Sistema de Posicionamiento Dinámico SeaDP para Gánguiles de

Sistema de Posicionamiento Dinámico SeaDP para Gánguiles de

Sistema de Posicionamiento Dinámico SeaDP para Gánguiles de Charnela.
"Seaplace seguirá confiando en las soluciones
Hardware y Software de NI para superar el reto que
supondrá cumplir con los requerimientos mas
exigentes de las Clases II y III de DP "
- Miguel Taboada, Seaplace S.L.
El Reto:
Controlar y mantener la posición de un gánguil de charnela con una capacidad de 1000 m3 (2500 ton de desplazamiento) durante las operaciones
de vertido, con una desviación admisible de 1.0 m. respecto al objetivo y contrarrestando un viento de fuerza 6 (25 nudos), un oleaje de 3 m de
altura significativa (cresta larga) y una corriente de 0.5 nudos.
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de Estudio
Completo
La Solución:
Una plataforma combinada PXI/cRIO permite en tiempo real la toma de datos, el procesamiento de señales y algoritmos de control y el manejo del
panel de control y la electrónica de los propulsores. Una estructura Cliente/Servidor TCP permite la comunicación entre los sensores y la interfaz
táctil de usuario con el ordenador de control. NI LabView ha permitido el desarrollo del sistema en un tiempo record.
Autor(es):
Miguel Taboada - Seaplace S.L.
Introducción:
Un gánguil de charnela es un buque cuya estructura principal se compone de dos semicascos articulados formando una cántara que puede ser abierta y
cerrada mediante un sistema hidráulico. Este tipo de buques es empleado en las obras marítimas para transportar y verter, en unas coordenadas
específicas, material que servirá como base para la construcción de diques.
Durante la operación de vertido, el buque disminuye su desplazamiento en dos terceras partes y duplica el área expuesta al viento, causando una rápida
variación de las fuerzas medioambientales actuando sobre el buque. Esto conduce a un alejamiento de la posición objetivo, inaceptable cuando el buque
está realizando operaciones que demanden precisión, con las pérdidas de material y dinero que esto conlleva.
SeaDP es un Sistema de Posicionamiento Dinámico, especialmente adaptado a la operación de gánguiles de charnela, que controla la posición y rumbo
del buque durante todas las etapas del proceso de vertido (aproximación al objetivo y mantenimiento sobre este desde la apertura de la cántara hasta su
cierre).
En los siguientes párrafos se presenta una breve descripción del sistema.
Sensores, Propulsores, Adquisición de Señales y su Procesamiento.
La adquisición de datos de los GPSs, Anemómetro, Corredera y Sensor de Calados se realiza mediante la plataforma PXI a través de una serie de
interfaces RS 232/RS 422 (protocolo NMEA). Las frecuencias de muestreo varían entre 10 s. de la corredera a los 10 Hz del DGPS (RTK). La plataforma
PXI muestrea también la IMU (Inertial Motion Unit) a 75 Hz a través una interfaz serie RS 232.
El Sistema de Propulsores del buque se compone de tres (3) dispositivos, cada uno capaz de proporcionar empuje en cualquier dirección, con un empuje
total de 200 kN consumiendo 2100 kW.
El Sistema tiene dos cRIO trabajando sincronizadamente (método de interrupciones) con el Controlado PXI RT a 10 Hz. Uno de los cRIO se encarga del
control de la Lógica Digital de los Propulsores Schottel, la adquisición de las señales de revoluciones y dirección de empuje y el envío de los valores de
consigna (posición del acelerador del motor diesel y dirección de empuje).
El panel de control contiene todos los indicadores y botones que permiten controlar al sistema, incluso ante una pérdida de comunicación entre el
Ordenador de Control y el Ordenador de Supervisión y Monitorización. Además, mediante un Joystick se puede controlar la posición del buque
manualmente.
La posición del centro de la cántara se obtiene a partir de las señales del GPS y DGPS, teniendo en cuenta la situación tridimensional en el buque de sus
antenas y los ángulos de balance, cabeceo y guiñada). La posición del buque se expresa en coordenadas UTM.
El Anemómetro mide la velocidad y dirección relativas del viento, con las cuales se alimenta, después de filtrar las rachas, al modelo de resistencia
aerodinámica para estimar las fuerzas medias de arrastre.
La unidad IMU proporciona las velocidades y aceleraciones en los seis grados de libertad en el centro de gravedad del buque. Mediante el uso de Filtros
de Kalman los ángulos de balance y cabeceo son calculados, mientras que el ángulo de guiñada se obtiene de la Giroscópica. Las series temporales de
aceleración se procesan en el dominio de la frecuencia para extraer los movimientos longitudinal, transversal y de giro de alta frecuencia. El ángulo de
balance también se emplea en la estimación RLS del periodo de los movimientos del buque inducidos por el oleaje.
Los sensores (ángulo acimutal y revoluciones de la hélice) de los dispositivos de empuje se emplean para estimar el empuje y momento totales actuando
sobre el buque. El punto de partida para la ajuste del modelo detallado del buque contenido en SeaDP es el proceso de toma de calados. Dicho modelo
es empleado en un Observador de Estados no lineal y un controlador LQR.
Observador de Estados y Controlador
Los movimientos del buque en el mar pueden considerarse como la suma de movimientos de frecuencia del oleaje (0.05-0.2 Hz) y movimientos de baja
frecuencia causados por las fuerzas de los grupos de olas.
En la práctica es imposible contrarrestar los movimientos de frecuencia de ola ya que la intensidad de las fuerzas que los producen es muy grande (del
orden del desplazamiento del buque). Deberán por lo tanto filtrarse adecuadamente dichos movimientos para evitar un excesivo desgaste de la
maquinaria propulsora.
Este filtrado se realiza mediante un Observador de Estados No Lineal, que consiste en un modelo de baja frecuencia de la respuesta del sistema de
propulsores y del buque, junto con modelos estocásticos de los movimientos de frecuencia del oleaje y de las perturbaciones medioambientales para
poder dar una buena estimación de los movimientos y velocidades de baja frecuencia.
El controlador emplea el movimiento de baja frecuencia, la velocidad y la desviación a la posición objetivo para calcular los valores de consigna de fuerza
y momento mediante un Regulador Cuadrático Lineal (LQR), minimizando una integral ponderada de la desviación y del consumo de potencia. Además,
la fuerza del viento estimada en tiempo real es realimentada al sistema para mejorar el rendimiento del controlador. El Controlador permite el control
manual o automático de los movimientos longitudinales, transversales y de giro.
Las fuerzas de consigna del Controlador en las direcciones longitudinal y transversal, y el momento alrededor del punto de giro deben ser repartidas
entre los distintos elementos propulsores. Esto es realizado en SeaDP empleando técnicas de programación cuadrática en tiempo real.
Desarrollo Futuro de SeaDP
SeaDP cumple con los requerimientos de la Clase I de DP, lo que significa que un solo fallo de cualquier elemento (propulsor, controlador, etc.) puede
dar lugar a una pérdida de posición. Las Clases II y III de DP presentan unos requisitos más exigentes, lo que obliga a considerar redundancia de
equipos y otras características especiales (por ejemplo un análisis de las consecuencias ante un fallo de cualquier equipo). Seaplace seguirá confiando
en las soluciones Hardware y Software de NI para superar los retos que supondrá conseguir esto.
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Información del Autor:
Miguel Taboada
Seaplace S.L.
SeaDP Main Window
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Block Diagrams
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split hopper vessel SATO GALICIA
Legal
Este caso de estudio (este "caso de estudio") fue desarrollado por un cliente de National Instruments ("NI"). ESTE CASO DE ESTUDIO ES PROPORCIONADO
"COMO ES" SIN GARANTÍA DE NINGUN TIPO Y SUJETO A CIERTAS RESTRICCIONES QUE SE EXPONEN EN LOS TÉRMINOS DE USO EN NI.COM.
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