耙吸挖泥船疏浚設(shè)備操控智能化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

董恒瑞

摘? ? 要：通過(guò)開(kāi)發(fā)耙吸挖泥船疏浚設(shè)備操控智能化系統(tǒng)，使繁瑣的控制過(guò)程簡(jiǎn)單化;智能化診斷及故障情況判定，便于操控人員快速識(shí)別及排除故障。

關(guān)鍵詞：耙吸式挖泥船;邏輯規(guī)則;智能化

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.82 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Through the development of intelligent control system for dredging equipment of trailing suction dredger， the automatic serialization control of dredging equipment makes the complicated control process simple and intuitive. Intelligent diagnosis and fault determination are convenient for operators to quickly identify and eliminate faults.

Key words： Suction hopper dredger; Logic rule; Intelligent

1? ? ?前言

隨著耙吸挖泥船參與的疏浚工程對(duì)工期和質(zhì)量要求越來(lái)越高，特別是業(yè)主更強(qiáng)調(diào)繁忙航道作業(yè)中的耙吸挖泥船先行避讓的要求，對(duì)耙吸挖泥船舶操控安全、疏浚工藝的要求也不斷提高。

目前，傳統(tǒng)的耙吸挖泥船需要船員在操控臺(tái)上根據(jù)當(dāng)前工況、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等，操作一系列的開(kāi)關(guān)按鈕或手柄等來(lái)操作控制施工機(jī)具設(shè)備。這種控制過(guò)程以相互獨(dú)立的分散式操作為主，雖然系統(tǒng)具備各局部單元的自動(dòng)化控制和基本的診斷功能，但距離智能化控制還存在一定的差距，尚不能解決因操作人員的操控差異帶來(lái)的施工效率上的差異。因此，在更高程度的全系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化疏浚方面的發(fā)展還有較大的提升空間。

通過(guò)研究耙吸挖泥船施工機(jī)理及對(duì)應(yīng)的疏浚設(shè)備的智能化控制策略，為船舶開(kāi)發(fā)耙吸挖泥船疏浚設(shè)備操控智能化系統(tǒng)，增強(qiáng)船舶控制的自動(dòng)化程度和智能化水平，有效避免操作人員的水平帶來(lái)的工作差異，通過(guò)簡(jiǎn)化操作過(guò)程來(lái)提高效率。

2? ? 操縱智能化系統(tǒng)構(gòu)成

耙吸挖泥船疏浚設(shè)備操控智能化系統(tǒng)，基于可編程嵌入式控制器（PAC）。PAC內(nèi)嵌智能控制決策模型，通過(guò)實(shí)時(shí)采集疏浚監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，配合智能操控終端，向系統(tǒng)PLC控制器輸出控制指令，激活、執(zhí)行各種過(guò)程控制，通過(guò)系統(tǒng)界面把控操作過(guò)程及狀態(tài)。智能化子系統(tǒng)構(gòu)成示意圖，如圖1所示。

3? ? ?操縱智能化系統(tǒng)主要功能

操縱智能化系統(tǒng)功能，基于疏浚作業(yè)階段自動(dòng)判斷模型（DPADS）的3大功能模塊：自動(dòng)耙管（APSS）序列化控制;自動(dòng)疏浚（ADSS）序列化控制，自動(dòng)沖水（AJSS）序列化控制。

3.1疏浚作業(yè)階段的自動(dòng)判斷模型（DPADS）

疏浚作業(yè)階段自動(dòng)判斷智能模型（DPADS）集成在位于疏?？刂婆_(tái)的PAC中，主要針對(duì)各作業(yè)階段智能識(shí)別及綜合控制，其功能包括：設(shè)備動(dòng)作進(jìn)程識(shí)別及作業(yè)階段的判定、設(shè)備及控制過(guò)程安全保護(hù)和報(bào)警。

3.1.1控制過(guò)程序列

根據(jù)挖泥船作業(yè)的特征，在本系統(tǒng)中將船舶作業(yè)過(guò)程劃分為航行、疏浚、卸泥、停泊4大階段，每個(gè)階段包含若干子階段，如圖2所示。

3.1.2控制過(guò)程安全保護(hù)及報(bào)警

基于疏浚作業(yè)階段自動(dòng)判斷智能模型（DPADS），可實(shí)時(shí)建立APSS、ADSS、AJSS自動(dòng)控制序列在執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障與診斷界面之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。一旦故障出現(xiàn)，可通過(guò)按下智能診斷按鈕，控制界面自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的診斷界面，方便故障判斷及協(xié)助維護(hù)。

3.1.3設(shè)備安全決策

包括：主機(jī)、泥泵、沖水泵、液壓、吊架、絞車(chē)等重要設(shè)備工作特征的診斷。

3.1.4控制過(guò)程傳感器安全決策

主要功能包括：傳感器斷電診斷、傳感器進(jìn)水診斷、傳感器越界診斷、傳感器線性故障診斷等。針對(duì)故障傳感器進(jìn)行判別標(biāo)記，例如：閘閥、蝶閥限位條件標(biāo)記（假開(kāi)、假關(guān)）;吊架限位條件標(biāo)記（到位、未到位）;各傳感器故障標(biāo)記等。

3.2? ?自動(dòng)耙管（APSS）控制

自動(dòng)耙管控制序列的智能APSS軟控面板，設(shè)置6組模式按鈕：“擱墩”控制耙管到達(dá)擱墩位置;“舷內(nèi)”控制A字架到達(dá)弦內(nèi)位置;“舷外”控制A字架到達(dá)弦外位置;“吸口”控制耙管到達(dá)吸口位置;“離地”控制耙頭深度達(dá)到;“著地”控制耙頭放置施工面。

3.2.1模式轉(zhuǎn)換及控制

疏浚作業(yè)階段自動(dòng)判斷智能模型（DPADS），建立了對(duì)應(yīng)的條件預(yù)設(shè)，所有功能按鈕將按照相應(yīng)邏輯規(guī)則執(zhí)行。

例如：A1擱墩模式按鈕，可以把處于A2舷內(nèi)、A3舷外、A4吸口等狀態(tài)或處于過(guò)渡狀態(tài)中的耙管一鍵控制至A1擱墩狀態(tài)，通過(guò)DPADS中的邏輯規(guī)則對(duì)各動(dòng)作條件判斷（如液壓系統(tǒng)是否滿足等）;狀態(tài)條件判斷（如擱墩限位，A子架限位等狀態(tài)）;各個(gè)絞車(chē)及A字架的連鎖控制，從而實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。A1擱墩至A2舷內(nèi)模式轉(zhuǎn)換控制過(guò)程，見(jiàn)圖3所示。

3.2.2主要安全決策

（1）動(dòng)作時(shí)間保護(hù)及傳感器失效報(bào)警

當(dāng)轉(zhuǎn)換過(guò)程所用的時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)將停止絞車(chē)及吊架動(dòng)作及系統(tǒng)界面報(bào)警;當(dāng)水下傳感器出現(xiàn)進(jìn)水、斷線等故障時(shí)，將退出自動(dòng)控制模式，同時(shí)系統(tǒng)界面報(bào)警。

（2）耙管垂直、水平角度保護(hù)

通過(guò)調(diào)整吊架推出、收進(jìn)的速度和收放耙頭、耙中絞車(chē)，使垂直和水平夾角保持在設(shè)定范圍內(nèi);當(dāng)角度不在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)耙中、耙頭絞車(chē)速度，使其在合理的范圍內(nèi)。

（3）最大安全角度及航速保護(hù)

在A5離地、A6著地模式下，垂直、水平角度不能大于最大安全范圍角度，系統(tǒng)根據(jù)不同土質(zhì)定義設(shè)定值。例如：當(dāng)處于A6著地模式時(shí)，如果耙頭在船首方向?qū)Φ睾剿俨辉诎踩秶鷥?nèi)，則自動(dòng)控制耙頭提升至A5離地模式。

3.3? ?自動(dòng)疏浚（ADSS）控制

自動(dòng)疏浚控制序列的智能ADSS軟控面板，設(shè)置6個(gè)模式按鈕：“航行”控制停泵及關(guān)閉所有閘閥;“挖泥”建立裝艙管路并啟動(dòng)泥泵等相關(guān)設(shè)備;“旁通”建立旁通管路并啟動(dòng)泥泵等相關(guān)設(shè)備;“停泵”停止泥泵;“抽艙”建立抽艙管路并啟動(dòng)泥泵等相關(guān)設(shè)備進(jìn)入抽艙作業(yè);“壓艙”建立壓載管路并啟動(dòng)泥泵等相關(guān)設(shè)備進(jìn)行快速裝艙。

3.3.1狀態(tài)判斷及對(duì)應(yīng)控制

通過(guò)疏浚作業(yè)階段自動(dòng)判斷智能模型（DPADS）預(yù)設(shè)的狀態(tài)，判斷對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)條件。例如：挖泥、旁通、抽艙、壓艙功能按鈕的一鍵關(guān)聯(lián)啟動(dòng)。激活按鈕系統(tǒng)，會(huì)依次判斷液壓系統(tǒng)、沖洗泵是否運(yùn)行。如果沖洗泵未運(yùn)行，啟動(dòng)沖洗泵;如果對(duì)應(yīng)設(shè)備運(yùn)行正常，系統(tǒng)將閘閥預(yù)置到模式對(duì)應(yīng)的管路;然后判斷封水泵是否啟動(dòng)，如果啟動(dòng)，系統(tǒng)啟動(dòng)泥泵，系統(tǒng)動(dòng)作完成;如果封水泵未啟動(dòng)，系統(tǒng)啟動(dòng)封水泵然后再啟動(dòng)泥泵，系統(tǒng)動(dòng)作完成。其控制過(guò)程示意圖，如圖4所示。

例如：航行功能按鈕的一鍵關(guān)聯(lián)啟動(dòng)。激活按鈕，首先系統(tǒng)依次判斷液壓系統(tǒng)是否啟動(dòng)？泥泵是否停止？如果不滿足條件，系統(tǒng)將停止動(dòng)作;如果滿足條件，系統(tǒng)進(jìn)行下一步判斷沖洗泵是否啟動(dòng);如果沖洗泵啟動(dòng)，關(guān)閉所有閘閥，動(dòng)作完成;如果沖洗泵未啟動(dòng)，啟動(dòng)沖洗泵后關(guān)閉所有閘閥，動(dòng)作完成。其控制過(guò)程示意圖，如圖5所示。

3.3.2主要安全決策

（1）動(dòng)作時(shí)間保護(hù)和控制/啟動(dòng)失敗報(bào)警

在控制模式執(zhí)行過(guò)程中，由于人為或非可監(jiān)測(cè)因素導(dǎo)致控制過(guò)程終止時(shí)，將在系統(tǒng)界面發(fā)出報(bào)警。例如：當(dāng)動(dòng)作過(guò)程閘閥預(yù)置時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)閘閥狀態(tài)安全后，可通過(guò)系統(tǒng)界面對(duì)假開(kāi)、假關(guān)狀態(tài)進(jìn)行一鍵確認(rèn)。

（2）控制聯(lián)鎖保護(hù)

管路通路未建立時(shí)，泥泵不允許啟動(dòng)。如果在泥泵運(yùn)行狀態(tài)下，將禁止導(dǎo)致出現(xiàn)管路通路未建立的操作，以防止用戶(hù)的誤操作。如果由于機(jī)旁人為控制等特殊操作導(dǎo)致管路通路未建立，泥泵將停止，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。如果由于閘閥限位故障，導(dǎo)致管路通路出現(xiàn)未建立的狀態(tài)（非指令操作），則發(fā)出報(bào)警，同時(shí)界面將彈出提示確認(rèn)窗口。

3.4? ?自動(dòng)沖水（AJSS）控制

自動(dòng)沖水控制序列的智能AJSS軟控面板，設(shè)置4個(gè)模式按鈕：“挖泥”建立耙頭沖水管路并啟動(dòng)液壓泵、沖水泵;“準(zhǔn)備”建立耙頭沖水管路并將沖水泵調(diào)至怠速;“航行”停止沖水泵并關(guān)閉所有蝶閥;“沖洗”建立泥艙沖洗管路并啟動(dòng)沖水泵。

3.4.1關(guān)聯(lián)啟動(dòng)

通過(guò)疏浚作業(yè)階段自動(dòng)判斷智能模型（DPADS）預(yù)設(shè)的狀態(tài)，判斷對(duì)應(yīng)啟動(dòng)條件。例如：高壓沖水的一鍵關(guān)聯(lián)啟動(dòng)，激活對(duì)應(yīng)耙頭。首先，系統(tǒng)判斷液壓系統(tǒng)是否運(yùn)行？如判斷液壓系統(tǒng)未運(yùn)行，系統(tǒng)將停止動(dòng)作;如正常運(yùn)行系統(tǒng)通過(guò)對(duì)蝶閥控制建立耙頭沖水管路，然后啟動(dòng)高壓沖水泵并調(diào)制預(yù)設(shè)怠速，動(dòng)作完成。其控制過(guò)程示意圖，如圖6所示。

3.4.2主要安全決策

（1）動(dòng)作時(shí)間保護(hù)和控制/啟動(dòng)失敗報(bào)警

在控制模式執(zhí)行過(guò)程中，由于人為或非可監(jiān)測(cè)因素導(dǎo)致控制過(guò)程終止時(shí)，將在系統(tǒng)界面（下轉(zhuǎn)第頁(yè)）（上接第頁(yè)）

發(fā)出報(bào)警。以高壓沖水泵的啟動(dòng)為例：當(dāng)動(dòng)作過(guò)程高壓沖水泵啟動(dòng)超時(shí)設(shè)定時(shí)間后，系統(tǒng)界面輸出高壓沖水泵啟動(dòng)超時(shí)提示。

（2）控制聯(lián)鎖保護(hù)

管路通路未建立時(shí)，沖水泵不允許啟動(dòng)。例如：沖水泵運(yùn)行狀態(tài)下，將禁止導(dǎo)致出現(xiàn)管路通路未建立的操作，如果用戶(hù)仍然發(fā)出錯(cuò)誤的操作指令，則系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警提示;如果由于特殊操作導(dǎo)致管路通路未建立，沖水泵將停止，同時(shí)發(fā)出報(bào)警;如果由于蝶閥限位故障，導(dǎo)致管路通路出現(xiàn)未建立的狀態(tài)（非指令操作），則發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)界面將彈出提示確認(rèn)窗口。

4? ? 實(shí)船應(yīng)用及展望

2019年6月，在“浚海2”輪安裝了該系統(tǒng)，12月完成了系統(tǒng)測(cè)試。在實(shí)船施工作業(yè)中，通過(guò)該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和智能化水平有效降低了操耙員的工作難度，推進(jìn)了生產(chǎn)操作的標(biāo)準(zhǔn)程度。

從市場(chǎng)推廣角度來(lái)看，耙吸挖泥船疏浚設(shè)備操控智能化系統(tǒng)可與現(xiàn)有的耙吸挖泥船DCS系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫集成，便于在公司現(xiàn)有的耙吸挖泥船集成控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行安裝部署，開(kāi)展推廣應(yīng)用，快速實(shí)現(xiàn)公司現(xiàn)有耙吸挖泥船的自動(dòng)化、智能化升級(jí)改造，提升疏浚工藝決策的智能化水平，為后期基于大數(shù)據(jù)的工藝分析、信息挖掘、智能疏浚提供基礎(chǔ)。疏浚設(shè)備操控及工藝決策智能化研究，對(duì)于耙吸挖泥船的新造船的應(yīng)用示范、舊船的升級(jí)改造具有廣泛的推廣價(jià)值。