for control of dredging equipment

3　基于疏浚效率的船舶電站功率管理開發(fā)研究

功率管理系統(tǒng)基本功能有[3]：電站模式及模式轉(zhuǎn)換、失電自動恢復、大負載啟動問詢、過載保護。除此之外，充分合理的利用船舶既有的動力資源，盡可能發(fā)揮出船舶最大的施工生產(chǎn)效率，也是功率管理系統(tǒng)的重要功能，即：基于施工效率的功率管理功能。絞吸式挖泥船在不同土質(zhì)和施工工況下，各個疏浚設備對功率的需求有著很大的差別，如挖硬質(zhì)土時，絞刀所消耗的功率較其他工況大很多；進行長排距輸送時，泥泵消耗的功率比短排距情況要大，等等。因此，根據(jù)不同施工工況下施工設備功率需求的特點，結(jié)合具體的施工工藝要求，充分且合理地對船舶裝機功率進行分配和管理，這是功率管理所要解決的問題之一。

基于施工效率的功率管理功能程序設計流程如圖4。

根據(jù)不同的施工工況，確定各個施工設備（如：絞刀、橫移絞車、泥泵等）的功率需求，結(jié)合設備的機械性能，確定其功率限制范圍。按照施工工藝確定的施工方案，合理分配設備的允許施工功率，同時將功率分配方案通知給全船控制系統(tǒng)，作為疏?？刂葡到y(tǒng)下達設備控制指令的一個前提條件。功率管理系統(tǒng)實時監(jiān)控船舶設備負荷情況，實時監(jiān)視全船的總消耗功率是否超出船舶的總功率及相關(guān)設備是否超負荷。如發(fā)現(xiàn)超過總功率或超負荷，功率管理系統(tǒng)則啟動過載保護程序，保護船舶電站及相關(guān)設備安全。如功率負荷均在允許范圍內(nèi)，則允許設備按照當前功率運行。在功率負荷允許的范圍內(nèi)，疏浚設備可以按照新的施工工藝對設備的功率分配進行調(diào)整，以提高船舶的施工效率和產(chǎn)量。

圖4　基于施工效率的功率管理功能程序設計流程圖Fig.4　Flow diagram for programming of power management based on dredging efficiency

4　疏浚軌跡與三維土質(zhì)剖面顯示系統(tǒng)開發(fā)研究

疏浚軌跡與三維土質(zhì)剖面顯示系統(tǒng)主要用于顯示船舶施工時的疏浚深度、定位等信息[4]。施工設計軟件的主要功能為：GPS參數(shù)設置及坐標換算；能夠?qū)牒惋@示原始的施工海圖文件（DXF，DIG）；能夠?qū)氲暮D文件進行編輯和設計（施工方案工作線編輯、增加施工標記等）；加載水深文件；進行水深色塊標記編輯；加載水深色塊文件；進行疏浚斷面設計；實現(xiàn)預覽海圖的縮小、放大；實現(xiàn)海圖方位距離的測量。

疏浚軌跡與三維土質(zhì)剖面顯示系統(tǒng)的主要功能有：疏浚海圖背景及船舶定位平面顯示；水深色塊設定；重要施工參數(shù)顯示；絞刀頭位置顯示；船舶施工橫斷面顯示（能夠?qū)Σ煌临|(zhì)進行分層顯示）；船舶疏浚施工三維畫面顯示。

船舶疏浚施工三維顯示畫面的主要功能有：實時顯示船舶三維模型的位置；實現(xiàn)實時顯示疏浚前地形三維模型并和更新疏浚后的三維地形；顯示從船舶不同視角的三維顯示（俯視、前視、后視、側(cè)視、任意自由視角），點擊右鍵菜單進行不同視角的切換；俯視、前視、后視、側(cè)視視圖中實現(xiàn)視角遠近的調(diào)整功能；任意自由視角下，實現(xiàn)對視角遠近、俯仰角度的調(diào)整功能。

5　疏浚過程軟件模型研究

疏浚過程分析軟件模型，主要是指對疏浚船舶的施工過程實時參數(shù)或歷史參數(shù)進行分析，為船舶施工和工藝管理人員提供施工輔助分析指導。疏浚過程軟件模型的功能構(gòu)成如圖5。

圖5　疏浚過程軟件模型功能構(gòu)成Fig.5　Configuration of modeling of dredging process software

泥泵輸送分析主要是通過泥泵及管路的流體輸送理論[5]公式進行計算和分析流量揚程曲線，得到泥泵及其輸送管路的特性，確定泥漿泵與管路工作點范圍。絞刀挖掘分析是通過絞刀的幾何參數(shù)、絞刀驅(qū)動系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)等數(shù)據(jù)，分析絞刀部件的實時受力情況和疏浚施工時的實時挖掘量。實時泵效計算分析是通過泥泵的清水參數(shù)，計算分析泥泵的效率。疏浚過程數(shù)據(jù)后臺自主分析為船舶施工管理人員提供一套疏浚過程歷史數(shù)據(jù)的分析工具，可以方便快捷地分析疏浚效果，并為后續(xù)施工提供指導。疏浚產(chǎn)量報表自動生成可以根據(jù)管理部門的要求，自動生成各類疏浚產(chǎn)量報表。施工工藝參數(shù)輔助分析是對疏浚過程歷史數(shù)據(jù)的分析，得到各施工工藝參數(shù)對施工效果的影響，從而確定最佳施工工藝參數(shù)。

6　自動控制功能開發(fā)研究

自動控制功能是疏浚船舶集成控制系統(tǒng)的重要功能，對于大型絞吸式疏浚船舶而言，泥泵自動控制（APC）和挖泥自動控制（ACC）功能是其中重要的高級自動控制功能。泥泵自動控制（APC）是在吹填工況下，以設定的泥漿流速為主要的控制輸入，以泥泵間的壓力、末級泵的排出壓力為限制條件，充分考慮動力設備的機械傳動性能，實時合理調(diào)節(jié)各個泥泵的轉(zhuǎn)速，使泥漿流速維持在某個設定的流速區(qū)間內(nèi)。

自動泥泵控制的控制邏輯框圖如圖6。

圖6　泥泵自動控制邏輯框圖Fig.6　Block diagram for automatic logic control of sludge pumps

根據(jù)施工土質(zhì)、排距等具體施工情況，給定期望的泥漿流速范圍值，根據(jù)泥泵、管線等施工設備的具體情況設定泥泵間的允許壓力值范圍、末級泵的排出壓力值范圍等限制條件，自動泥泵控制程序?qū)⑼ㄟ^改變變頻電機的轉(zhuǎn)速，實時調(diào)節(jié)泥泵的轉(zhuǎn)速，將泥漿管路內(nèi)的流速控制在給定的期望流速范圍內(nèi)，同時保證滿足各限制條件和設備的機械性能。

挖泥自動控制（ACC）功能在保障施工設備安全的前提下，不僅實現(xiàn)了疏浚施工過程中主要施工設備（如橫移絞車、橋架絞車、鋼樁臺車等）在不同的施工模式下運動過程的自動控制，而且能夠?qū)g刀轉(zhuǎn)速/扭矩、橫移速度/拉力、真空釋放閥開度、泥泵轉(zhuǎn)速等重要設備進行綜合控制，自動獲得最佳的挖掘效率和疏浚效率。挖泥自動控制的邏輯框圖如圖7。

圖7　挖泥自動控制的邏輯框圖Fig.7　Block diagram for automatic logic control of dredging operations

從自動挖泥控制過程來看，每個挖泥設備的運行都不只是根據(jù)某個單一參數(shù)值進行控制，而是根據(jù)多個參數(shù)值的變化，綜合進行考慮，根據(jù)其影響權(quán)重大小不同，最終確定受控設備的控制參數(shù)。每個挖泥設備運行參數(shù)的變化也會引起多個過程參數(shù)的變化，這些過程參數(shù)的變化，通過自動挖泥控制程序的邏輯分析，影響對各個相關(guān)運行設備的控制。

7　結(jié)語

“大型自航絞吸智能化集成控制系統(tǒng)研究”項目針對大型自航絞吸式疏浚船舶控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵性技術(shù)內(nèi)容進行研究，主要研究了智能化疏浚集成控制系統(tǒng)框架模型研究、疏?？刂葡到y(tǒng)（DCS）開發(fā)、基于疏浚效率的船舶電站功率管理開發(fā)研究、疏浚軌跡與三維土質(zhì)剖面顯示系統(tǒng)開發(fā)研究、軟件模型研究、自動控制系統(tǒng)開發(fā)研究等6個方面的關(guān)鍵技術(shù)。為保證研究成果的正確性和實用性，還專門研制試驗樣機對研究成果進行了功能試驗驗證。該研究成果能夠應用于我國自主建造大型自航/非自航絞吸挖泥船，具有較高應用推廣價值。在打破國外技術(shù)封鎖、解決了制約我國發(fā)展高端大型自航絞吸式疏浚船舶的關(guān)鍵技術(shù)因素及趕超國外先進技術(shù)等方面，也有著重要意義。

[1]SWALES A.Open Modbus/TCP specification[J].Schneider electric,1999,29.

[2]DAVID J KRUGLINSKI,SCOT WINGO,GEORGE SHEPHERD. Programming visual C++6.0技術(shù)內(nèi)幕[M].北京：北京希望電子出版社，1999. KRUGLINSKI David J,WINGO Scot,SHEPHERD George.Technology of programming visual C++6.0[M].Beijing:Beijing Hope Electronic Press,1999.

[3]蔡連博，許文兵，曲俊生，等.深水鋪管起重船功率管理系統(tǒng)應用與研究[J].中國造船，2014，55（4）：179-184. CAI Lian-bo,XU Wen-bing,QU Jun-sheng,et al.Application and research of power management system for deepwater pipelay crane vessel[J].Shipbuilding of China,2014,55(4):179-184.

[4]繆正建.疏浚工程土質(zhì)土級模型與開挖分析理論及應用[D].天津：天津大學，2012. MIAO Zheng-jian.Theories and application of soil classification model and excavation analysis in dredging engineering[D].Tianjin: Tianjin University,2012.

[5] 韋紹祥，夏逸民.泥泵管道特性的計算方法[J].武漢水運工程學院學報，1981（4）：63-73. WEI Shao-xiang,XIA Yi-min.Methods for calculation of characteristics of pipelines to sludge pumps[J].Journal of Wuhan University of Technology,1981(4)：63-73.

Integrated intelligent control system for large self-propelled cutter suction dredgers

LUO Gang,FENG Zhi-yong,CHEN Ding，F(xiàn)ANG Lei
（CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin Key Laboratory for Dredging Technologies,Tianjin 300457,China）

Based on the Research on Key Technology for Cutter Suction Dredgers with 5 000 kW Cutter Head sponsored by the Ministry of Industry and Information Technology of China,and in the light of the technical characteristics and the configuration of equipment for the target dredger,we researched six critical problems of the integrated intelligent control system for a large self-propelled cutter suction dredger,including the research of structure model of the integrated intelligent control system;development of dredging control system;development of power management system based on dredging efficiency of dredger plant;development of representation system of dredging track,3D seabed and subsoil conditions;research of software model;and development of automation system.A prototype was designed to verify the functions of the integrated intelligent control system.The verified result proves that research achievement is very valuable to put into practice widely on large selfpropelled or non-self propelled cutter suction dredger built domestically.

self-propelled cutter suction dredger;intellectualization;control system;dredging

U674.31

A

2095-7874（2016）09-0012-05

10.7640/zggwjs201609003

2016-02-26

國家工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研計劃項目

羅剛（1978—），男，湖北嘉魚人，碩士，高級工程師，輪機工程專業(yè)。E-mail：Lgang342@163.com