抓斗式挖泥船挖泥測(cè)深及控制系統(tǒng)

顧志東

摘要：本文針對(duì)現(xiàn)使用的抓斗式挖泥船普遍存在的問(wèn)題，研究分析了開(kāi)發(fā)挖泥船挖泥測(cè)深及其控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)工藝原理和開(kāi)發(fā)步驟，以供從業(yè)人員互相學(xué)習(xí)進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：抓斗式；挖泥船；挖泥測(cè)深；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： U616 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、抓斗式挖泥船普遍存在問(wèn)題分析

抓斗式挖泥船的超深、超寬控制對(duì)工程各方的效益影響日益凸顯。隨著GPS定位系統(tǒng)的引進(jìn)，挖泥超寬現(xiàn)象已得到有效控制，而船舶施工時(shí)水中狀況復(fù)雜，現(xiàn)有水砣、單波束、多波束測(cè)深儀不能實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)，使得超深現(xiàn)象難以得到精準(zhǔn)控制。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常超深30~5Ocm；不但增加施工成本，有時(shí)也滿足不了業(yè)主對(duì)超深控制的要求。

中交第一航務(wù)工程局第二工程有限公司“交抓111”船，以下簡(jiǎn)稱交抓111；是1987年從日本購(gòu)買的8m3抓斗式挖泥船，挖泥深度計(jì)精度較低，難以滿足對(duì)挖泥超深控制的要求。采用在抓斗提升索上做標(biāo)記的方法控制挖泥深度，這種方法過(guò)于繁瑣、精度低，并且容易造成操作人員視力疲勞。另一方面，交抓111的硬件和程序針對(duì)某船專門設(shè)計(jì)，不通用，長(zhǎng)期服役，一旦損壞很難修復(fù)。

為此在交抓111上開(kāi)發(fā)挖泥測(cè)深及控制系統(tǒng)，安裝挖泥深度計(jì)(以下簡(jiǎn)稱深度計(jì))和抓斗開(kāi)口度計(jì)(以下簡(jiǎn)稱開(kāi)口度計(jì))。通過(guò)計(jì)量抓斗提升索長(zhǎng)度實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示挖泥深度，以及通過(guò)計(jì)量抓斗提升索和開(kāi)閉索的長(zhǎng)度差值，對(duì)抓斗的開(kāi)口度進(jìn)行計(jì)算和顯示。其中抓斗開(kāi)口度顯示為系統(tǒng)附加功能，目的是使操作人員能夠直觀掌握抓斗在水下的開(kāi)合程度，提高操作速度和效率。

該系統(tǒng)特點(diǎn)是深度自動(dòng)控制，將深度計(jì)與挖泥機(jī)支持卷筒、開(kāi)閉卷筒的離合、剎車控制系統(tǒng)連接起來(lái)，在深度計(jì)上輸入1個(gè)預(yù)設(shè)深度后，抓斗在達(dá)到該深度時(shí)可自動(dòng)停止并自動(dòng)進(jìn)行挖掘，加強(qiáng)操作人員對(duì)挖泥超深的掌控。交抓111抓斗提升、開(kāi)閉系統(tǒng)見(jiàn)圖1：

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)預(yù)定目標(biāo)和要求如下：

1)超深控制需要實(shí)現(xiàn)測(cè)量準(zhǔn)確、安裝簡(jiǎn)便以及實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反應(yīng)的功能。將高程誤差控制在10cm之內(nèi)，可清晰準(zhǔn)確地觀察，做到實(shí)時(shí)觀測(cè)，抗干擾性強(qiáng)，適應(yīng)多種環(huán)境因素。

2)控制程序簡(jiǎn)便易行，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。界面友好、人性化、可人機(jī)互動(dòng)。

3)設(shè)置超深、超高自動(dòng)停止功能，當(dāng)在深度計(jì)輸入預(yù)設(shè)深度后，抓斗到達(dá)該深度能夠自動(dòng)停止，并自動(dòng)進(jìn)入合斗挖泥動(dòng)作，無(wú)需人員操作。超高自動(dòng)停止可避免抓斗過(guò)分提升而引起事故。

二、交抓111測(cè)深及控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

1、方案確定

經(jīng)考察論證，該項(xiàng)目硬件合理結(jié)構(gòu)為：傳感器→運(yùn)算中心→顯示儀表/控制輸出。運(yùn)算和顯示可采用的方案有：①數(shù)碼管或傳統(tǒng)儀表顯示方式，使用包含CPU的印刷電路板負(fù)責(zé)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算。②可編程觸摸屏顯示方式，使用PLC負(fù)責(zé)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算。見(jiàn)圖2：

兩種方案比較見(jiàn)表1：

方案①是針對(duì)某一項(xiàng)目特別開(kāi)發(fā)，不通用、不成系列，沒(méi)有模塊化配件，程序針對(duì)性太強(qiáng)而可移植性差，故障率高，維修復(fù)雜，需依賴產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商。方案②除了造價(jià)方面高于方案①，其他性能均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于方案①。綜上所述，項(xiàng)目采用方案②。

2、工藝原理

1)在支持、開(kāi)閉卷筒側(cè)壁外緣安裝計(jì)數(shù)光孔鋼帶，其上等距沖28個(gè)孔，孔數(shù)越多，顯示精度越高，但孔數(shù)過(guò)多會(huì)造成傳感器輸送給PLC的脈沖頻率高于PLC的采樣頻率，使PLC反應(yīng)不過(guò)來(lái)引起誤差。在每條計(jì)數(shù)光孔鋼帶的檢測(cè)位置將兩組歐姆龍E32-TC200/E3X-SD41光電傳感器固定安裝在卷筒底座。見(jiàn)圖3：

當(dāng)卷筒運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器發(fā)射端不斷發(fā)射紅外線，透過(guò)計(jì)數(shù)光孔鋼帶的小孔至傳感器接收端，當(dāng)光線正好照射在沒(méi)有小孔的位置時(shí)，接收端接收不到任何信號(hào)。這樣隨著卷筒運(yùn)轉(zhuǎn)，光電開(kāi)關(guān)經(jīng)轉(zhuǎn)換器、放大器形成一組脈沖信號(hào)，輸送給PLC。 PLC通過(guò)計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù)、頻率，經(jīng)過(guò)換算實(shí)現(xiàn)繩索長(zhǎng)度計(jì)量和速度計(jì)算。通過(guò)判斷兩組傳感器的脈沖相位差值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向狀態(tài)識(shí)別正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。通過(guò)計(jì)算支持索、開(kāi)閉索收放長(zhǎng)度的相對(duì)差值，轉(zhuǎn)換成抓斗開(kāi)度顯示輸出。

2) PLC完成內(nèi)部運(yùn)算以后，將深度信號(hào)、開(kāi)口度信號(hào)輸送給可編程觸摸屏顯示輸出?？删幊逃|摸屏通過(guò)編制程序，在屏幕上用數(shù)字顯示挖泥深度，用模擬開(kāi)口度表盤顯示抓斗開(kāi)口度。

3) PLC模擬量輸出模塊中的一組信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)1只DC24V繼電器，利用繼電器的無(wú)源常開(kāi)觸點(diǎn)接入挖泥機(jī)繼電器控制盤，繼電器控制盤通過(guò)驅(qū)動(dòng)相關(guān)電磁閥，控制支持卷筒、開(kāi)閉卷筒等機(jī)械設(shè)備的離合、剎車等動(dòng)作，控制抓斗自動(dòng)停止。當(dāng)抓斗到達(dá)預(yù)設(shè)深度時(shí)，外接繼電器無(wú)源常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，繼電器控制盤內(nèi)CX4繼電器得電動(dòng)作，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，支持卷筒的SVHA剎車電磁閥得電動(dòng)作，支持卷筒剎車，抓斗停止在預(yù)設(shè)深度。

4) PLC和觸摸屏的程序均基于設(shè)備自帶的編程平臺(tái)編寫開(kāi)發(fā)，可隨意移植于同型號(hào)、同系列的硬件設(shè)備。

5)設(shè)置停止解除按鈕。當(dāng)抓斗到達(dá)預(yù)設(shè)深度自動(dòng)停止時(shí)，如果操作人員需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)抓斗再進(jìn)行提升、下降的工作，可按下停止解除按鈕，解除本次深度停止，抓斗可進(jìn)行正常操作；當(dāng)抓斗完成此次挖泥操作，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)時(shí)，自動(dòng)停止功能立即恢復(fù)，仍然在預(yù)設(shè)深度自動(dòng)停止，該功能運(yùn)算由PLC實(shí)現(xiàn)。

3、操作界面

觸摸屏采用西門子EVIEW-MT4403T.8"液晶顯示屏，4線精密電阻網(wǎng)絡(luò)(表面硬度4H)，自帶專用編程工具。供電后，系統(tǒng)開(kāi)始工作，進(jìn)入主界面。見(jiàn)圖4：

主界面由觸摸屏顯示，可顯示各類數(shù)據(jù)，也可進(jìn)行觸摸操作修改相關(guān)參數(shù)等，重要的參數(shù)使用密碼保護(hù)，非關(guān)鍵人員不得修改。按下主界面左上角箭頭，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置畫面。見(jiàn)圖5：

時(shí)間設(shè)置界面見(jiàn)圖6，用于設(shè)定深度停止時(shí)報(bào)警解除延時(shí)時(shí)間，預(yù)告報(bào)警解除延時(shí)時(shí)間和全閉報(bào)警解除延時(shí)時(shí)間。

4、調(diào)試運(yùn)行

定制測(cè)深方案之前，首先要計(jì)算卷筒最大轉(zhuǎn)速并根據(jù)精度要求確定計(jì)數(shù)光孔鋼帶上光孔個(gè)數(shù)；然后充分考慮傳感器、PLC工作能力，即傳感器內(nèi)光電開(kāi)關(guān)的最大計(jì)數(shù)頻率，以及PLC的最大采樣頻率。只有兩種頻率遠(yuǎn)大于卷筒計(jì)數(shù)光于L的旋轉(zhuǎn)頻率時(shí)，該方案才能成功，PLC準(zhǔn)確采集脈沖，確保精確無(wú)誤的顯示輸出。具體步驟如下：

1)首先確定精度。如果精度要達(dá)到6cm，則通過(guò)換算計(jì)數(shù)光孔鋼帶的周長(zhǎng)與卷筒上本圈鋼絲繩周長(zhǎng)之問(wèn)的比值，確定計(jì)數(shù)光孔之間間距和計(jì)數(shù)光孔個(gè)數(shù)。

2)通過(guò)計(jì)數(shù)光孔的個(gè)數(shù)與卷筒最大轉(zhuǎn)速計(jì)算卷筒計(jì)數(shù)光孔的旋轉(zhuǎn)頻率。

3)確認(rèn)傳感器最大計(jì)數(shù)頻率、PLC采樣頻率遠(yuǎn)大于計(jì)數(shù)光孔的旋轉(zhuǎn)頻率。

4)如果不能滿足步驟3，則回到步驟1，重新確定測(cè)量精度，減少計(jì)數(shù)光孔的個(gè)數(shù)，或選擇更大頻率的傳感器、PLC。

三、應(yīng)用效果

交抓111的深度計(jì)、開(kāi)口度計(jì)安裝調(diào)試完畢，在青島前灣港四期碼頭進(jìn)行挖泥施工。經(jīng)技術(shù)人員連續(xù)測(cè)量和比對(duì)，通過(guò)測(cè)量鋼絲繩實(shí)際長(zhǎng)度的方法進(jìn)行誤差分析，數(shù)據(jù)表明深度測(cè)量的誤差《0.25%，開(kāi)口度測(cè)量誤差《1%，其中深度測(cè)量的平均誤差在6cm以內(nèi)。交抓111的深度計(jì)、開(kāi)口度計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，顯示精準(zhǔn)，控制靈活，滿足超深停止要求，滿足船級(jí)社相關(guān)規(guī)范，適應(yīng)船舶施工環(huán)境，符合設(shè)計(jì)要求。

四、改進(jìn)完善

交抓111挖泥測(cè)深及控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是當(dāng)抓斗下潛深度到達(dá)預(yù)設(shè)深度時(shí)，鋼絲繩卷筒的離合、剎車系統(tǒng)存在機(jī)械反應(yīng)時(shí)間，若卷筒速度過(guò)快，則抓斗實(shí)際停止時(shí)，已經(jīng)超出了預(yù)設(shè)深度，這樣操作人員看到抓斗即將到達(dá)預(yù)設(shè)深度時(shí)，必須控制抓斗減速，才能使抓斗停在與預(yù)設(shè)深度相差不多的位置，影響挖泥效率。為此擬對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，將深度計(jì)與液力變矩器的控制系統(tǒng)連接起來(lái)。當(dāng)抓斗快要到達(dá)預(yù)設(shè)深度時(shí)，深度計(jì)輸出信號(hào)給變矩器控制系統(tǒng)，使卷筒自動(dòng)減速，直至抓斗完全停住。這將便于人員操作，提高施工效率。

總之，挖泥船在現(xiàn)代疏浚工程中，挖泥船除了進(jìn)行航道、港口和水利疏浚以外還廣泛應(yīng)用在電站建設(shè)、橋梁基礎(chǔ)、水利堤防建設(shè)、市政、過(guò)江管道建設(shè)、沙石生產(chǎn)等建設(shè)領(lǐng)域方面，并在各領(lǐng)域建設(shè)中發(fā)揮了重要的廣泛積極的作用，因此挖泥船的選型和工作裝置的配備及造型建造發(fā)展顯得非常重要。

參考文獻(xiàn)：

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