摘 要 ：智能監(jiān)控系統(tǒng)的引入給我國自動(dòng)化挖泥作業(yè)帶來了眾多的福音，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

目前我國五大流域中，以國產(chǎn)為主的挖泥船，不但清淤能力低、運(yùn)行成本高，無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)于國外來說還比較落后，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)來提高挖泥船清淤能力，是當(dāng)前國內(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)測參數(shù)

（1）船體移動(dòng)部分主要需要監(jiān)測：船體甲板的長度 Ld、船體甲板的寬度 W、從絞刀架軸至船頭位置的長度 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 ：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由刀架長度Lc和角度傳感器測出的絞刀相對(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 ：

船體甲板的長度 Ld、船體甲板的寬度 W、從絞刀架軸至船頭位置的長度 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)壓力變送器測得的水深 H1、H2、H3測得后均會(huì)將信號(hào)傳入上位機(jī)進(jìn)行處理。通過對(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 的測量。在測得潮位 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)場測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)通過傳感器傳輸便可將信息反饋至 PLC 和上位機(jī)上。再通過計(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)的傳感器測量獲取。這些測量得到的信號(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)場設(shè)置有 2 個(gè) PLC 子站進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測�，F(xiàn)地監(jiān)測系統(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 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

智能控制系統(tǒng)性能的提升將為我國自動(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)。