1 引言
挖泥船監(jiān)控系統(tǒng)是大型挖泥船的重要組成部分，具有控制設(shè)備多、作業(yè)流程復(fù)雜等特點(diǎn)。工作環(huán)境惡劣，粉塵、潮氣、鹽霧、高溫、振動(dòng)等干擾比較嚴(yán)重。
可編程控制器(PLC)相對于傳統(tǒng)的繼電器控制方式，可適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境，可靠性高;硬件系統(tǒng)可采用模塊化結(jié)構(gòu)，易于擴(kuò)展，具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能;控制功能大部分由軟件實(shí)現(xiàn)，程序編制容易、修改方便。
2 系統(tǒng)簡介
2.1 原系統(tǒng)構(gòu)成
海貍4602號(hào)是一艘全液壓驅(qū)動(dòng)、非自航的大型挖泥工程船舶。船上布置有液壓工作機(jī)械20臺(tái)，其中絞刀系統(tǒng)有液壓馬達(dá)6臺(tái);絞刀架起落系統(tǒng)有液壓油馬達(dá)2臺(tái)，緊定油缸1只;橫移系統(tǒng)有液壓油馬達(dá)4臺(tái)拋錨系統(tǒng)有液壓油馬達(dá)2只;定位樁油缸2只;甲板吊系統(tǒng)有液壓油馬達(dá)2臺(tái);絞盤液壓油馬達(dá)1只。由一臺(tái)卡特柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的6臺(tái)VICKERS雙聯(lián)葉片泵構(gòu)成該船的液壓動(dòng)力泵站，另有一臺(tái)小型的應(yīng)急柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)1臺(tái)應(yīng)急油泵構(gòu)成應(yīng)急泵站。所有液壓工作機(jī)械均采用電磁閥控制，由傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。
此外，海貍4602號(hào)的動(dòng)力部分由5臺(tái)大型柴油機(jī)組成，其中1臺(tái)1140馬力的輔機(jī)除了驅(qū)動(dòng)全船的液壓泵站外，還驅(qū)動(dòng)1臺(tái)40KW的發(fā)電機(jī)進(jìn)行對全船的供電。另外4臺(tái)柴油機(jī)(4*863馬力)分為2組，由2臺(tái)相同的柴油機(jī)構(gòu)成串聯(lián)機(jī)組驅(qū)動(dòng)泥漿泵。機(jī)組和泥漿泵中間經(jīng)過一泥泵齒輪箱減速驅(qū)動(dòng)。為保證柴油機(jī)和泥泵齒輪箱的安全運(yùn)行。該船分別在機(jī)艙和操縱室內(nèi)配置有柴油機(jī)冷卻水位、冷卻水溫、柴油機(jī)潤滑油壓力、潤滑油溫度、齒輪箱潤滑油壓力、冷卻水溫度的報(bào)警系統(tǒng)以及緊急停車系統(tǒng)。這2套系統(tǒng)也由傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。
該船的控制系統(tǒng)經(jīng)過20多年的使用，部分元器件已經(jīng)老化，工作的穩(wěn)定性差。引入PLC對挖泥船的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造有必要提上議事日程。
2.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成
結(jié)合海貍4602好挖泥船原有的設(shè)備狀況，構(gòu)建PLC監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對原控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，利用上位機(jī)監(jiān)視全船設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)際的工況條件，在挖泥過程中采用模糊控制算法，對絞刀速度、絞刀下放深度、橫移速度、進(jìn)樁距離等重要參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)該船的自動(dòng)挖泥。
改造后的挖泥船控制系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)2種控制方式，并實(shí)現(xiàn)通過上位機(jī)對全船設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示、故障報(bào)警和緊急停車的功能。
圖1 系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖
圖1中Controller Link為現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，其通訊波特率可達(dá)2Mbps，通訊距離可達(dá)1km，是目前PC與PLC、PLC與PLC之間通訊速率最快的通訊系統(tǒng), CLK單元通過端子板、CLK支持卡通過專用插件與雙絞線連接，接線非常方便。CLK單元上內(nèi)置了終端電阻，通過簡單的開關(guān)設(shè)置就可以配備網(wǎng)絡(luò)兩端點(diǎn)所需的終端電阻。在數(shù)據(jù)鏈接上，Controller Link控制網(wǎng)絡(luò)除使用LR區(qū)外，還可以使用IR、CIO、DM和擴(kuò)展DM區(qū)進(jìn)行鏈接，每臺(tái)PLC發(fā)送的字?jǐn)?shù)可達(dá)1k，發(fā)送和接收的總字?jǐn)?shù)可達(dá)8k，具有大容量數(shù)據(jù)鏈接的功能。但由于其通訊模塊價(jià)格較高，以此構(gòu)成的系統(tǒng)成本高。考慮本文的篇幅，暫時(shí)不介紹基于Controller link總線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。
整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由2臺(tái)PLC組成現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，#1PLC負(fù)責(zé)對液壓工作機(jī)械控制，它由基本控制單元和6塊開關(guān)量I/O模塊和1塊A/D模塊組成，完成自動(dòng)挖泥過程以及對液壓系統(tǒng)工作負(fù)荷的測量。#2PLC則由5塊開關(guān)量I/O模塊和2塊A/D模塊組成。主要用于動(dòng)力部分和各類輔助機(jī)械運(yùn)行參數(shù)的分析處理以及全船的故障報(bào)警。
2.3 控制系統(tǒng)工作原理
(1) 基本邏輯控制過程。
PLC邏輯控制流程見圖2所示。PLC是按照重復(fù)掃描的方式執(zhí)行它的操作，它使PLC中的用戶程序逐行被解讀，并按照操作信號(hào)發(fā)出的控制命令，實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)工作過程的控制。
(2) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
a) 2臺(tái)PLC均采用OMRON C200型PLC。
CPU單元、輸入、輸出單元均使用24VDC電源。繼電器輸出單元C200H-OC225的最大通斷能力:2A，24V.在實(shí)船控制系統(tǒng)中，出于安全可靠方面的考慮，不用PLC的I/O模塊直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，而是在PLC的輸出端設(shè)置插件式的半導(dǎo)體負(fù)荷驅(qū)動(dòng)板。該驅(qū)動(dòng)板具有無觸點(diǎn)開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，而且本身設(shè)置有短路保護(hù)環(huán)節(jié)，帶有指示燈熔斷器，便于及時(shí)維護(hù)。
b) 操作臺(tái)和控制柜的布置仍然尊重舊有的工作習(xí)慣，基本按照原有的位置進(jìn)行布置。#1PLC放在駕駛室操作臺(tái)內(nèi)，#2PLC放在機(jī)艙的報(bào)警箱內(nèi)，以減少輸入信號(hào)到PLC輸入單元的線纜長度。駕駛室操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)挖泥操作的所有動(dòng)作，包括自動(dòng)挖泥和對絞刀、橫移、橋架、拋錨、定位樁的單獨(dú)控制。同時(shí)具有對機(jī)艙和艙面設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能.機(jī)艙控制柜主要負(fù)責(zé)艙內(nèi)設(shè)備的安全報(bào)警，包括5臺(tái)柴油機(jī)、液壓系統(tǒng)以及輔助設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控。
c) 系統(tǒng)監(jiān)測與狀態(tài)顯示部分除了沿用過去直觀的指針式真空、壓力表之外。還在液壓系統(tǒng)中設(shè)置18個(gè)壓力傳感器，既可以通過數(shù)字式儀表對液壓系統(tǒng)和柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)的工作壓力進(jìn)行測量監(jiān)視。也可以采集絞刀、橫移、橋架、拋錨、定位樁等裝置的工作負(fù)荷，將模擬量送PLC的A/D模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過數(shù)值計(jì)算和信號(hào)處理之后，一部分作為開關(guān)量信號(hào)輸出用作液壓裝置的保護(hù)。另外一部分可以上傳至上位機(jī)，顯示挖泥工作狀態(tài)。
d) PLC設(shè)備的供電。PLC允許供電電源電壓的變化幅度為-15%~+10%V，瞬時(shí)電源故障時(shí)間應(yīng)不大于10ms。在實(shí)際工作中對PLC采取兩路供電，提高供電的可靠性。一路由交流220V經(jīng)穩(wěn)壓電源送PLC電源模塊，另外一路作為應(yīng)急供電措施，用24V蓄電池組作電源，保證應(yīng)急狀態(tài)下控制系統(tǒng)能夠操作。
(3) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
a) 自動(dòng)挖泥程序設(shè)計(jì)
絞吸式挖泥船的的挖泥過程是指絞刀的垂向及水平給量與橫移速度所形成的合適的切削過程。為此需要控制絞刀在三維空間的準(zhǔn)確位置和絞刀的轉(zhuǎn)速。從而要求具有能使垂向、水平給量相當(dāng)穩(wěn)定，絞刀切削泥土正常并相應(yīng)前移的四種自動(dòng)控制功能。即橋架絞車控制，絞刀轉(zhuǎn)速控制、橫移絞車控制、定位樁前移控制。
考慮到海貍4602號(hào)挖泥船現(xiàn)有設(shè)備的局限性，比如定位樁部分不是采用的定位樁臺(tái)車裝置。因此在程序設(shè)計(jì)過程中，在盡可能提高挖泥作業(yè)自動(dòng)化水平，簡化操作的同時(shí)，也充分考慮到系統(tǒng)所應(yīng)具備的靈活性，以適應(yīng)復(fù)雜多變的施工環(huán)境。特別是在遭遇風(fēng)浪、潮汐、塌方、水下障礙物等意外情況時(shí)，仍然離不開人工操作。另外，為了盡量避免誤操作給設(shè)備運(yùn)行帶來的損壞，在程序設(shè)計(jì)中加了更多安全聯(lián)鎖保護(hù)環(huán)節(jié)。比如定位樁的下落操作中，為防止定位樁在下落過程中突然提樁，導(dǎo)致定位樁巨大的慣量沖擊破壞液壓缸裝置，在程序中通過設(shè)置延時(shí)程序取代以往的在定位樁系統(tǒng)的液控單向閥中加裝節(jié)流螺釘?shù)淖龇?。再比如對橫移的啟動(dòng)和停止，也通過程序設(shè)置為加減速模式，防止人工操作過程中高速啟動(dòng)和停止對液壓系統(tǒng)和纜繩的沖擊以及對船體穩(wěn)定性的影響。此外所有液壓系統(tǒng)的過載保護(hù)也在程序中進(jìn)行互鎖，使液壓系統(tǒng)在電氣和機(jī)械上具有雙重保護(hù)。
整個(gè)系統(tǒng)可以在手動(dòng)工作和自動(dòng)控制工作方式下操作。上述工作方式的轉(zhuǎn)換由“自動(dòng)/手動(dòng)”轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。手動(dòng)方式下，可以對絞刀、橫移、橋架、定位樁、拋錨等系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)操作，即在特殊情況下，可以完全由人工進(jìn)行挖泥操作。
自動(dòng)方式下，將挖泥操作分為三大塊。分別為絞刀自動(dòng)、橫移自動(dòng)、進(jìn)樁自動(dòng)。絞刀自動(dòng)部分負(fù)責(zé)將絞刀頭調(diào)到預(yù)定挖泥模式的起始點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對絞刀垂直給量的位置控制和絞刀切削厚度控制。橫移自動(dòng)部分主要是根據(jù)挖泥過程中的狀態(tài)參數(shù)的反饋量，對橫移速度進(jìn)行控制，保證各種驅(qū)動(dòng)裝置不超過負(fù)荷，泥漿正常穩(wěn)定地輸送。進(jìn)樁自動(dòng)部分則是根據(jù)開挖泥層的土質(zhì)狀況，控制絞刀合適的水平進(jìn)給量。自動(dòng)挖泥的程序流程見圖3。
b) 報(bào)警監(jiān)測程序設(shè)計(jì)
在挖泥作業(yè)過程中，保證設(shè)備的安全及正常運(yùn)轉(zhuǎn)是整個(gè)工程成敗的基礎(chǔ)。#2PLC完成對機(jī)艙設(shè)備、液壓系統(tǒng)、泥泵系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的采集。實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)潤滑油的油壓、油溫、冷卻水水位、水溫的極限報(bào)警和柴油機(jī)飛車狀態(tài)下的停車保護(hù)和緊急停車保護(hù)。實(shí)現(xiàn)齒輪箱潤滑油油壓、油溫的極限報(bào)警和緊急脫泵保護(hù)。實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)液
壓油位過低和油溫過高報(bào)警。實(shí)現(xiàn)泥泵堵死、吸泥口堵死報(bào)警和管道內(nèi)泥漿濃度過高，流速低于臨界流速的堵管報(bào)警和泥漿濃度過低的低效率報(bào)警。
3 結(jié)束語
本系統(tǒng)采用高性價(jià)比的C200Hα型PC構(gòu)成的挖泥船監(jiān)控系統(tǒng)，成本低廉，可靠性高，可操作性強(qiáng)，自動(dòng)化水平的提高在很大程度上降低了挖泥作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)使系統(tǒng)具有了較強(qiáng)的系統(tǒng)自診斷功能，方便運(yùn)行維護(hù)人員排除故障。該系統(tǒng)的成功改造為國內(nèi)老齡挖泥船舶以及其它工程船舶的技術(shù)改造提供了典型范例，特別是將PLC技術(shù)應(yīng)用到老齡船舶技改領(lǐng)域，從而提高船舶自動(dòng)化程度有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
