基于ControlLogix平臺(tái)的挖泥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倪學(xué)莉，曹 智，李 俊

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

絞吸式挖泥船借助于絞刀和泥泵在水下挖掘泥沙[1]。在挖泥作業(yè)中，絞刀切削、破碎水下土層，以便泥泵把剝、松動(dòng)的泥土吸起來，然后通過水上及陸上的排泥管道，將泥漿輸送到指定的區(qū)域，完成疏?；蛘叽堤頪2]。絞吸式挖泥船主要由液壓系統(tǒng)和泥泵吸排系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。液壓系統(tǒng)完成對(duì)絞刀、橫移、絞刀架、定位樁、拋錨等部分機(jī)械裝置的驅(qū)動(dòng)。泥泵吸排系統(tǒng)則由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、離心式泥漿泵、船體及輸泥系統(tǒng)等組成[3]。

目前主流的挖泥控制系統(tǒng)主要由PLC和監(jiān)控計(jì)算機(jī)為核心組成[3-4]。以ROCKWELL公司的ControlLogix為基礎(chǔ)的過程自動(dòng)化系統(tǒng)具有集散控制系統(tǒng)（DCS）的所有核心功能，且滿足SIL2安全級(jí)別的應(yīng)用[5]。本文針對(duì)絞吸式挖泥船采用基于ControlLogix完成挖泥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 主要操縱監(jiān)控項(xiàng)目

絞吸式挖泥船施工作業(yè)的效率除了與土質(zhì)、排距、揚(yáng)程、水流、風(fēng)浪等工況條件有密切關(guān)系之外，在很大程度上取決于對(duì)絞刀轉(zhuǎn)速、橫移速度、橋架升降的控制[2]。

挖泥控制系統(tǒng)主要完成針對(duì)絞刀的控制，包括了絞刀的垂向給量、水平給量和左右橫移擺動(dòng)速度的控制。還要針對(duì)橋架的升降和橫移速度進(jìn)行控制。另外，在對(duì)斷面進(jìn)行挖掘時(shí)，要通過對(duì)橫移速度的自動(dòng)控制來調(diào)節(jié)泥漿的濃度。

總之，在絞吸式挖泥船挖泥作業(yè)過程中，需要對(duì)二十幾個(gè)工藝參數(shù)和過程變量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。另外，還要對(duì)六十幾個(gè)開關(guān)量節(jié)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和輸出控制。主要的操縱監(jiān)控項(xiàng)目需求如下所述。

1.1 泥泵柴油機(jī)遙控系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)泥泵的柴油機(jī)是挖泥作業(yè)系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υ础Ｅ湓O(shè)了兩個(gè)相互串聯(lián)的泥泵，前端是水下泥泵，后面機(jī)艙里是艙內(nèi)泥泵，每個(gè)泥泵分別由一臺(tái)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)。在操縱室的操縱臺(tái)上設(shè)兩套泥泵柴油機(jī)遙控裝置，其主要功能是駕駛室操縱器發(fā)令、機(jī)旁回令、轉(zhuǎn)速控制加速、轉(zhuǎn)速控制減速以及應(yīng)急停車按鈕等二十幾個(gè)項(xiàng)目。

1.2 液壓電控系統(tǒng)

液壓電控系統(tǒng)的PLC控制單元設(shè)在液壓電控柜中，電控柜布置在機(jī)艙中。而操縱手柄、開關(guān)、按鈕、調(diào)節(jié)電位器在操縱室操縱臺(tái)上。其主要完成操縱主樁快升、主樁慢升、主樁慢降、主樁快降、副樁快升、副樁慢升、副樁慢降、副樁快降、臺(tái)車進(jìn)、臺(tái)車退、橋架快升、橋架慢升、橋架慢降、橋架快降、左拋錨收、左拋錨放、右拋錨收、右拋錨放、聯(lián)動(dòng)慢左、聯(lián)動(dòng)慢右及環(huán)保絞刀進(jìn)、環(huán)保絞刀退等四十幾個(gè)項(xiàng)目。

1.3 主要模擬監(jiān)測(cè)量及參數(shù)

主要的模擬監(jiān)測(cè)量及參數(shù)分別是泥泵真空度：0.4～0.8 MPa；泥泵壓力：10～16 MPa；封水泵壓力：6～10 MPa；絞刀壓力：60～120 MPa；橫移壓力：80～140 MPa；橋架、定位樁、拋錨壓力：90～170 MPa；左右橫移絞刀：±35°；挖深：6～27 m；泥漿流速：5.5～6.5 m/s；泥泵主機(jī)轉(zhuǎn)速：1100～1200 r/min等二十幾個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)。

1.4 主要模擬控制量

主要的模擬控制量為絞刀速度，橫移速度，橫移放纜絞車張力控制，橋架下放深度及定位樁前移量等二十幾個(gè)控制參量。

1.5 主要工況設(shè)定參數(shù)

主要的工況設(shè)定參數(shù)為絞刀負(fù)荷、轉(zhuǎn)速，橫移負(fù)荷、轉(zhuǎn)速，橫移放纜絞車張力，泥漿流速，泥泵真空、泥泵、封水泵壓力，絞刀下放深度，絞刀前移距離，挖槽寬度，挖槽深度及邊坡坡度比等二十幾個(gè)設(shè)定參數(shù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件選型

本方案基于ControlLogix系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合Ether-Net工業(yè)以太網(wǎng)和ControlNet控制網(wǎng)完成絞吸式挖泥船挖泥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

如圖1所示，絞吸式挖泥船挖泥控制系統(tǒng)采用上下位兩層C/S結(jié)構(gòu)。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic of control system

上層通過交換機(jī)SWITCH以EtherNet工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議將監(jiān)控計(jì)算機(jī)操作員站和工程師站與船體移動(dòng)控制站Controller和泥漿絞吸與輸送控制站Controller相連。下層2個(gè)控制站Controller分別通過ControlNet控制網(wǎng)與船體移動(dòng)控制站I/O子站和泥漿絞吸與輸送控制站I/O子站相連。

上層操作員站和工程師站可選用商用計(jì)算機(jī)工作站，操作系統(tǒng)采用流行的Windows操作系統(tǒng)，監(jiān)控軟件采用GE的HMI/SCADA軟件iFix。通過iFix生成的監(jiān)控功能界面可動(dòng)態(tài)顯示各主要設(shè)備的狀態(tài)、主要現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如進(jìn)出、流量、液位、電力參數(shù)、電量數(shù)據(jù)、事故報(bào)警等。而各種報(bào)表和過程曲線等則可由打印機(jī)輸出。

控制站和控制站I/O子站均采用ControlLogix系統(tǒng)，主要完成操縱監(jiān)控項(xiàng)目開關(guān)量與模擬量的輸入、輸出以及邏輯和控制功能實(shí)現(xiàn)。

ControlLogix系統(tǒng)以開放式通信標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，組成系統(tǒng)方便靈活，符合SIL2認(rèn)證下的應(yīng)用。根據(jù)應(yīng)用要求的不同，可選擇Control-Logix標(biāo)準(zhǔn)模塊及標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)得到所需控制系統(tǒng)，如順控/安全連鎖系統(tǒng)、傳動(dòng)控制系統(tǒng)以及集散控制系統(tǒng)等。

本設(shè)計(jì)方案控制站Controller選用ControlLogix系統(tǒng)的1756-L74控制器作為過程控制器。Control-Logix控制器可連接系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和第三方產(chǎn)品。能對(duì)大數(shù)量的輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行尋址（最多128000個(gè)數(shù)字量/最多4000個(gè)模擬量），可通過EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet等協(xié)議與其他通訊接口模塊通訊。

ControlNet通訊模塊通過橋接ControlNet鏈路，能傳輸消息到其它網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備。還能監(jiān)控遠(yuǎn)離控制器的遠(yuǎn)程輸入/輸出模塊，同時(shí)可傳遞信息給其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。其通過生產(chǎn)者/消費(fèi)者標(biāo)簽傳輸預(yù)定的數(shù)據(jù)，通訊速率為5 Mb/s。

本設(shè)計(jì)方案控制站I/O子站選用ControlLogix遠(yuǎn)程1756-I/O模塊完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和控制。1756-I/O模塊機(jī)架可通過ControlNet通訊模塊與控制站Controller通訊。

其中，ControlLogix遠(yuǎn)程1756-I/O模塊的模擬量輸入模塊選用1756-IF16，規(guī)格為16路單端、8路差分或4路高速差分輸入，輸入電壓/電流范圍：±10.5 V、0～10.5 V、0～5.25 V、0～21 mA。 ControlLogix 遠(yuǎn)程1756-I/O模塊的模擬量輸出模塊選用1756-OF8H，規(guī)格為8個(gè)電壓或電流輸出，具有HART接口，輸出電壓/電流范圍：±10.4 V、0～21 mA、4～20 mA。ControlLogix遠(yuǎn)程1756-I/O模塊的數(shù)字量輸入模塊選用1756-IB32，規(guī)格為32個(gè)10-31.2VDC輸入。ControlLogix遠(yuǎn)程1756-I/O模塊的數(shù)字量輸出模塊選用1756-OB16D，規(guī)格為16個(gè)帶診斷的19.2-30VDC輸出。

3 主要監(jiān)控功能界面及實(shí)現(xiàn)

絞吸式挖泥船挖泥控制系統(tǒng)的上層操作員站和工程師站監(jiān)控功能界面由GE公司的HMI/SCADA軟件iFix組態(tài)實(shí)現(xiàn)。

iFix是一套提供現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，過程可視化及過程監(jiān)控功能的HMI/SCADA軟件組件，所有組件能無縫地集成為一體。能實(shí)時(shí)、綜合的反映復(fù)雜的動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過程。上層工程師站和操作員站利用iFix軟件可完成對(duì)全廠的自動(dòng)控制和生產(chǎn)管理。

本設(shè)計(jì)方案利用iFix軟件主要生成以下監(jiān)控功能界面：

1）主界面：如圖2所示，系統(tǒng)主界面主要由挖泥船模型和主菜單組成。主菜單由挖泥、卸泥、控制及診斷幾項(xiàng)組成。選中主菜單可進(jìn)入相應(yīng)的子監(jiān)控功能界面完成相應(yīng)顯示及操作。

圖2 主界面Fig.2 Overall control interface

如圖3所示，挖泥船模型可顯示一般泵、圓形泥門、絞車及泥泵的實(shí)時(shí)狀態(tài)。其中，液壓泵、封水泵、沖洗泵等一般泵的定義為圓環(huán)：“灰色”不為RFU（ready for use），為現(xiàn)場(chǎng)操作或脫開；“綠色”為RFU，可以遙控；“紅色”為泵故障。三角：“灰色”則未運(yùn)行；“灰色”+“閃爍”，表示正在啟動(dòng)；“綠色”為正在運(yùn)行；“紅色”則泵故障。

圖3 圖形定義Fig.3 Main equipment symbol

圓形泥門定義為外環(huán)：“灰色”為正常關(guān)閉；“紅色”為初始化或故障。填充內(nèi)環(huán)：“灰色”為正常關(guān)閉；“綠色”為打開；“紅色”為泵初始化或故障。到達(dá)限位開關(guān)時(shí)文字可見。

絞車定義為外邊框：“灰色”則現(xiàn)場(chǎng)就地控制；“綠色”處于RFU狀態(tài)，可遙控；“紅色”表示故障。填充內(nèi)圖形：“灰色”則現(xiàn)場(chǎng)就地控制或斷開；“綠色”正在啟動(dòng)；“紅色”為故障。箭頭：“兩箭頭灰色”則沒有起升也未下放；“向上箭頭綠色”表示正在上升；“向下箭頭綠色”則正在下降。

泥泵定義為外形：“灰色”不為RFU（ready for use），選擇了現(xiàn)場(chǎng)操作或脫開；“綠色”為RFU，可以遙控。 內(nèi)環(huán)：“灰色”則未運(yùn)行；“灰色”+“閃爍”，表示正在啟動(dòng)；“綠色”則正在運(yùn)行；“紅色”為泵故障。

2）疏浚操作總攬界面：提供了施工過程中較為常用的一些數(shù)據(jù)。如：絞刀深度、轉(zhuǎn)速、橫移角度、距離、挖泥深度、泥漿的濃度及流速等信息，并反映整個(gè)疏浚過程。

3）絞刀系統(tǒng)界面：顯示艙內(nèi)泵、水下泵的轉(zhuǎn)速、壓力及真空度、絞刀的液壓油箱溫度、系統(tǒng)壓力及轉(zhuǎn)速，以突出綠色字體顯示某項(xiàng)狀態(tài)的運(yùn)行，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，字體會(huì)變成紅色。

4）橫移及橋架絞車界面：顯示當(dāng)前橋架的角度和深度，并以圖形來顯示。絞車運(yùn)行方向會(huì)用綠色箭頭標(biāo)明，同時(shí)橫移絞車的各種工況都能在頁(yè)面上進(jìn)行顯示。

5）鋼樁臺(tái)車界面：顯示主、輔鋼樁的各個(gè)壓力值、臺(tái)車行程及各個(gè)狀態(tài)指示。同時(shí)該頁(yè)面上可以設(shè)置臺(tái)車步進(jìn)設(shè)置，自動(dòng)移動(dòng)臺(tái)車。

6）液壓系統(tǒng)界面：顯示整個(gè)液壓系統(tǒng)主要構(gòu)件，當(dāng)需要使用應(yīng)急液壓的時(shí)候，通過點(diǎn)擊“應(yīng)急液壓投入”就可以啟動(dòng)應(yīng)急液壓，字體變綠色。

7）橋架角度校準(zhǔn)頁(yè)面：通過輸入橋架長(zhǎng)度、絞刀頭半徑、耳軸吃水與耳軸中心距離。

8）參數(shù)設(shè)置界面：將各個(gè)檢測(cè)報(bào)警點(diǎn)的上、下限值進(jìn)行輸入，如有超差，系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警。并且點(diǎn)擊“配置文件”可以讀取、保存原先的參數(shù)。

9）機(jī)艙監(jiān)控界面：顯示三個(gè)柴油機(jī)組系統(tǒng)的重要參數(shù)及指標(biāo)、主、停泊發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及電壓、電流等重要參數(shù)，給操作人員一個(gè)整體機(jī)艙重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，便于根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行疏浚操作。

10）網(wǎng)絡(luò)圖界面：主要用于檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的運(yùn)行狀況，正常時(shí)全為綠色，故障時(shí)為紅色。通過下方快捷鍵可迅速切換至疏浚操作總攬頁(yè)面。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于ControlLogix設(shè)計(jì)的挖泥控制系統(tǒng)，通過采用ControlLogix控制器，提高了監(jiān)控功能的實(shí)時(shí)性和一致性，而EtherNet工業(yè)以太網(wǎng)和ControlNet控制網(wǎng)則實(shí)現(xiàn)了與ControlLogix遠(yuǎn)程I/O模塊的通訊。最后，應(yīng)用HMI/SCADA軟件iFix完成了對(duì)監(jiān)控功能界面的組態(tài)及運(yùn)行?？傊痉桨冈O(shè)計(jì)的挖泥控制系統(tǒng)組態(tài)方便、簡(jiǎn)單，更容易保持系統(tǒng)集成的一致性，能夠滿足絞吸式挖泥船挖泥作業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控要求。