CN109750706B - 一种绞吸挖泥船单层多进尺自动挖泥控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绞吸挖泥船单层多进尺自动挖泥控制方法，属于工程船舶自动化控制技术领域，该方法首先根据一定工况，设定控制目标参数，在单层多进尺自动挖泥作业模式下通过联合控制绞刀、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自动挖掘作业，从而实现目标参数自动、目标产量自动、最大产量自动和经济产量自动的挖泥疏浚。本发明主要针对的是在土质分层明显区域、浅滩区域等，且应用于工程收尾阶段便于疏浚工程航道扫浅，相比人工操作，扫浅深度、精确性更高；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。

Description

一种绞吸挖泥船单层多进尺自动挖泥控制方法

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单层多进尺自动挖泥控制方法。

背景技术

绞吸挖泥船挖泥操作员通过手动操作疏浚操作台可远程控制船舶施工，通过重复正反向绞刀横移定深切削及台车步进等一系列动作，完成规定区域的疏浚工作，但整个工程的耗时较长，需要全天24小时多班操作人员替换连续操作，不仅消耗大量人力，在夜间施工时还易出现因人员疲劳操作导致设备安全问题。其中在疏浚工程收尾阶段，需要进一步完善已疏浚的施工区域，便于后期测量验收，往往需要将施工区域扫平，而人工操作在时效性和精确性上很难保证施工效率，若开发一套自动控制方法，令船舶按设定的程序自动进行疏浚作业，不仅解决了人力消耗大的问题，还保证了船舶设备安全及施工质效。

为解决以上问题，发明绞吸挖泥船基于单层多进尺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单层多进尺自动挖泥控制方法。

本发明是这样实现的，一种绞吸挖泥船单层多进尺自动挖泥控制方法，该方法首先根据一定工况，设定控制目标参数，在单层多进尺自动挖泥作业模式下通过联合控制绞刀、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自动挖掘作业，从而实现目标参数自动、目标产量自动、最大产量自动和经济产量自动的挖泥疏浚。

所述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。

本控制方法的主要疏浚控制对象包括横移绞车、桥架绞车、绞刀、钢桩台车、真空释放阀等绞吸挖泥船疏浚机具。

控制过程中需要的主要信号有：横移速度信号、横移拉力信号、绞刀转速信号、绞刀扭矩信号、桥架深度信号、泵吸入真空信号、泵排出压力信号、泥泵转速信号、钢桩台车行程信号、泥浆浓度信号、水深信号、桥架距边线的距离信号和挖泥剖面信号等。各个信号通过对应安装位置的传感器采集。

还需要的控制状态及设定的控制目标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、钢桩台车步进距离设定、是否启用同轨迹挖掘等。

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

绞刀转速自动控制器，通过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量达到一种平衡。

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，自动控制钢桩台车按设定的行程进关。

泥浆输送流速控制器，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，当管路流速高于设定流速时，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稳定。

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)本发明采用单层多进尺自动挖泥作业模式的控制方法，主要针对的是在土质分层明显区域、浅滩区域等，且应用于工程收尾阶段便于疏浚工程航道扫浅，相比人工操作，扫浅深度、精确性更高；

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为本发明所述的单层多进尺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

一、控制模式及控制方法

参阅图1，本实施例提供的一种绞吸挖泥船单层多进尺自动挖泥控制方法，该方法首先根据一定工况，设定挖掘深度、切削厚度、横移加/减速率、横移速度、台车步进距离、是否启用同轨迹挖掘等控制目标参数，在单层多进尺自动挖泥作业模式下通过联合控制绞刀、横移绞车、桥架绞车、钢桩台车和真空释放阀等绞吸挖泥船疏浚机具，并采集控制过程中需要的信号，来实现挖泥船按施工工艺自动挖掘作业，从而实现目标参数自动、目标产量自动、最大产量自动和经济产量自动的挖泥疏浚。

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。

一个实例中应用单层多进尺自动挖泥模式运行的数据如下表1所示：

表1单层多进尺自动挖泥模式运行的数据

二、控制功能

本发明的自动挖泥控制方法实现的4个自动挖泥控制功能，具体为：

1.目标参数自动：在任一自动挖泥模式下，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。

2.目标产量自动：在目标参数自动控制功能基础上，横移自动控制器依据设定的水下泵真空或真空预报密度自动控制横移速度，当水下泵真空或真空预报密度高于设定值时自动降低横移速度，反之增加横移速度，确保挖掘产量稳定在设定目标产量范围。

3.最大产量自动：在目标产量自动控制功能基础上，泥浆输送流速控制器和横移自动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，在保证泥浆流速大于临界流速的前提下，尽可能的提高横移速度，当管路平均流速持续低于设定的临界流速时，自动降低横移速度以降低挖掘浓度，确保最大挖掘产量下平稳输送能力。

4.经济产量自动：在最大产量自动控制功能基础上，引入挖泥产量与万方油耗比参数，确定该工况下的最佳经济产量目标值，以此“最佳经济产量目标值”确定对应的水下泵吸入真空和泥浆流速，泥浆输送流速控制器和横移自动控制器联合自动控制横移速度，同时保持泥浆流速和水下泵吸入真空处于控制范围，确保挖掘浓度与输送产量保持在设定经济产量目标值。

三、子控制器

如图1所示，本发明在单层多进尺自动挖泥控制模式下实现的4个自动挖泥控制功能，均通过各子控制器联合发挥作用，分别是：

1.横移自动控制器，其模型为：(1)当绞刀摆动接近边线时自动降低横移速度，绞刀到达边线时自动回摆开始反向挖泥；(2)在横移摆动挖泥过程中，当水下泵吸入真空或真空预报密度大于设定值时自动降低横移速度，反之增加横移速度；(3)当管路流速低于管路输送临界流速时降低横移速度，反之增加横移速度。

2.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值与高限值之间时，系统按设定的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，以获得最佳的绞刀切片厚度。

3.桥架自动控制模器，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。

4.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钢桩台车步进值，控制钢桩台车自动进关。

5.泥浆输送流速控制器，其模型为：当管路流速低于管路输送临界流速时，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，确保管路输送浓度和流速稳定。

6.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，并降低横移速度。

本发明的各子控制器中，应急控制优先级最高，手动控制次之，自动控制优先级最低，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。

本发明的单层多进尺自动挖泥控制模式和4个自动挖泥控制功能中，设计了同轨迹挖掘功能，即当桥架绞刀需要在一个挖泥轨迹重复挖掘两次时，选用此功能。

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。

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 (3)

1.一种绞吸挖泥船单层多进尺自动挖泥控制方法，其特征在于，该方法首先根据一定工况，设定控制目标参数，在单层多进尺自动挖泥作业模式下通过联合控制绞刀、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自动挖掘作业，从而实现目标参数自动、目标产量自动、最大产量自动和经济产量自动的挖泥疏浚；

所述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；

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、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；

所述横移自动控制器，通过实时计算绞刀偏移距离，当桥架绞刀摆动到边线时，自动控制横移绞车停止且自动回摆；其模型为：(1)当绞刀摆动接近边线时自动降低横移速度，绞刀到达边线时自动回摆开始反向挖泥；(2)在横移摆动挖泥过程中，当水下泵吸入真空或真空预报密度大于设定值时自动降低横移速度，反之增加横移速度；(3)当管路流速低于管路输送临界流速时降低横移速度，反之增加横移速度；

所述绞刀转速自动控制器，通过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量达到一种平衡；其模型为：(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值与高限值之间时，系统按设定的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，以获得最佳的绞刀切片厚度；

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；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；

所述钢桩台车自动控制器，在桥架横移摆动至边线时，自动控制钢桩台车按设定的行程进关；

所述泥浆输送流速控制器，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，当管路流速高于设定流速时，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稳定；

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；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，并降低横移速度。

2.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船单层多进尺自动挖泥控制方法，其特征在于，控制过程中需要的主要信号有：横移速度信号、横移拉力信号、绞刀转速信号、绞刀扭矩信号、桥架深度信号、泵吸入真空信号、泵排出压力信号、泥泵转速信号、钢桩台车行程信号、泥浆浓度信号、水深信号、桥架距边线的距离信号和挖泥剖面信号；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单层多进尺自动挖泥控制方法，其特征在于，还需要的控制状态及设定的控制目标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、钢桩台车步进距离设定、是否启用同轨迹挖掘。

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