倪学莉，曹 智，李 俊

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

绞吸式挖泥船借助于绞刀和泥泵在水下挖掘泥沙[1]。在挖泥作业中，绞刀切削、破碎水下土层，以便泥泵把剥、松动的泥土吸起来，然后通过水上及陆上的排泥管道，将泥浆输送到指定的区域，完成疏浚或者吹填[2]。绞吸式挖泥船主要由液压系统和泥泵吸排系统两大部分构成。液压系统完成对绞刀、横移、绞刀架、定位桩、抛锚等部分机械装置的驱动。泥泵吸排系统则由动力系统、传动系统、离心式泥浆泵、船体及输泥系统等组成[3]。

目前主流的挖泥控制系统主要由PLC和监控计算机为核心组成[3-4]。以ROCKWELL公司的ControlLogix为基础的过程自动化系统具有集散控制系统（DCS）的所有核心功能，且满足SIL2安全级别的应用[5]。本文针对绞吸式挖泥船采用基于ControlLogix完成挖泥控制系统设计。

1 主要操纵监控项目

绞吸式挖泥船施工作业的效率除了与土质、排距、扬程、水流、风浪等工况条件有密切关系之外，在很大程度上取决于对绞刀转速、横移速度、桥架升降的控制[2]。

挖泥控制系统主要完成针对绞刀的控制，包括了绞刀的垂向给量、水平给量和左右横移摆动速度的控制。还要针对桥架的升降和横移速度进行控制。另外，在对断面进行挖掘时，要通过对横移速度的自动控制来调节泥浆的浓度。

总之，在绞吸式挖泥船挖泥作业过程中，需要对二十几个工艺参数和过程变量进行监测和控制。另外，还要对六十几个开关量节点信号进行检测和输出控制。主要的操纵监控项目需求如下所述。

1.1 泥泵柴油机遥控系统

驱动泥泵的柴油机是挖泥作业系统的主要动力源。配设了两个相互串联的泥泵，前端是水下泥泵，后面机舱里是舱内泥泵，每个泥泵分别由一台柴油机驱动。在操纵室的操纵台上设两套泥泵柴油机遥控装置，其主要功能是驾驶室操纵器发令、机旁回令、转速控制加速、转速控制减速以及应急停车按钮等二十几个项目。

1.2 液压电控系统

液压电控系统的PLC控制单元设在液压电控柜中，电控柜布置在机舱中。而操纵手柄、开关、按钮、调节电位器在操纵室操纵台上。其主要完成操纵主桩快升、主桩慢升、主桩慢降、主桩快降、副桩快升、副桩慢升、副桩慢降、副桩快降、台车进、台车退、桥架快升、桥架慢升、桥架慢降、桥架快降、左抛锚收、左抛锚放、右抛锚收、右抛锚放、联动慢左、联动慢右及环保绞刀进、环保绞刀退等四十几个项目。

1.3 主要模拟监测量及参数

主要的模拟监测量及参数分别是泥泵真空度：0.4～0.8 MPa；泥泵压力：10～16 MPa；封水泵压力：6～10 MPa；绞刀压力：60～120 MPa；横移压力：80～140 MPa；桥架、定位桩、抛锚压力：90～170 MPa；左右横移绞刀：±35°；挖深：6～27 m；泥浆流速：5.5～6.5 m/s；泥泵主机转速：1100～1200 r/min等二十几个监测参数。

1.4 主要模拟控制量

主要的模拟控制量为绞刀速度，横移速度，横移放缆绞车张力控制，桥架下放深度及定位桩前移量等二十几个控制参量。

1.5 主要工况设定参数

主要的工况设定参数为绞刀负荷、转速，横移负荷、转速，横移放缆绞车张力，泥浆流速，泥泵真空、泥泵、封水泵压力，绞刀下放深度，绞刀前移距离，挖槽宽度，挖槽深度及边坡坡度比等二十几个设定参数。

2 系统结构及硬件选型

本方案基于ControlLogix系统，同时结合Ether-Net工业以太网和ControlNet控制网完成绞吸式挖泥船挖泥控制系统设计。

如图1所示，绞吸式挖泥船挖泥控制系统采用上下位两层C/S结构。

图1 控制系统结构Fig.1 Schematic of control system

上层通过交换机SWITCH以EtherNet工业以太网协议将监控计算机操作员站和工程师站与船体移动控制站Controller和泥浆绞吸与输送控制站Controller相连。下层2个控制站Controller分别通过ControlNet控制网与船体移动控制站I/O子站和泥浆绞吸与输送控制站I/O子站相连。

上层操作员站和工程师站可选用商用计算机工作站，操作系统采用流行的Windows操作系统，监控软件采用GE的HMI/SCADA软件iFix。通过iFix生成的监控功能界面可动态显示各主要设备的状态、主要现场数据，如进出、流量、液位、电力参数、电量数据、事故报警等。而各种报表和过程曲线等则可由打印机输出。

控制站和控制站I/O子站均采用ControlLogix系统，主要完成操纵监控项目开关量与模拟量的输入、输出以及逻辑和控制功能实现。

ControlLogix系统以开放式通信标准为基础，采用模块化结构，组成系统方便灵活，符合SIL2认证下的应用。根据应用要求的不同，可选择Control-Logix标准模块及标准工业网络得到所需控制系统，如顺控/安全连锁系统、传动控制系统以及集散控制系统等。

本设计方案控制站Controller选用ControlLogix系统的1756-L74控制器作为过程控制器。Control-Logix控制器可连接系统网络、现场设备和第三方产品。能对大数量的输入输出点进行寻址（最多128000个数字量/最多4000个模拟量），可通过EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet等协议与其他通讯接口模块通讯。

ControlNet通讯模块通过桥接ControlNet链路，能传输消息到其它网络上的设备。还能监控远离控制器的远程输入/输出模块，同时可传递信息给其它网络设备。其通过生产者/消费者标签传输预定的数据，通讯速率为5 Mb/s。

本设计方案控制站I/O子站选用ControlLogix远程1756-I/O模块完成对现场数据的采集和控制。1756-I/O模块机架可通过ControlNet通讯模块与控制站Controller通讯。

其中，ControlLogix远程1756-I/O模块的模拟量输入模块选用1756-IF16，规格为16路单端、8路差分或4路高速差分输入，输入电压/电流范围：±10.5 V、0～10.5 V、0～5.25 V、0～21 mA。 ControlLogix 远程1756-I/O模块的模拟量输出模块选用1756-OF8H，规格为8个电压或电流输出，具有HART接口，输出电压/电流范围：±10.4 V、0～21 mA、4～20 mA。ControlLogix远程1756-I/O模块的数字量输入模块选用1756-IB32，规格为32个10-31.2VDC输入。ControlLogix远程1756-I/O模块的数字量输出模块选用1756-OB16D，规格为16个带诊断的19.2-30VDC输出。

3 主要监控功能界面及实现

绞吸式挖泥船挖泥控制系统的上层操作员站和工程师站监控功能界面由GE公司的HMI/SCADA软件iFix组态实现。

iFix是一套提供现场数据采集，过程可视化及过程监控功能的HMI/SCADA软件组件，所有组件能无缝地集成为一体。能实时、综合的反映复杂的动态生产过程。上层工程师站和操作员站利用iFix软件可完成对全厂的自动控制和生产管理。

本设计方案利用iFix软件主要生成以下监控功能界面：

1）主界面：如图2所示，系统主界面主要由挖泥船模型和主菜单组成。主菜单由挖泥、卸泥、控制及诊断几项组成。选中主菜单可进入相应的子监控功能界面完成相应显示及操作。

图2 主界面Fig.2 Overall control interface

如图3所示，挖泥船模型可显示一般泵、圆形泥门、绞车及泥泵的实时状态。其中，液压泵、封水泵、冲洗泵等一般泵的定义为圆环：“灰色”不为RFU（ready for use），为现场操作或脱开；“绿色”为RFU，可以遥控；“红色”为泵故障。三角：“灰色”则未运行；“灰色”+“闪烁”，表示正在启动；“绿色”为正在运行；“红色”则泵故障。

图3 图形定义Fig.3 Main equipment symbol

圆形泥门定义为外环：“灰色”为正常关闭；“红色”为初始化或故障。填充内环：“灰色”为正常关闭；“绿色”为打开；“红色”为泵初始化或故障。到达限位开关时文字可见。

绞车定义为外边框：“灰色”则现场就地控制；“绿色”处于RFU状态，可遥控；“红色”表示故障。填充内图形：“灰色”则现场就地控制或断开；“绿色”正在启动；“红色”为故障。箭头：“两箭头灰色”则没有起升也未下放；“向上箭头绿色”表示正在上升；“向下箭头绿色”则正在下降。

泥泵定义为外形：“灰色”不为RFU（ready for use），选择了现场操作或脱开；“绿色”为RFU，可以遥控。 内环：“灰色”则未运行；“灰色”+“闪烁”，表示正在启动；“绿色”则正在运行；“红色”为泵故障。

2）疏浚操作总揽界面：提供了施工过程中较为常用的一些数据。如：绞刀深度、转速、横移角度、距离、挖泥深度、泥浆的浓度及流速等信息，并反映整个疏浚过程。

3）绞刀系统界面：显示舱内泵、水下泵的转速、压力及真空度、绞刀的液压油箱温度、系统压力及转速，以突出绿色字体显示某项状态的运行，当出现报警时，字体会变成红色。

4）横移及桥架绞车界面：显示当前桥架的角度和深度，并以图形来显示。绞车运行方向会用绿色箭头标明，同时横移绞车的各种工况都能在页面上进行显示。

5）钢桩台车界面：显示主、辅钢桩的各个压力值、台车行程及各个状态指示。同时该页面上可以设置台车步进设置，自动移动台车。

6）液压系统界面：显示整个液压系统主要构件，当需要使用应急液压的时候，通过点击“应急液压投入”就可以启动应急液压，字体变绿色。

7）桥架角度校准页面：通过输入桥架长度、绞刀头半径、耳轴吃水与耳轴中心距离。

8）参数设置界面：将各个检测报警点的上、下限值进行输入，如有超差，系统将会报警。并且点击“配置文件”可以读取、保存原先的参数。

9）机舱监控界面：显示三个柴油机组系统的重要参数及指标、主、停泊发电机运行状态及电压、电流等重要参数，给操作人员一个整体机舱重要设备的运行状态信息，便于根据实际情况进行疏浚操作。

10）网络图界面：主要用于检测整个系统网络通信的运行状况，正常时全为绿色，故障时为红色。通过下方快捷键可迅速切换至疏浚操作总揽页面。

4 结语

本文基于ControlLogix设计的挖泥控制系统，通过采用ControlLogix控制器，提高了监控功能的实时性和一致性，而EtherNet工业以太网和ControlNet控制网则实现了与ControlLogix远程I/O模块的通讯。最后，应用HMI/SCADA软件iFix完成了对监控功能界面的组态及运行。总之，本方案设计的挖泥控制系统组态方便、简单，更容易保持系统集成的一致性，能够满足绞吸式挖泥船挖泥作业生产的监控要求。