交融天下建者无疆挤密砂桩船打桩控制系统挤密砂桩船打桩控制系统国产化改造与应用国产化改造与应用 中交一航局第二工程有限公司中交一航局第二工程有限公司1Contents目录一、概述五、结语四、主要创新点2砂桩3一、概述“砂桩3”是局现有唯一一条挤密砂桩船，可同时施打三根砂桩。随着船龄的增加，其外国打桩控制系统出现硬件老化，软件丢失等问题。2017年，为了进一步提升“砂桩3”的施工能力，摆脱国外技术的制约，对其进行了打桩控制系统国产化改造。国产化改造的成功，不仅充分发挥了“砂桩3”的施工能力，而且该系统已跻身第二代控制系统水准，综合性能达到国际先进水平。u目的和意义3一、概述旧系统操作台面现状和存在问题系统繁琐死板参考资料不齐全，不配套硬件的选择少，采购难度大4u技术线路依托国内现有挤密砂桩技术和相关科研成果及设备资源，结合所确定的挤密砂桩工艺和船舶性能，以自主创新和集成创新为主，对打桩控制系统进行国产化改造。一、概述5Contents目录五、结语四、主要创新点6硬件控制硬件控制拓扑图拓扑图二、系统硬件国产化改造“砂桩3”打桩控制系统国产化改造分为硬件和软件两部分。采集信号的方式是通过PLC控制器的远程I/O站点采集数据，最后通过总线把各站点连接在一起。7u振动锤振动锤二、系统硬件国产化改造8振动锤为套管下沉的动力系统，振动锤通过直径为39mm的钢丝绳连接到甲板绞车，依靠振动锤（主卷）绞车，完成套管引拔、打回动作。“砂桩3”振动锤偏心值40000kgcm。u受料斗双挡板装置双挡板与压力控制示意图9套管上部装有受料斗，受料斗内安装使用双挡板。该双挡板系统工作原理类似于水坝船闸，主要是通过两个挡板的开闭来控制在投入砂料时受料斗与套管的压力变化，使砂料顺利送入套管内。二、系统硬件国产化改造u管内压力控制装置套管减压阀装置名称作用气压传感器监测气压加压阀加进压缩空气，增加气压减压阀排出压缩空气，减小气压10二、系统硬件国产化改造J1、J2位置示意图uJ1、J2喷气装置11J1、J2气阀安装在B”套管上，其是套管内控制下砂量的关键设备。引拔下砂过程中，启动J1、J2，向套管底部砂柱施加侧向力，保证下砂顺畅。二、系统硬件国产化改造u输送砂设备输送砂系统示意图12输送砂系统包括：砂仓、皮带机、中转料斗和移动料斗。二、系统硬件国产化改造国产化打桩控制系统配件选配表注:表中黑色字体配件皆为选用的国产配件。序号序号名称名称型号型号品牌品牌序号序号名称名称型号型号品牌品牌1主卷绞车卷筒编码器P10-24P+F15套管上限器SXW-10上工厂2移动料斗绞车卷筒编码器P10-24P+F16移动料斗上限器SXW-10上工厂3套管桩架处编码器P10-24P+F17移动料斗下限光电开关D4-310OMRON4移动料斗桩架处编码器P10-24P+F18移动料斗近点光电开关D4-310OMRON5套管称重传感器CKY-102中航19下挡板门关光电开关D4-310OMRON6移动料斗称重传感器CKY-121A中航20中转料斗门关光电开关D4-310OMRON7振动锤变频启动GD35-400G4INVT21移动料斗门关光电开关D4-310OMRON8中转料斗料位计V1B61VEGA22受料斗压力变送器PTH501F-1M吴胜9砂面检测雷达PS68VEGA23套管压力变送器PTH501F-1M吴胜10皮带机PLC系统西门子248立方气罐压力变送器PTH501F-1M吴胜11高压冲水PLC系统西门子2530立方气罐压力变送器PTH501F-1.5M吴胜12液压主卷/移动料斗绞车PLC系统西门子26主卷绞车油压变送器PTH501F-30M吴胜13远程监控西门子27移动料斗绞车油压变送器PTH501F-30M吴胜14GPS数据通讯绘海28隔离器CZ3035辰竹13二、系统硬件国产化改造Contents目录五、结语四、主要创新点14WinCC界面选择原因：通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；支持中文，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合。内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；提供了所有最重要的通讯通道，亦能以附加件的形式获得其它通讯通道。使硬件不受限制的连接到WinCC。三、系统软件国产化研发系统编写平台SIMATICWinCC(WindowsControlCenter)-视窗控制中心15GPS测量定位系统GPS定位系统采用“1+2”（1台基准站配备2台流动站）RTK模式工作，即可以实时快速动态测量，又满足定位精度要求，并在操纵室驾驶台屏幕上实时显示与预定桩位的偏差，指导定位。u测量控制系统16三、系统软件国产化研发u测量控制系统高程计算示意图17GPS实时测得卫星天线所在高程值H，船体倾斜仪测得船体纵倾角度。固定于套管的编码器钢丝绳随着套管上下移动产生滑动，从而带动旋转编码器转动，测得距离值H2，由此推算得实时套管底高程Z=H-H1*cos+L*sin-H2。三、系统软件国产化研发u砂面监测系统砂面监测雷达18砂面监测系统，是砂桩施工过程中控制成桩质量的一个非常重要的设备。砂面监测雷达安装在套管F管内，通过发射电磁波测量套管内砂面的高度，从而精确控制下砂高度。在雷达下方安装喷气装置，保证雷达发射口不被砂砾粘黏。三、系统软件国产化研发u输送砂控制系统受料斗内无砂否否移动料斗提升称重重量大于皮重移动料斗降回加料位置是料位计监测料仓内无砂否是否砂没过中转料斗设定料位计否移动料斗位于加料位置是中转料斗门开启是提升至受料斗投料点是中转料斗门关闭移动料斗门开启向受料斗加砂系统记录受料斗为有砂状态移动料斗门保持关闭持续跟踪受料斗位置中转料斗等待皮带机停止皮带机向中转料斗加砂19三、系统软件国产化研发成桩曲线图打桩操作系统贯入阶段制桩阶段桩头处理制桩结束20三、系统软件国产化研发u打桩操作系统界面料斗运行阶段移动料斗、套管高程及速度各开关、料位计指示灯受料斗状态套管内砂面高度（SL）水面高程套管底端高程受料斗、套管目标压力、实际压力及状态设定套管引拔高度和下砂高度引拔过程中下砂的残留量J1、J2气阀的设定开度和实际开度受料斗内存砂情况系统发出的套管动作指令21三、系统软件国产化研发u贯入阶段贯入阶段曲线说明手动沉放套管，系统实时监测套管底端高程。根据设定的不同高程，系统发出“首次加砂”、“首次排泥”、“二次排泥”指令。二次排泥完成后，打回套管至设计桩底标高，即完成贯入阶段，系统自动转至制桩阶段。22三、系统软件国产化研发是受料斗气压为零否是受料斗与套管内气压相等否是是受料斗加压阀开启上挡板关闭否套管位于加砂位置受料斗内有砂受料斗加压阀关闭下挡板打开向套管加砂下挡板关闭受料斗减压阀开启受料斗减压阀关闭系统记录受料斗为无砂状态等待移动料斗加砂23u受料斗向套管加砂流程三、系统软件国产化研发u贯入阶段强制贯终在施工中存在地质较硬，振动锤贯入不到设计桩底标高情况。针对这种情况，在系统中可设定“贯入着底速度”、“贯入着底持续时间”、“贯入着底距桩底距离”三个参数。贯入过程中，实时监测数据均满足三个着底条件设定值，则系统判定贯入困难，操作人员可选择强制贯终，结束贯入阶段，开始制桩。24三、系统软件国产化研发u制桩阶段引拔、打回操作指令引拔、打回操作指令 系统根据设定的“造桩引拔高度”参数，计算各回合引拔、打回的目标高程。在引拔过程中，根据测得砂面高度及设定的“每米成桩用砂量SL值”，实时计算下砂剩余量。当套管引拔至目标高程，下砂量未满足设计要求时，系统虽发出打回指令，但不限制套管继续引拔动作。操作人员可继续引拔，直至下砂量符合要求。打回过程中，若监测套管内砂面高度小于“套管内最小砂面高度”，则系统发出加砂指令，但加砂动作是在下一回合打回过程中完成。25三、系统软件国产化研发u桩头处理在每回合开始前，系统对这回合引拔目标高程与设定桩顶高程进行比较，若引拔目标高程高于设定桩顶高程，则系统进入桩头处理阶段。此阶段，引拔的目标高程为设计桩顶高程，系统根据每回合的引拔距离，推算各回合“SL剩余量”的初始值、及打回目标高程。完成最后一回合后，系统弹出“造桩结束”对话框。桩头处理打桩曲线26三、系统软件国产化研发u制桩结束造桩结束后，操作人员关闭振动锤，将套管提离泥面，当提至“绞车上限位置”时，套管自动锁死，不再提升。系统设置“绞车上限位置”可有效避免人员操作失误，导致绞车过卷，振动锤碰撞桩架顶部定滑轮的事故发生。27三、系统软件国产化研发原理系统自动运行过程中，通过传感器及设备返回的信号和数据，监视整个系统的运行状态原因运行状态、运行数据未按程序设定返回或返回数值偏差超过设定允许值作用警示，但并不影响程序的进行，操作人员可根据情况，决定继续制桩或暂停制桩进行维修打桩报警系统u打桩报警系统28三、系统软件国产化研发Contents目录五、结语29四、主要创新点30国产化打桩控制系统，在深中通道项目西人工岛施工中进行了应用，经现场施工验证，系统单日制桩量可达30根，630延米，已超过在港珠澳工程施工时的单日纪录，且施工质量满足要求。u施工验证四、主要创新点结合当今先进的测控技术和电子元件，国产化系统的测控精度高、稳定性好。针对施工中的重要参数，利用两种方式，采用两种互不干扰的监控测量系统进行监测，形成“双保险”。国产化系统利用振动式物位计，砂料控制更精准，可以有效保证施工过程的标准化、统一化。国产化系统的报警功能打破了旧系统的繁琐死板，保证了施工的延续性。在SIMATICWinCC平台下，系统可根据后续施工情况不断得到优化完善，丰富船舶施工能力。1234531Contents目录四、主要创新点32国产化打桩控制系统改造的完成，摆脱了外国技术的制约，简化了船舶系统操作步骤，提高了船机自动化程度，提高了施工效率，并极大的提升了系统安全性和稳定性。同时全中文操作界面也使得系统更友好，降低了熟悉打桩控制系统的难度，有利于自主学习、自主研究、自主修理。五、结语砂桩333