СИСТЕМА ДИНАМИЧЕСКОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ БУКСИРОМ-ТОЛКАЧЕМ С БУКСИРУЕМЫМ ГРУЗОМ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
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
Текст
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.
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.