[发明专利]耙吸挖泥船全自动挖泥控制系统及方法

权利要求书

1.一种耙吸挖泥船挖泥全自动控制系统，包括船上既有的手动控制PLC、疏浚管路、疏浚闸阀、高压水管路、高压冲水蝶阀、液压泵、封水泵、闸阀冲水泵，疏浚闸阀在疏浚管路上的布置以及高压冲水闸阀在高压水管路的设置为耙吸船已有技术，其特征在于,还包括主控PLC以及受主控PLC控制的疏浚管系闸阀自动控制子系统、自动泥泵控制子系统、高压冲水控制子系统、自动低浓度排放控制子系统、耙臂绞车自动控制子系统、主动耙头控制子系统、装载吃水控制子系统，该全自动控制系统设计运行在主控PLC系统上，每个功能子系统通过控制本系统内执行机构运作来协同其它功能子系统从而在确保疏浚安全的前提下实现整个挖泥系统全自动工作过程；

所述泥泵控制子系统用于调节泥泵转速以保持泥浆管路合理的泥浆浓度和流速；该子系统包括手动控制PLC、泥泵、泥泵控制器、泥浆浓度计、泥浆流速计、泥泵吸入真空传感器、泥泵排出压力传感器；所述泥浆浓度计、泥浆流速计安装于疏浚管路上用于采集进入管路的挖掘泥浆浓度和流速信息，该信息通过手动控制PLC提供给主控PLC并供系统内各个功能子系统调用；所述吸入真空传感器、排出压力传感器分别安装于所述泥泵的吸入端和排出端，用于采集泥泵的吸入真空度及排出压力信息，该信息通过手动控制PLC提供给主控PLC并供泥泵控制器及其它子系统调用；所述泥泵控制器输出通过手动控制PLC与泥泵的变频器连接，用于驱动电机调节泥泵的转速，最终达到调节泥浆浓度和流速的目的；

所述泥泵控制器通过泥泵转速寻优算法来调节泥泵转速，从而实现对管路内泥浆浓度和流速的监控；所述泥泵转速寻优算法表征如下：

所述低浓度排放控制子系统包括手动控制PLC、低浓度排放控制器，该低浓度排放控制器通过监测主控PLC处实时的泥浆流速及浓度从而通过手动控制PLC控制“进舱闸阀(D011-D014)”和“旁通闸阀(D009-D010)”的组合动作来选择决定当前疏浚管路中合适的泥浆进舱或者排出舷外；排放控制算法如下：

所述高压冲水控制子系统，在挖泥过程中高压冲水控制子系统形成高压水并由耙头喷出，对耙头起到辅助破土和搅拌的作用，同时通过实时调节耙头搅拌状态达到调节使得挖泥浓度最优；该子系统包括手动控制PLC、高压冲水管路、高压冲水控制器、高压冲水泵、压力传感器，关系为：所述高压冲水管路的输出端为耙头，能喷出高压水；所述高压冲水泵用于形成高压水并通过调节转速来控制高压冲水管路的水压；所述压力传感器设置于高压冲水泵的排出端用于采集高压冲水管路内高压水的压力，该信息通过手动控制PLC提供给高压冲水控制器；所述的高压冲水控制器的输出通过手动控制PLC与高压冲水泵的变频器连接，根据当前施工土质和系统参数设定，通过高压冲水控制器的寻优算法来控制驱动电机调节高压冲水泵的转速，从而调节排出的水压，对耙头泥土进行不同程度的搅拌，最终达到调节泥浆浓度的目的；

所述高压冲水寻优算法为PID控制算法，控制模型利用实时的高压冲水压力和主控PLC处实时泥浆浓度信息，以高压冲水压力和泥浆浓度信息各自当前参数及目标参数做比较从而构成闭环反馈来设计，针对不同挖泥土质设定高压冲水压力和挖泥浓度的目标值；该高压冲水寻优算法表征如下：

所述耙臂绞车自动控制子系统包括手动控制PLC、耙臂绞车自动控制器、耙管绞车和波浪补偿器，所述耙臂绞车控制器通过手动控制PLC控制耙管绞车和波浪补偿器实现耙头的定深控制，同时通过手动控制PLC检测调整耙管间夹角、耙管与船体距离来保障设备和船体的安全；

所述主动耙头控制子系统包括主动耙头控制器，所述主动耙头控制器：保证安全的情况下使耙唇保持设定对地角度，并可在深挖模式下，确保耙唇切削泥层，系统通过对耙唇油缸收放控制实现以上功能；所述主动耙头控制模块的功能是在保证主动耙头安全下使耙唇保持贴地，通过设置动作持续时间T1、动作间隔时间T2、自动进给压力P1、蓄能器恒张力压力P2和角度死区的四个控制参数，控制油缸收放用于调整耙唇使其始终保持贴地；当耙头阻力增大，耙唇油缸压力超过蓄能器设定值P2时，液压系统将被动收回油缸而将耙唇抬起；由于耙唇的蓄能器动作是单向的，耙唇油缸的推出必须由液压泵提供能量；耙头自动控制模块不断检测油缸行程，当角度变化超越了角度死区在设定的时间间隔T2内，耙头自动控制模块控制油缸以压力P1推出，每次油缸动作持续时间为T1,直至耙唇角度回到初始设定值，若在T2时间间隔内，耙唇角度无法回到初始设定值，通过液压泵收缩耙唇处于最大角度；

所述装载吃水控制子系统包括装载吃水控制器，用于判断什么时候开始溢流，什么时候舱已经装满，由此决定结束本船次挖泥；装载吃水控制算法为：以进入施工区域后的某一船次挖泥装舱曲线作为参照，在后续的船次作业中通过对比装舱曲线的切线斜率来判断本次装舱结束的时点；

主控PLC的全自动控制的主流程为：

1)准备工作，主要完成启动液压泵、封水泵和闸阀冲洗泵；

2)耙臂绞车自动控制器执行耙管入水使处于弯管吸口到位，以及耙头水下定深；

3)根据浚前参数的设置，疏浚管系闸阀控制子系统控制其疏浚闸阀，在被选择的模式下使相应管路畅通；主控PLC控制高压冲水蝶阀，使高压管路畅通；

4)泥泵控制子系统启动其泥泵，实时调节泥泵转速来监控泥管内泥浆浓度和流速；同时高压冲水泵控制子系统启动高压冲水泵，调节高压冲水泵的转速，调节冲出耙头的高压水压力，最终达到调节泥管内泥浆浓度的目的；

5)耙臂绞车自动控制器和主动耙头控制器这两个控制器在确保疏浚耙管安全的前提下实现耙管和耙头水下协同控制，确保耙头以最优角度贴合泥面，使得挖泥浓度最优，进而大大提高了挖泥效率；

6)泥泵控制子系统的泥泵带动泥浆在管路中流动，其管路上的泥管内泥浆流速及浓度信息实时提供给主控PLC，低浓度排放控制器实时监测泥浆流速及浓度信息，当泥浆浓度满足装舱要求后，低浓度排放控制器控制“进舱闸阀(D011-D014)”打开，控制泥浆装入泥舱；当泥浆浓度低于装舱要求或者流速大于装舱要求时，打开“旁通闸阀(D009-D010)”的将泥浆直接排出舷外；

7)当装舱闸阀即“进舱闸阀(D011-D014)”打开，疏浚管路的泥浆开始向舱内注入时，装载吃水控制子系统通过对比所设定得装舱曲线的切线斜率来寻找装舱、溢流、结束挖泥的时间点；

8)耙臂绞车自动控制器实现将耙臂收起至吸口三管平状态，以设定的角度出水面，让耙管内的水自然流出，带出耙管里未冲洗干净的泥沙；停留设定时间后，向上收起耙管，到达舷外最高位，然后收入舷内，最后放在搁墩上。