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1、抓斗式挖泥船挖泥测深及控制系统摘要：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305Ocm；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
2、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
3、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
4、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：传感器一运算中心一显示仪表/控制 输出。运算和显示可采用的方案有：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。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 除了造价方面高于方案，
5、其他性能均远远优于方案。综上所述，项目采用方 案。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
6、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
7、，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”
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
9、 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
10、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.
