DCM施工管理控制系统的设计与实现

窦 勇，乔朝起，刘海龙，付院平，邹春晓

（1.中交一航局安装工程有限公司，天津 300457；2.中交第一航务工程局有限公司，天津300461）

引 言

传统的换填施工作业已经对沿海的生态带来了严重影响，因此采用更环保的工法替代传统方法来建设港口、码头、防波堤、人工岛等是必然的发展趋势。DCM（Deep Cement Mixing）工法具有加固强度高、沉降小、施工噪音小、不会污染水质等优点，对周围环境无不良影响，是一种环保的水域软基处理工法，因此，DCM 工法在越来越多地被采用。

1 工艺系统概述

香港机场第三跑道系统工程 3204标段主要内容为打制DCM桩，工程位于机场航空高度管制区域，施工中台风、暴雨、高温、潮湿等极端天气多，环保要求复杂严格，海域位于垃圾填埋区，地质情况复杂，同时业主对成桩质量要求也非常高，对切片次数、桩长及成桩连续性都有明确要求。

DCM施工船为深层水泥拌合船，全长60 m，宽26 m，型深4.1 m，桩架高度48.6 m，采用三套处理机，每套 4组搅拌轴，一次处理面积可达13.92 m2，最大处理深度可达水面下35 m，配备了吃水仪、水深计、料位计、GPS等一系列先进的自动化检测仪器，其施工管理控制系统具有高度的自动化性能，能够实现一键式制桩，并可以手动、自动施工任意转换。

1.1 制供浆系统

制供浆系统由一套独立的PLC系统管理控制，提前设定好水灰比后，将水、水泥灰、添加剂按照一定比例搅拌均匀，存入储浆罐后进行泥浆的输送。

1.2 处理机水下拌合制桩系统

处理机水下拌合制桩系统负责制桩流程。制桩流程分为贯入喷浆模式、上拔喷浆模式两种，根据现场实际情况进行选择。该系统也有独立的PLC系统负责功能实现，同时，该PLC系统负责与制供浆系统 PLC间进行通讯，形成两个系统间的连续作业。图1为处理机水下拌合制桩系统设备组成。

图1 处理机水下拌合制桩系统设备组成

1.3 报表管理系统

报表管理系统负责将施工数据进行实时记录和存储，形成对成桩质量、作业时间、贯入深度等的统计、分析，辅助生产作业。

2 施工管理控制系统网络拓扑结构

DCM船施工管理控制系统（以下简称“控制系统”）作为DCM工程船的控制系统中枢，主要负责根据作业前设定的施工作业曲线控制处理机系统、制供浆系统及其附属设备的运转，同时还作为控制系统与报表管理系统信息交换的桥梁，将DCM桩制桩施工过程中各环节的关键参数，如处理机钻杆转速、处理机纵向运行速度、泥浆供应速度等上传给报表管理系统，并存储在系统服务器中。

控制系统主要包括三套相互独立的 PLC系统分别控制三套处理机，PLC控制器采用 LS PLCD的XGK-CPUH系列，每套可以独立运行，三套控制系统通过Ethernet网络进行互通连接，以太网通讯模块采用XGL-EFMT。各控制系统与各自I/O站通过Modbus-485通讯，Modbus-485通讯模块采用XGL-C42；与现场各检测仪表通过 Modbus-485通讯以及模拟量方式连接；与变频器通过Modbus-485通讯连接；与GPS定位系统通过Modbus-485通讯连接。

3 控制系统的设计功能

控制系统设计主要实现了以下功能：

1）采集现场各种检测装置信号，用来监控各执行机构动作。详见表 1现场检测设备清单。表中DI代表开关量输入、AI代表模拟量输入、Et代表以太网通讯。

表1 现场检测设备清单

制浆系统中检测仪器，用来对水灰比和制浆量进行控制，同时便于操作员随时监视制浆系统的工作情况，为下一步施工工序做准备。

供浆系统中的压力传感器、电磁流量计，对泥浆输送管路的状态进行数据采集并根据采集到的流量数据控制泵的运行，使操作员能够实时掌握泥浆输送管路的压力和供浆量。

处理机系统中各类仪表，能够对处理机当前的作业状态进行实时的检测和控制。

2）被控设备具备两种控制方式：控制室“自动”和控制室“手动”

在操作员室的操作站 HMI界面上，有控制室“自动”和“手动”切换按钮，当设备进行调试或进行手动制桩时，中控室操作员可将按钮切换为“手动”，对系统设备进行单体启动停止操作，或按照工艺流程进行手动作业。当系统进行自动制桩作业时，操作员可将按钮切换到“自动”，进行一键启动作业。

同时，在控制柜柜门上，安装有生产流程监视板，可以直观的看到整个施工过程中各个环节的工作状态及部分数据。

3）内置两种工艺流程

贯入喷浆模式：处理机钻杆贯入泥面边贯入边喷浆，贯入过程中用下喷浆口喷浆，根据钻杆结构及工艺需求，该模式是先喷浆后搅拌，到达制桩深度后提升进行再次搅拌。此种方式多用于地质情况良好、贯入过程中基本无障碍物、并且桩较短时采用（桩长＜6 m）。

上拔喷浆模式：处理机钻杆贯入泥面，贯入过程中用下喷浆少量喷水辅助贯入，到达制桩深度后进行桩底处理，底部处理结束后，钻杆上拔同时上喷浆口喷浆，进行搅拌。此种方式多是地质情况复杂，贯入过程中会有障碍物，并且桩长比较长（桩长＞6 m）。

贯入喷浆模式的施工曲线如图 2。上拔喷浆模式的施工曲线如图3。

图2 贯入喷浆模式施工曲线示意

图3 上拔喷浆模式施工曲线示意

4）报表管理系统

报表管理系统记录控制系统传输过来的系统作业时间、制桩高程数据、处理机电流数据、喷浆瞬时量、水深、潮位等数据。在施工作业结束后形成坐标形式的曲线图报表，可以让操作人员第一时间直观的看到本次作业的结果，分析成桩质量和生产用料，发现问题并在下一次施工过程中解决问题。

同时，积累下来的历史数据也可以形成数据库，在成桩取芯检测后，对比最优的曲线设定，为后期DCM施工提供参照。

4 控制系统组成

4.1 系统硬件组成

控制系统硬件主要分监控层、控制层和执行层，监控层包括监控室内的6套施工操作站、1套数据库管理工作站（含服务器）、打印机；控制层由电气室内PLC系统组成；执行层包括各执行机构的变频器、电机、阀门等执行机构，以及现场检测仪表等。

硬件根据系统主要包含制供浆系统和处理机系统。

制供浆系统主要控制设备包括：水泥灰储料仓（垂直及水平绞龙）、添加剂储料仓、水储藏仓、计量罐、搅拌罐、储浆罐、阀门、泥浆泵、输浆管路以及相应的料位计、流量仪等仪器仪表。

处理机系统主要控制设备包括：一套PLC控制系统、提升绞车（变频控制）、处理机（4台电机、变频控制）、泥浆泵（4台、变频控制）、相应的管路、阀门及仪表。

4.2 系统软件组成

控制系统软件由PLC软件和HMI组态软件及SQL数据库组成。

1）PLC程序

基于XG5000编程软件，采用梯形图编程语言，开发编制施工控制系统PLC程序，它是实现整个工艺流程控制功能的核心部分，是人机交互界面HMI开发的基础。

2）人机交互界面HMI

HMI人间交互界面采用施耐德Citect组态软件开发。通过OPC模式，建立与PLC程序间对应的实时标签数据库联系，组态报警，动作按钮，参数设置，创建工况显示图形，组态图形的各种属性等，完成所有的监控作业。

开发完成的HMI运行在操作室的操作员站，可以直观地监控施工系统的运行状况。在施工开始前，首先要将本次施工参数录入到参数设置界面中，包括：DCM桩位参数、桩长（预计）、桩顶桩底高程、桩截面积、处理机贯入和上拔极限速度、计划达到的切土次数、喷浆模式、水泥牌号、水泥和粉煤灰掺量、水灰比、添加剂种类及掺量、水泵PID、泥浆泵PID等。施工开始时只需要操作员点击自动施工页面的Start按钮，就可以启动自动施工系统，设备的运行信号、故障状态全部显示在主界面上，并且可以随时对施工流程进行暂停、重新启动、手动介入等操作。

DCM施工管理系统HMI各界面可以跳转。主要包括施工系统主界面、自动作业操作界面、参数设置界面、报警设置界面、报警界面、报表趋势图界面等。通过画面上方的标签可以自由切换。同时，HMI画面支持中英文语言切换，适应香港实际情况，能够满足更多操作人群的使用需求。

3）报表管理系统

实现工控数据和生产管理数据的对接是工控领域发展的必然趋势，DCM 船舶施工管理控制系统，不仅要在工艺控制方面形成体系，还要对施工的全生命周期进行监测和记录。本项目中报表管理系统可实现对历史施工进行全方位的记录和分析。

通过施耐德Citect组态软件中的Report功能，利用 cicode代码读取和处理组态数据库中的标签值，生成施工过程数据，并输出表格和图形等。

5 控制系统设计的重点和难点

DCM施工管理控制系统是DCM工程船的神经中枢，DCM 水泥桩质量的优劣取决于该系统是否精确、稳定、可靠，结合系统设计阶段和试验调试阶段的经验，控制系统的重点和难点如下：

1）施工曲线的确定

DCM 施工控制曲线是由多个参数匹配后共同决定的控制施工系统的一个依据，一个施工曲线是否合理，也是保证施工质量的前提。

施工曲线的确定，需要根据工艺方结合地质及试验，给出的制桩长度L（m），每延米水泥掺量S（kg/m）、每延米的搅拌次数W（次/m），计算设计桩顶高程、桩底高程判定、水泥浆喷浆量、处理机旋转速度、处理机提升及贯入速度等参数，同时需要注意施工不同阶段状态转换时不同机构的动作延时，模拟出施工方案曲线。

2）检测仪表的可靠性

由于DCM工艺对船舶定位、喷浆量、处理机纵向位置、钻杆速度等参数的检测和控制要求极高，因此对于各类检测仪表的可靠性提出了很高的要求，既要保证检测精度，也要保证抗干扰能力。

为保证各检测仪表的正常工作，防止干扰信号及供电系统对弱电回路产生损害，系统设计时在PLC系统供电回路前端增加隔离变压器，在模拟量通道安装信号隔离器，对现场检测仪表、PLC机架做可靠的接地。

通讯方式选择在船体中性点不接地小电源系统是很重要的，对于料位计、流量计、水深计等仪表，在满足数据传送要求的情况下，使用模拟量通讯传输信号要比 Modbus-485通讯更加稳定可靠。因为DCM船相对工艺复杂，系统庞大，在船体上有限的空间里要密集的布置大功率设备、众多的供电电缆、控制电缆、通信电缆及电缆桥架，同时经常会有维修电焊作业，这些客观因素都会对电压源信号造成影响。Modbus-485通讯是使用电压差分信号，一旦有电压干扰，就会产生信号的偏差，而4～20 mA模拟量通讯，采用电流传输信号，而工业现场的噪声电流通常小于nA级别，因此带来的误差非常小，使这种通讯方式更稳健。

3）DCM施工紧急情况时的处理

自动控制系统应与工艺进行密切配合，结合实际情况，提供开放式的流程控制。程序在自动施工过程中，若遇到硬夹层或障碍物，处理机电机电流会超过报警电流将报警信号通讯至PLC控制器，此时在 PLC程序中加入逻辑判断条件停止自动施工流程，转由手动作业接管流程。手动作业时通过控制绞车速度和处理机转速改变处理机贯入速度和钻杆转速，减慢下钻速度，若下钻困难，可控制处理机原地反转半分钟，再次正转下钻，也可上提30 cm，增大泥浆泵喷水流量，以最高钻杆转速，最慢贯入速度钻入。贯入过程中继续观察电流，电流过大立刻停机，反复几次，即可通过硬层。

6 结 语

通过 DCM 施工管理控制系统的开发和调试中，借鉴和学习了国外DCM施工经验和理论，结合一航局多年在DCM工法上的研究成果和在机电控制方面的经验积累，使得“CCCC DCM1”和“砂桩2号”（后改造为DCM船）成为高度自动化的深层水泥拌合船，并经香港机场项目率先投入使用。DCM 施工管理控制系统的稳定性和可靠性已经得到了验证，为进一步推动船机自动化水平提供了借鉴。