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挖泥测深及控制系统

“交抓111”挖泥测深及控制系统开发

作者：

门大勇高俊俊

（中交一航局第二工程有限公司疏浚分公司）

摘要：

挖泥超深不但造成浪费，而且经常满足不了技术要求。

本文阐述了如何在抓斗式挖泥船上开发测深及控制系统，控制超深，提高施工质量和效率。

关键词：

挖泥、测深、深度计、PLC、触摸屏

一、引言

“交抓111”船为1987年从日本购买的8m³抓斗式挖泥船。

抓斗式挖泥船在水上建筑物基槽、码头泊位、水下清渣挖泥工程中具有很大优势，其它形式挖泥船无法适应上述工程的施工需要。

随着水工建设的技术要求越来越精细，挖泥超深、超宽的矛盾变得愈加突出，特别是在水上建筑物的基槽开挖工程中，水工规范明确限定了超深、超宽的允许范围。

加之在当前竞争激烈的水工市场上，业主对超深、超宽的要求愈发苛刻，超深、超宽引起的工程量增加根本不予签认、理赔。

抓斗式挖泥船的超深、超宽控制对工程的效益影响日益凸显。

随着GPS定位系统的引进，挖泥超宽现象已经得到了有效解决；但由于船舶施工时水中状况复杂，现有的水砣、单波束、多波束测深仪不能随时随刻提供准确有效的数据，使得超深现象难以得到实时、精准的控制。

按照经验来看，通常超深30cm至50cm，不但增大了施工成本，而且有时候满足不了业主对超深的要求。

如何控制超深已经迫在眉睫。

目前国内的抓斗式挖泥船大多使用日本制造的挖泥机，一般带有挖泥深度计，但该深度计精度较低，逐渐不能满足对挖泥超深控制的要求，并且其硬件、程序均针对某船专门设计，不通用，且时间久远，一旦损坏很难修复，例如“交抓111”；或者利用在抓斗提升索上做标记的方法控制挖泥深度，但这种方法过于繁琐、精度低，并且容易造成操作人员视力疲劳。

本工程针对上述问题，在抓斗式挖泥船“交抓111”上开发了挖泥深度计（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的方法对挖泥深度进行实时测量和显示，并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本工程的一个附加功能，目的在于使操作人员能够对抓斗在水下的开合程度有直观的掌握，加快了操作速度，提高了效率。

本工程尤其突出的优点在于深度自动控制，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，在深度计上输入一个预设深度后，抓斗在达到该深度时能够自动停止并自动进行挖掘，大大强化了操作人员对挖泥超深的控制。

本工程预定达到的目标和要求如下：

1、超深控制需要实现测量准确，安装简便，实时准确反映的功能。

将高程误差控制在10cm之内，能够清晰准确的观察，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，达到所见即所得。

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。

而超高自动停止则为了保护抓斗不过分提升引起事故。

二、课题研究内容

1、方案比选和确定

经考察论证，该工程硬件的合理结构为“传感器——运算中心——显示仪表/控制输出”的形式，而运算和显示可采用的方式有2种：

一种是用包含CPU的印刷电路板负责信号采集、数据运算——用数码管或传统仪表显示的方式，另一种是用PLC负责信号采集、数据运算——用可编程触摸屏显示的方式。

见图1、图2。

图1：

印刷电路板——数码管方式

图2：

PLC——触摸屏方式

2种方案的优劣比较如表1所示。

表12种方案的优劣比较表

印刷电路板—数码管

PLC—触摸屏

系统可读性

差

好

运算速度

较差

好

运算精度

较差

好

故障率

高

极低

维修

难

极易

造价

低

稍高

由上表可见，采用PLC——触摸屏的方式，因为其模块化、市场化、通用化、程序可移植的优点，使其在运算性、故障率、维修方面都具有极大的优势，除了造价比印刷电路板——数码管方式稍高之外，其它性能均远远高于后者。

而采用印刷电路板——数码管的方式是针对某一工程特别开发，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，需过度依赖产品开发商。

综上所述，本工程采用了PLC——触摸屏的方式。

2、方案工艺原理

（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2组传感器（传感器包括光电开关的发射和接收端、转换器、放大器）固定安装于卷筒底座上。

当卷筒运转时，光电开关的发射端不断发射红外线，透过计数光孔钢带的小孔至光电开关的接收端，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。

这样随着卷筒的运转，光电开关经转换器、放大器形成了一组脉冲信号，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2组传感器的脉冲相位差值，实现转向状态识别（正转还是反转）。

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。

见图3计数光孔钢带及传感器的安装图。

图3计数光孔钢带及传感器的安装图

（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，在其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利用其模拟量输出模块中的一组信号输出驱动DC24V继电器1只，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），用以控制抓斗自动停止。

见图4深度自动停止触点接入挖泥机继电器盘图。

图4深度自动停止触点接入挖泥机继电器盘图

（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，可按一下停止解除按钮，解除本次的深度停止，抓斗可进行正常操作；当抓斗完成本次挖泥操作，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、操作流程及要点

（1）主画面介绍

首先，为系统供电。

系统开始工作，进入主画面。

见图5主画面图。

图5主画面图

●信息窗口：

当有新报警发生时，信息窗口滚动提示报警，有多个报警时，按顺序依次显示。

各点颜色根据预先设置显示，当没有报警时，直接显示“交抓111欢迎您！

！

！

”。

●A相B相指示灯：

显示当前光纤的状态即是否有触点信号。

●升降状态：

显示当前卷扬机对应的绳子是上升还是下降或者是停止。

●开口度计仪表：

显示当前抓斗的开口度。

●预告指示灯：

当抓斗开口度在0~10%时触发报警，该灯闪烁，触摸屏本身蜂鸣器响，5秒钟（时间可设）后蜂鸣器灭，若开口度依然在这个范围内，指示灯变为常亮。

报警消失时，自动变为绿色。

报警时信息窗口提示该报警。

●全闭指示灯：

当抓斗开口度在<=0%时触发报警，该灯闪烁，外部蜂鸣器响，5秒钟（时间可设）后蜂鸣器灭，若开口度依然在这个范围内，指示灯变为常亮。

报警消失时，自动变为绿色。

报警时信息窗口提示该报警。

●开度校0%：

当需要将开口度重新校准时，应首先校零位；方法为：

将抓斗完全闭合，然后在触摸屏上按下此按钮即可。

●开度校100%：

当需要将开口度重新校准时，首先校零位，然后校量程（100%）；方法为：

将抓斗调整到全开位置，然后在触摸屏上按下此按钮即可。

●开口度数值显示：

用数值显示当前开口度。

●开口度卷扬机位移显示：

用于参照显示，作为调试判断用。

●深度数值显示：

用数值显示当前深度。

●深度停止指示灯：

当抓斗深度超过设定的报警值触发报警，该灯闪烁，5秒钟（时间可设）后蜂鸣器灭，若报警还在，灯变为常亮，报警消失（回0）时，自动变为绿色。

报警时信息窗口提示该报警。

●深度计校0：

当需要将深度重新校准时进行校准，方法为：

将抓斗调整到海平面零位，然后按下此按钮即可。

●停止解除：

当抓斗深度超过设定的报警值，自动输出一个无源触点信号（联锁信号），按下此按钮，解除触点控制输出，若需恢复自动停止功能，必须将抓斗回到0点。

●保存计数器值：

若使下次启动仍然保存显示上次的值，断电前请先点击该

按钮，否则下次启动显示值将为最后一次保存的数值。

（2）参数设置：

按下

，进入参数设置画面。

见图6。

图6参数设置画面图

●开度计校正：

同主界面校正功能相同。

●深度计校正：

同主界面校正功能相同。

●深度计上升停止值：

此值用于当抓斗上升（负值）操作，超过该设定值，输出联锁信号（无源触点信号），由相应的控制设备锁定抓斗。

●深度计下降停止值：

此值用于当抓斗下降（正值）操作，超过该设定值，输出联锁信号

（无源触点信号），由相应的控制设备锁定抓斗。

●亮度调节：

当白天或夜晚光线发生变化时，调整该按钮达到最佳视觉效果。

数值在0~32范围内，按下+号按钮时变亮，按下-号按钮时变暗。

（3）时间设置

按下

回到主界面，按下

进入时间设置界面。

为保护系统稳定，需输入正确密码后才能进行相关设置。

见图7时间设置输入密码画面图。

图7时间设置输入密码画面图

按下密码“12345”，当“当前等级”为2时，点击“进入修改窗口”进入时间设置界面。

参见图8时间设置画面图。

图8时间设置画面图

该窗口用于“深度停止报警解除延时时间”，“预告报警解除延时时间”，“全闭报警解除延时时间”的设定，点击

返回前一窗口。

三、工艺实施效果

1、实施效果

“交抓111”在深度计、开口度计安装调试完毕后，在青岛前湾港四期码头进行挖泥施工。

经过技术人员的不断测量和比对，通过测量钢丝绳实际长度的方法进行误差分析，数据整理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。

2、实践中的经验教训

定制该测深方案之前，技术人员首先要通过计算卷筒最大转速并根据精度要求来确定计数光孔钢带上光孔的个数；然后应充分考虑到传感器、PLC的工作能力，即传感器内的光电开关的最大计数频率，以及PLC的最大采样频率。

只有传感器最大计数频率、PLC采样频率远大于卷筒计数光孔的旋转频率时，该方案才能成功，PLC才能无一遗漏的将脉冲采集进来，确保精确无误的显示输出。

具体工作步骤如下：

（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间的比值，确定计数光孔之间的间距，于是确定了计数光孔的个数。

（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。

或者选择更大频率的传感器、PLC。

3、存在的问题及改进措施

“交抓111”的挖泥深度、抓斗开口度显示精准，运行正常。

该项目存在的缺点在于——当抓斗下潜深度到达预设深度时，钢丝绳卷筒的离合、刹车系统是有机械反应时间的，如果卷筒速度过快，则抓斗实际停止时，已经超出了预设深度。

所以这给操作人员带来一个不便，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地方，这样就影响了挖泥效率。

下一步将对该系统做如下改进——将深度计与液力变矩器（控制卷筒转速的机构）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。

这将极大的方便人员操作，提高施工效率。

四、效益评估

目前疏浚分公司共有8m³～11m³抓斗式挖泥船4艘，年施工能力500万方。

以岚山8-12#泊位工程为例，该工程面积共计68万平方米，若超深0.3米，则是20.4万立方米的工程量，按单价16元/立方米进行计算，则造成至少造价326.4万元的浪费，而通过在“交抓111”安装的深度计进行控制，将误差范围控制在0.06米内，单项工程即达到了降低成本261.12万元的效果。

而“交抓111”挖泥测深及控制系统的开发、制作、改造费用总计12.8万元，达到了小投入大产出的效果。

五、结语

“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，达到了设计要求，填补了国内该产品的空白。

该方案今后具有极大的发展潜力，不仅仅局限于抓斗式挖泥船，其简单、实用、模块化的开发设计理念也适用于其他种种测深、测量的场合。

该方案使我们今后在相关行业类似的产品应用中不依赖于进口设备，极大的削减了成本投入、维修支出，简化了操作，增强了安全性，提高了生产效率，为相关科学技术领域的发展提供了一个可借鉴的成功经验。

参考文献：

[1]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：

机械工业出版社，2008

[2]李方园.触摸屏工程应用[M].北京：

电子工业出版社，2008

[3]杨崇志.特殊新型电子元器件手册[M].沈阳：

辽宁科学技术出版社，2001.362-364.

（本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。

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