深層水泥攪拌船自動(dòng)化控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

盧普偉，吳曉鋒，冼嘉和，崔元帥

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

深層水泥攪拌法（DCM 工法，曾稱(chēng)CDM 工法，Cement Deep Mixing Method）是采用特殊的設(shè)備將水泥漿注入軟土地基并進(jìn)行強(qiáng)制攪拌混合，利用水泥的硬化及其與黏性土的化學(xué)反應(yīng)而使地基土得到加固的施工方法[1-2]。該工法具有施工簡(jiǎn)便、成本低廉、環(huán)境破壞小、地基加固強(qiáng)度快等優(yōu)點(diǎn)[3]。我國(guó)于1980 年開(kāi)始應(yīng)用DCM，開(kāi)始時(shí)主要應(yīng)用于陸上地基處理。1992 年底我國(guó)第一代海上深層水泥攪拌船組誕生，并投入到煙臺(tái)港西港池二期工程，結(jié)束了我國(guó)沒(méi)有閱悅醞船的歷史。該閱悅醞船是由一航局“打樁緣號(hào)”、“方駁29 號(hào)”船舶改造而來(lái)，從日本引進(jìn)了水泥漿制漿系統(tǒng)、處理機(jī)系統(tǒng)[4]，由天津港灣工程研究所同步開(kāi)展定位系統(tǒng)的研制及軟件開(kāi)發(fā)，測(cè)量定位采用微波遙測(cè)[5]。但是總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)第一代DCM 船在處理深度、一次處理面積、施工效率、施工質(zhì)量以及自動(dòng)化程度方面與當(dāng)時(shí)日本的DCM 船還有較大差距。

20 多年以來(lái)，由于船舶設(shè)備短缺、施工技術(shù)尚不成熟，海上DCM 工法在我國(guó)很少應(yīng)用。直到2016 年，才在香港機(jī)場(chǎng)第三跑道項(xiàng)目中首次大規(guī)模使用[6]。為了施工需要，中交四航局自主研制的國(guó)內(nèi)第一艘全自動(dòng)化的國(guó)產(chǎn)DCM 船于2016 年10月27 日下水，2017 年2 月8 日在香港機(jī)場(chǎng)第三跑道項(xiàng)目開(kāi)始DCM 施工，2018 年5 月13 日順利完成了香港機(jī)場(chǎng)第三跑道項(xiàng)目DCM 施工任務(wù)，最高月施工量達(dá)到5 萬(wàn)m3/月。該船舶的施工管理系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、工作穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)易，顯示界面直觀(guān)、便捷。與此同時(shí)，中交集團(tuán)加大了DCM船的研制和改裝，目前國(guó)內(nèi)大型DCM 船共計(jì)有6 艘[7-8]。

1 DCM 船及自動(dòng)化控制系統(tǒng)概述

1.1 總體布置及主要參數(shù)

“四航固基”船長(zhǎng)72 m，型寬30 m，型深4.8 m，設(shè)計(jì)吃水2.9 m，為平底方形非自航工程船。船艏設(shè)置A 字架、樁架及3 臺(tái)132 kW 的DCM 處理機(jī)，施工樁間距3.2~6.0 m，每臺(tái)處理機(jī)由4 根直徑為1.3 m 攪拌軸組成，單軸每次處理面積為4.64 m2，處理深度為水下-38 m。船舶中部布置250 kN 樁架提升絞車(chē)3 臺(tái)、80 kN 雜用起重絞車(chē)3 臺(tái)，150 t 水泥罐6 個(gè)，2 m3制漿機(jī)3 臺(tái)，12 m3攪拌儲(chǔ)漿灌3 個(gè)，5 m3添加劑罐3 個(gè)。船舶尾部中間區(qū)域?yàn)? 層甲板室，兩舷為錨泊、系泊區(qū)。

該船采用多點(diǎn)錨泊方式作為船舶施工移船及定位手段，配置2 只6 t 美國(guó)海軍錨作為錨泊錨，由50 kN/80 kN 系泊絞車(chē)控制，配置6 只6 t 海軍錨作為作業(yè)錨，由250 kN 移船絞車(chē)控制，移船錨絞車(chē)設(shè)置左、右舷，絞車(chē)均具有恒張力功能。具體參數(shù)如表1。

表1 “四航固基”DCM 船主要參數(shù)Table 1 Main parameters of"Si Hang Gu Ji"DCM ship

1.2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要功能

“四航固基”船自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)化操作，具有施工工藝參數(shù)設(shè)置、施工設(shè)計(jì)文件導(dǎo)入、平面定位與實(shí)現(xiàn)、施工過(guò)程控制、過(guò)程數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、報(bào)表輸出、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，可?shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享、功能集成、聯(lián)動(dòng)控制等。主要功能如下：

1） 系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的樁位，根據(jù)GPS測(cè)量數(shù)據(jù)啟動(dòng)或關(guān)閉錨絞車(chē)進(jìn)行自動(dòng)移船，也可以通過(guò)錨絞車(chē)的松緊張拉控制實(shí)現(xiàn)船舶的精確定位，確保每根樁的移船精度在依0.1 m 以?xún)?nèi)，整個(gè)過(guò)程以圖像直觀(guān)顯示。

2）系統(tǒng)可根據(jù)傾斜儀反饋的數(shù)據(jù)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)傾系統(tǒng)控制船舶壓載水的布置有效調(diào)整船體平衡，進(jìn)而確保處理機(jī)鉆桿的傾斜角度在依0.1°。

3）系統(tǒng)通過(guò)鉆桿升降系統(tǒng)中深度計(jì)，結(jié)合潮位計(jì)以及船舶吃水等數(shù)據(jù)，能精確地實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示每根樁的成樁深度，并以報(bào)表形式輸出。

4）系統(tǒng)可以根據(jù)所施工樁參數(shù)的要求預(yù)先設(shè)定DCM 施工過(guò)程控制“W 曲線(xiàn)”[9]，主要包括整個(gè)成樁過(guò)程的不同階段處理機(jī)攪拌頭下貫/提升速度及深度、攪拌翼旋轉(zhuǎn)切削速度、注漿泵啟閉時(shí)間、注漿壓力及流量等，DCM 施工控制“W 曲線(xiàn)”如圖1 所示。

圖1 DCM 施工過(guò)程控制“W 曲線(xiàn)”Fig.1 "W-curve"construction process control of DCM

自動(dòng)模式下系統(tǒng)可以根據(jù)此“W 曲線(xiàn)”控制處理機(jī)、制漿機(jī)、注漿泵等設(shè)備有條不紊的自行完成，并實(shí)時(shí)顯示施工過(guò)程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，并進(jìn)行語(yǔ)音提示。

5）系統(tǒng)還配備數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程傳輸功能，可以將施工數(shù)據(jù)按預(yù)先設(shè)定的表格輸出打印，也可以實(shí)時(shí)傳輸至指揮中心。

1.3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)總體架構(gòu)及思路

“自動(dòng)化控制系統(tǒng)”是一個(gè)高度集成的施工管理系統(tǒng)，是深層攪拌船的控制中心，采用工業(yè)電腦、PLC 為核心，雙顯示器顯示施工數(shù)據(jù)和后臺(tái)制漿的運(yùn)行情況，WinCC 與PLC 單元是以上下協(xié)作的方式集成于自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，通過(guò)OPC 協(xié)議通訊方式快捷靈活讀取PLC 內(nèi)置變量，數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)工作中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、保存，打印數(shù)據(jù)表格及圖形曲線(xiàn)供用戶(hù)對(duì)成樁的施工過(guò)程進(jìn)行分析。

控制系統(tǒng)的控制思路為：操作員通過(guò)操作臺(tái)上的相應(yīng)按鈕、開(kāi)關(guān)、手柄等輸入信號(hào)， PLC 就啟用相應(yīng)的程序，并且不斷刷新采集相應(yīng)編碼器，根據(jù)所采集到的輸入信息，進(jìn)行內(nèi)部邏輯運(yùn)算，并且把運(yùn)算結(jié)果輸出到相應(yīng)的執(zhí)行元件，從而完成鉆桿、絞車(chē)、泥漿泵電機(jī)的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，閥門(mén)的開(kāi)關(guān)或改變鉆桿轉(zhuǎn)速、絞車(chē)速度、泥漿泵流量等動(dòng)作。PLC 通電狀態(tài)下不斷循環(huán)執(zhí)行用戶(hù)程序。

工控機(jī)也可以和PLC 進(jìn)行信息交互，工控機(jī)可以直接向PLC 發(fā)送命令，在接到工控機(jī)的命令后立即執(zhí)行相應(yīng)的程序，程序執(zhí)行的過(guò)程同上述一樣。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟硬件總體結(jié)構(gòu)框架見(jiàn)圖2。

圖2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟硬件總體結(jié)構(gòu)框架圖Fig.2 Automatic control system hardware and software overall structure diagram

2 自動(dòng)化控制原理及方法

自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括移船定位系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)傾系統(tǒng)、DCM 處理機(jī)控制系統(tǒng)、制供漿控制系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)等子系統(tǒng)。自動(dòng)化控制系統(tǒng)主界面如圖3 所示。

2.1 移船定位系統(tǒng)

針對(duì)海上復(fù)雜作業(yè)環(huán)境，研發(fā)高效的移船定位系統(tǒng)，使測(cè)量系統(tǒng)和錨泊系統(tǒng)有機(jī)融合，保障船舶定位精度，能提高施工定位效率。移船定位系統(tǒng)由高精度GPS 系統(tǒng)、傾斜儀、移船絞車(chē)、鋼絲繩張力計(jì)、可編程控制器、絞車(chē)編碼器等組成。

圖3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)主界面Fig.3 Main interface of automatic control system

4 臺(tái)徠卡GS25 GPS 接收機(jī)布置在船舶的4 個(gè)角（包含備用GPS），在每個(gè)DCM 樁架上各安裝1個(gè)傾斜儀。GPS 自動(dòng)接收衛(wèi)星信號(hào)和差分信號(hào)提供實(shí)時(shí)定位信息，傾斜儀提供實(shí)時(shí)角度信息。在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定船型和坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)，計(jì)算機(jī)通過(guò)比較樁架實(shí)時(shí)坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)的偏差值，系統(tǒng)向可編程控制器發(fā)送操作指令，由絞車(chē)編碼器控制移船錨絞車(chē)的收放長(zhǎng)度，鋼絲繩張力計(jì)將作業(yè)錨的受力反饋給系統(tǒng)。

自動(dòng)模式下，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)移船錨絞車(chē)剎車(chē)和恒張力的自動(dòng)控制，船舶的定位精度能達(dá)到依15 cm以?xún)?nèi)。如自動(dòng)定位達(dá)不到要求時(shí)，可以啟動(dòng)手動(dòng)模式根據(jù)軟件的提示通過(guò)控制手柄移動(dòng)船體，使樁架的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置重合，實(shí)現(xiàn)精確定位目標(biāo)，本系統(tǒng)平均平面定位精度8.2 cm。

移船絞車(chē)的控制方式有集控+就地兩種，就地優(yōu)先，除可在操縱室以遙控實(shí)現(xiàn)船舶移位和定位集中控制外，也可在機(jī)旁就地控制，進(jìn)行拋錨起錨以及檢修調(diào)試。

2.2 自動(dòng)調(diào)傾系統(tǒng)

船舶在一定的風(fēng)浪條件作用下或處理機(jī)受到地基土的作用力會(huì)發(fā)生傾斜（處理機(jī)下貫時(shí)船艏受向上的支持力，處理機(jī)上拔時(shí)受向下壓力），為了保證船舶在任何工況下始終處于水平狀態(tài)，DCM船需要設(shè)置自動(dòng)調(diào)傾系統(tǒng)，主要包括縱向平衡水泵、橫向平衡水泵、液位/吃水測(cè)量系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)工作站、泵控系統(tǒng)及閥門(mén)遙控系統(tǒng)等。

系統(tǒng)通過(guò)壓力傳感器對(duì)全船包括壓載艙、平衡水艙、四角吃水進(jìn)行測(cè)量監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過(guò)雙軸傾斜儀測(cè)量船舶的縱傾橫傾角度。系統(tǒng)根據(jù)雙軸傾斜儀測(cè)量的角度與設(shè)定的平衡角度進(jìn)行比較，如果橫傾值超過(guò)設(shè)定范圍，可根據(jù)各壓載水艙、橫傾平衡水艙、縱傾平衡水艙水位、艏艉吃水、縱橫傾狀態(tài)等參數(shù)控制泵控系統(tǒng)及閥門(mén)遙控系統(tǒng)，啟動(dòng)平衡水泵對(duì)平衡水艙內(nèi)的壓載水進(jìn)行調(diào)撥，從而使船舶達(dá)到平浮狀態(tài)。

調(diào)傾系統(tǒng)為手動(dòng)/自動(dòng)跟蹤兩種模式，可實(shí)現(xiàn)船舶施工樁架垂直度的調(diào)整，保證船舶四角（44 m ×22 m）水平偏差控制在依5 cm 內(nèi)，成樁垂直度滿(mǎn)足5/1 000 以?xún)?nèi)，還能通過(guò)改變船舶姿態(tài)，便于船舶的維修、拖航調(diào)遣等。

2.3 DCM 處理機(jī)控制系統(tǒng)

DCM 處理機(jī)由動(dòng)力頭、鉆桿、鉆頭、保持架和中心支撐桿等部件組成，4 根鉆桿動(dòng)力頭均由1個(gè)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)主要包括鉆桿升降系統(tǒng)、鉆桿變頻器、荷載傳感器、可編程控制器等。

在DCM 船移船到位后，移船控制系統(tǒng)發(fā)出移船到位的信號(hào)，鉆桿升降系統(tǒng)按設(shè)定好的速度開(kāi)始下貫。結(jié)合測(cè)深儀水深數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)讀取的潮位，系統(tǒng)通過(guò)深度計(jì)可以獲得鉆桿的高程。鉆桿在進(jìn)入海水或進(jìn)入不同土層或進(jìn)入持力層時(shí)對(duì)應(yīng)于不同的下貫速度，系統(tǒng)通過(guò)比較由深度計(jì)反饋的鉆桿上下實(shí)時(shí)速率與預(yù)設(shè)速率的偏差值來(lái)控制起重絞車(chē)變頻器的輸出頻率。在多次觸底后，開(kāi)始噴漿作業(yè)。上拔時(shí)按照不同的位置并對(duì)應(yīng)不同的上拔速度。

攪拌頭下貫/提升過(guò)程中荷載傳感器可以監(jiān)測(cè)處理機(jī)的受力情況。同時(shí)，下貫/提升速度也將配合自動(dòng)調(diào)傾系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)還通過(guò)可編程控制器遙控鉆桿中心噴漿閥和底部噴漿閥，以達(dá)到使用不同的噴漿方式和噴漿量之目的。

2.4 制供漿控制系統(tǒng)

制供漿系統(tǒng)由制漿主機(jī)、水泥儲(chǔ)罐、注漿泵、防脈沖振動(dòng)儲(chǔ)壓罐、水泵組成，其中制漿主機(jī)包括各物料秤、拌漿桶、儲(chǔ)漿桶、空壓機(jī)及脈沖式除塵器和電子配料系統(tǒng)等?？刂葡到y(tǒng)主要包括電磁流量計(jì)、壓力傳感器、注漿泵變頻器、可編程控制器等。自動(dòng)化控制系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)與制供漿控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

水泥和添加劑粉料采用變螺距螺旋輸送機(jī)，系統(tǒng)通過(guò)控制輸送桿啟動(dòng)和停止時(shí)間，能夠?qū)Τ雠摰姆哿暇珳?zhǔn)計(jì)量，配合雷達(dá)探測(cè)對(duì)艙內(nèi)粉料進(jìn)行監(jiān)測(cè)。配料系統(tǒng)由2 個(gè)水泥秤、2 個(gè)水秤、2 個(gè)外加劑秤組成。為保證秤臺(tái)計(jì)量的精確度，所有秤臺(tái)均采用拉桿式平衡秤，避免由于振動(dòng)，搖晃影響計(jì)量精度。攪拌系統(tǒng)由2 個(gè)攪拌桶組成，可將各種物料按設(shè)定的配比要求充分?jǐn)嚢瑁瓿珊笮读现羶?chǔ)漿桶待用。供漿系統(tǒng)通過(guò)控制注漿泵的頻率及電流，將漿量按時(shí)按量輸送至對(duì)應(yīng)的噴漿口。通過(guò)閥門(mén)的切換，注漿泵可以輸送水泥漿進(jìn)行噴漿作業(yè)，也可以輸送海水進(jìn)行噴水或進(jìn)行管路清洗作業(yè)。電磁流量計(jì)和壓力傳感器測(cè)量注漿管的流量和壓力數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以在頁(yè)面中設(shè)置水泥、水、添加劑的配比，并能在界面中顯示整個(gè)水泥漿處理系統(tǒng)的運(yùn)行情況和報(bào)警信號(hào)。

2.5 監(jiān)視系統(tǒng)

監(jiān)視系統(tǒng)能在控制臺(tái)顯示船舶位置狀態(tài)、樁架、DCM 處理機(jī)、制漿機(jī)、注漿泵、成樁狀態(tài)等作業(yè)相關(guān)參數(shù)及流程圖，能完全獲取所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)歸檔到數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化控制系統(tǒng)是DCM 船的核心之一，可以實(shí)現(xiàn)移船定位、調(diào)平、制供漿和成樁施工的全自動(dòng)化控制，自動(dòng)化控制系統(tǒng)有效地提高了施工效率，有利于保障各項(xiàng)施工指標(biāo)的精度?！八暮焦袒盌CM 船自動(dòng)化控制系統(tǒng)經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)，具體優(yōu)勢(shì)在于：

1）根據(jù)DCM 施工工藝特點(diǎn)，將施工機(jī)械動(dòng)作與系統(tǒng)軟件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)調(diào)試/半自動(dòng)/全自動(dòng)3 個(gè)可選操作模式。

2）系統(tǒng)具有施工工藝參數(shù)設(shè)置、施工設(shè)計(jì)文件管理、施工過(guò)程控制、平面定位與顯示、施工數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、施工報(bào)表、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3）系統(tǒng)可對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享、功能集成、聯(lián)動(dòng)控制等，系統(tǒng)也可結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、云服務(wù)，更加智能化、高度自動(dòng)化。

4）“四航固基”在設(shè)計(jì)建造過(guò)程中與國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)制造廠(chǎng)家和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)制造全部國(guó)產(chǎn)化，是國(guó)內(nèi)第一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)DCM 船自動(dòng)化控制系統(tǒng)。