王東峰++孫旭恒

摘要：在海洋油氣資源開發(fā)的過程中，海底管道及電纜鋪設(shè)漸漸成為重要的一個工程領(lǐng)域。在這個過程中，挖溝機起到越來越重要的作用。海底管道/埋纜挖溝機成為不可缺少的施工設(shè)備。以往的挖溝機控制系統(tǒng)非常簡單，幾乎沒有傳感器，下水后無法及時反饋挖溝機工作狀態(tài)，給施工帶來了很大的不便。該文介紹了一種基于研華ADAM模塊的挖溝機控制系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測挖溝機運行狀態(tài)，及時調(diào)整挖溝作業(yè)中母船的工作參數(shù)，使挖溝作業(yè)更加順利的進行。

關(guān)鍵詞：挖溝機； ADAM模塊； 傳感器； 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TH132 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

在海底管線的施工中，首先由鋪管船將管道或電纜鋪設(shè)到設(shè)計好的管線路由上，然后再由挖溝機沿管線路由挖溝將管線沉降到海溝中。因此，挖溝機是施工必須的裝備。目前，大多數(shù)挖溝機為噴射式，這種挖溝機效率高、成本低，在國內(nèi)海洋工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。該文講述的挖溝機控制系統(tǒng)就是針對這種電動噴射式挖溝機進行研究的，主要用于渤海海域海底管道及電纜挖溝作業(yè)。

1 挖溝機功能簡介

該挖溝機主要用于海底管道及電纜挖溝埋設(shè)作業(yè)使用，也可用于海底管道維修時，在預(yù)定海床位置挖出有問題的海底管道，為后續(xù)維修工作提供基礎(chǔ)作業(yè)面。

2 挖溝機控制系統(tǒng)組成

挖溝機整個控制系統(tǒng)分為如下三部分：中央控制單元、動力和信號傳輸臍帶電纜及臍帶電纜絞車、挖溝機主體執(zhí)行元件和傳感器。

其中各個系統(tǒng)的功能如下：中央控制單元包括供配電、系統(tǒng)控制、聲納顯示、挖溝機狀態(tài)顯示等；動力和信號傳輸臍帶電纜及臍帶電纜絞車包括動力傳輸纜、通訊傳輸纜及配套絞車，其中動力傳輸纜及通訊傳輸纜集成為一根臍帶電纜，纏繞在絞車的滾筒上，通過電纜滑環(huán)連接到電纜接口位置；挖溝機主體包括機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、2臺軸流泵、1個深度計、1個高度計、1個姿態(tài)傳感器、2個聲納頭、2個拉力傳感器、4個著底與位置傳感器、2個管道對中傳感器、一套水泵電壓測量系統(tǒng)以及一個漏水安全傳感器。

3挖溝機監(jiān)控系統(tǒng)介紹

挖溝機主體上布置2個斷面聲納頭，安裝位置根據(jù)使用工況調(diào)整。當(dāng)作為挖溝埋管作業(yè)時，挖溝機騎在管道上拖曳，斷面聲納安裝在挖溝機的艏、艉部上方，與管道平行，用于監(jiān)視管道與挖溝機相對位置。當(dāng)作為作業(yè)面開挖作業(yè)時，2個斷面聲納分別安裝在橫拖的挖溝機的后部和側(cè)面，相互垂直，其中一只用來掃描溝形，另一只用來掃描裸露的管道。

以往的挖溝機主體上很少有各種傳感器，挖溝作業(yè)中，挖溝機的狀態(tài)參數(shù)無法進行監(jiān)控，只能憑經(jīng)驗調(diào)整母船的行進速度與行進角度等參數(shù)，容易出現(xiàn)各種突發(fā)狀況。

該挖溝機主體上布置有多套傳感器，這些傳感器將實時信號反饋到母船上的監(jiān)控室內(nèi)，控制室內(nèi)的工控機采集各種信號，進行處理后顯示挖溝機的實時狀態(tài)。

以往這些信號一般都是進入到挖溝機主體上的接線箱，然后通過多芯電纜連接到母船上的控制室內(nèi)的信號采集卡上，這樣，當(dāng)多芯電纜出現(xiàn)斷線時，某一個甚至多個傳感器的信號將無法進行采集，而且多個信號通道位于一根臍帶電纜內(nèi)，相互之間的干擾比較嚴(yán)重，容易造成信號的失真。

為了解決這個問題，該挖溝機控制系統(tǒng)選用研華公司的ADAM模塊，挖溝機所有的傳感器信號連接到模塊的IO點上，然后模塊與母船上的控制室進行通訊，將傳感器測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C上，這樣，用一根雙絞線代替了以往的多芯電纜，減小了連接電纜的尺寸和重量，解決了干擾問題。該控制系統(tǒng)主要用到了兩種模塊，ADAM-4017和ADAM-4050模塊。其中ADAM-4017是一款16位、8通道的模擬量輸入模塊，該模塊把傳感器電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。然后，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ虇挝?。?dāng)受到主機提示時，該模塊將通過標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。ADAM-4050模塊帶有7路數(shù)字量輸入和8路數(shù)字量輸出。主機可以利用該模塊的數(shù)字量輸入來檢測各個數(shù)字量信號。當(dāng)受到主機提示時，該模塊將通過標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。

ADAM-4017模擬量輸入模塊輸入信號為電壓信號，挖溝機選用的傳感器大部分為0-5V電壓輸出信號，可以直接連接到模塊上，軟件中也無需進行系數(shù)修正，但是電壓測量系統(tǒng)的電壓變送器輸出信號為4-20mA信號，必須在模塊的輸入通道端口連接一個精密電阻，在軟件采集中也必須進行系數(shù)修正，具體修正方式如下。

電壓變送器參數(shù)：

輸入：0-450V（AC）

輸出：4-20mA

輸入端口并聯(lián)電阻：235Ω

由以上參數(shù)計算輸入電壓的方法為：

Vin=（Vout/235×1000mA-4mA） ×450/16

=（Vout-0.94V） ×119.68 （V）

計算輸入偏差SensorErr.AC=0.94V，系數(shù)SensorCoe.AC=119.68。

挖溝機姿態(tài)傳感器由于本身輸出特性，也需要進行修正，由姿態(tài)傳感器資料知，當(dāng)傳感器與水平面平行時，輸出電壓為2.5V，當(dāng)傳感器向下或向上偏轉(zhuǎn)時，輸出電壓以2.5V為中心減小或增大，輸出電壓與角度的對應(yīng)計算公式為：

Vout=0.5V+（Angle+45°）×4/90 V

其中，Angle為角度值，取值范圍為-45.0°-- +45.0°。

從而可得：Angle=（ Vout-0.5V） ×22.5-45°=（Vout-2.5V） ×22.5 （°）。

計算輸入偏差值SensorErr.Pitch=2.5V，系數(shù)SensorCoe.Pitch= 22.5。

以上參數(shù)在軟件中進行設(shè)置后，即可以得到水泵的實時輸入電壓值和挖溝機的俯仰姿態(tài)值。

4 挖溝機監(jiān)控系統(tǒng)軟件介紹

挖溝機作業(yè)時，監(jiān)控系統(tǒng)將挖溝機數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、聲吶數(shù)據(jù)記錄與管理。全面支持挖溝機水下作業(yè)過程的監(jiān)控、導(dǎo)航和數(shù)據(jù)管理。

監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能概括為：

（1） 工程管理：一個完整埋管項目被描述為一個工程，其中發(fā)生的所有作業(yè)和數(shù)據(jù)被納于工程中統(tǒng)一記錄和管理；支持報表輸出和過程回放；

（2） 系統(tǒng)管理：軟件適合海底埋管機，允許系統(tǒng)具有多種構(gòu)形，可以根據(jù)需要通過軟件完成系統(tǒng)配置；

（3） 水下信息采集與融合：同時從水下傳感器與水面導(dǎo)航設(shè)備采集信息，并將其融合形成協(xié)調(diào)統(tǒng)一的系統(tǒng)工況與導(dǎo)航數(shù)據(jù)；

（4） 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控：通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立水下作業(yè)場景，利用融合后的實測數(shù)據(jù)進行驅(qū)動，并根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則實時主動監(jiān)測和報警；

（5） 拖體與作業(yè)船配合的綜合導(dǎo)航：預(yù)輸入埋設(shè)路由數(shù)據(jù)和數(shù)字地圖；提供船用GPS接口，對這些數(shù)據(jù)的采集與融合提供作業(yè)船的全面導(dǎo)航信息；提供超短基線定位系統(tǒng)接口，這些信息與水面導(dǎo)航信息進行融合處理，提供埋設(shè)機綜合導(dǎo)航信息。

5 結(jié)語

該挖溝機工作過程中，在母船上的控制室內(nèi)，可以根據(jù)聲吶信號及傳感器反饋信號及時調(diào)整作業(yè)參數(shù)，從而使挖出的溝槽形狀更加完美，更加貼合海底管道及電纜的走向。目前該系統(tǒng)已成功應(yīng)用到多個挖溝和維修作業(yè)中，提高了海上作業(yè)效率，為海上安全生產(chǎn)提供了保障。

參考文獻

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