RU2722125C1 - Устройство управления движением для шарнирно соединенного загрузочного рукава для текучей среды, способ сбора и вычисления данных и устройство для выполнения такого способа, а также шарнирно соединенный загрузочный рукав для текучей среды - Google Patents

Abstract

Устройство управления содержит исполнительные механизмы (27-29) для управления перемещением рукава в пространстве из положения хранения до тех пор, пока соединительная система не будет размещена перед трубой для соединения с последней, и от трубы в положение хранения, и средство (41) вычисления, выполненное с возможностью: - отслеживания перемещения системы в режиме реального времени; - генерации траектории перемещения системы в направлении трубы или в положение хранения в режиме реального времени исходя из последнего определенного положения системы на основе профиля движения с ограничением рывков; - вычисления команд управления, применяемых для каждого из исполнительных механизмов для управления перемещением системы на основе этого профиля движения. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Настоящее изобретение в общем относится к шарнирно соединенным загрузочным рукавам для передачи текучей среды из одного места в другое (загрузка и/или выгрузка).

Под текучей средой понимается жидкий или газообразный продукт. В частности, это понятие относится к сжиженному природному газу, природному газу низкого и высокого давления и нефтяным или химическим продуктам, передаваемым между судном и доком или между двумя судами.

В частности, настоящее изобретение относится к устройствам управления перемещением, позиционированием и соединением (также используется выражение «подключение») таких загрузочных рукавов с целевой трубой или их отсоединением от последней.

Как правило, такой рукав содержит систему шарнирно соединенных труб, установленную на опоре и соединенную с системой подачи текучей среды, причем первая труба, называемая внутренней трубой, установлена с помощью изогнутого под углом 90° коленчатого участка трубы, обеспечивающего возможность вращения относительно вертикальной оси на одном конце, и относительно горизонтальной оси на другом конце. На противоположном конце внутренней трубы установлена вторая труба, называемая наружной трубой, с возможностью вращения относительно горизонтальной оси. На конце наружной трубы установлен соединительный узел.

Таким образом, соединительный узел имеет по меньшей мере 3 степени свободы в пространстве относительно опоры, и перемещения в каждой из этих степеней свободы регулируются гидравлическими, электрическими или пневматическими исполнительными механизмами, например, домкратами или двигателями.

Управление перемещением реализуется либо оператором с помощью интерфейса управления, либо полностью автоматически.

Такие рукава раскрыты, например, в патентных заявках FR2813872, FR2854156, FR2931451, FR2964093 и FR3003855.

Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении передаточного рукава такого же типа, но с улучшенными характеристиками с точки зрения процессов соединения и отсоединения, в частности, применительно к передаче текучей среды в открытом море, которая всегда затруднена из-за относительных перемещений плавучих конструкций, между которыми происходит передача.

Другая задача настоящего изобретения заключается в осуществлении этого без использования физических связующих и направляющих систем, известных, например, из заявок FR2813872 и FR2854156.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в обеспечении шарнирно соединенного передаточного рукава, работающего без участия человека или с ограниченным участием, что позволяет выполнять автоматическое или полуавтоматическое соединение или отсоединение этого рукава.

В этих целях настоящее изобретение обеспечивает устройство управления перемещением одного из концов шарнирно соединенного загрузочного рукава для текучей среды из положения хранения к целевой трубе и от целевой трубы в положение хранения, причем указанный рукав содержит линию передачи текучей среды, снабженную на этом конце соединительной системой, причем последняя выполнена с возможностью соединения с целевой трубой для передачи текучей среды, причем устройство содержит исполнительные механизмы для управления перемещением рукава в пространстве из положения хранения до тех пор, пока соединительная система не будет размещена перед целевой трубой для соединения с последней, и от целевой трубы в положение хранения, и это устройство отличается тем, что оно включает в себя средство вычисления, выполненное с возможностью:

- отслеживания перемещения соединительной системы в режиме реального времени;

- генерации траектории перемещения соединительной системы в направлении целевой трубы или в положение хранения в режиме реального времени, исходя из последнего определенного положения соединительной системы, на основе динамического закона движения с ограничением рывков;

- вычисления команд управления, применяемых для каждого из исполнительных механизмов для управления перемещением соединительной системы на основе этого закона движения.

Благодаря этим признакам можно выполнять процесс соединения и отсоединения, который позволяет минимизировать или даже исключать возникновение вибраций или колебаний рукава во время его перемещения в направлении целевой трубы, и который также обеспечивает другие преимущества, как будет подробно описано ниже.

В соответствии с другими признаками настоящего изобретения, которые могут быть реализованы независимо или в сочетании, в частности, за счет простоты их получения и использования:

Этап отслеживания перемещения соединительной системы в режиме реального времени включает в себя отслеживание относительного положения соединительной системы относительно целевой трубы в режиме реального времени во время по меньшей мере части перемещения, причем траекторию генерируют на основе последнего определенного относительного положения.

Этап отслеживания относительного положения соединительной системы относительно целевой трубы в режиме реального времени также включает в себя отслеживание относительной ориентации соединительной системы относительно целевой трубы в режиме реального времени, причем траекторию генерируют на основе последних определенных относительных положения и ориентации;

В случае, когда целевая труба установлена на плавучей конструкции, а загрузочный рукав установлен на неподвижной или плавучей конструкции, средство вычисления связано со средством измерения для отслеживания в реальном времени абсолютных или относительных перемещений плавучей конструкции или конструкций одновременно во всех 6 степенях свободы;

Средство измерения выбрано из группы, содержащей инерциальные блоки, GPS, GPS, выполненную с возможностью отслеживания относительного положения, камеры, инклинометры, акселерометры, потенциометры, сонар, лазерные трекеры, тахеометры или их сочетание;

Средство вычисления содержит функции прогнозирования, выполненные с возможностью прогнозирования (i) хода перемещения соединительной системы и/или (ii) поведения шарнирно соединенного загрузочного рукава в зависимости от примененной команды перемещения с ограничением рывков; и выполнено с возможностью корректировки динамического закона движения с ограничением рывков с учетом прогноза;

Средство вычисления использует для отслеживания кинематическую модель рукава, которая компенсирует ошибки реальных размеров, деформаций и/или положений;

Кинематическую модель рукава получают с помощью процедуры калибровки и корректировки параметров модели загрузочного рукава, включающей в себя эти ошибки;

Корректировки выполняют с помощью нелинейных алгоритмов оптимизации или путем обучения нейронной сети или любым другим способом того же типа с использованием измерений, полученных в ходе процедуры калибровки;

Средство вычисления выполнено с возможностью применения команд управления для каждого из исполнительных механизмов так, чтобы перемещения, реализуемые каждым из исполнительных механизмов, были одновременными и имели одинаковую продолжительность;

Средство вычисления выполнено с возможностью применения команд управления для поддержания движения с ограничением рывков в различных режимах управления, т.е. в автоматическом режиме, или в ручном режиме под управлением оператора с помощью интерфейса управления, или в полуавтоматическом режиме, сочетающем в себе ручные и автоматические команды;

Устройство управления также включает в себя средство активного демпфирования вибрации, выполненное с возможностью наложения заданного значения вибрации на команды управления, применяемые для исполнительных механизмов;

Средство вычисления также выполнено с возможностью генерации траектории таким образом, чтобы предотвращать столкновения между рукавом и элементом или конструкцией в окружающей среде.

Настоящее изобретение также относится к устройству сбора и вычисления данных для устройства управления, как описано выше, отличающемуся тем, что оно выполнено с возможностью:

- отслеживания относительного положения присоединяемого/отсоединяемого элемента относительно целевой трубы в режиме реального времени;

- генерации траектории перемещения присоединяемого/отсоединяемого элемента в направлении целевой трубы в режиме реального времени, исходя из последнего определенного относительного положения, на основе динамического закона движения с ограничением рывков;

- вычисления команд управления, применяемых для каждого из исполнительных механизмов для управления перемещением присоединяемого/отсоединяемого элемента в направлении целевой трубы на основе этого закона движения.

Изобретение дополнительно относится к способу передачи текучей среды с помощью рукава, как описано выше, содержащему этапы, на которых:

- отслеживают перемещение соединительной системы в режиме реального времени;

- генерируют траекторию перемещения соединительной системы в направлении целевой трубы или в положение хранения в режиме реального времени, исходя из последнего определенного положения соединительной системы, на основе динамического закона движения с ограничением рывков;

- вычисляют команды управления, применяемые для каждого из исполнительных механизмов для управления перемещением соединительной системы на основе этого закона движения.

Предпочтительно способ также содержит этапы, на которых:

прогнозируют (i) ход перемещения соединительной системы и/или (ii) поведение шарнирно соединенного загрузочного рукава в зависимости от применяемой команды перемещения, и корректируют динамический закон движения с ограничением рывков с учетом прогноза.

Наконец, изобретение относится к шарнирно соединенному загрузочному рукаву, содержащему устройство управления, как описано выше.

Далее раскрытие настоящего изобретения будет сопровождаться подробным описанием примерных вариантов выполнения, приведенных ниже в качестве неограничивающего примера, со ссылкой на приложенные чертежи.

На чертежах:

Фиг. 1 представляет собой схематический вид в перспективе загрузочного рукава, снабженного устройством управления в соответствии с изобретением, а

Фиг. 2 представляет собой схему работы устройства, показанного на Фиг. 1.

Фиг. 1 очень схематично иллюстрирует загрузочный рукав 2, снабженный устройством 1 управления в соответствии с изобретением. Шарнирно соединенный загрузочный рукав проиллюстрирован в упрощенном виде, и соответственно следует отметить, что устройство управления в соответствии с изобретением адаптируется к любой системе шарнирно соединенных загрузочных рукавов, в частности, к морским загрузочным рукавам из вышеуказанных патентных заявок.

В общем этот тип загрузочного рукава широко известен и не будет подробно описываться в настоящем документе.

Загрузочный рукав, показанный на Фиг. 1, представляет собой морской загрузочный рукав, имеющий основание 21, соединенное с линией подачи текучей среды, которая расположена под поверхностью конструкции 22, к которой прикреплено основание. В данном случае эта конструкция представляет собой плавучую конструкцию, например, судно, но в зависимости от варианта выполнения она может представлять собой док. К верхнему концу основания с возможностью вращения шарнирно присоединено колено 23, к которому, в свою очередь, шарнирно присоединена первая труба, называемая внутренней трубой 24, к противоположному концу которой шарнирно присоединена вторая труба, называемая наружной трубой 25. На конце наружной трубы установлен соединительный узел 26, который также обеспечивает возможность передачи текучей среды, соединительная система 26' которого, также называемая соединителем, предназначена для соединения с целевой трубой 35, в данном случае с трубопроводом, расположенным на судне 36, проиллюстрированным очень схематично. В проиллюстрированном варианте выполнения, как широко известно, соединитель 26' также имеет три степени свободы вращения относительно конца наружной трубы 25. Эти три степени вращения являются либо свободными, так что оператор может свободно регулировать угол соединителя во время фазы окончательного приближения для соединения его [sic] с трубой, либо одно или более из этих вращений могут регулироваться исполнительными механизмами и связаны с контроллером для полностью или частично автоматического позиционирования и/или с интерфейсом управления, чтобы оператор мог управлять вращениями непосредственно во время окончательного приближения соединителя. Как более подробно описано ниже, в этом случае регулируются два вращения (двойные стрелки D и E), тогда как третье вращение (двойная стрелка F) является свободным.

Как широко известно, соединитель 26' в примерном варианте выполнения имеет блокировочные зажимы 31, которые блокируются исполнительным механизмом 30, проиллюстрированным очень схематично, чтобы удерживать соединитель 26' вокруг целевой трубы 35 после его присоединения.

Используемые узлы состоят из поворотных соединителей или соединений и колен, в частности, относящихся к типу, содержащему, с одной стороны, поворотный соединитель или соединение, каждый из двух концов которого приварен к колену, а, с другой стороны, комбинацию первого поворотного соединителя, после которого следует колено, после которого следует второй поворотный соединитель, образующий угол 90° с указанным первым соединителем, после которого следует колено. Другой узел (как тот, который позволяет вращение вдоль двойных стрелок D, E, F, показанных на Фиг. 1) соответствует второму узлу с добавления третьего соединителя, присоединенного ко второму узлу с помощью колена. В этом случае все поворотные соединения этих узлов являются криогенными.

Изогнутые под углом 90° коленчатые участки, описанные выше и используемые для соединения внутренней трубы 24 и наружной трубы 25 друг с другом, внутренней трубы 24 с основанием 21 и соединительного узла 26 с наружной трубой 25 также относятся к узлам этого типа.

Шарнирно соединенный трубный участок 24, 25 в общем связан с системами балансировки противовесами (не показаны), которые могут быть связаны или могут не быть связаны со сбалансированными пантографными механизмами.

На конце линии передачи, снабженном соединительным узлом, могут быть обеспечены система аварийного расцепления (ERS) и быстро соединяемый/отсоединяемый соединитель (QCDC).

Далее со ссылкой на Фиг. 1 и 2 будет подробно описана работа такого рукава, снабженного устройством управления в соответствии с настоящим изобретением.

В соответствии с изобретением, схематически проиллюстрированным на Фиг. 1 и 2, для каждого из трех шарнирных соединений загрузочного рукава (обозначены двойными стрелками A, B, C) обеспечены исполнительные механизмы 27, 28 29 для приведения в движение внутренней трубы и наружной трубы непосредственно или через передаточный механизм и осуществления вращения вокруг вертикальной оси. В частности, в этом случае первый исполнительный механизм 27 обеспечен между верхним концом основания 21 и коленом 23 для поворота последнего в горизонтальном направлении относительно основания, второй исполнительный механизм 28 обеспечен между концом колена 23 и внутренней трубой 24 для поворота внутренней трубы в вертикальном направлении, а третий исполнительный механизм 29 обеспечен между внутренней трубой 24 и наружной трубой 25 для поворота последней в вертикальном направлении.

Три исполнительных механизма 27, 28, 29, и те, которые приводят в движение поворотные соединения узла 26 вокруг двойных стрелок D, E, F, в этом случае представляют собой гидравлические домкраты, схематично проиллюстрированные на Фиг. 1. В одном варианте выполнения, который не проиллюстрирован, один или более гидравлических домкратов заменены другими типами гидравлических, пневматических или электрических исполнительных механизмов, например, двигателями, домкратами или любым другим типом исполнительных механизмов.

Целевая труба 35, обеспеченная на судне 36, в этом случае снабжена кожухом 34, содержащим средство измерения, которое в настоящем примерном варианте выполнения представляет собой инерциальный блок, связанный с GPS.

То же самое относится к основанию 21 (опора загрузочного рукава), которое в этом случае имеет кожух 33, содержащий другой инерциальный блок, связанный с GPS.

Средство вычисления устройства управления включено в контроллер 41, расположенный в электрическом блоке 40 управления.

В частности, контроллер представляет собой программируемый логический контроллер (PLC). Он выполнен с возможностью обработки сигналов, принимаемых от средства измерения, с использованием заложенных алгоритмов. В одном варианте выполнения это может быть блок сбора и вычисления данных типа промышленного компьютера, и в более общем смысле устройство сбора и вычисления данных.

Для подачи исполнительным механизмам гидравлической энергии, необходимой для их функционирования, обеспечен гидравлический силовой блок 42. Он находится под управлением контроллера 41. Разумеется, это применимо только в случае гидравлических исполнительных механизмов.

Каждый из узлов, состоящих из инерциальных блоков и GPS, соответственно обеспечен радиопередающим устройством 33A и 34A для передачи сигнала, содержащего информацию об измерениях.

В одном варианте выполнения блок 33 может быть непосредственно подключен к контроллеру 41.

Контроллер 41 соединен с приемным устройством 40A, которое представляет собой радиоприемник, выполненный с возможностью связи с радиопередающими устройствами 33A и 34A, соответственно соединенными с кожухами 33 и 34 каждого из судов.

Устройство управления в этом случае также включает в себя интерфейс 60 управления для оператора.

Таким образом, системы измерений, в этом случае образованные комбинацией инерциальных блоков и GPS, обеспечивают ориентацию (рыскание, тангаж и крен) и перемещение (вертикальное, поперечное и продольное) каждого судна в режиме реального времени. Другими словами, эти инерциальные блоки и GPS позволяют одновременно отслеживать перемещения обоих судов во всех 6 степенях свободы.

В альтернативном варианте выполнения инерциальные блоки и GPS могут быть заменены, например, лазерным трекером, камерой или любым другим средством измерения для определения относительного положения соединителя относительно целевой трубы и, при необходимости, относительной ориентаций одного относительно другого (в случае плавучих конструкций, как в этом примере) (смотри также вышеприведенное описание используемых средств). Также следует отметить, что средства измерения, например, инерциальные блоки или GPS, могут быть снабжены дополнительными средствами для переключения с отслеживания абсолютного положения на отслеживание относительного положения. Это может быть, например, GPS на подвижном основании.

Сам загрузочный рукав снабжен датчиками, расположенными на конструкции и/или на исполнительных механизмах, что позволяет определять его конфигурацию в любой момент времени. В этом случае датчики представляют собой инклинометры 38, но в одном варианте выполнения они также могут представлять собой кодовые датчики положения или другие эквивалентные средства измерения.

Используя геометрические вычисления на основе информации от датчиков, установленных на рукаве (кодовых датчиков положения, инклинометров или других датчиков), и обладая информацией о фактических размерах загрузочного рукава, полученной в результате калибровки, описанной ниже, можно относительно просто вычислять теоретическое положение соединителя 26' в этом случае относительно опоры рукава. Таким образом, путем объединения измерения конфигурации рукава с измерениями ориентаций и перемещений судов с помощью контроллера определяют относительное положение соединителя 26' относительно целевой трубы 35 (в декартовых координатах).

Фактически с помощью вышеуказанных измерений можно получить относительное положение целевой трубы 35 относительно основания, относительное положение соединителя 26' относительно того же основания и, следовательно, относительное положение соединителя 26' относительно целевой трубы 35.

Соединительный узел в этом случае также снабжен средствами измерения, например, кодовыми датчиками положения и инклинометрами, и также можно получать относительную ориентацию соединителя 26' относительно целевой трубы (ориентация которой определяется инерциальным блоком в кожухе 34). В частности, в этом случае определяют угловые положения поворотных соединений, которые обеспечивают возможность вращения в направлении двойных стрелок D и E.

Как описано подробно ниже, в случае, когда камера на уровне соединителя и мишень на уровне трубы являются единственными используемыми средствами измерения, относительные положения определяются непосредственно, в отличие от настоящего варианта выполнения, где используется комбинация инерциальных блоков и GPS.

Комбинации средств измерения (например, инерциальных блоков и GPS) используются для повышения точности и, следовательно, безопасности, благодаря алгоритмам слияния данных типа фильтра Калмана или нейронной сети. Это также позволяет повысить надежность.

В соответствии с настоящим изобретением программы управления контроллера 41 используются для направления загрузочного рукава по определенным траекториям, в частности, отличающимся их «гладкостью». В этом случае эта траектория представляет собой траекторию с ограничением рывков (в результате ускорения), которая обладает свойством низкочастотного содержания по сравнению с обычными траекториями, что уменьшает колебания загрузочного рукава и, в частности, поворотных соединений соединительного узла.

Кроме того, эти траектории могут быть вычислены с учетом частоты вибраций загрузочного рукава для предотвращения их возникновения.

В дополнение, эти траектории в соответствии с изобретением отличаются динамической природой. Фактически они должны генерироваться в режиме реального времени, чтобы адаптироваться к окружающей среде (в частности, к перемещениям целевой трубы). Другими словами, генерирующий траекторию контроллер выполнен таким образом, чтобы учитывать текущую скорость и ускорение загрузочного рукава для создания траектории, не вызывающей скачков ускорения, которые могут приводить к вибрациям.

Фактически для приведения в движение загрузочного рукава в морской среде необходимы определенные траектории. Под выражением «динамический» (или «онлайновый») понимается, что алгоритм планирования траектории допускает ненулевое начальное состояние. Другими словами, динамическое планирование траектории обеспечивает возможность обновления текущей траектории загрузочного рукава без необходимости остановки системы. Динамическое планирование траектории необходимо, так как будущее движение трубопровода неизвестно, поэтому траектория соединителя должна постоянно обновляться.

Загрузочные рукава, в частности, имеют очень гибкие конструкции, которые колеблются под воздействием их приводных систем или внешних возмущений. Такое колебание приостанавливает работу системы, поскольку оно приводит к значительной потери точности. По этой причине алгоритм планирования траектории, используемый для приведения в движение загрузочного рукава, должен генерировать траектории с ограничением рывков, чтобы ограничивать вибрацию, возникающую в конструкции загрузочного рукава.

Это означает, что подходящие траектории для приведения в движение загрузочного рукава должны быть одновременно динамическими траекториями и траекториями с ограничением рывков. В научной литературе предлагаются различные подходы к вычислению таких динамических траекторий с ограничением рывков [1, 2]. Однако предпочтительными являются последние способы, представленные в документе под номером [3]. Более того документ [3] предлагает способ генерации динамических траекторий с ограничением рывков, которые включают в себя дополнительные демпфирующие свойства, что позволяет существенно снижать вибрации системы.

Ссылки:

[1] HASCHKE, Robert, WEITNAUER, Erik, et RITTER, Helge. On-line planning of time-optimal, jerk-limited trajectories. In: Intelligent Robots and Systems, 2008. IROS 2008. IEEE/RSJ International Conference on. IEEE, 2008. p. 3248-3253.

[2] KROGER, Torsten, TOMICZEK, Adam, et WAHL, Friedrich M. Towards on-line trajectory computation. In: Intelligent Robots and Systems, 2006 IEEE/RSJ International Conference on. IEEE, 2006. p. 736-741.

[3] BESSET, Pierre, BEARÉE, Richard, et GIBARU, Olivier. FIR filter-based online jerk-controlled trajectory generation. In: Industrial Technology (ICIT), 2016 IEEE International Conference on. IEEE, 2016. p. 84-89.

В равной степени предпочтительно, чтобы траектории поворотных соединений (т.е. когда траектория соединителя разделена для распределения на различные исполнительные механизмы рукава) имели одинаковую протяженность для «сглаживания» перемещений соединителя. Программы управления контроллера также могут быть параметризованы для включения такой функции синхронизации.

В связи с этим выбранный контроллер должен быть достаточно быстрым для работы в режиме реального времени.

Однако, когда речь идет о положении соединителя, определенном как описано выше, следует отметить, что

реальные размеры, как правило, отличаются от номинальных размеров. Следовательно, при оценке положения соединителя возникает ошибка,

элементы загрузочного рукава деформируются, и отклонения, обусловленные сгибанием и скручиванием, вызывают дополнительную ошибку;

также возникает тепловое расширение; и

оси вращения теоретически коллинеарны, но не абсолютно.

Эти ошибки суммируются и на практике могут достигать нескольких десятков сантиметров.

В связи с этим настоящий вариант выполнения обеспечивает калибровку, которая представляет собой экспериментальную процедуру, включающую в себя нахождения математической формулы, которая позволит компенсировать эти ошибки для более точного позиционирования.

На практике процедура калибровки включает в себя непосредственное определение положения соединителя (например, с помощью лазерного трекера, камеры или другого подходящего средства измерения) для большого количества конфигураций рукава. На основе этих измерений и с использованием нелинейных алгоритмов оптимизации (например, Левенберга-Марквардта) корректируют параметры модели рукава, включающей в себя ошибки. Другое решение заключается в обучении нейронной сети на основе этих измерений.

На практике контроллер 41 содержит программу для компенсации ошибок, определенных во время калибровки.

Таким образом, программы управления контроллера, описанные более подробно ниже, могут включать в себя кинематическую модель загрузочного рукава для повышения точности перемещения загрузочного рукава с помощью программы для компенсации ошибок, полученных в результате калибровки, после планирования перемещений, описанного выше. В одном варианте выполнения в упрощенной модели эти программы управления могут учитывать только теоретические параметры загрузочного рукава.

В случае настоящего варианта выполнения изобретения также обеспечены средства прогнозирования изменения относительного положения соединителя относительно целевой трубы, что позволяет компенсировать задержки, связанные с потоком информации и динамикой рукава. Такой прогноз может быть еще более важен, когда рукав имеет замедленную динамику относительно перемещения целевой трубы. Такие средства могут реализовывать авторегрессионные статистические модели, анализ путем разложения в ряд Фурье или предпочтительно, с учетом их производительности, нейронные сети, и могут использоваться для корректировки профиля движения соединителя.

На практике при использовании в алгоритме планирования траектории прогнозируемой ориентации и перемещения (на основе измерения перемещений, выполненных при планировании перемещения рукава) судна, на котором установлен рукав, также можно использовать возможные инерционные эффекты для снижения энергопотребления рукава и напряжений на поворотных соединениях.

Эти средства прогнозирования также выполнены с возможностью прогнозирования динамического поведения шарнирно соединенного загрузочного рукава в зависимости от применяемой команды перемещения (управление) для соответственной корректировки профиля движения соединителя.

На практике они, в частности, основаны на фактических измерениях перемещения рукава, как описано выше, и на его размерных характеристиках.

Настоящий вариант выполнения изобретения также реализует программу активного демпфирования вибрации с помощью контроллера. Такая программа используется для демпфирования или даже исключения любых вибраций, вызванных внешними возмущениями (ветер и т.д.).

В этом случае для исключения этих вибраций предпочтительно используются исполнительные механизмы рукавов. На практике контроллер параметризуется для наложения заданного значения вибрации на нормальные команды управления для исполнительных механизмов. Это заданное значение вибрации выбрано так, чтобы создавать вибрации, равные и противоположные вибрациям, уже имеющимся на рукаве и измеренным, для их демпфирования.

В настоящем варианте выполнения колебания поворотных соединений и колен соединительного узла 26, определяются, в частности, датчиком, так что полученная информация может быть использована для активного демпфирования колебаний. Датчик может представлять собой кодовый датчик положения, инклинометр или любое другое эквивалентное средство измерения.

В случае, когда поворотные соединения узла не регулируются одним или более исполнительными механизмами, можно воздействовать на эти колебания путем перемещения трубы 25.

В альтернативном варианте выполнения, если исполнительных механизмов, установленных на рукаве, недостаточно, могут быть использованы дополнительные исполнительные механизмы, например, пьезоэлектрические элементы. Они могут быть расположены, например, на трубах 24 и 25 или на соединениях.

На практике определяют вибрационный сигнал. Для его демпфирования или исключения создают противофазную вибрацию (фазовый сдвиг на 180°), так что их сумма равна нулю. Этот фазовый сдвиг соответствует дифференциальной «демпфирующей» составляющей. В зависимости от вибрирующей/колеблющейся части рукава для создания правильной вибрации используется один или более исполнительных механизмов.

Предпочтительно в контроллер также может быть встроена программа предотвращения столкновений для предотвращения столкновений между несколькими загрузочными рукавами, если это применимо, или с элементами, расположенными в рабочей зоне загрузочного рукава.

Также следует отметить, что исполнительные механизмы 27, 28, 29 соединены с контроллером 39, который сам соединен с контроллером 41. В частности, он представляет собой PID (пропорционально-интегрально-дифференцирующий) регулятор, который генерирует заданные значения потока.

Клапаны, позволяющие управлять исполнительными механизмами, не показаны на фигуре в целях упрощения.

В альтернативном варианте выполнения также может быть обеспечен возврат информации от исполнительных механизмов в контроллер для указания, действительно ли они достигли своего заданного положения.

Также следует отметить, что гидравлический силовой блок 42 обеспечивает исполнительным механизмам гидравлическую энергию, необходимую для их работы. Он также находится под управлением контроллера через силовые реле для управления запуском и отключением гидравлического блока. Гидравлический блок содержит насос (не показан) для подачи гидравлической текучей среды в исполнительные механизмы.

Разумеется, это применимо только в случае гидравлических исполнительных механизмов.

Интерфейс 60 управления подключен к контроллеру, позволяя оператору управлять присоединением соединителя к целевой трубе. На практике это может быть простая кнопка 61, как в случае настоящего варианта выполнения, для автоматической процедуры соединения.

В одном варианте выполнения кнопка на интерфейсе 60 управления может быть заменена джойстиком для ручного соединения, причем оптимальная траектория вычисляется на основе команд оператора.

Также возможно полуавтоматическое соединение. Траектория для полуавтоматического режима определяется контроллером, и оператор просто дает команды перемещения вперед или назад по этой траектории (пересчитываемой в режиме реального времени).

Таким образом, на практике контроллер 41 отслеживает относительное положение соединителя относительно целевой трубы и в этом случае также их относительную ориентацию в режиме реального времени, затем генерирует траекторию перемещения соединителя в направлении целевой трубы в режиме реального времени, исходя из последних определенных относительных положения и ориентации, на основе профиля движения с ограничением рывков. Затем он вычисляет команды управления, применяемые для каждого из исполнительных механизмов для управления перемещением соединителя в направлении целевой трубы из положения хранения рукава, на основе этого профиля движения и вышеуказанных конкретных характеристик.

Затем он вычисляет в режиме реального времени оставшиеся расстояния между соединителем и целевой трубой вдоль осей X, Y и Z, схематично проиллюстрированных на Фиг. 1.

Если три этих расстояния не равны нулю или не равны расстояниям, параметризованным как известные контрольные расстояниях для соединения (например, когда окончательное приближение не обрабатывается самим контроллером), контроллер вычисляет команды управления для каждого из исполнительных механизмов рукава так, чтобы их совокупные перемещения приводили к перемещению соединителя к целевой трубе вдоль трех осей. Затем контроллер применяет команды управления, вычисленные для каждого исполнительного механизма, для исполнительных механизмов. Он также вычисляет в режиме реального времени оставшиеся расстояния между соединителем и целевой трубой вдоль осей X, Y и Z. Если эти расстояниях все еще не равны нулю или не равны параметризованным расстояниям, контроллер повторно вычисляет команды для исполнительных механизмов и применяет их до тех пор, пока эти расстояния не станут равны нулю или параметризованным расстояниям.

Если все три расстояния равны нулю или равны параметризованным расстояниям, это означает, что соединитель обращен к целевой трубе в положении соединения. Контроллер также может передавать, команду управления исполнительному механизму 30 соединителя для фиксации соединителя на целевой трубе, с последующей командой отсоединения исполнительных механизмов от рукава для обеспечения свободного перемещения рукава после присоединения и фиксации соединителя на целевой трубе, в частности, в рамках полностью автоматической процедуры соединения.

В обратном случае во время процесса отсоединения (возврат соединителя в положение хранения) также применяется профиль движения с ограничением рывков для предотвращения вибраций соединительного узла, которые, в частности, могут приводить к соударению последнего с судном, на котором установлена целевая труба 35, в начале возврата. Кроме того, траектория определяется таким образом, чтобы исключать любую вероятность столкновения с целевой трубой 35 или любым другим элементом судна.

В связи с этим относительное положение соединителя 26' относительно целевой трубы 35 отслеживается в начале процесса возврата в положение хранения.

В зависимости от обстоятельств возможно множество других вариантов, и соответственно следует отметить, что настоящее изобретение не ограничивается проиллюстрированными примерами.

Например, в случае лазерного трекера лазерное устройство содержит лазерный передатчик и мишень, причем устройство выполнено с возможностью определения относительного положения соединителя относительно целевой трубы с помощью лазерного луча. В другом варианте выполнения с этой целью может использоваться камера и мишень, например, отражающая мишень.

Кроме того, можно использовать только два инерциальных блока или эквивалентных средства для определения относительного положения соединителя относительно целевой трубы без определения конфигурации рукава для отслеживания относительного положения в режиме реального времени, а затем в режиме реального времени генерировать траекторию перемещения на основе профиля движения с ограничением рывков.

В дополнение, загрузочный рукав может включать в себя одну или более линий передачи с двумя или более участками, соединенными друг с другом с помощью герметичных соединений, описанных выше.

Контроллер также может быть заменен в более общем смысле компьютером.

Следует отметить, что устройство управления в соответствии с изобретением адаптируется ко всем шарнирно соединенным загрузочным рукавам, и что адаптация устройства управления в соответствии с изобретением к любому другому типу загрузочной системы может быть реализована специалистом в данной области техники.

Claims (26)

1. Устройство управления перемещением одного из концов шарнирно соединенного загрузочного рукава для текучей среды из положения хранения к целевой трубе (35) и от целевой трубы (35) в положение хранения, причем указанный рукав содержит линию передачи текучей среды, снабженную на этом конце соединительной системой (26), причем последняя выполнена с возможностью соединения с целевой трубой (35) для передачи текучей среды, причем устройство содержит исполнительные механизмы (27-29) для управления перемещением рукава в пространстве из положения хранения до тех пор, пока соединительная система (26) не будет размещена перед целевой трубой (35) для ее соединения с последней, и от целевой трубы (35) в положение хранения, отличающееся тем, что оно включает в себя средство (41) вычисления, выполненное с возможностью:

- отслеживания перемещения соединительной системы (26) в режиме реального времени;

- генерации траектории перемещения соединительной системы (26) в направлении целевой трубы (35) или в положение хранения в режиме реального времени исходя из последнего определенного положения соединительной системы (26) на основе динамического закона движения с ограничением рывков;

- вычисления команд управления, применяемых для каждого из исполнительных механизмов (27-29) для управления перемещением соединительной системы (26) на основе этого закона движения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что этап отслеживания перемещения соединительной системы (26) в режиме реального времени включает в себя отслеживание относительного положения соединительной системы (26) относительно целевой трубы (35) в режиме реального времени во время по меньшей мере части перемещения, причем траекторию генерируют на основе последнего определенного относительного положения.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что этап отслеживания относительного положения соединительной системы (26) относительно целевой трубы (35) в режиме реального времени также включает в себя отслеживание относительной ориентации соединительной системы (26) относительно целевой трубы (35) в режиме реального времени, причем траекторию генерируют на основе последних определенных относительного положения и относительной ориентации.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что, когда целевая труба (35) установлена на плавучей конструкции, а загрузочный рукав установлен на неподвижной или плавучей конструкции, средство вычисления связано со средством измерения для отслеживания в реальном времени абсолютных или относительных перемещений плавучей конструкции или конструкций одновременно во всех 6 степенях свободы.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что средство измерения выбрано из группы, содержащей инерциальные блоки, GPS, GPS, выполненную с возможностью отслеживания относительного положения, камеры, инклинометры, акселерометры, потенциометры, сонар, лазерные трекеры, тахеометры или их сочетание.

6. Устройство по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что средство вычисления содержит функции прогнозирования, выполненные с возможностью прогнозирования (i) хода перемещения соединительной системы (26) и/или (ii) поведения шарнирно соединенного загрузочного рукава в зависимости от примененной динамической команды перемещения с ограничением рывков; и выполнено с возможностью корректировки динамического закона движения с ограничением рывков с учетом прогноза.

7. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что средство вычисления использует для отслеживания кинематическую модель рукава, которая компенсирует ошибки реальных размеров, деформаций и/или положений.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что кинематическую модель рукава получают с помощью процедуры калибровки и корректировки параметров модели загрузочного рукава, включающей в себя эти ошибки.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что корректировку выполняют с помощью нелинейных алгоритмов оптимизации или путем обучения нейронной сети с использованием измерений, полученных в ходе процедуры калибровки.

10. Устройство по любому из пп. 1-9, отличающееся тем, что средство вычисления выполнено с возможностью применения команд управления для каждого из исполнительных механизмов (27-29) так, чтобы перемещения, реализуемые каждым из исполнительных механизмов, были одновременными и имели одинаковую продолжительность.

11. Устройство по любому из пп. 1-10, отличающееся тем, что средство вычисления выполнено с возможностью применения команд управления для поддержания движения с ограничением рывков в различных режимах управления, т.е. в автоматическом режиме, или в ручном режиме под управлением оператора с помощью интерфейса управления, или в полуавтоматическом режиме, сочетающем в себе ручные и автоматические команды.

12. Устройство по любому из пп. 1-11, отличающееся тем, что устройство управления также включает в себя средство активного демпфирования вибрации, выполненное с возможностью наложения заданного значения вибрации на команды управления, применяемые для исполнительных механизмов (27-29).

13. Устройство по любому из пп. 1-12, отличающееся тем, что средство вычисления также выполнено с возможностью генерации траектории таким образом, чтобы предотвращать столкновения между рукавом и элементом или конструкцией в окружающей среде.

14. Устройство (41) сбора и вычисления данных для устройства по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью:

- отслеживания перемещения соединительной системы в режиме реального времени;

- генерации траектории перемещения соединительной системы в направлении целевой трубы или в положение хранения в режиме реального времени исходя из последнего определенного положения соединительной системы на основе динамического закона движения с ограничением рывков;

- вычисления команд управления, применяемых для каждого из исполнительных механизмов для управления перемещением соединительной системы на основе этого закона движения.

15. Способ вычисления для устройства сбора и вычисления данных по предыдущему пункту, отличающийся тем, что он содержит этапы вычисления, на которых:

- отслеживают перемещение соединительной системы в режиме реального времени;

- генерируют траекторию перемещения соединительной системы в направлении целевой трубы или в положение хранения в режиме реального времени исходя из последнего определенного положения соединительной системы на основе динамического закона движения с ограничением рывков;

- вычисляют команды управления, применяемые для каждого из исполнительных механизмов для управления перемещением соединительной системы на основе этого закона движения.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что он также содержит этапы, на которых прогнозируют (i) ход перемещения соединительной системы и/или (ii) поведение шарнирно соединенного загрузочного рукава в зависимости от примененной команды перемещения и корректируют динамический закон движения с ограничением рывков с учетом прогноза.

17. Шарнирно соединенный загрузочный рукав, содержащий линию передачи текучей среды, снабженную на одном из ее концов соединительной системой, выполненной с возможностью соединения с целевой трубой, и устройство управления по любому из пп. 1-13.

Images