Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные способы и средства комплексной автоматизации судна 12
1.1 Автоматизация судов с колёсным движительно-рулевым комплексом 12
1.2 Способы определения расхода топлива судовых ДВС в эксплуатационных режимах 17
1.3 Способы определения мощности судовых ДВС в эксплуатационных режимах 26
1.4 Автоматизированные системы мониторинга судов 31
1.5 Выводы по главе 1 33
ГЛАВА 2. Разработка математической модели комплекса корпус – СЭУ – КДРК – система управления и синтез алгоритма автоматического управления движением судна с КДРК на заданной траектории 35
2.1 Математическая модель комплекса корпус - СЭУ - КДРК 35
2.2 Моделирование процесса потребления топлива в различных эксплуатационных режимах судна с КДРК 46
2.3 Исследование устойчивости и качества подсистемы автоматического управления удержанием судна с КДРК на заданной траектории при изменений условия плавания 50
2.4 Оптимизация переходных процессов подсистемы автоматического управления при удержании судна с КДРК на заданной траектории 60
2.5 Выводы по главе 2 65
ГЛАВА 3 . Информационное и техническое обеспечение комплексной системы контроля, управления и мониторинга судна с КДРК 66
3.1 Функциональная структура комплексной системы контроля, управления и мониторинга судна с КДРК 66
3.2 Подсистема автоматического удержания судна с КДРК на заданной траектории 69
3.3 Подсистема контроля расхода топлива и эффективной мощности СЭУ в условиях эксплуатации 71
3.4 Подсистема мониторинга с использованием нового канала передачи технологической и управленческой информации в направлениях судно – берег и берег – судно 76
3.5 Выводы по главе 3 80
ГЛАВА 4. Разработка и внедрение комплексной системы контроля, управления и мониторинга судна с КДРК 81
4.1 Разработка и испытание лабораторного образца судовой системы мониторинга технологических параметров и обмена оперативной информацией 81
4.2 Внедрение лабораторного образца судовой системы мониторинга технологических параметров и обмена оперативной информацией в учебный процесс 94
4.3 Разработка подсистемы контроля расхода топлива и эффективной мощности колесного дизель-электрохода 97
4.4 Общая структура комплексной системы контроля, управления и мониторинга судна с КДРК 108
4.5 Выводы по главе 4 113
Заключение 114
Список источников литературы
- Способы определения мощности судовых ДВС в эксплуатационных режимах
- Оптимизация переходных процессов подсистемы автоматического управления при удержании судна с КДРК на заданной траектории
- Подсистема контроля расхода топлива и эффективной мощности СЭУ в условиях эксплуатации
- Внедрение лабораторного образца судовой системы мониторинга технологических параметров и обмена оперативной информацией в учебный процесс
Введение к работе
Актуальность темы. Эффективность эксплуатации флота является одним из основных факторов, определяющих развитие водного транспорта. Реализация задач эффективного управления флотом на сегодня немыслима без комплексной автоматизации судна, включающей контроль и управление техническими средствами, автоматизацию движения, дистанционный контроль судоходства и технологических параметров с берега (диспетчерскими службами и судовладельцами). Оценивая накопленный опыт внедрения систем автоматического контроля, управления и мониторинга для различных типов судов, можно отметить, что этому вопросу посвящено большое количество работ, где, в основном, рассматриваются морские суда или суда серийных проектов с классическими пропульсивными установками и рулевыми системами.
В настоящее время появился новый класс судов с колёсным движительно-рулевым комплексом (КДРК) (Российский патент №2225327 от 30.11.2001). Современный колёсный теплоход характеризуется новыми научными идеями, современными технологиями, что требует применения новых подходов к автоматизации судов с КДРК. Задача создания систем контроля, управления и мониторинга колёсного теплохода требует глубокого изучения и анализа динамических характеристик судна нового типа в разных эксплуатационных режимах и при реализации различных алгоритмов управления, разработки и обоснования новых методов, способов и средств получения исходной информации для реализации отдельных подсистем комплексной автоматизированной системы судна с КДРК. Поэтому задача разработки, исследования, практического применения математических моделей, методов, алгоритмов и подсистем для реализации процессов контроля, управления и мониторинга судов с КДРК является весьма актуальной.
Объектом исследования являются суда с новым типом движительно-рулевого комплекса - КДРК.
К предмету исследования относятся процессы контроля, управления и мониторинга судна с КДРК и технические решения для их реализации.
Цель диссертационной работы заключается в повышении эффективности и безопасности эксплуатации судов с КДРК за счет разработки систем контроля, управления и мониторинга. В теоретическом плане – создание математической модели и комплексное исследование динамики судна нового типа, синтез алгоритма автоматического управления, разработка и обоснование методов измерения параметров судовой энергетической установки (СЭУ) и передачи данных на берег. В практическом плане – создание на базе теоретических исследований алгоритмического и программно-аппаратного обеспечения систем контроля, управления и мониторинга.
В связи с этим необходимо решить следующие задачи:
разработать математическую модель комплекса корпус – СЭУ – КДРК – система управления, позволяющую проводить оптимизацию алгоритмов управления комплексом по совокупности качественных показателей процесса управления и расходу топлива;
исследовать области устойчивости и влияние внешних воздействий на динамические характеристики подсистемы удержания судна с КДРК на заданной траектории;
синтезировать алгоритм управления, обеспечивающий сочетание высоких качественных показателей процесса удержания судна с КДРК на заданной траектории с минимизацией расхода топлива;
провести теоретическое обоснование методов контроля расхода топлива и эффективной мощности СЭУ в условиях эксплуатации и разработать способы их реализации;
обосновать применение нового канала передачи технологической и управленческой информации в направлениях судно – берег и берег – судно для подсистемы мониторинга судна;
разработать структуру подсистем автоматического управления удержанием судна с КДРК на заданной траектории, контроля расхода топлива и эффективной мощности СЭУ в условиях эксплуатации, мониторинга судна;
разработать структуру комплексной автоматизации судна с КДРК, выполняющей функции контроля и дистанционного управления механизмами и агрегатами, автоматического управления движением на заданной траектории, сбора и передачи с судна на берег технологических, управленческих и навигационных данных;
создать лабораторный образец судовой системы мониторинга технологических параметров и обмена оперативной информацией и провести натурные испытания;
решить ряд практических задач по созданию и внедрению подсистемы контроля расхода топлива и эффективной мощности СЭУ на суда с КДРК.
Теоретическую и методическую базу работы составляют подходы и инструментарий теории судовых двигателей внутреннего сгорания, теории автоматического управления, информационные технологии, вычислительный эксперимент с апробацией результатов в натурных и лабораторных условиях.
При проведении исследований автор базировался на материалах публикаций Алексеева Н.А., Брука М.А., Ваганова А.Б., Варбанца Р.А., Возницкого И.В., Грошевой Л.С., Звонцова В.А., Ивановского В.Г., Кулибанова Ю.М., Маринича А.Н., Перевезенцева С.В., Платова А.Ю., Плющаева В.И., Рихтера А.А., Чернышова А.В. и др.
Научная новизна диссертационной работы включает следующие выносимые на защиту компоненты:
- разработана математическая модель комплекса корпус – СЭУ – КДРК –
система управления, позволяющая проводить оптимизацию алгоритмов
управления комплексом по совокупности качественных показателей процесса управления и расходу топлива;
результаты исследования областей устойчивости и влияния внешних воздействий на динамические характеристики подсистемы удержания судна с КДРК на заданной траектории;
алгоритм управления, обеспечивающий сочетание высоких качественных показателей процесса удержания судна с КДРК на заданной траектории с минимизацией расхода топлива;
метод контроля расхода топлива и эффективной мощности СЭУ в условиях эксплуатации;
обоснование нового канала передачи технологической и управленческой информации в направлениях судно – берег и берег – судно.
Обоснованность и достоверность обеспечена результатами широких компьютерных экспериментов, сопоставленными с результатами натурных испытаний.
Практическая ценность. Результаты проведённой работы могут быть использованы при разработке комплексных систем контроля, управления и мониторинга как судов с КДРК, так и судов других типов, обеспечивающих контроль и управление техническими средствами, автоматизацию управления, а также сбор и передачу береговым центрам технологических и навигационных данных, обмен информацией по обеспечению безопасности и оперативному управлению.
Реализация результатов. Материал диссертации представляет собой теоретическое обобщение подходов к решению практических задач создания систем контроля, управления и мониторинга судов с КДРК.
Созданы и внедрены:
1. Лабораторный образец судовой системы мониторинга технологических параметров и обмена оперативной информацией. Установлен в лаборатории ВГУВТа и внедрён в учебный процесс для обучения студентов и специалистов
отрасли навыкам проектирования и эксплуатации перспективных образцов судовых информационных систем.
2. Модернизированная автоматизированная подсистема контроля и управления судовыми механизмами и агрегатами с функцией определения расхода топлива и эффективной мощности СЭУ в эксплуатации. Смонтирована на теплоходе «ДоброходЪ» и принята для эксплуатации.
Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержание работы, получены автором самостоятельно. Научные результаты, полученные автором в соавторстве, отражены в источниках научно-технической информации. Практические результаты получены в составе коллектива разработчиков.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на семинарах кафедры, на технических совещаниях с представителями владельца судов, на научно-технических совещаниях с представителями Росморречфлота, на научно-технических конференциях:
15-м международном научно-промышленном форуме «Великие реки-2013» (Нижний Новгород, май 2013), 16-м международном научно-промышленном форуме «Великие реки-2014» (Нижний Новгород, май 2014), 17-м международном научно-промышленном форуме «Великие реки-2015» (Нижний Новгород, май 2015), 52-й международной научной студенческой конференции «МНСК-2014» (Новосибирск, апрель 2014), 20-й Нижегородской сессии молодых учёных (Арзамасский р-н, март 2015)
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 10 работах, в том числе 2 публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем составляет 127 стр., включая 84 стр. основного текста, 30 рисунков, 13 стр. библиографии, содержащей 120 наименований, и 4 стр. приложений, включающих акты внедрений.
Способы определения мощности судовых ДВС в эксплуатационных режимах
Современное судно характеризуется высокой степенью автоматизации технологических процессов. Внедрение автоматизации на судах повышает эффективность и безопасность эксплуатации флота за счёт улучшения технико-эксплуатационных характеристик судна, регулярного контроля за основными техническими и навигационными параметрами, поддержания оптимальных режимов работы контролируемого оборудования [20,92,104].
Массовое внедрение автоматизации на судах началось с появлением микропроцессоров и микроЭВМ [8,36,108,112,114,115,116]. Использование микропроцессорных систем управления (МПСУ) позволило перейти от централизованной обработки информации на больших ЭВМ к распределённой на локальных управляющих вычислительных машинах. По сравнению с другими средствами автоматизации, МПСУ с распределенными функциями управления имеют низкую стоимость, малые габариты, гибкость структуры (широкие возможности по модернизации и развитию), высокую надежность – система функционирует при выходе из строя любой локальной станции и наоборот, автономность локальных станций позволяет управлять объектами при неисправностях в центральных узлах системы [1, 12, 56, 117].
Современные судовые автоматизированные системы управления (АСУ) имеют общие принципы построения: иерархическая (как правило, трёхуровневая) структура с распределённой обработкой информации. На первом (верхнем) уровне структуры АСУ выполняется общий контроль и управление всеми технологическими процессами. Верхний уровень реализуется на операторских станциях (пульт управления в рулевой рубке) с интерфейсами для связи с подконтрольными системами. На данном уровне объединяются компоненты, расположенные на нижних уровнях, в единый технологический комплекс, а также обеспечивается связь системы с человеком. Для обеспечения надежности, в основном, используются операторские станции, дублирующие друг друга. На втором уровне обеспечивается централизованное управление и контроль автономных технологических процессов. Данный уровень состоит из локальных станций, выполненных на базе микропроцессорной техники, территориально размещенных непосредственно у объекта управления. На третьем (нижнем) уровне реализуется первичная обработка информации, локальное управление и местный контроль отдельных технических средств [3,5,7,63,109].
Данный принцип построения современных судовых АСУ использован при создании подсистемы контроля и дистанционного управления механизмами и устройствами теплохода с колёсным движительно-рулевым комплексом (КДРК) проекта ПКС – 40 (в разработке этой системы автор принимал непосредственное участие) [68]. Такого типа суда впервые строят в нашей стране: применено новое архитектурно – конструктивное решение корпуса, особенностью которого является малая осадка (60см); используется движительно-рулевой комплекс, включающий два кормовых гребных колёса, приводимых в движение независимыми электроприводами (асинхронными двигателями, управляемыми частотными преобразователями). У судов данного типа отсутствует традиционный руль, поэтому управление курсом происходит за счёт изменения частоты вращения гребных колёс. Именно эта конструкция способна обеспечить высокую маневренность и управляемость за счёт высокой чувствительности судна к управляющим воздействия на приводы гребных колёс, а также возможность эксплуатации на мелководье (участках, непредназначенных для прохождения винтовыми теплоходами). Особенности проекта ПКС-40 обусловили необходимость создания оригинальной подсистемы контроля и дистанционного управления (ПКДУ) пассажирским колёсным теплоходом [79] . Естественным продолжением развития такой системы является расширение её функциональных возможностей, повышающих эффективность и безопасность эксплуатации судна. Реализация задач безопасного и эффективного во всех смыслах управления флотом на сегодня немыслима без автоматизации процесса управления судном и дистанционного контроля различных параметров с берега (например, диспетчерскими службами и судовладельцами). Поэтому актуальной задачей является разработка подсистем автоматического управления движением и мониторинга колёсного теплохода нового типа, а также их интеграция в единый взаимосвязанный технологический комплекс для обеспечения эффективной и безопасной эксплуатации судов с КДРК.
Автоматическое управление движением является неотъемлемой частью современного судовождения. Основной целью внедрения в повседневную практику судоходства технических средств, вычислительной и информационной техники, способных обрабатывать данные и принимать решения, являются повышение безопасности плавания [17-19,29,75] и улучшение технико-экономических показателей (в том числе, за счёт экономии топлива – основного источника эксплуатационных расходов на судне) [11]. Решение проблем, связанных с безопасностью управления, очень актуально для колёсных теплоходов проекта ПКС-40 со специфическими, присущими только этому проекту особенностями, такими как малая осадка, большая парусность, отсутствие традиционного руля, использование двух независимых приводов гребных колёс. Это приводит к высокой чувствительности судна с КДРК к перекладкам органов управления и внешним возмущающим факторам (ветер, течение), что снижает безопасность плавания и приводит к избыточному вмешательству судоводителя в процесс управления, последствиями которого служат повышенный расход топлива и преждевременный износ приводов гребных колёс. Поэтому повышение качества управления за счёт автоматизации для судна с КДРК является актуальной задачей.
Традиционные алгоритмы (например, [87,110,111]), применяемые в судовых подсистемах автоматического управления движением винтового судна, не подходят для реализации на теплоходах с колёсным движительно-рулевым комплексом, в связи с особенностями судов проекта ПКС-40, указанными выше. Синтез нового алгоритма управления требует проведения всесторонних исследований динамики комплекса подсистема управления – корпус – СЭУ – КДРК с целью обоснования параметров подсистемы управления, обеспечивающей высокие качественные показатели процесса управления и снижение расхода топлива в различных эксплуатационных режимах. В [43] предложена математическая модель судна с КДРК. Модель даёт возможность изучения динамических характеристик судна и колёсного движителя. Однако в модели отсутствует описание судовой энергетической дизель-генераторной установки, что не позволяет на этапе моделирования изучить характер изменений параметров СЭУ (развиваемой мощности, момента, расхода топлива) при реализации разных алгоритмов управления, а также предложить пути оптимизации расхода топлива в различных эксплуатационных режимах. Решение этой задачи требует разработки математической модели энергетического комплекса судна с КДРК, которая позволит детально изучить динамические характеристики колесного теплохода при реализации алгоритмов удержания судна на заданной траектории в различных условиях эксплуатации, обеспечивающих минимизацию расхода топлива и обосновать параметры системы управления. Реализация алгоритма автоматического управления удержания судна с КДРК на заданной траектории существенно повысит эффективность и безопасность эксплуатации колёсного теплохода.
Оптимизация переходных процессов подсистемы автоматического управления при удержании судна с КДРК на заданной траектории
В настоящее время применяются автоматизированные системы мониторинга, обеспечивающие передачу информации о судне на берег, что позволяет судовладельцу вести удалённый online – контроль, планирование и управление. Существуют разные подходы к организации связи с судами, набору передаваемых данных и используемым каналам связи. Крупнейшая в мире отраслевая система мониторинга (ОСМ) водных биологических ресурсов, наблюдения и контроля за деятельностью промысловых судов [48, 67, 89, 91], под контролем которой находятся более 3500 судов, получает информацию о позициях судов по каналам спутниковых систем Inmarsat и Argos.
Для контроля промысловых районов Северо – Восточной Атлантики, Баренцева, Балтийского, Чёрного и Каспийского морей в Мурманске введён в эксплуатацию центр отраслевой системы мониторинга рыболовства и водных биоресурсов [66], который по перечню решаемых задач и технической оснащённости является основным элементом Российской системы производственно – экологического мониторинга рыболовства. Функционирование системы основано на использовании спутниковых систем Inmarsat – С/GPS и Argos.
Глобальная национальная судовая система мониторинга «Виктория» [6,30,35,51], осуществляющая передачу в реальном масштабе времени различных навигационных данных, рассылку циркуляров и обмен сообщениями электронной почты, также построена на основе системы спутниковой связи Inmarsat.
Подобные системы мониторинга отслеживают различную навигационную информацию (координаты, скорость, курс) и не предназначены для передачи технологических параметров судовых систем и механизмов.
В системе диспетчеризации и мониторинга речного/морского транспорта TRITON M предусмотрен контроль параметров узлов и агрегатов судна: расхода топлива, температуры масла и охлаждающей жидкости, давления масла дизеля, температуры выхлопных газов в каждом цилиндре дизелей, уровня заряда аккумулятора. Эти параметры, совместно с данными c системы спутникового позиционирования о собственном местоположении и скорости судна, накапливаются в процессе работы бортовым контроллером, который формирует информационные пакеты и с заданной периодичностью отправляет в диспетчерский центр по каналу беспроводной связи. Для доставки информации используются сети GSM/CDMA, каналы спутниковой связи Globalstar, каналы спутниковой связи Inmarsat, сети транкинговой связи. Ведущая компания транспортной индустрии Транзас реализует аналогичные системе TRITON M возможности. Компания предлагает новый подход к организации связи для передачи технологической информации - с использованием автоматической идентификационной системы (АИС) [52,53,65]. Это означает, что отпадает необходимость в аренде каналов связи, однако в предлагаемой системе предполагается использование дополнительных модулей АТОН АИС на двух дополнительных АИС частотах, что требует развертывания дополнительной сети приемного оборудования на берегу.
Непрерывное развитие беспроводных технологий привело к новым возможностям организации связи на воде – с применением сотовой связи GSM (в т.ч. режима GPRS). Беспроводная связь обеспечивает качественную коммуникацию в городах, крупных населённых пунктах. Однако пока не обеспечивает полное покрытие водных путей даже европейской части РФ и существует большая вероятность оказаться вне зоны обхвата базовых станций. При организации мониторинга судна посредством связи GSM, могут возникнуть проблемы с получением данных в режиме реального времени при перемещении в зонах обслуживания разных операторов.
Таким образом, можно отметить следующие проблемы при организации связи на ЕГС ВВП и недостатки существующих систем мониторинга судов: - высокая стоимость судового оборудования при использовании спутниковой связи; - высокая стоимость передачи данных с судна на берег для спутниковых каналов связи; - высокая абонентская плата в GSM-сетях передачи данных (роуминг) и неполное покрытие внутренних водных путей; - организация новых каналов передачи данных с судна на берег требует создание дорогостоящей инфраструктуры берегового сегмента для приёма, обработки и распределения информации заинтересованным потребителям. Важнейшей задачей при создании систем мониторинга является обоснование и реализация надёжного и эффективного канала связи судно – берег.
Анализ технической литературы позволяет сделать следующие выводы: - реализация задачи эффективной и безопасной эксплуатации современного флота на сегодня немыслима без комплексной автоматизации судна, включающей контроль и управление техническими средствами, автоматизацию движения и дистанционный контроль судоходства и технологических параметров судна с берега; - актуальной задачей является разработка и внедрение комплексной системы контроля, управления и мониторинга для нового класса судов с КДРК; - решение задачи создания подсистемы автоматического управления движением судна с КДРК, обеспечивающей оптимизацию расхода топлива, требует разработки математической модели энергетического комплекса судна с КДРК, позволяющей проводить оценку величины расхода топлива и мощности в разных эксплуатационных режимах и при реализации различных алгоритмов управления, а также проведения компьютерного моделирования для всестороннего изучения динамических характеристик судна с КДРК в различных эксплуатационных режимах, обоснования параметров системы автоматического управления процессом удержания судна с КДРК на заданной траектории; - для обеспечения эффективного использования топлива требуется разработка методов контроля расхода топлива и создание программно-аппаратного комплекса подсистемы контроля расхода топлива для судна с КДРК. Для повышения надёжности и исключения возможности манипуляций с данными целесообразно использовать в подсистеме сочетание различных методик измерения расхода – прямого (измерение уровня в топливных цистернах) и косвенного (по положению рейки топливного насоса и оборотам вала дизеля, по электрическим параметрам судовой электростанции); - применяемые в настоящее время системы мониторинга водного транспорта для передачи технологической информации с судна на берег используют дорогостоящие каналы связи и неразвитую береговую структуру доставки информации потребителям. Важной задачей является обоснование нового способа передачи технологической информации между судном и берегом и реализация на его основе подсистемы мониторинга судна для внутренних водных путей. ГЛАВА 2. Разработка математической модели комплекса корпус – СЭУ – КДРК – система управления и синтез алгоритма автоматического управления движением судна с КДРК на заданной траектории
Подсистема контроля расхода топлива и эффективной мощности СЭУ в условиях эксплуатации
Флот России оборудуется автоматическими идентификационными системами (АИС), позволяющими судам в реальном времени обмениваться навигационной и рейсовой информацией (название судна, MMSI, координаты, скорость, курс, пункты назначения и др.). Владение судоводителями этой информацией повышает безопасность судоходства, особенно на сложных участках (при совершении маневров, расхождениях и других ситуациях). Одновременно развёрнута сеть береговых базовых станций АИС, обеспечивающая формирование единого поля АИС на единой глубоководной системе европейской части России. Сеть береговых станций принимает информацию с судов и передаёт её в диспетчерские пункты. Это позволяет диспетчерам иметь полную картину судоходной обстановки соответствующего участка на своём мониторе. Вся информация по европейской части единой глубоководной системы стекается в центральный диспетчерский пункт в г. Нижний Новгород. Диспетчеры с использованием АИС могут не только собирать информацию, но и осуществлять адресные и циркулярные рассылки сообщений по безопасности на проходящие суда. Обмен информации в сети АИС осуществляется на выделенных международных частотах в диапазоне 156,025 – 162,025 МГц. Информация о судне, его местонахождении и параметрах движения автоматически или по запросу передается другим судам (сообщение №1) или береговым службам (сообщение №3,5) [52,65].
АИС создавались с расчетом интенсивного судоходства, т.е. в радиообмене могут участвовать несколько сотен судов (на двух частотных каналах АИС за минуту можно передать 4500 однослотовых сообщений). Поскольку в настоящее время на внутренних водных путях интенсивность судоходства мала (сложно найти участок, где одновременно в зоне радиообмена на указанных частотах окажется два – три десятка судов), выделенные (бесплатные) каналы связи остаются незагруженными.
Эффективность использования АИС на ВВП очень низкая – диспетчерские пункты получают лишь строго определённый набор навигационных данных, регламентированных стандартами АИС (MMSI, номер IMO, название судна, длину и ширину судна, тип судна, местоположение судна, время (UTC), курс относительно грунта, скорость относительно грунта и некоторые другие параметры), применением которых решается узкий круг задач. Для обеспечения безопасности судоходства и эффективного управления флотом помимо контроля за движением судов требуется контроль их технического состояния (основных судовых систем, расхода топлива, запасов топлива, мощности СЭУ и пр.), а также обмен информацией по обеспечению безопасности судоходства и оперативному управлению (как со стороны диспетчера, так и со стороны судовладельца). В настоящее время эти задачи с помощью АИС не решаются, поэтому представляет интерес реализовать на базе аппаратуры АИС передачу полного набора данных, необходимых для современного мониторинга флота. В состав дополнительной передаваемой информации могут входить данные по обеспечению безопасности и организации движения (при подходе к регулируемому участку такая информация может автоматически предоставляется диспетчеру, что в настоящее время осуществляется в устной форме), технологические данные о судовых подсистемах и механизмах (формируются судовыми подсистемами контроля, например, подсистемой контроля расхода топлива, и в автоматическом режиме передаются в береговые диспетчерские пункты, далее - судовладельцам), данные для судоходных компаний (числовая информация, структура и наполнение формируется судовладелец), текстовая информация (запросы, отчёты, журналы, любая текстовая информация, связанная с жизнедеятельностью судна и экипажа) и пр. Использование диспетчерских пунктов как центров обработки и распределения информации позволит всем заинтересованным службам и судовладельцам оперативно получать исчерпывающую информацию по каждому судну. Технические возможности системы АИС позволяют реализовать передачу всего объема указанной информации без затрат на организацию и оплату каналов связи. Использование АИС для передачи дополнительной информации (не регламентируемой функциями аппаратуры АИС) в диспетчерские службы позволит существенно снизить объём радиотелефонной связи с берегом, исключить параллельную передачу радиотелефонной информации с судна в адрес других служб, уменьшить нагрузку на судоводителей (при подходе к регулируемому участку отпадет необходимость переговоров по радиоканалу -АИС в автоматическом режиме будет передавать необходимую информацию), контролировать технологические параметры судна, что обеспечит повышение безопасности плавания и эффективности эксплуатации флота.
Большинство сообщений АИС имеет заданную структуру и предназначены для передачи определенного, неизменного набора данных. Передачу данных, нерегламентированных стандартами АИС, целесообразно осуществлять с помощью адресных сообщений №6 или №12 [14]. Структура организации связи с использованием сообщения №6 (№12 подобно) представлена на рис. 3.4.
Внедрение лабораторного образца судовой системы мониторинга технологических параметров и обмена оперативной информацией в учебный процесс
Лабораторный образец СМиО выполнен на базе современной аппаратуры (Fastwel, Advantech, Samyung) и программного обеспечения (LabView, CoDeSys), принципы взаимодействия основных узлов макета применяются в реальных, действующих судовых автоматизированных системах. В связи с этим, в рамках подготовки высококвалифицированных специалистов водной отрасли, отвечающих современным требованиям по уровню подготовки, решено внедрить лабораторный образец в учебный процесс.
Для выполнения лабораторных работ панельный компьютер подключен к кафедральной сети, что обеспечивает передачу дискретной и аналоговой информации с датчиков, расположенных на лабораторном стенде СМиО, на любой компьютер кафедры, позволяя проводить занятия группами. Освоение навыков проектирования и эксплуатации перспективных образцов судовых информационных систем (разработка функциональных и принципиальных схем, программного обеспечения судового модуля, визуализация технологических процессов, изучение способов диагностики и эксплуатации) является одной из основных составляющих обучения студентов на стенде. Другая, не менее важная часть – информационно-коммуникационная. Лабораторный образец судовой системы размещён в лаборатории, оборудованной АИС, что позволяет эмитировать передачу с судна (АИС в составе лабораторного стенда) на берег (модель берегового диспетчерского пункта на базе АИС) различной информации, в том числе, нерегламентированной стандартами автоматической идентификационной системы (например, технологической). Организация взаимодействия навигационного оборудования (диспетчерская АИС) с компьютером лаборатории (для которого разработано соответствующее программное обеспечение) позволяет получить общие знания по судовым навигационным контурам (базовые принципы взаимодействия судовых радионавигационных приборов, протоколы связи навигационного оборудования, способы управления данными – приём, обработка, отображение и регистрация, использование навигационных и информационных функций и пр.) Предусмотрено подключение приёмной АИС к любому компьютеру лаборатории (рис.4.13).
Структурная схема лабораторной установки При передачи бинарного сообщения команда №6, его содержимое необходимо формировать с учетом 6 – битовых посылок, передаваемых АИС. Для обработки (раскодировки, преобразования) полученной информации требуются серьёзные навыки работы с форматами данных чисел. В лабораторных работах для передачи дополнительной информации по каналам АИС предложено использовать текстовое сообщение команда №12 (рис.4.15). В этом случае необходимо выполнить простейшие преобразования цифровых данных в виде текста в стандартное число, что позволит обучающимся сосредоточиться на материале и самостоятельно проделывать весь комплекс лабораторных работ.
Занятия на макете СМиО сформируют у обучающихся следующие базовые качества: - знания особенностей применения современного программного обеспечения в практике судового инженера; - знания методов приёма и обработки информации; - навыки визуализации технологических процессов; - навыки организации судовой сети передачи данных; - знания протокола связи NMEA судовых навигационных приборов; - знания принципов кодировки информации. Разработанный лабораторный образец судовой системы мониторинга технологических параметров и обмена оперативной информацией внедрён в учебный процесс для обучения студентов ФГБОУ ВО «ВГУВТ» по специальности «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования» с целью получения практических навыков проектирования и разработки судовой автоматизированной системы (от компоновки оборудования и выбора выполняемых функций до реализации на программном и аппаратном уровне) [Приложение]. Лабораторный образец может быть использован как для обучения студентов, так и в курсах переподготовки и повышения квалификации специалистов. На колёсном теплоходе «ДоброходЪ» (проект ПКС-40) создана подсистема контроля расхода топлива и мощности, представляющая собой аппаратно-программный комплекс для контроля и отображения технологических параметров СЭУ [Приложение]. Вычисление исходной информации для подсистемы контроля, реализовано по методу, описанному в пункте 3.3 главы 3.
Структура СЭУ колёсного судна Единственными потребителями топлива являются две дизель-генераторные установки Д1Г1 и Д2Г2, обеспечивающие работу всех потребителей судна. Допускается работа как одной дизель – генераторной установки, так и их совместная работа. Подключение генераторов на шины 380В осуществляется контакторами QF1 и QF2, объединение шин 380В – контактором QF3. Питание на частотные преобразователи ПЧ1 и ПЧ2 подаётся с шин 380В через контакторы QF4 и QF5. Шина 220В запитывается через трансформаторы Тр1 и Тр2 (контакторы QF6 и QF7). Потребители 380В примерно поровну (по потребляемой мощности) распределены между шиной І 380В и шиной ІІ 380В.
Безопасность эксплуатации полностью электрифицированного теплохода зависит от качества показателей и бесперебойной работы электросети. Для контроля электрических параметров применяется современное измерительное устройство – многофункциональный преобразователь MTR 2 (рис. 4.17).