SYSTEM OF DYNAMIC POSITIONING FOR OPTIMAL OPERATION OF PUSH TUG BOAT WITH TOWED CARGO
Rubrics: TECHNICAL SCIENCES
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Astrakhan State Technical University
3.
Astrakhan; Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 24
to 29
Status:
Published
Received:
10.10.2016
Accepted:
21.02.2020
Published:
14.10.2016
Subject area:
UDK [629.5.051.5:629.5.061.17]:629.561.2
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
Language:
Russian
Keywords:
dynamic positioning system, sensors, logic controller, pusher tug boat
Abstract (English):
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".
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".
Keywords:
dynamic positioning system, sensors, logic controller, pusher tug boat
dynamic positioning system, sensors, logic controller, pusher tug boat
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. 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. Рис. 3. Расположение датчиков 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.
1. Romanenko N. G., Sturov E. V. Eksperimental'naya sistema sbora i hraneniya informacii o dvizhenii sudna pri volneniyah na more // Zhurnal nauchnyh i prikladnyh issledovaniy. 2014. Vyp. 3. S. 46-53.
2. Romanenko N. G., Sturov E. V. Primenenie mikrokontrollernyh sistem dlya ocenki deystviya vneshnih sil na korpus sudna // Nauchnaya perspektiva. 2014. Vyp. 4. S. 200-207.
3. Barahta A. V., Yudin Yu. I. Struktura i principy raboty sistem dinamicheskogo pozicionirovaniya // Vestn. Murmansk. gos. tehn. un-ta. 2009. T. 12, № 2. S. 255-258.
