Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ГРУЗОВ В ОТКРЫТОМ МОРЕ МЕЖДУ СУДАМИ 6
1.1. Способы передачи грузов в открытом море 6
1.2. Анализ современного состояния грузовых стреловых устройств и систем управления 9
1.3. Особенности работы перегрузочного комплекса грузовых стреловых устройств 13
1.4. Пути совершенствования работы перегрузочного комплекса грузовых стреловых устройств в открытом море 17
1.5. Выводы по первой главе 19
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРЕНОСА ГРУЗА И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ПРЕНОСА 22
2.1. Анализ процесса переноса груза 22
2.2. Порядок работы перегрузочного комплекса ГСУ 29
2.3. Оптимальность процесса переноса груза 37
2.4. Определение критерия оптимальности процесса переноса груза
для случая работы лебедок с равными постоянными скоростями 40
2.5. Выводы по второй главе 52
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕГРУЗОЧНЫМ КОМПЛЕКСОМ ГРУЗОВЫХ СТРЕЛОВЫХ УСТРОЙСТВ 54
3.1 Общие положения разработки математической модели 54
3.2. Дифференциальные уравнения движения груза с помощью прегрузочыого комплекса грузовых стреловых устройств 56
3.3. Программа расчета математической модели перегрузочного комплекса 60
3.4. Анализ результатов расчетов математической модели 68
3.5. Выводы по третьей главе 73
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ГРУЗОВЫМИ СТРЕЛОВЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ СУДОВ 74
4.1. Описание функциональной схемы АСУ 74
4.2. Разработка алгоритма программы АСУ и его описание 76
4.3. Описание принципиальной схемы АСУ 78
4.4. Выводы по четвертой главе 80
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81
Список использованных источников 82
Приложения 86
Приложение 1. Текст программы. Модель грузового комплекса (MODEL GSU 04/01) .86
Приложение 2. Алгоритм работы системы управления ГСУ 96
Приложение 3. Принципиальная схема АСУ 98
Приложение 4. Результаты математического моделирования процесса переноса груза при различных условиях программой для языка QBASIK 4.50 99
Приложение 5. Акт внедрения 132
- Способы передачи грузов в открытом море
- Анализ процесса переноса груза
- Общие положения разработки математической модели
- Описание функциональной схемы АСУ
Введение к работе
При использовании экспедиционной формы промысла рыбы, в удаленных рыбопромысловых зонах мирового океана экономически целесообразно рыбопромысловые и рыбообрабатывающие суда постоянно (до ремонта) держать на промысле, а снабжение довольствием и отправку готовой рыбопродукции производить крупнотоннажными транспортными судами. При этом возникает необходимость передачи массовых грузов в открытом море между судами. Наибольшее распространение получила передача грузов с помощью стреловых грузовых устройств ошвартованных судов, благодаря их простоте, надежности и универсальности.
Большой круг вопросов расчетов, проектирования и эксплуатации рассмотрен в работах Фрейдзона И.Р. [34], Чаплыгина Ф.Т. [36, 37], Рябцева М.Г. [21-24,26], Андреева Л.Н. [35], Симоненко А.С. [32], Горшкова И.А. и МахоринаН.И. [18].
Несмотря на определенные успехи в разработке новых устройств грузовых стреловых устройств, систем управления и приемов работы, не созданы эффективные перегрузочные комплексы и автоматизированные системы управления отвечающие современным требованиям. Такое положение обусловлено различиями оборудования грузовых стреловых устройств на судах, приближенностью математического описания процесса передачи груза между судами и сложностью технического обеспечения. Поэтому совершенствование грузовых стреловых устройств и автоматизация управления является важным условием повышения эффективности перегрузочных операций в открытом море.
В настоящее время существует несколько разработок по автоматизированным системам управления процессами безрывкового поднятия груза и безударного опускания груза на палубу, создан переносной пульт управления двумя грузовыми лебедками одного судна [18, 20, 32, 33, 36], однако эти разработки носят локальный характер и не предназначены для совместной работы судов по передаче грузов в море. Поэтому задача разработки АСУ передачей грузов в море, с целью минимизации времени и обеспечения безаварийности передачи груза в условиях качки, является актуальной.
Цель и задачи работы.
Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной системы управления перегрузочным комплексом грузовых стреловых устройств взаимодействующих судов в открытом море, обеспечивающей минимальное время и безаварийность передачи груза.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Проанализировать современное состояние судовых устройств по передаче грузов в открытом море, для определения путей и методов их совершенствования.
Исследовать порядок работы перегрузочного комплекса и траекторию движения груза для определения порядка работы и критериев оптимальности процесса передачи груза, с учетом переменных начальных условий.
3. Разработать структуру автоматизированной системы управления перегрузочным комплексом.
Разработать математическую модель - систему дифференциальных уравнений и алгебраических уравнений, описывающих работу автоматизированной системы перегрузочным комплексом грузовых стреловых устройств.
Провести анализ влияния различных факторов на эффективность работы автоматизированной системы перегрузочным комплексом грузовых стреловых устройств, при помощи моделирования на ЭВМ.
6. Предложить внедрение теоретических и моделирующих исследований в учебный процесс.
Научная новизна:
1. Определены основные пути совершенствования автоматизированных систем управления перегрузочным комплексом грузовых стреловых устройств
2. Определен порядок работы и критерии оптимальности процесса передачи груза, с учетом переменных начальных условий.
3. Разработана структура и математическая модель работы автоматизированной системы управления перегрузочным комплексом грузовых стреловых устройств.
4. Получены и проанализированы зависимости оптимальной траектории движения груза, от различных исходных параметров.
Практическую ценность работы:
Определено одно из направлений совершенствования перегрузочных операций в открытом море.
Разработаны основные принципы создания автоматизированных систем управления перегрузочными комплексами.
Получена методика определения оптимальных параметров переноса груза.
4. По результатам работы разработана и зарегистрирована программа для ЭВМ моделирующая работу перегрузочных комплексов для различных начальных условий.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Структура и алгоритм работы автоматизированной системы управления перегрузочным комплексом.
Критерий оптимальности процесса переноса груза.
Математическая модель - система дифференциальных и алгебраических уравнений работы АСУ перегрузочным комплексом грузовых стреловых устройств.
4. Результаты математического моделирования.
Способы передачи грузов в открытом море
При ведении экспедиционной формы промысла рыбы в удаленных экономических зонах мирового океана широко применяется массовая передача грузов между транспортными, добывающими и обрабатывающими судами на месте промысла. Затраты времени на передачу грузов в открытом море достигают несколько тысяч судо-суток, а объем - 60-70% грузооборота, рыбных портов. Транспортные суда передают на промысловые суда продовольствие, тару, запчасти, орудия лова, горюче-смазочные материалы, пресную воду и др., а забирают готовую рыбопродукцию - различные виды консервов, замороженную рыбу и субпродукты. Также между судами происходит передача людей из сменных экипажей. Использование перегрузки в открытом море повышает экономическую эффективность промысла за счет сокращения времени переходов добывающих и обрабатывающих судов и увеличения тем самым времени нахождения этих судов на промысле.
Передача грузов и людей между судами в открытом море представляет собой одну из наиболее сложных грузовых операций. Для выполнения этих операций в настоящее время широко применяют три вида грузовых устройств:
- судовые канатные дороги;
- судовые краны;
- судовые грузовые стреловые устройства (ГСУ).
Судовые канатные дороги [18, 33] позволяют передавать грузы большого веса между судами бесконтактным способом (суда не швартуются). Передача груза осуществляться на большие расстояния (40-120 метров) между судами идущими параллельными курсами и при значительном волнении моря (до 7 баллов).
К недостаткам судовых канатных дорог следует отнести:
- сложность систем электроприводов по перемещению груза и поддержанию натяжения канатов;
- значительные затраты времени на установку канатной дороги между судами и ее разборку;
- передача грузов производится только по одной линии, так как суда оборудованы, как правило только одним устройством канатной дороги;
- «несовместимость» судовых канатных дорог различных фирм изготовителей;
- невозможность использования канатных дорог для других грузовых работ на судне (постановка кранцевой защиты, операции с орудиями лова и др.).
Поэтому судовые канатные дороги широко применяются на кораблях ВМФ различных стран и при передаче грузов на объекты швартовка с которыми невозможна или нежелательна - плавучие и стационарные буровые платформы.
Судовые краны [18, 33] обладают значительной грузоподъемностью, высокой маневренностью и производительностью, применимы при выполнении других грузовых работ на судне.
К недостаткам судовых кранов следует отнести:
- наличие больших подвижных масс на верхней палубе (стрела и башня крана), которые существенно ухудшают остойчивость судна и приводит к энергетическим и временным затратам на отработку балластной системы судна;
- ограниченная зона действия крана, так как судовые краны обычно не имеют механизма передвижения и устанавливаются стационарно по диаметральной плоскости судна или вдоль одного из бортов; - большее число механизмов и электроприводов, по сравнению с судовыми грузовыми устройствами (механизмы поворота, изменения вылета стрелы и подъема);
- сильное раскачивание груза, подвешенного на одном канате судового крана;
- возможность управлять с поста управления только одним краном.
Стреловые грузовые устройства имеют наибольший срок практического использования па судах. Благодаря простоте конструкции, универсальности и надёжности они получили наиболее широкое применение на судах [36].
При передаче грузов в открытом море суда швартуются, грузовые троса (шкентели) ГСУ ошвартованных судов механически соединяются (спариваются) и образуется перегрузочный комплекс. На судах на специальных площадках рядом друг с другом располагаются два поста управления двумя ГСУ, откуда оператор лебедчик осуществляет управление этими ГСУ. Перенос груза между судами производится путем совместной работы ГСУ ошвартованных судов. Так как суда оборудуются несколькими ГСУ, то передача грузов ведется по нескольким линиям одновременно. При этом по гибким трубопроводам можно производить передачу жидких грузов. Применяется также швартовка трёх судов и передача грузов одновременно между этими судами.
При спаренной работе ГСУ отсутствуют подвижные инерционные части (стрелы закреплены на оттяжках и неподвижны), а наличие двух или более грузовых тросов ограничивает раскачивание груза.
К недостаткам работы перегрузочных комплексов ГСУ следует отнести:
- затраты времени на установку стрел пред началом работ;
- ограниченная бальность (3-5 балов) волнения моря и (7 баллов) ветра при которой разрешаются перегрузочные операции;
- пониженная грузоподъёмность перегрузочного комплекса ГСУ по сравнению с грузоподъемностью одной стрелы.
Анализ процесса переноса груза
Как установлено предварительными экспериментами и изучением практики эксплуатации основных отечественных серийных судов [36], процесс переноса груза между судами, при работе по схеме «в 3 шкентеля», состоит из пяти последовательно выполняемых движений или этапов (рис 2.1):
1- подъем груза из трюма сдающего судна;
2- перенос груза в сторону принимающего судна;
3- перенос груза к борту принимающего судна;
4- перенос груза к люку трюма принимающего судна;
5- опускание груза в трюм принимающего судна.
Схема этапов переноса груза. При переносе пустого гака на сдающее судно этапы выполняются в обратной последовательности с изменением направлений работы лебедок.
Представленная схема хорошо согласуется с данными эксперимента, выполненного на транспортном рефрижераторе «Фриц Генкерт» при совместной работе с добывающими судами.
Проанализируем особенности движения груза по пяти этапам.
Нагружен только один шкентель люковой стрелы, два других шкентеля должны быть прослаблены. Таким образом, груз подвешен на одном шкентеле, на траекторшо движения оказывает влияние бортовая и килевая качка судна. Раскачивание груза в горловине трюма может привести к удару и повреждению груза. Компенсировать раскачивание груза в данном случае невозможно, приходить дожидаться естественного уменьшения амплитуды раскачивания.
Если принять, что качка отсутствует или незначительна и не вызывает недопустимого раскачивания груза, то время выполнения данных этапов определяется:
1) высотой подъема груза (или высотой опускания) - величиной пройденного пути;
2) скорость работы лебедок, временем разгона и торможения лебедок.
Таким образом, при постоянных скоростных и динамических параметрах лебедок, время выполнения данных этапов определяется величиной пройденного пути - высотой подъема груза (или высотой опускания).
При выполнении второго этапа (Рис. 2.4) груз подвешен на нагруженных шкентелях бортовой стрелы принимающего судна и люковой стрелы сдающего судна. Шкентель люковой стрелы принимающего судна прослаблен. Так как груз подвешен на шкентелях различных судов, то на траекторию движения груза, в данном случае, оказывает влияние взаимная качка судов (изменение взаимного расположения бортов судов и точек подвеса груза) и различия в скоростных и динамических характеристиках лебедок взаимодействующих судов.
Общие положения разработки математической модели
Рассмотренные во второй главе варианты реализации системы управления грузовыми стреловыми устройствами взаимодействующих судов могут быть без значительных материальных затрат реализованы на судах. Однако наряду с рядом преимуществ, по сравнению с существующим порядком работы по передачи грузов, они обладают рядом недостатков.
Во время выполнения этапов, система управления не отслеживает действительную траекторию движения груза - система разомкнута. За траекторией движения визуально наблюдает лебедчик.
Лебедки работают, как и при обычном управлении - траектория движения соответствуют обычному управлению, при оптимальных начальных условиях.
При возникновении случайных внешних возмущений (провалы напряжения в судовой сети, заедания шкентелей в блоках, изменение навивки шкентелей на барабаны лебедок и др.) траектория движения может существенно изменится, нарушатся условия оптимальности и безаварийности.
Для устранения этих недостатков АСУ должна отслеживать действительную траекторию движения груза, контролировать натяжения в шкентелях, воздействовать на работу лебедок для обеспечения оптимальности и безопасности процесса переноса груза.
Самым современным является вариант реализации такой системы управления с заменой существующей системы электропривода на систему преобразователь частоты - асинхронный двигатель. В систему добавляются датчики длины шкентелей и взаимного расположения ноков стрел, микроконтроллер (или управляющая ЭВМ). В зависимости от текущих значений координат траектории движения груза, система изменяет скорости работы лебедок, для обеспечения оптимальности и безопасности переноса груза.. Благодаря плавности регулирования скорости и другим функциональным достоинствам преобразователей частоты, такая система управления способна обеспечить наилучшее качество регулирования.
Третья глава посвящена разработке и исследованию математической модели.
При разработке модели приняты следующие допущения:
1. Перегрузочный комплекс представлен трехмассовой системой с упругими связями. В состав системы входят приводные электродвигатели грузовых лебедок, подвешенный груз и два шкентеля. Влияние третьего прослабленного шкентеля не учитывается.
2. Силы и моменты, действующие в системе, приложенны к сосредоточенным массам, которые не подвергаются деформации.
3. Упругие связи невесомы, жесткость связи постоянна.
4. Деформация упругих связей линейна и происходит по закону Гука.
5. Волновые движения деформации упругих связей не учитывается.
6. Принимающее судно неподвижно, качку испытывает сдающее судно.
7. Раскачиванием груза в плоскости перпендикулярной плоскости движения пренебрегаем.
8. Длительность переходных процессов в электродвигателях и ПЧ не учитываем.
Отличие предлагаемой модели от известных [18, 36] моделей бифилярной подвески груза заключается в том, что вводится уравнения описывающие механические и электромеханические характеристики электродвигателей, управление скоростями работы электродвигателей от ПЧ, для формирования траектории движения груза.
Описание функциональной схемы АСУ
На принимающем судне располагаются лебедки 2 и 3, приводные электродвигатели ЭД2 и ЭДЗ, преобразователи частоты ПЧ2 и ПЧЗ, мультиплексор, однокристальная микро-ЭВМ, ЭВМ, датчики длин тросов BL2 и BL3, пульт управления. На сдающем судне расположены лебедка 1, лриводной электродвигатели ЭД1, преобразователи частоты ПЧ1, датчик длины троса ВЫ.
Связь между оборудованием принимающего и сдающего судна осуществляется по кабельной линии связи. Преобразователи частоты располагаются в подпалубыых помещениях, пульт управления на верхней палубе принимающего судна, в месте удобном для наблюдения за грузовыми операциями. Питание силовых частей перегрузочного комплекса производится от судовых сетей взаимодействующих судов.
Управление преобразователями частоты при передаче груза осуществляется от однокристальной микро-ЭВМ, персональная ЭВМ предназначена для контроля параметров процесса переноса и ввода начальных параметров - параметров судов, геометрических размеров расстановки стрел, веса груза и др.
Функциональная схема работает следующим образом:
В начальный момент на пульте управления нажимают кнопку ручного управления лебедкой 1 сдающего судна, выбирают трос до верхнего предела и нажимают кнопку памяти, для занесения информации в систему управления. Предельные длинны тросов двух других лебедок 2 и 3, все время хранятся в памяти системы управления. Далее кнопкой на пульте управления выбирают режим работы грузовых устройств (ручной или автоматический).
При автоматическом режиме работы нажимают одну из кнопок «разгрузка» или «погрузка». С выхода ОМЭВМ через мультиплексор подаются сигналы управления на преобразователи частоты. Преобразователь частоты содержит в составе датчики тока, частоты и напряжения. В процессе работы ОМЭВМ опрашивает через мультиплексор датчики ПЧ и на их основе формирует обобщенные текущие параметры Э.Д.
Также ОМЭВМ опрашивает непосредственно через аналоговые порты датчики длин тросов и на их основе формирует, согласно алгоритму работы, сигналы управления ПЧ.
Четвертый выход мультиплексора используется для связи с ЭВМ. Через ЭВМ можно просматривать текущие параметры системы, управлять работой ПЧ и программировать ОМЭВМ.
При выборе ручного режима работы, управление ПЧ переходит на местные посты управления.
