DCM施工管理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

竇 勇，喬朝起，劉海龍，付院平，鄒春曉

（1.中交一航局安裝工程有限公司，天津 300457；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300461）

引 言

傳統(tǒng)的換填施工作業(yè)已經(jīng)對(duì)沿海的生態(tài)帶來了嚴(yán)重影響，因此采用更環(huán)保的工法替代傳統(tǒng)方法來建設(shè)港口、碼頭、防波堤、人工島等是必然的發(fā)展趨勢。DCM（Deep Cement Mixing）工法具有加固強(qiáng)度高、沉降小、施工噪音小、不會(huì)污染水質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)周圍環(huán)境無不良影響，是一種環(huán)保的水域軟基處理工法，因此，DCM 工法在越來越多地被采用。

1 工藝系統(tǒng)概述

香港機(jī)場第三跑道系統(tǒng)工程 3204標(biāo)段主要內(nèi)容為打制DCM樁，工程位于機(jī)場航空高度管制區(qū)域，施工中臺(tái)風(fēng)、暴雨、高溫、潮濕等極端天氣多，環(huán)保要求復(fù)雜嚴(yán)格，海域位于垃圾填埋區(qū)，地質(zhì)情況復(fù)雜，同時(shí)業(yè)主對(duì)成樁質(zhì)量要求也非常高，對(duì)切片次數(shù)、樁長及成樁連續(xù)性都有明確要求。

DCM施工船為深層水泥拌合船，全長60 m，寬26 m，型深4.1 m，樁架高度48.6 m，采用三套處理機(jī)，每套 4組攪拌軸，一次處理面積可達(dá)13.92 m2，最大處理深度可達(dá)水面下35 m，配備了吃水儀、水深計(jì)、料位計(jì)、GPS等一系列先進(jìn)的自動(dòng)化檢測儀器，其施工管理控制系統(tǒng)具有高度的自動(dòng)化性能，能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵式制樁，并可以手動(dòng)、自動(dòng)施工任意轉(zhuǎn)換。

1.1 制供漿系統(tǒng)

制供漿系統(tǒng)由一套獨(dú)立的PLC系統(tǒng)管理控制，提前設(shè)定好水灰比后，將水、水泥灰、添加劑按照一定比例攪拌均勻，存入儲(chǔ)漿罐后進(jìn)行泥漿的輸送。

1.2 處理機(jī)水下拌合制樁系統(tǒng)

處理機(jī)水下拌合制樁系統(tǒng)負(fù)責(zé)制樁流程。制樁流程分為貫入噴漿模式、上拔噴漿模式兩種，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行選擇。該系統(tǒng)也有獨(dú)立的PLC系統(tǒng)負(fù)責(zé)功能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，該P(yáng)LC系統(tǒng)負(fù)責(zé)與制供漿系統(tǒng) PLC間進(jìn)行通訊，形成兩個(gè)系統(tǒng)間的連續(xù)作業(yè)。圖1為處理機(jī)水下拌合制樁系統(tǒng)設(shè)備組成。

圖1 處理機(jī)水下拌合制樁系統(tǒng)設(shè)備組成

1.3 報(bào)表管理系統(tǒng)

報(bào)表管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)將施工數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和存儲(chǔ)，形成對(duì)成樁質(zhì)量、作業(yè)時(shí)間、貫入深度等的統(tǒng)計(jì)、分析，輔助生產(chǎn)作業(yè)。

2 施工管理控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DCM船施工管理控制系統(tǒng)（以下簡稱“控制系統(tǒng)”）作為DCM工程船的控制系統(tǒng)中樞，主要負(fù)責(zé)根據(jù)作業(yè)前設(shè)定的施工作業(yè)曲線控制處理機(jī)系統(tǒng)、制供漿系統(tǒng)及其附屬設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)還作為控制系統(tǒng)與報(bào)表管理系統(tǒng)信息交換的橋梁，將DCM樁制樁施工過程中各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)，如處理機(jī)鉆桿轉(zhuǎn)速、處理機(jī)縱向運(yùn)行速度、泥漿供應(yīng)速度等上傳給報(bào)表管理系統(tǒng)，并存儲(chǔ)在系統(tǒng)服務(wù)器中。

控制系統(tǒng)主要包括三套相互獨(dú)立的 PLC系統(tǒng)分別控制三套處理機(jī)，PLC控制器采用 LS PLCD的XGK-CPUH系列，每套可以獨(dú)立運(yùn)行，三套控制系統(tǒng)通過Ethernet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互通連接，以太網(wǎng)通訊模塊采用XGL-EFMT。各控制系統(tǒng)與各自I/O站通過Modbus-485通訊，Modbus-485通訊模塊采用XGL-C42；與現(xiàn)場各檢測儀表通過 Modbus-485通訊以及模擬量方式連接；與變頻器通過Modbus-485通訊連接；與GPS定位系統(tǒng)通過Modbus-485通訊連接。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：

1）采集現(xiàn)場各種檢測裝置信號(hào)，用來監(jiān)控各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。詳見表 1現(xiàn)場檢測設(shè)備清單。表中DI代表開關(guān)量輸入、AI代表模擬量輸入、Et代表以太網(wǎng)通訊。

表1 現(xiàn)場檢測設(shè)備清單

制漿系統(tǒng)中檢測儀器，用來對(duì)水灰比和制漿量進(jìn)行控制，同時(shí)便于操作員隨時(shí)監(jiān)視制漿系統(tǒng)的工作情況，為下一步施工工序做準(zhǔn)備。

供漿系統(tǒng)中的壓力傳感器、電磁流量計(jì)，對(duì)泥漿輸送管路的狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并根據(jù)采集到的流量數(shù)據(jù)控制泵的運(yùn)行，使操作員能夠?qū)崟r(shí)掌握泥漿輸送管路的壓力和供漿量。

處理機(jī)系統(tǒng)中各類儀表，能夠?qū)μ幚頇C(jī)當(dāng)前的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測和控制。

2）被控設(shè)備具備兩種控制方式：控制室“自動(dòng)”和控制室“手動(dòng)”

在操作員室的操作站 HMI界面上，有控制室“自動(dòng)”和“手動(dòng)”切換按鈕，當(dāng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試或進(jìn)行手動(dòng)制樁時(shí)，中控室操作員可將按鈕切換為“手動(dòng)”，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行單體啟動(dòng)停止操作，或按照工藝流程進(jìn)行手動(dòng)作業(yè)。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)制樁作業(yè)時(shí)，操作員可將按鈕切換到“自動(dòng)”，進(jìn)行一鍵啟動(dòng)作業(yè)。

同時(shí)，在控制柜柜門上，安裝有生產(chǎn)流程監(jiān)視板，可以直觀的看到整個(gè)施工過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)及部分?jǐn)?shù)據(jù)。

3）內(nèi)置兩種工藝流程

貫入噴漿模式：處理機(jī)鉆桿貫入泥面邊貫入邊噴漿，貫入過程中用下噴漿口噴漿，根據(jù)鉆桿結(jié)構(gòu)及工藝需求，該模式是先噴漿后攪拌，到達(dá)制樁深度后提升進(jìn)行再次攪拌。此種方式多用于地質(zhì)情況良好、貫入過程中基本無障礙物、并且樁較短時(shí)采用（樁長＜6 m）。

上拔噴漿模式：處理機(jī)鉆桿貫入泥面，貫入過程中用下噴漿少量噴水輔助貫入，到達(dá)制樁深度后進(jìn)行樁底處理，底部處理結(jié)束后，鉆桿上拔同時(shí)上噴漿口噴漿，進(jìn)行攪拌。此種方式多是地質(zhì)情況復(fù)雜，貫入過程中會(huì)有障礙物，并且樁長比較長（樁長＞6 m）。

貫入噴漿模式的施工曲線如圖 2。上拔噴漿模式的施工曲線如圖3。

圖2 貫入噴漿模式施工曲線示意

圖3 上拔噴漿模式施工曲線示意

4）報(bào)表管理系統(tǒng)

報(bào)表管理系統(tǒng)記錄控制系統(tǒng)傳輸過來的系統(tǒng)作業(yè)時(shí)間、制樁高程數(shù)據(jù)、處理機(jī)電流數(shù)據(jù)、噴漿瞬時(shí)量、水深、潮位等數(shù)據(jù)。在施工作業(yè)結(jié)束后形成坐標(biāo)形式的曲線圖報(bào)表，可以讓操作人員第一時(shí)間直觀的看到本次作業(yè)的結(jié)果，分析成樁質(zhì)量和生產(chǎn)用料，發(fā)現(xiàn)問題并在下一次施工過程中解決問題。

同時(shí)，積累下來的歷史數(shù)據(jù)也可以形成數(shù)據(jù)庫，在成樁取芯檢測后，對(duì)比最優(yōu)的曲線設(shè)定，為后期DCM施工提供參照。

4 控制系統(tǒng)組成

4.1 系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)硬件主要分監(jiān)控層、控制層和執(zhí)行層，監(jiān)控層包括監(jiān)控室內(nèi)的6套施工操作站、1套數(shù)據(jù)庫管理工作站（含服務(wù)器）、打印機(jī)；控制層由電氣室內(nèi)PLC系統(tǒng)組成；執(zhí)行層包括各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變頻器、電機(jī)、閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及現(xiàn)場檢測儀表等。

硬件根據(jù)系統(tǒng)主要包含制供漿系統(tǒng)和處理機(jī)系統(tǒng)。

制供漿系統(tǒng)主要控制設(shè)備包括：水泥灰儲(chǔ)料倉（垂直及水平絞龍）、添加劑儲(chǔ)料倉、水儲(chǔ)藏倉、計(jì)量罐、攪拌罐、儲(chǔ)漿罐、閥門、泥漿泵、輸漿管路以及相應(yīng)的料位計(jì)、流量儀等儀器儀表。

處理機(jī)系統(tǒng)主要控制設(shè)備包括：一套PLC控制系統(tǒng)、提升絞車（變頻控制）、處理機(jī)（4臺(tái)電機(jī)、變頻控制）、泥漿泵（4臺(tái)、變頻控制）、相應(yīng)的管路、閥門及儀表。

4.2 系統(tǒng)軟件組成

控制系統(tǒng)軟件由PLC軟件和HMI組態(tài)軟件及SQL數(shù)據(jù)庫組成。

1）PLC程序

基于XG5000編程軟件，采用梯形圖編程語言，開發(fā)編制施工控制系統(tǒng)PLC程序，它是實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝流程控制功能的核心部分，是人機(jī)交互界面HMI開發(fā)的基礎(chǔ)。

2）人機(jī)交互界面HMI

HMI人間交互界面采用施耐德Citect組態(tài)軟件開發(fā)。通過OPC模式，建立與PLC程序間對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫聯(lián)系，組態(tài)報(bào)警，動(dòng)作按鈕，參數(shù)設(shè)置，創(chuàng)建工況顯示圖形，組態(tài)圖形的各種屬性等，完成所有的監(jiān)控作業(yè)。

開發(fā)完成的HMI運(yùn)行在操作室的操作員站，可以直觀地監(jiān)控施工系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。在施工開始前，首先要將本次施工參數(shù)錄入到參數(shù)設(shè)置界面中，包括：DCM樁位參數(shù)、樁長（預(yù)計(jì)）、樁頂樁底高程、樁截面積、處理機(jī)貫入和上拔極限速度、計(jì)劃達(dá)到的切土次數(shù)、噴漿模式、水泥牌號(hào)、水泥和粉煤灰摻量、水灰比、添加劑種類及摻量、水泵PID、泥漿泵PID等。施工開始時(shí)只需要操作員點(diǎn)擊自動(dòng)施工頁面的Start按鈕，就可以啟動(dòng)自動(dòng)施工系統(tǒng)，設(shè)備的運(yùn)行信號(hào)、故障狀態(tài)全部顯示在主界面上，并且可以隨時(shí)對(duì)施工流程進(jìn)行暫停、重新啟動(dòng)、手動(dòng)介入等操作。

DCM施工管理系統(tǒng)HMI各界面可以跳轉(zhuǎn)。主要包括施工系統(tǒng)主界面、自動(dòng)作業(yè)操作界面、參數(shù)設(shè)置界面、報(bào)警設(shè)置界面、報(bào)警界面、報(bào)表趨勢圖界面等。通過畫面上方的標(biāo)簽可以自由切換。同時(shí)，HMI畫面支持中英文語言切換，適應(yīng)香港實(shí)際情況，能夠滿足更多操作人群的使用需求。

3）報(bào)表管理系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)工控?cái)?shù)據(jù)和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)的對(duì)接是工控領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢，DCM 船舶施工管理控制系統(tǒng)，不僅要在工藝控制方面形成體系，還要對(duì)施工的全生命周期進(jìn)行監(jiān)測和記錄。本項(xiàng)目中報(bào)表管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史施工進(jìn)行全方位的記錄和分析。

通過施耐德Citect組態(tài)軟件中的Report功能，利用 cicode代碼讀取和處理組態(tài)數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)簽值，生成施工過程數(shù)據(jù)，并輸出表格和圖形等。

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)

DCM施工管理控制系統(tǒng)是DCM工程船的神經(jīng)中樞，DCM 水泥樁質(zhì)量的優(yōu)劣取決于該系統(tǒng)是否精確、穩(wěn)定、可靠，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段和試驗(yàn)調(diào)試階段的經(jīng)驗(yàn)，控制系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)如下：

1）施工曲線的確定

DCM 施工控制曲線是由多個(gè)參數(shù)匹配后共同決定的控制施工系統(tǒng)的一個(gè)依據(jù)，一個(gè)施工曲線是否合理，也是保證施工質(zhì)量的前提。

施工曲線的確定，需要根據(jù)工藝方結(jié)合地質(zhì)及試驗(yàn)，給出的制樁長度L（m），每延米水泥摻量S（kg/m）、每延米的攪拌次數(shù)W（次/m），計(jì)算設(shè)計(jì)樁頂高程、樁底高程判定、水泥漿噴漿量、處理機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、處理機(jī)提升及貫入速度等參數(shù)，同時(shí)需要注意施工不同階段狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)不同機(jī)構(gòu)的動(dòng)作延時(shí)，模擬出施工方案曲線。

2）檢測儀表的可靠性

由于DCM工藝對(duì)船舶定位、噴漿量、處理機(jī)縱向位置、鉆桿速度等參數(shù)的檢測和控制要求極高，因此對(duì)于各類檢測儀表的可靠性提出了很高的要求，既要保證檢測精度，也要保證抗干擾能力。

為保證各檢測儀表的正常工作，防止干擾信號(hào)及供電系統(tǒng)對(duì)弱電回路產(chǎn)生損害，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)在PLC系統(tǒng)供電回路前端增加隔離變壓器，在模擬量通道安裝信號(hào)隔離器，對(duì)現(xiàn)場檢測儀表、PLC機(jī)架做可靠的接地。

通訊方式選擇在船體中性點(diǎn)不接地小電源系統(tǒng)是很重要的，對(duì)于料位計(jì)、流量計(jì)、水深計(jì)等儀表，在滿足數(shù)據(jù)傳送要求的情況下，使用模擬量通訊傳輸信號(hào)要比 Modbus-485通訊更加穩(wěn)定可靠。因?yàn)镈CM船相對(duì)工藝復(fù)雜，系統(tǒng)龐大，在船體上有限的空間里要密集的布置大功率設(shè)備、眾多的供電電纜、控制電纜、通信電纜及電纜橋架，同時(shí)經(jīng)常會(huì)有維修電焊作業(yè)，這些客觀因素都會(huì)對(duì)電壓源信號(hào)造成影響。Modbus-485通訊是使用電壓差分信號(hào)，一旦有電壓干擾，就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的偏差，而4～20 mA模擬量通訊，采用電流傳輸信號(hào)，而工業(yè)現(xiàn)場的噪聲電流通常小于nA級(jí)別，因此帶來的誤差非常小，使這種通訊方式更穩(wěn)健。

3）DCM施工緊急情況時(shí)的處理

自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)與工藝進(jìn)行密切配合，結(jié)合實(shí)際情況，提供開放式的流程控制。程序在自動(dòng)施工過程中，若遇到硬夾層或障礙物，處理機(jī)電機(jī)電流會(huì)超過報(bào)警電流將報(bào)警信號(hào)通訊至PLC控制器，此時(shí)在 PLC程序中加入邏輯判斷條件停止自動(dòng)施工流程，轉(zhuǎn)由手動(dòng)作業(yè)接管流程。手動(dòng)作業(yè)時(shí)通過控制絞車速度和處理機(jī)轉(zhuǎn)速改變處理機(jī)貫入速度和鉆桿轉(zhuǎn)速，減慢下鉆速度，若下鉆困難，可控制處理機(jī)原地反轉(zhuǎn)半分鐘，再次正轉(zhuǎn)下鉆，也可上提30 cm，增大泥漿泵噴水流量，以最高鉆桿轉(zhuǎn)速，最慢貫入速度鉆入。貫入過程中繼續(xù)觀察電流，電流過大立刻停機(jī)，反復(fù)幾次，即可通過硬層。

6 結(jié) 語

通過 DCM 施工管理控制系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試中，借鑒和學(xué)習(xí)了國外DCM施工經(jīng)驗(yàn)和理論，結(jié)合一航局多年在DCM工法上的研究成果和在機(jī)電控制方面的經(jīng)驗(yàn)積累，使得“CCCC DCM1”和“砂樁2號(hào)”（后改造為DCM船）成為高度自動(dòng)化的深層水泥拌合船，并經(jīng)香港機(jī)場項(xiàng)目率先投入使用。DCM 施工管理控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性已經(jīng)得到了驗(yàn)證，為進(jìn)一步推動(dòng)船機(jī)自動(dòng)化水平提供了借鑒。