深層水泥攪拌船施工管理系統設計與實現

仇文峰，黎富強，丁琪

（中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

深層水泥攪拌船（以下簡稱DCM船）主要用于水下地基處理，其利用水泥作為主要固化劑，通過本船的深層混合處理機在海基深部將軟土和固化劑強制拌合，水泥的水解和水化反應所產生的化合物通過與土顆粒發生離子交換和固化作用，形成具有整體性和一定強度的柱狀體，柱狀體與其間的土共同支撐荷載，形成復合地基[1]。DCM工法廣泛應用于海洋地基加固，具有工期短、地基強度高、綠色環保、施工質量可靠的優點。DCM船是集合工程船舶、流體運輸、錨泊定位、水泥漿攪拌、水泥漿注入系統、智能化施工管理系統、船舶動態調傾系統、起重機等技術于一體的高技術、高附加值重大技術裝備。深層水泥攪拌船施工管理系統是高度集成控制系統，是DCM船的控制中心，實現施工工藝參數設置、施工設計文件管理、施工過程控制、平面定位與顯示、施工數據存儲、施工報表等功能。掌握具有自主知識產權的DCM船施工管理系統的核心技術，形成DCM船施工管理系統自主研發制造是國家發展高端智能化裝備制造的目標[2]。

1 系統分析與設計

1.1 總體框架

DCM船施工管理系統是一套集成化的網絡系統。在本系統中網絡構成分為2層：現場控制網絡、工業監控網。實現了集成控制系統的安全高速運行和信息共享、DCM船施工管理系統完成對整個施工過程的監測與控制，實現各個分系統之間的數據共享、功能集成、聯動控制等，過程控制安全、方便、可靠。

網絡拓撲圖見圖1。

圖1 網絡拓撲圖Fig.1 Network topology

1.2 硬件設計

DCM船施工管理系統在總體設計時首先結合船舶結構、主要施工機具的功能和監控需求，確定主要硬件包括計算機及網絡系統、控制臺柜、傳感器、電源系統。

1.2.1 計算機及網絡系統

DCM船施工管理系統設置了底層和頂層2層網絡，采用2個完全獨立的網絡。頂層服務器、工作站之間使用TCP/IP網絡連接，底層PLC主站與各從站之間使用PROFIBUS總線連接。為保證通信的實時性和網絡安全穩定，集成系統與移船定位系統、處理機控制系統之間通過總線協議轉換器實現相連[3]。

DCM船施工管理系統共設置3套PLC，分別為集成自動控制PLC、處理機控制PLC、船舶調載/移船控制PLC。用于控制處理機、移船絞車、調載系統、水泥漿輸送泵、液壓閥門等，并采集絞車編碼器、處理機傳感器、液位傳感器等信號。

1.2.2 控制臺柜

駕駛室施工控制臺位于駕駛室前部，長約6 m，曲尺形整體布局，是人機交互的主要設備。系統設計原則為重要的設備和實施操作的設備在臺上設置手柄、按鈕、帶燈按鈕，直接與PLC交互，其余設備的控制由觸摸屏實現，后者需要通過服務器與PLC實現通信。施工管理系統、平面定位系統、制漿管理系統、船舶視頻監控系統均安裝在內。

1.2.3 傳感器及儀器儀表

DCM船施工管理系統傳感器包括各子系統設備自帶傳感器、變頻驅動系統各類傳感器，如處理機系統自帶傳感器、升降負荷傳感器、船舶吃水傳感器、船舶縱橫傾傳感器、鋼索長度傳感器等。系統還需配置潮位接收儀、DGPS差分全球定位儀、錨位數據傳輸電臺、水深測深儀等儀器儀表。

1.2.4 電源系統

DCM船施工管理系統配置1套20 kVA的UPS（AC220 V）不間斷電源及隔離變壓器，隔離變壓器用來將三相三線制線電壓AC380 V轉換為三相四線制相電壓AC220 V提供給UPS。為計算機、網絡系統及PLC系統的開關電源提供不間斷電源。現場PLC的外圍端口電路直流電源由充放電板提供。

1.3 軟件設計

DCM施工管理信息系統使用成熟的軟件基礎架構，主要包括2部分：平面定位系統和施工自動控制系統。

1.3.1 平面定位系統

平面定位系統用于DCM船施工在線實時應用以及工程管理人員的辦公應用。

平面定位系統將給施工作業人員提供船舶在施工背景圖、水深電子地圖或DTM（數字地形模型）電子地圖上的船位實時更新。該系統也能記錄所有相關數據且能遠距離實時顯示同樣的施工數據和圖像[4]。

平面定位系統在甲板上安裝一臺RTK-GPS，在駕駛室頂安裝另一臺RTK-GPS。動態定位精度為3～5 cm，RTK-GPS的實時修正數據來源于業主管理局的岸基RTK-GPS數據鏈，實時載波相位差分頻率為450～470 MHz。

處理機旋轉翼的深度測量主要通過升降絞車編碼器獲得，深度的基準由船舶吃水傳感器、潮位遙報儀實時修正。

定位系統的最終目的是對處理機插入泥面的點精確定位，這就要求結合處理機管樁的傾角將RTK-GPS的位置折算到泥面插入點，同時為了保證插入后管樁始終垂直，需要在處理機、樁架上分別安裝雙軸傾斜儀，精度為0.01°。0.01°在40 m（最大處理深度）長度上產生的平面誤差為6.9 mm，完全滿足平面定位精度要求。

1.3.2 施工自動控制系統

施工自動控制系統總體功能主要包括施工工藝參數設置、處理機絞車自動控制、處理機攪拌翼自動控制、泥漿泵自動控制、抱樁器自動控制、潤滑系統自動控制、施工流程自動控制、施工報表等功能。該系統可實現雙處理機單機單獨手動施工、雙機聯動手動施工、單機單獨自動施工、雙機聯動自動施工等多種施工模式。在施工過程中還可根據現場實際情況，自適應調整施工參數、精準控制，以此滿足業主對水泥攪拌次數、水泥注入量的要求，實現施工管理的智能化。整船實現了水泥漿制備、移船、攪拌、噴漿、設備清洗等施工工序的全自動化。DCM船施工管理系統的使用保證了DCM船對海底地基處理定位和垂直度的高精度控制以及關系到成樁質量的水泥攪拌和注入系統的高精度控制[5]。

2 系統關鍵技術

2.1 全自動施工過程控制功能

DCM船施工管理系統不僅實現了施工過程的全自動控制，還可以根據算法實現多種施工設備運行參數的動態調整，使所有施工設備形成一個整體，以此達到水泥攪拌次數精確控制以及水泥注入量精確計算的要求[6]。超越了國外同類船舶在施工過程中僅可以單獨設備自動控制的技術。全自動施工過程流程圖如圖2所示。

2.2 雙機聯動控制功能

日本的DCM船只有1臺處理機，施工效率低；韓國的DCM船雖然有3臺處理機，但韓國DCM船配置有3個單獨的操縱臺，需要多人進行操作。本DCM船施工管理系統具有雙處理機聯動功能，只需1名操作人員即可手動或全自動控制施工過程，既提高了施工效率又節約了人工成本。在聯動模式下2臺處理機同時受控于1號處理機控制裝置或控制軟件進行自動施工。1號處理機固定管泥漿泵、攪拌翼泥漿泵、攪拌翼、升降絞車相關控制按鈕按下后，2號處理機自動執行相同動作，相關按鈕同時點亮。若2號處理機相關按鈕未同步點亮，則相關設備未備妥或故障，系統報警，故障排除后方可繼續執行聯動模式。

2.3 先進的布樁設計功能

圖2 全自動施工過程流程圖Fig.2 Automatic construction process flow chart

DCM船施工管理系統可以根據現場施工樁的布置情況按照矩形或扇形等進行批量生成，也可以按照一定的規律進行自定義生成，具有較強的靈活性。

打樁計劃自動生成模式：選擇起始樁、結束樁、順序模式，自動生成打樁計劃線。如圖3所示，選擇O點為起點，A點為終點，順序模式可選擇圖中模式①與模式②。選擇B點為終點，順序模式可選擇圖中模式③與模式④。

圖3 自動繪制打樁計劃線Fig.3 Automatic piling plan line

打樁計劃手動生成模式：在屏幕上手動點擊繪制打樁計劃線，依次點擊O、A、B、C、…、I點，右鍵結束選擇，則打樁計劃線手動繪制完成。

2.4 三維施工實時界面

三維施工實時界面運用土質勘察資料和精確定位技術，將水下三維土質模型嵌入打樁軌跡與剖面顯示系統，利用船舶位置精確測量設備、船舶航向測量設備、成樁位置監測裝置等及相關軟件，實現了成樁位置和處理土質的實時三維動態顯示，并將潮位實時推算方法應用于處理深度實時動態控制，提高了成樁控制精度，減少了資源浪費。

3 系統應用

DCM船施工管理系統在中交海建的DCOC01和DCOC02實船安裝。DCOC01船在香港機場第三跑道工程中緊張有序的施工，通過近2 a的施工，該系統的性能優點逐步展現，主要表現在以下方面：

1）在成樁定位時，DCM船施工管理系統的抱樁器自動控制功能保證了成樁垂直精度，此為該船舶獨具特點，成樁表現優于現場同類船舶。

2）通過DCM船施工管理系統優化控制，施工過程中具有切削能力強、攪拌更均勻等特點，在貫入硬質土體時速度均勻，主要參數無明顯跳躍，較現場其他船舶，地質適應性更強[7]。

3）DCM船施工管理系統具有語音提示功能以及提供全自動、半自動和純手動3種模式的選擇，面對各種工況適應力強。

4）DCM船施工管理系統具有PID流量可調功能，水泥輸送泵吸入口遇到水泥顆粒，流量不足時，系統會自動調節泵轉速，維持設定流量，當仍然不能滿足施工要求時，系統會顯示數據異常，進行報警，保證設備安全和施工質量[8]。

DCOC01打樁報表如圖4所示。

圖4 DCOC01打樁報表Fig.4 The report of DCOC01 piling construction

4 結語

目前深層水泥攪拌船施工管理系統已在國內自主建造的2艘DCM船上得到安裝與應用，并成為香港機場第三跑道工程主力施工船舶。該系統的成功研制及應用，一舉打破了日、韓等國在該領域的技術壟斷，并填補了國內的空白，同時也代表中國裝備制造首次在這一領域“走出去”參與國際競爭。相信在今后國內外港口、海上機場、海上垃圾堆場等海洋工程中，該系統將發揮不可替代的作用。