Brevet FR2927322A1 — publié le 20090814

La présente invention concerne d'une manière générale les systèmes de chargement et/ou de déchargement de fluides pour navires, communément appelés systèmes de chargement marine. Ces systèmes sont utilisés pour transférer un produit liquide ou gazeux entre un navire et un quai ou entre deux navires. Plus particulièrement, la présente invention concerne les dispositifs de commande de déplacement et de positionnement de tels systèmes de chargement et/ou déchargement. D'une manière générale, les systèmes de chargement marine présentent une extrémité de ligne de transfert de fluide fixée à une embase et reliée à un réservoir de fluide à transférer, et une extrémité de ligne opposée mobile pourvue d'une bride destinée au raccordement à une tubulure cible, elle-même reliée à un réservoir de fluide. On connaît deux familles de systèmes de chargement de fluides pour navires, qui se distinguent par leur structure : les systèmes à transfert par tuyaux rigides et les systèmes de transfert par tuyaux souples. Dans la famille des systèmes à transfert par tuyaux rigides, on distingue les systèmes à bras de chargement et les systèmes à pantographe. Le bras de chargement est une tuyauterie articulée, présentant une embase, reliée à un réservoir de fluide, sur laquelle est monté un premier tuyau dit tuyau interne via une portion de tube coudée à 90° permettant à l'une de ses extrémités une rotation selon un axe vertical, et à l'autre extrémité, selon un axe horizontal. A l'extrémité opposée du tube interne, est monté à rotation selon un axe horizontal, un second tuyau, dit tuyau externe. A l'extrémité du tuyau externe est montée une bride de raccordement. Chacune des trois rotations est commandée par un vérin ou un moteur hydraulique commandé en tout ou rien. L'opérateur dispose d'une interface de commande lui permettant de commander chacun des mouvements indépendamment. Les systèmes à pantographe, tout comme les bras de chargement, présentent une embase reliée à un réservoir. Une grue est montée à rotation sur cette embase. La grue présente une flèche portant un tuyau pour le fluide. A l'extrémité de la flèche est monté un pantographe composé de tuyaux articulés pour le fluide, et permettant de déplacer une bride montée à l'extrémité libre du pantographe. L'inclinaison du pantographe est commandée par une rotation en bout de la flèche. Le déplacement du pantographe est commandé par des moteurs hydrauliques et par un vérin pour la rotation au niveau de l'embase. Enfin, les systèmes à tuyauterie flexible présentent d'une manière générale une ligne dans laquelle est véhiculé le produit fluide et d'un système mécanique permettant la manoeuvre de celle-ci. Plusieurs types de systèmes de manoeuvre existent, mais dans tous les cas, ils incluent une grue ou une structure de manipulation qui supporte la bride de connexion du flexible. En pratique, dans la plupart des systèmes, la bride de raccordement est articulée de manière libre à son extrémité selon trois rotations, de façon à pouvoir être manipulée manuellement et précisément par un opérateur lorsque la bride de raccordement est présentée à la bride cible, pour le raccordement. Ces deux familles de dispositifs de chargement présentent des différences structurelles, mais leurs systèmes de commande sont conçus suivant un même principe de fonctionnement général. On constate que, dans tous les cas, la bride possède au moins trois degrés de liberté par rapport à l'embase portant l'extrémité fixe de la tubulure, et que les mouvements suivant chacun ces degrés de liberté sont commandés indépendamment par des actionneurs. Chaque actionneur est commandé séparément par une commande indépendante de type tout ou rien. L'opérateur peut agir indépendamment sur chacune des commandes pour commander tel ou tel élément du système de chargement. L'action combinée sur l'ensemble des actionneurs permet de positionner la bride en un point souhaité de l'espace. En général, les actionneurs utilisés sont hydrauliques, par exemple un moteur ou un vérin hydraulique, mais on connaît aussi l'utilisation d'actionneurs électriques, par exemple des moteurs électriques, ou d'actionneurs pneumatiques. Dans tous les cas, les actionneurs équipant les systèmes de chargement marine sont commandés en tout ou rien avec une vitesse de déplacement constante, et dans certains cas, avec la possibilité de paramétrer deux vitesses de déplacement au choix. En pratique, ces dispositifs de commande sont délicats à mettre en oeuvre, dans la mesure où l'opérateur doit connaître parfaitement la cinématique du système de chargement marine et composer simultanément le mouvement de chacun des actionneurs indépendamment de manière à obtenir, en sommant tous les mouvements, un mouvement composé de la bride correspondant au déplacement qu'il souhaite donner à celle-ci. Les mouvements étant générés par des actionneurs commandés en tout ou rien à une vitesse fixe, il est difficile voire impossible pour l'opérateur de générer un mouvement de la bride rectiligne et/ou à vitesse constante. Plus généralement, il est difficile pour l'opérateur de maitriser précisément de déplacement de la bride, ce qui augmente les risques de chocs de la bride contre des obstacles ou contre la tubulure cible. Ceci peut endommager les joints d'étanchéité de la bride. Se fondant sur ces observations, l'invention vise à faciliter la manoeuvre de commande de déplacement de la bride à l'opérateur en rendant celle-ci plus intuitive, de manière à permette de réussir la connexion de la bride en conditions de mer défavorables, et plus généralement pour faciliter et rendre plus rapide la connexion dans tous les cas, tout en réduisant les risques de chocs au niveau de la bride, qui peuvent notamment endommager les joints d'étanchéité. L'invention propose à cet effet un dispositif de commande pour le déplacement et le positionnement d'une bride pour système de chargement marine, ledit système de chargement marine comportant au moins une ligne de transfert de fluide ayant une extrémité de ligne fixée à une embase, et une extrémité de ligne mobile pourvue d'une bride destinée au raccordement à une tubulure cible, le système présentant en outre une pluralité de liaisons mécaniques de manière à ce que la bride présente au moins trois degrés de liberté par rapport à l'embase, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois actionneurs à commande proportionnelle pour commander chacun le mouvement du système selon un degré de liberté de manière proportionnelle, un capteur de position du système suivant chaque degré de liberté, une interface d'entrée de commandes de déplacement de la bride pour un opérateur, et un calculateur pour calculer à partir des informations fournies par les capteurs, la position instantanée de la bride, et pour calculer à partir des entrées de commande de déplacement de l'interface d'entrée, des instructions de commande simultanées à donner à chacun des actionneurs de manière à ce que leurs mouvements conjugués résultent en un mouvement de la bride correspondant à la commande de déplacement fournie par l'opérateur à l'interface d'entrée. Avantageusement, ce dispositif permet à l'opérateur de commander le déplacement de la bride de manière intuitive, sans avoir à compenser le mouvement de celle-ci en agissant sur plusieurs commandes simultanément. En d'autres termes, le dispositif selon l'invention permet pour l'utilisateur de commander le déplacement de la bride directement, sans avoir à se soucier de la cinématique du système de chargement. Avec un dispositif selon l'invention, l'opérateur s'affranchit de composer les mouvements de la cinématique en agissant sur plusieurs commandes à la fois, puisque ces opérations sont réalisées par le calculateur. L'opérateur peut donc commander directement le déplacement de la bride, et peut ainsi obtenir notamment un déplacement rectiligne, et/ou à vitesse constante de la bride. Avantageusement, l'invention peut s'adapter à tout type de système de chargement marine, aussi bien aux systèmes à transfert par tuyaux rigides, qu'aux systèmes à transfert par tuyaux souples. Suivant une caractéristique avantageuse de l'invention, l'interface d'entrée de commandes présente au moins une commande proportionnelle de manière à ce qu'une sollicitation plus ou moins grande de ladite commande proportionnelle entraine au moins une instruction de commande proportionnelle respectivement plus ou moins grande pour au moins l'un des actionneurs, résultant en un déplacement de la bride à une vitesse de déplacement respectivement plus ou moins grande. Avantageusement, chacune des commandes est de type proportionnel, ce qui veut dire en pratique que l'amplitude du mouvement au niveau d'une de commande se traduit par une vitesse plus ou moins grande au niveau des actionneurs. Selon des caractéristiques avantageuses, éventuellement combinées : - au moins un des capteurs de position du système est un capteur angulaire ; - au moins un des actionneurs à commande proportionnelle est un actionneur hydraulique coopérant avec une valve à commande proportionnelle ; - au moins un des actionneurs à commande proportionnelle est un moteur électrique à commande proportionnelle ; - la communication entre l'interface de d'entrée de commandes et le calculateur est réalisée sans fil, l'interface d'entrée étant reliée à un émetteur communiquant sans fil avec un récepteur relié au calculateur ; -l'interface d'entrée de commandes présente au moins un élément de manipulation, conçu de manière à fournir des commandes de déplacement à la bride suivant au moins deux de ses degrés de liberté ; - plusieurs systèmes de chargement marine sont reliés au calculateur, et en ce qu'un sélecteur est prévu au niveau de l'interface de commande pour commander sélectivement l'un des systèmes de chargement reliés au calculateur. Selon un autre aspect, l'invention propose un automate pour un dispositif pour un dispositif tel que décrit ci-dessus, comportant des entrées pour recevoir, d'une part, un signal de position émis par capteur de position du système suivant chaque degré de liberté, et, d'autre part, un signal de commande depuis une interface d'entrée de commandes de déplacement de la bride pour un opérateur, et en ce qu'il est configuré pour calculer à partir des entrées, des instructions de commande simultanées à donner à chacun des actionneurs de manière à ce que leurs mouvements conjugués résultent en un mouvement de la bride correspondant à la commande de déplacement fournie par l'opérateur à l'interface d'entrée, et en ce que ledit automate comporte des sorties auxquelles sont reliés les actionneurs, et en ce que ledit automate applique aux sorties les instructions de commande calculées destinées aux actionneurs. Selon un autre aspect, l'invention propose un procédé de calcul pour un automate tel que décrit ci-dessus, comportant les étapes de calcul suivantes : - à partir des informations fournies par les capteurs de position, calcul des coordonnées spatiales de la position de la bride par rapport à un point origine préalablement défini, - calcul à partir des entrées de commande de l'opérateur faites au niveau de l'interface de commande, des vitesses de déplacement selon les au moins trois degrés de liberté du système de chargement, - à partir des coordonnées spatiales de la position de la bride et des vitesses souhaitées, calcul des consignes de sortie à appliquer à chacun des actionneurs pour commander le mouvement du système de chargement selon les entrées de commande faites au niveau de l'interface de commande. L'exposé de l'invention sera maintenant poursuivi par la description détaillée d'un exemple de réalisation, donnée ci-après à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés. Sur ceux-ci : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un bras de chargement équipé d'un dispositif de commande selon l'invention, -la figure 2 est un schéma de principe du fonctionnement d'un dispositif selon l'invention, notamment selon la figure 1, - la figure 3 est un diagramme fonctionnel pour présenter le principe de fonctionnement du dispositif de commande selon la figure 2. La figure 1 représente de manière très schématique un bras de chargement 2 équipé d'un dispositif de commande 1 selon l'invention. Le bras de chargement est ici représenté de manière très simplifiée, et on rappelle à cet égard que le dispositif de commande selon l'invention est adaptable à tout type de système de chargement marine, notamment aux systèmes de chargement décrits ci-dessus. Le bras de chargement de la figure 1 présente une embase 21 reliée à un réservoir de fluide qui se trouve en dessous de la surface 22 sur laquelle l'embase est fixée, il peut s'agir par exemple d'un quai ou du pont d'un navire. Au sommet de l'embase est articulé à rotation un tube coudé 23, sur lequel s'articule à son tour un premier tube dit tube interne 24 qui s'articule à son extrémité opposée avec un second tube dit tube externe 25. L'extrémité du tube externe porte une bride 26 de raccordement destinées à être raccordée à un tuyau cible (non représenté), par exemple sur un navire. De manière connue en soi, la bride présente trois degrés de liberté en rotation par rapport à l'extrémité du tube externe. Ces trois rotations sont libres, de manière à ce qu'un opérateur puisse ajuster librement l'angle de la bride lors de la phase finale d'approche pour le raccordement de la bride au tuyau cible. D'une manière générale, ce type de bras de chargement est connu en soi, et ne sera pas décrit plus en détails ici. On notera par ailleurs, que le dispositif de commande selon l'invention s'adapte sur tous les systèmes de chargement marine, et que l'adaptation du dispositif de commande selon l'invention sur tout autre type de système de chargement, notamment à l'un des systèmes décrits ci-dessus, est à la portée de l'homme de métier. Dans le dispositif selon l'invention tel que représenté schématiquement en figure 1, des actionneurs 27, 28, 29 sont prévus au niveau de chacune des trois articulations du bras de chargement (symbolisés par les doubles flèches A, B , C). Plus précisément, un premier actionneur 27 est prévu entre le sommet de l'embase 21 et le tube coudé 23, pour faire pivoter celui-ci horizontalement par rapport à l'embase, un deuxième actionneur 28 est prévu entre l'extrémité du tube coudé 23 et le tube interne 24 de manière à faire pivoter le tube interne verticalement, et un troisième actionneur 29 est prévu entre le tube interne 24 et le tube externe 25 pour faire pivoter ce dernier verticalement. Les trois actionneurs 27, 28, 29 sont ici des vérins hydrauliques représentés très schématiquement en figure 1. En variante non illustrée un ou plusieurs des vérins hydrauliques sont remplacés par des moteurs hydrauliques. Suivant une autre variante non illustrée, les actionneurs sont des moteurs électriques ou pneumatiques. Des capteurs d'angle 30, 31, 32 sont prévus au niveau des articulations entre chaque élément du bras de chargement. Un capteur d'angle 30 est prévu entre l'embase 21 et le tube coudé 23, un capteur d'angle 31 est prévu entre le tube coudé 23 et le tube interne 24 et un capteur d'angle 32 et prévu entre le tube interne 24 et le tube externe 25. Les capteurs d'angle sont avantageusement disposés au niveau des actionneurs eux-mêmes, comme visible en figure 2. Suivant une variante avantageuse non représentée, les capteurs d'angle 31 et 32 sont remplacés par des capteurs pendulaires disposés respectivement sur le bras interne et externe, pour donner l'angle d'inclinaison de ceux-ci par rapport à la verticale donnée par un pendule. Chacun des capteurs est relié à un même calculateur 41 de commande qui est en fait un automate de commande disposé dans une armoire électrique 40 de commande. Une unité de puissance hydraulique 42 est prévue pour fournir aux actionneurs l'énergie hydraulique nécessaire à leur fonctionnement. Elle est commandée par l'automate de commande. La figure 2 est un schéma fonctionnel présentant de principe du fonctionnement général d'un dispositif selon l'invention, plus particulièrement du dispositif tel que représenté en figure 1. Comme visible sur le schéma fonctionnel, le bras de chargement est équipé d'actionneurs 27, 28, 29, commandés par des valves à commande proportionnelle. L'unité de puissance hydraulique 42 fournit aux actionneurs l'énergie hydraulique nécessaire à leur fonctionnement, via lesdites valves à commande proportionnelle. Une boîte de jonction (BJ) 51 est prévue pour réunir tous les signaux de commande destinés aux valves. Le bras d'actionnement est équipé, en outre, de capteurs d'angle 30, 31, 32, reliés respectivement à une boîte de jonction (BJ) 52 et de capteurs de manière à réunir les signaux émis par les capteurs d'angle. L'armoire électrique de commande possède une enveloppe 43 pare-explosions, ce qui permet de protéger le contenu de l'armoire contre d'éventuelles explosions accidentelles qui pourraient avoir lieu à proximité, par exemple lors de transfert d'hydrocarbures via le système de chargement. L'automate commande par ailleurs un relais de puissance pour commander la mise en route et l'arrêt de l'unité hydraulique de puissance. L'unité hydraulique de puissance comprend une pompe (non représentée) destinée à pomper un fluide hydraulique pour actionner les moteurs ou vérins hydrauliques. Une interface d'entrée utilisateur 60 permet de commander le système de chargement. Dans le mode de réalisation illustré, cette interface est une télécommande pourvue d'un émetteur 61 pour communiquer avec un récepteur 62 relié à l'automate dans l'armoire électrique de commande. L'émetteur et le récepteur communiquent par des ondes radio. En variante, l'émetteur et le récepteur communiquent par des ondes optiques, par exemple des ondes infrarouges. Selon une variante non illustrée l'interface d'entrée est reliée par un câble avec l'automate pour communiquer avec celui-ci. Sur la télécommande visible en figure 2, l'opérateur dispose d'une commande pour déplacer le bras de chargement selon l'axe des � x �, et une commande pour déplacer celui-ci selon l'axe des � y �, axes visibles en figure 1. Les commandes de déplacement selon les axes des � x � et � y � sont regroupées sur un même élément de manipulation sous forme d'un levier 63 de commande. Un levier 64 de commande distinct permet de déplacer le bras selon l'axe des � z �. Chacun des leviers de commandes est de type proportionnel, ce qui veut dire en pratique que l'amplitude du mouvement au niveau d'un levier de commande se traduit par une ouverture plus ou moins grande au niveau des valves à commande proportionnelle et, par conséquent, par une vitesse plus ou moins grande au niveau de actionneurs. Dans une variante non illustrée, les commandes de déplacement selon les axes des � x � et �z� sont regroupées sur un même levier de commande. Un levier de commande distinct permet de déplacer le bras selon l'axe des � y �. On notera que d'autres combinaisons de regroupement des commandes sont à la portée de l'homme de métier. Dans une autre variante non illustrée, les commandes de déplacement selon les axes � x �, � y � et � z � sont regroupées sur un même élément de manipulation. Dans une variante non illustrée, plusieurs bras sont commandés par un même automate. Un sélecteur prévu sur la télécommande permet de commander suivant le même principe et avec les mêmes leviers de commande une pluralité de bras de chargement en reliés un même automate. La figure 3 présente sur un diagramme fonctionnel le principe de fonctionnement du dispositif de commande selon l'invention, en particulier selon les figures 1 et 2. Les trois signaux émis par les capteurs d'angle 30, 31, 32 disposés au niveau de chacune des trois articulations du bras de chargement sont envoyés vers l'automate. A partir des donnés angulaires, l'automate calcule les coordonnées spatiales (selon les axes x,y,z) de la position de la bride par rapport à un point origine préalablement défini. En parallèle, l'automate calcule à partir des entrées de commande de l'opérateur faites au niveau de l'interface de commande (télécommande) les vitesses Vx, Vy, Vz, souhaitées selon les axes x, y, et z. A partir des coordonnées spatiales de la position de la bride et des vitesses souhaitées, l'automate calcule les futurs angles nécessaires au niveau des trois articulations pour obtenir le déplacement souhaité par l'utilisateur. L'automate calcule ensuite le déplacement à appliquer à chacun des actionneurs 27, 28, 29 pour obtenir l'angle calculé précédemment, puis il calcule les consignes de sortie à appliquer à chacun des actionneurs pour commander le mouvement du bras de chargement selon les entrées de commande de l'opérateur. En fait, l'automate calcule à tout instant les coordonnées spatiales de la bride 26 et calcule les angles futurs nécessaires dès que l'interface d'entrée 60 de commandes est sollicitée par l'utilisateur. Dans une variante non illustrée, de manière connue en soi, le dispositif de commande selon l'invention présente un quatrième actionneur permettant de serrer ou desserrer la bride. De nombreuses autres variantes sont possibles en fonction des circonstances, et l'on rappelle à cet égard que l'invention ne se limite pas aux exemples décrits et représentés. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande (1) pour le déplacement et le positionnement d'une bride (26) pour système de chargement marine, ledit système de chargement marine comportant au moins une ligne de transfert de fluide ayant une extrémité de ligne fixée à une embase (21), et une extrémité de ligne mobile pourvue d'une bride (26) destinée au raccordement à une tubulure cible, le système présentant en outre une pluralité de liaisons mécaniques de manière à ce que la bride présente au moins trois degrés de liberté par rapport à l'embase, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois actionneurs (27, 28, 29) à commande proportionnelle pour commander chacun le mouvement du système selon un degré de liberté (A, B, C) de manière proportionnelle, un capteur (30, 31, 32) de position du système suivant chaque degré de liberté, une interface d'entrée de commandes de déplacement de la bride pour un opérateur, et un calculateur (41) pour calculer à partir des informations fournies par les capteurs, la position instantanée de la bride, et pour calculer à partir des entrées de commande de déplacement de l'interface d'entrée (60), des instructions de commande simultanées à donner à chacun des actionneurs de manière à ce que leurs mouvements conjugués résultent en un mouvement de la bride correspondant à la commande de déplacement fournie par l'opérateur à l'interface d'entrée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interface d'entrée (60) de commandes présente au moins une commande proportionnelle (63, 64) de manière à ce qu'une sollicitation plus ou moins grande de ladite commande proportionnelle entraine au moins une instruction de commande proportionnelle respectivement plus ou moins grande pour au moins l'un des actionneurs (27, 28, 29), résultant en un déplacement de la bride à une vitesse de déplacement respectivement plus ou moins grande. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins un des capteurs (30, 31, 32) de position du système est un capteur angulaire. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins un des actionneurs (27, 28, 29) à commande 12 proportionnelle est un actionneur hydraulique coopérant avec une valve à commande proportionnelle. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins un des actionneurs (27, 28, 29) à commande proportionnelle est un moteur électrique à commande proportionnelle. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la communication entre l'interface de d'entrée (60) de commandes et le calculateur (41) est réalisée sans fil, l'interface d'entrée étant reliée à un émetteur (61) communiquant sans fil avec un récepteur (62) relié au calculateur (41). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'interface d'entrée de commandes (60) présente au moins un élément de manipulation (63), conçu de manière à fournir des commandes de déplacement à la bride suivant au moins deux de ses degrés de liberté. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que plusieurs systèmes de chargement marine sont reliés au calculateur, et en ce qu'un sélecteur est prévu au niveau de l'interface de commande pour commander sélectivement l'un des systèmes de chargement reliés au calculateur. 9. Automate (41) pour un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte des entrées pour recevoir, d'une part, un signal de position émis par capteur de position (30, 31, 32) du système suivant chaque degré de liberté, et, d'autre part, un signal de commande depuis une interface d'entrée (60) de commandes de déplacement de la bride pour un opérateur, et en ce qu'il est configuré pour calculer à partir des entrées, des instructions de commande simultanées à donner à chacun des actionneurs (27, 28, 29) de manière à ce que leurs mouvements conjugués résultent en un mouvement de la bride correspondant à la commande de déplacement fournie par l'opérateur à l'interface d'entrée, et en ce que ledit automate comporte des sorties auxquelles sont reliés les actionneurs, et en ce que ledit automate applique aux sorties les instructions de commande calculées destinées aux actionneurs. 13 10. Procédé de calcul pour un automate selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de calcul suivantes : - à partir des informations fournies par les capteurs de position (30, 31, 32), calcul des coordonnées spatiales de la position de la bride (26) par rapport à un point origine préalablement défini, - calcul à partir des entrées de commande de l'opérateur faites au niveau de l'interface de commande (60) des vitesses de déplacement selon les au moins trois degrés de liberté du système de chargement, - à partir des coordonnées spatiales de la position de la bride et des vitesses souhaitées, calcul des consignes de sortie à appliquer à chacun des actionneurs pour commander le mouvement du système de chargement selon les entrées de commande faites au niveau de l'interface de commande.