郭 燁
(上海振華重工(集團)股份有限公司,上海 200125)
有著“地平線編輯器”之稱的挖泥船已經成為我國重要的戰(zhàn)略裝備,隨著近年人工智能技術的發(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)股份有限公司(簡稱:上海振華重工)為上海航道局設計并建造的2艘6 500 m3耙吸挖泥船“航浚6008”號和“航浚6009”號的順利交付,填補了我國設計建造“智能型”耙吸挖泥船的空白,這是我國疏浚裝備在智能領域的重要突破。
該型耙吸挖泥船采用雙機雙槳驅動,單泥泵單耙管配置,具有無限航區(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)可對疏浚過程進行高效控制,在各種工況下實現“智能”疏浚,施工效率比人工操作提高近15%[1]。
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)。這是當前世界上自動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)、運營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)測控制及數據采集)和PLC系統(tǒng)兩者相結合的設計理念[2],同時集成了多個相對獨立的系統(tǒng):疏??刂葡到y(tǒng)(DCS)、設備/功率管理系統(tǒng)(EMS/PMS)及機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)(AMS)。
PLC系統(tǒng)基于現場設備層網絡,主要應用于采集所有現場各類傳感器的數據采集、實現各種邏輯控制和操作指令輸入等[3],由信號采集模塊、帶閃存的處理器和通信模塊等組成。DCS、EMS/PMS、AMS每個系統(tǒng)都有各自的獨立處理器。由于各系統(tǒng)間是相互獨立的,因此單個系統(tǒng)的故障不會對其他系統(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立又互相配合;當主處理器發(fā)生故障或與遠程IO柜發(fā)生通信故障時,從處理器立即成為主處理器并接管控制權。AMSPLC則采用單處理器。
SCADA系統(tǒng)屬于調度管理層,是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺,除控制功能外,更加突出數據采集和分析管理功能。通過以太網通信將SCADA與PLC控制設備相連,把PLC視為SCADA系統(tǒng)的下位機設備,可以很好地將PLC各子系統(tǒng)完美融入到SCADA系統(tǒng)中,實現對全船各系統(tǒng)的可視化操作,為疏浚作業(yè)、設備監(jiān)控及航行安全奠定了可靠的技術基礎。圖1為各PLC系統(tǒng)和SCADA的關系示意圖。
圖1 PLC系統(tǒng)和SCADA的關系示意圖
控制系統(tǒng)的主干網絡采用了工業(yè)以太光纖環(huán)網,通過以太網可以實現各工作站、服務器和各子系統(tǒng)的PLC系統(tǒng)間的信息互通,如PLC處理器和I/O卡件的數據通信、SCADA服務器從PLC系統(tǒng)的數據采集、數據記錄服務器從SCADA服務器的數據采集、SCADA工作站實現可視化和動畫顯示的相關數據采集等??刂葡到y(tǒng)網絡構架圖如圖2所示。
網絡結構由上至下可以分為3個層級:第1層為操作應用層,主要用于人機界面交互,由計算機工作站、服務器和計算機光纖環(huán)網組成;第2層為過程控制層,由PLC主站和PLC光纖環(huán)網組成;第3層為現場設備層,由各類儀器儀表、I/O采集模塊、現場總線等組成。
1)SCADA工作站:設置8臺SCADA工作站、2臺DCS工作站,安裝在疏??刂婆_;4臺AMS/PMS工作站分別安裝于集控室(2臺)、輪機長室(1臺)、船長室(1臺);2臺DCS/PMS/AMS工作站安裝在航行控制臺。
2)SCADA服務器:2臺互為熱冗余的SCADA服務器,分別安裝在駕駛室19in(1in=2.54cm)儀表柜和集控臺內,1臺作為主服務器,另外1臺作為備用服務器。當主服務器故障或維護時,備用服務器會自動切換成主服務器,無需人工干預。服務器都配備了冗余的網絡連接。
3)數據服務器:安裝在駕駛室19in儀表柜內,含有SQL數據庫,可提供趨勢、歷史數據、報警及事件記錄等功能,最多可保持存儲100d。每日的數據以csv格式存儲在硬盤中,以便船東查看分析。
4)網絡設備:采用MOXA工業(yè)以太網交換機,是建立全千兆骨干網絡的關鍵,執(zhí)行IEEE 802.3標準,提高了網絡穩(wěn)定性;配備8個以太網端口和4個光纖端口。
5)PLC系統(tǒng):基于Rockwell-ControlLogixTM系列,主要由處理器模塊、電源模塊、通信網絡模塊、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,安裝在集控臺和航行控制臺,通過冗余模塊可實現主、從處理器實時同步控制狀態(tài)與數據以及在主處理器故障情況下的自動切換;在切換過程中,監(jiān)控功能不會受到影響。AMS處理器為非冗余配置,安裝在集控臺。系統(tǒng)中設置若干套PLC柜,數量由不同功能和I/O點的分布位置決定。
圖2 集成控制系統(tǒng)網絡構架圖
DCS可以對泥泵、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備及相關輔助系統(tǒng)進行數據監(jiān)測,并對有關疏浚測量數據進行顯示。主要顯示的參數包括泥泵真空度/壓力/泥/轉速/扭矩、泥漿的密度/流速/產量、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?!弊鳂I(yè)才是本船的核心功能,該功能的開發(fā)使得僅由1名船舶駕駛人員同時完成船舶航行及疏浚作業(yè)控制變成了可能。
“一人疏?!钡娜詣邮杩?刂浦饕ㄟ^宏按鈕和自動控制器相結合的方式來實現。自動控制器包括一鍵疏浚控制器、耙臂絞車自動控制器(AWC)、耙臂順序控制器(APSS)、自動耙頭控制器(AVC)、吃水自動控制器(ADC)、挖泥航速控制器(TSC)、泥泵自動控制器(EPC)和低濃度泥漿自動排放控制器(ALMO)等。在航行控制臺和疏??刂婆_上均設置“一人疏浚”的宏按鍵(圖3);施工參數設定后,操作人員對“一人疏?!钡暮臧存I進行操作后,其他自動控制器依據施工流程自動進入運行狀態(tài),參與施工控制,實現一鍵式操作。
首先通過APSS移動耙管到舷外并下放到舷側吸口處;所有為泥泵、高壓沖水泵服務的輔助系統(tǒng)(如泥泵封水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和疏浚管路閥組等)都會被激活;從舷側吸口處到耙頭著地這段時間,泥泵和高壓沖水泵齒輪箱離合器自動合排后,AWC、ADC、AVC、EPC、TSC功能自動開啟,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)會自動起耙同時將耙臂歸位。
疏??刂葡到y(tǒng)采用人工智能技術,可通過測量、數學建模和特定算法來預測給定工況下的最佳施工參數設定值。在挖泥施工過程中,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也將隨之改變,通過TSC、EPC、AVC的同步作用,可使整個疏浚作業(yè)過程保持最大疏浚產量。其中:TSC實現自動維持最優(yōu)的挖泥航速(航速為0.5~5.0 kn),可以補償耙頭的作用力和風、浪、流等外部阻力,并基于模型控制來分配推進功率;通過EPC可以找到最佳的泥泵轉速,使得泥泵在最佳工況點附近工作,進而實現智能泥泵控制;AVC可以在不同疏浚工況條件下自適應獲取最大挖掘能力,通過調節(jié)耙頭耙唇位置和恒張力,使耙頭更具有主動性和智能性,間接控制泥泵吸入真空,使得輸送流速逼近最佳流速點,進而最大限度地提高挖掘產量。
圖3 “一人疏浚”宏按鍵布置
挖泥船的功率管理系統(tǒng)除了具有配電模式轉換、防止斷電、自動并車、斷電后順序起動、卸載和起動閉鎖等基本功能外,還具有推進器的螺距限制和防止主機過載等功能。
PMS防止主機過載功能只適用于疏浚模式[4]。PMS系統(tǒng)會采集每臺主機的功率,當疏浚模式激活、高壓沖水泵或者泥泵離合器合排之前,PMS系統(tǒng)根據高壓沖水泵或者泥泵所需的功率檢測對應主機的可用功率。高壓沖水泵或泥泵所需功率由不同疏浚模式(挖泥/排岸)和對應齒輪箱的不同速度擋位來決定。當對應主機沒有足夠的可用功率時,PMS系統(tǒng)會發(fā)出1個模擬量的限螺距信號至CPP可調槳控制系統(tǒng)(4~20 mA=100%~0%螺距),CPP的螺距將被減小,直到主機可用功率滿足使用需求為止。
本船入級CCS船級社,需滿足AUT-0[5]入級附加標志的要求,AMS系統(tǒng)用于處理船級社要求的所有重要報警信息和整船設備的狀態(tài)監(jiān)測;同時,該系統(tǒng)也提供輪機員安全系統(tǒng)和延伸報警系統(tǒng)。
該疏浚集成控制系統(tǒng)提高了挖泥船控制系統(tǒng)的自動化水平,簡化了疏浚作業(yè)的操作程序?!耙蝗耸杩!奔夹g的應用在提高施工的效率同時,減輕了操作人員的工作強度。由此可見,這是一次成功的嘗試。
隨著我國加快推動傳統(tǒng)產業(yè)改造升級,疏浚行業(yè)作為一個極度依賴裝備的傳統(tǒng)行業(yè),需要依靠先進技術推進轉型升級,未來必將朝著智能化、綠色化和數字化的方向發(fā)展。目前,國內已有疏??刂葡到y(tǒng)廠家對智能疏浚技術展開深入研究,該技術的國產化指日可待。