一种耙吸挖泥船自动疏浚优化控制系统的制作方法

本发明涉及耙吸式挖泥船自动疏浚技术领域，尤其涉及一种耙吸挖泥船自动疏浚优化控制系统。

背景技术：

耙吸式挖泥船是一种装备有耙头挖掘机具和水力吸泥装置的大型自航、装仓式挖泥船。挖泥时，将耙吸管放下河底，利用泥泵的真空作用，通过耙头和吸泥管自河底吸收泥浆进入挖泥船的泥仓中，泥仓满后，起耙航行至抛泥区开启泥门卸泥，或直接将挖起的泥土排除船外，传统是由手动控制plc进行上述操作作业，因其疏浚施工作业技术复杂，步骤繁多，其上布置有各种操纵杆、按钮、旋钮，各种开关烦多、杂乱，在操作过程中需要各个阶段大量的人力和各人员间的相互默契配合并且需要操作人员精力高度集中，不但增加劳动成本，而且长时间操作容易引起人员疲劳，耗费施工人员精力，操作时易出现失误，存在机器或人员安全方面的隐患，影响施工作业的稳定性，且挖泥效率完全靠人工感知，挖泥船在自航、自载、自卸的过程中有时会受到作业地域或自然环境的影响这些不确定的因素往往靠人工感知就显得施工精确度不高，且不同施工人员间由于经验不同也会导致施工效率不同，整体效率难以平稳提高，施工作业适应性差，同时，随着耙吸挖泥船所从事的疏浚工程的施工工期和质量要求越来越高，对船舶操控的效率、安全性和疏浚工艺的要求也不断提高，传统耙吸挖泥船的操控手段已逐渐无法满足国内外疏浚工程的要求，基于疏浚设备操控智能化的优化疏浚技术正在逐渐成为耙吸挖泥船控制系统发展的趋势，如果能有一种集合所需各阶段操作的控制系统来优化整合现有设备将大大提高生产效率和节约人工成本，且施工安全性和稳定性也会随之提高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用嵌入式编程控制器完成复杂操作过程达到简化、优化、提高疏浚自动化效率以解决人工成本高、效率低、安全性和适应性差等问题的一种耙吸挖泥船自动疏浚优化控制系统。

本发明所提出的一种耙吸挖泥船自动疏浚优化控制系统包括可编程嵌入式控制器(pac)和与控制器(pac)连接的智能操耙控制终端，智能疏浚监控界面，数据采集模块和输出指令模块。

所述可编程嵌入式控制器(pac)包括自动耙管(apss)序列化控制模块、自动疏浚(adss)序列化控制模块、自动冲水(ajss)序列化控制模块、疏浚作业阶段自动判断模块、疏浚工艺辅助决策模块、疏浚智能控制仿真模块及疏浚设备操控智能化监控模块。

所述可编程嵌入式控制器(pac)内还嵌有智能决策模型，所述智能决策模型包括过程决策层、控制决策层和安全决策层，所述过程决策层用于根据各类传感器状态，判定作业处于什么阶段；所述控制决策层用于根据智能操耙终端上的输入和挖泥船当前所处阶段，自动调整控制过程序列；所述安全决策层用于控制过程中的安全保护及报警。

所述自动耙管(apss)序列化控制模块包括6种控制模式，分别为搁墩、舷内、舷外、吸口、离地和着地。

所述自动疏浚(adss)序列化控制模块包括5种控制模式，分别为：航行、挖泥、旁通、抽舱和压舱。

所述自动冲水(ajss)序列化控制模块包括挖泥、航行、冲洗和停止动作4个控制模式。

所述智能操耙终端为一个触摸屏，所述触摸屏上与pac控制器内三个序列化控制程序相对应的设置有三个操控界面，分别为自动耙管(apss)操控界面，自动疏浚(adss)操控界面和自动冲水(ajss)操控界面，且三个操控界面均设置有智能激活按钮和激活取消按钮。

所述自动耙管(apss)操控界面上设置有与自动耙管(apss)控制序列控制模式相对应的6个模式按钮，分别为：搁墩、舷内、舷外、吸口、离地和着地用于输入控制，根据耙管收放的特点，将耙管操纵分为a1搁墩：用于控制耙管到达搁墩位置；a2舷内：用于控制弯管、耙中、耙头a架到达舷内位置；a3舷外：用于控制弯管、耙中、耙头a架到达舷外位置；a4吸口：用于控制弯管到达吸口位置，耙中、耙头与吸口位置水平状态；a5离地：用于控制耙头到达设定离地深度和a6着地：用于控制耙头到达设定着地深度6种模式，在pac的apss软件控制界面触摸屏上设置对应的6个按钮，通过一次按键即可实现对应模式的序列化控制操作。无论耙管位置当前处于什么状态，当单击某个按钮时，pac均会根据当前状态和按钮要求的状态，形成向plc发送的相应指令序列，令控制耙管的相应执行机构动作，从而使耙管按要求到达指定位置。原疏浚控制台上控制耙管动作的实体按钮、控制手柄的动作优先于智能化操控系统，当操纵疏浚控制台上的实体按钮或控制手柄时，将自动停止智能操耙功能。

所述自动疏浚(adss)操控界面上设置有与自动疏浚(adss)控制序列控制模式相对应的5个模式按钮，分别为：航行、挖泥、旁通、抽舱和压舱用于输入控制，根据疏浚过程特点，在相应adss软件控制界面的触摸屏上设置航行(停泵、关闭所有闸阀)、挖泥(建立装舱管路并启动泥泵等相关设备)、旁通(建立排出管路并打开低浓度自动排出闸阀)、抽舱(建立抽舱管路并启动泥泵等相关设备以进行抽舱作业)和压舱(建立压舱管路并启动泥泵等设备进行快速装舱)5个模式按钮，通过一次按键即可实现对应模式的序列化控制操作。

所述自动冲水(ajss)操控界面上设置有与自动冲水(ajss)控制序列控制模式相对应的4个模式按钮，分别为：挖泥、航行、冲洗和停止用于输入控制，根据施工过程中对高压冲水的要求，在ajss软件控制界面的触摸屏上设置挖泥(建立耙头冲洗管路并启动液压泵和冲水泵)、航行(停止冲水泵并关闭所有蝶阀)、冲洗(建立泥舱冲洗管路并启动冲水泵)和停止动作4个模式按钮，通过一次铵键即可实现对应模式的序列化控制。

所述数据采集模块通过传感器采集常规疏浚数据，所述输出指令模块包括由pac控制器输出的过程决策指令、控制决策指令和安全决策指令，并与原机plc连接，plc为与被控制机构直接连接的控制器，它为各类被控机构提供其要求的控制信号类型(电流、电压等)和大小。plc还做为原船传统疏浚操作终端的输入，当原船配备的各类操作控制按钮、手柄及旋钮等操作员在其上进行操作时(无论何种操作)，智能控制系统将自动停止，pac与plc系统共用所有传感设备，它们既相互依存，又相互独立，可实现交互和切换的功能。

pac通过数据采集模块3实时采集常规疏浚监控系统的各种数据，结合智能操控终端的操作指令，经由内嵌的智能控制决策模型形成向plc控制器输出控制指令，以激活各种控制过程的执行，同时pac还向人机界面提供过程决策信息和诊断信息，供操纵者即时把控系统控制过程状态。

所述智能疏浚监控界面包括：卸泥、排岸、耙管绞车、疏浚设置、冲水设置、apss诊断、adss诊断和ajss诊断显示界面。

本发明所提出的一种耙吸挖泥船自动疏浚优化控制系统，通过内嵌可编程的(pac)控制器和设置在控制器内的决策模型，通过数据采集模块实时采集常规疏浚监控系统的各种数据，结合智能操耙终端的控制输入操作指令，经由pac控制器内嵌智能控制决策模型形成向plc控制器输出控制指令，以激活各种复杂的控制过程执行，同时pac还能向人机界面提供过程决策信息和诊断信息，供操纵者即时把控系统控制过程状态，pac内嵌的决策模型主要功能设置为自动耙管(apss)序列化控制、自动疏浚(adss)序列化控制、自动冲水(ajss)序列化控制、疏浚作业阶段自动判断、疏浚工艺辅助决策、疏浚智能控制仿真及疏浚设备操控智能化监控，pac通过接收来自智能操纵终端上的apss操纵页面、adss操纵页面、ajss操纵页面及智能疏浚监控页面上的命令，根据预先编制的设备动作程序，向plc发出相应的控制命令，同时在智能疏浚监控界面上反馈和模拟显示相关设备动作、数据及报警信息，以实现一种高集成度、高智能化的技术手段来保障耙吸挖泥船疏浚设备操控过程的安全性和对工程施工工况的适应性，减少因人员差异带来的操控差异。该自动疏浚优化控制系统克服了传统耙吸挖泥船控制系统存在的疏浚控制功能分散，控制步骤繁杂，耗费施工人员精力等缺点，使施工人员可以通过智能操控终端一键便捷激活各种复杂控制过程序列，而不必像在传统控制系统中那样进行单项分步操作，从而提高了施工作业的整体效率，提高了自动化疏浚的水平，降低了人员成本并且保证了人员和机器的操作安全性，提高了施工对作业环境的适应性，同时智能操控制终端既用于输入控制，又用于状态和报警显示，是具有高效简洁的人机交互操作界面，不但可以实现与现有的耙吸挖泥船控制系统plc进行无缝对接和信息共享还可完成相互间的交互切换功能，且操作上灵活、简便，可用于新造船的应用示范和旧船的升级改造等，具有广泛的市场应用推广价值，同时对于进一步提高耙吸挖泥船集成控制系统的自动化和智能化水平具有非常理想的技术效果和实用价值。

附图说明

附图1为本发明所提出的一种耙吸挖泥船自动疏浚优化控制系统的整体流程框图。

附图2为本发明所提出的一种耙吸挖泥船自动疏浚优化控制系统自动耙管(apss)操控界面流程图。

附图3为本发明所提出的一种耙吸挖泥船自动疏浚优化控制系统自动疏浚(adss)界面流程图。

附图4为本发明所提出的一种耙吸挖泥船自动疏浚优化控制系统自动冲水(ajss)操控界面流程图。

具体实施方式

参见图1，该图给出本发明所提出的一种耙吸挖泥船自动疏浚优化控制系统实施例的整体功能框图。该控制系统包括，可编程嵌入式控制器(pac)，和与控制器(pac)相连接的智能操耙终端1，智能疏浚监控界面2，数据采集模块3和输出指令模块4。可编程嵌入式控制器(pac)包括自动耙管(apss)序列化控制模块、自动疏浚(adss)序列化控制模块、自动冲水(ajss)序列化控制模块、疏浚作业阶段自动判断模块、疏浚工艺辅助决策模块、疏浚智能控制仿真模块及疏浚设备操控智能化监控模块。pac通过数据采集模块3实时采集常规疏浚监控系统的各种数据，数据包括：疏浚仪器仪表，液压系统，闸阀，蝶阀，耙管，绞车，装载信号，产量信号，将这些数据通过接收来自智能操耙终端上的apss操控页面、adss操控页面、ajss操控页面及智能疏浚监控页面上的命令，根据预先编制的设备动作程序，经由pac内嵌智能控制决策模型形成向plc控制器输出控制指令，以激活各种控制过程的执行，同时在智能疏浚监控界面上反馈和模拟显示相关设备动作、数据及诊断信息，报警信息，过程决策，供操纵者即时把控系统控制过程状态。输出的控制指令包括：控制指令，决策信息，诊断信息，安保指令，声响控制指令。

其中pac内嵌的智能决策模型包括过程决策，控制决策，安全决策；过程决策的功能是根据各类传感器的状态，判定作业处于什么阶段；过程决策主要用于帮助在控制决策过程中形成正确的输出到plc的控制指令；控制决策的功能是根据智能操耙终端上的输入和挖泥船当前所处阶段，自动调整控制过程序列；安全决策用于控制过程中的安全保护及报警，主要功能检测系统网络安全(软、硬件)、挖泥设备安全及传感设备安全，根据相应准则，给出诊断结果和相关报警，形成日志记录文件加以保存，并发送给智能疏浚监控界面加以显示和报警。

所述自动疏浚(adss)序列化控制系统包括航行、挖泥、旁通、抽舱和压舱5个控制模式，其中航行为控制停泵和关闭所有闸阀；挖泥为控制建立装舱管路并启动泥泵等相关设备，旁通为控制建立排出管路并打开低浓度自动排出闸阀，抽舱控制建立抽舱管路并启动泥泵等相关设备以进行抽舱作业，压舱控制建立压舱管路并启动泥泵等设备进行快速装舱；

所述自动冲水(ajss)序列化控制系统包括挖泥、航行、冲洗和停止动作4个控制模式，其中挖泥控制建立耙头冲洗管路并启动液压泵和冲水泵，航行控制停止冲水泵并关闭所有蝶阀，冲洗控制建立泥舱冲洗管路并启动冲水泵和停止动作。

所述智能操耙终端为一个触摸屏，所述触摸屏上与pac控制器内三个序列化控制程序相对应的设置有三个操控界面，分别为自动耙管(apss)操控界面，自动疏浚(adss)操控界面和自动冲水(ajss)操控界面，且三个操控界面均设置有智能激活按钮和激活取消按钮，只有当“智能激活”工作时，三个操纵界面的其他操作按钮才允许工作，否则点击其他按钮将不会发挥作用，“激活取消”按钮用于取消智能操控功能。

参见图2，该自动耙管(apss)操控界面包括a1搁墩、a2舷内、a3舷外、a4吸口、a5离地和a6着地6种控制模式，其中a1搁墩为控制耙管到达搁墩的位置；a2舷内为控制弯管、耙中、耙头a架到达舷内的位置；a3舷外为控制弯管、耙中、耙头a架到达舷外位置；a4吸口为控制弯管到达吸口的位置，耙中、耙头与吸口位置的水平状态；a5离地为控制耙头到达设定离地的深度；a6着地为控制耙头到达设定着地的深度，控制可单步控制，也可跨越控制。具体控制步骤如下：启动耙管相应的液压泵进入adss控制界面,触摸屏中点亮“智能激活”按钮,触摸屏中点亮需要控制的耙管，如“左耙管”、“右耙管”、“双耙管”,设置耙管的离地深度、着地深度,此时离地深度必须小于着地深度，控制操耙动作a1—a6，在智能操作过程中，当操作以下键时均能退出当前的智能操耙动作：触摸屏中的“激活取消”按钮，触摸屏下放的“急停”硬件按钮，疏浚台面上的弯管a字架收进“in”硬件按钮，疏浚台面上的耙中a字架收进“in”硬件按钮，疏浚台面上的耙头a字架收进“in”硬件按钮，疏浚台面上的弯管a字架退出“out”硬件按钮，疏浚台面上的耙中a字架退出“out”硬件按钮，疏浚台面上的耙头a字架退出“out”硬件按钮，疏浚台面上的弯管绞车控制手柄，疏浚台面上的耙中绞车控制手柄，疏浚台面上的耙头绞车控制手柄。通过一次按键即可实现对应模式的序列化控制操作，无论耙管位置当前处于什么状态，当单击某个按钮时，pac均会根据当前状态和按钮要求的状态，形成向plc发送的相应指令序列，令控制耙管的相应执行机构动作，从而使耙管按要求到达指定位置。

参见图3，该自动疏浚(adss)操控界面上设置有与自动疏浚(adss)控制序列的控制模式对应的5个模式按钮，分别为：航行、挖泥、旁通、抽舱和压舱用于输入控制，通过一次按键即可实现对应模式的序列化控制操作。在智能疏浚操控过程中，牵涉的设备包括：液压泵(手动控制启动、停止)，闸阀冲洗泵(手动控制启动、停止)，管路闸阀，智能控制：智能疏浚操控可通过界面中的“航行”、“挖泥”、“旁通”、“抽舱”、“压舱”等控制。具体控制步骤如下：

启动相应的液压泵；

启动闸阀冲洗泵(可根据时间情况，是否需要启动)；

进入adss控制界面；

触摸屏中点亮“智能激活”按钮；

触摸屏中点亮需要控制的闸阀，如“左闸阀激活”、“右闸阀激活”；若想取消激活状态，则点击相应的“取消”按钮；

控制疏浚动作“航行”、“挖泥”、“旁通”、“抽舱”、“压舱”；

“航行”、“挖泥”、“旁通”、“抽舱”、“压舱”控制如下：

1)航行

在泥泵脱排状态，左侧液压启动下，关闭“左吸口闸阀”；右侧液压启动下，关闭“右吸口闸阀”。

2)挖泥

单“左闸阀激活”模式下，在泥泵脱排状态、左侧液压启动下，打开左吸口闸阀、左前装舱闸阀、左后装舱闸阀、左舷排出闸阀，关闭排岸总管闸阀、贯通闸阀、舱内泵串联闸阀、甲板串联闸阀、左低浓度排出闸阀、右低浓度排出闸阀、左舷抽舱闸阀、左舷抽舱闸阀d05、右舷抽舱闸阀、右舷抽舱闸阀d06、左抽舱引水闸阀、右抽舱引水闸阀；

单“右闸阀激活”模式下，在泥泵脱排状态、右侧液压启动下，打开右吸口闸阀、右前装舱闸阀、右后装舱闸阀、甲板串联关闸阀，关闭排岸总闸阀、贯通闸阀、舱内泵串联闸阀、甲板串联闸阀、左舷排出闸阀、左低浓度排出闸阀、右低浓度排出闸阀、左舷抽舱闸阀、左舷抽舱闸阀d05、右舷抽舱闸阀、右舷抽舱闸阀d06、左抽舱引水闸阀、右抽舱引水闸阀；

“左闸阀激活”、“右闸阀激活”模式下，在泥泵脱排状态、左侧液压启动、右侧液压启动下，打开左吸口闸阀、左前装舱闸阀、左后装舱闸阀、左舷排出闸阀、右吸口闸阀、右前装舱闸阀、右后装舱闸阀、甲板串联关闸阀，关闭排岸闸阀、贯通闸阀、舱内泵串联闸阀、甲板串联闸阀、左低浓度排出闸阀、右低浓度排出闸阀、左舷抽舱闸阀、左舷抽舱闸阀d05、右舷抽舱闸阀、右舷抽舱闸阀d06、左抽舱引水闸阀、右抽舱引水闸阀。

3)旁通

单“左闸阀激活”模式下，在左侧液压启动下，打开左低浓度排出闸阀；

单“右闸阀激活”模式下，在右侧液压启动下，打开右低浓度排出闸阀；

“左闸阀激活”、“右闸阀激活”模式下，在左侧液压启动、右侧液压启动下，打开左低浓度排出闸阀、右低浓度排出闸阀。

4)抽舱

在左侧液压启动、右液压启动下，打开左抽舱闸阀、左抽舱闸阀d05、右舷抽舱闸阀、右舷抽舱闸阀d06、右吸口闸阀。

5)压舱

与挖泥控制同步。

参见图4，该自动冲水操控(ajss)操控界面上设置有与自动冲水(ajss)控制序列的控制模式相对应4个模式按钮，分别为：挖泥、航行、冲洗和停止用于输入控制，通过一次铵键即可实现对应模式的序列化控制操作。

在智能疏浚操控过程中，牵涉的设备包括：

液压泵(手动控制启动、停止)；

蝶阀冲水泵(手动控制启动、停止)；

管路蝶阀；

智能控制：智能疏浚操控可通过界面中的“挖泥”、“航行”、“冲洗”等控制，具本控制步骤如下：

启动相应的液压泵；

启动蝶阀冲洗泵(可根据时间情况，是否需要启动)；

进入ajss控制界面；

触摸屏中点亮“智能激活”按钮；

触摸屏中设置当前的施工模式，若已选择，则不需要该步操作。如“左单耙”、“右单耙”、“双耙”；

触摸屏中点亮需要控制的冲水泵开启模式，如“左冲水”、“右冲水”、“双冲水”；

控制ajss动作“挖泥”、“航行”、“冲洗”、“停止”；

“挖泥”、“航行”、“冲洗”、“停止”控制如下：

1)挖泥

“左冲水”模式下，高压冲水泵停止，液压泵启动，打开左高压冲水吸水碟阀、泥舱冲水总蝶阀，关闭右高压冲水吸水碟阀，左单耙施工模式下，打开左舷耙头冲水碟阀，关闭右舷耙头冲水碟阀；右单耙施工模式下，打开右舷耙头冲水碟阀，关闭左舷耙头冲水碟阀；双耙施工模式下，打开左舷耙头冲水碟阀、右舷耙头冲水碟阀；

“右冲水”模式下，液压泵启动，打开右高压冲水吸水碟阀、泥舱冲水总蝶阀，关闭左高压冲水吸水碟阀，左单耙施工模式下，打开左舷耙头冲水碟阀，关闭右舷耙头冲水碟阀；右单耙施工模式下，打开右舷耙头冲水碟阀，关闭左舷耙头冲水碟阀；双耙施工模式下，打开左舷耙头冲水碟阀、右舷耙头冲水碟阀。

2)航行

高压冲水泵停止，液压泵启动，关闭左高压冲水吸水碟阀、右高压冲水吸水碟阀、左舷耙头冲水碟阀、右舷耙头冲水碟阀。

3)冲洗

“左冲水”模式下，高压冲水泵停止，液压泵启动，打开左高压冲水吸水蝶阀、泥舱冲水总蝶阀，关闭右高压冲水吸水蝶阀、左舷耙头冲水蝶阀、右舷耙头冲水蝶阀；

“右冲水”模式下，高压冲水泵停止，液压泵启动，打开右高压冲水吸水蝶阀、泥舱冲水总蝶阀，关闭左高压冲水吸水蝶阀、左舷耙头冲水蝶阀、右舷耙头冲水蝶阀。

4)停止：完成上述动作后，停止操作，准备下一次的疏浚作业。

系统配备的智能疏浚监控界面具体包括：疏浚，卸泥，排岸，耙管绞车，疏浚设置，ajss诊断，pss诊断，adss诊断，冲水设置，其中疏浚作为疏浚工况综合界面，可监测耙头、产量、泥舱、耙管、装载等疏浚参数，手动启停各种控制器；

卸泥——可监测泥门状态，控制泥门进行卸载，启停冲水泵、液压泵、泥泵；

排岸——可监测排岸过程参数、曲线，控制小泥门的开关，启停泥泵；

耙管绞车——监测耙管、绞车、a架状态，控制绞车速度，启停液压泵；

疏浚设置——可进行闸阀预置，启停封水泵、冲洗泵、液压泵、泥泵；

冲水设置——可进行冲水蝶阀预置，启停冲水泵、液压泵；

apss诊断——可监测apss执行过程，进行诊断；

adss诊断——可监测adss执行过程，进行诊断；

ajss诊断——可监测ajss执行过程，进行诊断。

只有当按下常规疏浚台smartdredge按钮并成功激活智能疏浚控制系统后，智能疏浚监控界面中的控制功能才能被激活，否则只能进行监测。

利用嵌入式可编程pac控制器形成的耙吸挖泥船自动优化控制系统可实现高集成度、高智能化的技术手段来保障耙吸挖泥船疏浚设备操控过程的安全性和对工程施工工况的适应性，减少因人员差异带来的操控差异。该自动疏浚优化控制系统克服了传统耙吸挖泥船控制系统存在的疏浚控制功能分散，控制步骤繁杂，耗费施工人员精力等缺点，使施工人员可以通过智能操控终端一键便捷激活各种复杂控制过程序列，而不必像在传统控制系统中那样进行单项分步操作，从而提高了施工作业的整体效率，提高了自动化疏浚的水平，降低了人员成本并且保证了人员和机器的操作安全性，提高了施工对作业环境的适应性，同时智能操控制终端既用于输入控制，又用于状态和报警显示，是具有高效简洁的人机交互操作界面，不但可以实现与现有的耙吸挖泥船控制系统plc进行无缝对接和信息共享还可完成相互间的交互和切换功能，且操作上灵活、简便，可用于新造船的应用示范和旧船的升级改造等，具有广泛的市场应用推广价值，同时对于进一步提高耙吸挖泥船集成控制系统的自动化和智能化水平具有非常理想的技术效果和实用价值。