CN109750703B - 一种绞吸挖泥船多层多进尺自动挖泥控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绞吸挖泥船多层多进尺自动挖泥控制方法，属于工程船舶自动化控制技术领域，该方法首先根据一定工况，设定控制目标参数，在多层多进尺自动挖泥作业模式下通过联合控制绞刀、横移绞车、桥架绞车、钢桩台车和真空释放阀、水下泵、舱内泵等来实现挖泥船按施工工艺自动挖掘作业，从而实现目标参数自动、目标产量自动、最大产量自动和经济产量自动的挖泥疏浚；本发明适于疏浚土质种类相似，分层不明显，不易塌方等情况，能够提高施工区域疏浚挖泥精度，减少移船次数等；能够极大程度地减少疏浚作业人员的劳动量，减小不同操作人员间操作的差异，提高施工质量，保障设备安全，降低油耗。

Description

一种绞吸挖泥船多层多进尺自动挖泥控制方法

技术领域

本发明属于工程船舶自动化控制技术领域，特别是涉及一种绞吸挖泥船多层多进尺自动挖泥控制方法。

背景技术

绞吸挖泥船挖泥操作员通过手动操作疏浚操作台可远程控制船舶施工，通过重复正反向绞刀横移定深切削及台车步进等一系列动作，完成规定区域的疏浚工作。但在不同挖掘工况下，存在因挖泥操作人员的操作水平和熟练度参差不齐，导致施工区域边坡挖掘的精度与质量差异较大以及施工效率差异较大的问题，主要原因表现在控制横移拉力、横移速度、绞刀转速、真空释放阀开度、横移至边线的加减速率等不及时不精确以及联动控制较差。因此，实现挖泥船自动挖泥控制以及疏浚挖泥方式和功能的多样性变得越来越重要。

同时，当在施工区域满足不同挖掘深度下，土质分层不明显、不易塌方等条件时，若仍采用单层挖掘模式，会导致移船次数大大提高，而且挖掘精度和质量相对较差。为解决以上问题，发明绞吸挖泥船基于多层多进尺的自动挖泥控制方法具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种绞吸挖泥船多层多进尺自动挖泥控制方法。

本发明是这样实现的，一种绞吸挖泥船多层多进尺自动挖泥控制方法，该方法首先根据一定工况，设定控制目标参数，在多层多进尺自动挖泥作业模式下通过联合控制绞刀、横移绞车、桥架绞车、钢桩台车和真空释放阀、水下泵、舱内泵等来实现挖泥船按施工工艺自动挖掘作业，从而实现目标参数自动、目标产量自动、最大产量自动和经济产量自动的挖泥疏浚。

所述多层多进尺自动挖泥作业模式为：在每个钢桩台车行程内，桥架绞刀自动下放到设定挖掘深度，横移绞车自动向左或向右摆动接近挖掘边线时减速且到边线后，桥架绞刀按设定下放步进值下放到下一挖掘深度，钢桩台车步进保持不变，横移绞车自动回摆再进行反向疏浚，直至绞刀切削完这一疏浚剖面后，桥架自动起升到初始泥面位置，然后钢桩台车自动按设定值步进，自动开始下一个疏浚剖面疏浚作业，重复以上过程，直至该钢桩台车行程挖泥结束，横移绞车自动回中心线停止。

本控制方法的主要疏浚控制对象包括横移绞车、桥架绞车、回转绞车、三缆绞车、绞刀、钢桩台车、真空释放阀、水下泵、舱内泵、封水泵等绞吸挖泥船疏浚机具。

控制过程中需要的主要信号有：横移速度、横移拉力、横移角度、桥架角度、绞车启停状态和转速、台车行程、台车步进、绞刀转速、绞刀功率、绞刀扭矩、耳轴吃水、水下泵吸入真空、水下泵/舱内泵转速和排出压力、水下泵/舱内泵吸入端封水压力和流速、水下泵/舱内泵轴端封水压力和流速、泥浆浓度、水深、桥架距边线距离和挖泥剖面等。各个信号通过对应安装位置的传感器采集。

还需要的控制状态及设定的控制目标参数包括自动挖泥工作模式状态、挖掘深度设定、切削厚度设定、横移加/减速率设定、水下泵真空设定、舱内泵真空设定、泥浆密度设定、泥浆流速设定、横移速度设定、台车步进距离设定、台车自动进退关设定、绞刀距边线距离设定、是否启用同轨迹挖掘等。

本控制方法针对主要疏浚控制对象分别建立子控制器，主要包括：横移自动控制器、绞刀转速自动控制器、桥架自动控制器、钢桩台车自动控制器、泥浆输送流速控制器和真空释放阀自动控制器。各子控制器之间通过共同涉及的控制参数相互影响。

横移自动控制器，通过实时计算绞刀偏移距离，当桥架绞刀摆动到边线时，自动控制横移绞车停止且自动回摆。

绞刀转速自动控制器，通过引入绞刀切片厚度即绞刀转速与横移速度比数学模型，获得绞刀转速与横移速度联动控制，实现绞刀转速自动控制，确保不同土质切削量与泵吸入量达到一种平衡。

桥架自动控制器，包括绞刀深度偏差自动控制模型和台车进关桥架自动联动控制。

钢桩台车自动控制器，在桥架横移摆动至边线时，自动控制钢桩台车按设定的行程进关。

泥浆输送流速控制器，当管路流速低于管路输送临界流速时，将向横移绞车自动控制器发出降速指令，当管路流速高于设定流速时，将向横移绞车自动控制器发出升速指令，确保管路输送浓度和流速稳定。

真空释放阀自动控制器，根据水下泵吸入真空自动控制真空释放阀的开或关。

各个子控制器采用应急控制优先级最高，手动控制次之，自动控制优先级最低，即任何时候***只要收到应急控制指令或手动控制指令，则自动退出自动控制模式。

本发明具有的优点和积极效果是：

1)本发明在不同挖掘深度下，当满足疏浚土质种类相似，分层不明显，不易塌方等条件时，采用多层多进尺自动挖泥模式，能够提高施工区域疏浚挖泥精度，减少移船次数等，提高了疏浚作业效率；

2)本发明的控制方法综合利用了计算机、网络、传感器和自动控制等技术，解决了过于传统疏浚挖泥作业过于依靠疏浚作业人员人工的问题，能够实现疏浚机具自动化施工作业，提高了疏浚效率，同时能够有效保证设备的安全，提高经济效益。

附图说明

图1为本发明所述的多层多进尺自动挖泥控制方法的控制示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

实施例

一、控制模式及控制方法

参阅图1，本实施例提供的一种绞吸挖泥船多层多进尺自动挖泥控制方法，该方法首先根据一定工况，设定挖掘深度、切削厚度、横移加/减速率、水下泵真空、舱内泵真空、泥浆密度、泥浆流速、横移速度、台车步进距离、台车自动进退关、绞刀距边线距离、是否启用同轨迹挖掘等控制目标参数，在多层多进尺自动挖泥作业模式下通过联合控制绞刀、横移绞车、桥架绞车、钢桩台车和真空释放阀、水下泵、舱内泵、发电柴油机等绞吸挖泥船疏浚机具，并采集控制过程中需要的信号，来实现挖泥船按施工工艺自动挖掘作业，从而实现目标参数自动、目标产量自动、最大产量自动和经济产量自动的挖泥疏浚。

多层多进尺自动挖泥作业模式为：在每个钢桩台车行程内，桥架绞刀自动下放到设定挖掘深度，横移绞车自动向左或向右摆动接近挖掘边线时减速且到边线后，桥架绞刀按设定下放步进值下放到下一挖掘深度，钢桩台车步进保持不变，横移绞车自动回摆再进行反向疏浚，直至绞刀切削完这一疏浚剖面后，桥架自动起升到初始泥面位置，然后钢桩台车自动按设定值步进，自动开始下一个疏浚剖面疏浚作业，重复以上过程，直至该钢桩台车行程挖泥结束，横移绞车自动回中心线停止。

一个实例中应用多层多进尺自动挖泥模式运行的数据如下表1所示：

表1多层多进尺自动挖泥模式运行的数据

二、控制功能

本发明的自动挖泥控制方法实现的4个自动挖泥控制功能，具体为：

1.目标参数自动：在任一自动挖泥模式下，在设定的挖泥边界范围内，***按设定的绞刀转速、横移速度、绞刀切削厚度(下放深度)、台车进尺等施工工艺参数，通过自动控制器联合控制绞刀电机(或液压马达)、横移绞车、桥架绞车、钢桩台车和真空释放阀等来实现挖泥船按施工工艺次序自动挖泥疏浚作业，在施工过程中始终保持被控目标的施工参数保持在设定目标参数值。

2.目标产量自动：在目标参数自动控制功能基础上，横移自动控制器依据设定的水下泵真空或真空预报密度自动控制横移速度，当水下泵真空或真空预报密度高于设定值时自动降低横移速度，反之增加横移速度，确保挖掘产量稳定在设定目标产量范围。

3.最大产量自动：在目标产量自动控制功能基础上，泥浆输送流速控制器和横移自动控制器联合自动控制横移速度，且泥浆输送流速控制器优先，在保证泥浆流速大于临界流速的前提下，尽可能的提高横移速度，当管路平均流速持续低于设定的临界流速时，自动降低横移速度以降低挖掘浓度，确保最大挖掘产量下平稳输送能力。

4.经济产量自动：在最大产量自动控制功能基础上，引入挖泥产量与万方油耗比参数，确定该工况下的最佳经济产量目标值，以此“最佳经济产量目标值”确定对应的水下泵吸入真空和泥浆流速，泥浆输送流速控制器和横移自动控制器联合自动控制横移速度，同时保持泥浆流速和水下泵吸入真空处于控制范围，确保挖掘浓度与输送产量保持在设定经济产量目标值。

三、子控制器

如图1所示，本发明在多层多进尺自动挖泥控制模式下实现的4个自动挖泥控制功能，均通过各子控制器联合发挥作用，分别是：

1.横移自动控制器，其模型为：(1)当绞刀摆动接近边线时自动降低横移速度，绞刀到达边线时自动回摆开始反向挖泥；(2)在横移摆动挖泥过程中，当水下泵吸入真空或真空预报密度大于设定值时自动降低横移速度，反之增加横移速度；(3)当管路流速低于管路输送临界流速时降低横移速度，反之增加横移速度。

2.转速自动控制器，其模型为：引入绞刀切片厚度即绞刀转速与横移速度比数学模型，(1)当横移速度低于某一设定低限值时，绞刀转速为某一设定低转速值；(2)当横移速度高于某一设定高限值时，绞刀转速为某一设定高转速值；(3)当横移速度介于低限值与高限值之间时，***按设定的绞刀转速与横移速度比值，绞刀转速自动跟随横移速度变化，以获得最佳的绞刀切片厚度。

3.桥架自动控制模器，其模型为：(1)当绞刀深度偏离设定偏差时，则自动控制桥架上升或下降，确保精确挖深；(2)当桥架绞刀摆动到达边线时，根据控制模式和设定的绞刀下放步距，桥架绞刀自动下放至设定深度。

4.钢桩台车自动控制模器，其模型为：在桥架横移摆动至边线时，根据控制模式和设定的钢桩台车步进值，控制钢桩台车自动进关。

5.泥浆输送流速控制器，其模型为：当管路流速低于管路输送临界流速时，将向横移自动控制器发出降速指令，当管路流速高于设定的流速时，将向横移自动控制器发出升速指令，确保管路输送浓度和流速稳定。

6.真空释放阀自动控制器，其模型为：当水下泵吸入真空高于设定值时，自动打开真空释放阀，并降低横移速度。

本发明的各子控制器中，应急控制优先级最高，手动控制次之，自动控制优先级最低，即任何时候***只要收到应急控制指令或手动控制指令，则自动退出自动控制模式。

本发明的多层多进尺自动挖泥控制模式和4个自动挖泥控制功能中，设计了同轨迹挖掘功能，即当桥架绞刀需要在一个挖泥轨迹重复挖掘两次时，选用此功能。

每个挖泥设备运行时可能影响到多个控制参数，而某个参数的变化也能对不同的子控制器产生影响，因此，控制之间是相互影响，互相联系的，上述各子控制器或模型需要通过自动挖泥控制程序的逻辑分析，综合控制来实现目标控制效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种绞吸挖泥船多层多进尺自动挖泥控制方法，其特征在于，该方法首先根据一定挖掘工况，设定控制目标参数，在多层多进尺自动挖泥作业模式下通过联合控制绞刀、横移绞车、桥架绞车、钢桩台车和真空释放阀、水下泵、舱内泵来实现挖泥船按施工工艺自动挖掘作业，从而实现目标参数自动、目标产量自动、最大产量自动和经济产量自动的挖泥疏浚；

所述多层多进尺自动挖泥作业模式为：在每个钢桩台车行程内，桥架绞刀自动下放到设定挖掘深度，横移绞车自动向左或向右摆动接近挖掘边线时减速且到边线后，桥架绞刀按设定下放步进值下放到下一挖掘深度，钢桩台车步进保持不变，横移绞车自动回摆再进行反向疏浚，直至绞刀切削完这一疏浚剖面后，桥架自动起升到初始泥面位置，然后钢桩台车自动按设定值步进，自动开始下一个疏浚剖面疏浚作业，重复以上过程，直至该钢桩台车行程挖泥结束，横移绞车自动回中心线停止；

本控制方法针对疏浚控制对象分别建立子控制器，包括：横移自动控制器、绞刀转速自动控制器器、桥架自动控制器、钢桩台车自动控制器、泥浆输送流速控制器和真空释放阀自动控制器；各子控制器之间通过共同涉及的控制参数相互影响；

所述横移自动控制器，通过实时计算绞刀偏移距离，当桥架绞刀摆动到边线时，自动控制横移绞车停止且自动回摆；其模型为：(1)当绞刀摆动接近边线时自动降低横移速度，绞刀到达边线时自动回摆开始反向挖泥；(2)在横移摆动挖泥过程中，当水下泵吸入真空或真空预报密度大于设定值时自动降低横移速度，反之增加横移速度；(3)当管路流速低于管路输送临界流速时降低横移速度，反之增加横移速度；

所述绞刀转速自动控制器，通过引入绞刀切片厚度即绞刀转速与横移速度比数学模型，获得绞刀转速与横移速度联动控制，实现绞刀转速自动控制，确保不同土质切削量与泵吸入量达到一种平衡；其模型为：(1)当横移速度低于某一设定低限值时，绞刀转速为某一设定低转速值；(2)当横移速度高于某一设定高限值时，绞刀转速为某一设定高转速值；(3)当横移速度介于低限值与高限值之间时，***按设定的绞刀转速与横移速度比值，绞刀转速自动跟随横移速度变化，以获得最佳的绞刀切片厚度；

所述桥架自动控制器，包括绞刀深度偏差自动控制和台车进关桥架自动联动控制；其模型为：(1)当绞刀深度偏离设定偏差时，则自动控制桥架上升或下降，确保精确挖深；(2)当桥架绞刀摆动到达边线时，根据控制模式和设定的绞刀下放步距，桥架绞刀自动下放至设定深度；

所述钢桩台车自动控制器，其模型为：在桥架横移摆动至边线时，自动控制钢桩台车按设定的行程进关；

所述泥浆输送流速控制器，其模型为：当管路流速低于管路输送临界流速时，将向横移绞车自动控制器发出降速指令，当管路流速高于设定流速时，将向横移绞车自动控制器发出升速指令，确保管路输送浓度和流速稳定；

所述真空释放阀自动控制器，根据水下泵吸入真空自动控制真空释放阀的开或关；其模型为：当水下泵吸入真空高于设定值时，自动打开真空释放阀，并降低横移速度。

2.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船多层多进尺自动挖泥控制方法，其特征在于，控制过程中需要的信号有：横移速度、横移拉力、横移角度、桥架角度、绞车启停状态和转速、台车行程、台车步进、绞刀转速、绞刀功率、绞刀扭矩、耳轴吃水、水下泵吸入真空、水下泵/舱内泵转速和排出压力、水下泵/舱内泵吸入端封水压力和流速、水下泵/舱内泵轴端封水压力和流速、泥浆浓度、水深、桥架距边线距离和挖泥剖面；各个信号通过对应安装位置的传感器采集。

3.根据权利要求1所述的一种绞吸挖泥船多层多进尺自动挖泥控制方法，其特征在于，还需要的控制状态及设定的控制目标参数包括自动挖泥工作模式状态、挖掘深度设定、切削厚度设定、横移加/减速率设定、水下泵真空设定、舱内泵真空设定、泥浆密度设定、泥浆流速设定、横移速度设定、台车步进距离设定、台车自动进退关设定、绞刀距边线距离设定、是否启用同轨迹挖掘。

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