一种基于ADAM模块的挖沟机控制系统

王东峰++孙旭恒

摘要：在海洋油气资源开发的过程中，海底管道及电缆铺设渐渐成为重要的一个工程领域。在这个过程中，挖沟机起到越来越重要的作用。海底管道/埋缆挖沟机成为不可缺少的施工设备。以往的挖沟机控制系统非常简单，几乎没有传感器，下水后无法及时反馈挖沟机工作状态，给施工带来了很大的不便。该文介绍了一种基于研华ADAM模块的挖沟机控制系统，可以实时监测挖沟机运行状态，及时调整挖沟作业中母船的工作参数，使挖沟作业更加顺利的进行。

关键词：挖沟机； ADAM模块； 传感器； 监控系统

中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

在海底管线的施工中，首先由铺管船将管道或电缆铺设到设计好的管线路由上，然后再由挖沟机沿管线路由挖沟将管线沉降到海沟中。因此，挖沟机是施工必须的装备。目前，大多数挖沟机为喷射式，这种挖沟机效率高、成本低，在国内海洋工程领域得到广泛的应用。该文讲述的挖沟机控制系统就是针对这种电动喷射式挖沟机进行研究的，主要用于渤海海域海底管道及电缆挖沟作业。

1 挖沟机功能简介

该挖沟机主要用于海底管道及电缆挖沟埋设作业使用，也可用于海底管道维修时，在预定海床位置挖出有问题的海底管道，为后续维修工作提供基础作业面。

2 挖沟机控制系统组成

挖沟机整个控制系统分为如下三部分：中央控制单元、动力和信号传输脐带电缆及脐带电缆绞车、挖沟机主体执行元件和传感器。

其中各个系统的功能如下：中央控制单元包括供配电、系统控制、声纳显示、挖沟机状态显示等；动力和信号传输脐带电缆及脐带电缆绞车包括动力传输缆、通讯传输缆及配套绞车，其中动力传输缆及通讯传输缆集成为一根脐带电缆，缠绕在绞车的滚筒上，通过电缆滑环连接到电缆接口位置；挖沟机主体包括机械结构系统、2台轴流泵、1个深度计、1个高度计、1个姿态传感器、2个声纳头、2个拉力传感器、4个着底与位置传感器、2个管道对中传感器、一套水泵电压测量系统以及一个漏水安全传感器。

3挖沟机监控系统介绍

挖沟机主体上布置2个断面声纳头，安装位置根据使用工况调整。当作为挖沟埋管作业时，挖沟机骑在管道上拖曳，断面声纳安装在挖沟机的艏、艉部上方，与管道平行，用于监视管道与挖沟机相对位置。当作为作业面开挖作业时，2个断面声纳分别安装在横拖的挖沟机的后部和侧面，相互垂直，其中一只用来扫描沟形，另一只用来扫描裸露的管道。

以往的挖沟机主体上很少有各种传感器，挖沟作业中，挖沟机的状态参数无法进行监控，只能凭经验调整母船的行进速度与行进角度等参数，容易出现各种突发状况。

该挖沟机主体上布置有多套传感器，这些传感器将实时信号反馈到母船上的监控室内，控制室内的工控机采集各种信号，进行处理后显示挖沟机的实时状态。

以往这些信号一般都是进入到挖沟机主体上的接线箱，然后通过多芯电缆连接到母船上的控制室内的信号采集卡上，这样，当多芯电缆出现断线时，某一个甚至多个传感器的信号将无法进行采集，而且多个信号通道位于一根脐带电缆内，相互之间的干扰比较严重，容易造成信号的失真。

为了解决这个问题，该挖沟机控制系统选用研华公司的ADAM模块，挖沟机所有的传感器信号连接到模块的IO点上，然后模块与母船上的控制室进行通讯，将传感器测量数据传输到工控机上，这样，用一根双绞线代替了以往的多芯电缆，减小了连接电缆的尺寸和重量，解决了干扰问题。该控制系统主要用到了两种模块，ADAM-4017和ADAM-4050模块。其中ADAM-4017是一款16位、8通道的模拟量输入模块，该模块把传感器电压或电流信号转换成数字数据。然后，数字数据被转变为工程单位。当受到主机提示时，该模块将通过标准RS-485接口向主机发送数据。ADAM-4050模块带有7路数字量输入和8路数字量输出。主机可以利用该模块的数字量输入来检测各个数字量信号。当受到主机提示时，该模块将通过标准RS-485接口向主机发送数据。

ADAM-4017模拟量输入模块输入信号为电压信号，挖沟机选用的传感器大部分为0-5V电压输出信号，可以直接连接到模块上，软件中也无需进行系数修正，但是电压测量系统的电压变送器输出信号为4-20mA信号，必须在模块的输入通道端口连接一个精密电阻，在软件采集中也必须进行系数修正，具体修正方式如下。

电压变送器参数：

输入：0-450V（AC）

输出：4-20mA

输入端口并联电阻：235Ω

由以上参数计算输入电压的方法为：

Vin=（Vout/235×1000mA-4mA） ×450/16

=（Vout-0.94V） ×119.68 （V）

计算输入偏差SensorErr.AC=0.94V，系数SensorCoe.AC=119.68。

挖沟机姿态传感器由于本身输出特性，也需要进行修正，由姿态传感器资料知，当传感器与水平面平行时，输出电压为2.5V，当传感器向下或向上偏转时，输出电压以2.5V为中心减小或增大，输出电压与角度的对应计算公式为：

Vout=0.5V+（Angle+45°）×4/90 V

其中，Angle为角度值，取值范围为-45.0°-- +45.0°。

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

计算输入偏差值SensorErr.Pitch=2.5V，系数SensorCoe.Pitch= 22.5。

以上参数在软件中进行设置后，即可以得到水泵的实时输入电压值和挖沟机的俯仰姿态值。

4 挖沟机监控系统软件介绍

挖沟机作业时，监控系统将挖沟机数据、导航数据、声呐数据记录与管理。全面支持挖沟机水下作业过程的监控、导航和数据管理。

监控系统软件功能概括为：

（1） 工程管理：一个完整埋管项目被描述为一个工程，其中发生的所有作业和数据被纳于工程中统一记录和管理；支持报表输出和过程回放；

（2） 系统管理：软件适合海底埋管机，允许系统具有多种构形，可以根据需要通过软件完成系统配置；

（3） 水下信息采集与融合：同时从水下传感器与水面导航设备采集信息，并将其融合形成协调统一的系统工况与导航数据；

（4） 基于虚拟现实技术的作业状态监控：通过虚拟现实技术建立水下作业场景，利用融合后的实测数据进行驱动，并根据预设的规则实时主动监测和报警；

（5） 拖体与作业船配合的综合导航：预输入埋设路由数据和数字地图；提供船用GPS接口，对这些数据的采集与融合提供作业船的全面导航信息；提供超短基线定位系统接口，这些信息与水面导航信息进行融合处理，提供埋设机综合导航信息。

5 结语

该挖沟机工作过程中，在母船上的控制室内，可以根据声呐信号及传感器反馈信号及时调整作业参数，从而使挖出的沟槽形状更加完美，更加贴合海底管道及电缆的走向。目前该系统已成功应用到多个挖沟和维修作业中，提高了海上作业效率，为海上安全生产提供了保障。

参考文献

[1] 秦卫华.海底管道挖沟技术的改进[J].江苏船舶，2010，27（1）：18-20.

[2] 李文涛，葛彤.挖沟机相关技术进展[J].航海工程，2010，39（4）：146-149.