Динамическое позиционирование плавучих объектов - В.П.Шостак [2010, PDF]

Оглавление

Предисловие………………………………………………………………………. 4
Глава 1. Общая характеристика систем позиционирования…………………… 6
1.1. Эволюция, современное состояние систем динамического позиционирования.... 6
1.2. Технические требования, предъявляемые к системам позиционирования……… 12
Глава 2. Динамическое позиционирование и работоспособность
технологического оборудования ……………………………………….. 15
Глава 3. Логическое построение управления в системе динамического
позиционирования……………………………………………………….. 27
3.1.Прямая цепь управления, ЭВМ и средства активного управления плавучим
объектом………………………………………………………………………………. 29
3.2. Цепь обратной связи. Информационные подсистемы определения положения
плавучего объекта и параметров окружающей среды…………………………….. 38
3.3. Алгоритм опережения, программные блоки и моделирование системы………… 39
Глава 4. Математическая модель движения судна…………………………….. 43
4.1. Внешние силы……………………………………………………………………… 43
4.2. Уравнения движения и определение траектории………………………………… 54
Глава 5. Структура и надежность системы динамического позиционирования.
Расположение оборудования на судне…………………………………. 57
5.1.Функциональный принцип группирования и технические характеристики
оборудования………………………………………………………………………… 57
5.2. Надежность, резервирование, модульность………………………………………… 61
5.3. Контроль параметров и управление системой с главного пульта………………… 67
5.4. Компоновка центрального поста и размещение технических средств на судне… 69
Глава 6. Области применения и особенности динамического позиционирования
различных объектов океанотехники…………………………………… 73
Глава 7. Регистр судостроения Ллойда. Правила классификации и изготовления
систем динамического позиционирования…………………………….. 91
Послесловие………………………………………………………………………... 100
Список литературы……………………………………………………………….. 101
Приложение 1. Оригинал Правил (на английском языке)……………………... 103
Приложение 2. Обращение к читателю…………………………………………. 111
4

Предисловие

Предисловие
При выполнении в морских условиях работ технологического характера или
исследовательских работ возникает потребность в стабилизации плавучего объекта, с которого
ведутся работы. Обычно это удержание по положению в заданной точке водного пространства
или удержание на заданной траектории движения.
В качестве стабилизируемых объектов выступают специальные суда, плавучие
платформы или подводные аппараты.
Жесткая связь объекта с точкой или траекторией отсутствует, и в то же время на объект
действуют переменные внешние силы. В этом случае удержание требует контроля положения и
активного управления объектом [8].
Установились термины: «система динамической стабилизации – СДС» или, что-то же,
«система динамического позиционирования – СДП». Такая система представляет комплекс
технических средств, реализующих процесс управления плавучим объектом в динамике.
Алгоритмы управления и сам процесс имеют определенные погрешности и колебания
параметров, источником которых являются условия окружающей среды, неточность
измерительных средств, неадекватность натуре математических моделей, описывающих объект
и его функции, инерционность цепей управления, включая исполнительные органы- движители,
рули и их приводы.
Поэтому реальный процесс позиционирования можно представить как удержание
объекта относительно фиксированной точки или заданной траектории с отклонениями в
допустимых пределах. То же относится и к стабилизации других параметров – скорости хода в
установившемся движении или ускорения при разгоне и торможении.
Освоение океана и континентального шельфа обеспечивается судами и другими
плавучими объектами – носителями технических средств, решающими свою задачу. Цели
5
работы определяют тип стабилизации, присущий данному объекту и отвечающий его
назначению. При бурении морского дна, например, стабилизация бурового судна или буровой
платформы осуществляется относительно устья скважины. При обустройстве месторождений
это могут быть просто участки морского дна или располагаемое в этих местах донное
оборудование.
Удержание судна на поверхности воды происходит в некоторой разрешенной зоне,
причем, в пределах этой зоны необходимо обеспечить безаварийную работу оборудования,
связывающего судно с морским дном. Для бурового судна, например, это бурильная колонна,
спускаемая с борта до устья скважины и далее до забоя. Роль, аналогичную бурильной колонне,
может играть и другой инструмент, например, т.н. райзер (водоотделяющая колонна, иначе –
морской стояк), по которому движется промывочная жидкость, вымывающая выбуренную
породу.
Стабилизация скорости хода и ускорений, достигаемая изменением режима работы
движителей, оказывается эффективной в эксплуатации подводных аппаратов и, в особенности, -
подводных аппаратов-роботов, вооруженных манипуляторами.
Обозревая назначение и использование систем динамического позиционирования,
можно заключить, что их проектирование представляет весьма непростую и ответственную
задачу. Это касается выбора состава системы и технических характеристик оборудования,
определяемых характером работы, обеспечения необходимой точности позиционирования,
энергопотребления, оптимальности управления, надежности и безаварийности оборудования,
математического и программного обеспечения. Этим вопросам посвящается настоящая
монография.
В 80-х годах двадцатого столетия проблемы стабилизации буровых судов и платформ
вплотную коснулись судостроительной отрасли Советского Союза. Именно в эти годы
начинается интенсивное изучение отечественного континентального шельфа.
Как правило, новые разработки делались у нас впервые. Зарубежные технические
решения не имели доступных публикаций и, тем не менее, первое отечественное буровое судно
«Газпром-1», вооруженное отечественной системой автоматического управления
позиционированием над скважиной, стало реальностью.
В связи с этим и, отмечая успехи отечественной науки и техники, назовем имена
специалистов и ученых, внесших вклад в разработку, изготовление, монтаж на судне, наладку и
испытания головных образцов комплекса средств управления стабилизацией буровых судов
проектов 16280 и 16281, известных под кодовыми наименованиями «Шельф» и «Наука».
Это В.Болховитинов, Г.Лившиц, В.Ляпин, А.Остроухов, А.Тумашик, Г.Анохина,
Ю.Гольдин, Б.Ищенко, В.Турута, Л.Ларин, В.Попов, А.Бринкис, А.Лагно, М.Черноморенко,
Ю.Каменецкий, С.Козлов, В.Лобанов, В.Щередин, Ю.Васютин, Г.Мартиросов, Ю.Латышев,
Э.Мамедов и др.
Содержание монографии отражено в семи главах и охватывает теоретические основы
динамического позиционирования и математические модели процесса, алгоритмы
оптимального управления, требования по проектированию и Правила классификационных
обществ, структурные и принципиальные схемы управления техническими средствами,
комплектацию, компоновочные решения и привязку технических средств к общему
расположению судна, а также описание различных областей использования, включая
трубоукладку подводных трубопроводов, работу краново-монтажных, пожарных, водолазных,
научно-исследовательских судов и подводных аппаратов. Проводится аналогия между
способами управления в технике и медицине и в приложении представлено авторское
предложение об использовании «опережающе-запаздывающего» сигнала при выполнении
инъекций инсулина.
6
В настоящей монографии обобщен известный автору проектный опыт создания системы
позиционирования буровых судов. В нем отражен результат многолетней совместной работы
Центрального конструкторского бюро «Черноморсудопроект» и институтов судостроительной
отрасли – ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, «Океанприбора», «Азимута», «Авроры», «Винта» -
исследователей и разработчиков в области проектирования, теории корабля, гидроакустики,
навигации, автоматики, активных средств управления – винтов регулируемого шага и
подруливающих устройств.
Автор благодарит специалистов ЦКБ, помогавших ему в написании монографии и
предоставивших в его распоряжение проектную и нормативную документацию по системе
позиционирования бурового судна «Газпром–1».
Особая благодарность адресуется проживающим в Чикаго николаевским судостроителям
– братьям Евгению и Леониду Цинципирам, благодаря поддержке которых стало возможным
издание настоящей монографии в издательстве “Megatron Design and Publishing Group”, а также
раввину Элейзеру Дымарскому и другим работникам синагоги за неустанную работу по
созданию атмосферы понимания и взаимовыручки между людьми русской общины.