ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ОТСЛЕЖИВАНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ СУДНА НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Имеющиеся на рынке системы управления электроприводом для передачи грузов на суда в условиях волнения моря основаны на контактном измерении расстояния между палубой принимающего судна или грузовой платформой и грузом с помощью натянутых тросов или металлических балок. Закрепление устройств слежения занимает много времени и в большинстве случаев является небезопасным для персонала. Предлагаемая экспериментальная установка лишена данных недостатков. Разработаны функциональные схемы систем управления электроприводом грузового крана, а также экспериментальной установки. Экспериментальная установка реализации передачи грузов на качающуюся платформу в целом состоит из микроконтроллера Arduino, ультразвукового датчика измерения расстояния HS-SR04, инфракрасного датчика измерения расстояния Sharp, трехосевого акселерометра MMA7361 и модуля беспроводной связи ZigBEE. В состав установки входят два экспериментальных комплекса. Комплекс № 1 - с использованием сигналов с ультразвуковых датчиков, обеспечивает замедление скорости опускания груза при приближении к платформе/палубе и (или) индикацию машинисту крана. Применение данного комплекса возможно в широком диапазоне погодных условий при выгрузке груза на платформу (плоскость платформы стационарна) и только частично - при погрузке груза с платформы на палубу судна, особенно при сильном волнении водной поверхности (плоскость судна испытывает продольное, поперечное и вертикальное смещение). Комплекс № 2 - с использованием интегрального трехосевого акселерометра емкостного типа в качестве регистратора данных о движении судна и груза на нем. Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения. Подвергнув выходной сигнал однократному или двукратному интегрированию, можно получить скорость и смещение. Осуществляя архивирование данных на бортовом компьютере в реальном времени (а также с момента выхода из точки отправления до точки прибытия), можно получить трехмерную модель (векторную) перемещения датчика и, соответственно, судна. Используя полученные данные, можно оценить динамические воздействия на судно (на различные элементы судна при увеличении количества датчиков) и спрогнозировать необходимость замены крепежных элементов судна.

Ключевые слова:
экспериментальная установка, грузоподъемные операции, микроконтроллер, управление
Текст
Введение Для передачи различных грузов с палубы одного судна на другое или на какое-либо морское сооружение (буровая нефтяная вышка, надводная эстакада или подводное сооружение и т. д.) применяются плавучие, портовые и крановые судовые устройства. Кроме указанных грузоподъемных операций, часто возникает необходимость поддерживать неизменным положение груза, находящегося под водой и подвешенного к судну (например, при работе с аппаратурой для научных исследований, кинокамерами и другими объектами). Разработка и техническая эксплуатация грузопередающих устройств представляют собой комплексную проблему, включающую решение большого числа разнообразных по характеру задач. Главные задачи связаны с обоснованием основных характеристик разрабатываемого устройства и возможности его использования в специфических условиях с целью обеспечить производительность, надёжность и безопасность грузопередачи в открытом море. В области разработки судовых грузопередающих устройств с адаптивными приводами слежения проведены достаточно значительные по своему объёму изыскательные работы. Однако все существующие приводы реализованы на основе устаревших технологий с помощью механических, пневматических, гидравлических, электрических и электрогидравлических механизмов слежения. В связи с этим нами исследуется возможность создания грузопередающего устройства с адаптивным приводом слежения на основе современных разработок в области науки и техники. Анализ и условия работы крановых устройств Для выполнения грузовых и других операций в условиях волнения моря крановые устройства судов и морских сооружений, кроме узлов и механизмов, характерных для грузоподъёмных машин общего назначения, оснащаются следующими дополнительными узлами и механизмами: направляющими устройствами, уменьшающими раскачивание груза и обеспечивающими точную посадку груза в заданное место на палубе принимающего судна; механизмами слежения, обеспечивающими постоянную скорость подъема и опускания груза относительно палубы судна, принимающего груз. Во всех крановых устройствах механизм слежения тем или иным способом связан с грузовой лебёдкой или грузом, что обеспечивает изменение скорости движения груза в зависимости от взаимных перемещений передающего и принимающего грузы судов. В крановых устройствах с электрическими и гидравлическими следящими приводами связь механизма слежения с грузом осуществляется через систему управления, действующую по сигналам о взаимных перемещениях передающего и принимающего грузы судов и требуемой скорости подъёма (опускания) груза. В устройствах конвейерного типа, с шарнирным механизмом, с тормозным механизмом и с грузовыми уравновешивающими механизмами, применяется жёсткая связь с помощью муфт включения, подвижных и неподвижных полиспастных блоков или другими способами. Для перегрузки грузов, требующих особенно осторожного обращения, в крановых устройствах целесообразно применение механизма плавного введения (выведения) груза в режим слежения за палубой принимающего судна, для предотвращения значительных ускорений и ударных нагрузок при введении в режим слежения [1]. Анализ схемы крановых устройств, оборудованных грузовыми уравновешивающими механизмами, позволяет отметить основные недостатки, ограничивающие применение таких устройств на судах: 1) значительное увеличение веса крановых устройств за счёт веса самого противовеса и его направляющих; 2) отсутствие плавного нарастания усилия натяжения направляющего каната при выборке его слабины после закрепления на палубе принимающего судна (не исключено резкое нагружение каната, что сокращает срок его службы и может привести к обрыву); 3) резкие колебания натяжения направляющего каната из-за инерционных сил со стороны противовеса, возникающих при качке судов; 4) опасность, которая может возникнуть для личного состава и груза, т. к. при обрыве направляющего каната платформа-противовес падает. Эксплуатация грузопередающего устройства происходит в условиях динамических воздействий, вызванных необходимостью корректировки скорости опускания груза в зависимости от качки судна, и поэтому при проектировании подобного устройства необходимо уделить особое внимание дополнительным силам инерции, которые являются следствием качки судна и могут достичь сравнительно больших величин. Качка судна на регулярном волнении представляет собой собственное (свободное) колебание твёрдого тела, перемещения которого сопровождаются появлением усилий, пропорциональных величине этих перемещений, стремящихся вернуть его в исходное положение равновесия. Эти условия, т. е. реакция упругих связей твёрдого тела, представляются в данном случае в виде добавочных сил плавучести корпуса, возникающих при изменении величины или формы погруженного в воду его объёма. С этой точки зрения судно представляет собой твёрдое тело с тремя степенями свободы, имеющее, следовательно, такое же число главных свободных колебаний, а именно: - боковую (бортовую) качку, т. е. колебательное вращение около продольной оси; - килевую качку, т. е. колебательное вращение около поперечной оси; - вертикальную качку, т. е. колебательное перемещение в вертикальном направлении. Остальные три возможных перемещения судна как твёрдого тела, т. е. его поворот около вертикальной оси и два перемещения в горизонтальном направлении, не могут носить характер колебательного движения, т. к. они не сопровождаются изменением величины или формы подводного объёма корпуса. Разработка экспериментальной установки Рассмотрим функциональные схемы двух экспериментальных установок. Первая из разрабатываемых экспериментальных установок необходима для того, чтобы оценить целесообразность и возможность реализации проекта по применению ультразвуковых (УЗ) датчиков измерения расстояния на настоящих грузоподъемных механизмах. Устройство будет состоять из асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, управляемым контроллером через преобразователь частоты. На контроллер сигнал поступает от задающего устройства, с помощью которого осуществляется регулировка скорости опускания груза, и от УЗ-датчиков, сигналы которых осуществляют коррекцию скорости опускания груза в соответствии с колебаниями судна на поверхности моря. Функциональная схема устройства представлена на рис. 1. Рис. 1. Функциональная схема: ЗУ - задающее устройство; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; К - контроллер; ПЧ - преобразователь частоты; АД - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором; УЗД - ультразвуковой датчик В нашем случае задающий сигнал на опускание груза подается машинистом крана. Через систему управления электрический двигатель начинает раскручивать барабан, опуская (поднимая) груз. УЗ-датчики измерения расстояния, находящиеся на самом грузе или на крепежных элементах (гаках), с помощью микроконтроллера и беспроводного модуля XBee подают сигнал на беспроводной модуль-координатор. Через экран, находящийся в кабине машиниста, подается информация о расстоянии до палубы судна, на которое перемещается груз. Получая информацию с УЗ-датчиков измерения расстояния, возможно настроить ограничение скорости спуска по мере приближения к палубе. На основе получаемой таким образом информации машинист может скорректировать скорость или движение груза. Однако осуществим вариант, когда расстояние до палубы составляет определенное заданное значение, микроконтроллер самостоятельно выдаст сигнал (на преобразователь частоты или через реле) на систему управления, и груз опустится автоматически, с замедлением скорости, в зависимости от колебания платформы (палубы) судна. Вторая система, основанная на акселерометре, предназначена для записи движений и колебаний судна и фактически будет выступать в роли бортового самописца, а также может быть использована как вариант, альтернативный системе с датчиками расстояния. Функциональная схема такой системы представлена на рис. 2. Рис. 2. Схема устройства на основе трехосного акселерометра MMA7361 Сигнал с акселерометра поступает на микроконтроллер и с него в конечном итоге - на MicroSD-карту или персональный компьютер. Далее построим экспериментальную систему для отслеживания положения судна при передаче на него грузов в условиях волнения моря. Для этого сконструируем несколько установок, которые в целом будут выполнять ту или иную функцию, для обеспечения функциональности работы системы в целом [2]. Экспериментальная установка реализации передачи грузов на качающуюся платформу в целом состоит: - из микроконтроллера Arduino; - УЗ-датчика измерения расстояния HS-SR04; - инфракрасного (ИК) датчика измерения расстояния Sharp; - трехосевого акселерометра MMA7361; - модуля беспроводной связи ZigBEE. Схема разрабатываемого экспериментального комплекса представлена на рис. 3. Рис. 3. Схема разрабатываемого экспериментального комплекса: ЭП - электропривод Рассмотрим каждый элемент в отдельности. Основой рассматриваемой экспериментальной установки является контроллер Arduino [3]. Arduino - это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств. Платформа пользуется огромной популярностью благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Устройство программируется через USB без использования программаторов. Микроконтроллер на плате программируется при помощи языка Arduino (основан на языке Wiring) и среды разработки Arduino (основана на среде Processing). Существует несколько версий платформ Arduino. Последняя версия - Leonardo -базируется на микроконтроллере ATmega32u4. Uno, как и предыдущая версия - Duemilanove, построена на микроконтроллере Atmel ATmega328. Старые версии платформы Diecimila и первая рабочая Duemilanoves были разработаны на основе Atmel ATmega168, более ранние версии использовали ATmega8. Arduino Mega2560, в свою очередь, построена на микроконтроллере ATmega2560. Ниже представлены основные версии плат Arduino: - Due - новая плата на базе ARM микропроцессора 32bit Cortex-M3 ARM SAM3U4E (релиз ожидается в конце октября 2012 г.); - Leonardo - последняя версия платформы Arduino на микроконтроллере ATmega32u4. Отличается разъемом microUSB, по размерам совпадает с Uno; - Micro - новое компактное решение на базе ATmega32u4; - Uno - самая популярная версия базовой платформы Arduino USB. Uno имеет стандартный порт USB. Arduino Uno во многом сходна с Duemilanove, но имеет новый чип ATMega8U2 для последовательного подключения по USB и новую, более удобную маркировку вход/выходов. Платформа может быть дополнена платами расширения, например пользовательскими платами с различными функциями. Для нашей экспериментальной установки будет использоваться микроконтроллер Arduino Uno R3. Для того чтобы было возможно отслеживать расстояние до объекта (в нашем случае - палуба судна), а также рассчитывать модель его поведения в пространстве, необходимо подключить к микроконтроллеру датчик измерения расстояния. Далее рассмотрим два датчика, базирующиеся на основных принципах взаимодействия с объектом: УЗ- и ИК-датчик. УЗ-датчик измерения расстояния HC-SR04 (Ultrasonic ranging module HC-SR04) представлен на рис. 4. HC-SR04 - это помещенные на одну плату приемник и передатчик УЗ-сигнала. Кроме самих приемника и передатчика, на плате находится еще и необходимая обвязка [4]. Рис. 4. Внешний вид УЗ-датчика HC-SR04 Принцип работы датчика: сенсор излучает короткий УЗ-импульс (в момент времени 0), который отражается от объекта и принимается сенсором. Расстояние рассчитывается исходя из времени до получения эха и скорости звука в воздухе, таким образом, сенсор получает сигнал эха и выдаёт расстояние, которое кодируется длительностью электрического сигнал на выходе датчика (echo). Следующий импульс может быть излучён только после исчезновения эха от предыдущего. Это время называется периодом цикла (cycle period). Рекомендованный период между импульсами должен быть не менее 50 мс. Внешний вид датчика, подключенного к микроконтроллеру, представлен на рис. 5. Рис. 5. Внешний вид датчика, подключенного к микроконтроллеру Далее проверим работоспособность в данной системе ИК-датчика измерения расстояния Sharp. Работает сенсор по тому же принципу триангуляции, что и похожие сенсоры SHARP. Импульс света (в ИК-диапазоне длина волны 850 ± 70 нм) излучается и отражается обратно от препятствия (или не отражается). Угол падения возвращаемого светового луча зависит от расстояния до отражающего объекта. Триангуляция работает путём обнаружения этого отражённого луча и определения угла отражения, из которого уже может быть определено расстояние (рис. 6). Рис. 6. Графическая интерпретация метода триангуляции (слева) и внешний вид ИК-датчика измерения расстояния Sharp (справа) Датчик имеет специальный ИК-объектив, который принимает отражённый ИК-луч на специальную ПЗС-матрицу (CCD array). На основе данных ПЗС-матрицы определяется угол отражения, который затем используется для расчёта дальности. Соответствующее значение дальности подаётся на аналоговый выход сенсора и может быть считано нашим микроконтроллером [5]. Для избавления от возможных помех сенсоры SHARP излучают ИК-сигнал с модулированной частотой. Это позволяет практически полностью застраховаться от помех от окружающего света. Кроме того, датчики показывают почти полное безразличие к цвету объекта обнаружения (датчик способен обнаруживать чёрные стены при солнечном свете). Остановимся более подробно на принципе работы акселерометра. Он основан на изменении ёмкости трех микромашинных конденсаторов, реализованных на единой пластине кремния, каждый из которых отвечает за одно из направлений - X, Y и Z. В результате воздействия ускорения на подвижные обкладки конденсаторов изменяется величина емкости, которая затем преобразуется в напряжение. Далее сигналы в каждом из трёх каналов усиливаются, проходят через фильтры низких частот и каскады температурной компенсации и поступают на соответствующие выходы X, Y и Z. Точка среза фильтра низких частот и корректировка смещения нуля при g = 0 реализованы с помощью лазерной подгонки номиналов элементов заводом, имеют фиксированное значение и не требуют компонентов внешней обвязки. Реализованный спящий режим делает изделие MMA7361 идеальным для применения в проектах с батарейным питанием. На рис. 7 представлен внешний вид акселерометра, подключенного к микроконтроллеру. Рис. 7. Внешний вид трехосевого акселерометра MMA7361, подключенного к микроконтроллеру Реализация беспроводной связи между микроконтроллерами осуществляется на основе технологии ZigBee стандарта 802.15.4. Беспроводные сети на базе стандарта IEEE 802.15.4 представляют собой альтернативу проводным соединениям в распределенных системах мониторинга и управления и отличаются более гибкой архитектурой, требуют меньших затрат при их установке и эксплуатации [6]. Платформа ZigBee компании Freescale Semiconductor имеет полноценный МАС-уровень, сетевой уровень и уровень приложений от компании Figure8Wireless полностью соответствуют спецификации стека ZigBee и позволяют создавать ZigBee-совместимые устройства на базе микросхемы приемопередатчика МС13192 2,4 ГГц. Компания Figure8Wireless предоставляет набор программных средств разработки приложений Z-Tool для работы со стеком ZigBee. Поддерживаются топологии типа «точка-точка», «звезда», «кластерное дерево» и «многоячейковая сеть», поддерживается также параллельная работа сетей. Для разработки сетей ZigBee компания Freescale Semiconductor рекомендует воспользоваться отладочным набором ZigBee Evaluation Kit (13192EVK-A00). Набор включает две платы SARD, три отладочные платы ZigBee/802.15.4 и позволяет моделировать сети ZigBee с топологиями любых типов. В комплект входит также программное обеспечение IEEE 802.15.4 D18 MAC, набор инструментальных программ для работы со стеком ZigBee, примеры готовых решений, документация, кабель USB BDM, другие кабели и т. д. В комплекте следует выделить устройство Zigbee Sniffer, с помощью которого можно сканировать эфир на любом из каналов в диапазоне 2,4 ГГц, что крайне необходимо при разработке сложных сетей. Для передачи информации, полученной с входов одного Arduino на компьютер (возможна также передача данных на другой микроконтроллер), необходимо создать беспроводную сеть, состоящую из контроллера-координатора и контроллера - конечного устройства. Для начала необходимо настроить беспроводной модуль, который будет передавать сигнал с микроконтроллера с УЗ-датчиком измерения расстояния. Для этого понадобится сам модуль ZigBee (Xbee), SparkFun-контроллер для его прошивки, а также плата расширения для Arduino (Xbee Shield). Для того чтобы загрузить прошивку (код) на беспроводной модуль (он будет выполнять роль координатора), необходимо установить на компьютер программное обеспечение XCTU. В первую очередь необходимо настроить беспроводную передачу сигнала между УЗ-датчиком измерения расстояния, подключенным к Arduino Coordinator, и приемником End Device, которым в данном случае будет персональный компьютер. Для реализации подобной схемы понадобятся: 1. XBee Series - 2 модуля. Абсолютно так же подойдёт Pro-версия. 2. Arduino Uno. 3. I/O Shield. 4. XBee-USB-адаптер. Для прошивки используем программу X-CTU. На рис. 8 представлен внешний вид XBee-модуля. Рис. 8. Внешний вид XBee-модуля, установленного на I/O Shield Таким образом, задав несколько XBee-модулей как End Device, можно организовать сеть, которая будет передавать данные на одно устройство - Coordinator. В нашем случае конечные устройства (End Device AT) - это УЗ-датчики измерения расстояния. Координатор - микроконтроллер, установленный, например, в кабине машиниста крана, с которого будут рассылаться сигналы на экран, световую индикацию или непосредственно на систему управления электроприводом. Заключение Таким образом, нами разработаны функциональные схемы двух экспериментальных установок. Первая установка, на основе УЗ-датчиков измерения расстояния, обеспечивает замедление скорости опускания груза при приближении к платформе и (или) индикацию машинисту крана. Вторая установка, с трехосевым акселерометром, дает возможность собирать статистические данные о движении судна и груза на нем и в итоге прогнозировать сроки и необходимость замены крепежных элементов на судне. Одновременное использование обеих рассмотренных систем позволит не только обезопасить сам процесс передачи груза непосредственно с платформы на судно, но и обеспечить сбор информации по самому кораблю, занятому в грузоподъемных операциях На основе микроконтроллера Arduino, УЗ- и ИК-датчиков измерения расстояния, трехосевого акселерометра собраны экспериментальные системы, показывающие работу всего разрабатываемого комплекса. Использование уменьшенной модели позволяет оценить возможность установки и работоспособности системы большего размера (например, с более мощными датчиками измерения расстояния) на настоящих судах. С использованием технологии стандарта ZigBEE/XBee-модулей данная система построена только на беспроводной основе.
Список литературы

1. Романенко Н. Г. Экспериментальная система сбора и хранения информации о движении судна при волнениях на море / Н. Г. Романенко, Е. В. Стуров // Журнал научных и прикладных исследований. 2014. Вып. 3. С. 46-53.

2. Белоусенко И. В. Новые технологии и современное оборудование в электроэнергетике нефтегазовой промышленности / И. В. Белоусенко, Г. Р. Шварц, С. Н. Великий, М. С. Ершов, А. Д. Яризов. М.: Недра-Бизнесцентр, 2007. 478 с.

3. URL: http://robocraft.ru/blog/arduino/.

4. URL: http://robocraft.ru/blog/electronics/772.html.

5. URL: http://robocraft.ru/blog/electronics/770.html.

6. URL: http://www.konvir.ru/zigbee_interface.