摘 要

我国江河湖泊众多，海岸线绵长，航运业在中国的经济发展中发挥着重要的作用。可是近年来，植被被肆意破坏，水土流失严重，致使航道、港口变浅、变窄，大型船舶很难通行。采用挖泥船疏浚作业能够很好的解决这一问题。但是挖泥船是个复杂的机械设备，工作状况又复杂多变，不仅需要大量人力物力去管理，而且效率低下。国内目前对挖泥船自动化的研究取得了很大成就，提高了产能与效率。本文就耙吸式挖泥船耙头的高压冲水系统开展以下设计：

第一，阐述耙吸式挖泥船结构组成与工作原理，结合某船自动控制系统分析整船与高压冲水系统的自动控制原理，得出控制流程图。

第二，结合高压冲水系统工作原理，从硬件方面设计出高压冲水系统的组成结构，选用变频器实现对高压冲水泵的转速控制方案。

第三，根据方案，统计I/O点数，选用西门子S7-300 PLC、西门子S120变频器，实现对高压冲水系统水泵转速与蝶阀启闭的自动控制。利用STEP7软件，编写出高压冲水泵可以根据泥浆流量和浓度自动调节转速与实现蝶阀预置功能的程序。

关键词：耙吸式挖泥船；高压冲水系统；PLC；变频器

Abstract

China's rivers and lakes numerous, long coastline, the shipping industry in China's economic development plays an important role. But in recent years, vegetation is wanton destruction, soil erosion is serious, resulting in waterways, ports shallow, narrow, large ships is difficult to pass. Dredging with dredger can solve this problem. But the dredger is a complex mechanical equipment, working conditions are complex and changeable, not only need a lot of manpower and resources to manage, and inefficient. China's current dredger automation research has made great achievements, improve the production capacity and efficiency. In this paper, the following research is carried out on the high pressure flushing system of raking dredger rake head:

Firstly, the structure and working principle of the trailing suction dredger are described. Combined with the automatic control system of a ship, the automatic control principle of the whole ship and the high pressure flushing system is analyzed, and the control flow chart is obtained.

Second, combined with the working principle of high pressure flushing system, from the hardware design of the composition of high pressure flushing system, the use of inverter to achieve high pressure flushing pump speed control program.

Third, according to the program, statistics I / O points, the choice of Siemens S7-300 PLC, Siemens S120 inverter, to achieve high pressure flushing system pump speed and butterfly valve opening and closing of the automatic control.Using STEP7 software, write a program which High-pressure flush pump can be based on mud flow and concentration automatically adjust the speed and realize the butterfly valve preset function.

Key Words：Rake suction dredger; high pressure flushing system; PLC; Variable-frequency Drive

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景、目的和意义 1

1.2 耙吸式挖泥船国内外发展及研究现状 1

1.2.1 疏浚工程的国内外发展 1

1.2.2 耙吸式挖泥船自动控制系统的研究现状 5

1.2.3 高压冲水系统自动化的研究现状 6

1.3 研究目标和研究内容 6

1.4 本章小结 6

第2章 耙吸式挖泥船系统概述 8

2.1 耙吸式挖泥船基本组成系统 8

2.2 耙吸式挖泥船工作原理 8

2.3 耙吸式挖泥船自动控制系统 9

2.3.1 挖掘系统的自动控制 10

2.3.2 高压冲水系统的自动控制 11

2.4 本章小结 12

第3章 高压冲水系统硬件设计 13

3.1 高压冲水系统的基本组成 13

3.2 高压冲水系统的工作原理 13

3.3 变频器 15

3.3.1 变频器工作原理 15

3.3.2 西门子S120变频器常见故障分析 17

3.4 高压冲水泵选型 18

3.5 高压冲水泵转速的自动控制设计 19

3.6 本章小结 20

第4章 基于PLC的高压冲水系统自动控制的实现 21

4.1 自动控制系统设备简介 21

4.1.1 S7-300PLC简介 21

4.1.2 STEP7软件简介 22

4.2自动控制系统硬件配置 22

4.3自动控制系统设计 25

4.3.1 高压冲水系统自动控制的实现 25

4.3.2 自动控制系统程序设计 30

4.4 本章小结 33

第5章 总结与展望 35

5.1 本文总结 35

5.2 展望 35

参考文献 36

致 谢 37

第1章 绪论

1.1课题研究背景、目的和意义

中国幅员辽阔，水系发达，以长江为首的众多河流，湖泊星罗棋布，海岸线从辽宁省一直延伸到广西省，众多港口罗列其中。从中可以看出，航运业在中国的经济发展中发挥着重要的作用，因此，保持航道的畅通是至关重要的。近年来，由于植被被破坏，大量水土流失，导致航道中泥沙淤积日益严重，航道变窄、变浅，再加之船舶大型化的发展趋势，使得航道疏浚工程越来越重要，因此离不开各式各样的挖泥船对航道的疏通作业。根据我国现在的年疏浚量，中国已然成为疏浚大国。随着现在科学技术高速发展，自动化控制成为船舶发展新方向。2016年10月，由中交广州航道局出资，荷兰船厂生产，总舱容量21028立方米的“浚洋1”号耙吸式挖泥船在广州港交付使用，该船属于超大型耙吸式挖泥船，也是目前世界上最先进的耙吸式挖泥船之一，因为“浚洋1”号具有世界最先进水平、功能强大的挖泥自动控制及监测系统，包括疏浚控制系统（DCS）、疏浚数据记录系统（DDRS）、三维疏浚轨迹跟踪和记录系统（DTPS）、动力定位和动态跟踪系统（DP/DT）、耙臂位置测量系统（STPM）、动力负荷监控的功率管理系统(PMS)、集成监控系统（SCADA）等20多项自动化控制技术，泥泵全部采用变频自动化控制。“浚洋1”的两条耙臂管还安装了水下泥泵，耙头也配置了高压冲水装置，对于耙吸式挖泥船施工难度较大的硬质密实粉砂，“浚洋1”在挖泥、吸泥施工能力方面独具优势。

在众多种类的挖泥船中，耙吸式挖泥船良好的航以其优越的航海性能受到欢迎，可自航、自挖、自吹、自载、自卸。大部分的水域包括江河、港口、入海口、沿海等都可以疏浚作业，适用范围广阔。有些还具有吹泥功能，又可承担以上区域的吹填造陆工程。耙头集机械疏松与水力疏松为一体，可挖掘河床上面大部分软质土及小粒径碎岩石，但耙吸式挖泥船的构造和施工过程复杂，工作的环境对象复杂多变，需要管理人员投入大量经历监测实时数据，调整船舶状态。因此改进优化耙吸式挖泥船的工作特性和效率，设计耙吸式挖泥船自动控制系统，尤其是泥泵部分的高压冲水系统，实现根据泥泵参数自动调节，使泥浆浓度保持在最佳吸入状态，将大大提高疏浚产量、减少能源的消耗，为疏浚工程创造更多的效益。

1.2耙吸式挖泥船国内外发展及研究现状

1.2.1疏浚工程的国内外发展

疏浚工程是按规定范围和深度挖掘航道或港口水域的水底泥、沙、石等并加以处理的工程。疏浚工程是开发、改善和维护航道、港口水域的主要手段之一。对于像中国这样的海岸线长，江河众多的国家来说，疏浚工程尤为重要。国外的挖泥船起步较早，得益于瓦特蒸汽机的发明，使得疏浚工程由人力为主变为机械为主。到了19世纪中叶，离心泵，柴油机等发明的出现，挖泥船的工作效率得到了显著的提升。二战以后，船舶制造业开始发展，各种大型化船舶开始建造下水。到了第三次科技革命，计算机的普及，船舶的自动化也发展起来。目前为止，世界上共有10艘超大型自航耙吸式挖泥船和11艘超大型绞吸式挖泥船，其中不包括正在建造或即将投入使用的船舶。最有名的是荷兰IHC公司建造的“奋威”号挖泥船，长232米，宽32米，最大满载排水量82910吨，是世界最大的耙吸式挖泥船，拥有世界最先进的疏浚装备和动力定位等系统。在进入21世纪的十几年间，国外疏浚公司，尤其是欧洲四大疏浚公司，即荷兰波斯卡利斯公司、范诺德公司和比利时杨德诺集团、德米集团相继投入巨资，纷纷建造舱容超过30000立方米的自航耙吸挖泥船和总装机功率超过23000kw的自航绞吸挖泥船。亚洲最大的耙吸船，马来西亚的“Inai Kenanga”号耙吸式挖泥船在马六甲海峡船舶工业集团公司旗下的Sdn Bhd船厂（SMSCSB）建造，是欧洲以外唯一一艘30000立方米以上级别的耙吸船。“Inai Kenanga”号耙吸式挖泥船容量为32000（最大34000）立方米，安装带螺旋桨驱动双柴油发动机，新一代抽吸泵系统，两台MAN 12V48/60B主机每台的额定功率为13250 kW。