CN109750697A - 一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法，属于工程船舶自动化控制技术领域，该方法根据施工需求可实现目标参数自动、目标产量自动、最大产量自动和经济产量自动四种自动挖泥功能，为实现任一功能，可人为选择单层多进尺自动模式、多层多进尺自动模式和多进尺多层自动模式三种自动挖泥模式中的一种；在每种模式下，首先设定控制参数，然后联合控制绞刀、横移绞车、桥架绞车、钢桩台车、泥泵和真空释放阀等以不同次序动作来实现绞吸挖泥船自动挖泥作业，从而实现高产稳产自动挖泥疏浚。本发明的控制方法够极大程度地减少疏浚作业人员的劳动量，减小不同操作人员间的操作差异，提高施工质量，保障设备安全，降低油耗，提高经济效益。

Description

一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法

技术领域

本发明属于工程船舶自动化控制技术领域，特别是涉及一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法。

背景技术

上世纪90年代以后，随着计算机和网络技术的发展，挖泥船“全船集成监控系统”逐步得到应用。施工人员可通过远程的工作站控制疏浚设备、监视疏浚过程。这显著提高了挖泥船的施工效率，但疏浚作业人员的操作水平和熟练程度较大程度地会影响挖泥船施工产量。同时也存着人员劳动强度大、设备安全性不高、油耗相对较高等问题。

为解决以上问题，发明绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法。

本发明是这样实现的，一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法，该方法根据施工需求可实现四种自动挖泥功能，分别是：目标参数自动、目标产量自动、最大产量自动和经济产量自动；为实现任一功能，可人为选择以下三种自动挖泥模式中的一种：单层多进尺自动模式、多层多进尺自动模式和多进尺多层自动模式；在每种模式下，首先设定控制参数，然后通过联合控制绞刀、横移绞车、桥架绞车、钢桩台车、泥泵和真空释放阀等疏浚机具及其驱动设备以不同次序动作来实现绞吸挖泥船自动挖泥作业，从而实现高产稳产的自动挖泥疏浚。

控制过程中需要的主要信号有：横移速度、横移拉力、绞刀转速、绞刀扭矩、桥架深度、泥泵吸入真空、泥泵排出压力、泥泵转速、台车行程、泥浆浓度、泥浆流速、水深、桥架绞刀距边线的距离和挖泥剖面等。各个信号通过对应安装位置的传感器采集。

还需要的控制状态指示和设定的施工参数包括自动挖泥工作模式状态、挖掘深度设定、切削厚度设定、横移加/减速率设定、横移速度设定、台车进尺设定、是否启用同轨迹挖掘以及相关监测信号数据等。

本控制方法针对主要疏浚控制对象分别建立子控制器，主要包括：横移自动控制器、绞刀转速自动控制器器、桥架自动控制器、钢桩台车自动控制器、泥浆输送流速控制器和真空释放阀自动控制器。各子控制器之间通过共同涉及的控制参数相互影响。

横移自动控制器，实时计算绞刀偏移距离，当桥架绞刀摆动到边线时，自动控制横移绞车减速停止且自动回摆。

绞刀转速自动控制器器，引入绞刀切片厚度即绞刀转速与横移速度比数学模型，获得绞刀转速与横移速度联动控制，实现绞刀转速自动控制，确保不同土质切削量与泵吸入及输送能力达到一种平衡。

桥架自动控制器，包括绞刀深度偏差自动控制和台车进关桥架自动联动控制。

钢桩台车自动控制器，在桥架横移摆动至边线时，自动控制台车按设定值进尺。

泥浆输送流速控制器，(1)根据施工工况设定，泥泵自动控制器(APC)自动控制泥泵系统工作在最优工况点；(2)当管路流速低于管路输送临界流速时，将向横移绞车自动控制器发出降速指令，反之将向横移绞车自动控制器发出升速指令，确保管路输送浓度和流速，实现高产稳产。

真空释放阀自动控制器，根据水下泵吸入真空自动控制真空释放阀的开或关。

各个子控制器采用应急控制优先级最高，手动控制次之，自动控制优先级最低，即任何时候系统只要收到应急控制指令或手动控制指令，则自动推出自动控制模式。

本发明具有的优点和积极效果是：

1)本发明的控制方法提出的四种自动控制功能和三种自动挖泥模式可以灵活地满足现场施工人员不同的需求，即根据现场工况和施工目标做出功能和模式上的选择，从而有效地提高疏浚效率；

2)本发明的控制方法综合利用了计算机、网络、传感器和自动控制等技术，解决了过于传统疏浚挖泥作业过于依靠疏浚作业人员个人经验的问题，能够实现疏浚机具自动化施工作业，提高了疏浚效率，同时能够有效保证设备的安全，提高经济效益。

附图说明

图1为本发明所述的基于产量的自动挖泥控制方法的控制示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

参阅图1，本实施例提供的一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法，该方法根据施工需求可实现四种自动挖泥功能，分别是：目标参数自动、目标产量自动、最大产量自动和经济产量自动；为实现任一功能，可人为选择以下三种自动挖泥模式中的一种：单层多进尺自动模式、多层多进尺自动模式和多进尺多层自动模式；在每种模式下，首先设定控制参数，然后通过联合控制绞刀、横移绞车、桥架绞车、钢桩台车、泥泵和真空释放阀等疏浚机具及其驱动设备以不同次序动作来实现绞吸挖泥船自动挖泥作业，从而实现高产稳产的自动挖泥疏浚。

控制过程中需要的主要信号有：横移速度、横移拉力、绞刀转速、绞刀扭矩、桥架深度、泥泵吸入真空、泥泵排出压力、泥泵转速、台车行程、泥浆浓度、泥浆流速、水深、桥架绞刀距边线的距离和挖泥剖面等。各个信号通过对应安装位置的传感器采集。

还需要的控制状态指示和设定的施工参数包括自动挖泥工作模式状态、挖掘深度设定、切削厚度设定、横移加/减速率设定、横移速度设定、台车进尺设定、是否启用同轨迹挖掘以及相关监测信号数据等。

一、控制模式

本控制方法定义的3种自动挖泥作业模式：

1.单层多进尺自动挖泥作业模式为：在每个钢桩台车行程内，桥架绞刀自动下放到设定挖掘深度，横移绞车自动向左或向右摆动接近挖掘边线时减速且到边线后，钢桩台车自动按设定值步进，桥架绞刀下放深度保持不变，横移绞车自动回摆再进行反向疏浚，直至该层挖泥结束，横移绞车自动回中心线停止。

2.多层多进尺自动挖泥作业模式为：在每个钢桩台车行程内，桥架绞刀自动下放到设定挖掘深度，横移绞车自动向左或向右摆动接近挖掘边线时减速且到边线后，桥架绞刀按设定下放步进值下放到下一挖掘深度，钢桩台车步进保持不变，横移绞车自动回摆再进行反向疏浚，直至绞刀切削完这一疏浚剖面后，桥架自动起升到初始泥面位置，然后钢桩台车自动按设定值步进，自动开始下一个疏浚剖面疏浚作业，重复以上过程，直至该钢桩台车行程挖泥结束，横移绞车自动回中心线停止。

3.多进尺多层自动挖泥作业模式为：在每个钢桩台车行程内，桥架绞刀自动下放到设定挖掘深度，横移自动向左或向右摆动接近挖掘边线时减速且到边线后，钢桩台车自动按设定值步进，桥架绞刀下放深度保持不变，横移绞车自动回摆再进行反向疏浚，直至该层挖泥结束，钢桩台车收回到零位，桥架绞刀按设定下放步进值自动下放，自动开始下一层疏浚作业，重复以上过程，直至该钢桩台车行程挖泥结束，横移绞车自动回中心线停止。

二、控制功能

如图1所示，本方法定义的4个自动挖泥控制功能为：

1.目标参数自动：在任一自动挖泥模式下，设定所要控制的施工工艺目标参数值，在设定的挖泥边界范围内，系统按设定的绞刀转速、横移速度、绞刀切削厚度(下放深度)、台车进尺等施工工艺参数，通过自动控制器联合控制绞刀电机(或液压马达)、横移绞车、桥架绞车、钢桩台车和真空释放阀等来实现挖泥船按施工工艺次序自动挖泥疏浚作业，在施工过程中始终保持被控目标的施工参数保持在设定目标参数值，从而实现高效的绞吸挖泥船自动疏浚作业。

绞吸挖泥船主要疏浚设备的联动动作次序根据现场施工需要可能有所不同，即可采用不同的自动挖泥模式。

2.目标产量自动：在目标参数自动控制功能基础上，在一定的施工工况下，以获得目标产量为目标，由产量推算出浓度,再由浓度推算出密度，设定水下泵真空或真空预报泥浆密度，横移控制器依据设定的水下泵真空或密度预报浓度自动控制横移速度，同时联合控制绞刀、桥架绞车、钢桩台车和真空释放阀来实现挖泥船按施工工艺次序自动挖泥疏浚作业，当水下泵真空或密度预报浓度高于设定值时自动降低横移速度，反之增加横移速度，确保挖掘产量平稳在设定目标范围。

其中，产量计算公式：

式中：流速为手动挖泥时，系统记录的管路泥浆流速的历史数据取平均值，以该值作为工作流速进行计算；

浓度计算公式：

计算机采集一段时间的施工数据后，根据吸入真空传感器、密度计管路位置计算出吸入真空与密度的对应关系，并形成10组对应表格，计算机根据当前的吸入真空实时查表，直线内插计算出对应的密度，并实时写入PLC中显示。

吸挖泥船主要疏浚设备的联动动作次序根据现场施工需要可能有所不同，即可采用不同的自动挖泥模式。

3.最大产量自动：在目标产量自动控制功能基础上，在任一自动挖泥模式下，绞吸挖泥船疏浚控制系统依据工况条件，通过估计器计算得到管路输送临界流速，并联合控制绞刀电机、横移绞车、桥架绞车、钢桩台车和真空释放阀等绞吸挖泥船疏浚机具来实现挖泥船按施工工艺自动挖掘作业，在保证管路流速大于临界流速的前提下，尽可能的提高横移速度，泥浆输送流速控制器和横移控制器联合自动控制横移速度，且泥浆输送流速控制器优先，当管路平均流速持续低于设定的临界流速时，自动降低横移速度，反之增加横移速度，确保最大挖掘产量下平稳输送能力。

对于输送临界流速的计算公式为:

上式中，V_t代表临时流速，C_vd代表管路平均浓度，α为根据实验数据得到的计算系数，取值范围在5.2-8.7之间。

绞吸挖泥船主要疏浚设备的联动动作次序根据现场施工需要可能有所不同，即可采用不同的自动挖泥模式。

4.经济产量自动：在经济产量自动控制功能基础上，引入挖泥产量与油耗比参数，泥浆输送流速控制器和横移控制器联合自动控制横移速度，确保挖掘浓度与输送产量保持在设定经济产量目标值。

该方法首先在当前施工工况下，根据施工的万方油耗与挖泥产量历史数据，分析“挖泥产量/万方油耗”比值，以取最大比值的方式来确定该工况下最具经济效益的施工产量目标值，此值可称为“经济产量目标值”。现场施工作业人员以此“经济产量目标值”来确定对应的吸入真空设定值和泥浆流速，保持泥浆流速和水下泵吸入真空处于控制范围来控制横移速度，控制各疏浚设备按预定次序联合动作，同时保证在施工过程中其他目标施工参数如绞刀转速、台车行程维持在设定值，绞刀深度、真空值等维持在设定范围，从而实现高效且经济效益最好的绞吸挖泥船自动疏浚作业。

绞吸挖泥船主要疏浚设备的联动动作次序根据现场施工需要可能有所不同，即可采用不同的自动挖泥模式。

三、子控制器或控制模型

如图1所示，本方法所述的4个自动挖泥控制功能和3种控制模式，均通过各子控制器或控制模型联合发挥作用，分别是：

1.本方法所述横移自动控制器，其模型为：控制目标为施工过程中保持横移速度为目标值。横移速度控制与绞刀扭矩相关，绞刀扭矩超过设定值后，降低横移速度；与水下泥泵真空度相关，真空度下降时先开真空释放阀，再限制横移速度；与水下泵排出压力相关，水下泵排出压力超设定值后，先调水下泵转速，再降低横移速度，最后调真空释放阀；与总排出压力相关，总排出压力超过设定值后，降低横移速度；与泥浆流速相关，泥浆流速低于流速设定值后，降低横移速度；与泥浆浓度相关：泥浆浓度超过设定值后，降低横移速度；与管路平均浓度相关，实时调节横移速度，使管路平均浓度与设定值接近。以上影响横移速度的七个控制量分别对应七个横移子控制器，优先级相同并且可选择性功能开启。

此外，由于横移绞车按照扇形轨迹摆动，当摆动至边线时需要进行减速、换向、启动的操作。实时计算绞刀偏移距离以便判断桥架是否接近边线，在接近边线后发出预报警，此时横移控制以绞车边线控制速度为最优先。桥架摆动到左、右边线时，自动控制横移绞车停止且自动回摆，以防超边线挖掘。

2.本方法所述绞刀转速自动控制器，其模型为：引入绞刀切片厚度即绞刀转速与横移速度比数学模型，(1)当横移速度低于某一设定低限值时，绞刀转速为某一设定低转速值；(2)当横移速度高于某一设定高限值时，绞刀转速为某一设定高转速值；(3)当横移速度介于低限与高限值之间时，系统根据设定绞刀切削厚度计算得到绞刀转速与横移速度比值，绞刀转速自动跟随横移速度变化，以获得与挖掘土质相适应的绞刀切片厚度。此比值可人工设定，考虑现场工况，兼顾挖泥效率，通常设定绞刀转速(转/分)与横移速度(米/分)的比值在0.5-1范围内。

3.本方法所述桥架升降自动控制模器，其模型为：(1)当绞刀深度偏离设定偏差时，则自动控制桥架上升或下降，确保精确挖深；(2)当桥架绞刀摆动到达边线时，根据控制模式和设定的绞刀下放步距，桥架绞刀自动下放至设定深度。整个桥架自动控制的过程中，还要受到同轨迹迅速返回功能、进关前绞刀是否离地功能、桥架深度偏差控制功能、超深挖掘功能的限制。当同轨迹迅速返回功能启用时，桥架会自动提升设定高度后横移系统迅速回摆；当进关前绞刀是否离地功能启用时，在每次边线台车进关动作前，桥架也会自动地提升设定高度，直到进关完成后在自动下放到挖掘深度；当桥架深度偏差控制功能启用时，桥架自动下放的深度控制会实现偏差控制；当超深挖掘功能启用时，最后挖掘深度会实现偏差控制。当桥架绞刀需要在一个挖泥轨迹重复挖掘两次时，可投入同轨迹挖掘功能，否则该功能关闭。

4.本方法所述钢桩台车自动控制模器，其模型为：在桥架横移摆动至边线时，根据控制模式和设定的台车进尺值，控制台车自动进尺。

5.本方法所述泥浆输送流速控制器，其模型为：(1)根据施工工况设定，自动控制泥泵系统工作在最优工况点；(2)当管路输送流速低于管路临界流速时，将向横移绞车自动控制器发出降速指令，反之将向横移绞车自动控制器发出升速指令，确保管路输送浓度和流速平稳，实现高产稳产。

6.本方法所述真空释放阀自动控制器，其模型为：当水下泵吸入真空高于设定值时，自动打开真空释放阀，并自动降低横移速度。

每个挖泥设备运行时可能影响到多个控制参数，而某个参数的变化也能对不同的子控制器产生影响，因此，控制之间是相互影响，互相联系的，上述各子控制器或模型需要通过自动挖泥控制程序的逻辑分析，综合控制来实现目标控制效果。

自动控制的退出：任何时候系统只要收到应急控制指令或手动控制指令，则自动退出自动控制模式。即控制方法所述的各子控制器或控制模型中，应急控制优先级最高，手动控制次之，自动控制优先级最低。

实施例1

在实例中，设定多进尺多层单台车挖掘模式，选择目标参数自动挖泥控制下，设定横移速度13m/min，台车每次步进1.5m，每层挖深1.5m，其他对于横移速度控制相关的设定参数见表1，应用本方法，记录的工作数据如下表2所示：

表1对于横移速度控制的主要参数设定值

表2应用目标参数自动控制的一个实例施工数据记录

注释：过程1为挖掘第一层，过程2为挖掘第2层，过程3为挖掘第三层。

从表1可知，横移速度准确控制在设定值。

在本施工实例中，对边线减速等功能进行了验证，控制功能验证表如下表3所示：

表3横移速度控制功能验证表

实施例2

设定单层多进尺单台车挖掘模式下，选择目标产量自动挖泥控制功能，设定自动控制参数如下表4所示：

表4目标产量自动控制参数配置表

在实例2中，根据表4的设定参数，对控制功能进行了验证，主要验证了各阶段控制系统的响应情况，控制功能验证表如下表5所示：

表5目标产量自动控制功能验证表

序号	功能项	功能确认
			1	桥架自动下放至开挖深度	OK
2	横移至左边线减速功能正常	OK
			3	进尺完成后，横移反向右功能正常	OK
4	横移至右边线减速功能正常	OK
			5	进尺完成后，横移反向左功能正常	OK
6	左横移真空值小于-0.045后5s横移是否减速	OK
			7	左横移真空值大于-0.055后5s横移是否加速	OK
8	左横移绞刀纽矩值大于80％后是否立即降横移	OK
			9	右横移真空值小于-0.035后5s横移是否减速	OK
10	右横移真空值大于-0.025后5s横移是否加速	OK
			11	右横移绞刀纽矩值大于80％后是否立即降横移	OK
12	台车步进完成后，横移自动回中心停止	OK
			13	目标产量自动控制完成	OK

表6横移速度控制功能验证表

注释：过程1-9分别代表9个挖掘过程，每个过程之间进行了一次进尺操作。

通过表5与表6的数据可以看出，真空保持度较好，说明此时控制方法下产量稳定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法，其特征在于，该方法根据施工需求可实现四种自动挖泥功能，分别是：目标参数自动、目标产量自动、最大产量自动和经济产量自动；为实现任一功能，可人为选择以下三种自动挖泥模式中的一种：单层多进尺自动模式、多层多进尺自动模式和多进尺多层自动模式；在每种模式下，首先设定控制参数，然后通过联合控制绞刀、横移绞车、桥架绞车、钢桩台车、泥泵和真空释放阀等疏浚机具及其驱动设备以不同次序动作来实现绞吸挖泥船自动挖泥作业，从而实现高产稳产的自动挖泥疏浚。

2.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法，其特征在于，控制过程中需要的主要信号有：横移速度、横移拉力、绞刀转速、绞刀扭矩、桥架深度、泥泵吸入真空、泥泵排出压力、泥泵转速、台车行程、泥浆浓度、泥浆流速、水深、桥架绞刀距边线的距离和挖泥剖面等；各个信号通过对应安装位置的传感器采集。

3.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法，其特征在于，还需要的控制状态指示和设定的施工参数包括自动挖泥工作模式状态、挖掘深度设定、切削厚度设定、横移加/减速率设定、横移速度设定、台车进尺设定、是否启用同轨迹挖掘以及相关监测信号数据等。

4.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法，其特征在于，本控制方法针对主要疏浚控制对象分别建立子控制器，主要包括：横移自动控制器、绞刀转速自动控制器器、桥架自动控制器、钢桩台车自动控制器、泥浆输送流速控制器和真空释放阀自动控制器；各子控制器之间通过共同涉及的控制参数相互影响。

5.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法，其特征在于，所述横移自动控制器，实时计算绞刀偏移距离，当桥架绞刀摆动到边线时，自动控制横移绞车减速停止且自动回摆。

6.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法，其特征在于，所述绞刀转速自动控制器器，引入绞刀切片厚度即绞刀转速与横移速度比数学模型，获得绞刀转速与横移速度联动控制，实现绞刀转速自动控制，确保不同土质切削量与泵吸入及输送能力达到一种平衡。

7.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法，其特征在于，所述桥架自动控制器，包括绞刀深度偏差自动控制和台车进关桥架自动联动控制。

8.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法，其特征在于，所述钢桩台车自动控制器，在桥架横移摆动至边线时，自动控制台车按设定值进尺。

9.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法，其特征在于，所述泥浆输送流速控制器，(1)根据施工工况设定，泥泵自动控制器自动控制泥泵系统工作在最优工况点；(2)当管路流速低于管路输送临界流速时，将向横移绞车自动控制器发出降速指令，反之将向横移绞车自动控制器发出升速指令，确保管路输送浓度和流速，实现高产稳产。

10.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船基于产量的自动挖泥控制方法，其特征在于，所述真空释放阀自动控制器，根据水下泵吸入真空自动控制真空释放阀的开或关。