Sistema de Posicionamiento Dinámico SeaDP para Gánguiles de Charnela.

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"Seaplace seguirá confiando en las soluciones Hardware y Software de NI para superar el reto que supondrá cumplir con los requerimientos mas exigentes de las Clases II y III de DP "

- Miguel Taboada, Seaplace S.L.

The Challenge:
Controlar y mantener la posición de un gánguil de charnela con una capacidad de 1000 m3 (2500 ton de desplazamiento) durante las operaciones de vertido, con una desviación admisible de 1.0 m. respecto al objetivo y contrarrestando un viento de fuerza 6 (25 nudos), un oleaje de 3 m de altura significativa (cresta larga) y una corriente de 0.5 nudos.

The Solution:
Una plataforma combinada PXI/cRIO permite en tiempo real la toma de datos, el procesamiento de señales y algoritmos de control y el manejo del panel de control y la electrónica de los propulsores. Una estructura Cliente/Servidor TCP permite la comunicación entre los sensores y la interfaz táctil de usuario con el ordenador de control. NI LabView ha permitido el desarrollo del sistema en un tiempo record.

Author(s):
Miguel Taboada - Seaplace S.L.

Introducción:

Un gánguil de charnela es un buque cuya estructura principal se compone de dos semicascos articulados formando una cántara que puede ser abierta y cerrada mediante un sistema hidráulico. Este tipo de buques es empleado en las obras marítimas para transportar y verter, en unas coordenadas específicas, material que servirá como base para la construcción de diques.

Durante la operación de vertido, el buque disminuye su desplazamiento en dos terceras partes y duplica el área expuesta al viento, causando una rápida variación de las fuerzas medioambientales actuando sobre el buque. Esto conduce a un alejamiento de la posición objetivo, inaceptable cuando el buque está realizando operaciones que demanden precisión, con las pérdidas de material y dinero que esto conlleva.

SeaDP es un Sistema de Posicionamiento Dinámico, especialmente adaptado a la operación de gánguiles de charnela, que controla la posición y rumbo del buque durante todas las etapas del proceso de vertido (aproximación al objetivo y mantenimiento sobre este desde la apertura de la cántara hasta su cierre).    

En los siguientes párrafos se presenta una breve descripción del sistema.

Sensores, Propulsores, Adquisición de Señales y su Procesamiento.

La adquisición de datos de los GPSs, Anemómetro, Corredera y Sensor de Calados se realiza mediante la plataforma PXI a través de una serie de interfaces RS 232/RS 422 (protocolo NMEA). Las frecuencias de muestreo varían entre 10 s. de la corredera a los 10 Hz del DGPS (RTK). La plataforma PXI muestrea también la IMU (Inertial Motion Unit) a 75 Hz a través una interfaz serie RS 232.

El Sistema de Propulsores del buque se compone de tres (3) dispositivos, cada uno capaz de proporcionar empuje en cualquier dirección, con un empuje total de 200 kN consumiendo 2100 kW.

El Sistema tiene dos cRIO trabajando sincronizadamente (método de interrupciones) con el Controlado PXI RT a 10 Hz. Uno de los cRIO se encarga del control de la Lógica Digital de los Propulsores Schottel, la adquisición de las señales de revoluciones y dirección de empuje y el envío de los valores de consigna (posición del acelerador del motor diesel y dirección de empuje).

El panel de control contiene todos los indicadores y botones que permiten controlar al sistema, incluso ante una pérdida de comunicación entre el Ordenador de Control y el Ordenador de Supervisión y Monitorización. Además, mediante un Joystick se puede controlar la posición del buque manualmente.

La posición del centro de la cántara se obtiene a partir de las señales del GPS y DGPS, teniendo en cuenta la situación tridimensional en el buque de sus antenas y los ángulos de balance, cabeceo y guiñada). La posición del buque se expresa en coordenadas UTM.

El Anemómetro mide la velocidad y dirección relativas del viento, con las cuales se alimenta, después de filtrar las rachas, al modelo de resistencia aerodinámica para estimar las fuerzas medias de arrastre.

La unidad IMU proporciona las velocidades y aceleraciones en los seis grados de libertad en el centro de gravedad del buque. Mediante el uso de Filtros de Kalman los ángulos de balance y cabeceo son calculados, mientras que el ángulo de guiñada se obtiene de la Giroscópica. Las series temporales de aceleración se procesan en el dominio de la frecuencia para extraer los movimientos longitudinal, transversal y de giro de alta frecuencia. El ángulo de balance también se emplea en la estimación RLS del periodo de los movimientos del buque inducidos por el oleaje.

Los sensores (ángulo acimutal y revoluciones de la hélice) de los dispositivos de empuje se emplean para estimar el empuje y momento totales actuando sobre el buque. El punto de partida para la ajuste del modelo detallado del buque contenido en SeaDP es el proceso de toma de calados. Dicho modelo es empleado en un Observador de Estados no lineal y un controlador LQR.

Observador de Estados y Controlador

Los movimientos del buque en el mar pueden considerarse como la suma de movimientos de frecuencia del oleaje (0.05-0.2 Hz) y movimientos de baja frecuencia causados por las fuerzas de los grupos de olas.

En la práctica es imposible contrarrestar los movimientos de frecuencia de ola ya que la intensidad de las fuerzas que los producen es muy grande (del orden del desplazamiento del buque). Deberán por lo tanto filtrarse adecuadamente dichos movimientos para evitar un excesivo desgaste de la maquinaria propulsora.

Este filtrado se realiza mediante un Observador de Estados No Lineal, que consiste en un modelo de baja frecuencia de la respuesta del sistema de propulsores y del buque, junto con modelos estocásticos de los movimientos de frecuencia del oleaje y de las perturbaciones medioambientales para poder dar una buena estimación de los movimientos y velocidades de baja frecuencia.

El controlador emplea el movimiento de baja frecuencia, la velocidad y la desviación a la posición objetivo para calcular los valores de consigna de fuerza y momento mediante un Regulador Cuadrático Lineal (LQR), minimizando una integral ponderada de la desviación y del consumo de potencia. Además, la fuerza del viento estimada en tiempo real es realimentada al sistema para mejorar el rendimiento del controlador. El Controlador permite el control manual o automático de los movimientos longitudinales, transversales y de giro.

Las fuerzas de consigna del Controlador en las direcciones longitudinal y transversal, y el momento alrededor del punto de giro deben ser repartidas entre los distintos elementos propulsores. Esto es realizado en SeaDP empleando técnicas de programación cuadrática en tiempo real.

 Desarrollo Futuro de SeaDP

SeaDP cumple con los requerimientos de la Clase I de DP, lo que significa que un solo fallo de cualquier elemento (propulsor, controlador, etc.) puede dar lugar a una pérdida de posición. Las Clases II y III de DP presentan unos requisitos más exigentes, lo que obliga a considerar redundancia de equipos y otras características especiales (por ejemplo un análisis de las consecuencias ante un fallo de cualquier equipo). Seaplace seguirá confiando en las soluciones Hardware y Software de NI para superar los retos que supondrá conseguir esto.

Author Information:
Miguel Taboada
Seaplace S.L.

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