沉管隧道基床抛石整平船自动移船控制系统设计与应用

2021-01-28华晓涛李涛王金绪

中国港湾建设 2021年1期

华晓涛，李涛，王金绪

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点试验室，湖北武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能建造技术研发中心，湖北武汉 430040；4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 100120）

整平船在抛石施工时需要对船舶缓慢移动进行定位，目前整平船的移动方法一般是由4 个人分别控制安装在整平船四个角上的电动绞车来收放揽绳，船移动的位置由4 个人通过对讲机人工协调，从而实现船的定位[1-3]。但人工操作频繁容易疲劳、工作效率低，而且由于人为操作的局限性，控制精度不高[4]。因此，需要开发一套整平船自动移船系统，实现船的自动化移位。

1 工程简介

襄阳市东西轴线道路工程鱼梁洲段项目是联系樊城老区与东津新城的城市主通道，隧道全长5 400 m，采用沉管方案两次下穿汉江，水深15耀26 m，沉管段总长1 011 m，属内河沉管隧道。其中，汉江西汊布置4 节管节，合计351 m；东汊布置6 节管节，合计660 m[5-6]。为避免沉管基础局部高点，确保其底板受力均匀，底板与地基之间设高精度整平的基础垫层作为基床，故需整平精度较高的专用船舶进行施工[7]。中交二航局自主研发的高精度浮式基床抛石整平船，船长55 m，宽15.3 m。船体甲板上配备4 台10T 液压绞车，2台GPS，抛石整平装备以及整平行走轨道，如图1 所示。

图1 整平船甲板设备分布图Fig.1 Distribution of deck equipment of leveling ship

整平船每施工完一垄碎石后，需要通过操作整平船上的4 台液压绞车使船横向移动2 m，移动后使纵向保持不变，由于施工时基床碎石垄较多，因此船舶需频繁移位，传统人工操作效率低、精度差，一般的人工控制移船精度平均在依15 cm，移船时间平均约20 min，难以满足现场施工的要求。因此，本文提供了一种自动移船控制系统，该系统需达到的施工要求为：移动精度为依15 cm，操作时间小于10 min。

2 自动移船控制系统的组成及功能

2.1 自动移船控制系统的组成

2.1.1 控制系统硬件组成

基床抛石整平船自动移船控制系统是一套基于GPS 定位的计算机控制系统，由测量系统、控制系统和执行系统组成。

1）测量系统

测量系统包括4 个编码器、4 个轴销传感器和2 个GPS。在抛石整平船4 台液压绞车上分别安装1 个编码器和轴销传感器，在船艏和船艉分别安装1 个GPS。编码器用于检测液压绞车缆绳收放的速度，编码器供电电压24 V，最大测量转速5 000 r/min，输出类型为NPN；轴销传感器用于检测液压绞车缆绳的拉力，轴销传感器供电电压5耀12 V，额定载荷10 t，输出信号为4耀20 mA，测量精度0.5%。GPS 用于检测船舶的位置数据，型号为Trimble R9s。

2）控制系统

控制系统包括1 台计算机、下层控制器和上层控制器。计算机用于人机交互，方便操作者控制自动移船系统；下层控制器用于接收编码器和轴销传感器采集的液压绞车数据，并将数据传送给上层控制器，同时下层控制器还可以接收上层控制器发送的绞车运动指令，直接控制液压绞车运动；上层控制器用于接收GPS 数据、下层控制器发送的绞车运动速度和缆绳拉力数据、计算机发送的绞车控制指令，同时还可以向下层控制器发送绞车运动控制指令。计算机采用PPC-190C工业平板电脑；下层控制器为西门子S7-200；上层控制器为西门子S7-1200。

3）执行系统

执行系统包括4 台液压绞车，液压绞车的规格为：卷筒负载100 kN、绳索直径准32 mm、最大绳长400 m。4 台液压绞车位于抛石整平船上，缆绳出口分别位于整平船的四个角上。

2.1.2 控制系统通讯方式

系统的通讯方式主要包括两部分：下层控制器与上层控制器的通讯、上层控制器与计算机的通讯（图2）。下层控制器与上层控制器采用串口RS485 通讯；上层控制器与计算机采用以太网通讯。首先下层控制器采集各个液压绞车的运行参数，并将运行参数传送给上层控制器；接着上层控制器根据计算机预先设定的控制参数以及GPS所采集的船舶位置信息，由上层控制器运用相应的控制算法，将各个绞车缆绳的缩放指令以及缩放速度传送给下层控制器；最后下层控制器控制各个液压绞车运动，以实现船舶的自动化移位。在移船过程中，上层控制器与计算机实时通讯，将液压绞车的运行参数传送给计算机实时显示。

图2 控制系统通讯Fig.2 The communication of control system

2.2 自动移船控制系统主要功能

基床抛石整平船自动移船控制系统可以实现一键自动化移船，系统采用分步阶段性控制策略，具有施工工艺参数设置、施工坐标文件导入、施工参数实时显示，船位动态化显示等功能，可以实现对整个施工过程的监测与控制。系统主要功能如下：

1）施工工艺参数设置功能

该系统采用分步阶段性控制策略，将整个移船过程分为粗定位、中间定位和精定位，因此绞车控制过程也相应分为粗控制、中间控制和细控制。系统可以在定位计算机操作软件的控制参数页面修改控制参数，以使船舶在移位时的平稳性和精度达到最优状态。

2）施工坐标文件导入功能

在移船之前，可以将所有船位坐标以dat 文件格式保存在系统操作文件夹下，自动移船时系统可以直接导入读取船位坐标的dat 文件，此功能省去将所有船位坐标逐个输入的繁琐。

3）施工参数实时显示功能系统可以根据4 台液压绞车上安装的编码器和轴销传感器，实时显示绞车实际移动速度，绞车实际控制距离，绞车实际拉力，绞车控制速度，绞车收放缆状态。

4）船位动态化显示功能

导入施工区域的工程地图和原始测深文件，并结合GPS 船位测量系统，利用计算机人机界面可显示船舶的轮廓和船舶在施工区域的位置。

5）一键自动移船功能

自动移船功能通过PLC 控制器和定位计算机实现。当船舶需要移位时，通过点击移船键将整平船以一键移船的方式移动到指定的位置，在移船过程中不断修正船艏向以保持艏向。当船舶到达指定施工位置，并已经完成定位时，自动控制系统将发出船舶位置锁定指令到绞车液压控制系统。

3 自动移船控制原理及方法

3.1 基本方案

本抛石基床整平船要实现自动移船功能，需由控制系统实时根据当前位置坐标信息及目标位置坐标信息，输出绞车动作信号，实现4 台绞车的收放缆动作，驱动船舶沿给定轨迹移船，从而实现驳船的自动移船功能，整个系统为一个典型的闭环控制系统[8]。自动移船控制系统流程图如图3 所示。

图3 自动移船控制系统流程图Fig.3 Flow chart of automatic ship shifting control system

3.2 移船控制策略及纠偏方法

该项目工程要求基床抛石整平船每次沿船体横向移动2 m（即沿沉管纵向）。设船体当前位置为Lp，需要移动到的目标位置为Lo，船体每次需要平移的距离为驻d，控制误差为滓，其控制的最终目标为：

3.2.1 移船控制策略

为实现船体的移船定位，控制系统在控制策略上采用分步阶段控制方法，将整个移船过程分为粗定位、中间定位和精定位。如图4 所示，设出绳点F1 处开始制动前的坐标为（XF1，YF1），与其对应的锚点坐标为（XB，YB），制动后的坐标为（X忆F1，Y忆F1）；出绳点F2 处的制动前的坐标为（XF2，YF2），锚点的坐标为（XA，YA），制动后的坐标为（X忆F2，Y忆F2）；出绳点F3 处的制动前的坐标为（XF3，YF3），锚点的坐标为（XD，YD），制动后的坐标为（X忆F3，Y忆F3）；出绳点F4 处的制动前的坐标为（XF4，YF4），锚点的坐标为（XC，YC），制动后的坐标为（X忆F4，Y忆F4）。那么移动需要控制的绳缆长度分别为：

图4 缆绳锚固示意图Fig.4 Schematic diagram of cable anchorage

船体上F1、F2、F3 和F4 的坐标可由船上安装GPS1、GPS2 的测量坐标和各GPS 与出绳点的相对安装距离间接得到。粗定位时的控制绳长为大于1 m，当粗定位时采用1.5 m/min 的高速控制绞车转动；精定位时的控制绳长为小于0.4 m，当精定位时采用0.5 m/min 的低速控制绞车转动；中间定位的控制绳长为0.4耀1 m，中间定位时采用绞车转速为高速和低速的平均值。

3.2.2 移船纠偏方法

基床抛石整平船在移船定位时，船位偏差分3 种情况：船体横向偏差、船体纵向偏差和船体角度偏差。3 种情况或单独出现，或3 种情况组合出现，即便出现组合偏差，也可分解成3 种情况并采取相应的措施。

1）船体横向偏差

横向位置未达到目标位置，此时同步控制4台锚机， F1、F3 收缆，F2、F4 放缆。

2）船体纵向偏差

纵向位置未达到目标位置，此时同步控制4台锚机， F3、F4 收缆，F1、F2 放缆。

3）船体角度偏差

出现第3 种偏差情况，同时启动F1、F2、F3和F4 锚机，F2、F3 收缆，F1、F4 放缆。

每次进行一次精定位操作或者一次纠偏操作后，等待数秒，由系统来判断船舶的位置，并决定下一次操作是精定位还是纠偏操作。直到系统判断船位的定位误差在精度许可范围内[8-9]。