耙吸挖泥船全自動(dòng)與手動(dòng)疏浚系統(tǒng)切換控制方法

賀海濤，龐景墩

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

耙吸挖泥船是一種裝備耙頭挖掘機(jī)具和吸泥裝置的大型自航、裝艙式挖泥船，適用于水域開闊的海灣、河口及海港、河流的航道疏浚作業(yè)，為世界各國在較大的疏浚工程中廣泛采用[1]。挖泥船的疏浚作業(yè)包括挖泥、拋泥與艏吹等主要過程[2]。與絞吸挖泥船不同，耙吸挖泥船在作業(yè)過程中始終在低速航行，操作人員既要顧及船舶的駕駛與避讓，又要關(guān)注施工設(shè)備的工作狀態(tài)以便采取相應(yīng)的操作，所以存在人力資源耗費(fèi)較大、容易出現(xiàn)操作人員疲勞、施工效率沒有達(dá)到最優(yōu)甚至引發(fā)生產(chǎn)事故等問題。因此在耙吸挖泥船上安裝全自動(dòng)疏?？刂葡到y(tǒng)對(duì)于疏浚作業(yè)的提高效率、控制事故、降低人力成本具有重大意義[3]。

1 全自動(dòng)疏?？刂葡到y(tǒng)的架構(gòu)

傳統(tǒng)耙吸挖泥船通常安裝一套可編程邏輯控制器 PLC（Programmable Logic Controller），用于采集各類傳感器數(shù)據(jù)、發(fā)布指令驅(qū)動(dòng)其他設(shè)備完成特定功能、與其他系統(tǒng)進(jìn)行通訊、完成人機(jī)交互[4-5]。這種配置實(shí)現(xiàn)了疏浚過程的手動(dòng)控制和一些簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制功能，為了與下文區(qū)別，此處稱為手動(dòng)PLC。

全自動(dòng)疏浚系統(tǒng)[6-7]是在手動(dòng)疏浚系統(tǒng)的基礎(chǔ)上另設(shè)置一套全自動(dòng)PLC，用于實(shí)現(xiàn)耙吸挖泥船全自動(dòng)疏浚功能，其他設(shè)備包括1個(gè)全自動(dòng)疏浚控制臺(tái)，1臺(tái)計(jì)算機(jī)和1個(gè)HMI（Human Machine Interface人機(jī)接口）觸摸屏。

計(jì)算機(jī)、PLC通過以太網(wǎng)與船舶控制系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)連通。計(jì)算機(jī)配置觸摸功能顯示器用于顯示專為全自動(dòng)疏浚系統(tǒng)定制的SCADA（Supervisory Control And Acquistion檢測(cè)控制和數(shù)據(jù)采集）界面，并同時(shí)安裝定制的DTPS（Dredge Tracking And Profile System疏浚軌跡與剖面系統(tǒng)）程序，用于部分全自動(dòng)功能參數(shù)設(shè)置。HMI主要用于操作人員的控制命令輸入、自動(dòng)控制器參數(shù)設(shè)置宏按鈕運(yùn)行狀態(tài)指示。手動(dòng)PLC和全自動(dòng)PLC共同構(gòu)成了疏?？刂葡到y(tǒng)。

疏?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 疏浚控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structurediagram of dredging control system

由圖1可見，手動(dòng)PLC系統(tǒng)和全自動(dòng)PLC之間既有聯(lián)系又相對(duì)獨(dú)立。在全自動(dòng)疏浚工況下，手動(dòng)PLC從各系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，然后通訊傳輸給全自動(dòng)PLC。根據(jù)不同的工況，全自動(dòng)疏浚系統(tǒng)不斷調(diào)用其中的自動(dòng)控制器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與優(yōu)化[8]，再將計(jì)算結(jié)果返回給手動(dòng)PLC，由手動(dòng)PLC發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)各設(shè)備完成動(dòng)作。當(dāng)全自動(dòng)PLC出現(xiàn)故障或施工中出現(xiàn)無法由程序自己處理的情況，可以將全自動(dòng)疏浚系統(tǒng)切除，回復(fù)常規(guī)的手動(dòng)操作。

搭載全自動(dòng)控制和手動(dòng)控制系統(tǒng)的耙吸挖泥船涉及到全自動(dòng)和手動(dòng)兩套控制系統(tǒng)的控制權(quán)限切換。耙吸挖泥船施工過程中有許多大功率重型設(shè)備在高速運(yùn)轉(zhuǎn)，有時(shí)需要在此類設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)切換，因?yàn)槭謩?dòng)與全自動(dòng)是兩套相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，切換過程中如何處理正在運(yùn)行的疏浚設(shè)備尤為重要。簡(jiǎn)單地將設(shè)備停止或啟動(dòng)不但降低了施工效率，甚至?xí)苯訐p壞設(shè)備或造成安全事故。

為此，提出耙吸挖泥船全自動(dòng)與手動(dòng)疏浚系統(tǒng)切換控制方法，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)與手動(dòng)疏浚系統(tǒng)無縫切換控制，可以保障船舶全部工況下的施工安全，提升施工效率及全自動(dòng)疏浚系統(tǒng)的適應(yīng)性和可靠性。

2 全自動(dòng)疏浚過程的切入

切入是指耙吸挖泥船的疏浚系統(tǒng)由手動(dòng)控制狀態(tài)轉(zhuǎn)為自動(dòng)控制狀態(tài)。當(dāng)操作人員將檔位放置于該狀態(tài)時(shí)，表明全自動(dòng)控制有效，此時(shí)可通過操作HMI上的相應(yīng)宏按鈕進(jìn)行全自動(dòng)功能選擇。切入后全自動(dòng)PLC取代手動(dòng)PLC進(jìn)行邏輯判斷，手動(dòng)PLC僅作I/O驅(qū)動(dòng)用途。全自動(dòng)疏浚過程切入流程圖見圖2。

圖2 全自動(dòng)疏浚過程切入流程圖Fig.2 Cut-in flowchart of full-automatic dredging progress

切入步驟為：操作人員將手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到自動(dòng)檔位，檢測(cè)疏浚控制系統(tǒng)的手動(dòng)PLC是否正在執(zhí)行控制程序。如果“是”則控制自動(dòng)疏浚系統(tǒng)的全自動(dòng)PLC輸出故障狀態(tài)至工作臺(tái)上的紅色信號(hào)燈，表示切入不成功，等待手動(dòng)PLC本次掃描周期結(jié)束；如果“否”則手動(dòng)PLC輸出“允許切入”命令至全自動(dòng)PLC，在全自動(dòng)PLC接到該命令后，則會(huì)輸出自動(dòng)狀態(tài)至工作臺(tái)上的綠色信號(hào)燈，同時(shí)輸出信號(hào)鎖定手動(dòng)PLC，表示切入成功，疏浚過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

3 全自動(dòng)疏浚過程的切出

切出是指耙吸挖泥船的疏浚系統(tǒng)由自動(dòng)控制狀態(tài)轉(zhuǎn)為手動(dòng)控制狀態(tài)。手動(dòng)狀態(tài)下，全自動(dòng)控制無效，全自動(dòng)疏浚系統(tǒng)所有宏按鈕操作無效。如果操作人員在該狀態(tài)下進(jìn)行宏按鈕操作，不論操作條件是否具備，全自動(dòng)疏浚系統(tǒng)控制器件都不會(huì)進(jìn)行任何形式的響應(yīng)。此狀態(tài)下僅手動(dòng)PLC投入使用。切出流程圖如圖3所示。

切出步驟為：操作人員將手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到手動(dòng)檔位，檢測(cè)控制全自動(dòng)疏浚系統(tǒng)全自動(dòng)PLC是否正在執(zhí)行控制程序。如果“否”，則全自動(dòng)PLC輸出信號(hào)，使得自動(dòng)控制功能運(yùn)行指示燈熄滅，自動(dòng)控制功能無效，轉(zhuǎn)換為手動(dòng)控制，切出成功；如果“是”，則檢測(cè)自動(dòng)控制功能是否在關(guān)鍵進(jìn)程，如果不在執(zhí)行關(guān)鍵進(jìn)程（關(guān)鍵進(jìn)程的描述見本文第4章），則停止當(dāng)前自動(dòng)功能，切入到手動(dòng)控制狀態(tài)。如果正在執(zhí)行關(guān)鍵進(jìn)程，進(jìn)入過渡狀態(tài)，在過渡狀態(tài)下設(shè)備保持當(dāng)前狀態(tài)并且故障指示燈亮，提示操作人員介入操作。

圖3 全自動(dòng)疏浚過程切出流程圖Fig.3 Cut-out flowchart of full-automatic dredging progress

4 關(guān)鍵進(jìn)程下的切出

確定系統(tǒng)是否處于關(guān)鍵進(jìn)程主要基于兩點(diǎn)：首先，在一些較復(fù)雜工況下挖泥設(shè)備本身是否存在被損壞的風(fēng)險(xiǎn)。如耙管正在水下工作，因水下環(huán)境惡劣，在這種情況下切出時(shí)如果沒有過渡處理，耙管損壞的可能性較大。其次，在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，突然急停會(huì)給生產(chǎn)造成巨大的損失，如泥泵在正常工作時(shí)突然急停，會(huì)導(dǎo)致堵管，需要停產(chǎn)并人工清理管路。因此系統(tǒng)處于關(guān)鍵進(jìn)程下切出需要一個(gè)過渡狀態(tài)，發(fā)出報(bào)警提示持續(xù)5 min，提醒人工干預(yù)，過渡狀態(tài)結(jié)束后系統(tǒng)控制權(quán)再進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)。若5 min后仍無人工介入，切出失敗，系統(tǒng)回歸自動(dòng)控制狀態(tài)。

在挖泥、拋泥與艏吹3個(gè)工況中都存在關(guān)鍵進(jìn)程。

在挖泥過程中，下列狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)處于關(guān)鍵進(jìn)程，這時(shí)切出全自動(dòng)控制，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入過渡狀態(tài)，在其它狀態(tài)下則可以直接切出。

1）在泥泵運(yùn)行時(shí)切出。系統(tǒng)控制泥泵在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下運(yùn)行5 min，期間操作人員應(yīng)調(diào)整旋鈕，將手動(dòng)控制的泥泵轉(zhuǎn)速與自動(dòng)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速相匹配，防止在切換后旋鈕控制的轉(zhuǎn)速為0，泥泵停止運(yùn)行。

2）在舷外波浪補(bǔ)償器動(dòng)作時(shí)切出。系統(tǒng)首先要鎖定波浪補(bǔ)償器，使其暫停動(dòng)作，然后將耙頭絞車提升1 m，之后再跟隨手動(dòng)控制手柄的絞車速度，同時(shí)解鎖波浪補(bǔ)償器。

3）在著地過程耙管水平夾角超限時(shí)切出。系統(tǒng)首先鎖定波浪補(bǔ)償器，使其暫停動(dòng)作，然后將耙頭絞車提升1 m，之后再跟隨手動(dòng)控制手柄的絞車速度，同時(shí)解鎖波浪補(bǔ)償器。

4）在高壓沖水運(yùn)行時(shí)切出。系統(tǒng)控制高壓沖水泵在當(dāng)前的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行5 min，期間操作人員應(yīng)調(diào)整旋鈕，將手動(dòng)控制的高壓沖水泵轉(zhuǎn)速與自動(dòng)狀態(tài)下的相匹配，防止在切換后旋鈕控制的轉(zhuǎn)速為0，高壓沖水泵停止運(yùn)行。

在拋泥過程中，下列狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)處于關(guān)鍵進(jìn)程，這時(shí)切出全自動(dòng)控制，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入過渡狀態(tài)。其中：

1）在高壓沖水運(yùn)行時(shí)切出。系統(tǒng)控制高壓沖水泵在當(dāng)前的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行5 min，期間操作人員應(yīng)調(diào)整旋鈕，將手動(dòng)控制的高壓沖水泵轉(zhuǎn)速與自動(dòng)狀態(tài)下的相匹配，防止在切換后旋鈕控制的轉(zhuǎn)速為0，高壓沖水泵停止運(yùn)行。

2）在沖艙泥泵運(yùn)行時(shí)切出。系統(tǒng)控制泥泵在當(dāng)前的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行5 min，期間操作人員應(yīng)調(diào)整旋鈕，將手動(dòng)控制的泥泵轉(zhuǎn)速與自動(dòng)狀態(tài)下的相匹配，防止在切換后旋鈕控制的轉(zhuǎn)速為0，泥泵停止運(yùn)行。

在艏吹過程中，下列狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)處于關(guān)鍵進(jìn)程，這時(shí)切出全自動(dòng)控制，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入過渡狀態(tài)：

1）在泥泵運(yùn)行時(shí)切出。系統(tǒng)首先關(guān)閉抽艙門，打開抽艙引水閘閥。如果泥漿的流速比臨界流速快0.5 m/s，則泥泵的轉(zhuǎn)速不用調(diào)整；如果低于臨界流速0.5 m/s，則先控制泥泵增速使泥漿流速超過臨界流速0.5 m/s，防止切換的瞬間，泥泵轉(zhuǎn)速不夠使泥漿流速降低導(dǎo)致堵管。然后，控制泥泵在此轉(zhuǎn)速下運(yùn)行5 min，期間操作人員應(yīng)調(diào)整旋鈕，將手動(dòng)控制的泥泵轉(zhuǎn)速與自動(dòng)狀態(tài)下的相匹配，防止在切換后旋鈕控制的轉(zhuǎn)速為0，泥泵停止運(yùn)行。

2）在高壓沖水運(yùn)行時(shí)切出。系統(tǒng)控制高壓沖水泵在當(dāng)前的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行5 min，期間操作人員應(yīng)調(diào)整旋鈕，將手動(dòng)控制的高壓沖水泵轉(zhuǎn)速與自動(dòng)狀態(tài)下的相匹配，防止在切換后旋鈕控制的轉(zhuǎn)速為0，高壓沖水泵停止運(yùn)行。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的耙吸挖泥船全自動(dòng)與手動(dòng)疏浚系統(tǒng)切換方法已實(shí)際應(yīng)用于“新海虎8”號(hào)輪上，保證了整個(gè)疏浚系統(tǒng)的容錯(cuò)性，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)疏浚系統(tǒng)和手動(dòng)疏浚系統(tǒng)之間安全高效的切換。