一種基于ADAM模塊的挖溝機控制系統

王東峰++孫旭恒

摘要：在海洋油氣資源開發的過程中，海底管道及電纜鋪設漸漸成為重要的一個工程領域。在這個過程中，挖溝機起到越來越重要的作用。海底管道/埋纜挖溝機成為不可缺少的施工設備。以往的挖溝機控制系統非常簡單，幾乎沒有傳感器，下水后無法及時反饋挖溝機工作狀態，給施工帶來了很大的不便。該文介紹了一種基于研華ADAM模塊的挖溝機控制系統，可以實時監測挖溝機運行狀態，及時調整挖溝作業中母船的工作參數，使挖溝作業更加順利的進行。

關鍵詞：挖溝機； ADAM模塊； 傳感器； 監控系統

中圖分類號：TH132 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

在海底管線的施工中，首先由鋪管船將管道或電纜鋪設到設計好的管線路由上，然后再由挖溝機沿管線路由挖溝將管線沉降到海溝中。因此，挖溝機是施工必須的裝備。目前，大多數挖溝機為噴射式，這種挖溝機效率高、成本低，在國內海洋工程領域得到廣泛的應用。該文講述的挖溝機控制系統就是針對這種電動噴射式挖溝機進行研究的，主要用于渤海海域海底管道及電纜挖溝作業。

1 挖溝機功能簡介

該挖溝機主要用于海底管道及電纜挖溝埋設作業使用，也可用于海底管道維修時，在預定海床位置挖出有問題的海底管道，為后續維修工作提供基礎作業面。

2 挖溝機控制系統組成

挖溝機整個控制系統分為如下三部分：中央控制單元、動力和信號傳輸臍帶電纜及臍帶電纜絞車、挖溝機主體執行元件和傳感器。

其中各個系統的功能如下：中央控制單元包括供配電、系統控制、聲納顯示、挖溝機狀態顯示等；動力和信號傳輸臍帶電纜及臍帶電纜絞車包括動力傳輸纜、通訊傳輸纜及配套絞車，其中動力傳輸纜及通訊傳輸纜集成為一根臍帶電纜，纏繞在絞車的滾筒上，通過電纜滑環連接到電纜接口位置；挖溝機主體包括機械結構系統、2臺軸流泵、1個深度計、1個高度計、1個姿態傳感器、2個聲納頭、2個拉力傳感器、4個著底與位置傳感器、2個管道對中傳感器、一套水泵電壓測量系統以及一個漏水安全傳感器。

3挖溝機監控系統介紹

挖溝機主體上布置2個斷面聲納頭，安裝位置根據使用工況調整。當作為挖溝埋管作業時，挖溝機騎在管道上拖曳，斷面聲納安裝在挖溝機的艏、艉部上方，與管道平行，用于監視管道與挖溝機相對位置。當作為作業面開挖作業時，2個斷面聲納分別安裝在橫拖的挖溝機的后部和側面，相互垂直，其中一只用來掃描溝形，另一只用來掃描裸露的管道。

以往的挖溝機主體上很少有各種傳感器，挖溝作業中，挖溝機的狀態參數無法進行監控，只能憑經驗調整母船的行進速度與行進角度等參數，容易出現各種突發狀況。

該挖溝機主體上布置有多套傳感器，這些傳感器將實時信號反饋到母船上的監控室內，控制室內的工控機采集各種信號，進行處理后顯示挖溝機的實時狀態。

以往這些信號一般都是進入到挖溝機主體上的接線箱，然后通過多芯電纜連接到母船上的控制室內的信號采集卡上，這樣，當多芯電纜出現斷線時，某一個甚至多個傳感器的信號將無法進行采集，而且多個信號通道位于一根臍帶電纜內，相互之間的干擾比較嚴重，容易造成信號的失真。

為了解決這個問題，該挖溝機控制系統選用研華公司的ADAM模塊，挖溝機所有的傳感器信號連接到模塊的IO點上，然后模塊與母船上的控制室進行通訊，將傳感器測量數據傳輸到工控機上，這樣，用一根雙絞線代替了以往的多芯電纜，減小了連接電纜的尺寸和重量，解決了干擾問題。該控制系統主要用到了兩種模塊，ADAM-4017和ADAM-4050模塊。其中ADAM-4017是一款16位、8通道的模擬量輸入模塊，該模塊把傳感器電壓或電流信號轉換成數字數據。然后，數字數據被轉變為工程單位。當受到主機提示時，該模塊將通過標準RS-485接口向主機發送數據。ADAM-4050模塊帶有7路數字量輸入和8路數字量輸出。主機可以利用該模塊的數字量輸入來檢測各個數字量信號。當受到主機提示時，該模塊將通過標準RS-485接口向主機發送數據。

ADAM-4017模擬量輸入模塊輸入信號為電壓信號，挖溝機選用的傳感器大部分為0-5V電壓輸出信號，可以直接連接到模塊上，軟件中也無需進行系數修正，但是電壓測量系統的電壓變送器輸出信號為4-20mA信號，必須在模塊的輸入通道端口連接一個精密電阻，在軟件采集中也必須進行系數修正，具體修正方式如下。

電壓變送器參數：

輸入：0-450V（AC）

輸出：4-20mA

輸入端口并聯電阻：235Ω

由以上參數計算輸入電壓的方法為：

Vin=（Vout/235×1000mA-4mA） ×450/16

=（Vout-0.94V） ×119.68 （V）

計算輸入偏差SensorErr.AC=0.94V，系數SensorCoe.AC=119.68。

挖溝機姿態傳感器由于本身輸出特性，也需要進行修正，由姿態傳感器資料知，當傳感器與水平面平行時，輸出電壓為2.5V，當傳感器向下或向上偏轉時，輸出電壓以2.5V為中心減小或增大，輸出電壓與角度的對應計算公式為：

Vout=0.5V+（Angle+45°）×4/90 V

其中，Angle為角度值，取值范圍為-45.0°-- +45.0°。

從而可得：Angle=（ Vout-0.5V） ×22.5-45°=（Vout-2.5V） ×22.5 （°）。

計算輸入偏差值SensorErr.Pitch=2.5V，系數SensorCoe.Pitch= 22.5。

以上參數在軟件中進行設置后，即可以得到水泵的實時輸入電壓值和挖溝機的俯仰姿態值。

4 挖溝機監控系統軟件介紹

挖溝機作業時，監控系統將挖溝機數據、導航數據、聲吶數據記錄與管理。全面支持挖溝機水下作業過程的監控、導航和數據管理。

監控系統軟件功能概括為：

（1） 工程管理：一個完整埋管項目被描述為一個工程，其中發生的所有作業和數據被納于工程中統一記錄和管理；支持報表輸出和過程回放；

（2） 系統管理：軟件適合海底埋管機，允許系統具有多種構形，可以根據需要通過軟件完成系統配置；

（3） 水下信息采集與融合：同時從水下傳感器與水面導航設備采集信息，并將其融合形成協調統一的系統工況與導航數據；

（4） 基于虛擬現實技術的作業狀態監控：通過虛擬現實技術建立水下作業場景，利用融合后的實測數據進行驅動，并根據預設的規則實時主動監測和報警；

（5） 拖體與作業船配合的綜合導航：預輸入埋設路由數據和數字地圖；提供船用GPS接口，對這些數據的采集與融合提供作業船的全面導航信息；提供超短基線定位系統接口，這些信息與水面導航信息進行融合處理，提供埋設機綜合導航信息。

5 結語

該挖溝機工作過程中，在母船上的控制室內，可以根據聲吶信號及傳感器反饋信號及時調整作業參數，從而使挖出的溝槽形狀更加完美，更加貼合海底管道及電纜的走向。目前該系統已成功應用到多個挖溝和維修作業中，提高了海上作業效率，為海上安全生產提供了保障。

參考文獻

[1] 秦衛華.海底管道挖溝技術的改進[J].江蘇船舶，2010，27（1）：18-20.

[2] 李文濤，葛彤.挖溝機相關技術進展[J].航海工程，2010，39（4）：146-149.