淺析關于投入式液位計監測系統設計及其研究

摘 要 ：智能監控系統的引入給我國自動化挖泥作業帶來了眾多的福音，因此有必要對投入式液位計的設計進行進一步研究。針對目前國內絞吸式挖泥船自動化水平較低的情況，提出了一種基于 PLC 現場網絡的投入式液位計。該文就絞吸式挖泥船監控需求進行了深入分析，對絞吸式挖泥船監控的硬件設計和軟件設計進行了探索，該文具有一定的參考價值。

1 絞吸式挖泥船監控需求

目前我國五大流域中，以國產為主的挖泥船，不但清淤能力低、運行成本高，無法滿足江河湖泊清淤工程的需要，而且設計和制造技術水平相對于國外來說還比較落后，單船操作人員明顯偏多，直接影響了挖泥船的運行、維護以及管理。因此采用先金的挖泥船技術特別是挖泥船自動監控技術來提高挖泥船清淤能力，是當前國內疏浚界研究的重要課題。為此該文提出了一種基于 PLC 現場網絡的投入式液位計。絞吸式挖泥船的監控部分主要包括主、輔鋼樁的起降、臺車移動、船體橫移、絞刀架的升降、絞刀啟停和調速、泥泵的啟停和調速等操作。另外安裝多個傳感器用于監控系統的工作狀況與產量，象船體傾側度、絞刀入水深度和轉速、絞刀切削力矩、船體方位角、船體運行距離、絞車扭矩、泥漿濃度和流量、離心疏浚泵的真空度和壓力、柴油發動機的運行狀況等。

1.1 監測參數

（1）船體移動部分主要需要監測：船體甲板的長度 Ld、船體甲板的寬度 W、從絞刀架軸至船頭位置的長度 S、絞刀相對船體的角度 α、船體的方位角 β、壓力變送器測得的水深 H1、H2、H3 以及潮位 Td。

（2）疏浚作業部分主要需要監測 ：干沙的產量、泥漿的流量、原狀土的體積濃度等。

（3）此系統還需要監測的參數包括絞刀的切削力矩和轉速、離心疏浚泵的真空度及其壓力大小、柴油機的轉速和溫度等重要運行參數。

1.2 控制對象

（1）船體移動部分。前進、擺動是船體進行移動的主要形式。其中，前進主要是通過臺車的移動以及主輔鋼樁的起降配合實現的。其中，船體的擺動情況主要和絞刀的位置存在很大的關系。船體擺動時，需要讓絞刀具有一定的軌跡，這樣才能夠增加船體的疏浚范圍。船體的方位角 β 與絞刀入水的深度 Dc是決定絞刀位置的重要參數。一般情況下，利用船中方位角傳感器便可以獲取船體方位角 β 的具體值，而絞刀的入水深度 Dc由刀架長度Lc和角度傳感器測出的絞刀相對船體的角度α計算求解便可得到。

然而，在實際條件下，船體經常處于惡劣、復雜的環境中，水上的風浪時常會引起船體的傾側。所以，在確定絞刀入水深度的時候不得不考慮船體的傾側情況。為了得到船體的傾側度，該監控系統在船體甲板的3個頂點位置分別安裝了3個100 mm水柱的壓力變送器。其中，這 3 個壓力變送器有 2 個安裝在船頭位置，另一個安裝在船尾處，其測得的水深分別為 H1、H2、H3，這樣就可以得到絞刀入水深度 Dc 的計算式 ：

船體甲板的長度 Ld、船體甲板的寬度 W、從絞刀架軸至船頭位置的長度 S 需要事先錄入系統，絞刀相對船體的角度 α、船體的方位角 β 以及 3 個壓力變送器測得的水深 H1、H2、H3測得后均會將信號傳入上位機進行處理。通過對以上參數的計算和分析便可以得出絞刀入水的深度 Dc。

另外，也不能忽視對潮位 Td 的測量。在測得潮位 Td 以后，將其與絞刀入水深度 Dc 以及船體的方位角 β 聯合分析便可以得出絞刀的實時軌跡。再在此基礎上與事先輸入的河床原狀斷面結合考慮與分析，就可準確、客觀地對疏浚的精度和效果進行評估。

（2）疏浚作業部分。對于疏浚作業而言，干沙的產量、泥漿的流量以及原狀土的體積濃度等都是需要進行監測的重要參數。其中，干沙的產量和疏浚時間參數、泥漿的流量、原狀土的體積濃度以及現場測量得到的氣孔率存在直接關聯。泥漿的流量可利用流量計進行測量獲得。原狀土的體積濃度在泥漿管道上的密度計中有直接反應。以上參數通過傳感器傳輸便可將信息反饋至 PLC 和上位機上。再通過計算機的分析與處理就能夠得到產量曲線。并且，原狀土的體積濃度和泥漿的流量都能夠被繪制成實時曲線。

（3）在直流電機中，絞刀的切削力矩 Mc 和電機的電流 I 是成正比的，也就是 ：

Mc=kI （2）

式中，k 為電機常數。所以，只需要測出電機電流便可得出絞刀切削力矩的大小。絞刀的轉速通常是利用轉速傳感器測量得到的。離心疏浚泵的真空度與壓力是利用泥泵上的真空度和壓力變送器測量得到的。柴油機的轉速和溫度等重要運行參數也分別由相應的傳感器測量獲取。這些測量得到的信號都將被送至 PLC，并利用網絡傳到上位機進行分析和處理，這樣便可以對泥漿的產量進行有效控制。

2 絞吸式挖泥船監控設計

2.1 硬件結構

此監控系統主要被設計為上、下位機結構。在作業現場設置有 2 個 PLC 子站進行現場監測�，F地監測系統能夠進行數據采集、警報的邏輯判斷以及輸出任務的控制等工作，能夠分別對船體的移動情況和疏浚作情況進行監督。系統中的每一個子站都設置為模塊化結構以應對不同工況的需要。上位機和遠程服務管理器主要利用無線 Modem 進行信息傳遞和溝通。

2.2 軟件設計

上位機主要是通過 VB6.0 編寫的監控程序，其和 2 個 PLC子站之間利用 Controller Link 進行相互關聯。監控系統利用了CX-Prgrammer 強大的顯示、監控、維護與調試能力實現了從數據采集到分析、處理與顯示的功能。圖 1 給出了投入式液位計的軟件設計情況。

3 上位機監控程序及功能界面

上位機能夠顯示疏浚作業過程涉及的絞刀深度、船體傾側度、船體方位角、擺角、絞刀架角度等重要參數，能夠隨時反應各電機的運行狀態，能夠選擇挖泥船手動操作和自動操作方式，能夠事先設定基本環境條件和船體結構參數，能夠繪制產量曲線、顯示絞刀的運行軌跡，還能對疏浚的精度效果進行分析處理。

4 結語

智能控制系統性能的提升將為我國自動化挖泥作業提供更多的便捷，提供更優質的服務。