摘 要 ：智能監(jiān)控系統(tǒng)的引入給我國(guó)自動(dòng)化挖泥作業(yè)帶來(lái)了眾多的福音，因此有必要對(duì)投入式液位計(jì)的設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步研究。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)絞吸式挖泥船自動(dòng)化水平較低的情況，提出了一種基于 PLC 現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的投入式液位計(jì)。該文就絞吸式挖泥船監(jiān)控需求進(jìn)行了深入分析，對(duì)絞吸式挖泥船監(jiān)控的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索，該文具有一定的參考價(jià)值。

1 絞吸式挖泥船監(jiān)控需求

目前我國(guó)五大流域中，以國(guó)產(chǎn)為主的挖泥船，不但清淤能力低、運(yùn)行成本高，無(wú)法滿足江河湖泊清淤工程的需要，而且設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平相對(duì)于國(guó)外來(lái)說(shuō)還比較落后，單船操作人員明顯偏多，直接影響了挖泥船的運(yùn)行、維護(hù)以及管理。因此采用先金的挖泥船技術(shù)特別是挖泥船自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)來(lái)提高挖泥船清淤能力，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)疏浚界研究的重要課題。為此該文提出了一種基于 PLC 現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的投入式液位計(jì)。絞吸式挖泥船的監(jiān)控部分主要包括主、輔鋼樁的起降、臺(tái)車移動(dòng)、船體橫移、絞刀架的升降、絞刀啟停和調(diào)速、泥泵的啟停和調(diào)速等操作。另外安裝多個(gè)傳感器用于監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀況與產(chǎn)量，象船體傾側(cè)度、絞刀入水深度和轉(zhuǎn)速、絞刀切削力矩、船體方位角、船體運(yùn)行距離、絞車扭矩、泥漿濃度和流量、離心疏浚泵的真空度和壓力、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況等。

1.1 監(jiān)測(cè)參數(shù)

（1）船體移動(dòng)部分主要需要監(jiān)測(cè)：船體甲板的長(zhǎng)度 Ld、船體甲板的寬度 W、從絞刀架軸至船頭位置的長(zhǎng)度 S、絞刀相對(duì)船體的角度 α、船體的方位角 β、壓力變送器測(cè)得的水深 H1、H2、H3 以及潮位 Td。

（2）疏浚作業(yè)部分主要需要監(jiān)測(cè) ：干沙的產(chǎn)量、泥漿的流量、原狀土的體積濃度等。

（3）此系統(tǒng)還需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括絞刀的切削力矩和轉(zhuǎn)速、離心疏浚泵的真空度及其壓力大小、柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和溫度等重要運(yùn)行參數(shù)。

1.2 控制對(duì)象

（1）船體移動(dòng)部分。前進(jìn)、擺動(dòng)是船體進(jìn)行移動(dòng)的主要形式。其中，前進(jìn)主要是通過(guò)臺(tái)車的移動(dòng)以及主輔鋼樁的起降配合實(shí)現(xiàn)的。其中，船體的擺動(dòng)情況主要和絞刀的位置存在很大的關(guān)系。船體擺動(dòng)時(shí)，需要讓絞刀具有一定的軌跡，這樣才能夠增加船體的疏浚范圍。船體的方位角 β 與絞刀入水的深度 Dc是決定絞刀位置的重要參數(shù)。一般情況下，利用船中方位角傳感器便可以獲取船體方位角 β 的具體值，而絞刀的入水深度 Dc由刀架長(zhǎng)度Lc和角度傳感器測(cè)出的絞刀相對(duì)船體的角度α計(jì)算求解便可得到。

然而，在實(shí)際條件下，船體經(jīng)常處于惡劣、復(fù)雜的環(huán)境中，水上的風(fēng)浪時(shí)常會(huì)引起船體的傾側(cè)。所以，在確定絞刀入水深度的時(shí)候不得不考慮船體的傾側(cè)情況。為了得到船體的傾側(cè)度，該監(jiān)控系統(tǒng)在船體甲板的3個(gè)頂點(diǎn)位置分別安裝了3個(gè)100 mm水柱的壓力變送器。其中，這 3 個(gè)壓力變送器有 2 個(gè)安裝在船頭位置，另一個(gè)安裝在船尾處，其測(cè)得的水深分別為 H1、H2、H3，這樣就可以得到絞刀入水深度 Dc 的計(jì)算式 ：

船體甲板的長(zhǎng)度 Ld、船體甲板的寬度 W、從絞刀架軸至船頭位置的長(zhǎng)度 S 需要事先錄入系統(tǒng)，絞刀相對(duì)船體的角度 α、船體的方位角 β 以及 3 個(gè)壓力變送器測(cè)得的水深 H1、H2、H3測(cè)得后均會(huì)將信號(hào)傳入上位機(jī)進(jìn)行處理。通過(guò)對(duì)以上參數(shù)的計(jì)算和分析便可以得出絞刀入水的深度 Dc。

另外，也不能忽視對(duì)潮位 Td 的測(cè)量。在測(cè)得潮位 Td 以后，將其與絞刀入水深度 Dc 以及船體的方位角 β 聯(lián)合分析便可以得出絞刀的實(shí)時(shí)軌跡。再在此基礎(chǔ)上與事先輸入的河床原狀斷面結(jié)合考慮與分析，就可準(zhǔn)確、客觀地對(duì)疏浚的精度和效果進(jìn)行評(píng)估。

（2）疏浚作業(yè)部分。對(duì)于疏浚作業(yè)而言，干沙的產(chǎn)量、泥漿的流量以及原狀土的體積濃度等都是需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)。其中，干沙的產(chǎn)量和疏浚時(shí)間參數(shù)、泥漿的流量、原狀土的體積濃度以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到的氣孔率存在直接關(guān)聯(lián)。泥漿的流量可利用流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量獲得。原狀土的體積濃度在泥漿管道上的密度計(jì)中有直接反應(yīng)。以上參數(shù)通過(guò)傳感器傳輸便可將信息反饋至 PLC 和上位機(jī)上。再通過(guò)計(jì)算機(jī)的分析與處理就能夠得到產(chǎn)量曲線。并且，原狀土的體積濃度和泥漿的流量都能夠被繪制成實(shí)時(shí)曲線。

（3）在直流電機(jī)中，絞刀的切削力矩 Mc 和電機(jī)的電流 I 是成正比的，也就是 ：

Mc=kI （2）

式中，k 為電機(jī)常數(shù)。所以，只需要測(cè)出電機(jī)電流便可得出絞刀切削力矩的大小。絞刀的轉(zhuǎn)速通常是利用轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量得到的。離心疏浚泵的真空度與壓力是利用泥泵上的真空度和壓力變送器測(cè)量得到的。柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和溫度等重要運(yùn)行參數(shù)也分別由相應(yīng)的傳感器測(cè)量獲取。這些測(cè)量得到的信號(hào)都將被送至 PLC，并利用網(wǎng)絡(luò)傳到上位機(jī)進(jìn)行分析和處理，這樣便可以對(duì)泥漿的產(chǎn)量進(jìn)行有效控制。

2 絞吸式挖泥船監(jiān)控設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

此監(jiān)控系統(tǒng)主要被設(shè)計(jì)為上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)。在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置有 2 個(gè) PLC 子站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。現(xiàn)地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、警報(bào)的邏輯判斷以及輸出任務(wù)的控制等工作，能夠分別對(duì)船體的移動(dòng)情況和疏浚作情況進(jìn)行監(jiān)督。系統(tǒng)中的每一個(gè)子站都設(shè)置為模塊化結(jié)構(gòu)以應(yīng)對(duì)不同工況的需要。上位機(jī)和遠(yuǎn)程服務(wù)管理器主要利用無(wú)線 Modem 進(jìn)行信息傳遞和溝通。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要是通過(guò) VB6.0 編寫的監(jiān)控程序，其和 2 個(gè) PLC子站之間利用 Controller Link 進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)。監(jiān)控系統(tǒng)利用了CX-Prgrammer 強(qiáng)大的顯示、監(jiān)控、維護(hù)與調(diào)試能力實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到分析、處理與顯示的功能。圖 1 給出了投入式液位計(jì)的軟件設(shè)計(jì)情況。

3 上位機(jī)監(jiān)控程序及功能界面

上位機(jī)能夠顯示疏浚作業(yè)過(guò)程涉及的絞刀深度、船體傾側(cè)度、船體方位角、擺角、絞刀架角度等重要參數(shù)，能夠隨時(shí)反應(yīng)各電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，能夠選擇挖泥船手動(dòng)操作和自動(dòng)操作方式，能夠事先設(shè)定基本環(huán)境條件和船體結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠繪制產(chǎn)量曲線、顯示絞刀的運(yùn)行軌跡，還能對(duì)疏浚的精度效果進(jìn)行分析處理。

4 結(jié)語(yǔ)

智能控制系統(tǒng)性能的提升將為我國(guó)自動(dòng)化挖泥作業(yè)提供更多的便捷，提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。