耙吸挖泥船自動抽艙門控制器研究與設(shè)計

張紅升，李曉剛，黃宗銳*

（1．中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208；2．中交上海航道局有限公司，上海 200002）

0 引言

耙吸挖泥船因其可以獨立完成挖、裝、運、拋、吹填等全過程作業(yè)，而且又具備自航能力，因此得到了大規(guī)模應(yīng)用[1]。目前耙吸挖泥船正朝著大型化、高效化的方向發(fā)展[2]，控制系統(tǒng)更加向自動化、智能化發(fā)展[3]。在耙吸挖泥船吹泥施工過程中，泥艙內(nèi)的泥沙通過抽艙門進(jìn)入泥管與引水閘閥引入的海水混合成一定濃度的泥漿，泥泵通過排泥管系將泥漿輸送到吹填區(qū)內(nèi)。抽艙門的開度如果過大，泥艙內(nèi)泥沙進(jìn)入泥管速度過快可能會造成堵管，危及設(shè)備安全；抽艙門的開度如果過小，泥艙內(nèi)泥沙進(jìn)入泥管速度過慢，則施工效率低下[4]。在保證安全作業(yè)的前提下，盡量提高施工效率是耙吸挖泥船吹泥施工所追求的目標(biāo)[5]。因此控制系統(tǒng)在保障安全作業(yè)和提高疏浚施工效率上發(fā)揮了重要作用[6]，其中對抽艙門開度的控制顯得尤為重要。傳統(tǒng)上對抽艙門開度的控制都是采用手動控制，但是手動控制存在控制不夠及時和精細(xì)的問題，且控制效果受操作人員影響大、穩(wěn)定性不夠，并且吹泥施工周期一般為2～3 h，在長時間的反復(fù)操作中，操作人員勞動強(qiáng)度大，容易犯錯，最終造成施工產(chǎn)量、效率低下，甚至?xí)υO(shè)備安全造成危害。因此對抽艙門更有效、更精準(zhǔn)的自動控制方法值得研究，以保證設(shè)備更安全以及施工更有效率。本文在分析抽艙門自動控制需求的基礎(chǔ)上，提出了耙吸挖泥船自動抽艙門控制器（Automatic Self Emptying-door Controller ASEC）的總體方案，重點研究了自動抽艙門控制器的設(shè)計需求、控制參數(shù)設(shè)置和定義、控制過程以及報警與異常處理，最后進(jìn)行了實船試驗。

1 自動抽艙門控制器的設(shè)計需求

自動抽艙門控制器（ASEC）的目標(biāo)是在保證吹泥施工安全的情況下，盡可能提高施工效率。吹泥施工安全需要將泥漿流速控制在盡量接近實用流速，不能低于臨界流速；提高施工效率即提高輸送密度，使泥漿濃度盡量接近期望濃度。上述目標(biāo)需要控制器對抽艙門開度進(jìn)行快速而有效地精確控制，且整個過程無需任何人工干預(yù)能夠自動運行，同時為保證設(shè)備安全，防止堵管現(xiàn)象的出現(xiàn)，在流速較小的時候，控制器對引水閘閥進(jìn)行自動控制。

2 自動抽艙門控制器

2.1 控制器系統(tǒng)構(gòu)成

本文提出的自動抽艙門控制器（ASEC）的控制位置在全自動疏?？刂婆_，ASEC的激活與退出只能在全自動疏?？刂婆_進(jìn)行。ASEC的控制對象為1號～7號共7組抽艙門。ASEC采集濃度計、流量計數(shù)據(jù)，通過與設(shè)定值比較給出相應(yīng)指令到液壓控制器，進(jìn)而控制抽艙門的開度，并采集抽艙門上行程傳感器數(shù)值的反饋。自動抽艙門控制器的系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 自動抽艙門控制器的系統(tǒng)框圖Fig.1 System chart of automatic self emptying-door controller

2.2 控制器參數(shù)設(shè)置

自動抽艙門控制器的設(shè)置值包括：期望密度、臨界流速、實用流速。其中“期望密度”為吹泥施工的最佳泥漿濃度，“臨界流速”為防止堵管設(shè)定的最低流速，“實用流速”為吹泥施工的最佳流速，以上設(shè)置值均根據(jù)具體的船型和船上排泥管系的實際情況來確定。

2.3 ASEC控制過程

在自動抽艙門控制器取得控制權(quán)限，并且所有的啟動條件滿足后，ASEC輸出“控制器可用”信號，抽艙門自動控制開始運行。抽艙門自動控制分為“抽艙”和“洗艙”兩種工況，兩種工況的流程一樣，只是7組抽艙門循環(huán)的順序不一樣，“抽艙”為6號抽艙門→7號抽艙門→5號抽艙門→4號抽艙門→3號抽艙門→2號抽艙門→1號抽艙門；而“洗艙”為7號抽艙門→6號抽艙門→5號抽艙門→4號抽艙門→3號抽艙門→2號抽艙門→1號抽艙門。系統(tǒng)開始運行后先運行“抽艙”一個循環(huán)，之后通過當(dāng)前排水量來判斷是否進(jìn)入“洗艙”。如果當(dāng)前排水量不是在空船重量的±10%范圍內(nèi)，需進(jìn)行“洗艙”；如果當(dāng)前排水量是在空船重量的±10%范圍內(nèi)，則認(rèn)為吹泥施工完畢，抽艙門自動控制終止。抽艙門自動控制流程圖如圖2所示。

具體步驟如下：

步驟1：ASEC讀取參數(shù)設(shè)定值，開始抽艙，進(jìn)入第1個循環(huán)。

步驟2：循環(huán)開始，打開循環(huán)中的第n組抽艙門10%（n=1，2，…，7）。

步驟3：控制器采集流量計反饋值并判斷當(dāng)前流速是否大于110%實用流速并且持續(xù)15 s，如果是，進(jìn)入步驟4；如果不是，進(jìn)入步驟7。

步驟4：將循環(huán)中的第n組抽艙門的開度增加10%。

步驟5：檢測第n組抽艙門的開度是否為100%，如果是，進(jìn)入步驟6；如果不是，返回步驟3。

步驟6：關(guān)閉第n-1組抽艙門并進(jìn)入步驟11（n=1時跳過）。

步驟7：檢測當(dāng)前流速是否在實用流速的±10%范圍內(nèi)，如果是，進(jìn)入步驟8；如果不是，進(jìn)入步驟9。

步驟8：控制器采集濃度計反饋值并判斷當(dāng)前密度是否小于期望密度，如果是，返回步驟4；如果不是，第n組抽艙門開度保持不變并進(jìn)行步驟8。

步驟9：檢測當(dāng)前流速是否大于臨界流速但小于實用流速的90%并且持續(xù)15 s，如果是，開20%抽艙引水閘閥并返回步驟3；如果不是，進(jìn)入步驟10。

步驟10：檢測當(dāng)前流速是否小于臨界流速，如果是，開100%抽艙引水閘閥并返回步驟3。如果抽艙引水閘閥開度為100%，同時當(dāng)前流速小于臨界流速超過15 s，則關(guān)閉當(dāng)前所有抽艙門。

步驟11：檢測第n組抽艙門是否為循環(huán)中的最后一組，如果是，進(jìn)入步驟12；如果不是，n+1之后返回步驟2。

步驟12：抽艙門自動終止。

圖2 抽艙門自動控制流程圖Fig.2 Self emptying-door automatic control flow chart

2.4 報警輸出及異常處理

“執(zhí)行超時”報警：當(dāng)6號抽艙門從打開10%開始計時，持續(xù)20 min未打開到100%，發(fā)出ASEC故障超時報警，退出ASEC控制器；當(dāng)其它任一組抽艙門從打開10%開始計時，持續(xù)10 min未打開到100%，發(fā)出ASEC故障超時報警，退出ASEC控制器。

“故障報警”在運行過程中發(fā)生停止條件，ASEC退出控制器，并發(fā)出相應(yīng)停止條件為說明的故障報警提示。

以上退出控制器皆保持抽艙門的原狀態(tài)，但是全開抽艙引水閥，此措施是為保證設(shè)備安全。

3 調(diào)試和結(jié)果

本文提出的方法應(yīng)用于中交上航局東方疏浚分公司耙吸挖泥船“新?；?”，結(jié)合實船參數(shù)及以往的施工經(jīng)驗設(shè)置實用流速為4 m/s，期望濃度為40%，臨界流速為3 m/s（粉細(xì)沙加淤泥土質(zhì)）。每5 s進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采樣，得到的自動抽艙門控制器控制下與傳統(tǒng)手動控制下的泥漿流速對比如圖3所示，自動抽艙門控制器控制下與傳統(tǒng)手動控制下的密度對比如圖4所示。

圖3 自動控制與手動控制下泥漿流速曲線Fig.3 Mud flow velocity curve under automatic control and manual control

圖4 自動控制與手動控制下泥漿濃度曲線Fig.4 Mud concentration curve under automatic control and manual control

從圖中可以看出，在自動抽艙門控制器控制下，流速和濃度的變化比手動控制下響應(yīng)速度更快，更接近期望值。綜合總體施工數(shù)據(jù)，施工的平均流速在自動控制下為3．98 m/s，手動控制下為3．95 m/s；平均濃度在自動控制下為41%，手動控制下為38%。可以看出自動抽艙門控制器在實際施工應(yīng)用中效率比傳統(tǒng)手動控制更高。

4 結(jié)語

本文提出的耙吸挖泥船自動抽艙門控制器可以實現(xiàn)在耙吸挖泥船吹泥施工過程中自動控制抽艙門開度，不僅可以提高施工效率，又大大降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，而且避免了人員在疲勞狀態(tài)下可能對設(shè)備安全產(chǎn)生的風(fēng)險。從實船應(yīng)用看，自動抽艙門控制器已達(dá)到設(shè)計要求，且運行十分穩(wěn)定，在后續(xù)的設(shè)計和研究中還可以進(jìn)一步優(yōu)化。