羅剛，馮志勇，陳定，王璇

（中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津 300457）

0 引言

相對傳統(tǒng)的絞吸、耙吸和抓斗挖泥船而言，反鏟挖泥船是近年來出現的一種新的疏浚船型。中交天津航道局所屬“津泰”船是引進荷蘭技術，在國內建造的1艘反鏟挖泥船，其主要疏浚設備為位于船尾部的1臺反鏟式挖掘機。船舶施工時，由3根鋼樁將船體由自由浮態(tài)向上抬升一定高度，使船體處于半浮狀態(tài)，然后升降3根鋼樁的高度，使船體處于水平狀態(tài)。位于船首的鋼樁臺車用于船舶的掘進行走。船舶的近距離航行，由位于船尾的2臺全回轉舵槳提供推進動力。反鏟式挖掘機、全回轉舵槳由液壓驅動。鋼樁的升降、臺車的行走分別由液壓絞車驅動。液壓動力源為位于機艙的2臺液壓泵站，每臺泵站分別由1臺柴油機和液壓油泵組成。全船電站由2臺柴油發(fā)電機組提供電力，必要時2臺柴油發(fā)電機組可實現并車運行。

“津泰”船近期成功進行了集成監(jiān)控系統(tǒng)的國產化設計改裝，該系統(tǒng)用于全船主要設備和施工過程的監(jiān)控。系統(tǒng)主要包括：疏浚監(jiān)測與控制、機艙監(jiān)測報警[1]等功能。

1 系統(tǒng)主要功能設計

反鏟挖泥船集成監(jiān)控系統(tǒng)主要包含以下幾項功能。

1.1 疏浚信息系統(tǒng)

疏浚信息系統(tǒng)[2]主要用于實現船舶施工過程的各種數據信息的集中管理。能夠對安裝在船上的各傳感器的信號進行處理并存儲；能夠進行船體及其各部分位置方向的計算并形成模型進行顯示，實時計算挖泥船和船體各個部分的位置和方向，通過俯視和側視圖將船舶及施工地形模型呈現給用戶。

具體主要包含以下功能：數據文件管理、疏浚斷面、疏浚軌跡及拋泥軌跡顯示、船舶及施工地形的實時三維顯示、施工過程歷史回放、遠程數據傳輸、傳感器參數設置及其他可視化畫面顯示等。

1.2 反鏟挖掘機系統(tǒng)監(jiān)控

反鏟挖掘機由操作室、旋轉機構、大臂、小臂和鏟斗構成，是疏浚施工的核心設備。

反鏟機操作室設有反鏟機操作手柄（控制旋轉機構、大臂、小臂和鏟斗）、控制箱（控制鋼樁、臺車及其它輔助設備）、監(jiān)控計算機等監(jiān)控設備。

反鏟機室裝有1個傾角傳感器，用于測量反鏟機的橫傾和縱傾角度，其角度值在反鏟機室和駕駛室設備監(jiān)視計算機屏幕顯示。

反鏟機的旋轉驅動機構由5個液壓馬達驅動。旋轉機構由2個編碼器來測量反鏟機旋轉的角度，在反鏟機室和駕駛室計算機顯示屏可以顯示其角度值。

反鏟機大臂、小臂和鏟斗的動作分別由2個液壓油缸驅動。大臂、小臂和鏟斗之間的連接軸上分別設有1個角度傳感器，用于測量大臂、小臂和鏟斗與旋轉機構之間的相對角度。計算機軟件畫面實時顯示旋轉機構、大臂、小臂和鏟斗的姿態(tài)和角度。

1.3 臺車及鋼樁系統(tǒng)監(jiān)控

臺車由1臺絞車牽引實現在軌道上的往復行走，設有臺車最小行走距離和最大行走距離限位。當臺車行走距離到達最小行走距離和最大行走距離時，臺車絞車應停止動作，同時現場控制箱、反鏟機室控制箱和駕駛室液壓設備操作臺相應報警指示燈亮，蜂鳴器發(fā)出報警聲響，反鏟機操作室和駕駛室設備監(jiān)視計算機顯示屏顯示報警信息。臺車的行走距離由長度傳感器進行測量，能夠在反鏟機操作室和駕駛室液壓設備操作臺設備監(jiān)視計算機顯示屏上連續(xù)顯示臺車的行程。

全船設有3根鋼樁，分別位于船尾左、右舷和船首臺車上。艉左、右鋼樁為固定樁，艏鋼樁為行走鋼樁。每根鋼樁設有上限位和下限位，當鋼樁向上運動到上限位時，鋼樁絞車必須停止起升動作，當鋼樁向下運動到下限位時，鋼樁絞車必須停止下降動作。當鋼樁到達上下限位時，現場控制箱、反鏟機操作室控制箱和駕駛室液壓設備操作臺報警指示燈亮，蜂鳴器發(fā)出報警聲響，同時反鏟機操作室和駕駛室設備監(jiān)視計算機顯示屏發(fā)出報警信息。每根鋼樁的起升鋼絲繩設有拉力傳感器，用于監(jiān)測船舶半浮狀態(tài)時鋼絲繩所承受的拉力。拉力傳感器安裝于鋼樁起升滑輪軸上，當鋼絲繩的拉力超出設定值時，在駕駛室液壓設備操作臺計算機和反鏟機操作室計算機上輸出報警信息，蜂鳴器發(fā)出報警聲響。

絞車安裝絕對值編碼器，用于測量鋼絲繩收放長度。絞車還可在反鏟機操作室和駕駛室液壓操作臺進行控制。絞車啟動和停止時，轉動速度是通過PLC控制自動地按照設定的斜坡時間斜線上升和下降，以減少絞車動作對系統(tǒng)產生的沖擊作用。

1.4 船體吃水調節(jié)

當船舶準備開始施工時和處于施工過程中，船舶吃水可以通過鋼樁的升降進行調節(jié)，使挖泥船保持在要求的設定吃水值。系統(tǒng)首先通過吃水傳感器測量實際吃水，并通過橫傾和縱傾傳感器值計算每個鋼樁的吃水。通過對比實際吃水深度與設定吃水深度值，當實際吃水過小時，系統(tǒng)輸出控制指令控制鋼樁絞車帶動鋼樁上升來增大實際吃水值；當實際吃水過大時，系統(tǒng)輸出控制指令控制鋼樁絞車帶動鋼樁下降來減小實際吃水值。當船舶進行吃水調節(jié)時，反鏟機應停止挖掘作業(yè)，待船舶吃水調節(jié)完成后方可進行挖掘作業(yè)。在船舶吃水調節(jié)過程中，當任何一個鋼絲繩拉力值超過限制值時，系統(tǒng)給出相應報警信息并限制使鋼絲繩拉力進一步增大的操作。

1.5 其它輔助設備監(jiān)控

其他輔助設備的監(jiān)控也是系統(tǒng)不可缺少的內容。例如：液壓柴油機運行參數的監(jiān)測和應急停止控制、發(fā)電柴油機組及配電板運行參數的監(jiān)測、油脂潤滑系統(tǒng)的監(jiān)控、海淡水冷卻系統(tǒng)的遙控、主要液艙液位遙測以及輔助設備的遙控啟動或停止等。

2 技術實現

2.1 計算機網絡

計算機系統(tǒng)有2臺互為熱備用的服務器，位于駕駛室，其中1臺負責船舶施工數據的無線遠程傳輸。在駕駛臺，設有推進器控制臺和液壓設備控制臺。推進器控制臺用于操作液壓舵槳，控制船舶航行。在推進器控制臺上設有2臺操作計算機，1臺用于顯示船舶航行軌跡及海圖，1臺用于監(jiān)控船舶設備。液壓設備控制臺用于操作鋼樁、臺車及倒樁液壓設備。在液壓設備控制臺上設有1臺觸摸屏計算機，用于設備參數設定、設備的操作及狀態(tài)監(jiān)測。液壓駕駛室海圖桌，設有1臺辦公用計算機，用于日常辦公。在餐廳、發(fā)電機間、船長、輪機長、大副、大管輪房間將增加計算機接口，連接控制系統(tǒng)網絡，用于施工監(jiān)測。

置于駕駛室的潮位儀、電羅經、DGPS等設備通過串口網關連接到駕駛交換機JH2。

在反鏟機操作室設有4臺計算機，其中2臺計算機的顯示器并列安裝于設備支架上，用于監(jiān)視反鏟機的姿態(tài)及船舶施工定位顯示，其中1臺位于反鏟機操作室內右前方的支架上，為觸摸屏計算機，用于監(jiān)視船舶設備狀態(tài)。

計算機網絡圖如圖1。

圖1 計算機網絡結構圖Fig.1 The computer network structure

2.2 PLC網絡

全船設備的監(jiān)測和控制分別由2個PLC系統(tǒng)（PLC1和PLC2） 完成。PLC2主要用于管理液壓系統(tǒng)，如電磁閥通斷等；PLC1主要用于管理液壓系統(tǒng)之外的所有監(jiān)控點，如疏浚信息、船舶狀態(tài)、機艙監(jiān)控與報警等。PLC1和PLC2之間通過1個DP/DP coupler連接，經過PROFIBUS總線實現相互通訊。整個PLC系統(tǒng)通過PLC1的網絡接口模塊CP343-1實現與計算機網絡系統(tǒng)的數據交換。PLC系統(tǒng)的數據交換流向如圖2。

圖2 數據交換流向圖Fig.2 The data exchange flow-direction

2.3 軟件實現

集成監(jiān)控系統(tǒng)上位機軟件采用VC++進行程序開發(fā)[3]，上位機軟件的主要作用是實現操作人員和集成監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互，集成監(jiān)控系統(tǒng)將全船所監(jiān)控設備的信息顯示給操作人員，操作人員能夠將操作指令下達給集成監(jiān)控系統(tǒng)，從而實現集成監(jiān)控系統(tǒng)所具有的全部功能。上位機軟件監(jiān)控畫面采用圖元組態(tài)[4]的形式實現，便于軟件監(jiān)控畫面根據實際需要進行編輯修改。上位機軟件分為服務器軟件和操作站客戶端軟件，客戶端和服務器之間采用C/S結構模式?？紤]到程序的調試、使用和維護方便，將服務器和客戶端的功能集中到同一個軟件中，在實際使用中，根據服務器和客戶端IP地址的不同來確定是否使軟件充當服務器或客戶端的功能。兩臺服務器中的任意一臺程序除完成歷史數據記錄外，都可以將船舶施工數據通過無線網絡傳送給岸基信息管理中心。軟件的主要監(jiān)控畫面內容如下：

1）疏浚信息顯示畫面（海圖編輯、海圖背景及船舶定位顯示、水深信息顯示等）；

2）反鏟機姿態(tài)（側視圖、俯視圖、液壓機構參數等）；

3）臺車及鋼樁系統(tǒng)（顯示臺車行程、絞車及鋼樁狀態(tài)等）；

4）液壓泵站及液壓系統(tǒng)（電磁閥狀態(tài)、模擬量/開關量傳感器數值等）；

5）液壓柴油機（運行參數、報警信息）；

6）發(fā)電柴油機組（柴油機運行參數、報警信息；電站電壓、電流、功率等）；

7）油脂潤滑系統(tǒng)（閥門開/關、模擬量/開關量傳感器數值）；

8）機艙報警（顯示全船所有的報警信息，如液艙液位等）；

9）傳感器的參數設置（設置傳感器的增益、初值等）。

下位機采用西門子的SIMATIC S7-300系列PLC，采用step7編寫邏輯控制程序，負責實現監(jiān)控系統(tǒng)的底層邏輯控制和數據采集功能。PLC網絡和計算機網絡通過MODBUS TCP實現相互通信[5]。

3 實船應用

該系統(tǒng)已經成功安裝到“津泰”大型反鏟挖泥船上，該反鏟挖泥船是國內目前最大的反鏟挖泥船。改裝后該船已在國內進行正常的挖泥施工，實際工作證明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各項功能均能滿足實際疏浚施工要求。

4 結語

反鏟挖泥船集成監(jiān)控系統(tǒng)是國內首套專門為反鏟挖泥船疏浚施工而開發(fā)研制，并且成功應用于大型反鏟挖泥船的集成監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用上下兩層網絡結構，綜合了計算機軟件技術和自動控制技術，較好地實現了反鏟挖泥船疏浚信息管理、設備監(jiān)控、監(jiān)測報警以及數據存儲與遠程傳輸等各種功能，為挖泥船施工生產提供了很好的操作管理平臺，能夠更好地發(fā)揮船舶的生產效率，更加方便船舶的操作管理，提高了船舶施工的安全性。

[1] 萬曼影，盛偉瑜.全數字式機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)[J].中國造船，2002，43（2）：90-94.WANMan-ying,SHENGWei-yu.All-difital engine room monitor&alarmsystem[J].Shipbuildingof China,2002,43(2):90-94.

[2] 羅剛，李鵬超，于濤.大型復合驅動耙吸挖泥船集成監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現[J].中國港灣建設，2013（5）：34-36.LUOGang,LIPeng-chao,YUTao.Design and realization of integrated monitoringand controllingsystemfor largecompound-driven hopper-dredger[J].China Harbour Engineering,2013(5):34-36.

[3]KRUGLINSKI DAVID J,WINGO SCOT,SHEPHERD GEORGE.Programming Visual C++6.0技術內幕[M].希望圖書創(chuàng)作室，譯.北京：北京希望電子出版社，1999.KRUGLINSKI DAVID J,WINGO SCOT,SHEPHERD GEORGE.Programming Visual C++6.0 technology[M].Hope Book Studio,translated.Beijing:Beijing Hope Electronic Press,1999.

[4] 王亞民，陳青，劉暢生，等.組態(tài)軟件設計與開發(fā)[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.WANGYa-min,CHENQing,LIUChang-sheng,et al.Design and development of configuration software[M].Xi′an:Xidian University Press,2003.

[5]SWALESA.Open Modbus/TCPspecification[K].Schneider Electric,1999.