挖泥船泥泵離合器智能控制系統的研究

孫定禹　陳健　龍紅剛

摘 要：本文介紹了一套泥泵離合器智能控制系統，該智能控制系統具有多信號報警和診斷功能，能在駕駛室的集成疏浚控制臺上對泥泵離合器遠程操作和實時監控。

關鍵詞：挖泥船；泥泵離合器；智能控制；診斷

中圖分類號：U664.5 文獻標識碼：A

1 前言

隨著國內經濟的飛速發展，挖泥船的應用越來越廣泛，挖泥船大量用于河道疏通、挖沙清淤、吹填造地、筑路等，且隨著工程需要，通過泥泵離合器智能控制系統控制本地泥泵執行機構，實現挖泥、吹泥等不同的工況。現在大多數耙吸式挖泥船多采用主機“一拖三模式”，采用雙速比齒輪箱驅動泥泵，然后通過泥泵離合器智能控制系統操作合排，使主機驅動泥泵，進而實現多工況操作，本文就是針對這種雙速比齒輪箱離合器研究開發出的一套智能控制系統，該系統將獲取的狀態信號進行采點、運算、診斷后執行對泥泵的控制，該智能控制系統不但能很好的控制高低速檔合排、脫排，而且對合排過程中出現的故障能進行識別，并自行在診斷界面彈出故障點，能對離合器狀態實時監控，此外在合排前后能配合功率管理系統實施功率管理。

2 智能控制系統的設計研究

2.1 控制對象

泥泵離合器是耙吸式挖泥船泥泵傳動的中間連接核心部件，其結構如圖1所示。泥泵通過主機，以離合器為紐帶，通過控制驅動離合器合排使得泥泵實現轉速輸出。本文把離合器作為控制對象設計開發出一套智能控制系統，實現泥泵高、低速不同轉速切換輸出。

2.2 系統構成

根據系統的結構和控制不同特點，離合器控制系統可分氣壓系統和電氣系統兩大部分構成。

2.2.1 氣壓系統

氣壓控制是對離合器上的進氣通路進行控制以響應相應高速檔或低速檔氣路通斷的操作，系統由濾器、壓力表、恒壓器、蓄能器、壓力開關、電磁閥組件、消音器等組成，如圖2為氣壓控制系統的工作原理圖。其中，壓力表示氣源壓力，濾器是將空氣中的雜質過濾掉，通過減壓閥把壓力調到工作值，有一個安全閥保證氣源壓力不要過高，同時通過一個壓力檢測裝置監測低于工作壓力值時報警，按下合排按鈕后控制空氣通過兩位兩通閥和兩位三通閥和節流閥后進入蓄能器瓶，其中壓力監測裝置監測高速合排時壓力，壓力監測裝置監測低速合排時壓力，當滿足高速合排壓力或者低速合排壓力后，分別操作高速合排按鈕和低速合排按鈕進行合排操作，當有應急情況時，按下應急停止按鈕控制兩位兩通閥泄放控制空氣，離合器自動脫排。

2.2.2 電氣系統

該電氣系統通過采集功率管理系統、PCU主機推進系統、主機系統、液壓PLC系統、MIMIC系統、泥泵離合器系統、泥泵齒輪箱系統、泥泵系統、AMS全船報警系統等各系統發出的信號來獲得整個離合器的工作狀態，如圖3為電氣系統框圖。在對各個狀態做出判定后，可操作相應的離合器動作。電氣控制系統設計為三處控制模式，即可在機艙-離合器箱機旁控制，又可在集控室控制，也可在駕駛室-疏浚臺遠程遙控控制。離合器電氣系統為了確保可靠性，有DC24V及AC220V電路，控制系統的電源均為UPS電源，保障系統在主配電板失電情況下依然能保持工作及監視狀態，離合器系統信號均被采集到泥泵控制系統PLC柜，供全船的監控系統使用，此外系統還具有各種信號的報警功能，包括離合器電源故障、離合器主空氣壓力低、離合器控制空氣壓力低、離合器堵塞、離合器滑差、離合器緊急停止、離合器裝置故障等。

2.3 軟件系統

系統控制軟件是整個智能控制系統的控制神經中樞，是系統的重要組成部分，根據不同船型選用合適的PLC控制模塊作為控制單元，并能與上位機構成復雜的控制系統，離合器的合排/脫排聯鎖由泥泵控制系統PLC執行，泥泵離合器智能控制系統服務器方將各個系統信號采集處理后傳送到泥泵PLC柜控制中樞的客戶方，客戶可在SCADA界面監測到整個系統狀態圖，進而進行操作。

2.3.1 系統設計的安全性-診斷保護

為了確保整個“一拖三”泥泵離合器智能控制系統的安全性，避免誤操作引起離合器及相關設備損壞，在實際設計中采用多信號互相聯鎖診斷控制，只有在滿足條件情況下方能操作離合器高低速檔合排，只要有脫排操作條件，離合器將合排不成功。

2.3.2 系統高低速合排操作執行

智能控制系統對離合器的控制過程就是采集各系統發出的信號進行邏輯運算與判斷，再根據不同工況來控制各個電磁閥的得電與失電，實現高速檔或低速檔氣路的通與斷，從而充氣泥泵氣胎離合器，推動泥泵齒輪箱和主機連接共同運動，完成輸出泥泵轉速的過程。當離合器合排條件吻合后，按下“低速”合排按鈕，低速比離合器將合上；按下“高速”合排按鈕，離合器高速檔將合上。

3 應用情況

廣州文沖船廠為上海航道局建造的科技含量非常高的萬方大型耙吸式挖泥船 “新海牛”、“新海馬”，分別于2009年11月、2010年2月交付使用，而后同類型挖泥船“新海虎4”、“新海虎5”也分別于2011年9月、2011年12月交付使用。該4艘挖泥船參加了長江口深水航道治理、唐山曹妃甸、天津臨港工業區等重點工程項目建設，并成功進入美洲等海外地區，4艘挖泥船均采用了本文所述的泥泵離合器智能控制系統，該系統性能安全穩定，施工可靠，操作和診斷方便，達到了國際同類產品的先進水平，船東對此智能控制系統及診斷流程十分滿意。

該系統具有如下特點：模塊化設計；采用PLC程序；控制箱采用可靠的UPS電源，保障斷電情況下泥泵離合器不會脫排導致泥漿罐在泥管里；具有多處控制操作功能，可在本地機旁控制、集控室控制、駕駛室控制；系統具有簡單友善的診斷界面，減少工作人員故障診斷反應和處理時間等，大大提高了設備使用的安全性，減少工作人員勞動強度。

4 結論

隨著船舶自動化程度越來越高和設備的增加，原有的控制系統設計已滿足不了設備的兼容性和存在安全漏洞，為有效的減少設備操作流程，減輕施工人員工作量及提高系統安全性，我們研制了本文所述的離合器智能控制系統，它很好的適應了目前耙吸式挖泥船雙速泥泵齒輪箱的特點，既具有高、低速合排診斷功能，又有泥泵在單泵高檔、單泵低檔、雙泵高低檔串并聯控制診斷功能，并給疏浚臺操作人員提供簡潔的可視化信息界面和故障處理信息界面，由于簡化了施工和故障診斷操作，勞動效率大大提高，進而縮短了施工項目完成時間，為船東產生了巨大效益，同時也產生了巨大的社會效益。

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