CC BY
66
УДК [629.5.051.5:629.5.061.17]:629.561.2
Н. Г. Романенко, С. В. Головко, Р. С. Сундетов
СИСТЕМА ДИНАМИЧЕСКОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ БУКСИРОМ-ТОЛКАЧЕМ С БУКСИРУЕМЫМ ГРУЗОМ
Проведен анализ структуры и принципов работы систем динамического позиционирования как высокоточных комплексов управления. Преимущество предлагаемой системы динамического позиционирования для управления буксиром-толкачем с буксируемым грузом заключается в том, что она оптимизирована с целью повышения эффективности и безопасности доставки груза. Предлагаемое техническое решение позволяет в совокупности реализовать применение средств координирования буксира с грузом, полное измерение внешних возмущающих факторов и использование в качестве объектов управления всех без исключения движительных судовых систем и устройств. Приведены схема и полный состав системы. Динамическое позиционирование может осуществляться автоматически, полуавтоматически или вручную при помощи команд оператора с пульта управления системы. Основным техническим результатом исследования является расширение функциональных возможностей системы, а также повышение точности и достоверности измерений путем определения и обработки множественных измерений параметров комплексным составом аппаратуры. В результате увеличивается эксплуатационная надежность системы и безопасность судовождения, что позволяет достигнуть оптимального критерия функционирования системы «сложность - стоимость - эффективность».
Ключевые слова: система динамического позиционирования, датчики, логический контроллер, буксир-толкач.
Введение
Безопасный, эффективный и высокоточный перевоз груза на специальных плотах или составах осложняется гидрометеорологическими условиями, течением, движением других судов и т. д. Системы динамического позиционирования позволяют быстро и точно доставить груз в заданную точку, уйти с позиции при ухудшении гидрометеорологических условий и обеспечит высокую точность удержания буксира с грузом на заданной позиции.
Целью исследования являлась разработка системы динамического позиционирования буксира-толкача с буксируемым грузом как высокоточного комплекса управления.
Анализ работы системы динамического позиционирования
В общем случае на буксир-толкач с грузом действуют ветер, волнение и течение воды. Следовательно, при разработке управляющего воздействия необходимо учитывать высоту волн и углы их набегания, направление ветра и течения, а также направление подводного течения. Под системой динамического позиционирования (СДП) понимают многоконтурную систему управления активными средствами удержания или стабилизирующими движителями, обеспечивающую заданное положение буксира-толкача с грузом, а также его перемещение по оптимальной траектории при воздействии внешних факторов. Система динамического позиционирования состоит из трех комплексов: измерительного, информационно-командного и движительно-рулевого. Структурная схема СДП представлена на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема системы динамического позиционирования
В СДП обрабатывается информация о нахождении объекта относительно заданной точки; определяются величины сил и моментов, действующих на объект и управляющие сигналы, воздействующие на средства удержания (движительно-рулевые комплексы, подруливающие устройства). Для функционирования СДП необходимо обеспечить определение местоположения объекта управления, а также параметров внешних возмущений [1, 2].
На рис. 2 представлен состав СДП.
I' .: .,1.' 1
СИП
НРЛС
8
НАВИГАЦИОННЫЙ МОДУЛЬ
ЕЛОК ДИВ 2
9 ■ ' ■ 11
10 12
; 1 1
от!;
ЕЛОК ОУ
13
¿У: 14
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЕЛОК
18 19 1 _4 20
КОНТРОЛЛЕР БЛОК по ЦП
г>
к 18
ж.
к 2
МОДУЛЬ СУДОВОДИТЕЛЯ
17 6Р 16 БОИ
БУК
15
3
6
7
5
4
Рис. 2. Схема системы динамического позиционирования: 1 - блок измерителей параметров движения судна; 2 - блок датчиков внешних воздействий; 3 - блок объектов управления; 4 - модуль судоводителя; 5 - вычислительный блок сбора и обработки информации; 6 - блок судовых навигационных приборов: эхолот, лаг, гирокомпас; 7 - навигационная радиолокационная станция; 8 - навигационный модуль определения местоположения судна; 9 - датчик параметров ветра; 10 - датчик параметров волнения; 11 - датчик параметров течения; 12 - датчик параметров приливного воздействия; 13 - объекты управления: гребные винты, подруливающие устройства и т. п.; 14 - датчики объектов управления; 15 - блок управления и контроля; 16 - блок отображения (визуализации) информации; 17 - блок регистрации: прокладчик, принтер и т. п.; 18- контроллер вычислительного блока; 19 - блок программного обеспечения; 20 - центральный процессор
Центральный процессор позволяет выполнять сравнение данных измерений текущих параметров движения судна с заданными программными значениями и формировать по результатам этого сравнения управляющие сигналы на ОУ [3].
Предлагаемая система позиционирования
Вследствие того, что на систему определения положения буксира-толкача с грузом действует множество внешних факторов, для повышения точности, достоверности и надежности управления движением судна необходимы использование избыточной исходной информации и разработка рациональной конструкции СДП.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании СДП, которая в совокупности реализует применение средств координирования буксира с грузом, полное измерение внешних возмущающих факторов и использование в качестве объектов управления всех без исключения движительных судовых систем и устройств.
Основным техническим результатом будет являться расширение функциональных возможностей СДП, а также повышение точности и достоверности путем определения и обработки множественных измерений параметров комплексом аппаратуры. Это должно увеличить эксплуатационную надежность СДП и безопасность судовождения и тем самым позволит достичь оптимального критерия функционирования СДП «сложность - стоимость - эффективность».
В измерительном комплексе СДП для определения координат буксира-толкача предусмотрены следующие средства: блок измерителей параметров движения судна, блок датчиков внешних воздействий, блок судовых навигационных приборов.
Система определения положения буксира-толкача с грузом представляет собой комплекс датчиков (их расположение представлено на рис. 3), которые будут отслеживать положение буксируемого груза и предупреждать об отклонениях от оптимального положения, сигнал будет передаваться на логический контроллер. Динамическое позиционирование может осуществляться автоматически, полуавтоматически или вручную при помощи команд оператора с пульта управления СДП.
В качестве датчиков предлагается использовать ультразвуковые дальномеры, которые подходят для работы с контроллерами. В каталоге американской фирмы YeRobot представлено множество вариантов дальномеров, работающих по принципу сонара: дальномер посылает ультразвуковой пучок и по задержке отражённого сигнала определяется расстояние до цели.
Для безопасной доставки груза в заданное положение используется система предупреждения о сближении с объектами, которые могут быть потенциально опасными для груза.
Наряду с информацией со средств определения положения судна собирают и обрабатывают информацию с датчиков, которые реагируют на внешние возмущения.
В СДП, используемых в настоящее время, непосредственно высокоточными датчиками измеряются только скорость и направление ветра, остальные параметры внешних воздействий вычисляются по эмпирическим формулам с использованием математической модели движения судна, которая представляет собой основу информационно-командного комплекса системы. Для определения воздействия ветра на буксир с грузом предполагается использовать судовой анемометр. Автоматические датчики ветра поставляются с цифровым дисплеем, легко интегрируются с любым навигационным оборудованием. Использование анемометра позволит измерять изменяющиеся внешние воздействия. Это позволит заблаговременно принять решение о задании нового маршрута для обеспечения безопасной транспортировки груза.
В качестве контроллера используется программируемый логический контроллер фирмы ArduinoMega, построенный на базе микроконтроллера ATmega1280. Данная платформа содержит 54 цифровых входа/выхода, 16 аналоговых входов, 4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы контроллера его необходимо подключить к компьютеру с помощью USB-кабеля или подать питание при помощи адаптера AC/DC.
От измерительного комплекса информация поступает к информационно-командному (рис. 4), включающему в себя программируемый логический контроллер и средства вывода информации на жидкокристаллическую панель.
Рис. 4. Информационно-командный комплекс Praxis
Программируемый логический контроллер с множеством входов позволит обрабатывать информацию и передавать её на жидкокристаллическую панель. Комплекс Praxis предоставляет полную информацию о положении буксира с грузом и о воздействии внешних возмущений. На рис. 5 представлен рулевой комплекс буксира-толкача.
Рис. 5. Тиристорный электропривод
После того как логический контроллер получит информацию от датчиков, обработает и передаст ее на информационно-командный комплекс, оператор получит обработанную информацию о приближающиеся опасности в виде, удобном для её анализа. С информационно-командного комплекса можно будет осуществить изменение курса буксира, подав сигнал на тиристорный преобразователь, который будет формировать управляющее воздействие на основные движители буксира.
Заключение
Динамическое позиционирование тесно связано с динамикой судна, условиями эксплуатации, технологией работ и работоспособностью комплектующего оборудования. Разработка систем автоматического управления этим процессом требует охвата различных областей инженерных знаний, начиная с идеи построения системы, ее структурных и принципиальных схем, моделей движения судна с учетом действующих на него внешних сил, алгоритмов оптимизации
процесса и заканчивая выбором характеристик и размещением оборудования. Анализ структуры и принципов работы систем динамического позиционирования позволил определить направления их усовершенствования. Преимущество предлагаемой системы динамического позиционирования для управления буксиром-толкачем с буксируемым грузом заключается в том, что она оптимизирована с целью повышения эффективности и безопасности доставки груза. Использование современных датчиков и навигационных приборов уменьшает погрешности и увеличивает скорость работы системы в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Романенко Н. Г., Стуров Е. В. Экспериментальная система сбора и хранения информации о движении судна при волнениях на море // Журнал научных и прикладных исследований. 2014. Вып. 3. С. 46-53.
2. Романенко Н. Г., Стуров Е. В. Применение микроконтроллерных систем для оценки действия внешних сил на корпус судна // Научная перспектива. 2014. Вып. 4. С. 200-207.
3. Барахта А. В., Юдин Ю. И. Структура и принципы работы систем динамического позиционирования // Вестн. Мурманск. гос. техн. ун-та. 2009. Т. 12, № 2. С. 255-258.
Статья поступила в редакцию 20.04.2016
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Романенко Николай Геннадьевич - 414056, Россия, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; зав. кафедрой электрооборудования и автоматики судов; nikolayrom@yandex.ru.
Головко Сергей Владимирович - 414056, Россия, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры электрооборудования и автоматики судов; g_s_v_2007@mail.ru.
Сундетов РуминИркенович — 414056, Россия, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры электрооборудования и автоматики судов; rum1_93@mail.ru.
N. G. Romanenko, S. V. Golovko, R. I. Sundetov
SYSTEM OF DYNAMIC POSITIONING FOR OPTIMAL OPERATION OF PUSH TUG BOAT WITH TOWED CARGO
Abstract. The structures and the principles of the operations of the system (systems) of dynamic positioning as a high-frequency complex of control (high-frequency complexes of control) are analysed. The advantage of the presented system of dynamic positioning to operate push tug boat with towed cargo, developed on the basis of the similar existing systems (similar existing system), is its optimization to increase in efficiency and safety of cargo delivery. The proposed technical solution helps to actualize the application of the means of coordination of push tug boat with cargo, complete measurement of external disturbing factors and use all the mobile marine systems and devices as objects of control. The scheme and complete structure of the system are given. Dynamic positioning can be actualized automatically, semi-automatically or manually with the help of the operating commands from control system monitor. The main technical result of the study is an expansion of the functional capacity of the system and also an increase in accuracy and validity of the measurements by means of determination and processing of multiple measurement of the parameters by complex structure of the apparatus. As a result, the operational validity of the system and navigation safety are increased, that helps to obtain the optimal criteria of functioning of the system "complexity-cost-efficiency".
Key words: dynamic positioning system, sensors, logic controller, pusher tug boat.
REFERENCES
1. Romanenko N. G., Sturov E. V. Eksperimental'naia sistema sbora i khraneniia informatsii o dvizhenii sudna pri volneniiakh na more [The experimental system for collection and storage of information about the movement of the ship in rough sea]. Zhurnal nauchnykh iprikladnykh issledovanii, 2014, iss. 3, pp. 46-53.
2. Romanenko N. G., Sturov E. V. Primenenie mikrokontrollernykh system dlia otsenki deistviia vneshnikh sil na korpus sudna [Using microcontroller systems for assessing the effect of external forces on the hull]. Nauchnaia perspektiva, 2014, iss. 4, pp. 200-207.
3. Barakhta A. V., Iudinlu. I. Struktura I printsipy raboty system dinamicheskogo pozitsionirovaniia [Structure and principles of the operations of the systems for dynamic positioning]. Vestnik Murmanskogo gosudar-stvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2009, vol. 12, no. 2, pp. 255-258.
The article submitted to the editors 20.04.2016
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Romanenko Nikolay Gennadievich — 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Head of the Department of Electrical Equipment and Automation of Vehicles; nikolayrom@yandex.ru.
Golovko Sergey Vladimirovich — 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Electrical Equipment and Automation of Vehicles; g_s_v_2007@mail.ru.
Sundetov Rumin Irkenovich — 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department of Electrical Equipment and Automation of Vehicles; rum1_93@mail.ru.
