PT2257493E - Braço de carregamento com comando directo, em particular comando proporcional - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

Braço de carregamento com comando directo, em particular comando proporcional 0 presente invento refere-se genericamente a sistemas para carregar e/ou descarregar fluidos de barcos, vulgarmente referidos como sistemas de carregamento marítimos. Estes sistemas são usados para transferir um produto líquido ou gasoso entre um navio e um cais, ou entre dois navios. Um tal sistema de carregamento está divulgado no documento FR 2384 194.

Mais em particular, o presente invento refere-se aos dispositivos para controlar o deslocamento e o posicionamento destes sistemas de carga e/ou descarga.

Em geral, os sistemas de carregamento marítimos têm uma extremidade de linha de transferência de fluido que está fixa numa base e ligada a um tanque de fluido a ser transferido, e uma extremidade de linha oposta que é móvel e proporcionada com uma união adaptada para ligação a uma conduta alvo, ela própria ligada a um tanque de fluido. São conhecidas duas famílias de sistemas de carregamento de fluido para navios, que são diferenciadas pela sua estrutura: sistemas para transferência por meio de tubos rígidos e sistemas de transferência por meio de tubos flexíveis.

Na família dos sistemas para transferência por meio de tubos rígidos, podem distinguir-se os sistemas de braço de carregamento e sistemas de pantógrafo. 0 braço de carregamento é um arranjo de tubagem articulado, tendo uma base, ligada a um tanque de fluido, na 1 qual está montado um primeiro tubo, designado tubo interior, através de uma porção de tubo com uma curva a 90° permitindo a rotação de uma das suas extremidades em torno de um eixo vertical, e a outra extremidade em torno de um eixo horizontal. Na extremidade oposta do tubo interior, um segundo tubo, designado tubo exterior, está montado de forma rotativa em torno de um eixo horizontal. É montada uma união na extremidade do tubo exterior.

Cada uma das três rotações é controlada por um macaco ou motor hidráulico com um controlo de ligar/deligar. O operador tem uma interface de comando que lhe permite controlar cada um dos movimentos independentemente. O documento US 6382269 revela um robot para reabastecer um veiculo. O braço com o bico de enchimento é guiado automaticamente ao longo de três coordenadas para travar o bico na abertura de combustível do carro.

Os sistemas de pantógrafo, tal como os braços de carregamento, têm uma base ligada a um tanque. Uma grua está montada de forma rotativa nessa base. A grua tem uma lança que transporta um tubo para o fluido. Na extremidade da lança está montado um pantógrafo composto por tubos articulados para o fluido, e permitindo o deslocamento de uma união que está montada na extremidade livre do pantógrafo. A inclinação do pantógrafo é controlada por uma rotação na extremidade da lança. 0 movimento do pantógrafo é controlado por motores hidráulicos e por um macaco para rotação na base.

Por último, os sistemas de tubagem flexíveis têm normalmente uma linha na qual é transportado o produto fluido, e um sistema mecânico que permite que a linha seja manobrada. Há vários tipos de sistemas de manobragem, mas em todos os 2 casos incluem uma grua ou estrutura de manipulação que suporta a união para ligação do tubo flexível.

Na prática, na maior parte dos sistemas, a união é articulado livremente na sua extremidade em relação a três rotações, de modo a poder ser operada manualmente e com precisão por um operador quando uma união é apresentado à conduta alvo para a ligação.

Estas duas famílias de dispositivos de carregamento têm diferenças estruturais, mas os seus sistemas de comando são concebidos de acordo com o mesmo princípio geral de operação. De notar que, em todos os casos, a união tem pelo menos três graus de liberdades relativamente à base que suporta a extremidade fixa da conduta, e os movimentos em cada um desses graus de liberdade são controlados independentemente por actuadores.

Cada actuador é controlado separadamente por um comando independente do tipo ligar/desligar. 0 operador pode actuar independentemente em cada um dos comandos para controlar um elemento específico dos sistemas de carga. A acção combinada no grupo de actuadores permite que a união seja colocada num ponto desejado no espaço.

Em geral, os actuadores usados são hidráulicos, por exemplo um motor ou macaco hidráulico, mas a actualização de actuadores eléctricos é também conhecida, por exemplo motores eléctricos, ou actuadores pneumáticos. Em todos os casos, os actuadores que equipam os sistemas de carregamento marítimo são controlados por um comando ligar/desligar, com uma velocidade de deslocamento constante e, em determinados casos, com a possibilidade de definir duas velocidades de movimento, a pedido. 3

Na prática, estes dispositivos de comando têm uma implementação delicada, porque o operador tem de conhecer perfeitamente as cinemáticas do sistema de carregamento marítimo e, em simultâneo, combinar o movimento de cada um dos actuadores independentemente, para obter, somando todos os movimentos, um movimento combinado da união correspondendo ao movimento que lhe pretende conferir. Como os movimentos são gerados pelos actuadores com o comando ligar/desligar a uma velocidade fixa, é difícil, ou mesmo impossível, ao operador gerar movimento da união que seja linear e/ou com velocidade constante. Mais geralmente, é difícil ao operador controlar com precisão o movimento da união, o que aumenta os riscos da união embater em obstáculos ou na conduta alvo. Isto pode danificar os vedantes da união.

Com base nestas observações, o invento pretende facilitar ao operador a operação de controlar o deslocamento da união tornando-o mais intuitivo, de modo a possibilitar conseguir-se a ligação da união em condições de mar desfavoráveis, e, mais geralmente, de modo a facilitar o acto de ligar e toná-lo mais rápido em todos os casos, reduzindo o risco de embater na união, o que pode, em particular, danificar os vedantes.

Para isso o invento proporciona um dispositivo de comando para o deslocamento e posicionamento de uma união para um sistema de carregamento marítimo, o dito sistema de carregamento marítimo compreendendo pelo menos uma linha de transferência de fluido tendo uma extremidade de linha fixa a uma base, e uma extremidade de linha móvel provida de uma união adaptada para ligação a uma conduta alvo, o sistema tendo ainda uma pluralidade de ligações mecânicas de modo que a união tem pelo menos três graus de liberdade relativamente à base, o dispositivo sendo caracterizado por compreender pelo menos três 4 actuadores com comando proporcional, cada um para controlar proporcionalmente o movimento do sistema num grau de liberdade, um sensor de posição do sistema seguindo cada grau de liberdade, uma interface de entrada de operador para a introdução de comandos para o deslocamento da união, e um calculador para calcular a posição instantânea da união a partir das informações proporcionadas pelos sensores, e para calcular, a partir das entradas de comando de deslocamento da interface de entrada, instruções de comando simultâneas a dar a cada um dos actuadores para que os seus movimentos combinados resultem num movimento da união correspondendo ao comando de deslocamento proporcionado pelo operador na interface de entrada.

Com vantagem, este dispositivo permite que o operador controle intuitivamente o deslocamento da união, sem ter de compensar o seu deslocamento actuando simultaneamente em vários comandos. Por outras palavras, o dispositivo de acordo com o invento possibilita ao utilizador controlar directamente o deslocamento da união, sem ter de se preocupar com as cinemáticas do sistema de carregamento. Com o dispositivo de acordo com o invento, o operador é dispensado de ter de combinar os movimentos das cinemáticas actuando em vários comandos ao mesmo tempo, uma vez que estas operações são executadas pelo calculador. 0 operador pode, assim, controlar directamente o movimento da união, e pode, assim, em particular, conseguir um deslocamento da união que seja rectilineo e/ou tenha velocidade constante.

Com vantagem, o invento adapta-se a qualquer tipo de sistema de carregamento marítimo, aos sistemas para transferência por meio de tubos rígidos, assim como aos sistemas para transferência por meio de tubos flexíveis. 5

De acordo com uma característica vantajosa do invento, a interface de entrada de comandos tem pelo menos um comando proporcional para que com uma actuação no dito comando proporcional com uma magnitude maior ou menor se proporcione pelo menos uma instrução de comando proporcional que é respectivamente maior ou menor para pelo menos um dos actuadores, resultando num deslocamento da união a uma velocidade de deslocamento que é respectivamente maior ou menor.

Com vantagem, cada um dos comandos é do tipo proporcional, o que significa, na prática, que a amplitude de movimento num comando resulta numa velocidade maior ou menor nos actuadores.

De acordo com caracteristicas vantajosas, que podem ser combinadas: - pelo menos um dos sensores de posição do sistema é um sensor angular; - pelo menos um dos actuadores com comando proporcional é um actuador hidráulico cooperando com uma válvula com comando proporcional; - pelo menos um dos actuadores com comando proporcional é um motor eléctrico com comando proporcional; - a comunicação entre a interface de entrada de comandos e o calculador é feita sem fios, a interface de entrada estando ligada a um emissor comunicando sem fios com um receptor ligado ao calculador; - a interface de entrada de comandos compreende pelo menos um elemento de manipulação concebido de forma a fornecer os comandos de deslocamento à união em pelo menos dois ou três graus de liberdade; 6 - vários sistemas de carregamento maritimo estão ligados ao calculador, e um selector é proporcionado na interface de comando para comandar selectivamente um dos sistemas de carregamento ligados ao calculador;

De acordo com outro aspecto, o invento proporciona um autómato para um dispositivo tal como está descrito acima, compreendendo entradas para receber um sinal de posição emitido por um sensor de posição do sistema em cada grau de liberdade e para receber um sinal de comando de uma interface de entrada de operador para a introdução de comandos para o deslocamento da união, e está configurado para calcular, com base nas entradas, instruções de comando simultâneas a dar a cada um dos actuadores para que os seus movimentos combinados resultem num movimento da união correspondendo ao comando de deslocamento proporcionado pelo operador à interface de entrada, e o dito autómato compreende saídas às quais estão ligados os actuadores, e cada autómato aplica as instruções de comando calculadas destinadas aos actuadores.

De acordo com outro aspecto, o invento proporciona um processo de cálculo para um autómato tal como está descrito acima, compreendendo as etapas de cálculo seguintes: - com base na informação proporcionada pelos sensores de posição, calcular as coordenadas espaciais da posição da união em relação a um ponto de origem definido previamente, - com base nas entradas de comando pelo operador feitas na interface de comando, calcular as velocidades de deslocamento em pelo menos três graus de liberdade do sistema de carregamento, 7 - com base nas coordenadas espaciais da posição da união e nas velocidades pretendidas, calcular as instruções de saida a aplicar a cada um dos actuadores para controlar o movimento do sistema de carregamento de acordo com as entradas de comando feitas na interface de comando. A explicação do invento será agora continuada com a descrição detalhada de uma forma de realização, dada abaixo por meio de um exemplo não limitativo, com referência aos desenhos acompanhantes. Nos desenhos: a figura 1 é uma vista esquemática em perspectiva de um braço de carregamento equipado com um dispositivo de comando de acordo com o invento, a figura 2 é um esquema sinóptico operacional da operação de um dispositivo de acordo com o invento, em particular de acordo com a figura 1, a figura 3 é um diagrama de fases para representar o principio de funcionamento do dispositivo de comando de acordo com a figura 2. A figura 1 é uma representação muito esquemática de um braço de carregamento 2 equipado com um dispositivo de comando 1 de acordo com o invento. A representação do braço de carregamento está aqui muito simplificada, e deve ser relembrado a este respeito que o dispositivo de comando de acordo com o invento pode ser adaptado a qualquer tipo de sistema de carregamento marítimo, em particular aos sistemas de carregamento descritos acima. 8 0 braço de carregamento da figura 1 tem uma base 21 ligada um tanque de fluido que está localizado por baixo da superfície 22 na qual a base está fixa, e que pode ser, por exemplo, um cais ou o convés de um navio. No vértice da base existe, articulado de forma rotativa, um tubo dobrado 23, no qual está articulado, por seu lado, um primeiro tubo referido como tubo interior 24 que está articulado, na sua extremidade oposta, a um segundo tubo referido como tubo exterior 25. A extremidade do tubo exterior transporta uma união 26 adaptada para ser ligado a uma conduta alvo (não ilustrada), por exemplo num navio. De uma forma conhecida per se, a união tem três graus de liberdade em rotação relativamente à extremidade do tubo exterior. Estas três rotações são livres, de forma que um operador pode ajustar livremente o ângulo da união durante a fase final de aproximação para a ligação da união à conduta alvo.

Geralmente, este tipo de braço de carregamento é conhecido per se e não será aqui descrito em mais detalhe. Deverá ainda notar-se que o dispositivo de comando de acordo com o invento adapta-se a todos os sistemas de carregamento marítimo, e que a adaptação do dispositivo de comando de acordo com o invento a qualquer outro tipo de sistema de carregamento, em particular um dos sistemas descritos acima, está dentro da capacidade do perito na especialidade.

No dispositivo de acordo com o invento, tal como está representado esquematicamente na figura 1, os actuadores 27, 28, 29 são proporcionados em cada uma das três articulações do braço de carregamento (simbolizadas pelas setas duplas A, B, C). Mais especificamente, um primeiro actuador 27 que é proporcionado entre o vértice da base 21 e o tubo dobrado 23, para rodar este último horizontalmente em relação à base, um 9 segundo actuador 28 é proporcionado entre a extremidade do tubo dobrado 23 e o tubo interior 24 de modo a rodar o tubo interior verticalmente, e um terceiro actuador 29 é proporcionado entre o tubo interior 24 e o tubo exterior 25 para obrigar este último a rodar verticalmente.

Os três actuadores 27, 28, 29 são macacos hidráulicos aqui representados muito esquematicamente na figura 1. Numa variante não ilustrada, um ou mais dos macacos hidráulicos são substituídos por motores hidráulicos. De acordo com outra variante não ilustrada, os actuadores são motores eléctricos ou pneumáticos.

Sensores angulares 30, 31, 32 são proporcionados nas articulações entre cada elemento do braço de carregamento. Um sensor angular 30 é proporcionado entre a base 21 e o tubo dobrado 23, um sensor angular 31 é proporcionado entre o tubo dobrado 23 e o tubo interior 24, e um sensor angular 32 é proporcionado entre o tubo interior 24 e o tubo exterior 25. Os sensores angulares são colocados, com vantagem, nos próprios actuadores, como pode ver-se na figura 2.

De acordo com uma variante vantajosa não representada, os sensores angulares 31 e 32 são substituídos por sensores pêndulo dispostos respectivamente nos braços interior e exterior, para proporcionar o seu ângulo de inclinação relativamente à vertical dada pelo pêndulo.

Cada um dos sensores está ligado ao mesmo calculador de comando 41 que é, de facto, um autómato disposto num armário de comando eléctrico 40.

Uma unidade de potência hidráulica 42 é proporcionada para fornecer aos actuadores a energia hidráulica necessária para a sua operação. É controlada pelo autómato. 10 A figura 2 é um diagrama de blocos que mostra o principio de funcionamento geral de um dispositivo de acordo com o invento e, mais particularmente, do dispositivo, tal como ilustrado na figura 1.

Tal como pode ver-se no diagrama de blocos, o braço de carregamento está equipado com actuadores 27, 28, 29 controlados por válvulas com comando proporcional. A unidade de potência hidráulica 42 fornece aos actuadores a energia hidráulica necessária para a sua operação, através das ditas válvulas com comando proporcional. É proporcionada uma caixa de ligação (BJ) 51 para recolher todos os sinais de comando destinados às válvulas. 0 braço actuador está ainda equipado com sensores angulares 30, 31, 32 ligados respectivamente a uma caixa de união (BJ) 52 para recolher os sinais de salda pelos sensores angulares . O armário de comando eléctrico tem um invólucro resistente a explosões 43 que permite proteger o conteúdo do armário de possíveis explosões acidentais que possam ocorrer perto, por exemplo durante a transferência de hidrocarbonetos através do sistema de carregamento. 0 autómato controla ainda um relé de potência para comandar o arranque e paragem da unidade de potência hidráulica. A unidade de potência hidráulica compreende uma bomba (não representada) adaptada para bombear um fluido hidráulico para actuar os motores ou macacos hidráulicos.

Uma interface de entrada de utilizador 60 permite que o sistema de carregamento seja controlado. Na forma de realização ilustrada, esta interface é uma unidade de controlo remoto proporcionada com um emissor 61 para comunicar com um receptor 62 ligado ao autómato no armário de comando eléctrico. O 11 emissor e receptor comunicam por meio de ondas rádio. Como uma variante, o emissor e o receptor comunicam através de ondas ópticas, por exemplo ondas infravermelhas.

De acordo com uma variante não ilustrada, a interface de entrada está ligada por um cabo com o autómato, para comunicar com ele.

Na unidade de controlo remoto que pode ser vista na figura 2, o operador tem um comando para deslocar o braço de carregamento ao longo do eixo dos "x" e um comando para o deslocar ao longo do eixo dos "y", cujos eixos podem ser vistos na figura 1. Os comandos par o deslocamento ao longo dos eixos dos "x" e dos "y" são combinados no mesmo elemento de manipulação, na forma de uma alavanca de comando 63. Uma alavanca de comando separada 64 permite que o braço seja deslocado ao longo do eixo dos “z". Cada uma das alavancas de comando, é do tipo proporcional, o que significa, na prática, que a amplitude do movimento de uma alavanca de comando resulta numa abertura mais larga ou mais estreita das válvulas com comando proporcional e, consequentemente, numa maior ou menor velocidade os actuadores.

Numa variante não ilustrada, os comandos para deslocamento ao longo dos eixos dos "x" e dos "z" são agrupados em conjunto na mesma alavanca de comando. Uma alavanca de comando separada permite que o braço seja deslocado ao longo do eixo dos "y". De notar que outras combinações de agrupamento em conjunto dos comandos estão dentro da capacidade do perito na especialidade.

Noutra variante não ilustrada, os comandos para deslocamento ao longo dos eixos dos "x", "y" e "z" são agrupados em conjunto no mesmo elemento de manipulação.

Numa variante não ilustrada, vários brações são controlados pelo mesmo autómato. Um selector proporcionado na 12 unidade de controlo remoto permite que uma pluralidade de braços de carregamento, ligados ao mesmo autómato, sejam controlados usando o mesmo principio e com as mesmas alavancas de comando. A figura 3 apresenta, num diagrama de fases, o principio de operação do dispositivo de comando de braço, em particular de acordo com as figuras 1 e 2.

Os três sinais emitidos pelos sensores angulares 30, 31, 32 dispostos em cada uma das três articulações do braço de carregamento são enviados para o autómato. Com base nos dados angulares, o autómato calcula as coordenadas espaciais (de acordo com os eixos dos x, y e z) da posição da união relativamente a um ponto de origem definido previamente.

Paralelamente, o autómato calcula, com base nas entradas de comando do operador feitas na interface de comando (unidade de controlo remoto) as velocidades Vx, Vy e Vz pretendidas ao longo dos eixos dos x, y e z.

Com base nas coordenadas espaciais da posição da união e das velocidades pretendidas, o autómato calcula os futuros ângulos necessários nas três articulações para se obter o deslocamento pretendido pelo utilizador. 0 autómato calcula então o deslocamento a aplicar a cada um dos actuadores 27, 28, 29 para se obter o ângulo já calculado, e então calcula as instruções de saída a aplicar a cada um dos actuadores para comandar o movimento do braço de carregamento de acordo com as entradas de comando pelo operador.

De facto, o autómato calcula as coordenadas espaciais da união 26 em qualquer momento e calcula os futuros ângulos necessários logo que a interface de entrada de comandos 60 é actuada pelo utilizador. 13

Numa variante não ilustrada, de uma forma conhecida per se, o dispositivo de comando de acordo com o invento tem um quarto actuador permitindo que a união seja travada ou destravada.

Inúmeras outras variantes são possíveis de acordo com as circunstâncias, e a este respeito deve notar-se que o invento só está limitado pelas reivindicações anexas.

Lisboa, 18 de Novembro de 2013. 14

Claims (10)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo de comando (1) para o deslocamento e o posicionamento de uma união (26) para um sistema de carregamento marítimo, o dito sistema de carregamento marítimo compreendendo pelo menos uma linha de transferência de fluido tendo uma extremidade de linha fixa a uma base (21), e uma extremidade de linha móvel provida de uma união (26) adaptada para ligação a uma conduta alvo, o sistema tendo ainda uma pluralidade de ligações mecânicas de modo que a união tem pelo menos três graus de liberdade relativamente à base, o dispositivo sendo caracterizado por compreender pelo menos três actuadores com comando proporcional (27, 28) cada um para controlar proporcionalmente o movimento do sistema num grau de liberdade (A, B, C), um sensor de posição (30, 31, 32) do sistema seguindo cada grau de liberdade, uma interface de entrada de operador para a introdução de comandos para o deslocamento da união, e um calculador (41) para calcular a posição instantânea da união a partir das informações proporcionadas pelos sensores, e para calcular, a partir das entradas de comando de deslocamento da interface de entrada (60), instruções de comando simultâneas a dar a cada um dos actuadores para que os seus movimentos combinados resultem num movimento da união correspondendo ao comando de deslocamento proporcionado pelo operador na interface de entrada.
2. 2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a interface de entrada de comandos (60) ter pelo menos um comando proporcional (63, 64) para que com uma actuação 1 no dito comando proporcional com uma magnitude maior ou menor se proporcione pelo menos uma instrução de comando proporcional que é respectivamente maior ou menor para pelo menos um dos actuadores (27, 28, 29), resultando num deslocamento da união a uma velocidade de deslocamento que é respectivamente maior ou menor.
3. 3. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por pelo menos um dos sensores de posição (30, 31, 32) do sistema ser um sensor angular.
4. 4. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por pelo menos um dos actuadores de comando proporcional (27, 28, 29) ser um actuador hidráulico cooperando com uma válvula com comando proporcional.
5. 5. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por pelo menos um dos actuadores com comando proporcional (27, 28, 29) ser um motor eléctrico com comando proporcional.
6. 6. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por a comunicação entre a interface de entrada de comandos (60) e o calculador ser feita sem fios, a interface de entrada estando ligada a um emissor (61) comunicando sem fios com um receptor (62) ligado ao calculador (61).
7. 7. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por a interface de entrada de comandos (60) compreender pelo menos um elemento de manipulação (63) concebido de forma a fornecer os comandos 2 de deslocamento à união em pelo menos dois ou três graus de liberdade.
8. 8. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por vários sistemas de carregamento maritimo estarem ligados ao calculador, e por um selector ser proporcionado na interface de comando para comandar selectivamente um dos sistemas de carregamento ligados ao calculador.
9. 9. Autómato (41) para um dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por compreender entradas para receber um sinal de posição emitido por um sensor de posição (30, 31, 32) do sistema em cada grau de liberdade e para receber um sinal de comando de uma interface de entrada de operador (60) para a introdução de comandos para o deslocamento da união, e por ser configurado para calcular, com base nas entradas, instruções de comando simultâneas a dar a cada um dos actuadores (27, 28, 29) para que os seus movimentos combinados resultem num movimento da união correspondendo ao comando de deslocamento proporcionado pelo operador à interface de entrada, e por o dito autómato compreender saídas às quais estão ligados os actuadores, e por cada autómato aplicar as instruções de comando calculadas destinadas aos actuadores.
10. 10. Processo de cálculo para um autómato de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por compreender as etapas de cálculo seguintes: 3 - com base na informação proporcionada pelos sensores de posição (30, 31, 32), calcular as coordenadas espaciais da posição da união (26) em relação a um ponto de origem definido previamente, - com base nas entradas de comando pelo operador feitas na interface de comando (60), calcular as velocidades de deslocamento em pelo menos três graus de liberdade do sistema de carregamento, - com base nas coordenadas espaciais da posição da união e nas velocidades pretendidas, calcular as instruções de saída a aplicar a cada um dos actuadores para controlar o movimento do sistema de carregamento de acordo com as entradas de comando feitas na interface de comando. Lisboa, 18 de Novembro de 2013. 4