楊舒，何彥行

（1.中交疏浚（集團(tuán)）股份有限公司，北京 100088；2.中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

隨著國家大力支持碼頭及航運(yùn)建設(shè)，耙吸挖泥船以其自航、自挖、自載及自卸的優(yōu)點在工程施工中占據(jù)著重要的地位[1]。隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，人們對于耙吸挖泥船的性能、效率、自動化水平、環(huán)保等級要求越來越高，傳統(tǒng)的集成控制雖已實現(xiàn)耙吸挖泥船設(shè)備控制的高度集成[2]，但無法實現(xiàn)耙吸挖泥船施工過程的全自動控制，進(jìn)而無法提高性能和效率。本文在綜合分析耙吸挖泥船全自動控制需求的基礎(chǔ)上，重點研究耙吸挖泥船全自動拋泥控制技術(shù)，將先進(jìn)的自動控制理念引入其中，設(shè)計耙吸挖泥船全自動拋泥作業(yè)流程及過程控制器。

1 全自動拋泥控制需求

耙吸挖泥船拋泥作業(yè)分為正常拋泥和淺水拋泥2種形式，根據(jù)疏浚土質(zhì)情況及航行狀態(tài)選擇沖艙、壓艙、抽艙流程[3]。傳統(tǒng)的集成控制需要施工員進(jìn)行復(fù)雜的控制組合方能完成，過多的人工操作使得人員疲勞、施工效率降低，而且由于人為操作的局限性使得控制精度降低[4]，甚至因人為操作失誤而產(chǎn)生安全隱患。針對以上耙吸挖泥船拋泥作業(yè)流程中存在的問題，提出以下自動控制技術(shù)：將耙吸挖泥船拋泥作業(yè)流程細(xì)化為多個階段，分階段進(jìn)行流程設(shè)計；在此基礎(chǔ)上將多個階段整合，采用“一鍵操作”的全自動拋泥控制設(shè)計理念，實現(xiàn)耙吸挖泥船拋泥作業(yè)的全自動控制。

2 宏按鈕及參數(shù)配置

2.1 宏按鈕及其功能

“一鍵操作”設(shè)計理念通過“宏按鈕”設(shè)置實現(xiàn)，每個“宏按鈕”代表1個操作流程。拋泥作業(yè)流程內(nèi)所有的“宏按鈕”均以軟件按鈕的形式在配置的觸摸屏（HMI）中呈現(xiàn)。滿足執(zhí)行條件時操作“宏按鈕”，相關(guān)聯(lián)的拋泥作業(yè)程序自動執(zhí)行。全自動拋泥控制“宏按鈕”設(shè)置如圖1所示。

圖1 全自動拋泥宏按鈕Fig.1 Automatic mud-dumping button

2.2 拋泥作業(yè)參數(shù)配置

耙吸挖泥船拋泥作業(yè)流程具有可變性[5]，當(dāng)前船次的疏浚土質(zhì)情況及航行狀態(tài)會對拋泥作業(yè)流程產(chǎn)生影響，因此在拋泥作業(yè)開始前需對拋泥作業(yè)進(jìn)行參數(shù)配置，以確保全自動拋泥過程安全、高效實現(xiàn)。全自動拋泥作業(yè)流程參數(shù)配置如圖2所示。

圖2 全自動拋泥流程參數(shù)配置Fig.2 The parameter collocation of automatic muddumping process

1）土質(zhì)設(shè)定

土質(zhì)設(shè)定包含淤泥、黏土、粉土和砂土4種土質(zhì)。土質(zhì)設(shè)定將會影響全自動拋泥流程中沖艙功能是否啟用，土質(zhì)選擇與沖艙功能選擇關(guān)系如表1所示。

表1 土質(zhì)選擇與沖艙功能投入之間的關(guān)系Table 1 The relation between the soil selection and the function of hopper flushing

2）拋泥區(qū)域限制功能

將耙吸挖泥船疏浚軌跡及剖面顯示系統(tǒng)（DTPM）中拋泥區(qū)域邊界引入到全自動拋泥流程中，作為拋泥流程自動執(zhí)行的充分必要條件，拋泥區(qū)域的引入對流程中“宏按鈕”操作影響如表2所示。

表2 拋泥區(qū)域功能啟用后在區(qū)域外的動作限制Table 2 The limited action outside the area after starting the function in mud-dumping area

3）拋泥前高壓沖水稀釋

通過配置該選擇項在拋泥前對泥艙裝載物進(jìn)行高壓沖水稀釋；同時該選擇項功能是否啟用又與上述土質(zhì)參數(shù)配置相關(guān)。土質(zhì)為淤泥的情況下該功能自動停用。

4）航速上限及濾波時間

耙吸挖泥船在一定的航速范圍內(nèi)才允許執(zhí)行全自動拋泥作業(yè)，當(dāng)航速超過設(shè)定航速上限值的持續(xù)時間大于“航速上限濾波時間”設(shè)定值時，全自動拋泥作業(yè)被禁止。但正在執(zhí)行的全自動拋泥作業(yè)不會因此停止。

5）水深下限及泥門總長

耙吸挖泥船拋泥分為正常拋泥和淺水拋泥2種方式，拋泥方式的不同影響著泥門開啟方式。根據(jù)水深下限、泥門總長、富裕水深三者之間的關(guān)系，拋泥作業(yè)執(zhí)行前全自動程序會選擇合適的拋泥方式：當(dāng)富裕水深大于泥門總長及水深下限之和時為正常拋泥方式；當(dāng)富裕水深小于兩者之和時為淺水拋泥方式。

3 全自動拋泥控制器設(shè)計

耙吸挖泥船控制系統(tǒng)是由多個子控制器組成，控制器是實現(xiàn)疏浚作業(yè)控制的核心部分，是整個疏浚過程控制的大腦[6]。全自動拋泥過程子控制器是對手動拋泥過程子控制器進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計，全自動拋泥過程包括疏浚管系閘閥自動設(shè)置（ADSS）、自動泥門設(shè)置（ABMC）、高壓沖水自動控制（AJC）、自動裝載吃水控制（ALDC）、自動泥泵控制（APC）5個子控制器。全自動拋泥過程還需調(diào)用功率管理（PMS）、動態(tài)定位/動態(tài)跟蹤（DP/DT）2個子系統(tǒng)。子控制器及系統(tǒng)在全自動拋泥流程中調(diào)用關(guān)系如圖3所示。

圖3 子控制器及系統(tǒng)的調(diào)用Fig.3 The transfer of the sub-controller and system

1）疏浚管系閘閥自動設(shè)置控制器（ADSS）

全自動拋泥作業(yè)流程開始前，自動控制器會根據(jù)拋泥流程要求，自動將疏浚閘閥預(yù)置到所需工作狀態(tài)，拋泥流程結(jié)束后自動將疏浚管系閘閥恢復(fù)到航行模式。

2）自動泥門設(shè)置控制器（ABMC）

控制器根據(jù)拋泥作業(yè)參數(shù)中配置的水深下限及泥門行程總長并結(jié)合當(dāng)前富裕水深，自動判斷當(dāng)前拋泥區(qū)域的最佳拋泥方式，進(jìn)而給出建議的泥門動作流程，用戶可以在拋泥過程中接受控制器給出的動作建議，也可以根據(jù)需要變更選項。

3）高壓沖水自動控制器（AJC）

根據(jù)疏浚土質(zhì)類型的設(shè)定，程序?qū)⒈O(jiān)控土質(zhì)數(shù)值的變化，在土質(zhì)發(fā)生變化后的前幾船次拋泥過程中，程序會在合理區(qū)間內(nèi)多次調(diào)整高壓沖水控制器參數(shù)，并記錄不同的結(jié)果數(shù)據(jù)，以尋求相對優(yōu)化的全自動拋泥設(shè)置，提高拋泥的效率。

4）自動裝載吃水控制器（ALDC）

自動裝載吃水控制器主要作用于全自動拋泥動作執(zhí)行階段和抽艙動作，在上述兩個動作執(zhí)行過程中，ALDC將向其傳遞裝載量及吃水等參數(shù)，優(yōu)化拋泥作業(yè)流程及抽艙過程的自動操作，合理優(yōu)化控制可減少執(zhí)行時間，提高拋泥過程的效率。

5）自動泥泵控制器（APC）

APC主要應(yīng)用于抽艙過程，抽艙過程中的數(shù)據(jù)實時傳遞至APC，控制泥泵將艙內(nèi)余水清理干凈。

4 全自動拋泥流程設(shè)計

4.1 流程總體設(shè)計

耙吸挖泥船拋泥作業(yè)流程復(fù)雜多變，拋泥過程中需要控制的設(shè)備較多，為安全有效地實現(xiàn)拋泥作業(yè)全自動控制，將全自動拋泥流程劃分為多個階段，分階段進(jìn)行自動控制。在每個階段自動控制完成的基礎(chǔ)上將其整合，實現(xiàn)拋泥作業(yè)流程的全自動控制。

全自動拋泥流程可分為5個子流程，分別為條件判斷子流程、程序初始化子流程、動作執(zhí)行子流程、程序退出子流程和報警處理子流程。全自動拋泥執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 全自動拋泥執(zhí)行流程Fig.4 The executive process of automatic mud-dumping

4.2 條件判斷子流程

條件判斷子流程依次判定全自動拋泥執(zhí)行所需要的啟動條件，在程序開始前對程序開始所需要具備的條件進(jìn)行判斷，判斷的結(jié)果可以通過觀察HMI中的“宏按鈕”狀態(tài)來判斷流程需要的條件是否滿足。當(dāng)條件滿足時“宏按鈕”邊框綠色定光并常亮，當(dāng)條件未完全滿足時“宏按鈕”邊框紅色定光并常亮。

4.3 初始化（準(zhǔn)備）子流程

初始化（準(zhǔn)備）子流程主要為液壓泵和高壓沖水泵兩個部分。

1）液壓泵

液壓初始化子流程主要完成相應(yīng)液壓泵的啟動，液壓泵的啟動需按照一定的順序進(jìn)行。順序啟動過程中，如有一臺液壓泵突然停止或啟動超時，則順序啟動失敗，已經(jīng)啟動完成的液壓泵也會全部停止工作，并伴隨報警；如無異常情況出現(xiàn)，待液壓泵全部啟動完成后，液壓初始化子流程完成。

2）高壓沖水泵

全自動拋泥流程參數(shù)配置（見圖2）中選擇“拋泥前高壓沖水稀釋”功能時，初始化子程序執(zhí)行高壓沖水泵初始化程序，主要完成碟閥開關(guān)控制、沖水管系預(yù)置及高壓沖水泵啟動。

高壓沖水泵初始化程序首先打開相應(yīng)蝶閥，將沖水管系預(yù)置為“左/右高壓沖水泵并聯(lián)向泥艙沖水”模式，模式預(yù)置完成后，啟動高壓沖水泵變頻器，待變頻器運(yùn)行反饋正常時，高壓沖水泵初始化程序完成。初始化過程中出現(xiàn)模式預(yù)置失敗或變頻器運(yùn)行反饋異常情況時，初始化過程失敗，并伴隨報警。

4.4 動作執(zhí)行子流程

條件判斷子流程及初始化（準(zhǔn)備）子流程執(zhí)行完成且無異常情況下，全自動拋泥作業(yè)進(jìn)入動作執(zhí)行子流程，開始拋泥作業(yè)。以“正常拋泥”作業(yè)為例，具體執(zhí)行流程如圖5所示。

圖5 全自動拋泥作業(yè)動作執(zhí)行流程Fig.5 The executive process of automatic mud-dumping task

4.5 程序退出子流程

程序退出子流程可視作初始化子流程的逆流程。全自動拋泥作業(yè)完成后的正常退出或遇故障報警后的非正常退出之后，將設(shè)備狀態(tài)恢復(fù)到航行狀態(tài)，包括以下步驟：

1）全自動拋泥作業(yè)中涉及到的液壓泵，在程序退出子流程執(zhí)行結(jié)束后均處于關(guān)閉狀態(tài)；

2）疏浚閘閥管系預(yù)置為航行模式，即所有閘閥均關(guān)閉；

3）高壓沖水蝶閥預(yù)置為航行模式，所有蝶閥均關(guān)閉。

4.6 報警處理子流程

報警處理子流程功能是為以上4個子流程在執(zhí)行過程中出現(xiàn)異常時自動記錄并提醒，是全自動拋泥作業(yè)流程安全執(zhí)行的“守護(hù)者”。全自動拋泥作業(yè)流程中的報警主要為以下3類：1）模式預(yù)置失敗類；2）啟動失敗或超時類；3）動作超時、異常及傳感器故障類。

5 實船應(yīng)用

全自動拋泥控制已成功應(yīng)用至實船，截取實船在相同疏浚工況下的全自動拋泥及手動拋泥數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 相同工況下泥艙液位變化Fig.6 The change of mud holder's level in the same workcondition

圖6 中比較了在相同時間段內(nèi)，全自動拋泥及手動拋泥兩種情況下，泥艙液位的變化，采樣時間為2 s。

由圖6可知，在全自動拋泥情況下，泥艙液位下降速度更快，拋泥效率更高。

6 結(jié)語

通過對耙吸挖泥船拋泥過程自動控制需求的分析，設(shè)計了耙吸挖吸船全自動拋泥作業(yè)流程及過程控制器，實現(xiàn)了全自動拋泥控制，耙吸挖泥船全自動控制技術(shù)不但實現(xiàn)了耙吸挖泥船拋泥作業(yè)的“一鍵操作”，而且實船應(yīng)用數(shù)據(jù)表明全自動拋泥控制具有更高的效率，提高了拋泥作業(yè)的安全性及智能化水平。