抓斗式挖泥船挖泥測深及控制系統(tǒng)摘要：本文針對現(xiàn)使用的抓斗式挖泥船普遍存在的問題，研究分析了開發(fā)挖泥船挖泥測深及其控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)工藝原理和開發(fā)步驟，以供從業(yè)人員互相學(xué)習(xí)進(jìn)步。關(guān)鍵詞：抓斗式；挖泥船；挖泥測深；控制系統(tǒng)一、抓斗式挖泥船普遍存在問題分析抓斗式挖泥船的超深、超寬控制對工程各方的效益影響日益凸顯。隨著GPS定位系統(tǒng)的引進(jìn)，挖泥超寬現(xiàn)象已得到有效控制，而船舶施工時水中狀況復(fù)雜，現(xiàn)有水砣、單波束、多波束測深儀不能實時提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)，使得超深現(xiàn)象難以得到精準(zhǔn)控制。根據(jù)經(jīng)驗，通常超深30?5Ocm；不但增加施工成本，有時也滿足不了業(yè)主對超深控制的要求。中交第一航務(wù)工程局第二工程有限公司“交抓111”船，以下簡稱交抓111；是1987年從日本購買的8m3抓斗式挖泥船，挖泥深度計精度較低，難以滿足對挖泥超深控制的要求。采用在抓斗提升索上做標(biāo)記的方法控制挖泥深度，這種方法過于繁瑣、精度低，并且容易造成操作人員視力疲勞。另一方面，交抓111的硬件和程序針對某船專門設(shè)計，不通用，長期服役，一旦損壞很難修復(fù)。為此在交抓111上開發(fā)挖泥測深及控制系統(tǒng)，安裝挖泥深度計（以下簡稱深度計）和抓斗開口度計（以下簡稱開口度計）。通過計量抓斗提升索長度實時測量和顯示挖泥深度，以及通過計量抓斗提升索和開閉索的長度差值，對抓斗的開口度進(jìn)行計算和顯示。其中抓斗開口度顯示為系統(tǒng)附加功能，目的是使操作人員能夠直觀掌握抓斗在水下的開合程度，提高操作速度和效率。該系統(tǒng)特點是深度自動控制，將深度計與挖泥機(jī)支持卷筒、開閉卷筒的離合、剎車控制系統(tǒng)連接起來，在深度計上輸入1個預(yù)設(shè)深度后，抓斗在達(dá)到該深度時可自動停止并自動進(jìn)行挖掘，加強(qiáng)操作人員對挖泥超深的掌控。交抓111抓斗提升、開閉系統(tǒng)見圖1：系統(tǒng)開發(fā)預(yù)定目標(biāo)和要求如下：1） 超深控制需要實現(xiàn)測量準(zhǔn)確、安裝簡便以及實時準(zhǔn)確反應(yīng)的功能。將高程誤差控制在10cm之內(nèi)，可清晰準(zhǔn)確地觀察，做到實時觀測，抗干擾性強(qiáng)，適應(yīng)多種環(huán)境因素。2） 控制程序簡便易行，運行狀態(tài)穩(wěn)定。界面友好、人性化、可人機(jī)互動。3） 設(shè)置超深、超高自動停止功能，當(dāng)在深度計輸入預(yù)設(shè)深度后，抓斗到達(dá)該深度能夠自動停止，并自動進(jìn)入合斗挖泥動作，無需人員操作。超高自動停止可避免抓斗過分提升而引起事故。二、交抓111測深及控制系統(tǒng)開發(fā)1、方案確定經(jīng)考察論證，該項目硬件合理結(jié)構(gòu)為：傳感器一運算中心一顯示儀表/控制輸出。運算和顯示可采用的方案有：①數(shù)碼管或傳統(tǒng)儀表顯示方式，使用包含CPU的印刷電路板負(fù)責(zé)信號采集、數(shù)據(jù)運算。②可編程觸摸屏顯示方式，使用PLC負(fù)責(zé)信號采集、數(shù)據(jù)運算。見圖2：兩種方案比較見表1：方案①是針對某一項目特別開發(fā)，不通用、不成系列，沒有模塊化配件，程序針對性太強(qiáng)而可移植性差，故障率高，維修復(fù)雜，需依賴產(chǎn)品開發(fā)商。方案②除了造價方面高于方案①，其他性能均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于方案①。綜上所述，項目采用方案②。2、工藝原理在支持、開閉卷筒側(cè)壁外緣安裝計數(shù)光孔鋼帶，其上等距沖28個孔，孔數(shù)越多，顯示精度越高，但孔數(shù)過多會造成傳感器輸送給PLC的脈沖頻率高于PLC的采樣頻率，使PLC反應(yīng)不過來引起誤差。在每條計數(shù)光孔鋼帶的檢測位置將兩組歐姆龍E32-TC200/E3X-SD41光電傳感器固定安裝在卷筒底座。見圖3：當(dāng)卷筒運轉(zhuǎn)時，傳感器發(fā)射端不斷發(fā)射紅外線，透過計數(shù)光孔鋼帶的小孔至傳感器接收端，當(dāng)光線正好照射在沒有小孔的位置時，接收端接收不到任何信號。這樣隨著卷筒運轉(zhuǎn)，光電開關(guān)經(jīng)轉(zhuǎn)換器、放大器形成一組脈沖信號，輸送給PLC。PLC通過計算脈沖的個數(shù)、頻率，經(jīng)過換算實現(xiàn)繩索長度計量和速度計算。通過判斷兩組傳感器的脈沖相位差值，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向狀態(tài)識別正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。通過計算支持索、開閉索收放長度的相對差值，轉(zhuǎn)換成抓斗開度顯示輸出。PLC完成內(nèi)部運算以后，將深度信號、開口度信號輸送給可編程觸摸屏顯示輸出?？删幊逃|摸屏通過編制程序，在屏幕上用數(shù)字顯示挖泥深度，用模擬開口度表盤顯示抓斗開口度。PLC模擬量輸出模塊中的一組信號輸出驅(qū)動1只DC24V繼電器，利用繼電器的無源常開觸點接入挖泥機(jī)繼電器控制盤，繼電器控制盤通過驅(qū)動相關(guān)電磁閥，控制支持卷筒、開閉卷筒等機(jī)械設(shè)備的離合、剎車等動作，控制抓斗自動停止。當(dāng)抓斗到達(dá)預(yù)設(shè)深度時，外接繼電器無源常開觸點閉合，繼電器控制盤內(nèi)CX4繼電器得電動作，其常開觸點閉合，支持卷筒的SVHA剎車電磁閥得電動作，支持卷筒剎車，抓斗停止在預(yù)設(shè)深度。4） PLC和觸摸屏的程序均基于設(shè)備自帶的編程平臺編寫開發(fā)，可隨意移植于同型號、同系列的硬件設(shè)備。5） 設(shè)置停止解除按鈕。當(dāng)抓斗到達(dá)預(yù)設(shè)深度自動停止時，如果操作人員需根據(jù)實際情況對抓斗再進(jìn)行提升、下降的工作，可按下停止解除按鈕，解除本次深度停止，抓斗可進(jìn)行正常操作；當(dāng)抓斗完成此次挖泥操作，進(jìn)入下一個循環(huán)時，自動停止功能立即恢復(fù)，仍然在預(yù)設(shè)深度自動停止，該功能運算由PLC實現(xiàn)。3、操作界面觸摸屏采用西門子EVIEW-MT4403T.8”液晶顯示屏，4線精密電阻網(wǎng)絡(luò)（表面硬度4H），自帶專用編程工具。供電后，系統(tǒng)開始工作，進(jìn)入主界面。見圖4：主界面由觸摸屏顯示，可顯示各類數(shù)據(jù)，也可進(jìn)行觸摸操作修改相關(guān)參數(shù)等，重要的參數(shù)使用密碼保護(hù)，非關(guān)鍵人員不得修改。按下主界面左上角箭頭，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置畫面。見圖5：時間設(shè)置界面見圖6,用于設(shè)定深度停止時報警解除延時時間，預(yù)告報警解除延時時間和全閉報警解除延時時間。4、調(diào)試運行定制測深方案之前，首先要計算卷筒最大轉(zhuǎn)速并根據(jù)精度要求確定計數(shù)光孔鋼帶上光孔個數(shù)；然后充分考慮傳感器、PLC工作能力，即傳感器內(nèi)光電開關(guān)的最大計數(shù)頻率，以及PLC的最大采樣頻率。只有兩種頻率遠(yuǎn)大于卷筒計數(shù)光于L的旋轉(zhuǎn)頻率時，該方案才能成功，PLC準(zhǔn)確采集脈沖，確保精確無誤的顯示輸出。具體步驟如下：1） 首先確定精度。如果精度要達(dá)到6cm，則通過換算計數(shù)光孔鋼帶的周長與卷筒上本圈鋼絲繩周長之問的比值，確定計數(shù)光孔之間間距和計數(shù)光孔個數(shù)。2） 通過計數(shù)光孔的個數(shù)與卷筒最大轉(zhuǎn)速計算卷筒計數(shù)光孔的旋轉(zhuǎn)頻率。3）確認(rèn)傳感器最大計數(shù)頻率、PLC采樣頻率遠(yuǎn)大于計數(shù)光孔的旋轉(zhuǎn)頻率。4）如果不能滿足步驟3,則回到步驟1，重新確定測量精度，減少計數(shù)光孔的個數(shù)，或選擇更大頻率的傳感器、PLC。三、 應(yīng)用效果交抓111的深度計、開口度計安裝調(diào)試完畢，在青島前灣港四期碼頭進(jìn)行挖泥施工。經(jīng)技術(shù)人員連續(xù)測量和比對，通過測量鋼絲繩實際長度的方法進(jìn)行誤差分析，數(shù)據(jù)表明深度測量的誤差《0.25%，開口度測量誤差《1%，其中深度測量的平均誤差在6cm以內(nèi)。交抓111的深度計、開口度計運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，顯示精準(zhǔn)，控制靈活，滿足超深停止要求，滿足船級社相關(guān)規(guī)范，適應(yīng)船舶施工環(huán)境，符合設(shè)計要求。四、 改進(jìn)完善交抓111挖泥測深及控制系統(tǒng)的缺點是當(dāng)抓斗下潛深度到達(dá)預(yù)設(shè)深度時，鋼絲繩卷筒的離合、剎車系統(tǒng)存在機(jī)械反應(yīng)時間，若卷筒速度過快，則抓斗實際停止時，已經(jīng)超出了預(yù)設(shè)深度，這樣操作人員看到抓斗即將到達(dá)預(yù)設(shè)深度時，必須控制抓斗減速，才能使抓斗停在與預(yù)設(shè)深度相差不多的位置，影響挖泥效率。為此擬對該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，將深度計與液力變矩器的控制系統(tǒng)連接起來。當(dāng)抓斗快要到達(dá)預(yù)設(shè)深度時，深度計輸出信號給變矩器控制系統(tǒng)，使卷筒自動減速，直至抓斗完全停住。這將便于人員操作，提高施工效率?？傊谀啻诂F(xiàn)代疏浚工程中，挖泥船除了進(jìn)行航道、港口和水利疏浚以外還廣泛