CN109750707B - 一种绞吸挖泥船目标产量自动挖泥控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绞吸挖泥船目标产量自动挖泥控制方法，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，以获得目标产量为目标，设定水下泵真空或真空预报密度，横移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，同时联合控制绞刀、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，使疏浚产量稳定在目标产量附近，从而实现高效且产量稳定的绞吸挖泥船自动疏浚作业。本发明通过横移控制器依据设定的水下泵真空或真空预报泥浆密度自动控制横移速度，使得疏浚产量能够稳定在目标产量附近，实现了根据目标产量进行自动挖泥控制，提高施工质量，降低油耗。

Description

一种绞吸挖泥船目标产量自动挖泥控制方法

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产量自动挖泥控制方法。

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，这显著的提高了挖泥船的施工效率。不过，目前的“全船集成监控系统”主要是以监视为主，挖泥施工操作主要是手动挖泥施工。手动挖泥作业过程中，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。同时也存在着人员劳动强度大、设备安全性不高、施工效率不稳定等问题。在船舶施工中，若能将疏浚产量作为目标，使疏浚产量稳定在设定目标产量附近，便可使绞吸挖泥船以稳定产量工作。为解决以上问题，进行了绞吸挖泥船自动挖泥控制系统研究，并提出了一种绞吸挖泥船目标产量的自动挖泥控制方法。

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产量自动挖泥控制方法。

本发明是这样实现的，一种绞吸挖泥船目标产量自动挖泥控制方法，在一定的施工工况及任一自动挖泥模式下，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密度，横移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，同时联合控制绞刀、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来实现挖泥船按施工工艺次序自动挖泥疏浚作业，使疏浚产量稳定在目标产量附近，从而实现高效且产量稳定的绞吸挖泥船自动疏浚作业；

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：

所述真空预报密度：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，SCADA根据当前的吸入真空实时查表，直线内插法计算出对应的密度，并实时写入PLC中显示。

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，确保疏浚产量稳定在目标产量附近。

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、台车行程、泥浆浓度、水深、桥架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。

本控制方法还需要一定的控制状态及参数设定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。

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)本发明的控制方法通过横移控制器依据设定的水下泵真空或真空预报泥浆密度自动控制横移速度，使得疏浚产量能够稳定在目标产量附近，确保绞吸挖泥船以稳定产量工作，实现了根据目标产量进行自动挖泥控制；

2)本发明的控制方法具有模块化的特点，控制器由各个子控制器模块组成，方便功能的扩展，并且易于推广应用其它同类型船舶；

3)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；

4)在挖泥施工作业过程中，在无需人工干预的情况下，按照预期设定目标产量，实现测量、操纵等信息处理和过程控制，显著的提高了施工作业的效率，并且降低了施工人员劳动强度，为自主挖泥、智能化挖泥提供了基础。

附图说明

图1为本发明所述的目标产量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产量自动挖泥控制方法，在一定的施工工况及任一自动挖泥模式下，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密度，横移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，同时联合控制绞刀、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来实现挖泥船按施工工艺次序自动挖泥疏浚作业，使疏浚产量稳定在目标产量附近，从而实现高效且产量稳定的绞吸挖泥船自动疏浚作业。

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：

所述真空预报密度：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，SCADA根据当前的吸入真空实时查表，直线内插法计算出对应的密度，并实时写入PLC中显示。

目标产量自动控制是在目标参数自动控制功能基础上，横移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，确保疏浚产量稳定在目标产量附近。

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、台车行程、泥浆浓度、水深、桥架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。

本控制方法还需要一定的控制状态及参数设定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。

本方法所述的自动挖泥控制，通过各子控制器或控制模型联合发挥作用。

横移控制受多个因素影响。绞刀扭矩超过设定值后，需要降低横移速度；根据设定的水下泵吸入真空控制横移速度，真空度下降时先开真空释放阀，再限制横移速度；水下泵排出压力超过横移控制设定值后，降低横移速度；总排出压力超过设定值后，降低横移速度；泥泵流速低于流速设定值后，降低横移速度；泥浆浓度超过设定值后，降低横移速度；实时自动调节横移速度的增减，使管路平均浓度始终与设定值接近。以上各部分联动控制是可选择是否启用的，同时对横移速度的影响具有同等的优先级。

横移控制包括边线横移速度控制，实时计算绞刀偏移距离以便判断桥架是否接近边线，横移至减速区按设定减速斜率减速，减速至设定速度后继续向边线移动，距边线达到设定值之后按机械斜率减速至零。

绞刀转速受与横移速度比、与绞刀扭矩比、与横移拉力比三个比值控制影响，绞刀转速与横移速度比数学模型为：(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。同时还受最小和最大绞刀转速限制控制。三个比值控制都生效时以最小转速设定值为准。

真空释放阀的开、关受泥浆的浓度、水下泵吸入真空及舱内泵中间压力排压影响。泥浆浓度过高，自动打开真空释放阀；真空过小，先降低横移速度再开真空释放阀；排压过大，先调泵速，再降低横移速度，最后开真空释放阀。

桥架控制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。前者为监测绞刀深度实时与挖掘深度偏差，若偏差值超过设定值，则控制桥架升降。台车进关桥架自动联动控制中台车需要进关时，桥架自动提起至设定的起桥深度，待台车进关完毕后，自动将桥架下放至设定深度，若台车进关时桥架深度低于设定深度，则该功能不启用。

台车控制通过计算机实时计算绞刀距离左边线、右边线以及中线的距离，当绞刀位置到达左边线、右边线时，横移绞车停止，判断台车需要进关时，桥架联动，待台车进关完毕后，桥架联动，随后保持当前的台车行程开始反向横移摆动，一直挖掘至台车最大行程后，绞刀自动返回中线，然后退出自动控制模式。在半自动控制模式下还可实现一键进关与一键退关。

对于泥浆输送流速控制，通过控制横移速度设定值来保持管路流速。

在硬质土区域，同轨迹挖掘使绞刀在执行两次摆动动作后再执行台车步进动作。其他动作方式不变，该功能为可选。

每个挖泥设备运行参数的变化会引起多个过程参数的变化，通过自动挖泥控制程序的逻辑分析，变化的参数会影响对各个相关运行设备的控制。

该模型设计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。

同时，目标产量自动控制适用于以下3种自动挖泥作业模式：

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。

在一个施工实例中，按照单层多进尺单台车挖掘模式下，应用本目标产量的自动挖泥控制方法，设定自动控制参数如下表1所示：

表1目标产量自动控制参数配置表

在一个施工实例中，按照单层多进尺单台车挖掘模式下，根据设定参数，应用本目标产量的自动挖泥控制方法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2所示：

表2目标产量自动控制功能验证表

在一个施工实例中，按照单层多进尺单台车挖掘模式下，根据设定参数，应用本目标产量的自动挖泥控制方法，施工数据记录参数如下表3所示：

表3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。

试验中，绞刀下放深度为标高-10m，通过水下泵的吸入真空控制横移速度，使产量(真空)自动保持在设置的期望值。通过表2与表3的数据可以看出，自动挖泥刚开始过程1至过程3由于铰刀刚进入泥面还未完全正式进入施工状态，密度值暂不稳定，从过程3开始至过程9，在目标产量自动挖泥控制方式下，密度值保持在一个较好的控制区间：1.11-1.3g/cm³，说明此时控制产量稳定。

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 (5)

1.一种绞吸挖泥船目标产量自动挖泥控制方法，其特征在于，在一定的施工工况及任一自动挖泥模式下，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密度，横移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，同时联合控制绞刀、横移绞车、桥架绞车、钢桩台车和真空释放阀绞吸挖泥船疏浚机具来实现挖泥船按施工工艺次序自动挖泥疏浚作业，使疏浚产量稳定在目标产量附近，从而实现高效且产量稳定的绞吸挖泥船自动疏浚作业；

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：

所述真空预报密度：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，SCADA根据当前的吸入真空实时查表，直线内插法计算出对应的密度，并实时写入PLC中显示；

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，确保疏浚产量稳定在目标产量附近；

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；各子控制器之间通过共同涉及的控制参数相互影响；

横移控制受多个因素影响：绞刀扭矩超过设定值后，降低横移速度；根据设定的水下泵吸入真空控制横移速度，真空度下降时先开真空释放阀，再限制横移速度；水下泵排出压力超过横移控制设定值后，降低横移速度；总排出压力超过设定值后，降低横移速度；泥泵流速低于流速设定值后，降低横移速度；泥浆浓度超过设定值后，降低横移速度；实时自动调节横移速度的增减，使管路平均浓度始终与设定值接近；以上各部分联动控制是可选择是否启用的，同时对横移速度的影响具有同等的优先级。

2.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船目标产量自动挖泥控制方法，其特征在于，本控制方法适用于以下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：步骤ⅰ)：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；步骤ⅱ)：然后钢桩台车自动按设定值步进，自动按步骤ⅰ)开始下一个疏浚剖面疏浚作业；步骤ⅲ)：重复步骤ⅱ)的过程，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产量自动挖泥控制方法，其特征在于，控制过程中需要的信号有：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、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。

4.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船目标产量自动挖泥控制方法，其特征在于，本控制方法还需要一定的控制状态及参数设定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、台车步进距离设定、是否启用同轨迹挖掘。

5.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船目标产量自动挖泥控制方法，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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