郭 燁

（上海振華重工（集團）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]。

1 控制系統(tǒng)的設計理念

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

2 計算機網絡結構

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。

3 硬件配置

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

4 主要監(jiān)測及操控內容

4.1 疏?？刂葡到y(tǒng)（DCS）

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

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。

4.3 機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)（AMS）

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)。

5 結論

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。