耙吸挖泥船智能化疏?？刂葡到y(tǒng)

郭 燁

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

有著“地平線編輯器”之稱的挖泥船已經(jīng)成為我國(guó)重要的戰(zhàn)略裝備，隨著近年人工智能技術(shù)的發(fā)展，挖泥船也亟待智能系統(tǒng)的加持。不久前，由上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司（簡(jiǎn)稱：上海振華重工）為上海航道局設(shè)計(jì)并建造的2艘6 500 m3耙吸挖泥船“航浚6008”號(hào)和“航浚6009”號(hào)的順利交付，填補(bǔ)了我國(guó)設(shè)計(jì)建造“智能型”耙吸挖泥船的空白，這是我國(guó)疏浚裝備在智能領(lǐng)域的重要突破。

該型耙吸挖泥船采用雙機(jī)雙槳驅(qū)動(dòng)，單泥泵單耙管配置，具有無(wú)限航區(qū)航行能力。配備的荷蘭IHC公司最新研發(fā)的疏浚集成控制系統(tǒng)可對(duì)疏浚過(guò)程進(jìn)行高效控制，在各種工況下實(shí)現(xiàn)“智能”疏浚，施工效率比人工操作提高近15%[1]。

1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念

提到“智能”疏浚，一定要介紹一下挖泥船的“智慧大腦”，也是整船的核心系統(tǒng)-挖泥船集成控制系統(tǒng)。這是當(dāng)前世界上自動(dòng)化程度最高的挖泥船集成控制系統(tǒng)，為保障船舶的安全作業(yè)、運(yùn)營(yíng)效益和安全航行提供基本保證。

集成控制系統(tǒng)采用的是SCADA系統(tǒng)（監(jiān)測(cè)控制及數(shù)據(jù)采集）和PLC系統(tǒng)兩者相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念[2]，同時(shí)集成了多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)：疏浚控制系統(tǒng)（DCS）、設(shè)備/功率管理系統(tǒng)（EMS/PMS）及機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)（AMS）。

PLC系統(tǒng)基于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)，主要應(yīng)用于采集所有現(xiàn)場(chǎng)各類傳感器的數(shù)據(jù)采集、實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制和操作指令輸入等[3]，由信號(hào)采集模塊、帶閃存的處理器和通信模塊等組成。DCS、EMS/PMS、AMS每個(gè)系統(tǒng)都有各自的獨(dú)立處理器。由于各系統(tǒng)間是相互獨(dú)立的，因此單個(gè)系統(tǒng)的故障不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)造成功能性的影響，都可以在冗余配置的SCADA系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)視及控制。DCS PLC及EMS/PMSPLC采用冗余的處理器，主處理器和從處理器彼此獨(dú)立又互相配合；當(dāng)主處理器發(fā)生故障或與遠(yuǎn)程IO柜發(fā)生通信故障時(shí)，從處理器立即成為主處理器并接管控制權(quán)。AMSPLC則采用單處理器。

SCADA系統(tǒng)屬于調(diào)度管理層，是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)，除控制功能外，更加突出數(shù)據(jù)采集和分析管理功能。通過(guò)以太網(wǎng)通信將SCADA與PLC控制設(shè)備相連，把PLC視為SCADA系統(tǒng)的下位機(jī)設(shè)備，可以很好地將PLC各子系統(tǒng)完美融入到SCADA系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)全船各系統(tǒng)的可視化操作，為疏浚作業(yè)、設(shè)備監(jiān)控及航行安全奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。圖1為各PLC系統(tǒng)和SCADA的關(guān)系示意圖。

圖1 PLC系統(tǒng)和SCADA的關(guān)系示意圖

2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)采用了工業(yè)以太光纖環(huán)網(wǎng)，通過(guò)以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)各工作站、服務(wù)器和各子系統(tǒng)的PLC系統(tǒng)間的信息互通，如PLC處理器和I/O卡件的數(shù)據(jù)通信、SCADA服務(wù)器從PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器從SCADA服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集、SCADA工作站實(shí)現(xiàn)可視化和動(dòng)畫顯示的相關(guān)數(shù)據(jù)采集等。控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖如圖2所示。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由上至下可以分為3個(gè)層級(jí)：第1層為操作應(yīng)用層，主要用于人機(jī)界面交互，由計(jì)算機(jī)工作站、服務(wù)器和計(jì)算機(jī)光纖環(huán)網(wǎng)組成；第2層為過(guò)程控制層，由PLC主站和PLC光纖環(huán)網(wǎng)組成；第3層為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，由各類儀器儀表、I/O采集模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線等組成。

3 硬件配置

1）SCADA工作站：設(shè)置8臺(tái)SCADA工作站、2臺(tái)DCS工作站，安裝在疏?？刂婆_(tái)；4臺(tái)AMS/PMS工作站分別安裝于集控室（2臺(tái)）、輪機(jī)長(zhǎng)室（1臺(tái)）、船長(zhǎng)室（1臺(tái)）；2臺(tái)DCS/PMS/AMS工作站安裝在航行控制臺(tái)。

2）SCADA服務(wù)器：2臺(tái)互為熱冗余的SCADA服務(wù)器，分別安裝在駕駛室19in（1in＝2.54cm）儀表柜和集控臺(tái)內(nèi)，1臺(tái)作為主服務(wù)器，另外1臺(tái)作為備用服務(wù)器。當(dāng)主服務(wù)器故障或維護(hù)時(shí)，備用服務(wù)器會(huì)自動(dòng)切換成主服務(wù)器，無(wú)需人工干預(yù)。服務(wù)器都配備了冗余的網(wǎng)絡(luò)連接。

3）數(shù)據(jù)服務(wù)器：安裝在駕駛室19in儀表柜內(nèi)，含有SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，可提供趨勢(shì)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警及事件記錄等功能，最多可保持存儲(chǔ)100d。每日的數(shù)據(jù)以csv格式存儲(chǔ)在硬盤中，以便船東查看分析。

4）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：采用MOXA工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，是建立全千兆骨干網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，執(zhí)行IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，提高了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性；配備8個(gè)以太網(wǎng)端口和4個(gè)光纖端口。

5）PLC系統(tǒng)：基于Rockwell-ControlLogixTM系列，主要由處理器模塊、電源模塊、通信網(wǎng)絡(luò)模塊、冗余模塊和I/O卡件組成。其中，處理器模塊采用的是1756-L72，DCS、EMS/PMS處理器分別采用冗余配置，安裝在集控臺(tái)和航行控制臺(tái)，通過(guò)冗余模塊可實(shí)現(xiàn)主、從處理器實(shí)時(shí)同步控制狀態(tài)與數(shù)據(jù)以及在主處理器故障情況下的自動(dòng)切換；在切換過(guò)程中，監(jiān)控功能不會(huì)受到影響。AMS處理器為非冗余配置，安裝在集控臺(tái)。系統(tǒng)中設(shè)置若干套PLC柜，數(shù)量由不同功能和I/O點(diǎn)的分布位置決定。

圖2 集成控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖

4 主要監(jiān)測(cè)及操控內(nèi)容

4.1 疏浚控制系統(tǒng)（DCS）

DCS可以對(duì)泥泵、高壓沖水泵、耙頭、液壓泵站、封水泵、閘閥、蝶閥、耙管絞車、泥門和溢流堰等疏浚設(shè)備及相關(guān)輔助系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并對(duì)有關(guān)疏浚測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。主要顯示的參數(shù)包括泥泵真空度/壓力/泥/轉(zhuǎn)速/扭矩、泥漿的密度/流速/產(chǎn)量、封水泵的壓力、高壓沖水泵的壓力、泥門的位置、耙管位置和泥艙容量與液位等。

作為“智能”疏浚，“一人疏浚”作業(yè)才是本船的核心功能，該功能的開發(fā)使得僅由1名船舶駕駛?cè)藛T同時(shí)完成船舶航行及疏浚作業(yè)控制變成了可能。

“一人疏?！钡娜詣?dòng)疏浚控制主要通過(guò)宏按鈕和自動(dòng)控制器相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)控制器包括一鍵疏?？刂破?、耙臂絞車自動(dòng)控制器（AWC）、耙臂順序控制器（APSS）、自動(dòng)耙頭控制器（AVC）、吃水自動(dòng)控制器（ADC）、挖泥航速控制器（TSC）、泥泵自動(dòng)控制器（EPC）和低濃度泥漿自動(dòng)排放控制器（ALMO）等。在航行控制臺(tái)和疏浚控制臺(tái)上均設(shè)置“一人疏?！钡暮臧存I（圖3）；施工參數(shù)設(shè)定后，操作人員對(duì)“一人疏?！钡暮臧存I進(jìn)行操作后，其他自動(dòng)控制器依據(jù)施工流程自動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，參與施工控制，實(shí)現(xiàn)一鍵式操作。

首先通過(guò)APSS移動(dòng)耙管到舷外并下放到舷側(cè)吸口處；所有為泥泵、高壓沖水泵服務(wù)的輔助系統(tǒng)（如泥泵封水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和疏浚管路閥組等）都會(huì)被激活；從舷側(cè)吸口處到耙頭著地這段時(shí)間，泥泵和高壓沖水泵齒輪箱離合器自動(dòng)合排后，AWC、ADC、AVC、EPC、TSC功能自動(dòng)開啟，將耙頭安全下放至合適的挖深位置后，開始挖泥作業(yè)；挖泥作業(yè)完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)起耙同時(shí)將耙臂歸位。

疏?？刂葡到y(tǒng)采用人工智能技術(shù)，可通過(guò)測(cè)量、數(shù)學(xué)建模和特定算法來(lái)預(yù)測(cè)給定工況下的最佳施工參數(shù)設(shè)定值。在挖泥施工過(guò)程中，由于船舶吃水、挖泥深度和土壤特性的變化，最佳泥漿流速工作點(diǎn)也將隨之改變，通過(guò)TSC、EPC、AVC的同步作用，可使整個(gè)疏浚作業(yè)過(guò)程保持最大疏浚產(chǎn)量。其中：TSC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)維持最優(yōu)的挖泥航速（航速為0.5～5.0 kn），可以補(bǔ)償耙頭的作用力和風(fēng)、浪、流等外部阻力，并基于模型控制來(lái)分配推進(jìn)功率；通過(guò)EPC可以找到最佳的泥泵轉(zhuǎn)速，使得泥泵在最佳工況點(diǎn)附近工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能泥泵控制；AVC可以在不同疏浚工況條件下自適應(yīng)獲取最大挖掘能力，通過(guò)調(diào)節(jié)耙頭耙唇位置和恒張力，使耙頭更具有主動(dòng)性和智能性，間接控制泥泵吸入真空，使得輸送流速逼近最佳流速點(diǎn)，進(jìn)而最大限度地提高挖掘產(chǎn)量。

圖3 “一人疏?！焙臧存I布置

4.2 功率管理系統(tǒng)（PMS）

挖泥船的功率管理系統(tǒng)除了具有配電模式轉(zhuǎn)換、防止斷電、自動(dòng)并車、斷電后順序起動(dòng)、卸載和起動(dòng)閉鎖等基本功能外，還具有推進(jìn)器的螺距限制和防止主機(jī)過(guò)載等功能。

PMS防止主機(jī)過(guò)載功能只適用于疏浚模式[4]。PMS系統(tǒng)會(huì)采集每臺(tái)主機(jī)的功率，當(dāng)疏浚模式激活、高壓沖水泵或者泥泵離合器合排之前，PMS系統(tǒng)根據(jù)高壓沖水泵或者泥泵所需的功率檢測(cè)對(duì)應(yīng)主機(jī)的可用功率。高壓沖水泵或泥泵所需功率由不同疏浚模式（挖泥/排岸）和對(duì)應(yīng)齒輪箱的不同速度擋位來(lái)決定。當(dāng)對(duì)應(yīng)主機(jī)沒有足夠的可用功率時(shí)，PMS系統(tǒng)會(huì)發(fā)出1個(gè)模擬量的限螺距信號(hào)至CPP可調(diào)槳控制系統(tǒng)（4～20 mA＝100%～0%螺距），CPP的螺距將被減小，直到主機(jī)可用功率滿足使用需求為止。

4.3 機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)（AMS）

本船入級(jí)CCS船級(jí)社，需滿足AUT-0[5]入級(jí)附加標(biāo)志的要求，AMS系統(tǒng)用于處理船級(jí)社要求的所有重要報(bào)警信息和整船設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)；同時(shí)，該系統(tǒng)也提供輪機(jī)員安全系統(tǒng)和延伸報(bào)警系統(tǒng)。

5 結(jié)論

該疏浚集成控制系統(tǒng)提高了挖泥船控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，簡(jiǎn)化了疏浚作業(yè)的操作程序?！耙蝗耸杩！奔夹g(shù)的應(yīng)用在提高施工的效率同時(shí)，減輕了操作人員的工作強(qiáng)度。由此可見，這是一次成功的嘗試。

隨著我國(guó)加快推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級(jí)，疏浚行業(yè)作為一個(gè)極度依賴裝備的傳統(tǒng)行業(yè)，需要依靠先進(jìn)技術(shù)推進(jìn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，未來(lái)必將朝著智能化、綠色化和數(shù)字化的方向發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)已有疏浚控制系統(tǒng)廠家對(duì)智能疏浚技術(shù)展開深入研究，該技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化指日可待。