1 引言
挖泥船監控系統是大型挖泥船的重要組成部分，具有控制設備多、作業流程復雜等特點。工作環境惡劣，粉塵、潮氣、鹽霧、高溫、振動等干擾比較嚴重。
可編程控制器(PLC)相對于傳統的繼電器控制方式，可適應惡劣的工業環境，可靠性高;硬件系統可采用模塊化結構，易于擴展，具有網絡通訊功能;控制功能大部分由軟件實現，程序編制容易、修改方便。
2 系統簡介
2.1 原系統構成
海貍4602號是一艘全液壓驅動、非自航的大型挖泥工程船舶。船上布置有液壓工作機械20臺，其中絞刀系統有液壓馬達6臺;絞刀架起落系統有液壓油馬達2臺，緊定油缸1只;橫移系統有液壓油馬達4臺拋錨系統有液壓油馬達2只;定位樁油缸2只;甲板吊系統有液壓油馬達2臺;絞盤液壓油馬達1只。由一臺卡特柴油機驅動的6臺VICKERS雙聯葉片泵構成該船的液壓動力泵站，另有一臺小型的應急柴油機驅動1臺應急油泵構成應急泵站。所有液壓工作機械均采用電磁閥控制，由傳統的繼電器控制系統進行控制。
此外，海貍4602號的動力部分由5臺大型柴油機組成，其中1臺1140馬力的輔機除了驅動全船的液壓泵站外，還驅動1臺40KW的發電機進行對全船的供電。另外4臺柴油機(4*863馬力)分為2組，由2臺相同的柴油機構成串聯機組驅動泥漿泵。機組和泥漿泵中間經過一泥泵齒輪箱減速驅動。為保證柴油機和泥泵齒輪箱的安全運行。該船分別在機艙和操縱室內配置有柴油機冷卻水位、冷卻水溫、柴油機潤滑油壓力、潤滑油溫度、齒輪箱潤滑油壓力、冷卻水溫度的報警系統以及緊急停車系統。這2套系統也由傳統的繼電器控制系統進行控制。
該船的控制系統經過20多年的使用，部分元器件已經老化，工作的穩定性差。引入PLC對挖泥船的監控系統進行改造有必要提上議事日程。
2.2 控制系統構成
結合海貍4602好挖泥船原有的設備狀況，構建PLC監控網絡對原控制系統進行改造，利用上位機監視全船設備的運行狀態，并根據實際的工況條件，在挖泥過程中采用模糊控制算法，對絞刀速度、絞刀下放深度、橫移速度、進樁距離等重要參數進行最優控制，實現該船的自動挖泥。
改造后的挖泥船控制系統具有自動和手動2種控制方式，并實現通過上位機對全船設備的運行進行實時監測顯示、故障報警和緊急停車的功能。
圖1 系統構成原理框圖
圖1中Controller Link為現場控制網絡，其通訊波特率可達2Mbps，通訊距離可達1km，是目前PC與PLC、PLC與PLC之間通訊速率最快的通訊系統, CLK單元通過端子板、CLK支持卡通過專用插件與雙絞線連接，接線非常方便。CLK單元上內置了終端電阻，通過簡單的開關設置就可以配備網絡兩端點所需的終端電阻。在數據鏈接上，Controller Link控制網絡除使用LR區外，還可以使用IR、CIO、DM和擴展DM區進行鏈接，每臺PLC發送的字數可達1k，發送和接收的總字數可達8k，具有大容量數據鏈接的功能。但由于其通訊模塊價格較高，以此構成的系統成本高?？紤]本文的篇幅，暫時不介紹基于Controller link總線網絡的遠程實時組態監控系統。
整個監控系統由2臺PLC組成現場控制網絡，#1PLC負責對液壓工作機械控制，它由基本控制單元和6塊開關量I/O模塊和1塊A/D模塊組成，完成自動挖泥過程以及對液壓系統工作負荷的測量。#2PLC則由5塊開關量I/O模塊和2塊A/D模塊組成。主要用于動力部分和各類輔助機械運行參數的分析處理以及全船的故障報警。
2.3 控制系統工作原理
(1) 基本邏輯控制過程。
PLC邏輯控制流程見圖2所示。PLC是按照重復掃描的方式執行它的操作，它使PLC中的用戶程序逐行被解讀，并按照操作信號發出的控制命令，實現對液壓系統工作過程的控制。
(2) 系統硬件設計
a) 2臺PLC均采用OMRON C200型PLC。
CPU單元、輸入、輸出單元均使用24VDC電源。繼電器輸出單元C200H-OC225的最大通斷能力:2A，24V.在實船控制系統中，出于安全可靠方面的考慮，不用PLC的I/O模塊直接驅動負載，而是在PLC的輸出端設置插件式的半導體負荷驅動板。該驅動板具有無觸點開關的優點，而且本身設置有短路保護環節，帶有指示燈熔斷器，便于及時維護。
b) 操作臺和控制柜的布置仍然尊重舊有的工作習慣，基本按照原有的位置進行布置。#1PLC放在駕駛室操作臺內，#2PLC放在機艙的報警箱內，以減少輸入信號到PLC輸入單元的線纜長度。駕駛室操作臺實現挖泥操作的所有動作，包括自動挖泥和對絞刀、橫移、橋架、拋錨、定位樁的單獨控制。同時具有對機艙和艙面設備的遠程控制功能.機艙控制柜主要負責艙內設備的安全報警，包括5臺柴油機、液壓系統以及輔助設備的運行參數的監控。
c) 系統監測與狀態顯示部分除了沿用過去直觀的指針式真空、壓力表之外。還在液壓系統中設置18個壓力傳感器，既可以通過數字式儀表對液壓系統和柴油機潤滑系統的工作壓力進行測量監視。也可以采集絞刀、橫移、橋架、拋錨、定位樁等裝置的工作負荷，將模擬量送PLC的A/D模塊進行轉換，經過數值計算和信號處理之后，一部分作為開關量信號輸出用作液壓裝置的保護。另外一部分可以上傳至上位機，顯示挖泥工作狀態。
d) PLC設備的供電。PLC允許供電電源電壓的變化幅度為-15%~+10%V，瞬時電源故障時間應不大于10ms。在實際工作中對PLC采取兩路供電，提高供電的可靠性。一路由交流220V經穩壓電源送PLC電源模塊，另外一路作為應急供電措施，用24V蓄電池組作電源，保證應急狀態下控制系統能夠操作。
(3) 系統軟件設計
a) 自動挖泥程序設計
絞吸式挖泥船的的挖泥過程是指絞刀的垂向及水平給量與橫移速度所形成的合適的切削過程。為此需要控制絞刀在三維空間的準確位置和絞刀的轉速。從而要求具有能使垂向、水平給量相當穩定，絞刀切削泥土正常并相應前移的四種自動控制功能。即橋架絞車控制，絞刀轉速控制、橫移絞車控制、定位樁前移控制。
考慮到海貍4602號挖泥船現有設備的局限性，比如定位樁部分不是采用的定位樁臺車裝置。因此在程序設計過程中，在盡可能提高挖泥作業自動化水平，簡化操作的同時，也充分考慮到系統所應具備的靈活性，以適應復雜多變的施工環境。特別是在遭遇風浪、潮汐、塌方、水下障礙物等意外情況時，仍然離不開人工操作。另外，為了盡量避免誤操作給設備運行帶來的損壞，在程序設計中加了更多安全聯鎖保護環節。比如定位樁的下落操作中，為防止定位樁在下落過程中突然提樁，導致定位樁巨大的慣量沖擊破壞液壓缸裝置，在程序中通過設置延時程序取代以往的在定位樁系統的液控單向閥中加裝節流螺釘的做法。再比如對橫移的啟動和停止，也通過程序設置為加減速模式，防止人工操作過程中高速啟動和停止對液壓系統和纜繩的沖擊以及對船體穩定性的影響。此外所有液壓系統的過載保護也在程序中進行互鎖，使液壓系統在電氣和機械上具有雙重保護。
整個系統可以在手動工作和自動控制工作方式下操作。上述工作方式的轉換由“自動/手動”轉換開關來實現。手動方式下，可以對絞刀、橫移、橋架、定位樁、拋錨等系統進行單獨操作，即在特殊情況下，可以完全由人工進行挖泥操作。
自動方式下，將挖泥操作分為三大塊。分別為絞刀自動、橫移自動、進樁自動。絞刀自動部分負責將絞刀頭調到預定挖泥模式的起始點，實現對絞刀垂直給量的位置控制和絞刀切削厚度控制。橫移自動部分主要是根據挖泥過程中的狀態參數的反饋量，對橫移速度進行控制，保證各種驅動裝置不超過負荷，泥漿正常穩定地輸送。進樁自動部分則是根據開挖泥層的土質狀況，控制絞刀合適的水平進給量。自動挖泥的程序流程見圖3。
b) 報警監測程序設計
在挖泥作業過程中，保證設備的安全及正常運轉是整個工程成敗的基礎。#2PLC完成對機艙設備、液壓系統、泥泵系統運行參數的采集。實現柴油機潤滑油的油壓、油溫、冷卻水水位、水溫的極限報警和柴油機飛車狀態下的停車保護和緊急停車保護。實現齒輪箱潤滑油油壓、油溫的極限報警和緊急脫泵保護。實現液壓系統液
壓油位過低和油溫過高報警。實現泥泵堵死、吸泥口堵死報警和管道內泥漿濃度過高，流速低于臨界流速的堵管報警和泥漿濃度過低的低效率報警。
3 結束語
本系統采用高性價比的C200Hα型PC構成的挖泥船監控系統，成本低廉，可靠性高，可操作性強，自動化水平的提高在很大程度上降低了挖泥作業人員的勞動強度。同時使系統具有了較強的系統自診斷功能，方便運行維護人員排除故障。該系統的成功改造為國內老齡挖泥船舶以及其它工程船舶的技術改造提供了典型范例，特別是將PLC技術應用到老齡船舶技改領域，從而提高船舶自動化程度有重要的現實意義。
