CC BY
18
УДК 621.643
МЕХАТРОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И РЕМОНТА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
© 2013 г. М.Э. Шошиашвили, И.С. Шошиашвили
Шошиашвили Михаил Элгуджевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Мехатроника и гидропневмоавтоматика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: shosh61@yandex.ru
Шошиашвили Ирина Сергеевна - канд. пед. наук, доцент, кафедра «Физика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: isshosh@mail.ru
Shoshiashvili Mikhail Elgudghevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Mechatronics and Hydropneumoautomatics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: shosh61@yandex.ru
Shoshiashvili Irina Sergeevna - Candidate of Pedagogical Sciences, assistant professor, department «Physics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: isshosh@mail.ru
Рассматривается проблема построения мехатронных комплексов на базе изоляционно-укладочных колонн для строительств и ремонта магистральных трубопроводов большого диаметра. На основе общих задач управления, требований к технологическому процессу изложены принципы построения мехатронной системы управления колонной. В их основе лежит положение о том, что для достижения поставленных требований необходимо регулировать величину нагрузки на трубоукладчиках, дистанции между группами машин и отдельными машинами в группе при контроле величины допустимой нагрузки на отдельных машинах и высоты подвеса технологических машин.
Ключевые слова: изоляционно-укладочная колонна; мехатронный комплекс; робототехнический комплекс; контроль допустимой нагрузки; система автоматического регулирования нагрузки на крюке трубоукладчика; система автоматического регулирования дистанций между трубоукладчиками.
The construction problem mechatronics complexes on baseline insulating placementing columns for buildings and repair of the main pipelines of the big diameter is observed. On the basis of the general problems of management, demands to a process construction principles mechatronics control systems of a column are stated. In their basis the rule that for achievement of the put demands it is necessary to control magnitude of loading on pipe-layers, longitudinal separations between groups of pipe-layer and separate pipe-layer in group at control of magnitude of a safe load by separate cars and altitudes of a suspension of technological cars lies.
Keywords: insulating placementing column; mechatronics complex; robotics complex; safe load control; system of automatic control of loading on a pipe-layer hook; system of automatic control of distances between pipe-layers.
Освоение месторождений нефти и газа в Восточных районах страны неразрывно связано со строительством магистральных трубопроводов диаметром до 1420 мм. Одним из наиболее сложных видов монтажных работ при сооружении магистральных трубопроводов являются изоляционно-укладочные работы, которые выполняются изоляционно-укладочной колонной (ИУК). При этом ИУК включает в себя очистную (ОМ), изоляционную (ИМ) машины и до восьми кранов-трубоукладчиков (ТР), связанных между собой посредством упругодеформированного трубопровода (рис. 1).
Данная схема рассчитана из условия номинальной грузоподъемности одного трубоукладчика 75 - 90 т (трубоукладчик KOMATSU). При использовании трубоукладчиков с меньшей грузоподъемностью их число в колонне может быть иным.
Как видно из рис. 1, трубоукладчики в колонне делятся на ярко выраженные группы: группу сопро-
вождения очистной машины ГР I (трубоукладчики ТР1 и ТР2), сопровождения изоляционной машины ГР III и среднюю группу ГР II. Такое деление справедливо ввиду четко выраженной разницы в дистанциях между машинами в группе (1и «10 = 4 + 7 м ; ^ = 7 ^ 12 м) и расстоянием между группами. Кроме того, действия машин, объединенных в группу, схожи по своим функциям и характеру загрузки.
При выполнении изоляционно-укладочных работ очистка, изоляция, подъем и укладка трубопровода в траншею производятся одновременно при движении всех машин в колонне вдоль предварительно сваренного и уложенного на бровку траншеи трубопровода. Работа ИУК характеризуется высокой неравномерностью нагружения кранов-трубоукладчиков, зависящей от изменения рельефа местности, разницы в рабочих скоростях передвижения технологических машин и самих трубоукладчиков, а также наличия у машинистов опыта работы в колонне.
12 =30 -45м
/, =35-50 м
Рис. 1. Схема расстановки машин и оборудования в трубоукладочной колонне
Кроме того, большой объем контролируемых параметров, необходимость учета влияния многочисленных силовых и геометрических возмущающих факторов требует оперативного согласования работы исполнительных механизмов машин, что не может быть выполнено даже при высокой квалификации машинистов-операторов. Все это приводит к частичной или полной потере поперечной устойчивости трубоукладчиков, а также к смятию стенок трубы вследствие чрезмерного увеличения их напряженного состояния.
Таким образом, работа ИУК имеет достаточно сложный характер, сопровождающийся стохастическим изменением целого ряда ее параметров, а также действием экстремальных возмущений, приводящих к аварийным ситуациям. Все это значительно затрудняет управление этим процессом. С точки зрения технологии укладки трубопровода управляемый процесс -формирование изгиба трубопровода в вертикальной и горизонтальной плоскостях, обеспечение устойчивости и маневренности трубоукладчиков, а также возможности беспрепятственного движения технологических машин.
Для избегания всех этих проблем необходимо не только контролировать и регулировать целый ряд параметров на отдельных трубоукладчиках, но и координировать и синхронизировать действия всех машин в колонне, т.е. создать единую систему управления всеми машинами и механизмами ИУК. Одним из эффективных средств выполнения все более возрастающих требований к темпам и качеству строительства трубопроводов большого диаметра, к уровню безопасности, в том числе и экологической, ведения изоляционно-укладочных работ является разработка и внедрение средств комплексной роботизации технологического процесса изоляционно-укладочных работ на основе принципов мехатроники.
Вследствие отсутствия комплексного подхода к решению проблемы автоматизации и роботизации ИУК технологический процесс является не только малоэффективным, но и обладает низким уровнем безопасности и высоким риском жизнедеятельности. Представление крана-трубоукладчика как сложного робототехнического комплекса позволяет перейти от
класса малоавтоматизированных машин систем к мехатронным (роботизированным) трубоукладочным комплексам. Таким образом, решение проблемы управления ИУК заключается в создании класса ме-хатронных систем управления, где каждая группа задач автоматизации решается в своей функциональной подсистеме с учетом требований высших иерархических уровней.
Основой для разработки принципов построения системы автоматизированного управления ИУК и алгоритмов ее управления являются следующие положения. Темпы строительства магистрального трубопровода зависят от средней скорости движения ИУК. В свою очередь, темпы движения ИУК определяются скоростями движения изоляционной машины (ИМ) и очистной машины (ОМ).
Как показал анализ технологического процесса, основные требования к автоматизированному управлению ИУК заключаются в том, что оно должно обеспечивать при различных схемах исходной расстановки машин, различной структурной организации СУ и минимальном числе контролируемых параметров [1]:
- поддержание общей суммарной нагрузки на трубоукладчиках, не превышающей допустимой величины Pz < РЕдоп ;
- продвижение технологических машин по тру-
* *
бопроводу, т.е. hИ = hИ, hO = hO, где hИ, hO - реальные высоты расположения ИМ и ОМ над транше**
ей соответственно; hи, h0 - заданные высоты расположения ИМ и ОМ над траншеей;
- прочность трубопровода, т.е. Ы1 < к \М], где к < 1 - коэффициент запаса; М1 - изгибающий момент в /-м сечении трубопровода; \М ] - допустимый
изгибающий момент, определяемый пределом текучести материала трубы;
- равномерную загрузку трубоукладчиков в колонне;
- устойчивость трубоукладчиков на местности, т.е. выполнение условия Р1 < рдоп , где р - реальная нагрузка на крюке трубоукладчика; рдоп - допустимая нагрузка на крюке трубоукладчика.
Управление технологическим процессом изоляции и укладки трубопровода реально может осуществляться как за счет действия грузоподъемных и стреловых механизмов кранов, так и за счет их взаимного перемещения, при котором происходит изменение расстояния между точками подвеса трубопровода. Приоритетной операцией здесь следует считать работу грузоподъемных механизмов, обеспечивающих наибольшее быстродействие в управлении процессом. Работу остальных механизмов и агрегатов трубоукладчика следует расценивать как вспомогательную, носящую зачастую корректирующую функцию.
В качестве основных критериев построения меха-тронных трубоукладочных комплексов можно рассматривать [2]:
1) соблюдение прочностной характеристики при ограничении прочих параметров;
2) обеспечение маневренности и устойчивости кранов при ограничении на прочностную характеристику трубопровода и контроле возможности движения технологических машин;
3) обеспечение требуемых высот расположения технологических машин при контроле прочностной характеристики и поперечной устойчивости кранов.
При построении системы управления по первому критерию получаем многомерную взаимосвязанную систему с п выходами и 2п управляющими входами (рис. 2). Входными параметрами считаются усилия в грузовых канатах трубоукладчиков Pi и расстояния Li между ними, а выходными параметрами являются координаты подвеса трубопровода у1 или моменты Ы1 в их сечениях.
У\ (МО -►
к' -
у2(М2) -►
• • • • • • Уп (М„) ^
Рис. 2. Схема взаимовлияния элементов системы при управлении по положению трубопровода
Следует однако отметить ослабление связей У = ?() и У = /(Lj) при |у -/| > 2. Аналитическое же решение задачи управления такой многосвязной системой представляется чрезвычайно сложным, хотя взаимовлияние элементов системы в процессе движения колонны может быть учтено на этапе моделирования, что несколько упростит задачу управления.
Система, построенная по второму критерию, получается также многомерной, но развязанной с п входами и п выходами по усилию в подвесах трубопровода. Управление здесь можно строить как многоуровневое, одноуровневое и даже автономное (ло-
кальное). Обеспечить одновременно сохранность трубопровода и технологических машин можно, используя принципы построения системы с моделью в контуре управления. Следует отметить, что обеспечение условий ограничения изгибающих моментов в сечениях и высот расположения технологических машин может носить антагонистический характер, что затруднит выработку алгоритмов управления. Однако необходимо отметить, что такая система с однозначными алгоритмами управления может иметь место при выполнении укладочных работ при капитальном ремонте трубопровода.
Комбинацией между первым и вторым критериями построения системы управления колонной может быть система, построенная по третьему критерию управления. Остановимся на более подробном рассмотрении принципов построения такой системы.
Исходя из схемы расстановки машин в колонне (рис. 1) вполне логично рассматривать трехуровневое построение системы управления. Согласно такому построению первому (глобальному) уровню отводится задача общего распределения нагрузки в колонне, определения общей длины приподнятой части трубопровода, а также анализ состояния всей системы с выработкой алгоритмов управления различной модификации и сложности. Задача второго (регионального) уровня состоит в распределении нагрузки между машинами в группе, регулировании дистанций между машинами в группе, а также в сборе и предварительной обработке информации о параметрах состояния машин в группе с передачей этой информации на верхний уровень управления. Третий (локальный) уровень управления обеспечивает поддержание заданных параметров состояния отдельных трубоукладчиков группы.
Согласно ранее рассмотренным требованиям ко всей системе и отдельным ее элементам в третий уровень управления входят САР нагрузки на крюке трубоукладчика, САР дистанций между машинами в группе, САР курсового движения, а также ряд устройств и систем контроля и диагностики машины, одним из которых является устройство контроля допустимой нагрузки (УКДН).
Таким образом, всю изоляционно-укладочную колонну можно рассматривать как некую мехатрон-ную систему (МС), в которой каждый трубоукладчик представляет собой локальный робототехнический комплекс (РТК). При этом МС должна обеспечивать: согласованное взаимодействие всех машин, содержащих локальные системы управления; стабилизацию общей суммарной нагрузки на отдельных РТК и их группах, определяемой их устойчивостью на местности и прочностью конструкции; регулирование пространственного положения технологических машин; распределение общей нагрузки колонны по локальным РТК; продольную и поперечную устойчивость всех РТК; регулирование степени загрузки рабочего оборудования РТК; рассчитанный изгиб трубопровода в горизонтальной плоскости за счет регулирования
курсового движения РТК; регулирование расстояний между всеми машинами в колонне.
При этом основной метод управления РТС заключается в том, что суммарная нагрузка и координаты расположения технологических машин регулируются путем изменения общей длины колонны, места положения трубоукладчика в колонне и пространственного положения трубопровода [3].
Учитывая многофункциональность задачи управления, многомерность и взаимосвязанность локальных РТК, контур управления верхнего уровня должен содержать управляющую ЭВМ. Она должна позволять оптимизировать параметры состояния, исходя из условия обеспечения равномерной степени загрузки каждого РТК при обеспечении их устойчивости на местности и прочности трубопровода. Поэтому ЭВМ, находящаяся в контуре управления, должна содержать модель объекта, а управление должно строиться на основе анализа реальных параметров состояния, полученных по модели, с рядом ограничений на экстремальные их значения [4, 5].
Таким образом, функциональная схема системы управления мехатронным трубоукладочным комплексом (рис. 3) представляет собой замкнутый контур, содержащий локальный (краны-трубоукладчики), промежуточный (управление группой машин) и общий (управляющая ЭВМ) уровни управления.
Модель объекта представляет собой программную реализацию уравнений, характеризующих геометрическое положение трубопровода и технологических машин в вертикальной плоскости. Эту модель можно охарактеризовать:
- вектором состояния Y группы трубоукладчиков, где у/ (/ = 1, п) - переменные состояния (загрузка машин, расстояния между ними, положение трубопровода) при t = ^ , п - число трубоукладчиков;
- вектором выхода X (скорость движения групп машин, реальные и допустимые нагрузки в группах и др.) при t = ^ ;
- вектором управления и (загрузка колоны, группы и отдельных трубоукладчиков) при t > t0 .
Таким образом, динамическую модель мехатрон-ной трубоукладочной колонны можно представить в виде системы векторных уравнений в пространстве состояний:
1у = А ^) у + В ^) и; }х = С ^) у + D ^) и.
Здесь А(/), В(/), С(/), D(/) - матрицы с переменными параметрами, характеризующие связи управления и с состоянием у и выходом системы х .
Решение последнего уравнения относительно управления и, переводящего динамическую систему из состояния у(^) в определенное моделью состояние у(Т), представляет задачу выбора (синтеза) управления в структуре мехатронной трубоукладочной колонны.
Найденное таким образом управление и подается одновременно на первый элемент И и блок моделирования трубоукладчиков, представляющий собой имитационные математические модели трубоукладчиков с локальными системами регулирования параметров. Основным назначением данного блока является проверка полученных законов управления на моделях. При этом на блок моделирования работы трубоукладчиков поступает дополнительная информация Y** о внутренних их параметрах от информационной системы.
Рис. 3. Функциональная схема системы управления мехатронным трубоукладочным комплексом
Сформированный с помощью модели вектор нового состояния F (t = Т ) поступает на блок прогнозирования состояния системы. Этот блок представляет собой модель системы (динамическая модель трубопровода с технологическими машинами и упругими опорами в местах его подъема трубоукладчиками) и проводит анализ работоспособности всей системы на базе смоделированного вектора состояния F. В данном блоке модель объекта - трубопровода представляет собой программную реализацию дифференциальных и алгебраических уравнений, характеризующих динамику трубопровода при реальном движении машин. Кроме того, в данной модели учитываются все экстремальные параметры движения и состояния системы (предельные высоты расположения технологических машин, значения напряженного состояния трубопровода), отслеживаются их изменения с целью недопущения выхода на критические (экстремальные) режимы.
Если прогнозирование состоялось, то сигнал, соответствующий условной единице, поступает на первый логический элемент И.
Если сформированный вектор спрогнозированного состояния Х* не удовлетворяет условиям работоспособности комплекса, то в блоке коррекции проводится расчет управления и с учетом экстремальных возмущений на объект. Если коррекция отсутствует, то на первый логический элемент И поступает условная единица (через логический элемент НЕ) и на выходной элемент ИЛИ поступает ранее рассчитанное управление и, если же в результате прогнозирования необходима коррекция алгоритма управления и такое корректирование состоялось, то на элемент ИЛИ поступает управление и через второй логический
Поступила в редакцию
элемент И. На выходной блок сопряжения ЭВМ с системой управления группой машин поступает управляющее воздействие и , и е и либо и е О .
Предлагаемый принцип построения управляющей ЭВМ позволяет учитывать различные динамические особенности комплекса, реализовывать алгоритмы управления различной сложности, определять состояние объекта при действиях рассчитанных управлений.
Литература
1. Шошиашвили М.Э., Загороднюк В.Т., Паршин Д.Я. Автоматизация изоляционно-укладочных работ / Новочерк. гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 1996. 147 с. Деп. в ВИНИТИ 06.12.95, № 1252-В96.
2. Шошиашвили М.Э. Проблемы управления укладочной колонной для строительства магистральных трубопроводов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1997. № 2. С. 116.
3. Шошиашвили М.Э. Управление объектами с распределенными параметрами в строительстве // Новые технологии управления движением технических объектов: Материалы 2-й Междунар. науч.-техн. конф., г. Новочеркасск, 22 - 25 нояб. 1999 г. Новочеркасск, 1999. Т.1. С. 80 - 81.
4. Шошиашвили М.Э., Слуцкий В.П., Загороднюк Е.В. Методологические аспекты построения управляющих устройств для мобильных РТК // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1997. № 3. С. 21 - 23.
5. Загороднюк В.Т., Шошиашвили М.Э. Роботизация процессов строи-тельства трубопроводов: монография. Ростов н/Д : СКНЦ ВШ. 1999. 156 с.
3 октября 2013 г.
