深層水泥攪拌船施工管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

仇文峰，黎富強，丁琪

（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

深層水泥攪拌船（以下簡稱DCM船）主要用于水下地基處理，其利用水泥作為主要固化劑，通過本船的深層混合處理機在?；畈繉④浲梁凸袒瘎娭瓢韬?，水泥的水解和水化反應(yīng)所產(chǎn)生的化合物通過與土顆粒發(fā)生離子交換和固化作用，形成具有整體性和一定強度的柱狀體，柱狀體與其間的土共同支撐荷載，形成復(fù)合地基[1]。DCM工法廣泛應(yīng)用于海洋地基加固，具有工期短、地基強度高、綠色環(huán)保、施工質(zhì)量可靠的優(yōu)點。DCM船是集合工程船舶、流體運輸、錨泊定位、水泥漿攪拌、水泥漿注入系統(tǒng)、智能化施工管理系統(tǒng)、船舶動態(tài)調(diào)傾系統(tǒng)、起重機等技術(shù)于一體的高技術(shù)、高附加值重大技術(shù)裝備。深層水泥攪拌船施工管理系統(tǒng)是高度集成控制系統(tǒng)，是DCM船的控制中心，實現(xiàn)施工工藝參數(shù)設(shè)置、施工設(shè)計文件管理、施工過程控制、平面定位與顯示、施工數(shù)據(jù)存儲、施工報表等功能。掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)的DCM船施工管理系統(tǒng)的核心技術(shù)，形成DCM船施工管理系統(tǒng)自主研發(fā)制造是國家發(fā)展高端智能化裝備制造的目標(biāo)[2]。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計

1.1 總體框架

DCM船施工管理系統(tǒng)是一套集成化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分為2層：現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)。實現(xiàn)了集成控制系統(tǒng)的安全高速運行和信息共享、DCM船施工管理系統(tǒng)完成對整個施工過程的監(jiān)測與控制，實現(xiàn)各個分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享、功能集成、聯(lián)動控制等，過程控制安全、方便、可靠。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖1。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Network topology

1.2 硬件設(shè)計

DCM船施工管理系統(tǒng)在總體設(shè)計時首先結(jié)合船舶結(jié)構(gòu)、主要施工機具的功能和監(jiān)控需求，確定主要硬件包括計算機及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、控制臺柜、傳感器、電源系統(tǒng)。

1.2.1 計算機及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

DCM船施工管理系統(tǒng)設(shè)置了底層和頂層2層網(wǎng)絡(luò)，采用2個完全獨立的網(wǎng)絡(luò)。頂層服務(wù)器、工作站之間使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，底層PLC主站與各從站之間使用PROFIBUS總線連接。為保證通信的實時性和網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定，集成系統(tǒng)與移船定位系統(tǒng)、處理機控制系統(tǒng)之間通過總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)相連[3]。

DCM船施工管理系統(tǒng)共設(shè)置3套PLC，分別為集成自動控制PLC、處理機控制PLC、船舶調(diào)載/移船控制PLC。用于控制處理機、移船絞車、調(diào)載系統(tǒng)、水泥漿輸送泵、液壓閥門等，并采集絞車編碼器、處理機傳感器、液位傳感器等信號。

1.2.2 控制臺柜

駕駛室施工控制臺位于駕駛室前部，長約6 m，曲尺形整體布局，是人機交互的主要設(shè)備。系統(tǒng)設(shè)計原則為重要的設(shè)備和實施操作的設(shè)備在臺上設(shè)置手柄、按鈕、帶燈按鈕，直接與PLC交互，其余設(shè)備的控制由觸摸屏實現(xiàn)，后者需要通過服務(wù)器與PLC實現(xiàn)通信。施工管理系統(tǒng)、平面定位系統(tǒng)、制漿管理系統(tǒng)、船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)均安裝在內(nèi)。

1.2.3 傳感器及儀器儀表

DCM船施工管理系統(tǒng)傳感器包括各子系統(tǒng)設(shè)備自帶傳感器、變頻驅(qū)動系統(tǒng)各類傳感器，如處理機系統(tǒng)自帶傳感器、升降負(fù)荷傳感器、船舶吃水傳感器、船舶縱橫傾傳感器、鋼索長度傳感器等。系統(tǒng)還需配置潮位接收儀、DGPS差分全球定位儀、錨位數(shù)據(jù)傳輸電臺、水深測深儀等儀器儀表。

1.2.4 電源系統(tǒng)

DCM船施工管理系統(tǒng)配置1套20 kVA的UPS（AC220 V）不間斷電源及隔離變壓器，隔離變壓器用來將三相三線制線電壓AC380 V轉(zhuǎn)換為三相四線制相電壓AC220 V提供給UPS。為計算機、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及PLC系統(tǒng)的開關(guān)電源提供不間斷電源?，F(xiàn)場PLC的外圍端口電路直流電源由充放電板提供。

1.3 軟件設(shè)計

DCM施工管理信息系統(tǒng)使用成熟的軟件基礎(chǔ)架構(gòu)，主要包括2部分：平面定位系統(tǒng)和施工自動控制系統(tǒng)。

1.3.1 平面定位系統(tǒng)

平面定位系統(tǒng)用于DCM船施工在線實時應(yīng)用以及工程管理人員的辦公應(yīng)用。

平面定位系統(tǒng)將給施工作業(yè)人員提供船舶在施工背景圖、水深電子地圖或DTM（數(shù)字地形模型）電子地圖上的船位實時更新。該系統(tǒng)也能記錄所有相關(guān)數(shù)據(jù)且能遠(yuǎn)距離實時顯示同樣的施工數(shù)據(jù)和圖像[4]。

平面定位系統(tǒng)在甲板上安裝一臺RTK-GPS，在駕駛室頂安裝另一臺RTK-GPS。動態(tài)定位精度為3～5 cm，RTK-GPS的實時修正數(shù)據(jù)來源于業(yè)主管理局的岸基RTK-GPS數(shù)據(jù)鏈，實時載波相位差分頻率為450～470 MHz。

處理機旋轉(zhuǎn)翼的深度測量主要通過升降絞車編碼器獲得，深度的基準(zhǔn)由船舶吃水傳感器、潮位遙報儀實時修正。

定位系統(tǒng)的最終目的是對處理機插入泥面的點精確定位，這就要求結(jié)合處理機管樁的傾角將RTK-GPS的位置折算到泥面插入點，同時為了保證插入后管樁始終垂直，需要在處理機、樁架上分別安裝雙軸傾斜儀，精度為0.01°。0.01°在40 m（最大處理深度）長度上產(chǎn)生的平面誤差為6.9 mm，完全滿足平面定位精度要求。

1.3.2 施工自動控制系統(tǒng)

施工自動控制系統(tǒng)總體功能主要包括施工工藝參數(shù)設(shè)置、處理機絞車自動控制、處理機攪拌翼自動控制、泥漿泵自動控制、抱樁器自動控制、潤滑系統(tǒng)自動控制、施工流程自動控制、施工報表等功能。該系統(tǒng)可實現(xiàn)雙處理機單機單獨手動施工、雙機聯(lián)動手動施工、單機單獨自動施工、雙機聯(lián)動自動施工等多種施工模式。在施工過程中還可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，自適應(yīng)調(diào)整施工參數(shù)、精準(zhǔn)控制，以此滿足業(yè)主對水泥攪拌次數(shù)、水泥注入量的要求，實現(xiàn)施工管理的智能化。整船實現(xiàn)了水泥漿制備、移船、攪拌、噴漿、設(shè)備清洗等施工工序的全自動化。DCM船施工管理系統(tǒng)的使用保證了DCM船對海底地基處理定位和垂直度的高精度控制以及關(guān)系到成樁質(zhì)量的水泥攪拌和注入系統(tǒng)的高精度控制[5]。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 全自動施工過程控制功能

DCM船施工管理系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了施工過程的全自動控制，還可以根據(jù)算法實現(xiàn)多種施工設(shè)備運行參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，使所有施工設(shè)備形成一個整體，以此達(dá)到水泥攪拌次數(shù)精確控制以及水泥注入量精確計算的要求[6]。超越了國外同類船舶在施工過程中僅可以單獨設(shè)備自動控制的技術(shù)。全自動施工過程流程圖如圖2所示。

2.2 雙機聯(lián)動控制功能

日本的DCM船只有1臺處理機，施工效率低；韓國的DCM船雖然有3臺處理機，但韓國DCM船配置有3個單獨的操縱臺，需要多人進行操作。本DCM船施工管理系統(tǒng)具有雙處理機聯(lián)動功能，只需1名操作人員即可手動或全自動控制施工過程，既提高了施工效率又節(jié)約了人工成本。在聯(lián)動模式下2臺處理機同時受控于1號處理機控制裝置或控制軟件進行自動施工。1號處理機固定管泥漿泵、攪拌翼泥漿泵、攪拌翼、升降絞車相關(guān)控制按鈕按下后，2號處理機自動執(zhí)行相同動作，相關(guān)按鈕同時點亮。若2號處理機相關(guān)按鈕未同步點亮，則相關(guān)設(shè)備未備妥或故障，系統(tǒng)報警，故障排除后方可繼續(xù)執(zhí)行聯(lián)動模式。

2.3 先進的布樁設(shè)計功能

圖2 全自動施工過程流程圖Fig.2 Automatic construction process flow chart

DCM船施工管理系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場施工樁的布置情況按照矩形或扇形等進行批量生成，也可以按照一定的規(guī)律進行自定義生成，具有較強的靈活性。

打樁計劃自動生成模式：選擇起始樁、結(jié)束樁、順序模式，自動生成打樁計劃線。如圖3所示，選擇O點為起點，A點為終點，順序模式可選擇圖中模式①與模式②。選擇B點為終點，順序模式可選擇圖中模式③與模式④。

圖3 自動繪制打樁計劃線Fig.3 Automatic piling plan line

打樁計劃手動生成模式：在屏幕上手動點擊繪制打樁計劃線，依次點擊O、A、B、C、…、I點，右鍵結(jié)束選擇，則打樁計劃線手動繪制完成。

2.4 三維施工實時界面

三維施工實時界面運用土質(zhì)勘察資料和精確定位技術(shù)，將水下三維土質(zhì)模型嵌入打樁軌跡與剖面顯示系統(tǒng)，利用船舶位置精確測量設(shè)備、船舶航向測量設(shè)備、成樁位置監(jiān)測裝置等及相關(guān)軟件，實現(xiàn)了成樁位置和處理土質(zhì)的實時三維動態(tài)顯示，并將潮位實時推算方法應(yīng)用于處理深度實時動態(tài)控制，提高了成樁控制精度，減少了資源浪費。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

DCM船施工管理系統(tǒng)在中交海建的DCOC01和DCOC02實船安裝。DCOC01船在香港機場第三跑道工程中緊張有序的施工，通過近2 a的施工，該系統(tǒng)的性能優(yōu)點逐步展現(xiàn)，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）在成樁定位時，DCM船施工管理系統(tǒng)的抱樁器自動控制功能保證了成樁垂直精度，此為該船舶獨具特點，成樁表現(xiàn)優(yōu)于現(xiàn)場同類船舶。

2）通過DCM船施工管理系統(tǒng)優(yōu)化控制，施工過程中具有切削能力強、攪拌更均勻等特點，在貫入硬質(zhì)土體時速度均勻，主要參數(shù)無明顯跳躍，較現(xiàn)場其他船舶，地質(zhì)適應(yīng)性更強[7]。

3）DCM船施工管理系統(tǒng)具有語音提示功能以及提供全自動、半自動和純手動3種模式的選擇，面對各種工況適應(yīng)力強。

4）DCM船施工管理系統(tǒng)具有PID流量可調(diào)功能，水泥輸送泵吸入口遇到水泥顆粒，流量不足時，系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速，維持設(shè)定流量，當(dāng)仍然不能滿足施工要求時，系統(tǒng)會顯示數(shù)據(jù)異常，進行報警，保證設(shè)備安全和施工質(zhì)量[8]。

DCOC01打樁報表如圖4所示。

圖4 DCOC01打樁報表Fig.4 The report of DCOC01 piling construction

4 結(jié)語

目前深層水泥攪拌船施工管理系統(tǒng)已在國內(nèi)自主建造的2艘DCM船上得到安裝與應(yīng)用，并成為香港機場第三跑道工程主力施工船舶。該系統(tǒng)的成功研制及應(yīng)用，一舉打破了日、韓等國在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，并填補了國內(nèi)的空白，同時也代表中國裝備制造首次在這一領(lǐng)域“走出去”參與國際競爭。相信在今后國內(nèi)外港口、海上機場、海上垃圾堆場等海洋工程中，該系統(tǒng)將發(fā)揮不可替代的作用。