智能绞吸式挖泥船的控制系统与控制方法与流程

本发明涉及挖泥船疏浚系统技术领域，特别涉及一种智能绞吸式挖泥船的控制系统与控制方法。

背景技术：

水利清淤，河道治理，航道疏浚，环保清污、吹填造地及岛屿建设关乎国计民生，疏浚作为改善基础设施的手段之一，已经成为我国经济发展的先决条件。近年来，随着国际贸易的日益繁荣，疏浚对经济发展的促进和保障作用也日益明显。在我国，疏浚工程需求量大，疏浚施工技术与挖泥施工设备在今后必将长足发展。

挖泥船作为疏浚施工的主要设备，具有广阔的市场。挖泥船尤其是绞吸式挖泥船是一种水力式挖泥船，适用于挖掘松散砂、砂壤土、淤泥等松散软塑粘土，作业时间长，挖泥平整度高。影响挖泥船生产率的因素有很多，土质情况及设备运转情况都对生产率有很大影响。挖泥船在施工时，驾驶员需要根据施工区土质情况及经验控制好横移压力、横移速度、绞刀转速、绞刀压力、水下泵排压、舱内泵排压、真空值、流速等参数在浓度最好时的关系情况，掌握好各种关系的最佳组合。由于驾驶员的精力有限，不可能一直处于精神高度集中状态，无法使浓度一直处于最佳状态。因此，对智能绞吸式挖泥船的研究就非常有必要了。

技术实现要素：

为此，本发明的一个目的在于提出一种智能绞吸式挖泥船的控制系统与控制方法，相比于传统挖泥船，智能化程度高，可灵活、便捷地进行挖泥作业，不需要驾驶员手动操控各类控制把柄，可显著提高疏浚吹填效率，极大降低工作人员的劳动强度。

为了实现上述目的，本发明一方面的实施例提供一种智能绞吸式挖泥船的控制系统，包括数据采集终端、中控服务器、执行控制器和执行机构；

所述数据采集终端固定设置在挖泥船的执行机构上，且与PLC控制器相连接，用于采集挖泥船的工作参数；并将采集到的工作参数通过OPC接口传送至中控服务器；

所述中控服务器包括监控模块、数据处理模块、数据服务器；所述监控模块、数据处理模块、数据服务器分别通过工业以太网与PLC控制器相连接；所述数据服务器，用于接收PLC控制器发送的工作参数并进行存储，作为历史数据以备查询；所述监控模块用于读取数据服务器中的挖泥船工作参数并利用显示器进行模拟显示；所述数据处理模块用于读取数据服务器中的挖泥船的工作参数，并通过神经网络算法进行优化分析，并根据计算结果生成控制指令，并将控制指令发送至PLC控制器，以备执行控制器读取；

所述执行控制器通过Profibus-DP现场总线与PLC控制器相连接；用于读取PLC控制器发送的控制指令并根据控制指令控制执行机构动作；

所述执行机构与执行控制器相连接，用于接收执行控制器的控制指令，并根据所述控制指令完成相应的控制动作。

优选的，所述执行控制器包括绞刀变频器、泥泵变频器、定位桩台车、横移绞车；

所绞刀变频器用于控制绞刀以不同的转速进行运转，实现绞刀的上浮和下潜，来挖掘水下泥土；

所述泥泵变频器用于控制泥泵在不同的转速下进行运转吸取泥浆，并将泥浆排放挖泥船的泥舱之中；

所述定位桩台车用于控制定位桩和带有升降桩、制动桩、倒桩、立桩的台车进行移动来定位挖泥船的位置和挖泥船的进尺；

所述横移绞车用于通过绞动缆绳带动挖泥船的横移桥架以钢桩为中心来回摆动挖泥。

优选的，所述数据采集终端包括桥架角度传感器、定位桩位移传感器、吃水深度变送器、GPS、潮位遥报仪接收机、电罗经；

所述桥架角度传感器固定在横移桥架上，用于检测横移桥架相对于水面的角度；

所述定位桩位移传感器固定在定位桩台车上，用于检测定位桩台车的行程；

所述吃水深度变送器固定在挖泥船底部，用于检测挖泥船的吃水深度；

所述潮位遥报仪接收机用于检测挖泥船的潮位信息；

所述电罗经用于检测挖泥船的航向信号。

优选的，所述数据采集终端还包括所述液压传感器和所述电气传感器；

所述液压传感器用于检测挖泥船各液压部分的液压比例阀值，包括检测横移绞车的液压比例阀值和桥架提升绞车的液压比例阀值；

所述电气传感器用于检测挖泥船各电机部分的电气参数，包括检测泥泵电机的电流参数、频率参数、功率参数和检测绞刀电机的电流参数、频率参数、功率参数。

本发明的另一个目的在于提供一种智能绞吸式挖泥船的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1，将数据采集终端固定设置在挖泥船的执行机构上，且与PLC控制器相连接，采集挖泥船的工作参数；并将采集到的工作参数通过OPC接口传送至中控服务器；

步骤S2，所述中控服务器接收所述PLC控制器发送的工作参数并进行存储，利用显示器进行模拟显示，以提供疏浚人员进行实时监控；同时通过神经网络算法进行优化分析，并根据计算结果生成控制指令，同时将控制指令发送至PLC控制器，并由所述PLC控制器进一步转发至所述执行控制器；

步骤S3，所述执行控制器通过Profibus-DP现场总线接收来自PLC控制器的控制指令，并根据控制指令控制执行机构动作，完成相应的控制动作；

步骤S4，执行机构动作后，数据采集终端继续采集最新的挖泥船工作参数，然后按照上述步骤重复执行。

进一步，步骤S1中，所述数据采集终端包括桥架角度传感器、定位桩位移传感器、吃水深度变送器、GPS、潮位遥报仪接收机、电罗经、液压传感器、电气传感器；

所述桥架角度传感器固定在横移桥架上，检测横移桥架相对于水面的角度；

所述定位桩位移传感器固定在定位桩台车上，检测定位桩台车的行程；

所述吃水深度变送器固定在挖泥船底部，检测挖泥船的吃水深度；

所述潮位遥报仪接收机检测挖泥船的潮位信息；

所述电罗经检测挖泥船的航向信号。

进一步，步骤S1中，所述数据采集终端还包括所述液压传感器和所述电气传感器；

所述液压传感器用于检测挖泥船各液压部分的液压比例阀值，包括检测横移绞车的液压比例阀值和桥架提升绞车的液压比例阀值；

所述电气传感器用于检测挖泥船各电机部分的电气参数，包括检测泥泵电机的电流参数、频率参数、功率参数和检测绞刀电机的电流参数、频率参数、功率参数。

进一步，步骤S3中所述执行控制器执行过程遵循以下步骤：

步骤S31，所述定位桩台车利用控制定位桩和带有升降桩、制动桩、倒桩、立桩的台车进行移动来定位挖泥船的位置和挖泥船的进尺；

步骤S32，所述横移桥架上固定有绞刀，通过横移桥架上的绞车绞动缆绳，带动挖泥船以定位桩为中心来回摆动挖泥；

步骤S33，绞刀位置确定后，所述绞刀变频器控制绞刀以不同的转速进行运转，实现绞刀的上浮和下潜，来挖掘水下泥土；

步骤S34，所述泥泵变频器控制泥泵在不同的转速下进行运转吸取泥浆，所吸取的泥浆为绞刀挖掘后松散的泥浆，并将泥浆排放挖泥船的泥舱之中。

根据本发明实施例提供的一种智能绞吸式挖泥船的控制系统与方法相比于传统挖泥船的控制方法至少具有以下优点：

智能挖泥系统综合运用神经网络技术，达到对挖泥船进行系统、全面且精准的控制，同时结合编程序控制器(PLC)、OPC接口技术、现场总线、工业以太网等先进技术，将采集到的工作参数进行综合运用，从而规划出最优方案，智能化程度高，可灵活、便捷地进行挖泥作业，不需要驾驶员手动操控各类控制把柄，可显著提高疏浚吹填效率，极大降低工作人员的劳动强度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明一种智能绞吸式挖泥船的控制系统的结构框图；

图2为本发明一种智能绞吸式挖泥船的控制系统的结构示意图；

图3为本发明一种智能绞吸式挖泥船的控制方法的流程图；

图4为本发明一种智能绞吸式挖泥船的中执行机构的操作流程图；

图5为本发明一种智能绞吸式挖泥船的控制系统中神经网络的示意图；

图6为本发明一种智能绞吸式挖泥船的控制系统的OPC客户/服务器模式结构图；

附图标记：1、数据采集终端；2、中控服务器；3、执行控制器；4、执行机构；101、桥架角度传感器；102、定位桩位移传感器；103、吃水深度变送器；104、GPS；105、潮位遥报仪接收机；106、电罗经；107、液压传感器；108、电气传感器；201、监控模块；202、数据处理模块；203、数据服务器；301、绞刀变频器；302、泥泵变频器；303、定位桩台车；304、横移绞车；401、定位桩；402、台车；403、绞刀；404、横移桥架；405、泥泵。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-2所示，本发明实施例提供的一种智能绞吸式挖泥船的控制系统，包括数据采集终端1、中控服务器2、执行控制器3和执行机构4。

数据采集终端1固定设置在执行机构上，且与PLC控制器相连接，用于采集挖泥船的工作参数；并将采集到的工作参数通过OPC接口传送至中控服务器2。

数据采集终端1包括桥架角度传感器101、定位桩位移传感器102、吃水深度变送器103、GPS104、潮位遥报仪接收机105、电罗经106、液压传感器107、电气传感器108；桥架角度传感器101固定在横移桥架304上，用于检测横移桥架304相对于水面的角度；定位桩位移传感器102固定在定位桩台车402上，用于检测定位桩台车402的行程；吃水深度变送器103固定在挖泥船底部，用于检测挖泥船的吃水深度；潮位遥报仪接收机105用于检测挖泥船的潮位信息；电罗经106用于检测挖泥船的航向信号。

进一步，数据采集终端1还包括液压传感器107和电气传感器108；液压传感器107用于检测挖泥船各液压部分的液压比例阀值，包括检测横移绞车的液压比例阀值和桥架提升绞车的液压比例阀值；电气传感器108用于检测挖泥船各电机部分的电气参数，包括检测泥泵电机的电流参数、频率参数、功率参数和检测绞刀电机的电流参数、频率参数、功率参数。

中控服务器2包括监控模块201、数据处理模块202、数据服务器203；监控模块201、数据处理模块202、数据服务器203分别通过工业以太网与PLC控制器相连接；

数据服务器203专门用于存储施工现场各种数据的计算机，将PLC传过来的数据保存好，有三方面的作用，一是将数据传递至监控计算机实时显示，二是将数据传递至分析计算机进行分析，三是便于相关人员进行查阅、拷贝数据等操作。

监控模块201利用显示器进行模拟显示，实现挖泥船上各种设备运行状态的实时监控，数据服务器203将数据发送给监控模块201，监控模块将各种施工参数显示在友好的人机交互界面上，供疏浚人员查看、分析，以实现实时监控。

数据处理模块202采用神经网络算法，数据服务器将数据传递至数据处理模块202，数据处理模块利用神经网络进行分析优化，根据优化结果，生成控制指令，向PLC控制器发送相应的指令，PLC则根据指令控制设备运行。

优化分析过程为输入层的各个节点设置触发阈值；输入层多次采集工作参数，根据多次采集的数值进行多次迭代自动生成学习规则，当各个工作参数达到触发阈值时将工作参数发送至中控服务器，中控服务器根据学习规则设有相应的控制指令，并将控制指令进行多方向传递，相应的控制机构根据接收到的控制指令进行动作。

执行控制器3通过Profibus-DP现场总线与PLC控制器相连接；用于接收数据处理模块发送的控制指令并根据控制指令控制执行机构动作。执行控制器3包括绞刀变频器301、泥泵变频器302、定位桩台车303、横移绞车304；定位桩台车303用于控制定位桩401和带有升降桩、制动桩、倒桩、立桩的台车402进行移动来定位挖泥船的位置和挖泥船的进尺；横移桥架404用于固定绞刀403，并通过横移绞车304通过绞动缆绳带动挖泥船，用于控制横移桥架以钢桩为中心来回摆动挖泥。

绞刀变频器305用于控制绞刀403以不同的转速进行运转，控制绞刀电机转动，向绞刀电机输入频率不同的电源，频率越高转数越大，最终能够控制绞刀能够在不同转数下实现绞刀403的上浮和下潜，来挖掘水下泥土；泥泵变频器306和绞刀变频器类似，用于控制泥泵404在不同的转速下进行运转吸取泥浆，实现泥沙管道输送流速稳定，泥泵转数越高，泥沙管道输送流速就越高并将泥浆排放挖泥船的泥舱之中。

执行机构4与执行控制器3相连接，用于接收执行控制器3的控制指令。这里执行机构4为具体执行操作指令的设备，例如绞刀403，绞刀变频器301控制绞刀403旋进或旋出，绞刀403即为绞刀变频器301的执行机构。因此执行机构4包括定位桩401、台车402、绞刀403、横移桥架404、泥泵405。

如图5所示，需要说明的是神经网络算法是利用数据采集终端1采集的挖泥船的工作参数，这里的工作参数包括横移桥架304相对于水面的角度、定位桩台车402的行程、挖泥船的吃水深度、挖泥船的潮位信息、航向信号以及液压传感器107和电气传感器108检测到的各部分液压比例阀值和个电气部分的电气参数；上述各个工作参数构成神经网络中的输入层的一个节点；中控服务器2中的各个计算机构成中间层的各个节点，并根据PID控制规则进行控制指令优化；并将控制指令输出；执行控制器3包括的上述多个控制设备构成神经网络的多个输出层节点；接收控制指令，并控制执行机构做出动作。

人工神经网络具有初步的自适应与自组织能力。在学习或训练过程中改变突触权重值，以适应周围环境的要求。同一网络因学习方式及内容不同可具有不同的功能。人工神经网络是一个具有学习能力的系统，可以发展知识，以致超过设计者原有的知识水平。通常，它的学习训练方式可分为两种，一种是有监督或称有导师的学习，这时利用给定的样本标准进行分类或模仿；本发明采用的另一种是无监督学习或称为无导师学习，这时，只规定学习方式或某些规则，则具体的学习内容随系统所处环境(即输入信号情况)而异，系统可以自动发现环境特征和规律性，具有更近似人脑的功能。

具体如表1所示人工神经网络具有非线性的信息处理能力、输入-输出映射能力、证据反应能力、适应性能力、容错能力、超大规模集成的可执行能力、分析设计一致性能力以及生物神经模拟能力。

表1神经网络类型与功能

一般而言，神经网络与经典计算方法相比并非优越，只有当常规方法解决不了或效果不佳时选用神经网络方法才能显示出其优越性。对问题的机理不甚了解或不能用数学模型表示的系统，如故障诊断、特征提取和预测等问题，神经网络往往是最有利的工具。同时神经网络对处理大数据量而无法用规则、公式表示的问题，表现出极大的灵活性和自适应性。

如图6所示，本发明中PLC和中控服务器(监控模块、数据处理模块和数据服务器)之间的通讯采用OPC方式。OPC以OLE技术为基础，采用客户端(OPC Client 1～2)/服务器(OPC Server 1～3)模式，为工业自动化面向对象的开发提供统一的标准，这个标准定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法。采用这项标准后，硬件开发商将取代软件开发商为自己的硬件产品开发统一的OPC接口程序，而软件开发者可以免除开发驱动程序的工作，从而提高了系统的开放性和互操作性。

OPC通讯协议传输数据准确、实时性高，并且OPC通信协议是一种过程控制的对象连接和嵌入技术，通过对微软公司对象的连接，嵌入技术、部件对象模型与分布式部件对象模型技术的结合，给工业自动化和过程控制领域提供了标准的接口、方法和属性。

利用OPC协议通信，交换控制系统实现现场设备与过程管理信息，得到更好的开放式控制系统，PLC和计算机通过OPC协议实现信息的实时传递，为挖泥船的智能化提供通信支持。

挖泥船可以为绞吸式挖泥船、耙吸式挖泥船、链斗式挖泥船，但不限于此。

本发明所述的智能绞吸式挖泥船的控制系统，主要采用Profibus-DP现场总线和工业以太网两种方式通信。利用中控服务器实现的监控模块、数据处理模块和数据服务器作为系统的核心，采用工业以太网连接挖泥船上所有设备及系统。工业以太网具有传送能力强、速度快以及抗干扰性能好的特点，由它能构成一个挖泥船的全局域控制网络。现场设备主要采用Profibus-DP现场总线连接，它适应恶劣环境能力比较强，可以连接各个现场控件的控制子系统进行通信。通过系统集成，使计算机、变频器、PLC、传感器等形成一个整体。该系统的功能是完成挖泥船的智能最优控制，实现以最小的代价换取最高的产量。

如图3所示，本发明另一个实施例一种智能绞吸式挖泥船的控制方法，包括以下步骤：步骤S1，将数据采集终端11固定设置在执行机构4上，采集挖泥船的工作参数；并将采集到的工作参数通过OPC接口传送至中控服务器22。

步骤S1中，数据采集终端11包括桥架角度传感器101、定位桩位移传感器102、吃水深度变送器103、GPS104、潮位遥报仪接收机105、电罗经106、液压传感器107、电气传感器108；桥架角度传感器101固定在横移桥架304上，用于检测横移桥架304相对于水面的角度；定位桩位移传感器102固定在定位桩台车303上，用于检测定位桩台车303的行程；吃水深度变送器103固定在挖泥船底部，用于检测挖泥船的吃水深度；潮位遥报仪接收机105用于检测挖泥船的潮位信息；电罗经106用于检测挖泥船的航向信号。

步骤S1中，数据采集终端11还包括液压传感器107和电气传感器108；液压传感器107用于检测挖泥船各液压部分的液压比例阀值，包括检测横移绞车404的液压比例阀值和桥架提升绞车的液压比例阀值；电气传感器108用于检测挖泥船各电机部分的电气参数，包括检测泥泵405电机的电流参数、频率参数、功率参数和检测绞刀403电机的电流参数、频率参数、功率参数。

步骤S2，中控服务器22包括监控模块201、数据处理模块202、数据服务器203；其中，数据服务器203专门用于存储施工现场各种数据的计算机，将PLC传过来的数据保存好，以备监控模块201和数据处理模块202调取。

监控模块201调取数据，利用显示器进行模拟显示，实现挖泥船上各种设备运行状态的实时监控，监控模块将各种施工参数显示在友好的人机交互界面上，供疏浚人员查看、分析。

数据处理模块202采用神经网络算法，数据服务器将数据传递至数据处理模块202，数据处理模块利用神经网络进行分析优化，根据优化结果，生成控制指令，向PLC控制器发送相应的指令，PLC则根据指令控制设备运行。

步骤S3，执行控制器3通过Profibus-DP现场总线与PLC控制器相连接；接收数据处理模块202发送的控制指令并根据控制指令控制执行机构4动作。

步骤S4，执行机构4接收执行控制器3的控制指令，并按照控制指令动作。

步骤S5，执行机构4动作后，数据采集终端11继续采集最新的挖泥船工作参数，然后按照上述步骤重复执行。

如图4所示，步骤S3中执行控制器3包括绞刀变频器301、泥泵变频器302、定位桩台车303、横移桥架304；执行控制器3执行过程遵循以下步骤：

步骤S31，定位桩台车包括定位桩401和台车402利用控制定位桩401和带有升降桩、制动桩、倒桩、立桩的台车402进行移动来定位挖泥船的位置和挖泥船的进尺。

步骤S32，通过横移绞车304通过绞动缆绳，带动挖泥船以定位桩401为中心来回摆动，横移桥架304上固定有绞刀403，利用铰刀挖泥。

步骤S33，绞刀403位置确定后，绞刀403变频器控制绞刀403以不同的转速进行运转，实现绞刀403的上浮和下潜，来挖掘水下泥土。

步骤S34，泥泵405变频器302控制泥泵405在不同的转速下进行运转吸取泥浆，所吸取的泥浆为绞刀403挖掘后松散的泥浆，并将泥浆排放挖泥船的泥舱之中。

本发明所述的智能绞吸式挖泥船的控制方法，主要采用Profibus-DP现场总线和工业以太网两种方式通信。利用中控服务器实现的监控模块、数据处理模块和数据服务器作为系统的核心，采用工业以太网连接挖泥船上所有设备及系统。工业以太网具有传送能力强、速度快以及抗干扰性能好的特点，由它能构成一个挖泥船的全局域控制网络。现场设备主要采用Profibus-DP现场总线连接，它适应恶劣环境能力比较强，可以连接各个现场控件的控制子系统进行通信。通过系统集成，使计算机、变频器、PLC、传感器等形成一个整体。该系统的功能是完成挖泥船的智能最优控制，实现以最小的代价换取最高的产量。

本方法综合运用神经网络技术，达到对挖泥船进行系统、全面且精准的控制，同时结合编程序控制器(PLC)、OPC接口技术、现场总线、工业以太网等先进技术，将采集到的工作参数进行综合运用，从而规划出最优方案，智能化程度高，可灵活、便捷地进行挖泥作业，不需要驾驶员手动操控各类控制把柄，可显著提高疏浚吹填效率，极大降低工作人员的劳动强度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。