УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА

Предлагаемая полезная модель относится к судостроению, а именно к устройствам, предназначенным для обеспечения сбалансированного положения объектов водного транспорта. Устройство может быть использовано на грузовых судах, испытывающих отклонения в виде крена и дифферента в результате неравномерной загрузки (контейнеровозах, паромах, балкерах и т.п.) а также на морских объектах, требующих динамического ориентирования в условиях волнения (морских платформах, трубоукладчиках и т.п.).
Известно устройство (см. патент РФ №2171204, опубл. 20.07.1999) контроля остойчивости судна, поддерживающее заданное состояние объекта в пространстве за счет использования гидродинамических рулей и балластных цистерн.
Недостатком рассмотренного устройства является невозможность обеспечения требуемой точности и скорости стабилизации судна при появлении сильного возмущающего воздействия. Это объясняется тем, что в аналоге отсутствуют средства контроля и диагностики, а устройства автоматического управления недостаточно оперативны. Кроме того, в процессе управления судном не предусмотрено средств выявления сбоев в работе и своевременной коррекции их последствий.
Указанный недостаток частично устранен в устройстве с замкнутым контуром управления рулями и программным по времени управлением балластными цистернами (патент РФ №2238881, опубл. 27.07.2001).
В устройство по патенту РФ №2267440, опубл. 10.01.2006, помимо указанных средств также входят: модели суммирующего усилителя, рулевого привода, программного блока, балластной цистерны, судна и судна в ускоренном времени, а также пять индикаторов сбоев. Устройство позволяет стабилизировать судно по углу дифферента с малыми ошибками при задании больших возмущений и диагностировать исправность основных блоков устройства с обобщенным контролем текущего процесса стабилизации судна и индикации о возможном будущем уходе судна из допустимой области путем прогнозирования процесса стабилизации в ускоренном масштабе времени. Однако из-за возникновения критических ошибок, вызванных несоответствием параметров заложенных математических моделей параметрам реального судна, устройство обладает недостаточной точностью. Кроме того, устройство оперирует определенным и неизменным рабочим объемом балластных вод, что резко снижает точность и скорость балластировки в аварийных ситуациях и, как результат, не обеспечивает достаточной остойчивости судна. Кроме того, из-за отсутствия блокировок операций, приводящих к аварийной ситуации приведенный аналог недостаточно надежен.
Из известных решений наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства по технической сущности и назначению является устройство контроля остойчивости судна с помощью балластной системы, описанной в патенте РФ №160593, МПК В63В 43/06, опубл. 27.03.2016. Устройство содержит блок автоматического управления балластными креновыми и дифферентными цистернами, снабженными датчиками нижнего и верхнего уровней и соединенными между собой и забортной водой трубопроводами с всасывающими и напорными каналами, на входах которых установлены гидроклапаны, подключенные к креновому и дифферентному насосам. Управление положением судна осуществляется по сигналам, приходящим на блок автоматического управления устройства от датчиков крена и дифферента и обеспечивающим распределение балласта в цистернах из условия компенсации крена или дифферента. Блок автоматического управления прототипа включает набор программ - команд на включение балластной системы, при котором судно не выходит из допустимого коридора по заданной точности удержания угла дифферента и крена.
Одним из основных недостатков прототипа является управление положением судна по заранее заданным программам. Параметры же заложенных в программы данных в процессе эксплуатации могут измениться в результате смещения груза, приводящих к аварийной ситуации, что в случае непринятия своевременных защитных мер может привести к потере остойчивости судна и его опрокидыванию.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели заключается в повышении безопасности морских грузоперевозок за счет обеспечения аварийной остойчивости судна.
Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: устройство контроля остойчивости судна, (включающее так же, как и прототип, балластную систему с датчиками крена, дифферента и рысканья судна и креновыми и дифферентными цистернами, соединяемыми между собой и с забортной водой трубопроводами, на входах которых установлены электрические гидроклапаны, подключенные к перекачивающему насосу, управляемые входы которых подключены к блоку автоматического управления), в отличие от прототипа, дополнительно содержит блок ввода и хранения данных о параметрах судна, первый и второй блоки вычисления метацентрической высоты, блок вычисления углов крена, дифферента и рысканья, блок вычисления периода бортовой качки, блок оценки компенсации крена и дифферента, при этом выход блока ввода и хранения данных о параметрах судна подключен к входу первого блока вычисления метацентрической высоты, выход которого соединен с входом второго блока вычисления метацентрической высоты, второй и третий входы которого соединены с выходами блока вычисления углов крена, дифферента и рысканья и блока вычисления периода бортовой качки, вход которого, в свою очередь, подключен к выходу блока вычисления углов крена, дифферента и рысканья, причем выходы второго блока вычисления метацентрической высоты и блока оценки компенсации крена и дифферента соединены с соответствующими входами блока автоматического управления, а вход блока вычисления углов крена, дифферента и рысканья - с выходами датчиков крена, дифферента и рысканья судна.
Сущность полезной модели состоит в следующем.
Известно, что одной из самых важных характеристик судна, обеспечивающих безопасность морских грузовых перевозок, а также проведение грузовых операций у причала и на рейде, является остойчивость судна. Для оценки остойчивости судна может быть использовано устройство определения угла бортовой качки судна и блок расчета метацентрической высоты (Н.Б. Севастьянов. Остойчивость промысловых судов, Л. Судостроение, 1970 с. 189). Если по результатам вычислений оказывается, что метацентрическую высоту необходимо корректировать, то на балластную систему устройства подаются команды, по которым она оперативно реагирует на изменение положения груза, обеспечивая устойчивое положение судна. В предлагаемом устройстве изменение этой характеристики постоянно отслеживается и корректируется. Для этого при загрузке судна в порту или на рейде определяется период собственных колебаний судна, данные о величине которых вводятся в устройство, а во время перехода - осуществляется непрерывное измерение бортовых колебаний судна, что позволяет в аварийной ситуации идентифицировать резкое изменение периода колебаний. На основании полученных данных корректируется математическая модель распределения груза на борту объекта и одновременно вычисляется остойчивость судна в новых условиях. В совокупности с данными о возникшем крене и дифференте, устройство вычисляет остойчивость судна в новых условиях и производит оценку необходимого количества балласта и его распределения для ликвидации крена и дифферента.
Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача - повышения безопасности морских грузоперевозок за счет обеспечения аварийной остойчивости судна - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемой полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где
на фиг. 1 дано схематическое изображение устройства,
Устройство содержит левую 1 и правую 2 балластные цистерны, перекачивающий насос 3, электрические гидроклапаны 4, установленные на всасывающих каналах трубопроводов балластных цистерн 5 и трубопровода забортной воды 6, блок автоматического управления 7, датчики верхнего 8 и нижнего уровней 9, электрические гидроклапаны 10, установленные на напорных каналах трубопроводов 5 и 6, вход питания насоса 11, выходы датчиков уровня 12, управляемые входы 13 клапанов, датчики крена (дифферента) 14 и рысканья 15. Кроме того устройство включает блок ввода и хранения данных о параметрах судна 16, первый 17 и второй 18 блоки вычисления метацентрической высоты, блок вычисления углов крена, дифферента и рысканья 19, блок вычисления периода бортовой качки 20, блок оценки компенсации крена и дифферента 21.
0
Блоки, используемые в устройстве, могут быть выполнены следующим образом. В качестве датчиков крена и дифферента могут быть использованы трехосевые акселерометры с точностью не хуже 0,1, в качестве датчика рысканья - магнитометры (гироскопы). Вычислительные блоки могут быть реализованы на типовых логических счетно-решающих элементах или микроконтроллерах: блок автоматического управления 7 на элементах совпадения и элементах дискретной логики (логическое «И», «ИЛИ»), которые разрешают или блокируют прохождение команд на управляемые входы исполнительных органов (клапанов, насоса), блок 16 - на базе микропроцессорного или микроконтроллерного устройства (например, на базе персонального компьютера), блоки 17-21 - в виде микропроцессорных или микроконтроллерных устройств. Причем архитектура предлагаемого устройства позволяет реализовать все указанные блоки на базе одного микропроцессорного или микроконтроллерного вычислительного устройства.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Как было указано выше, аварийная остойчивость судна является важнейшим параметром, который необходимо учитывать при транспортировке грузов, подверженных во время перехода судна возможности нештатного перемещения. При загрузке судна в порту или на рейде, в устройство через блок 16 вводятся данные о собственных колебаниях судна при его загрузке. Теоретически на основании этих данных можно определить метацентрическую высоту судна и компенсирующие воздействия для его выравнивания по крену и дифференту. На практике такой подход дает неточный результат, так как массы грузов измеряются с большой погрешностью, невозможно точно определить расположение их центров масс, необходимо учитывать плотность воды в данном географическом месте и т.п. В предлагаемом устройстве определение метацентрической высоты судна осуществляется с использованием так называемой «капитанской формулы». Исходными данными для ее расчета являются ширина судна, его начальная поперечная метацентрическая высота, коэффициент для морских судов в грузу и собственный период качки судна. Для определения последнего при погрузке в порту судно раскачивают кренованием. Для этого через блок 21 на балластную систему подают команды на перекачку жидкости сначала с левого борта на правый, а затем наоборот, регистрируя при этом бортовые колебания судна через обратную связь по датчикам 14 и 15. Блок 20 при этом вычисляет период бортовой качки судна. По вычисленному периоду колебаний, в блоке 18, на основании результатов вычислений блока 20 производится расчет метацентрической высоты судна при текущей загрузке в спокойных водах. Блок 18 учитывает вычисления блока 17 и выдает результаты сравнения данных вычислений на пульт оператора. Если по результатам вычислений блока 18 оказывается, что метацентрическую высоту необходимо корректировать, то через блок 7 подаются команды, соответственно, на взятие дополнительного балласта или его сброс. Таким образом, корректируют остойчивость судна взятием на его борт определенного объема балластных вод. Данный объем в существующих системах остается неизменным до следующих погрузочно-разгрузочных работ. При таком подходе в результате нештатного смещения груза и, особенно, при его падении за борт во время перехода может возникнуть ситуация, когда количества балластных вод будет недостаточно для компенсации крена или дифферента и предотвращения опасности опрокидывания судна. Кроме того, при потере груза резко изменится осадка судна и его метацентрическая высота, собственные колебания судна увеличатся, что также может привести к опрокидыванию объекта.
В предлагаемом устройстве в аварийной ситуации производится оценка необходимого количества балласта и его распределение во время перехода судна. Корректировка количества балластных вод на борту осуществляется командами, формируемыми на выходах блока 18 «Взять балласт» и «Сбросить балласт на основании данных, поступающих датчиков 14 и 15, а также выходных данных блока 19, который вычисляет собственные колебания бортовой качки судна на фоне вынужденных колебаний, создаваемых волнами. Использование датчиков дифферента и рысканья помимо датчика крена необходимо для более точного определения периода именно бортовой качки, что достигается благодаря учету погрешностей, вносимых ускорениями, связанными с продольной качкой и рысканьем судна. Бортовая качка в условиях волнения морской среды при переходе судна является суммой собственных колебаний судна и колебаний с частотой волн. На основании анализа периодов колебаний, производимого в блоке 20, вычисляется период собственных колебаний судна. Результаты, как и ранее, поступают в блок 18, который регистрирует изменение расхождения результатов собственных вычислений с результатами блока 20.
В аварийной ситуации, в первую очередь идентифицируется резкое изменение периода колебаний и относительное его изменение. В совокупности с данными о возникшем крене и дифференте, производится оценка необходимого количества балласта и его распределения. Корректировка количества балластных вод на борту осуществляется командами, формируемыми на выходах блока 18 «Взять балласт» и «Сбросить балласт». Благодаря предложенному решению принятие мер по предотвращению аварии, связанной с потерей груза или затоплением отсеков, осуществляется достаточно оперативно. Таким образом, при потере груза, существенно изменяющей метацентрическую высоту судна, или при обнаружении недостатка балластных вод для осуществления компенсации крена и/или дифферента, это регистрируется (вычисляется на основании предоставляемых датчиками данных) блоком 17, который через блок 18 вырабатывает команды «Взять балласт» или «Сбросить балласт». Последнее особенно актуально в случае нештатного набора массы судном, что характерно при возникновении течи через пробоину с затоплением отсеков.
Распределение балласта в цистернах во время перехода судна осуществляется в устройстве также автоматически из условия компенсации крена или дифферента по командам «Перекачка на левый (правый) борт» или «Перекачка на корму (нос)», приходящим на блок автоматического управления от датчиков крена и дифферента с учетом данных о текущем и исходном положении груза.
По команде «Взять балласт», генерируемой блоком 18, временно блокируются команды перекачки насосом 3 жидкости между цистернами 1 и 2 и открывается один из клапанов 4, 10 трубопровода забортной воды. При этом за счет наличия датчиков уровня 8 и 9 система блокировок устройства позволяет автоматически блокировать набор или сброс балласта в ту цистерну, которая переполнена или осушена полностью.
Во всех случаях предлагаемое устройство исключает влияние человеческого фактора и обеспечивает оперативный контроль крена, дифферента и осадки судна во время перехода.
Предлагаемое устройство было разработано специалистами кафедры «Комплексное обеспечение информационной безопасности» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» и кафедры «Электрооборудование судов и автоматизация производства» ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет» в составе научно-исследовательских работ кафедр. Были произведены расчеты, показавшие возможность использования предлагаемой системы на объектах морского транспорта, требующих управления осадкой, креном и дифферентом и оперативного предупреждения катастроф в случае непредвиденного смещения грузов на борту объекта в аварийных ситуациях. В 2015 г. система была апробирована на пароме «Керченский-2», курсирующем по маршруту порт «Крым» - порт «Кавказ» в Керченском проливе.