抓斗式挖泥船挖泥测深及控制系统

顾志东

摘要：本文针对现使用的抓斗式挖泥船普遍存在的问题，研究分析了开发挖泥船挖泥测深及其控制系统，介绍了系统工艺原理和开发步骤，以供从业人员互相学习进步。

关键词：抓斗式；挖泥船；挖泥测深；控制系统

中图分类号： U616 文献标识码： A

一、抓斗式挖泥船普遍存在问题分析

抓斗式挖泥船的超深、超宽控制对工程各方的效益影响日益凸显。随着GPS定位系统的引进，挖泥超宽现象已得到有效控制，而船舶施工时水中状况复杂，现有水砣、单波束、多波束测深仪不能实时提供准确有效的数据，使得超深现象难以得到精准控制。根据经验，通常超深30~5Ocm；不但增加施工成本，有时也满足不了业主对超深控制的要求。

中交第一航务工程局第二工程有限公司“交抓111”船，以下简称交抓111；是1987年从日本购买的8m3抓斗式挖泥船，挖泥深度计精度较低，难以满足对挖泥超深控制的要求。采用在抓斗提升索上做标记的方法控制挖泥深度，这种方法过于繁琐、精度低，并且容易造成操作人员视力疲劳。另一方面，交抓111的硬件和程序针对某船专门设计，不通用，长期服役，一旦损坏很难修复。

为此在交抓111上开发挖泥测深及控制系统，安装挖泥深度计(以下简称深度计)和抓斗开口度计(以下简称开口度计)。通过计量抓斗提升索长度实时测量和显示挖泥深度，以及通过计量抓斗提升索和开闭索的长度差值，对抓斗的开口度进行计算和显示。其中抓斗开口度显示为系统附加功能，目的是使操作人员能够直观掌握抓斗在水下的开合程度，提高操作速度和效率。

该系统特点是深度自动控制，将深度计与挖泥机支持卷筒、开闭卷筒的离合、刹车控制系统连接起来，在深度计上输入1个预设深度后，抓斗在达到该深度时可自动停止并自动进行挖掘，加强操作人员对挖泥超深的掌控。交抓111抓斗提升、开闭系统见图1：

系统开发预定目标和要求如下：

1)超深控制需要实现测量准确、安装简便以及实时准确反应的功能。将高程误差控制在10cm之内，可清晰准确地观察，做到实时观测，抗干扰性强，适应多种环境因素。

2)控制程序简便易行，运行状态稳定。界面友好、人性化、可人机互动。

3)设置超深、超高自动停止功能，当在深度计输入预设深度后，抓斗到达该深度能够自动停止，并自动进入合斗挖泥动作，无需人员操作。超高自动停止可避免抓斗过分提升而引起事故。

二、交抓111测深及控制系统开发

1、方案确定

经考察论证，该项目硬件合理结构为：传感器→运算中心→显示仪表/控制输出。运算和显示可采用的方案有：①数码管或传统仪表显示方式，使用包含CPU的印刷电路板负责信号采集、数据运算。②可编程触摸屏显示方式，使用PLC负责信号采集、数据运算。见图2：

两种方案比较见表1：

方案①是针对某一项目特别开发，不通用、不成系列，没有模块化配件，程序针对性太强而可移植性差，故障率高，维修复杂，需依赖产品开发商。方案②除了造价方面高于方案①，其他性能均远远优于方案①。综上所述，项目采用方案②。

2、工艺原理

1)在支持、开闭卷筒侧壁外缘安装计数光孔钢带，其上等距冲28个孔，孔数越多，显示精度越高，但孔数过多会造成传感器输送给PLC的脉冲频率高于PLC的采样频率，使PLC反应不过来引起误差。在每条计数光孔钢带的检测位置将两组欧姆龙E32-TC200/E3X-SD41光电传感器固定安装在卷筒底座。见图3：

当卷筒运转时，传感器发射端不断发射红外线，透过计数光孔钢带的小孔至传感器接收端，当光线正好照射在没有小孔的位置时，接收端接收不到任何信号。这样随着卷筒运转，光电开关经转换器、放大器形成一组脉冲信号，输送给PLC。 PLC通过计算脉冲的个数、频率，经过换算实现绳索长度计量和速度计算。通过判断两组传感器的脉冲相位差值，实现转向状态识别正转或反转。通过计算支持索、开闭索收放长度的相对差值，转换成抓斗开度显示输出。

2) PLC完成内部运算以后，将深度信号、开口度信号输送给可编程触摸屏显示输出。可编程触摸屏通过编制程序，在屏幕上用数字显示挖泥深度，用模拟开口度表盘显示抓斗开口度。

3) PLC模拟量输出模块中的一组信号输出驱动1只DC24V继电器，利用继电器的无源常开触点接入挖泥机继电器控制盘，继电器控制盘通过驱动相关电磁阀，控制支持卷筒、开闭卷筒等机械设备的离合、刹车等动作，控制抓斗自动停止。当抓斗到达预设深度时，外接继电器无源常开触点闭合，继电器控制盘内CX4继电器得电动作，其常开触点闭合，支持卷筒的SVHA刹车电磁阀得电动作，支持卷筒刹车，抓斗停止在预设深度。

4) PLC和触摸屏的程序均基于设备自带的编程平台编写开发，可随意移植于同型号、同系列的硬件设备。

5)设置停止解除按钮。当抓斗到达预设深度自动停止时，如果操作人员需根据实际情况对抓斗再进行提升、下降的工作，可按下停止解除按钮，解除本次深度停止，抓斗可进行正常操作；当抓斗完成此次挖泥操作，进入下一个循环时，自动停止功能立即恢复，仍然在预设深度自动停止，该功能运算由PLC实现。

3、操作界面

触摸屏采用西门子EVIEW-MT4403T.8"液晶显示屏，4线精密电阻网络(表面硬度4H)，自带专用编程工具。供电后，系统开始工作，进入主界面。见图4：

主界面由触摸屏显示，可显示各类数据，也可进行触摸操作修改相关参数等，重要的参数使用密码保护，非关键人员不得修改。按下主界面左上角箭头，进入参数设置画面。见图5：

时间设置界面见图6，用于设定深度停止时报警解除延时时间，预告报警解除延时时间和全闭报警解除延时时间。

4、调试运行

定制测深方案之前，首先要计算卷筒最大转速并根据精度要求确定计数光孔钢带上光孔个数；然后充分考虑传感器、PLC工作能力，即传感器内光电开关的最大计数频率，以及PLC的最大采样频率。只有两种频率远大于卷筒计数光于L的旋转频率时，该方案才能成功，PLC准确采集脉冲，确保精确无误的显示输出。具体步骤如下：

1)首先确定精度。如果精度要达到6cm，则通过换算计数光孔钢带的周长与卷筒上本圈钢丝绳周长之问的比值，确定计数光孔之间间距和计数光孔个数。

2)通过计数光孔的个数与卷筒最大转速计算卷筒计数光孔的旋转频率。

3)确认传感器最大计数频率、PLC采样频率远大于计数光孔的旋转频率。

4)如果不能满足步骤3，则回到步骤1，重新确定测量精度，减少计数光孔的个数，或选择更大频率的传感器、PLC。

三、应用效果

交抓111的深度计、开口度计安装调试完毕，在青岛前湾港四期码头进行挖泥施工。经技术人员连续测量和比对，通过测量钢丝绳实际长度的方法进行误差分析，数据表明深度测量的误差《0.25%，开口度测量误差《1%，其中深度测量的平均误差在6cm以内。交抓111的深度计、开口度计运转稳定，显示精准，控制灵活，满足超深停止要求，满足船级社相关规范，适应船舶施工环境，符合设计要求。

四、改进完善

交抓111挖泥测深及控制系统的缺点是当抓斗下潜深度到达预设深度时，钢丝绳卷筒的离合、刹车系统存在机械反应时间，若卷筒速度过快，则抓斗实际停止时，已经超出了预设深度，这样操作人员看到抓斗即将到达预设深度时，必须控制抓斗减速，才能使抓斗停在与预设深度相差不多的位置，影响挖泥效率。为此拟对该系统进行改进，将深度计与液力变矩器的控制系统连接起来。当抓斗快要到达预设深度时，深度计输出信号给变矩器控制系统，使卷筒自动减速，直至抓斗完全停住。这将便于人员操作，提高施工效率。

总之，挖泥船在现代疏浚工程中，挖泥船除了进行航道、港口和水利疏浚以外还广泛应用在电站建设、桥梁基础、水利堤防建设、市政、过江管道建设、沙石生产等建设领域方面，并在各领域建设中发挥了重要的广泛积极的作用，因此挖泥船的选型和工作装置的配备及造型建造发展显得非常重要。

参考文献：

[1]廖常初.PLC编程及应用[M].北京二机械工业出版社.2011.

[2]李方园.触摸屏工程应用[M].北京:电子工业出版社.2012.