全自動挖泥中工業(yè)遙控器的應(yīng)用
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摘要：在耙吸挖泥船施工過程中，挖泥過程是三大疏浚過程中最重要的一環(huán)。為了提高耙吸挖泥船疏浚效率、降低能耗，將全自動挖泥理念引入到挖泥控制設(shè)計(jì)中。本文重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)了一款工業(yè)遙控器，以“一人橋樓+宏按鈕”為設(shè)計(jì)理念，基于全自動挖泥控制系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)全自動挖泥。
關(guān)鍵詞：工業(yè)遙控器；耙吸挖泥船；挖泥；自動控制
1引言
自航式耙吸挖泥船的疏浚作業(yè)是船舶航行和挖泥相結(jié)合的操作。在施工時(shí)，在駕駛室中需要船舶駕駛?cè)藛T控制挖泥船的航行姿態(tài)和疏浚裝載情況，同時(shí)還需要決定何時(shí)開始或者結(jié)束挖泥作業(yè)，并發(fā)出一系列航行及疏浚指令，負(fù)責(zé)挖泥操作的施工人員再根據(jù)這些指令進(jìn)行相應(yīng)的操作。由于船員間經(jīng)常因不默契或其他原因誤解對方的施工思路，影響施工效率，嚴(yán)重時(shí)會造成船舶安全事故。為了提高施工效率、減少安全事故發(fā)生，我們提出了全自動挖泥系統(tǒng)。全自動挖泥系統(tǒng)可以使駕駛?cè)藛T將主要專注于船舶航行，只在疏浚作業(yè)開始時(shí)或需要干預(yù)時(shí)，按下控制臺上的宏按鈕，這些宏按鈕替代了過去的疏浚指令，而具體的挖泥操作則交由全自動化疏浚系統(tǒng)去實(shí)施。在挖泥船施工時(shí)，工況復(fù)雜多變，通常情況下，駕駛員在駕駛室中操作臺上進(jìn)行操作疏浚指令，負(fù)責(zé)挖泥操作的施工人員可以在現(xiàn)場根據(jù)指令在現(xiàn)場控制箱上直接操作，有時(shí)候，也是駕駛員在操作臺上直接遙控操作。使用手持式遙控器，不但在施工時(shí)方便施工人員操作，而且也避免了一定的危險(xiǎn)因素。
2遙控器系統(tǒng)的制定
遙控器系統(tǒng)的主要是基于耙吸挖泥船全自動挖泥控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)耙吸挖泥船全自動挖泥的無線控制。
2.1功能需求分析
根據(jù)工業(yè)遙控器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及用戶需求，分析如下：（1）系統(tǒng)構(gòu)成。遙控器系統(tǒng)包括發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，即發(fā)射器和接收器。發(fā)射器由操作人員手持操控，接收器安裝在挖泥船的疏浚臺中。（2）功能性。功能性是遙控器系統(tǒng)重中之重。遙控器系統(tǒng)的功能是基于耙吸挖泥船全自動挖泥控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。（3）可靠性。遙控器系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)是遙控器系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)之一。系統(tǒng)使用雙CPU雙解碼器對無線數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，實(shí)時(shí)解析。（4）安全性。在施工過程中，難免出現(xiàn)一些人為或者非人為的失控情況，遙控器系統(tǒng)設(shè)置了主動急停和被動急停功能。同時(shí)，系統(tǒng)還含自動電源切斷和電池低電壓檢測功能。（5）操作性。發(fā)射器操作面板的設(shè)計(jì)應(yīng)該操作方便、簡易，方便操作人員使用。（6）顯示屏界面。使用LCD屏實(shí)時(shí)顯示操作信息。（7）供電。發(fā)射器供電系統(tǒng)采用5號AA可充電電池供電。接收系統(tǒng)電源由疏浚臺DC24V供電。（8）外殼。施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，遙控器外殼的外殼防護(hù)等級為IP65。
2.2系統(tǒng)總體方案
根據(jù)遙控器系統(tǒng)的功能需求分析，遙控器系統(tǒng)由發(fā)射器和接收器組成。發(fā)射器和接收器之間通過發(fā)射模塊和天線進(jìn)行無線通信。發(fā)射器由操作人員進(jìn)行控制，向接收器發(fā)送控制指令，接收器接收到指令后，通過Profibus-dp接口，傳輸給全自動挖泥控制系統(tǒng)。全自動挖泥控制系統(tǒng)將耙管、耙頭等設(shè)備的狀態(tài)反饋給接收器，接收器通過射頻模塊發(fā)送給發(fā)射器，通過LCD顯示屏，將耙管、耙頭等設(shè)備的狀態(tài)反饋顯示出來。
2.3全自動挖泥控制系統(tǒng)
全自動挖泥控制系統(tǒng)對耙吸挖泥船的挖泥過程進(jìn)行了自動化設(shè)計(jì)，將實(shí)現(xiàn)全自動挖泥技術(shù)。該技術(shù)以“一人橋樓+宏按鈕”的設(shè)計(jì)理念，在保障設(shè)備安全的前提下，實(shí)現(xiàn)挖泥疏浚作業(yè)模式的全自動控制。在全自動挖泥系統(tǒng)控制對象包括：A字架及耙管、疏浚閘閥及沖洗系統(tǒng)、高壓沖水蝶閥、液壓系統(tǒng)、泥泵及封水系統(tǒng)和溢流筒。耙管在挖泥過程中，按照位置可以劃分為耙管位于擱墩處，耙管離開擱墩、未到耙管水平且彎管至吸口處，耙管水平且彎管至吸口處、耙管水平且彎管至吸口處，耙管水平且彎管至吸口處與耙頭著地之間和耙頭著地5個(gè)階段，其他設(shè)備的動作均按照耙管位置的變化而觸發(fā)或停止。全自動挖泥控制可以通過一個(gè)“自動挖泥”總宏按鈕完成挖泥過程的準(zhǔn)備、施工和結(jié)束三個(gè)過程，同時(shí)，為了操作的靈活性，設(shè)置了“挖泥準(zhǔn)備”“放耙”“收耙”和“停止”四個(gè)操作宏按鈕完成整個(gè)挖泥過程。
3遙控器系統(tǒng)的功能應(yīng)用
3.1遙控器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
遙控器系統(tǒng)由發(fā)射器和接收器組成。（1）發(fā)射器發(fā)射器尺寸為21.5cm×5.6cm×3.7cm，重量為210克（不含電池）。使用4節(jié)五號AA電池供電，這樣發(fā)射器能更方便的攜帶。發(fā)射器防護(hù)等級IP56。發(fā)射器的調(diào)制方式是GFSK，在挖泥船作業(yè)中能好的對信號頻譜進(jìn)行調(diào)制。發(fā)射器的有效工作距離為100米，在挖泥船作業(yè)中有足夠的距離進(jìn)行操作。發(fā)射器有1塊顯示屏、12個(gè)按鍵。發(fā)射器面板分兩個(gè)區(qū)域，分別是按鈕區(qū)域和顯示屏區(qū)域。所述的按鈕區(qū)域又分為主按鈕區(qū)域和輔按鈕區(qū)域。主按鈕區(qū)域有“準(zhǔn)備”“自動”“放耙”“起耙”“暫停”“應(yīng)急”6個(gè)按鈕，這6個(gè)按鈕全部為點(diǎn)動輸出。輔按鈕區(qū)域有2個(gè)“備用”、1個(gè)“復(fù)位”、1個(gè)“調(diào)頻”、1個(gè)“ON”和1個(gè)“OFF”按鈕。其中，“備用”和“復(fù)位”按鈕是點(diǎn)動輸出，“調(diào)頻”按鈕是具有調(diào)頻功能的按鈕，“ON”和“OFF”是開關(guān)機(jī)功能按鈕。所述的顯示屏區(qū)域有LCD顯示功能。LCD主界面分為上、下半部分。上半部分為遙控器預(yù)留區(qū)域，顯示遙控器狀態(tài)、信號、頻道等信息。下半部分為自定義區(qū)域，分為兩行。第一行為當(dāng)前按鈕狀態(tài)，顯示當(dāng)前操作按鈕的4個(gè)狀態(tài)反饋信息。這4個(gè)狀態(tài)反饋是“READY”“DOING”“OK”“FAULT”。第二行為耙管狀態(tài)，顯示耙管位置信息7個(gè)狀態(tài)反饋。這7個(gè)狀態(tài)反饋是“擱墩”“推出”“三管平”“放耙”“著地”“起耙”“收進(jìn)”。本文遙控器系統(tǒng)的發(fā)射器如圖1所示。接收器的端口為profibus-DP接口。profibus-DP接口反饋信號清單如下：
3.2遙控器系統(tǒng)功能應(yīng)用
發(fā)射器的“準(zhǔn)備”按鈕按下后，系統(tǒng)將做自檢和準(zhǔn)備工作，同時(shí)，顯示屏上半部分顯示“準(zhǔn)備-READY”。準(zhǔn)備工作主要完成啟動液壓泵，封水泵和沖洗泵，閘閥根據(jù)參數(shù)設(shè)置預(yù)置為單耙旁通或雙耙旁通模式，蝶閥根據(jù)參數(shù)設(shè)置預(yù)置為串聯(lián)沖耙頭或單泵沖耙頭或全部關(guān)閉模式。當(dāng)耙管放置在擱墩上時(shí)，發(fā)射器的顯示屏下半部分顯示“耙管-擱墩”。此時(shí)，按下“放耙”按鈕時(shí)，顯示屏上半部分顯示“放耙-DOING”，顯示屏下半部分顯示“耙管-放耙”。第一步，耙管將從擱墩處上升至舷內(nèi)最高位置，此時(shí)，顯示屏下半部分顯示“耙管-推出”。第二步，耙管從舷內(nèi)最高位置推至舷外最高位置。第三步，耙管從舷外最高位置按照耙管入水姿態(tài)下放到彎管吸口到位且三管水平處停止，此時(shí)，顯示屏下半部分顯示“耙管-三管平”。當(dāng)耙管處于彎管吸口到位且三管水平位置，再按下“放耙”按鈕，將根據(jù)設(shè)置的參數(shù)啟動泥泵和高壓沖水泵，同時(shí)，調(diào)用STAWC控制器，ALDC控制器，ALMO控制器，ADHC控制器和APC控制器，各控制器根據(jù)各自的啟動條件開始動作。當(dāng)耙管處于水下挖泥時(shí)，按下“起耙”按鈕，顯示屏上半部分顯示“起耙-DOING”，顯示屏下半部分顯示“耙管-起耙”，耙管將開始上升，停止STAWC控制器，ALDC控制器，ADHC控制器和APC控制器。根據(jù)設(shè)置參數(shù)當(dāng)上升至一定高度或三管水平位置時(shí)，自動停止泥泵和高壓沖水泵，停止ALMO控制器，然后，耙管將繼續(xù)上升直至到耙管放至擱墩處。在此過程中，顯示屏下半部分依次顯示耙管-三管平”“耙管-擱墩”。當(dāng)耙管處于上升或下降狀態(tài)時(shí)，按下“暫?！卑粹o，耙管將停止動作，只有再次按下“起耙”或“放耙”按鈕時(shí)，耙管才繼續(xù)動作。
4結(jié)語
本文設(shè)計(jì)的遙控器具有操作簡易、攜帶方便、功能性高、可靠性強(qiáng)。操作人員使用遙控器在船舶駕駛室的任意位置進(jìn)行全自動挖泥疏浚作業(yè)，真正實(shí)現(xiàn)了“一人橋樓+宏按鈕”的設(shè)計(jì)理念，減少了人工成本，將大大地降低人為操作失誤的風(fēng)險(xiǎn)。
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作者：賈振東 周坤良 單位：中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司