CN109750705B - 一种绞吸挖泥船目标参数自动挖泥控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绞吸挖泥船目标参数自动挖泥控制方法，属于工程船舶自动化控制技术领域，是指在一定的施工工况及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，通过自动控制器联合控制绞刀、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。本发明通过保持目标工艺参数值恒定，能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操作的差异，提高施工质量，保障设备安全，降低油耗，实现高效的绞吸挖泥船自动疏浚作业。

Description

一种绞吸挖泥船目标参数自动挖泥控制方法

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目标参数自动挖泥控制方法。

背景技术

绞吸挖泥船是航道疏浚和吹填造陆工程中不可代替的主力军，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，使绞吸挖泥船施工设备的操控更加自动化集成化。施工人员可通过远程工作站控制疏浚设备、监视疏浚过程，显著提高了挖泥船的施工效率，但由于仍然主要依赖人工操作，人员的操作水平、熟练程度和操控疲劳对施工产量和效率产生较大影响。在船舶施工中，若能将各项操控指标始终处于最优量化指标区间，便可使船舶施工实时保持最佳效率。

为解决以上问题，进行绞吸挖泥船自动挖泥控制的相关研究，并提出了一种目标参数自动挖泥控制方法。

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目标参数自动挖泥控制方法。

本发明是这样实现的，一种绞吸挖泥船目标参数自动挖泥控制方法，在一定的施工工况及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，通过自动控制器联合控制绞刀、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。

所述目标参数主要包括横移速度，绞刀深度，绞刀转速，钢桩台车行程，真空值。

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、泵吸入真空、泵排出压力、泥泵转速、钢桩台车行程、泥浆浓度、水深、桥架距边线的距离和挖泥剖面。各个信号通过对应安装位置的传感器采集。

本控制方法针对主要疏浚控制对象分别建立子控制器，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。各子控制器之间不是相互独立的，通过共同涉及的控制参数相互影响。

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，则自动退出自动控制模式。

本发明具有的优点和积极效果是：

1)本发明的目标参数自动挖泥控制方法，通过保持目标工艺参数值恒定，实现高效的绞吸挖泥船自动疏浚作业；

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人工的问题，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为本发明所述的目标参数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：

实施例

参阅图1，本实施例提供的一种绞吸挖泥船目标参数自动挖泥控制方法，在一定的施工工况及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，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绞吸挖泥船疏浚设备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。

所述目标参数主要包括横移速度，绞刀深度，绞刀转速，钢桩台车行程，真空值。具体到程序设计过程中为实现上述功能，还需设定好挖掘深度、切削厚度、横移加/减速率、台车步进距离等。

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、泵吸入真空、泵排出压力、泥泵转速、钢桩台车行程、泥浆浓度、水深、桥架距边线的距离和挖泥剖面。各个信号通过对应安装位置的传感器采集。

如图1所述，本控制方法定义的自动挖泥模式包括三种：

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。

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。

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。

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。在不同的动作次序(即挖泥模式)下均可以应用本控制方法，核心在于保持目标工艺参数值恒定，实现该控制功能。

本控制方法针对主要疏浚控制对象分别建立子控制器，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。各子控制器之间不是相互独立的，通过共同涉及的控制参数相互影响。

本控制方法中，对各个主要疏浚设备及其对应的子控制器的控制要点如下：

对于横移控制，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，以防超边线挖掘。

对于绞刀控制，控制目标为施工过程中保持绞刀切削厚度为目标值。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。

对于桥架自动控制，控制目标为施工过程中保持绞刀深度在设定控制范围。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、绞刀深度偏差控制功能、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；当绞刀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。

对于台车控制，控制目标为施工过程中按设定步距动作，在桥架横移摆动至边线时，根据控制模式和设定的台车步进，控制台车自动进关。

对于泥浆输送流速控制，通过控制横移控制器的横移速度变化设定值来保持管路流速稳定，当管路流速低于设定的流速时，将向横移自动控制器发出降速指令，当管路流速高于设定的流速时，将向横移自动控制器发出升速指令。

对于真空释放阀控制器，为维持真空在设定值，当水下泵吸入真空高于设定值时，自动打开真空释放阀，并降低横移速度。

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在程序控制下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。

在一个施工实例中，按照多进尺多层单台车挖掘模式下，根据设定参数，应用本目标参数的自动挖泥控制方法，记录的工作数据如下表1所示：

表1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，对于横移速度控制的主要设定参数见表2所示：

表2对于横移速度控制的主要参数设定值

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

序号	功能项	功能确认
			1	桥架下放至开挖深度	OK
2	横移至右边线减速功能正常	OK
			3	横移反向左功能正常	OK
4	横移至右边线减速功能正常	OK
			5	横移反向左功能正常	OK
6	台车自动退关回零位	OK
			7	台车步进完成后，横移自动回中心停止	OK

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 (5)

1.一种绞吸挖泥船目标参数自动挖泥控制方法，其特征在于，在一定的施工工况及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，通过自动控制器联合控制绞刀、横移绞车、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，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；

本控制方法针对主要疏浚控制对象分别建立子控制器，包括：横移自动控制器、绞刀转速自动控制器、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；各子控制器之间不是相互独立的，通过共同涉及的控制参数相互影响；

对于横移控制，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；

对于绞刀控制，控制目标为施工过程中保持绞刀切削厚度为目标值；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；

对于桥架自动控制，控制目标为施工过程中保持绞刀深度在设定控制范围；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；

对于台车控制，控制目标为施工过程中按设定步距动作，在桥架横移摆动至边线时，根据控制模式和设定的台车步进，控制台车自动进关；

对于泥浆输送流速控制，通过控制横移控制器的横移速度变化设定值来保持管路流速稳定，当管路流速低于设定的流速时，将向横移自动控制器发出降速指令，当管路流速高于设定的流速时，将向横移自动控制器发出升速指令；

对于真空释放阀控制器，为维持真空在设定值，当水下泵吸入真空高于设定值时，自动打开真空释放阀，并降低横移速度。

2.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船目标参数自动挖泥控制方法，其特征在于，所述自动挖泥模式包括三种：

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。

3.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船目标参数自动挖泥控制方法，其特征在于，所述目标参数主要包括横移速度，绞刀深度，绞刀转速，钢桩台车行程，真空值。

4.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船目标参数自动挖泥控制方法，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、泵吸入真空、泵排出压力、泥泵转速、钢桩台车行程、泥浆浓度、水深、桥架距边线的距离和挖泥剖面；各个信号通过对应安装位置的传感器采集。

5.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船目标参数自动挖泥控制方法，其特征在于，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，则自动退出自动控制模式。

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