Троицкий крановый завод: Примирение со стихией

С момента появления плавсредств передача грузов с судно на судно, с судна на неподвижный объект в условиях волнения моря была и остается большой проблемой.

В настоящий момент объем работ на шельфе достиг небывалых показателей. Важные задачи – это снижение издержек простоя судов, сроков реализации проектов за счет увеличения допускаемой интенсивности (балльности) волнения моря, при котором обеспечивается безопасная работа оборудования.

Расширение временного окна для обслуживания оффшорных объектов и перегрузки грузов с судна на судно (рисунок 1) – такая задача поставлена перед нашим инженерным центром.
 

Рисунок 1 – Перегрузка грузов с судна на судно

Проект был разбит на подпроекты, которые являются самостоятельными продуктами, интегрирующимися в оборудование (не обязательно нашего производства). Такими подпроектами являются система компенсации вертикальной качки, система противораскачивания, система помощи оператору крана, система получения координат точки посадки груза.

Речь в этой статье пойдет о работе над системами компенсации вертикальной качки и противораскачивания. Система компенсации качки широко используется при проведении подводно-технических работ, а именно при работе с подводными аппаратами, удержании грузов на заданной глубине, работе попостановке и снятию объектов подводной инфраструктуры со дна.

Суть состоит в том, чтобы, измеряя линейные и угловые перемещения судна, вызванные волнением, вычислять соответствующие перемещения точки подвеса груза и с помощью механизма подъема компенсировать эти перемещения так, чтобы изменение координаты груза по вертикальной оси в неподвижной системе координат стремилось к нулю. Вычисление перемещения точки подвеса производится алгоритмами системы управления, использующими информацию о перемещениях судна в неподвижной системе координат, а также результаты измерений датчиков углов поворота звеньев крана и математическое описание кинематики крана. Упрощенная схема работы системы представлена на рисунке 2. 
 

Рисунок 2 – Упрощенная схема работы компенсации вертикальной качки груза

Решение подобной задачи требует тщательного математического моделирования как механической части крана, так и гидравлической. На основании этих моделей разрабатывается система управления. В частности, как видно из рисунка 2, механизм подъема (лебедка) приводится в движение гидромотором с переменным объемом. Изменение объема, осуществляемое с помощью встроенного в мотор гидроцилиндра, позволяет плавно регулировать момент, что соответственно изменяет скорость вращения лебедки. Для более точного позиционирования штока гидроцилиндра на нем установлен датчик положения, значения с которого поступают на регулятор, управляющий сервоклапаном.

Сервоклапан, в свою очередь, представляет собой пропорциональный распределитель, который тоже содержит в себе контур обратной связи, повышающий точность позиционирования золотника. 

Из рисунка 2 также видно, что скорость вращения гидромотора измеряется датчиком и значение скорости в качестве обратной связи поступает в систему управления. Также в математематическую модель включены распределитепли, пневмогидроаккумуляторы, трубопроводы, учтены изменения линейной скорости каната при переходе со слоя на слой, жесткость системы. Такие меры с отдельным контуром обратной связи и с соответствующими регуляторами на каждом уровне управления необходимы для быстрого и точного позиционирования груза в условиях волнения.

На рисунке 3 представлена текущая схема разрабатываемой математической модели.
 

Рисунок 3 – Математическая модель системы активной компенсации качки

На основании математических моделей разрабатываются регуляторы, процесс создания которых также заслуживает отдельного описания, так как является основополагающим в реализации подобных систем: как в части выбора их структуры, так и в части методов определения их параметров.

Некоторые результаты моделирования: механической (рисунок 4а) и гидравлической (рисунок 4б) частей.
 

Рисунок 4а – Результаты моделирования механической части

 

Рисунок 4б – Результаты моделирования гидравлической части

Программное обеспечение для реализации подобных систем ранее было монополизировано несколькими иностранными компаниями. Инженерный центр ООО «ТКЗ» сейчас завершает рабочий проект офшорного крана, на котором будет установлено программное обеспечение, разработанное специалистами ООО «ТКЗ».

Задача противораскачивания груза актуальна не только для судовых и оффшорных кранов, но и для кранов мостового типа, широко применяемых промышленностью и преобладающих в объеме производства ООО «ТКЗ», особенно если речь идет о кранах с высотой подъема более 12 метров тяжелых режимов работы. Постановка задачи идентична, поэтому приведем пример системы противораскачивания груза мостового крана, которая проходит верификацию на стенде ООО «ТКЗ».

Рассмотрим основной этап проектирования – составление математической модели системы. Несмотря на то, что механическая система является нелинейной, удается успешно произвести ее моделирование. Как итог – движение крана с грузом описывается системой четырех обыкновенных дифференциальных уравнений, решение которых не вызывает затруднений с помощью современных средств компьютерной математики.

Основная задача системы противораскачивания – сформировать такой управляющий сигнал движения точки подвеса, который позволит выйти на заданную скорость в рамках определенного диапазона времени разгона, обусловленного самочувствием оператора крана и располагаемой мощностью привода, при котором амплитуда колебаний груза будет стремиться к нулю. Схема проектируемой системы представлена на рисунке 5.
 

Рисунок 5 – Упрощенная схема работы системы противораскачивания

Система управления работает следующим образом: на вход контроллера подается сигнал скорости с джойстика оператора крана. Разность текущего значения скорости и заданной скорости крана поступает на первый регулятор. По найденному значению скорости крана рассчитывается угол отклонения груза, который формирует сигнал, поступающий на второй регулятор. Разность двух сигналов с регуляторов поступает на усилитель и далее на исполнительный элемент, частотный преобразователь и электродвигатель.

Основным отличием данной системы является отсутствие контроля измерения угла отклонения, так как его вычисление основано на математической модели крана. На рисунке 6 представлены результаты моделирования движения крана с грузом. Как видно из графиков, колебания заметно уменьшаются.
 

Рисунок 6 – Результаты моделирования системы противораскачивания: а) без противораскачивания

 

Рисунок 6 – Результаты моделирования системы противораскачивания:  б) с системой противораскачивания

Наиболее трудоемким этапом при проектировании системы противораскачивания в данной постановке является подбор коэффициентов регуляторов.

Существует множество способов подбора параметров регулятора и каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками, а также областью применимости. Для решения нашей задачи поиска оптимальных значений регуляторов была создана программа, основанная на современном и эффективном методе оптимизации на основе метода роя частиц. Отметим, что данный алгоритм также лежит в основе современного искусственного интеллекта и нейросетей. Разработанная программа позволяет быстро и эффективно настраивать регуляторы системы управления движением точки подвеса, избегая раскачивания груза.

Работой над подобными проектами мы хотим достучаться до людей, компаний, которые обращены к иностранным производителям и считают, что подобные задачи непосильны для инженеров в нашей стране. Мы готовы к вызову, готовы к открытой конкуренции с иностранными компаниями, готовы завоевывать доверие делами. Мы хотим достучаться до нашей молодежи, стремящийся работать в иностранных фирмах, убежденной, что в нашей стране нет интересных коллективов, нет мысли, нет вызовов, что мы  безнадежно отстали и, чтобы стать профессионалом и заниматься актуальными задачами современности, надо обязательно уехать. Это не так! Мы воспитываем профессионалов!