CN107150766B - 一种深层搅拌船自主平衡系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种深层搅拌船自主平衡系统及方法，所述系统包括管路系统和自动控制系统，所述管路系统包括调倾压载水舱、调倾泵组、管路和阀件；所述自动控制系统包括吃水传感器、倾斜仪、液位开关和PLC控制系统。通过获取的吃水传感器测得的所述深层搅拌船底部四角的吃水水位、所述液位开关检测的各所述调倾压载水舱的液位、所述倾斜仪检测得到的倾斜角度和倾斜方向，来调整各调倾压载水舱中的液位，使所述液位达到使深层搅拌船恢复平衡位置的液位设定值。采用本发明的系统或方法，在船舶发生横倾和纵倾时，能够实现船舶平衡的快速、精确、自动调节，使船舶在风浪和施工操作的影响下能够自动保持平衡，避免由于横纵倾角度过大危及船舶施工安全。

Description

一种深层搅拌船自主平衡系统及方法

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，特别是涉及一种深层搅拌船自主平衡系统及方法。

背景技术

在海底软基加固处理工程中，传统近海换填施工作业不仅挖泥弃土难，而且会对海上环境及海上养殖业造成严重影响。深层搅拌船是利用水泥作为主要固化剂，通过安装在船舶上的深层混合处理机在海基深部将软土和固化剂强制拌合，通过水泥的水解和水化反应形成具有一定强度的柱状体，柱状体与其间的土共同支撑载荷，来形成复合地基。

施工过程中，船舶会受到来自风和波浪的影响，产生横倾以及纵倾等摇荡；同时，处理机在水下工作时，也会受到海底的反作用力，导致船舶产生横倾以及纵倾；并且深层搅拌船的搅拌桩一般都比较长、刚性差，受力后产生的力矩较大，在交变载荷下容易发生形变甚至破坏；这些都会对船舶的操纵性、安全性和经济性造成极大的威胁。

发明内容

本发明的目的是提供一种深层搅拌船自主平衡系统及方法，使船舶在受风浪和施工操作的影响下仍能很好地保持平衡。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种深层搅拌船自主平衡系统，所述系统包括：管路系统和自动控制系统；

所述管路系统包括调倾压载水舱、调倾泵组、管路和阀件；

所述调倾压载水舱包括第一调倾压载水舱、第二调倾压载水舱、第三调倾压载水舱、第四调倾压载水舱和第五调倾压载水舱；所述第一调倾压载水舱和所述第二调倾压载水舱对称设置在所述深层搅拌船船艏的两舷；所述第三调倾压载水舱和所述第四调倾压载水舱对称设置在所述深层搅拌船船艉的两舷；所述第五调倾压载水舱设置于所述第三调倾压载水舱和所述第四调倾压载水舱的中间；所述第一调倾压载水舱、所述第二调倾压载水舱、所述第三调倾压载水舱、所述第四调倾压载水舱和所述第五调倾压载水舱通过所述管路两两之间互相连接；每个所述调倾压载水舱上都具有出入水口；

所述调倾泵组包括调横倾泵和调倾泵；所述调横倾泵通过所述管路与所述第一调倾压载水舱和所述第二调倾压载水舱连接；所述调倾泵通过所述管路与所有的所述调倾压载水舱连接；

所述阀件设置于所述管路上；

所述自动控制系统包括吃水传感器、倾斜仪、液位开关和PLC控制系统；

所述PLC控制系统包括PLC控制主站和PLC控制从站；

所述吃水传感器设置在所述深层搅拌船底部的四角，所述吃水传感器的信号输出端与所述PLC从站的第一信号输入端连接；

所述倾斜仪设置在所述深层搅拌船操纵室的集中控制台上，所述倾斜仪的信号输出端与所述PLC从站的第二信号输入端连接；

所述液位开关设置在所述调倾压载水舱内，所述液位开关的信号输出端与所述PLC从站的第三信号输入端连接；

所述调倾泵组的信号输出端与所述PLC从站的第四信号输入端连接；所述阀件的信号输出端与所述PLC从站的第五信号输入端连接；

所述PLC从站的第一信号输出端与所述PLC主站的信号输入端连接；

所述PLC主站的信号输出端与所述PLC从站的第六信号输入端连接；

所述PLC从站的第二输出端与所述调倾泵的控制器连接；所述PLC从站的第三输出端与所述阀件的控制端连接；所述PLC从站的第四输出端与所述出入水口的控制端连接。

可选的，所述出入水口包括外部注水口、外部排水口和内部输水口。

可选的，所述第一调倾压载水舱和所述第二调倾压载水舱的容量相同，所述第三调倾压载水舱和所述第四调倾压载水舱的容量相同，所述第三调倾压载水舱的容量大于所述第一调倾压载水舱的容量。

可选的，所述调横倾泵的流量小于所述调倾泵的流量。

可选的，所述阀件包括手动蝶阀、液动蝶阀和蝶式止回阀。

可选的，所述自动控制系统还包括多个仪器仪表，所述仪器仪表设置在所述管路上，包括压力传感器、压力表和真空压力表；

所述压力传感器和所述压力表设置在所述调倾泵和距离所述调倾泵最近的所述蝶式止回阀之间；所述压力传感器的信号输出端与所述PLC从站的第七信号输入端连接；

所述压力表的信号输出端与所述PLC从站的第八信号输入端连接；

所述真空压力表设置于所述调倾泵和距离所述调倾泵最近的所述液动蝶阀之间；所述真空压力表的信号输出端与所述PLC从站的第九信号输入端连接。

可选的，所述PLC从站设置于所述深层搅拌船机舱左右两舷的现场采集箱内，所述PLC主站设置于所述深层搅拌船操纵室的所述集中控制台上。

可选的，所述自动控制系统还包括监控电脑工作站，所述监控电脑工作站包括计算机和网络通讯设备，所述网络通讯设备包括网络交换机、网关和通讯总线；

所述网络交换机通过所述通讯总线分别与所述计算机、所述PLC主站和所述网关连接。

本发明还公开了一种深层搅拌船自主平衡方法，所述方法应用于所述深层搅拌船自主平衡系统，所述方法包括：

获取所述深层搅拌船底部四角的吃水水位、各所述调倾压载水舱的液位、所述深层搅拌船的横倾角度和所述深层搅拌船的横倾方向；

根据所述吃水水位计算所述深层搅拌船的纵倾角度和纵倾方向；

根据所述横倾角度、所述横倾方向、所述纵倾角度、所述纵倾方向和所述液位调整各所述调倾压载水舱中的所述液位，使所述液位达到使所述深层搅拌船恢复平衡位置的液位设定值。

可选的，所述方法还包括：

获取所述深层搅拌船的各所述调倾压载水舱的液位；

判断所述液位是否高于设定的液位上限值或是否低于液位下限值；

当所述液位高于所述液位上限值时，发出高液位报警；

当所述液位低于所述液位下限值时，发出低液位报警。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种深层搅拌船自主平衡系统及方法，所述系统包括管路系统和自动控制系统，所述管路系统包括调倾压载水舱、调倾泵组、管路和阀件；所述自动控制系统包括吃水传感器、倾斜仪、液位开关和PLC控制系统；通过获取所述吃水传感器测得的所述深层搅拌船底部四角的吃水水位、所述液位开关检测的各所述调倾压载水舱的液位、所述倾斜仪检测得到的所述深层搅拌船的倾斜角度和倾斜方向，根据所述倾斜角度、倾斜方向和所述液位调整各所述调倾压载水舱中的所述液位，使所述液位达到使所述深层搅拌船恢复平衡位置的液位设定值。所述系统及方法在船舶发生横倾和纵倾时，能够实现船舶平衡的快速、精确、自动调节，使船舶在风浪和施工操作的影响下能够自动保持平衡，避免船舶由于横纵倾角度过大危及船舶施工安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例深层搅拌船自主平衡系统的结构示意图；

图2为本发明实施例深层搅拌船自主平衡方法的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种深层搅拌船自主平衡系统及方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例深层搅拌船自主平衡系统的结构示意图。

如图1所示的一种深层搅拌船自主平衡系统，所述系统包括：管路系统和自动控制系统。

所述管路系统包括调倾压载水舱101、调倾泵组102、管路103和阀件104。

所述调倾压载水舱101包括第一调倾压载水舱1011、第二调倾压载水舱1012、第三调倾压载水舱1013、第四调倾压载水舱1014和第五调倾压载水舱1015。

所述第一调倾压载水舱1011和所述第二调倾压载水舱1012对称设置在所述深层搅拌船船艏的左右两舷。所述第三调倾压载水舱1013和所述第四调倾压载水舱1014对称设置在所述深层搅拌船船艉的左右两舷。所述第五调倾压载水舱1015设置于所述第三调倾压载水舱1013和所述第四调倾压载水舱1014的中间。所述第一调倾压载水舱1011、所述第二调倾压载水舱1012、所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014和所述第五调倾压载水舱1015通过所述管路103两两之间互相连接。通过调整所述调倾压载水舱101中水的重量来调节所述深层搅拌船的平衡。

所述第一调倾压载水舱1011和所述第二调倾压载水舱1012的容量相同，所述第三调倾压载水舱1013和所述第四调倾压载水舱1014的容量相同，所述第三调倾压载水舱1013的容量大于所述第一调倾压载水舱1011的容量。这是由于所述深层搅拌船的搅拌桩位于船艏位置，且搅拌桩具有一定的重量。故需要根据所述搅拌桩的重量确定所述第一调倾压载水舱1011、所述第二调倾压载水舱1012、所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014和所述第五调倾压载水舱1015的容量，使得船艏重量与船艉重量匹配。

所述调倾泵组102包括两台调横倾泵1021和三台调倾泵1022。

所述两台调横倾泵1021一用一备，当使用中的所述调横倾泵1021故障时，启用备用调横倾泵1021，保证系统的安全稳定运行。所述调横倾泵1021为轴向可逆轴流泵，流量为100m³/h，气压2.5bar。所述调横倾泵1021通过所述管路103与所述第一调倾压载水舱1011和所述第二调倾压载水舱1012连接，用于调节所述深层搅拌船的横倾。

所述三台调倾泵1022两用一备，当使用中的所述调倾泵1022故障时，启用备用调倾泵1022，保证系统的安全稳定运行。所述调倾泵1022为轴向可逆轴流泵，流量为600m³/h，气压2.0bar。所述调倾泵1022通过所述管路103与所有的所述调倾压载水舱101连接，用于调节所述深层搅拌船的横倾和纵倾。

本发明设置所述调横倾泵1021的流量为100m³/h，所述调倾泵1022的流量为600m³/h，所述调倾泵1022的流量较大。当所述深层搅拌船发生微小倾斜时，可以仅启动所述调横倾泵1021进行调节。当所述深层搅拌船发生较大倾斜时，可以选择启动大流量的所述调倾泵1022进行调节，或选择同时启动所述调横倾泵1021和所述调倾泵1022进行调节，使所述深层搅拌船迅速恢复平衡位置，保证施工安全。

所述管路103的流量需要与所述调横倾泵1021和所述调倾泵1022的流量相匹配。

所述阀件104设置于所述管路上。所述阀件104包括手动蝶阀1041、液动蝶阀1042和蝶式止回阀1043。所述手动蝶阀1041用于人工控制水的流向。所述液动蝶阀1042用于通过液压控制水的流向。所述蝶式止回阀1043用于防止水倒流。

通过控制所述调倾泵组102中所述调横倾泵1021和所述调倾泵1022的启停以及所述阀件104的开闭，可以在所述管路103中形成向指定调倾压载水舱101调水的通路，从而调节所述深层搅拌船的平衡。

每个所述调倾压载水舱101上都具有出入水口1016。所述出入水口1016包括外部注水口、外部排水口和内部输水口。所述外部注水口用于将所述调倾压载水舱101外部的水(例如海水)注入所述调倾压载水舱101中。所述外部排水口用于将所述调倾压载水舱101中的水排出到所述调倾压载水舱101外部，例如排出到海水中。在将所述调倾压载水舱101外部的水(例如海水)注入所述调倾压载水舱101之前，或将所述调倾压载水舱101中的水排出到所述调倾压载水舱101外部之前，需要对所述外部的水进行处理。

当所述深层搅拌船在施工过程中发生横倾时，例如所述深层搅拌船向右倾斜并且此时所述深层搅拌船吃水较深，并且位于船舶右舷的所述第二调倾压载水舱1012和所述第四调倾压载水舱1014中水的液位较高时，此时就可以打开位于船舶右舷的所述第二调倾压载水舱1012和所述第四调倾压载水舱1014上的所述外部排水口，将船舶右舷的所述第二调倾压载水舱1012和所述第四调倾压载水舱1014中的水排出到船舶外。此时右舷调倾压载水舱的重量减轻，从而产生与船舶右倾相反的力矩来纠正所述深层搅拌船的右倾，使船舶恢复正浮状态。

当所述深层搅拌船在施工过程中向左倾斜并且此时所述深层搅拌船吃水较浅，并且位于船舶右舷的所述第二调倾压载水舱1012和所述第四调倾压载水舱1014中水的液位较低时，就可以打开位于船舶右舷的所述第二调倾压载水舱1012和所述第四调倾压载水舱1014上的所述外部注水口，将船舶外部的水注入船舶右舷的所述第二调倾压载水舱1012和所述第四调倾压载水舱1014中。此时右舷调倾压载水舱的重量增加，从而产生与船舶左倾相反的力矩来纠正所述深层搅拌船的左倾，使船舶恢复正浮状态。

当所述深层搅拌船在施工过程中发生纵倾时，例如所述深层搅拌船向船艏倾斜且此时所述深层搅拌船吃水较深，并且位于船艏的所述第一调倾压载水舱1011和所述第二调倾压载水舱1012中水的液位较高时，此时就可以打开位于船艏的所述第一调倾压载水舱1011和所述第二调倾压载水舱1012上的所述外部排水口，将所述第一调倾压载水舱1011和所述第二调倾压载水舱1012中的水排出到船舶外。此时船艏调倾压载水舱的重量减轻，从而产生与向船艏方向纵倾相反的力矩来纠正所述深层搅拌船的纵倾，使船舶恢复正浮状态。

当所述深层搅拌船在施工过程中向船艏倾斜并且此时所述深层搅拌船吃水较浅，并且位于船艉的所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014和所述第五调倾压载水舱1015中水的液位较低时，就可以打开所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014和所述第五调倾压载水舱1015上的所述外部注水口，将船舶外部的水注入船艉的所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014和所述第五调倾压载水舱1015中。此时船艉调倾压载水舱的重量增加，从而产生与向船艏方向纵倾相反的力矩来纠正所述深层搅拌船的纵倾，使船舶恢复正浮状态。

所述内部输水口和所述管路103连接，用于将指定所述调倾压载水舱101中的水输出到其他所述调倾压载水舱101中，或者向指定所述调倾压载水舱101中输入其他所述调倾压载水舱101中输出的水。也就是用于将各所述调倾压载水舱101中的水进行互相调拨，以调整各所述调倾压载水舱101中水的重量。

当所述深层搅拌船在施工过程中发生横倾时，就可以通过对位于船舶左舷的所述第一调倾压载水舱1011、所述第三调倾压载水舱1013和位于船舶右舷的所述第二调倾压载水舱1012、所述第四调倾压载水舱1014中的水进行互相调拨，使左右舷的所述调倾压载水舱101中水的重量发生相应改变，从而产生与船舶横倾相反的力来纠正船舶的平衡，使船舶处于正浮状态，从而保证所述深层搅拌船的施工安全。

例如当所述深层搅拌船处于吃水水位适宜位置，但所述深层搅拌船向右倾斜时，可以通过控制所述调横倾泵1021或调倾泵1022的启停和所述阀件104的开闭，在所述管路103中形成向左舷调倾压载水舱调水的通路。此时打开所述第一调倾压载水舱1011、所述第二调倾压载水舱1012、所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014上的所述内部输水口，启动所述调倾泵1022将位于右舷的所述第二调倾压载水舱1012和所述第四调倾压载水舱1014中的水向位于左舷的所述第一调倾压载水舱1011和所述第三调倾压载水舱1013中调拨，逐渐调整船舶的横倾角度；还可以同时启动所述调横倾泵1021和所述调倾泵1022，所述调横倾泵1021将位于右舷的所述第二调倾压载水舱1012中的水向位于左舷的所述第一调倾压载水舱1011中调拨，同时所述调倾泵1022将位于右舷的所述第四调倾压载水舱1014中的水向位于左舷的所述第三调倾压载水舱1013中调拨，加快横倾调节速度。此时右舷调倾压载水舱的重量逐渐减轻，左舷调倾压载水舱的重量逐渐增加，从而产生与船舶右倾相反的力矩来纠正所述深层搅拌船的右倾，使船舶恢复正浮状态。

同样，当所述深层搅拌船处于吃水水位适宜位置，但所述深层搅拌船向船艏倾斜时，可以通过控制所述调倾泵1022的启停和所述阀件104的开闭，在所述管路103中形成向船艉调倾压载水舱调水的通路。此时打开所述第一调倾压载水舱1011、所述第二调倾压载水舱1012、所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014上的所述内部输水口，将位于船艏的所述第一调倾压载水舱1011和所述第二调倾压载水舱1012中的水向位于船艉的所述第三调倾压载水舱1013和所述第四调倾压载水舱1014中调拨，逐渐调整船舶的纵倾角度。此时船艏调倾压载水舱的重量逐渐减轻，船艉调倾压载水舱的重量逐渐增加，从而产生与向船艏方向纵倾相反的力矩来纠正所述深层搅拌船的纵倾，使船舶恢复正浮状态。

所述自动控制系统包括吃水传感器105(图中未示出)、倾斜仪106(图中未示出)、液位开关107和PLC控制系统108(图中未示出)。

所述PLC控制系统108包括PLC控制主站1081和PLC控制从站1082。所述PLC从站1082设置于所述深层搅拌船机舱左右两舷的现场采集箱内，主要负责与外部设备的接口，包括执行信号的采集和执行控制指令的发送。

所述PLC主站1081和所述倾斜仪106设置于所述深层搅拌船操纵室的集中控制台上。

所述PLC控制系统108还包括处理器、通讯模块、I/O模板、直流双回路供电电源、信号隔离器、中间继电器等相关元件及控制软件。

所述吃水传感器105的数量至少为四个，分别设置在所述深层搅拌船底部的四角，所述吃水传感器105的信号输出端与所述PLC从站1082的第一信号输入端连接。所述吃水传感器105用于检测所述深层搅拌船底部四角的吃水水位，并将所述吃水水位信号传输给所述PLC从站1082。

所述倾斜仪106设置在所述深层搅拌船操纵室的集中控制台上，所述倾斜仪106的信号输出端与所述PLC从站1082的第二信号输入端连接。所述倾斜仪106用于检测所述深层搅拌船的倾斜角度和倾斜方向，并将所述倾斜角度和倾斜方向传输给所述PLC从站1082。所述倾斜角度和倾斜方向既包括所述深层搅拌船的横倾角度和横倾方向，也包括所述深层搅拌船的纵倾角度和纵倾向。

所述液位开关107设置在所述调倾压载水舱101内，所述液位开关107的信号输出端与所述PLC从站1082的第三信号输入端连接。所述液位开关107用于检测所述调倾压载水舱101中水的液位，并将所述液位信号传输给所述PLC从站1082。所述液位开关107中还设置有高液位检测开关1071和低液位检测开关1072。

所述高液位检测开关1071用于检测所述调倾压载水舱101中水的液位是否达到高液位限值，当所述调倾压载水舱101中水的液位达到所述高液位限值时，所述高液位检测开关1071输出高液位报警信号并传输给所述PLC从站1082。

所述低液位检测开关1072用于检测所述调倾压载水舱101中水的液位是否达到低液位限值，当所述调倾压载水舱101中水的液位达到所述低液位限值时，所述低液位检测开关1071输出低液位报警信号并传输给所述PLC从站1082。

所述调倾泵组102的信号输出端与所述PLC从站1082的第四信号输入端连接，用于检测所述调倾泵组102中两台调横倾泵1021和三台调倾泵1022的启停状态。

各所述阀件104的信号输出端与所述PLC从站1082的第五信号输入端连接，用于检测各阀件的开闭状态。所述阀件104包括多个手动蝶阀1041、多个液动蝶阀1042和多个蝶式止回阀1043。所述PLC从站1082的第五信号输入端包括多个I/O口，每个I/O口用于采集一个所述阀件104的开闭状态信号。

所述出入水口1016的信号输出端与所述PLC从站1082的第十信号输入端连接，用于检测各出入水口1016的开闭状态。

所述自动控制系统还包括多个仪器仪表109，所述仪器仪表109设置在所述管路103上，包括压力传感器1091、压力表1092和真空压力表1093。

每个所述调横倾泵1021的连接管路上均设置一组压力传感器1091、压力表1092和真空压力表1093，对于所述调横倾泵1021，所述压力传感器1091和所述压力表1092设置在所述调横倾泵1021和距离所述调横倾泵1021最近的所述蝶式止回阀1043之间。所述真空压力表1093设置于所述调横倾泵1021和距离所述调横倾泵1021最近的所述液动蝶阀1042之间。

每个所述调倾泵1022的连接管路上也均设置一组压力传感器1091、压力表1092和真空压力表1093，对于所述调倾泵1022，所述压力传感器1091和所述压力表1092设置在所述调倾泵1022和距离所述调倾泵1022最近的所述蝶式止回阀1043之间。所述真空压力表1093设置于所述调倾泵1022和距离所述调倾泵1022最近的所述液动蝶阀1042之间。

各所述压力传感器1091的信号输出端与所述PLC从站1082的第七信号输入端连接，用于检测所述管路103的压力，并将所述压力转换为压力电信号输出给所述PLC从站1082。

各所述压力表1092的信号输出端与所述PLC从站1082的第八信号输入端连接，用于获取所述调倾泵组102的排压并传输给所述PLC从站1082。

各所述真空压力表1093的信号输出端与所述PLC从站1082的第九信号输入端连接，用于检测所述调倾泵组102的吸入真空，获得吸入真空信号，并将所述吸入真空信号传输给所述PLC从站1082。

各所述压力传感器1091通过压力传感器阀件与所述管路103连接，所述压力传感器阀件用于控制所述压力传感器1091与所述管路103的连接状态。当需要更换所述压力传感器1091时，可关闭所述压力传感器阀件进行更换。当不需要检测某段管路103的压力时，也可关闭管路103对应的所述压力传感器阀件。

各所述压力表1092通过压力表阀与所述管路103连接，用于控制所述压力表1092与所述管路103的连通状态。

各所述真空压力表1093通过真空压力表阀与所述管路103连接，用于控制所述真空压力表1093与所述管路103的连通状态。

所述PLC从站1082的第一信号输出端与所述PLC主站1081的信号输入端连接，用于将所述吃水传感器105采集的所述吃水水位信号、所述倾斜仪106采集的所述倾斜角度和倾斜方向、所述液位开关107采集的所述液位、所述高液位检测开关1071测得的所述高液位报警信号、所述低液位检测开关1072测得的所述低液位报警信号、所述调倾泵组102的启停状态信号、所述阀件104的开闭状态信号、所述出入水口1016的开闭状态信号、所述管路103的所述压力信号、所述调倾泵组102的排压信号和吸入真空信号传输给所述PLC主站1081。

所述PLC从站1082的所述第一至第四信号输出端包括多个I/O口，每个I/O口用于传输一路信号。同样，所述PLC从站1082的所述第一至第十信号输入端也分别具有多个I/O口，每个I/O口用于传输一路信号。

所述自动控制系统还包括监控电脑工作站，所述监控电脑工作站包括计算机110和网络通讯设备，所述网络通讯设备包括网络交换机111、网关112和通讯总线113。

所述网络交换机111通过所述通讯总线113分别与所述计算机110、所述PLC主站1081和所述网关112连接，用于所述计算机110、所述PLC主站1081和所述网关112之间的数据交互。

所述通讯总线113用于将设备采集的信号转换为网络信号，使所述网络信号通过所述网络交换机111进行数据交换。

所述网关112包括潮位遥报仪网关和备用串口网关。所述潮位遥报仪网关通过所述网络交换机111与所述计算机110连接，用于将实时采集的潮位数据进行涌浪抑制、智能筛选等数字化处理后，将其转化为潮位信息并发送给所述计算机110。所述备用串口网关通过所述网络交换机111与所述计算机110连接，作为备用串口备用。

所述PLC主站1081通过所述网络交换机111将所述吃水水位信号、所述倾斜角度和倾斜方向、所述液位、所述高液位报警信号、所述低液位报警信号、所述调倾泵组102的启停状态信号、所述阀件104的开闭状态信号、所述出入水口1016的开闭状态信号、所述管路103的压力信号、所述调倾泵组102的排压信号和所述吸入真空信号传输给所述计算机110并显示。

所述计算机110上设置有深层搅拌船自主平衡系统控制软件，在所述软件的界面上显示所述吃水水位信号、所述倾斜角度和倾斜方向、所述液位、所述高液位报警信号、所述低液位报警信号、所述调倾泵组102的启停状态信号、所述阀件104的开闭状态信号、所述出入水口1016的开闭状态信号、所述管路103的压力信号、所述调倾泵组102的排压信号和所述吸入真空信号，并能通过所述界面对所述调倾泵组102的启停状态、所述阀件104的开闭状态和所述出入水口1016的开闭状态进行控制。

所述深层搅拌船自主平衡系统控制软件基于所述深层搅拌船自主平衡系统的硬件设计及施工管理系统的外部接口，采集底层硬件数据和外部接口数据实现船舶调倾、调载相关功能的数据监测及设备控制。

所述计算机110中还存储有预配载方案，所述预配载方案中记载了不同的所述吃水水位、所述倾斜角度和倾斜方向、所述液位、所述调倾泵组102的启停状态、所述阀件104的开闭状态、所述出入水口1016的开闭状态、所述压力、所述排压和不同的所述吸入真空下的不同配载方案。用于根据所述预配载方案生成所述调倾泵组102、所述阀件104和所述出入水口1016的自动控制信号。

所述计算机109将所述自动控制信号通过所述网络交换机111发送给所述PLC主站1081。

所述PLC主站1081的信号输出端与所述PLC从站1082的第六信号输入端连接，用于将所述自动控制信号发送给所述PLC从站1082。

所述PLC从站1082的第二信号输出端与所述调倾泵组102的控制器连接，用于根据所述自动控制信号控制所述调横倾泵1021和所述调倾泵1022的启停。

所述PLC从站1082的第三信号输出端与所述阀件103的控制端连接，用于根据所述自动控制信号控制各所述阀件103的开闭。

所述PLC从站1082的第四信号输出端与所述出入水口1016的控制端连接，用于根据所述自动控制信号控制所述出入水口1016的的开闭。

通过控制所述调倾泵组102的启停、所述阀件103和所述出入水口1016的开闭控制所述管路103中水的流向，还通过所述出入水口1016的开闭控制各所述调倾压载水舱101的外部水吸入量和排出量，来调整各所述调倾压载水舱101中的所述液位达到所述预配载方案中设定的液位设定值。当各所述调倾压载水舱101中的所述液位逐渐达到所述预配载方案中设定的液位设定值的过程中，所述深层搅拌船的倾斜角度也逐渐减小，在调整达到设定的倾斜角度时，所述深层搅拌船自主平衡系统停止工作。

当所述PLC主站1081未连接所述计算机110时，由所述PLC主站1081对所述吃水水位、所述倾斜角度和倾斜方向、所述液位、所述调倾泵组102的启停状态、所述阀件104的开闭状态、所述出入水口1016的开闭状态、所述管路103的压力信号、所述调倾泵组102的排压信号和所述吸入真空信号进行逻辑运算和处理，生成所述自动控制信号，并直接将所述自动控制信号传输给所述PLC从站1082进行控制。

本发明所述的深层搅拌船自主平衡系统，可根据所述吃水传感器、所述倾斜仪等设备实时采集的各参数自动控制所述调倾泵组的起停、所述阀件和所述出入水口的开闭，来调整各个所述调倾压载水舱的水位，使得不论处理机升降高度处于任何位置，船舶始终处于施工允许的浮态范围内，避免了所述深层搅拌船的搅拌桩因长度长，刚性差，受力后产生的力矩较大，在交变载荷下容易发生形变甚至破坏的现象发生，保证了安全施工条件。

图2为本发明实施例深层搅拌船自主平衡方法的方法流程图。

参见图2，一种深层搅拌船自主平衡方法，所述方法应用于所述深层搅拌船自主平衡系统，所述方法包括：

步骤201：获取所述深层搅拌船底部四角的吃水水位、各所述调倾压载水舱的液位、所述深层搅拌船的横倾角度和所述深层搅拌船的横倾方向。

船舶的姿态可以通过吃水传感器或倾斜仪获得，以此得到的数据，作为所述深层搅拌船自主平衡方法的调整依据。

其中，所述深层搅拌船的横倾角度和所述深层搅拌船的横倾方向可由所述倾斜仪106测得，也可根据所述深层搅拌船底部四角的吃水水位计算得到。

步骤202：根据所述吃水水位计算所述深层搅拌船的纵倾角度和纵倾方向。

其中，所述深层搅拌船的纵倾角度和纵倾方向可根据所述深层搅拌船底部四角的吃水水位计算得到，也可以由所述倾斜仪106测得。

步骤203：根据所述横倾角度、所述横倾方向、所述纵倾角度、所述纵倾方向和所述液位调整各所述调倾压载水舱中的所述液位，使所述液位达到使所述深层搅拌船恢复平衡位置的液位设定值。

所述步骤203具体包括：

步骤2031：根据所述吃水水位判断所述深层搅拌船的吃水深度等级，所述吃水深度等级包括浅水位、适中水位和深水位。所述深水位等级下所述深层搅拌船的吃水深度大于所述适中水位等级下所述深层搅拌船的吃水深度，所述适中水位等级下所述深层搅拌船的吃水深度大于所述浅水位等级下所述深层搅拌船的吃水深度。

步骤2032：根据所述液位判断各所述调倾压载水舱中水的液位等级，所述液位等级包括低液位、适中液位和高液位。所述高液位等级下所述调倾压载水舱中水的液位高于所述适中液位等级下所述调倾压载水舱中水的液位，所述适中液位等级下所述调倾压载水舱中水的液位高于所述低液位等级下所述调倾压载水舱中水的液位。

可选的，所述方法还包括：

获取所述深层搅拌船的各所述调倾压载水舱的液位；

判断所述液位是否高于设定的液位上限值或是否低于液位下限值；

当所述液位高于液位上限值时，发出高液位报警；

当所述液位低于液位下限值时，发出低液位报警。

步骤2033：判断所述横倾角度、所述横倾方向、所述纵倾角度和所述纵倾方向。

步骤2034：根据所述吃水深度等级、所述液位等级、所述横倾角度、所述横倾方向、所述纵倾角度和所述纵倾方向生成自动控制信号，根据所述自动控制信号调整所述深层搅拌船的平衡。

本发明所述深层搅拌船自主平衡方法的原理之一是：通过所述吃水传感器、所述倾斜仪采集的信号计算出现在船舶的倾斜角度，自动启动调倾泵组并打开相应的阀门，使整个系统形成向指定调倾压载水舱调水的通路，开始调整船舶的倾斜角度。实时采集并计算船舶的倾斜角度，在调整达到系统设定的倾斜角度时，自主调倾压载水系统停止工作。

也就是当所述深层搅拌船在施工过程中发生横倾时，就可以通过对位于船舶左舷的所述第一调倾压载水舱1011、所述第三调倾压载水舱1013和位于船舶右舷的所述第二调倾压载水舱1012、所述第四调倾压载水舱1014中的水进行互相调拨，使左右舷的所述调倾压载水舱101中水的重量发生相应改变，从而产生与船舶横倾相反的力来纠正船舶的平衡，使船舶处于正浮状态，从而保证所述深层搅拌船的施工安全。

因此所述步骤2034具体包括：

当所述横倾角度大于1度，所述纵倾角度小于1度，且所述横倾方向表示向右倾斜时，如果判断所述深层搅拌船处于适中水位等级，则控制所述调横倾泵1021或调倾泵1022的启停和所述阀件104的开闭，在所述管路103中形成向左舷调倾压载水舱调水的通路，具体为：

通过自动控制信号打开所述第一调倾压载水舱1011、所述第二调倾压载水舱1012、所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014上的所述内部输水口，启动所述调倾泵1022将位于右舷的所述第二调倾压载水舱1012和所述第四调倾压载水舱1014中的水向位于左舷的所述第一调倾压载水舱1011和所述第三调倾压载水舱1013中调拨，逐渐调整船舶的横倾角度；

或通过自动控制信号同时启动所述调横倾泵1021和所述调倾泵1022，所述调横倾泵1021将位于右舷的所述第二调倾压载水舱1012中的水向位于左舷的所述第一调倾压载水舱1011中调拨，同时所述调倾泵1022将位于右舷的所述第四调倾压载水舱1014中的水向位于左舷的所述第三调倾压载水舱1013中调拨，加快横倾调节速度。此时右舷调倾压载水舱的重量逐渐减轻，左舷调倾压载水舱的重量逐渐增加，从而产生与船舶右倾相反的力矩来纠正所述深层搅拌船的右倾，使船舶恢复正浮状态。

当所述横倾角度小于1度，所述纵倾角度大于1度，且所述纵倾方向表示所述深层搅拌船向船艏方向倾斜时，如果判断所述深层搅拌船处于适中水位等级，则通过所述自动控制信号打开所述第一调倾压载水舱1011、所述第二调倾压载水舱1012、所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014和所述第五调倾压载水舱1015上的所述内部输水口，通过所述自动控制信号启动所述调倾泵1022，并通过所述自动控制信号打开所述第一调倾压载水舱1011与所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014和所述第五调倾压载水舱1015连接的管路上的阀件，关闭所述第一调倾压载水舱1011和所述第二调倾压载水舱1012连接的管路上的阀件；打开所述第二调倾压载水舱1012与所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014和所述第五调倾压载水舱1015连接的管路上的阀件，关闭所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014和所述第五调倾压载水舱1015之间互相连接的管路上的阀件；将位于船艏的所述第一调倾压载水舱1011和所述第二调倾压载水舱1012中的水向位于船艉的所述第三调倾压载水舱1013和所述第四调倾压载水舱1014中调拨，逐渐调整船舶的纵倾角度。

此时船艏调倾压载水舱的重量逐渐减轻，船艉调倾压载水舱的重量逐渐增加，从而产生与向船艏方向纵倾相反的力矩来纠正所述深层搅拌船的纵倾，使船舶恢复正浮状态。当所述纵倾角度达到系统设定的倾斜角度(小于1度)时，通过所述自动控制信号控制所述调倾泵1022停止、所述内部输水口和所述阀件关闭。

本发明所述深层搅拌船自主平衡方法的原理之二是：通过所述吃水传感器、所述倾斜仪采集的信号计算出现在船舶的倾斜角度，自动打开或关闭指定调倾压载水舱的外部注水口或外部排水口，将指定调倾压载水舱的水排出，向指定调倾压载水舱中注入船舶外部的水，开始调整船舶的倾斜角度。实时采集并计算船舶的倾斜角度，在调整达到系统设定的倾斜角度时，自主调倾压载水系统停止工作。

因此所述步骤2034还包括：

当所述横倾角度大于1度，所述纵倾角度小于1度，且所述横倾方向表示向右倾斜时，如果判断所述深层搅拌船处于深水位等级，并且位于船舶右舷的所述第二调倾压载水舱1012和所述第四调倾压载水舱1014中水的液位处于高液位等级时，通过所述自动控制信号打开位于船舶右舷的所述第二调倾压载水舱1012和所述第四调倾压载水舱1014上的所述外部排水口，将船舶右舷的所述第二调倾压载水舱1012和所述第四调倾压载水舱1014中的水排出到船舶外。此时右舷调倾压载水舱的重量减轻，从而产生与船舶右倾相反的力矩来纠正所述深层搅拌船的右倾，使船舶恢复正浮状态。

当所述横倾角度大于1度，所述纵倾角度小于1度，且所述横倾方向表示向左倾斜时，如果判断所述深层搅拌船处于浅水位等级，并且位于船舶右舷的所述第二调倾压载水舱1012和所述第四调倾压载水舱1014中水的液位处于低液位等级时，通过所述自动控制信号打开位于船舶右舷的所述第二调倾压载水舱1012和所述第四调倾压载水舱1014上的所述外部注水口，将船舶外部的水注入船舶右舷的所述第二调倾压载水舱1012和所述第四调倾压载水舱1014中。此时右舷调倾压载水舱的重量增加，从而产生与船舶左倾相反的力矩来纠正所述深层搅拌船的左倾，使船舶恢复正浮状态。当所述第二调倾压载水舱1012和所述第四调倾压载水舱1014中的液位到达所述液位设定值时，所述横倾角度达到系统设定的倾斜角度(小于1度)，通过所述自动控制信号控制所述外部注水口关闭。

当所述横倾角度小于1度，所述纵倾角度大于1度，且所述纵倾方向表示向船艏倾斜时，如果判断所述深层搅拌船处于深水位等级，并且位于船艏的所述第一调倾压载水舱1011和所述第二调倾压载水舱1012中水的液位处于高液位等级时，通过所述自动控制信号打开位于船艏的所述第一调倾压载水舱1011和所述第二调倾压载水舱1012上的所述外部排水口，将所述第一调倾压载水舱1011和所述第二调倾压载水舱1012中的水排出到船舶外。此时船艏调倾压载水舱的重量减轻，从而产生与向船艏方向纵倾相反的力矩来纠正所述深层搅拌船的纵倾，使船舶恢复正浮状态。当所述第一调倾压载水舱1011和所述第二调倾压载水舱1012中的液位到达所述液位设定值时，所述纵倾角度达到系统设定的倾斜角度(小于1度)，通过所述自动控制信号控制所述外部排水口关闭。

当所述横倾角度小于1度，所述纵倾角度大于1度，且所述纵倾方向表示向船艏倾斜时，如果判断所述深层搅拌船处于浅水位等级，并且位于船艉的所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014和所述第五调倾压载水舱1015中水的液位处于低液位等级时，通过所述自动控制信号打开所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014和所述第五调倾压载水舱1015上的所述外部注水口，将船舶外部的水注入船艉的所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014和所述第五调倾压载水舱1015中。此时船艉调倾压载水舱的重量增加，从而产生与向船艏方向纵倾相反的力矩来纠正所述深层搅拌船的纵倾，使船舶恢复正浮状态。当所述第三调倾压载水舱1013、所述第四调倾压载水舱1014和所述第五调倾压载水舱1015中水的液位到达所述液位设定值时，所述纵倾角度达到系统设定的倾斜角度(小于1度)，通过所述自动控制信号控制所述外部注水口关闭。

以上只列举了所述步骤2034的几种具体实施方式，根据本发明提供的深层搅拌船自主平衡方法的工作原理，推理出的在不同倾斜角度、不同倾斜方向、不同液位等级和不同吃水深度等级下所述深层搅拌船的自主平衡方法，均属于本发明保护的范围。

本发明所述的深层搅拌船自主平衡方法，可根据所述吃水传感器105、所述倾斜仪106、所述液位开关107采集的吃水水位、倾斜角度、倾斜方向和液位等实时参数自动控制所述调倾水泵组102的起停、所述阀件103和所述出入水口1016的开闭，从而自动调整各个所述调倾压载水舱101中水的液位，使得不论处理机升降高度处于任何位置，船舶始终处于施工允许的浮态范围内，且控制船舶倾斜角度在1度范围内。避免了深层搅拌船的搅拌桩因长度长，刚性差，受力后产生的力矩较大，在交变载荷下容易发生形变甚至破坏的现象发生，保证了施工安全。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种深层搅拌船自主平衡系统，其特征在于，包括：管路系统和自动控制系统；

所述管路系统包括调倾压载水舱、调倾泵组、管路和阀件；

所述调倾压载水舱包括第一调倾压载水舱、第二调倾压载水舱、第三调倾压载水舱、第四调倾压载水舱和第五调倾压载水舱；所述第一调倾压载水舱和所述第二调倾压载水舱对称设置在所述深层搅拌船的船艏的两舷；所述第三调倾压载水舱和所述第四调倾压载水舱对称设置在所述深层搅拌船的船艉的两舷；所述第五调倾压载水舱设置于所述第三调倾压载水舱和所述第四调倾压载水舱的中间；所述第一调倾压载水舱、所述第二调倾压载水舱、所述第三调倾压载水舱、所述第四调倾压载水舱和所述第五调倾压载水舱通过所述管路两两之间互相连接；每个所述调倾压载水舱上都具有出入水口；

所述调倾泵组包括调横倾泵和调倾泵；所述调横倾泵通过所述管路分别与所述第一调倾压载水舱和所述第二调倾压载水舱连接；所述调倾泵通过所述管路与所有的所述调倾压载水舱连接；

所述阀件设置于所述管路上；

所述自动控制系统包括吃水传感器、倾斜仪、液位开关和PLC控制系统；

所述PLC控制系统包括PLC控制主站和PLC控制从站；

所述吃水传感器设置在所述深层搅拌船底部的四角，所述吃水传感器的信号输出端与所述PLC从站的第一信号输入端连接；

所述倾斜仪设置在所述深层搅拌船的操纵室的集中控制台上，所述倾斜仪的信号输出端与所述PLC从站的第二信号输入端连接；

所述液位开关设置在所述调倾压载水舱内，所述液位开关的信号输出端与所述PLC从站的第三信号输入端连接；

所述调倾泵组的信号输出端与所述PLC从站的第四信号输入端连接；所述阀件的信号输出端与所述PLC从站的第五信号输入端连接；

所述PLC从站的第一信号输出端与所述PLC主站的信号输入端连接；

所述PLC主站的信号输出端与所述PLC从站的第六信号输入端连接；

所述PLC从站的第二输出端与所述调倾泵的控制器连接；所述PLC从站的第三输出端与所述阀件的控制端连接；所述PLC从站的第四输出端与所述出入水口的控制端连接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述出入水口包括外部注水口、外部排水口和内部输水口。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一调倾压载水舱和所述第二调倾压载水舱的容量相同，所述第三调倾压载水舱和所述第四调倾压载水舱的容量相同，所述第三调倾压载水舱的容量大于所述第一调倾压载水舱的容量。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调横倾泵的流量小于所述调倾泵的流量。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阀件包括手动蝶阀、液动蝶阀和蝶式止回阀。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述自动控制系统还包括多个仪器仪表，所述仪器仪表设置在所述管路上，包括压力传感器、压力表和真空压力表；

所述压力传感器和所述压力表设置在所述调倾泵和距离所述调倾泵最近的所述蝶式止回阀之间；所述压力传感器的信号输出端与所述PLC从站的第七信号输入端连接；

所述压力表的信号输出端与所述PLC从站的第八信号输入端连接；

所述真空压力表设置于所述调倾泵和距离所述调倾泵最近的所述液动蝶阀之间；所述真空压力表的信号输出端与所述PLC从站的第九信号输入端连接。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PLC从站设置于所述深层搅拌船的机舱左右两舷的现场采集箱内，所述PLC主站设置于所述深层搅拌船的操纵室的所述集中控制台上。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述自动控制系统还包括监控电脑工作站，所述监控电脑工作站包括计算机和网络通讯设备，所述网络通讯设备包括网络交换机、网关和通讯总线；

所述网络交换机通过所述通讯总线分别与所述计算机、所述PLC主站和所述网关连接。

9.一种深层搅拌船自主平衡方法，所述方法应用于权利要求1-8任一项所述的深层搅拌船自主平衡系统，其特征在于，包括：

获取所述深层搅拌船底部四角的吃水水位、各所述调倾压载水舱的液位、所述深层搅拌船的横倾角度和所述深层搅拌船的横倾方向；

根据所述吃水水位计算所述深层搅拌船的纵倾角度和纵倾方向；

根据所述横倾角度、所述横倾方向、所述纵倾角度、所述纵倾方向和所述液位调整各所述调倾压载水舱中的所述液位，使所述液位达到使所述深层搅拌船恢复平衡位置的液位设定值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取所述深层搅拌船的各所述调倾压载水舱的液位；

判断所述液位是否高于设定的液位上限值或是否低于液位下限值；

当所述液位高于所述液位上限值时，发出高液位报警；

当所述液位低于所述液位下限值时，发出低液位报警。

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