Pozycjonowanie dynamiczne statku – wykład
Wraz z rozwojem floty morskiej zajmującej się wydobyciem ropy naftowej z dna morskiego, jak również potrzeba wykonywania prac podwodnych (dokonywanie odwiertów w dnie morskim, układanie rurociągów i kabli na dnie morskim, prowadzenie prac z udziałem nurków, itp.) zaistniała konieczność zapewnienia statkom zdolności precyzyjnego manewrowania, jak i utrzymania stałej pozycji, niezależnie od prądu morskiego siły wiatru fal morskich i innych czynników. Pierwotnie problem ten rozwiązywano za pomocą platform utrzymywanych na pozycji za pomocą wielu kotwic. Zapewnienie dokładności miejsca postoju dokonywano poprzez odpowiedni naciąg łańcuchów kotwic. Manewrowanie taką platformą było bardzo kłopotliwe, gdyż musiało się odbywać przy pomocy holowników, które wyrywały kotwice z dna morskiego i zrzucały je odpowiednio dalej, następnie obsługa na platformie sterując naciągiem łańcuchów przemieszczała ją w żądanym kierunku. System ten był szeroko używany, ale powyżej pewnej głębokości, jak i ze względu na ukształtowanie dna, lub z uwagi na możliwość uszkodzenia urządzeń już zainstalowanych na dnie morskim jest niemożliwy do zastosowania. W dodatku eksploatacja tego rodzaju pozycjonowania jest bardzo droga.
Znacznie lepsze możliwości daje system dynamicznego pozycjonowania oparty na pracy komputera, otrzymującego dane z referencji, które informują go o każdym ruchu statku. Referencje (od łacińskiego: referro – odnosić) są to zewnętrzne układy odniesienia, względem, których określa się przemieszczenie statku. Komputer informacje te otrzymuje, analizuje, porównuje z wartościami zadanymi i odpowiednio do potrzeb steruje kierunkiem i siłą oddziaływania sterów strumieniowych i śrub napędu głównego, przeciwstawiając się naporowi sił zewnętrznych, tj: prądu morskiego, fal, siły wiatru itp. Na ogół na statkach wyposażonych w system dynamicznego pozycjonowania stosuje się układ napędowy typu „Diesel – Electric”. Polega on na tym ze silniki główne napędzają prądnice wytwarzające energię elektryczną, a następnie silniki elektryczne wprawiają w ruch stery strumieniowe. Za zastosowaniem tego typu rozwiązania przemawia pewność działania układu, nawet w sytuacjach wystąpienia awarii jednego lub więcej jego elementów. Na statkach tych instaluje się zespoły prądotwórcze odpowiednio dużych mocy zdolnych do długotrwałego zasilania wszystkich napędów na maksymalnym obciążeniu. System ten w budowie i eksploatacji jest dość drogi, ale charakteryzuje się duża zdolnością ruchową i bardzo dobrymi możliwościami manewrowymi.
Zaletami swoimi system dynamicznego pozycjonowania przewyższa pozycjonowanie za pomocą kotwic, dlatego jest bardzo szeroko stosowany, a w wielu wypadkach jest jedyną możliwością utrzymania statku na niezmiennej pozycji.
1. RYS HISTORYCZNY
Dynamiczne pozycjonowanie statków jest techniką, która zaczęła rozwijać się od wczesnych lat sześćdziesiątych. Początkowo były to konwencjonalne statki przebudowywane do wykonania określonych zadań (tj: odwierty, układanie kabli, itp.). Wyposażano je w dodatkowe stery strumieniowe, a jako jedyną referencję używano Taut Wire. Do przetwarzania danych otrzymanych z referencji służył analogowy komputer, którego praca polegała na wyświetlaniu kierunku i siły oddziaływania sterów strumieniowych sterowanych ręcznie.
Na początku lat siedemdziesiątych zastosowano komputery i dzięki temu technika dynamicznego pozycjonowania uległa dalszemu rozwojowi. Zastosowano referencję hydroakustyczną HPR, wprowadzono do użytku referencję pozycjonowania satelitarnego DGPS, referencję mikrofalową ARTEMIS i udoskonalono referencję starego typu, jaką była Taut Wire.
Wraz z rozwojem floty pracującej przy wydobyciu ropy naftowej system dynamicznego pozycjonowania, dla usprawnienia pracy, zmniejszenia kosztów i czasu, jest montowany na wielu typach statków, tj: statki do zadań z udziałem nurków, barki z dźwigami, statki do obserwacji podwodnych, statki opuszczające roboty podwodne tzw: ROV (Remote Operated Vehicle), statki wiertnicze, statki do kładzenia rur i kabli, pływające platformy produkcyjne, itp.
W chwili obecnej system dynamicznego pozycjonowania jest w bardzo pewny w działaniu, charakteryzuje się prostą obsługą i małą awaryjnością. Daje dokładność lokalizacji i utrzymania zadanej pozycji statku z dokładnością do 1 metra.
2. PODSTAWOWE ZADANIA
SIŁY ODDZIAŁYWANIA I SWOBODNE RUCHY STATKU
Statek znajdujący się na morzu jest poddany działaniu siły wiatru, fal i prądu morskiego. Czynniki te w danej chwili mogą mieć różne siły i kierunki oddziaływania. Często zmieniają swoją wartość w krótkich odstępach czasu. Szczególnie wiatr jest czynnikiem, który zmienia się najczęściej. Siły te wywołują sześć ruchów swobodnych statku.
Rys. 1 - Graficzne przedstawienie ruchów swobodnych statku
Ruch SURGE (oscylacja wzdłużna) jest określany jako przesunięcie statku w płaszczyźnie poziomej w kierunku dziobu lub rufy.
Ruch SWAY (oscylacja poprzeczna) jest określany jako przesunięcie statku w płaszczyźnie poziomej w kierunku lewej lub prawej burty.
Ruch YAW (ruch skośny, myszkowanie) jest określany jako przesunięcie dziobu statku w lewo lub w prawo, w płaszczyźnie poziomej.
Ruchy powyższe system dynamicznego pozycjonowania może mierzyć i nimi sterować. Na konsoli pulpitu znajduje się przycisk przełączania z operacji automatycznej na ręczną i odwrotnie. Przy operowaniu automatycznym wszystkie trzy ruchy są kontrolowane przez system . Gdy sterowanie odbywa się ręcznie, ruchy te są sterowane tylko za pomocą joysticka, lub z kilkoma możliwymi opcjami, zależnymi od operatora.
Ruch HEAVE (oscylacja pionowa, nurzanie) jest określany jako przemieszczenie się statku w płaszczyźnie pionowej równolegle w górę lub w dół.
Ruch PITCH (kołysanie wzdłużne) jest określany jako przemieszczenie wahadłowe rufy i dziobu statku w przeciwnych kierunkach, rufa do dołu dziób do góry i odwrotnie.
Ruch ROLL (kołysanie poprzeczne) jest określany jako przemieszczenie wahadłowe lewej i prawej burty statku w przeciwnych kierunkach, lewa burta na dół prawa do góry i odwrotnie.
Ruchy powyższe system dynamicznego pozycjonowania może mierzyć, ale nie może nimi sterować.
Ruchy PITCH i ROLL są mierzone przez VRS (Vertical Reference Sensor), a dane są przekazywane do komputera w celu korekcji ruchów SURGE, SWAY i YAW. Ruch HEAVE w normalnych warunkach pracy systemu dynamicznego pozycjonowania nie jest brany pod uwagę. Jest stale mierzony i może zostać wyświetlony na żądanie operatora. W niektórych przypadkach pracy statków do zadań specjalistycznych ma on wielkie znaczenie, np: na statkach podnoszących przedmioty o wielkiej masie (np: Heavy Lift), lub przy opuszczaniu znacznych ciężarów na duże głębokości (np: batyskafy, elementy instalacji podwodnych, itp.).
Zadaniem systemu dynamicznego pozycjonowania jest utrzymanie zadanego kierunku dziobu i pozycji statku podczas gdy nieprzerwanie siły zewnętrzne, w postaci: wiatru, fal i prądu morskiego, próbują zepchnąć go z żądanej pozycji. W szczególności siła wiatru ma silne oddziaływanie, gdyż wywołuje obrót statku, dzięki niesymetrycznemu ukształtowaniu kadłuba, oraz występowaniu na kadłubie elementów dużych rozmiarów, tj: nadbudówek, masztów, dźwigów, itp.
Nastawa pozycji i kierunku dziobu jest zadawana przez operatora, a następnie jest przetwarzana przez główny komputer systemu, by wygenerować sygnały sterujące siłą i kierunkiem oddziaływania sterów strumieniowych i śrub napędu głównego statku. System dynamicznego pozycjonowania zawsze dobiera optymalną siłę i kierunek oddziaływania każdego napędu, w zależności ile ich ma do dyspozycji w danej chwili. Funkcja ta jest wykorzystywana w momencie, gdy z przyczyn technicznych zostanie wyłączony jeden lub więcej napędów, wtedy reszta napędów pracujących, automatycznie przejmie ich zadania. Wiąże się to oczywiście z pracą silników napędów strumieniowych, dostępnych dla systemu, na o wiele większych obciążeniach, a w sytuacjach wyjątkowych nawet do ich przeciążenia.
Dla utrzymania właściwego zadanego kierunku dziobu system dynamicznego pozycjonowania używa sygnału z jednego, lub więcej żyrokompasów, podczas gdy przynajmniej jedna z referencji do utrzymania stałej pozycji ciągle współpracuje z głównym komputerem. Zejście statku z zadanej pozycji i zadanego kierunku dziobu jest automatycznie wychwytywane przez system i korygowane poprzez odpowiednie oddziaływanie sterów strumieniowych i śrub napędu głównego.
Możliwe jest również ręczne sterowanie pozycją statku poprzez joystick zamontowany na konsoli pulpitu. Można manewrować statkiem używając jedynie joystick, lub za pomocą joysticka w połączeniu z jedną lub więcej referencji, jako sterowanie półautomatyczne.
Rys. 2 – Oddziaływanie sterów strumieniowych dla kompensowania sił
zewnętrznych
Rotation centre – środek obrotu,
Tunnel thruster – tunelowy ster strumieniowy,
Direction of thrust – kierunek oddziaływania,
Propeler/ruder – śruba/płetwa steru,
Wake from thruster/propeler – ślad prądu wody wywołany pracą napędu strumieniowego,
Rotational Moment Demand – żądany momentu obrotowego,
Directional Force Demand – żądanay kierunek siły oddziaływania napędów,
Allocation of demand – żądany kierunek przemieszczenia,
System dynamicznego pozycjonowania otrzymuje właściwe dane z referencji o zejściu statku z zadanej pozycji pod wpływem sił zewnętrznych, i wysyła sygnały sterujące siłą i kierunkiem oddziaływania sterów strumieniowych i śrub napędu głównego by skompensować sumę naporu sił zewnętrznych.
System dynamicznego pozycjonowania ma dwie odrębne funkcje tj: utrzymanie stałej zadanej pozycji i utrzymanie stałego kierunku dziobu. W przypadku utraty przez statek obu tych wartości, w pierwszej kolejności system będzie starał się przywrócić żądany kierunek dziobu, a następnie żądaną pozycję.
Dzieje się tak, dlatego że dla przywrócenia i utrzymania odpowiedniego kierunku dziobu zapotrzebowanie na moc jest o wiele mniejsze niż do zmiany pozycji. Gdyby statek miał wykonywać te dwa manewry jednocześnie dostępna moc mogłaby okazać się niewystarczająca.
ŚRODEK OBROTU
Dla każdego statku posiadającego zainstalowany system dynamicznego pozycjonowania musi być określony środek obrotu (Centre of Rotation). Jest to dokładnie określony punkt w kadłubie statku, który podlega pozycjonowaniu. Zazwyczaj jest to punkt leżący w osi symetrii statku na śródokręciu, lecz również może on się znajdować w różnych miejscach w kadłubie, na różnych typach statków. Dla statków opuszczających sprzęt z nurkami środek obrotu wypada w studni, z której jest opuszczany. Na statkach układających rury i kable na dnie morskim z rampą do wypuszczania zamontowaną na rufie, punkt ten wypada w rufowej części statku. Na tankowcach z przyłączem do pobierania ropy naftowej z platform umiejscowionym na dziobie, środek obrotu znajduje się w dziobowej części statku. Statek może mieć jeden lub więcej środków obrotu, w zależności, do czego jest przeznaczony i jaką pracę wykonuje. Punkt ten każdorazowo może być wybrany przez operatora.
PODSTAWOWE MANEWRY
Za pomocą systemu dynamicznego pozycjonowania można wykonywać statkiem wiele manewrów, ustalanych przez operatora. Rodzaj manewru zależy od typu wykonywanego zadania. Manewrować można ręcznie, za pomocą joysticka, lub automatycznie. Obsługa ręczna stosowana jest rzadko. Stosuje się ją podczas wychodzenia i wchodzenia do portu lub, gdy jest konieczność gwałtownego wykonania manewru. Na ogół stosowane jest sterowanie automatyczne. Aby wykonać dany manewr należy wprowadzić do głównego komputera odpowiednie dane: żądany kierunek dziobu, żądaną pozycję, odległość lub trasę przemieszczania się, prędkość przemieszczenia się, dokładność utrzymania pozycji. Powyższe dane wprowadza się do systemu wpisując ich żądane wartości, we właściwe rubryki w oknach dialogowych, wyświetlanych na ekranie monitora.
Rys. 3 – Przykładowe okno dialogowe w wykonaniu firmy KONSBERG
Do podstawowych manewrów należą:
- sterowanie statkiem przy użyciu funkcji autopilota z zadaną prędkością i
kierunkiem dziobu (kursem)
- zmiana i utrzymywanie kierunku dziobu (kursu)
- zmiana i utrzymanie zadanej pozycji
- przemieszczenie statku o żądaną odległość z zadaną prędkością, w każdą stronę
- przemieszczanie statku wzdłuż ustalonej trasy z zadaną prędkością
- podążanie za obiektem poruszającym się pod wodą (np: ROV)
- podążanie wzdłuż trasy wyznaczonej przez transpondery ulokowane na dnie
Dokładność pozycji określa się w metrach, a na ekranie jest wyświetlona w postaci okręgu otaczającego punkt, który symbolizuje środek obrotu statku (patrz rys. 3, lewy górny róg okna dialogowego). Każde wyjście statku poza ten obręb jest sygnalizowane operatorowi w postaci alarmu akustycznego, i wyświetlane jest na liście alarmów.
3. BUDOWA SYSTEMU DYNAMICZNEGO POZYCJONOWANIA
ELEMENTY I WYPOSAŻENIE
System dynamicznego pozycjonowania zbudowany jest z sześciu odrębnych bloków. Poprawne działanie systemu jest uzależnione od wielu czynników zewnętrznych wchodzących w skład wyposażenia statku, tj.: zasilanie energią elektryczną pulpitu, poprawne działanie UPS-ów, dobry stan baterii zasilania awaryjnego, odpowiedni zapas mocy do zasilania sterów strumieniowych, itp. Również czynnik ludzki ma wielkie znaczenie. Załoga na mostku wykonująca manewrowanie statkiem podczas przeprowadzania prac na morzu musi być odpowiednio przeszkolona, od mechaników i elektroautomatyków wymaga się znajomości budowy systemu od strony technicznej, by właściwie reagować na niedomagania i ewentualne awarie części technicznej.
Schemat blokowy przedstawiający elementy systemu dynamicznego pozycjonowania zawiera:
1 - blok manewrowania statkiem, (Operator, Pulpit manewrowy, Komputery)
2 - blok referencji pozycji, (DGPS, Taut Wire, Hydroakustyczna Referencja
HPR, Mikrofalowa Referencja ARTEMIS
3 - blok referencji kierunku dziobu, (Żyrokompas)
4 - blok referencji środowiska zewnętrznego i stabilności statku, (Czujnik siły i kierunku wiatru, Czujnik ruchów roll i pitch tzw. VRS)
5 - blok wytwarzania i rozdzielania energii elektrycznej, (Zespoły prądotwórcze, Tablice rozdzielcze)
6 -blok napędów strumieniowych, (Tunelowe stery strumieniowe, Pędniki
azymutowe, Śruby napędu głównego)
Rys. 4 – Schemat blokowy elementów systemu dynamicznego pozycjonowania
BATTERIES – baterie akumulatorów
BRIDGE CONSOLE – pulpit manewrowy DP
COMPUTERS – główne komputery
CONTROL ELEMENTS – blok manewrowania statkiem
D.P.O. – operator pulpitu DP
ENVIROMENT REFERENCE – blok referencji środowiska zewnętrznego
HEADING REFERENCE – blok referencji kierunku dziobu, kursu
POSITION REFERENCE SYSTEM – blok referencji pozycji
POWER – blok zasilania
POWER SUPPLY – zasilanie w energię elektryczną
THRUSTERS – blok napędów strumieniowych
U.P.S. – urządzenie zapewniające nieprzerwane zasilanie w energię elektryczną
Rys. 5 - Rysunek poglądowy bloków, elementów i połączeń według firmy
KONGSBERG [3]
...
marcin0732