耙吸挖泥船智能化疏浚控制系统

郭 烨

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

有着“地平线编辑器”之称的挖泥船已经成为我国重要的战略装备，随着近年人工智能技术的发展，挖泥船也亟待智能系统的加持。不久前，由上海振华重工（集团）股份有限公司（简称：上海振华重工）为上海航道局设计并建造的2艘6 500 m³耙吸挖泥船“航浚6008”号和“航浚6009”号的顺利交付，填补了我国设计建造“智能型”耙吸挖泥船的空白，这是我国疏浚装备在智能领域的重要突破。

该型耙吸挖泥船采用双机双桨驱动，单泥泵单耙管配置，具有无限航区航行能力。配备的荷兰IHC公司最新研发的疏浚集成控制系统可对疏浚过程进行高效控制，在各种工况下实现“智能”疏浚，施工效率比人工操作提高近15%[1]。

1 控制系统的设计理念

提到“智能”疏浚，一定要介绍一下挖泥船的“智慧大脑”，也是整船的核心系统-挖泥船集成控制系统。这是当前世界上自动化程度最高的挖泥船集成控制系统，为保障船舶的安全作业、运营效益和安全航行提供基本保证。

集成控制系统采用的是SCADA系统（监测控制及数据采集）和PLC系统两者相结合的设计理念[2]，同时集成了多个相对独立的系统：疏浚控制系统（DCS）、设备/功率管理系统（EMS/PMS）及机舱监测报警系统（AMS）。

PLC系统基于现场设备层网络，主要应用于采集所有现场各类传感器的数据采集、实现各种逻辑控制和操作指令输入等[3]，由信号采集模块、带闪存的处理器和通信模块等组成。DCS、EMS/PMS、AMS每个系统都有各自的独立处理器。由于各系统间是相互独立的，因此单个系统的故障不会对其他系统造成功能性的影响，都可以在冗余配置的SCADA系统中进行监视及控制。DCS PLC及EMS/PMSPLC采用冗余的处理器，主处理器和从处理器彼此独立又互相配合；当主处理器发生故障或与远程IO柜发生通信故障时，从处理器立即成为主处理器并接管控制权。AMSPLC则采用单处理器。

SCADA系统属于调度管理层，是在自动控制系统监控层一级的软件平台，除控制功能外，更加突出数据采集和分析管理功能。通过以太网通信将SCADA与PLC控制设备相连，把PLC视为SCADA系统的下位机设备，可以很好地将PLC各子系统完美融入到SCADA系统中，实现对全船各系统的可视化操作，为疏浚作业、设备监控及航行安全奠定了可靠的技术基础。图1为各PLC系统和SCADA的关系示意图。

图1 PLC系统和SCADA的关系示意图

2 计算机网络结构

控制系统的主干网络采用了工业以太光纤环网，通过以太网可以实现各工作站、服务器和各子系统的PLC系统间的信息互通，如PLC处理器和I/O卡件的数据通信、SCADA服务器从PLC系统的数据采集、数据记录服务器从SCADA服务器的数据采集、SCADA工作站实现可视化和动画显示的相关数据采集等。控制系统网络构架图如图2所示。

网络结构由上至下可以分为3个层级：第1层为操作应用层，主要用于人机界面交互，由计算机工作站、服务器和计算机光纤环网组成；第2层为过程控制层，由PLC主站和PLC光纤环网组成；第3层为现场设备层，由各类仪器仪表、I/O采集模块、现场总线等组成。

3 硬件配置

1）SCADA工作站：设置8台SCADA工作站、2台DCS工作站，安装在疏浚控制台；4台AMS/PMS工作站分别安装于集控室（2台）、轮机长室（1台）、船长室（1台）；2台DCS/PMS/AMS工作站安装在航行控制台。

2）SCADA服务器：2台互为热冗余的SCADA服务器，分别安装在驾驶室19in（1in＝2.54cm）仪表柜和集控台内，1台作为主服务器，另外1台作为备用服务器。当主服务器故障或维护时，备用服务器会自动切换成主服务器，无需人工干预。服务器都配备了冗余的网络连接。

3）数据服务器：安装在驾驶室19in仪表柜内，含有SQL数据库，可提供趋势、历史数据、报警及事件记录等功能，最多可保持存储100d。每日的数据以csv格式存储在硬盘中，以便船东查看分析。

4）网络设备：采用MOXA工业以太网交换机，是建立全千兆骨干网络的关键，执行IEEE 802.3标准，提高了网络稳定性；配备8个以太网端口和4个光纤端口。

5）PLC系统：基于Rockwell-ControlLogixTM系列，主要由处理器模块、电源模块、通信网络模块、冗余模块和I/O卡件组成。其中，处理器模块采用的是1756-L72，DCS、EMS/PMS处理器分别采用冗余配置，安装在集控台和航行控制台，通过冗余模块可实现主、从处理器实时同步控制状态与数据以及在主处理器故障情况下的自动切换；在切换过程中，监控功能不会受到影响。AMS处理器为非冗余配置，安装在集控台。系统中设置若干套PLC柜，数量由不同功能和I/O点的分布位置决定。

图2 集成控制系统网络构架图

4 主要监测及操控内容

4.1 疏浚控制系统（DCS）

DCS可以对泥泵、高压冲水泵、耙头、液压泵站、封水泵、闸阀、蝶阀、耙管绞车、泥门和溢流堰等疏浚设备及相关辅助系统进行数据监测，并对有关疏浚测量数据进行显示。主要显示的参数包括泥泵真空度/压力/泥/转速/扭矩、泥浆的密度/流速/产量、封水泵的压力、高压冲水泵的压力、泥门的位置、耙管位置和泥舱容量与液位等。

作为“智能”疏浚，“一人疏浚”作业才是本船的核心功能，该功能的开发使得仅由1名船舶驾驶人员同时完成船舶航行及疏浚作业控制变成了可能。

“一人疏浚”的全自动疏浚控制主要通过宏按钮和自动控制器相结合的方式来实现。自动控制器包括一键疏浚控制器、耙臂绞车自动控制器（AWC）、耙臂顺序控制器（APSS）、自动耙头控制器（AVC）、吃水自动控制器（ADC）、挖泥航速控制器（TSC）、泥泵自动控制器（EPC）和低浓度泥浆自动排放控制器（ALMO）等。在航行控制台和疏浚控制台上均设置“一人疏浚”的宏按键（图3）；施工参数设定后，操作人员对“一人疏浚”的宏按键进行操作后，其他自动控制器依据施工流程自动进入运行状态，参与施工控制，实现一键式操作。

首先通过APSS移动耙管到舷外并下放到舷侧吸口处；所有为泥泵、高压冲水泵服务的辅助系统（如泥泵封水系统、液压系统、润滑系统和疏浚管路阀组等）都会被激活；从舷侧吸口处到耙头着地这段时间，泥泵和高压冲水泵齿轮箱离合器自动合排后，AWC、ADC、AVC、EPC、TSC功能自动开启，将耙头安全下放至合适的挖深位置后，开始挖泥作业；挖泥作业完成后，系统会自动起耙同时将耙臂归位。

疏浚控制系统采用人工智能技术，可通过测量、数学建模和特定算法来预测给定工况下的最佳施工参数设定值。在挖泥施工过程中，由于船舶吃水、挖泥深度和土壤特性的变化，最佳泥浆流速工作点也将随之改变，通过TSC、EPC、AVC的同步作用，可使整个疏浚作业过程保持最大疏浚产量。其中：TSC实现自动维持最优的挖泥航速（航速为0.5～5.0 kn），可以补偿耙头的作用力和风、浪、流等外部阻力，并基于模型控制来分配推进功率；通过EPC可以找到最佳的泥泵转速，使得泥泵在最佳工况点附近工作，进而实现智能泥泵控制；AVC可以在不同疏浚工况条件下自适应获取最大挖掘能力，通过调节耙头耙唇位置和恒张力，使耙头更具有主动性和智能性，间接控制泥泵吸入真空，使得输送流速逼近最佳流速点，进而最大限度地提高挖掘产量。

图3 “一人疏浚”宏按键布置

4.2 功率管理系统（PMS）

挖泥船的功率管理系统除了具有配电模式转换、防止断电、自动并车、断电后顺序起动、卸载和起动闭锁等基本功能外，还具有推进器的螺距限制和防止主机过载等功能。

PMS防止主机过载功能只适用于疏浚模式[4]。PMS系统会采集每台主机的功率，当疏浚模式激活、高压冲水泵或者泥泵离合器合排之前，PMS系统根据高压冲水泵或者泥泵所需的功率检测对应主机的可用功率。高压冲水泵或泥泵所需功率由不同疏浚模式（挖泥/排岸）和对应齿轮箱的不同速度挡位来决定。当对应主机没有足够的可用功率时，PMS系统会发出1个模拟量的限螺距信号至CPP可调桨控制系统（4～20 mA＝100%～0%螺距），CPP的螺距将被减小，直到主机可用功率满足使用需求为止。

4.3 机舱监测报警系统（AMS）

本船入级CCS船级社，需满足AUT-0[5]入级附加标志的要求，AMS系统用于处理船级社要求的所有重要报警信息和整船设备的状态监测；同时，该系统也提供轮机员安全系统和延伸报警系统。

5 结论

该疏浚集成控制系统提高了挖泥船控制系统的自动化水平，简化了疏浚作业的操作程序。“一人疏浚”技术的应用在提高施工的效率同时，减轻了操作人员的工作强度。由此可见，这是一次成功的尝试。

随着我国加快推动传统产业改造升级，疏浚行业作为一个极度依赖装备的传统行业，需要依靠先进技术推进转型升级，未来必将朝着智能化、绿色化和数字化的方向发展。目前，国内已有疏浚控制系统厂家对智能疏浚技术展开深入研究，该技术的国产化指日可待。