CN108442446B - 耙吸挖泥船全自动挖泥控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种耙吸挖泥船挖泥全自动控制系统，包括船上既有的手动控制PLC、疏浚管路、疏浚闸阀、高压水管路、高压冲水蝶阀、液压泵、封水泵、闸阀冲水泵，疏浚闸阀在疏浚管路上的布置以及高压冲水闸阀在高压水管路的设置为耙吸船已有技术，其特征在于,还包括主控PLC以及受主控PLC控制的疏浚管系闸阀自动控制子系统、自动泥泵控制子系统、高压冲水控制子系统、自动低浓度排放控制子系统、耙臂绞车自动控制子系统、主动耙头控制子系统、装载吃水控制子系统，该全自动控制系统设计运行在主控PLC系统上，每个功能子系统通过控制本系统内执行机构运作来协同其它功能子系统从而在确保疏浚安全的前提下实现整个挖泥系统全自动工作过程。

Description

耙吸挖泥船全自动挖泥控制系统及方法

技术领域

本发明属于海洋疏浚工程技术领域，具体为耙吸挖泥船全自动挖泥控制方法。

背景技术

耙吸挖泥船系一种特别工程船，装有耙头、耙管、泥泵、泥舱、泥门、抽舱门、高压冲水泵等特种装置，在慢速航行中自水底耙吸泥沙装舱，装满后快速航行至抛泥区卸泥或吹岸。传统是由手动控制PLC控制上述设备进行手动施工作业。

耙吸挖泥船挖泥各个过程控制不同的对象。施工过程中船舶驾驶人员既要在繁忙的港口航道中控制船舶航行，又要发出疏浚指令，这使他们思维处于高度的压力和紧张的状态，此时就有可能导致发出错误的航行和疏浚指令，造成安全事故。疏浚作业是船舶航行和挖泥相结合的操作，而船舶驾控人员又是由多人分别操纵，所以船员间经常因不默契或其他原因误解对方的施工思路，影响施工效率，严重时会造成船舶安全事故。

发明内容

本发明首次提出耙吸挖泥船全自动挖泥控制方法，可以解决传统施工手动操作中的上述问题。本发明可以实现耙吸挖泥船挖泥全自动控制“一人桥楼”技术，实现船舶挖泥施工自动化，可以保障挖泥设备安全，提升挖泥效率，减少人工成本和燃油消耗。

本发明需要保护的技术方案概括为：

一种耙吸挖泥船挖泥全自动控制系统，包括船上既有的手动控制PLC、疏浚管路、疏浚闸阀、高压水管路、高压冲水蝶阀、液压泵、封水泵、闸阀冲水泵，疏浚闸阀在疏浚管路上的布置以及高压冲水闸阀在高压水管路的设置为耙吸船已有技术，其特征在于,还包括主控PLC以及受主控PLC控制的疏浚管系闸阀自动控制子系统、自动泥泵控制子系统、高压冲水控制子系统、自动低浓度排放控制子系统、耙臂绞车自动控制子系统、主动耙头控制子系统、装载吃水控制子系统，该全自动控制系统设计运行在主控PLC系统上，每个功能子系统通过控制本系统内执行机构运作来协同其它功能子系统从而在确保疏浚安全的前提下实现整个挖泥系统全自动工作过程。

全自动挖泥调用关系如图1所示。

所述疏浚管系闸阀控制子系统根据工况和流程自动打开关闭疏浚管路上18个疏浚闸阀，使对应的管路畅通。该子系统包括手动控制PLC、疏浚管系闸阀控制器(可简称为：ADSS)，通过手动控制PLC用于控制各类疏浚闸阀的打开、闭合，形成不同的模式组合。

所述疏浚管系闸阀控制器定义了11种自动预置模式，各个模式的控制算法为现有技术，如下：

注：

X：在此模式下该阀门的状态无关紧要，可不作考虑。

C：在此模式下在整个设定过程中，它是关闭的。

C¹：在挖泥模式下开始是关闭，在后来允许其打开。

C²：在吹填模式下开始是关闭，在后来允许其打开。

O：在此模式下在整个设置过程中，它是打开的。

O¹：在挖泥模式下开始是打开的，在后来允许其关闭。

O²：在吹填模式下开始是打开的，在后来允许其关闭。

所述泥泵控制子系统用于调节泥泵转速以保持泥浆管路合理的泥浆浓度和流速。该子系统包括手动控制PLC、泥泵、泥泵控制器(可简称为：APC)、泥浆浓度计、泥浆流速计、泥泵吸入真空传感器、泥泵排出压力传感器。所述泥浆浓度计、泥浆流速计安装于疏浚管路上用于采集进入管路的挖掘泥浆浓度和流速信息，该信息通过手动控制PLC提供给主控PLC并供系统内各个功能子系统调用。所述吸入真空传感器、排出压力传感器分别安装于所述泥泵的吸入端和排出端，用于采集泥泵的吸入真空度及排出压力信息，该信息通过手动控制PLC提供给主控PLC并供泥泵控制器及其它子系统调用。所述泥泵控制器输出通过手动控制PLC与泥泵的变频器连接，用于驱动电机调节泥泵的转速，最终达到调节泥浆浓度和流速的目的。

所述泥泵控制器通过泥泵转速寻优算法来调节泥泵转速，从而实现对管路内泥浆浓度和流速的监控。所述泥泵转速寻优算法表征如下：

所述低浓度排放控制子系统包括手动控制PLC、低浓度排放控制器，该低浓度排放控制器(可简称为：ALMO)通过监测主控PLC处实时的泥浆流速及浓度从而通过手动控制PLC控制“进舱闸阀(D011-D014)”和“旁通闸阀(D009-D010)”的组合动作来选择决定当前疏浚管路中合适的泥浆进舱或者排出舷外。

排放控制算法如下：

所述高压冲水控制子系统，在挖泥过程中高压冲水控制子系统形成高压水并由耙头喷出，对耙头起到辅助破土和搅拌的作用，同时通过实时调节耙头搅拌状态达到调节使得挖泥浓度最优，进而大大提高了挖泥效率。

该子系统包括手动控制PLC、高压冲水管路、高压冲水控制器(可简称为：AJC)、高压冲水泵、压力传感器，关系为：所述高压冲水管路的输出端为耙头，能喷出高压水。所述高压冲水泵用于形成高压水并通过调节转速来控制高压冲水管路的水压。所述压力传感器设置于高压冲水泵的排出端用于采集高压冲水管路内高压水的压力，该信息通过手动控制PLC提供给高压冲水控制器。所述的高压冲水控制器的输出通过手动控制PLC与高压冲水泵的变频器连接，根据当前施工土质和系统参数设定，通过高压冲水控制器的寻优算法来控制驱动电机调节高压冲水泵的转速，从而调节排出的水压，对耙头泥土进行不同程度的搅拌，最终达到调节泥浆浓度的目的。

所述高压冲水寻优算法为PID控制算法，控制模型利用实时的高压冲水压力和主控PLC处实时泥浆浓度信息，以高压冲水压力和泥浆浓度信息各自当前参数及目标参数做比较从而构成闭环反馈来设计，针对不同挖泥土质设定高压冲水压力和挖泥浓度的目标值。该高压冲水寻优算法表征如下：

所述耙臂绞车自动控制子系统包括手动控制PLC、耙臂绞车自动控制器(STAWC)、耙管绞车和波浪补偿器，所述耙臂绞车控制器(STAWC)通过手动控制PLC控制耙管绞车和波浪补偿器实现耙头的定深控制，同时通过手动控制PLC检测调整耙管间夹角、耙管与船体距离来保障设备和船体的安全。所述耙管绞车全自动控制模块又包括弯管绞车控制模块、耙中绞车控制模块、耙头绞车控制模块，所述弯管绞车控制模块用于检测并确保弯管下放至吸口位置，为后续耙中绞车、耙头绞车的控制提供基准深度；所述耙中绞车控制模块用于控制耙中绞车跟随耙头绞车动作，控制目标是保持耙臂姿态始终处于一条直线；所述耙头绞车控制模块用于控制耙头下放到目标深度，包括对波浪补偿器控制和定深控制，使船舶在设定挖深及波浪补偿器设定补偿范围内施工。

所述主动耙头控制子系统包括主动耙头控制器(ADHC)，所述主动耙头控制器(ADHC)：保证安全的情况下使耙唇保持设定对地角度，并可在深挖模式下，确保耙唇切削较厚的泥层，系统通过对耙唇油缸收放控制实现以上功能。所述主动耙头控制模块的功能是在保证主动耙头安全下使耙唇保持贴地，通过设置动作持续时间T1、动作间隔时间T2、自动进给压力P1、蓄能器恒张力压力P2和角度死区β的四个控制参数，控制油缸收放用于调整耙唇使其始终保持贴地。当耙头阻力增大，耙唇油缸压力超过蓄能器设定值P2时，液压系统将被动收回油缸而将耙唇抬起。由于耙唇的蓄能器动作是单向的，耙唇油缸的推出必须由液压泵提供能量(此仅适应现有技术的设备条件和情况，不属于技术方案创新点)。耙头自动控制模块不断检测油缸行程，当角度变化超越了角度死区β，在设定的时间间隔T2内，耙头自动控制模块控制油缸以压力P1推出，每次油缸动作持续时间为T1,直至耙唇角度回到初始设定值，若在T2时间间隔内，耙唇角度无法回到初始设定值，通过液压泵收缩耙唇处于最大角度。

所述装载吃水控制子系统包括装载吃水控制器(可简称为：ALDC)，用于判断什么时候开始溢流，什么时候舱已经装满，由此决定结束本船次挖泥。装载吃水控制算法为：以进入施工区域后的某一船次挖泥装舱曲线作为参照，在后续的船次作业中通过对比装舱曲线的切线斜率来判断本次装舱结束的时点。如图2为某一船次挖泥的装舱曲线。O为原点，t为时间轴，M为装舱量轴，A、B、C、D点为A′、B′、C′、D′时刻对应的装舱量。从O点装舱开始到A点，其斜率AA′/OA′可近似看做一条直线，装舱效率最高。从A点到B点为一段斜率逐渐减小的曲线，表示一边装舱一边溢流，此时装舱量大于溢流量。从B点到C点曲线斜率继续减小，表示溢流逐渐增大并慢慢接近装舱量。如果时间无限延长将会达到装舱量等于溢流量的动态平衡，如D点所示。如图2所示，A点就是溢流开始点，B点结束挖泥为效率最高。A、B点也即为后续施工船次的参考点。

所述主控PLC的全自动挖泥主流程根据当前挖泥进程分别调用7个全自动控制器，每个控制器负责对相关设备的控制，进而实现全自动挖泥控制。主控PLC的全自动控制的主流程为：

1)准备工作，主要完成启动液压泵、封水泵和闸阀冲洗泵。

2)本发明的耙臂绞车自动控制器(STAWC)执行耙管入水使处于弯管吸口到位，以及耙头水下定深。

3)根据浚前参数的设置，本发明的疏浚管系闸阀控制子系统控制其疏浚闸阀，在被选择的模式下使相应管路畅通；主控PLC控制高压冲水蝶阀，使高压管路畅通。

4)本发明的泥泵控制子系统启动其泥泵，实时调节泥泵转速来监控泥管内泥浆浓度和流速。同时本发明的高压冲水泵控制子系统启动高压冲水泵，调节高压冲水泵的转速，调节冲出耙头的高压水压力，最终达到调节泥管内泥浆浓度的目的。

5)本发明的耙臂绞车自动控制器(STAWC)和主动耙头控制器(ADHC)这两个控制器在确保疏浚耙管安全的前提下实现耙管和耙头水下协同控制，确保耙头以最优角度贴合泥面，使得挖泥浓度最优，进而大大提高了挖泥效率。

6)当本发明的泥泵控制子系统的泥泵带动泥浆在管路中流动，其管路上的泥管内泥浆流速及浓度信息实时提供给主控PLC，低浓度排放控制器实时监测泥浆流速及浓度信息，当泥浆浓度满足装舱要求后，低浓度排放控制器控制“进舱闸阀(D011-D014)”打开，控制泥浆装入泥舱。当泥浆浓度低于装舱要求或者流速大于装舱要求时，打开“旁通闸阀(D009-D010)”的将泥浆直接排出舷外。

7)当装舱闸阀即“进舱闸阀(D011-D014)”打开，疏浚管路的泥浆开始向舱内注入时，装载吃水控制子系统通过对比所设定得装舱曲线的切线斜率来寻找装舱、溢流、结束挖泥的时间点。

8)本发明的耙臂绞车自动控制器(STAWC)实现将耙臂收起至吸口三管平状态，以设定的角度出水面，让耙管内的水自然流出，带出耙管里未冲洗干净的泥沙；停留设定时间后，向上收起耙管，到达舷外最高位，然后收入舷内，最后放在搁墩上。

本发明给出水下挖泥全自动控制实现方法，整个控制过程“一人桥楼”无需人为干预，自动完成挖泥操作过程。本发明既可以保证挖泥设备安全，又提高了挖泥的施工效率。由于自动化程度高，大大降低人力成本和燃油消耗。

附图说明

图1为全自动挖泥调用关系示意图。

图2为挖泥装舱量曲线图。

图3为耙头横向移动区间俯视图

图4为本发明耙管全自动控制技术逻辑关系图。

图5为图4中耙中绞车控制流程图(实施例1方案)

图6为图4中耙头绞车控制流程图(实施例1方案)

图7为图4中主动耙头自动控制流程图(实施例1方案)

图8为挖泥基本参数设置界面

图9为实施例2全自动挖泥流程图

图10本发明系统控制结构示意图

具体实施方式

以下结合实施例以及附图对本发明技术方案做进一步描述。需要说明的是，本发明技术方案中提及的疏浚管路、疏浚闸阀、高压水管路、液压泵、高压冲水闸阀、液压泵、封水泵、闸阀冲水泵、耙管绞车(包括弯管绞车、耙中绞车、耙头绞车)、耙臂(上下耙管)、耙头、万向节、波浪补偿器、蓄能器、耙唇、耙唇液压缸及其液压系统等等，皆是耙吸挖泥船配备的常见设备。

实施例1

全自动挖泥控制时序，包括三个阶段：浚前设置、挖泥准备、自动挖泥。

1.浚前设置

在挖泥准备前，需要对挖泥流程进行参数设置，这些参数是对挖泥流程起到约束或选择作用，基本参数主要包括施工耙的数量，高压冲水泵在施工过程中的状态，高压冲水泵和泥泵停止触发条件，挖泥准备超时时间和耙管入水姿态，如图8所示。

2.挖泥准备

人为选择本发明全自动挖泥控制指令后，系统将首先做自检和准备工作。准备工作主要完成启动液压泵，封水泵和冲洗泵，闸阀根据参数设置预置为单耙旁通或双耙旁通模式，蝶阀根据参数设置预置为串联冲耙头或单泵冲耙头或全部关闭模式。

3.自动挖泥

1)当耙管放置在搁墩上，耙管将自动从搁墩处上升至舷内最高位置，然后从舷内最高位置推至舷外最高位置，接着耙管从舷外最高位置按照耙管入水姿态下放到弯管吸口到位且三管水平处停止；

2)当耙管处于弯管吸口到位且三管水平位置，调用耙臂绞车自动控制器，将通过控制耙管绞车和波浪补偿器实现耙头的定深控制，通过检测调整耙管间夹角、耙管与船体距离来保障设备和船体的安全。

3)同时，根据浚前参数的设置，调用疏浚管系闸阀控制器，将疏浚闸阀和高压冲水蝶阀进行预置，使管路畅通。

4)然后，启动泥泵和高压冲水泵，并调用泥泵控制器，监控泥浆浓度和流速，通过寻优的算法来调节泥泵转速。调用高压冲水泵控制器，通过泥泵的真空度和排压，调节高压冲水泵的转速，最终调节冲出耙头的高压水压力。

5)当耙头着底，开始调用当耙头主动耙头控制器，通过对耙唇油缸收放使耙唇保持贴地，并可在特定的情况下，切削较厚的泥层，提高施工效率。

6)当泥泵带动泥浆在管路中流动，泥浆浓度有示数后，开始调用低浓度排放器，监测泥浆流速及密度，当泥浆浓度满足装舱要求后，ALMO控制器控制“进舱闸阀”打开，控制泥浆装入泥舱。当泥浆浓度低于装舱要求或者流速大于装舱要求时，打开“旁通闸阀”的将泥浆直接排出舷外。

7)当装舱闸阀打开，泥浆开始向舱内注入时，系统调用装载吃水控制器，通过对比所设定得装舱曲线的切线斜率或估算的装舱时间来寻找装舱效率最高的点，过程中还会根据吃水变化输出装舱停止命令以防吃水超限，保障船舶施工及航行安全。

8)当装舱土方量满足设定后，认为此次施工完成。系统将自动停止调用耙臂绞车自动控制器，主动耙头控制器，自动装载吃水控制器，自动泥泵控制器，自动高压冲水泵控制器。

9)同时将耙臂同步收起，当到达吸口三管平状态时，系统停止调用自动低浓度排放器，停止泥泵和高压冲水泵。开始以设定的角度出水面，让耙管内的水自然流出，带出耙管里未冲洗干净的泥沙。

10)停留设定时间后，耙管开始继续向上收起，到达舷外最高位，然后收入舷内，最后放在搁墩上。

11)至此，全自动挖泥的施工全部完成。

其中如图3所示的耙管全自动控制，包括安全控制、耙管绞车全自动控制和主动耙头全自动控制，所述安全控制贯穿于耙管绞车全自动控制和主动耙头全自动控制。首先，耙管绞车全自动控制用于实现将耙头下放到目标深度，而所述耙管绞车全自动控制完成耙头放置于目标深度后，主动耙头在地底作业时耙头全自动控制通过对耙唇角度的自动控制，其功能是在保证主动耙头安全下使耙唇保持贴地。

弯管绞车控制，用于检测并确保弯管下放至吸口位置，为后续耙中绞车、耙头绞车的控制提供基准深度。

进一步给出耙中绞车的控制算法，在保证安全作业的前提下始终控制耙中绞车跟随耙头绞车动作以保证耙臂良好姿态，即处于一条直线。如图5所示:

步骤一：满足启用耙头绞车启用条件，启用耙管绞车自动控制模块。

步骤二：检测上下耙管垂直夹角(即万向节角度控制)1s内是否小于设定角度最大值，如果是，重新检测，否则，进入步骤三。

步骤三：检测上下耙管垂直角度之差1s内是否为负值，如果是，进入步骤六，否则，进入步骤四。

步骤四：检测上下耙管垂直角度1s内是否为正，如果为正，进入步骤五，否则进入步骤二。

步骤五：耙中绞车上升。

步骤六：耙中绞车下降。

进一步给出耙头绞车控制算法，在确保安全作业为前提下控制耙头下放至目标深度，如图6所示:

步骤一：满足启用耙头绞车启用条件，启用耙管绞车自动控制模块。

步骤二：检查耙头横向偏移距离是否大于舷内外极限位置(图3所示)，如果大于，进入步骤三，否则进入步骤五。

步骤三：耙头绞车上升。

步骤四：检测耙头绞车横向偏移距离是否在安全区域内(图3所示)，如果在安全区域，进入步骤五，否则，进入步骤三。

步骤五：检测波浪补偿器在2s内是否高于设定值0.5m，如果维持在0.5m以上，进入步骤六，否则进入步骤十一。

步骤六：检测挖深设定值与实际挖深之差是否大于0.5m,如果大于，进入步骤七，否则，进入步骤九。

步骤七：耙头绞车上升。

步骤八：检测波浪补偿器是否回到设定值+0.3m位置，如果回到设定值位置，则进入步骤二，否则，进入步骤七。

步骤九：耙头绞车上升。

步骤十：检测波浪补偿器是否回到设定值位置，如果回到设定值，则进入步骤二，否则，进入步骤九。

步骤十一：检测实际挖深在2s内是否小于设定挖深，如果小于设定挖深，进入步骤十二，否则，进入步骤二。

步骤十二：耙头绞车下降。

进一步的给出主动耙头全自动控制算法，在保证安全作业的前提下始终控制耙头对地角度以适应地下地形状态，从而保持高效作业，如图7所示：

步骤一：满足启用耙头自动控制启用条件，启用耙头自动控制模块。

步骤二：根据下耙管垂直角度，通过收放液压油缸，调整耙唇对地角度运动至设定角度。

步骤三：检测耙唇压力是否超过蓄能器设定值P2，如果是，进入步骤四，否则继续检测。

步骤四：检测耙唇对地角度变化是否超过设定角度死区β，如果是，进入步骤五，如果不是，返回步骤三。

步骤五：在设定的时间间隔T2内，控制油缸以压力P1推出，每次油缸动作持续时间为T1。

步骤六：检测耙唇角度在回到初始设定值的过程中是否超过时间间隔T2，如果没有，返回步骤三，如果是，进入步骤七。

步骤七：收缩耙唇处于最大角度，系统报警并退出。

进一步给出说明：

一、首先耙管绞车全自动控制，用于实现耙头下放到目标深度。耙管绞车全自动控制模块包括弯管绞车控制模块、耙中绞车控制模块、耙头绞车控制模块，所述弯管绞车控制模块用于检测并确保弯管下放至吸口位置，为后续耙中绞车、耙头绞车的控制提供基准深度；所述耙中绞车控制模块用于控制耙中绞车跟随耙头绞车动作，控制目标是保持耙臂姿态始终处于一条直线；所述耙头绞车控制模块用于控制耙头下放到目标深度，包括对波浪补偿器控制和定深控制，使船舶在设定挖深及波浪补偿器设定补偿范围内施工。

作为实施例给出，所述对波浪补偿器控制包括对波浪补偿器压力设定，根据施工土质从淤泥到细粉沙，波浪补偿器的设定压力在工作压力的80％到20％之间调整。

补偿器的设定压力表

土质	工作压力的百分比
		淤泥	80％
粉土	60％
		粘土	40％
细粉砂	20％

所述对波浪补偿器控制还包括对波浪补偿器高度控制，在满足定深控制的前提下，通过调节耙头绞车收放使波浪补偿器高度保持在0.3米左右，进而确保耙唇对地的切削厚度。

作为实施例给出，所述定深控制为使船舶在设定挖深及波浪补偿器设定补偿范围内施工，若波浪补偿器超过设定行程范围，自动控制耙头绞车的收放保证挖深在设定范围内。在设定挖泥深度方面是可以根据0m潮汐而定的，根据实际的潮位，自动补偿疏浚深度。作为实施例，公开了：在挖深设定值与实际挖深之差大于0.5米时，当耙头着地后，若波浪补偿器行程超过设定值0.5米，收起耙头绞车，使波浪补偿器柱塞回到设定值的位置。在挖深设定值与实际挖深之差小于等于0.5米时，若波浪补偿器行程大于0.5米，收起耙头绞车，使波浪补偿器柱塞回到0.3米的位置。在挖深设定值等于实际挖深，控制耙头绞车使波浪补偿器柱塞行程为0米。

二、当上述耙管绞车全自动控制完成耙头放置于目标深度时，主动耙头在地底作业时耙头全自动控制技术通过对耙唇角度的自动控制，其功能是在保证主动耙头安全下使耙唇保持预设的对地角度，上述功能通过对耙唇油缸收放控制来实现。在全自动挖泥控制过程中，通过设置动作持续时间T1、动作间隔时间T2、自动进给压力P1、蓄能器恒张力压力P2和角度死区β的四个控制参数，控制油缸收放用于调整耙唇使其始终保持贴地。当耙头阻力增大，耙唇油缸压力超过蓄能器设定值P2时，液压系统将被动收回油缸而将耙唇抬起。由于耙唇的蓄能器动作是单向的，耙唇油缸的推出必须由液压泵提供能量(此仅适应现有技术的设备条件和情况，不属于技术方案创新点)。耙头自动控制模块不断检测油缸行程，当角度变化超越了角度死区β，在设定的时间间隔T2内，耙头自动控制模块控制油缸以压力P1推出，每次油缸动作持续时间为T1,直至耙唇角度回到初始设定值，若在T2时间间隔内，耙唇角度无法回到初始设定值，通过液压泵收缩耙唇处于最大角度。

始终以安全保护作为算法设计的前提，体现出了以下几个方面：

1)波浪补偿器控制

因不可预见的突发因素导致波浪补偿器的行程变化超过系统响应能力，系统发出报警。

2)横向控制

如果耙头水平偏移量超过横向偏移极限值，耙管自动控制将提升耙头至横向安全区域。将根据横向偏移极限值产生的横向偏移范围划分为舷外极限位置、舷外安全边界、耙头中心线、舷内安全边界和舷内极限位置，如图3所示。

当挖深超过最大设计挖深的三分之二时，适当加大横向偏移极限值。

3)万向节角度控制

本领域已知所述万向节是连接上下耙管的过渡装置，该装置可以在上下和左右两个方向在一定角度范围内摆动。在摆动角度控制方面，本发明通过收放耙中绞车使上下耙管之间的垂直夹角不超过15度。

本实施例耙吸挖泥船疏浚耙管全自动控制方法通过对耙管绞车、波浪补偿器和主动耙头等诸多船用设备进行全自动精准协同控制，可以在确保疏浚耙管安全的前提下达到疏浚效率最优。

实施例2

系统特点及工作方式：

(1)浚前设置

全自动挖泥控制在施工准备前，需要对挖泥流程进行参数设置，这些参数是对挖泥流程起到约束或选择作用，基本参数主要包括施工耙的数量，高压冲水泵在施工过程中的状态，高压冲水泵和泥泵停止触发条件，挖泥准备超时时间和耙管入水姿态，如图8所示。

(2)控制过程

全自动挖泥时，系统将首先做自检和准备工作。

然后将耙管从搁墩提起→最高位→推出→下放至三管平→起动泥泵，封水泵，高压冲水泵→调用相关自动控制器→开始挖泥→调用相关自动控制器→挖泥结束→关闭相关自动控制器→上提耙管至三管平→关闭相关自动控制器→上提耙管至最高位→收回耙管，放置搁墩上

本发明需要保护实施例2技术方案：

以下参照图9，全自动挖泥控制算法按步骤详述如下：

步骤一：按下宏按钮“全自动挖泥”，挖泥开始。

步骤二：挖泥准备开始。

步骤三：启动挖泥准备计时器。

步骤四：开始系统自检。

步骤五：判断液压系统是否可用，如果不可用进入步骤六，如果液压系统可用并启动成功，进入步骤八。

步骤六：液压系统启动失败，判断是否启动超时，如果启动超时进入步骤七，如果启动未超时，返回步骤五。

步骤七：发出液压泵起动超时报警。

步骤八：起动封水泵。

步骤九：起动闸阀冲洗泵。

步骤十：判断疏浚管系是否处于旁通模式，如果否，进入步骤十一。如果是，进入步骤十四。

步骤十一：疏浚闸阀进行预置。

步骤十二：判断疏浚闸阀预置是否超时，如果未超时，返回步骤十。如果超时，进入步骤十三。

步骤十三：发出闸阀预置超时报警。

步骤十四：挖泥准备结束，判断准备过程是否超时，若果超时进入步骤十五。如果不超时进入步骤十六。

步骤十五：发出挖泥准备超时报警。

步骤十六：开始放耙。

步骤十七：将耙管提起，推出至舷外最高位。

步骤十八：将弯管放至吸口处，并且三管平。

步骤十九：继续下放耙管。

步骤二十：判断泥泵是否和排，若果否，进入步骤二十一。若果和排进入步骤二十六。

步骤二十一：判断泥泵运行条件是否满足，如果不满足，进入步骤二十二。如果满足，进入步骤二十三。

步骤二十二：发出泥泵运行条件不满足报警。

步骤二十三：泥泵开始运行。

步骤二十四：循环监控泥泵停止条件是否满足，如果满足进入步骤二十五，如果不满足进入步骤二十六。

步骤二十五：泥泵停止运行并发出报警。

步骤二十六：判断浚前参数设置是否需要使用高压冲水泵。如果是，进入步骤二十七。如果否，进入步骤三十二。

步骤二十七：判断高压冲水泵运行条件是否满足，如果否，进入步骤二十八，如果是进入步骤二十九。

步骤二十八：发出高压冲水泵运行条件不满足提示。

步骤二十九：高压冲水泵开始运行。

步骤三十：循环判断高压冲水泵停止条件是否满足，如果是进入步骤三十一，若果否，进入步骤三十二。

步骤三十一：高压冲水泵停止运行并发出报警。

步骤三十二：开始调用耙臂绞车自动控制器STAWC、自动低浓度排放控制器ALMO、主动耙头控制器ADHC，调节前后进舱闸阀。

步骤三十三：判断耙臂绞车自动控制器STAWC参数设置是否合法，如果否，进入步骤三十四。如果是，进入步骤三十五。

步骤三十四：发出耙臂绞车自动控制器STAWC参数设置不合法报警。

步骤三十五：激活耙臂绞车自动控制器STAWC，如果激活不成功，进入步骤三十六。如果激活成功，进入步骤五十一。

步骤三十六：发出耙臂绞车自动控制器STAWC自动跳出报警。

步骤三十七：判断自动低浓度排放控制器ALMO参数设置是否合理，如果否，进入步骤三十八。如果合理，进入步骤三十九。

步骤三十八：发出自动低浓度排放控制器ALMO参数设置不合法报警。

步骤三十九：激活自动低浓度排放控制器ALMO，如果激活不成功，进入步骤四十。如果激活成功，进入步骤五十一。

步骤四十：发出自动低浓度排放控制器ALMO自动跳出报警。

步骤四十一：判断主动耙头控制器ADHC参数设置是否合理，如果否，进入步骤四十二。如果合理，进入步骤四十三。

步骤四十二：发出主动耙头控制器ADHC参数设置不合法报警。

步骤四十三：激活主动耙头控制器ADHC，如果激活不成功，进入步骤四十四。如果激活成功，进入步骤五十一。

步骤四十四：发出主动耙头控制器ADHC自动跳出报警。

步骤四十五：调节前后进舱闸阀。

步骤四十六：判断艏艉吃水相差是否大于0.5，如果是，返回步骤四十五。如果否进入步骤四十七。

步骤四十七：判断自动装载吃水控制器ALDC参数设置是否合理，如果否，进入步骤四十八。如果合理，进入步骤四十九。

步骤四十八：发出自动装载吃水控制器ALDC参数设置不合法报警。

步骤四十九：激活自动装载吃水控制器ALDC，如果激活不成功，进入步骤五十。如果激活成功，进入步骤五十一。

步骤五十：发出自动装载吃水控制器ALDC自动跳出报警。

步骤五十一：当满足设定的施工完成条件，开始收耙。

步骤五十二：除自动低浓度排放控制器ALMO外，其余6个控制器都停止。

步骤五十三：三管按照一定的姿态提升。

步骤五十四：判断浚前参数设定，是否按照提升距离停泵。如果是进入步骤五十五。如果否，进入步骤五十六。

步骤五十五：耙头提升距离是否超过设定值，如果否，返回步骤五十三。如果是，进入步骤五十七。

步骤五十六：判断是否弯管到吸口位，且达到三管平状态。如果否，返回步骤五十三。如果是，进入步骤五十七。

步骤五十八：停止泥泵，停止高压冲水泵，停止自动低浓度排放控制器ALMO。

步骤五十九：继续提升耙管至舷外最高处，收进后放置在搁墩处。

步骤六十：停止封水泵和闸阀冲洗泵。

步骤六十一：全自动挖泥控制流程结束。

Claims (1)

1.一种耙吸挖泥船挖泥全自动控制系统，包括船上既有的手动控制PLC、疏浚管路、疏浚闸阀、高压水管路、高压冲水蝶阀、液压泵、封水泵、闸阀冲水泵，疏浚闸阀在疏浚管路上的布置以及高压冲水闸阀在高压水管路的设置为耙吸船已有技术，其特征在于,还包括主控PLC以及受主控PLC控制的疏浚管系闸阀自动控制子系统、自动泥泵控制子系统、高压冲水控制子系统、自动低浓度排放控制子系统、耙臂绞车自动控制子系统、主动耙头控制子系统、装载吃水控制子系统，该全自动控制系统设计运行在主控PLC系统上，每个功能子系统通过控制本系统内执行机构运作来协同其它功能子系统从而在确保疏浚安全的前提下实现整个挖泥系统全自动工作过程；

所述泥泵控制子系统用于调节泥泵转速以保持泥浆管路合理的泥浆浓度和流速；该子系统包括手动控制PLC、泥泵、泥泵控制器、泥浆浓度计、泥浆流速计、泥泵吸入真空传感器、泥泵排出压力传感器；所述泥浆浓度计、泥浆流速计安装于疏浚管路上用于采集进入管路的挖掘泥浆浓度和流速信息，该信息通过手动控制PLC提供给主控PLC并供系统内各个功能子系统调用；所述吸入真空传感器、排出压力传感器分别安装于所述泥泵的吸入端和排出端，用于采集泥泵的吸入真空度及排出压力信息，该信息通过手动控制PLC提供给主控PLC并供泥泵控制器及其它子系统调用；所述泥泵控制器输出通过手动控制PLC与泥泵的变频器连接，用于驱动电机调节泥泵的转速，最终达到调节泥浆浓度和流速的目的；

所述泥泵控制器通过泥泵转速寻优算法来调节泥泵转速，从而实现对管路内泥浆浓度和流速的监控；所述泥泵转速寻优算法表征如下：

所述低浓度排放控制子系统包括手动控制PLC、低浓度排放控制器，该低浓度排放控制器通过监测主控PLC处实时的泥浆流速及浓度从而通过手动控制PLC控制“进舱闸阀(D011-D014)”和“旁通闸阀(D009-D010)”的组合动作来选择决定当前疏浚管路中合适的泥浆进舱或者排出舷外；排放控制算法如下：

所述高压冲水控制子系统，在挖泥过程中高压冲水控制子系统形成高压水并由耙头喷出，对耙头起到辅助破土和搅拌的作用，同时通过实时调节耙头搅拌状态达到调节使得挖泥浓度最优；该子系统包括手动控制PLC、高压冲水管路、高压冲水控制器、高压冲水泵、压力传感器，关系为：所述高压冲水管路的输出端为耙头，能喷出高压水；所述高压冲水泵用于形成高压水并通过调节转速来控制高压冲水管路的水压；所述压力传感器设置于高压冲水泵的排出端用于采集高压冲水管路内高压水的压力，该信息通过手动控制PLC提供给高压冲水控制器；所述的高压冲水控制器的输出通过手动控制PLC与高压冲水泵的变频器连接，根据当前施工土质和系统参数设定，通过高压冲水控制器的寻优算法来控制驱动电机调节高压冲水泵的转速，从而调节排出的水压，对耙头泥土进行不同程度的搅拌，最终达到调节泥浆浓度的目的；

所述高压冲水寻优算法为PID控制算法，控制模型利用实时的高压冲水压力和主控PLC处实时泥浆浓度信息，以高压冲水压力和泥浆浓度信息各自当前参数及目标参数做比较从而构成闭环反馈来设计，针对不同挖泥土质设定高压冲水压力和挖泥浓度的目标值；该高压冲水寻优算法表征如下：

所述耙臂绞车自动控制子系统包括手动控制PLC、耙臂绞车自动控制器、耙管绞车和波浪补偿器，所述耙臂绞车控制器通过手动控制PLC控制耙管绞车和波浪补偿器实现耙头的定深控制，同时通过手动控制PLC检测调整耙管间夹角、耙管与船体距离来保障设备和船体的安全；

所述主动耙头控制子系统包括主动耙头控制器，所述主动耙头控制器：保证安全的情况下使耙唇保持设定对地角度，并可在深挖模式下，确保耙唇切削泥层，系统通过对耙唇油缸收放控制实现以上功能；所述主动耙头控制模块的功能是在保证主动耙头安全下使耙唇保持贴地，通过设置动作持续时间T1、动作间隔时间T2、自动进给压力P1、蓄能器恒张力压力P2和角度死区

的四个控制参数，控制油缸收放用于调整耙唇使其始终保持贴地；当耙头阻力增大，耙唇油缸压力超过蓄能器设定值P2时，液压系统将被动收回油缸而将耙唇抬起；由于耙唇的蓄能器动作是单向的，耙唇油缸的推出必须由液压泵提供能量；耙头自动控制模块不断检测油缸行程，当角度变化超越了角度死区

在设定的时间间隔T2内，耙头自动控制模块控制油缸以压力P1推出，每次油缸动作持续时间为T1,直至耙唇角度回到初始设定值，若在T2时间间隔内，耙唇角度无法回到初始设定值，通过液压泵收缩耙唇处于最大角度；

所述装载吃水控制子系统包括装载吃水控制器，用于判断什么时候开始溢流，什么时候舱已经装满，由此决定结束本船次挖泥；装载吃水控制算法为：以进入施工区域后的某一船次挖泥装舱曲线作为参照，在后续的船次作业中通过对比装舱曲线的切线斜率来判断本次装舱结束的时点；

主控PLC的全自动控制的主流程为：

1)准备工作，主要完成启动液压泵、封水泵和闸阀冲洗泵；

2)耙臂绞车自动控制器执行耙管入水使处于弯管吸口到位，以及耙头水下定深；

3)根据浚前参数的设置，疏浚管系闸阀控制子系统控制其疏浚闸阀，在被选择的模式下使相应管路畅通；主控PLC控制高压冲水蝶阀，使高压管路畅通；

4)泥泵控制子系统启动其泥泵，实时调节泥泵转速来监控泥管内泥浆浓度和流速；同时高压冲水泵控制子系统启动高压冲水泵，调节高压冲水泵的转速，调节冲出耙头的高压水压力，最终达到调节泥管内泥浆浓度的目的；

5)耙臂绞车自动控制器和主动耙头控制器这两个控制器在确保疏浚耙管安全的前提下实现耙管和耙头水下协同控制，确保耙头以最优角度贴合泥面，使得挖泥浓度最优，进而大大提高了挖泥效率；

6)泥泵控制子系统的泥泵带动泥浆在管路中流动，其管路上的泥管内泥浆流速及浓度信息实时提供给主控PLC，低浓度排放控制器实时监测泥浆流速及浓度信息，当泥浆浓度满足装舱要求后，低浓度排放控制器控制“进舱闸阀(D011-D014)”打开，控制泥浆装入泥舱；当泥浆浓度低于装舱要求或者流速大于装舱要求时，打开“旁通闸阀(D009-D010)”的将泥浆直接排出舷外；

7)当装舱闸阀即“进舱闸阀(D011-D014)”打开，疏浚管路的泥浆开始向舱内注入时，装载吃水控制子系统通过对比所设定得装舱曲线的切线斜率来寻找装舱、溢流、结束挖泥的时间点；

8)耙臂绞车自动控制器实现将耙臂收起至吸口三管平状态，以设定的角度出水面，让耙管内的水自然流出，带出耙管里未冲洗干净的泥沙；停留设定时间后，向上收起耙管，到达舷外最高位，然后收入舷内，最后放在搁墩上。

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