Автоматизированные системы управления процессами обслуживания судовых систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общая характеристика судна и установленной на нем интегрированной системы управления

- основные технические данные судна, главного двигателя, судовой электростанции

- основные технические характеристики интегрированной системы, управления судном, разработка структурной схемы

2. Системный анализ комплекса систем управления техническими средствами (КСУ ТС) судовой энергетической установки

- принципы построения комплекса (разработать структурную схему)

- основные технические характеристики входящих в него систем

3. Мониторинговый контроль параметров блока цилиндров ГД

- информационная модель объекта

- оценка рабочего режима объекта методом обобщенного параметра

- прогнозирование изменения рабочего режима объекта методом обобщенного параметра

- алгоритм мониторингового контроля в виде ГСА

- структурная схема системы мониторингового контроля

- мнемосхема системы управления

4. Перечень аварийных ситуаций и противоаварийных действий

5. Требования техники безопасности и эргономики к пультам управления

Список литературы



Введение

Научно-технический прогресс в области комплексной автоматизации судовых процессов в течение последних 20 лет определяется достижениями в области электроники и вычислительной техники. Современные тенденции развития средств автоматизации в мировом судостроении характеризуются широким применением вычислительно-информационных систем, микро-ЭВМ, микропроцессорных средств, позволяющих существенно повысить безопасность плавания, снизить эксплуатационные расходы за счет периодического контроля, диагностирования и прогнозирования технического состояния судовых технических средств, сократить численность судовых экипажей и повысить эффективность использования судов. Основной особенностью программ является объединение всех систем управления отдельными технологическими процессами и оборудованием в автоматизированную систему управления судном с распределенной структурой, единой информационной базой и базой данных, выполняющих определенные функции как на борту судна, так и в стратегии его использования судовладельцем. Эксплуатация судового оборудования в условиях длительного автономного плавания судов при воздействии множества внешних и внутренних факторов выдвигает требования к высокой надежности всего комплекса судовых механизмов и выводит на первый план необходимость регламентированного контроля технического состояния оборудования и принятия решения в рамках автоматизированных систем управления всеми процессами обслуживания судовых систем. Анализ судовых технических средств (СТС) сводится, прежде всего, к определению контролепригодности, возможности измерения совокупности параметров и получения информационного массива данных, пригодного для решения поставленных задач контроля и управления по повышению надежности и безопасности как судна в целом, так и отдельных СТС.



1. Общая характеристика судна и установленной на нем интегрированной системы управления

Основные технические данные судна, главного двигателя, судовой электростанции

Судно однопалубное, с надстройкой и машинным отделением в корме, с бульбоподобным носом. Служит для перевозки насыпных грузов (зерно, цемент, гипс и т.д.). Предназначено для доставки грузов в порты, где не предусмотрен причал с выгрузным комплексом (краны и т.д.). Судно самостоятельно может выполнять операции, связанные с выгрузкой груза.

Характеристики судна:

* Название судна - m/v "Stadacona"

* Порт приписки - Nassau

* Количество трюмов - 4

* Брутто реестровый тоннаж - 22931

* Нетто реестровый тоннаж - 11367

* Дедвейт - 31698

* Водоизмещение - 41626

* Максимальная длина - 182,85 м

* Ширина - 27,6 м

* Скорость судна - 19 узлов

* Автономность плавания - 23 суток

* Район плавания - неограниченный

* Экипаж - 25 человек

* Класс автоматизации - LR 100А1 * LMS UMS

* Энергетическая установка - Hitachi B & W 6L67GFC

* Мощность - 8352 кВт

* Частота вращения - 119 об / мин.

* Винт - 5 лопастей, фиксированного шага

* Рулевая машина - "Kawasaki RW-25"

Для производства электрической энергии служат 3 дизель-генератора мощностью 750 кВт каждый.

Основные технические характеристики интегрированной системы, управления судном

Интегрированная система управления K-Chief 600 фирмы Kongsberg может быть приспособлена к индивидуальным требованиям конкретного судна. Модульная конструкция позволяет гибко настраивать систему от низкой сложности (системы сигнализации) до высокой сложности (системы комплексного контроля и мониторинга).

Подсистемы, которые могут быть подключены:

- система сигнализации и мониторинга;

- система контроля вспомогательных механизмов;

- электроэнергетическая система;

- контроль пропульсивной установки;

- балластная система;

- система контроля грузовыми операциями;

- система кондиционирования воздуха;

- пожарная система.

K-Chief 600 основана на технологии, которая использует стандартные модули. Они связаны между собой посредством двухсторонних информационных шин и сетей. Таким образом система может быть настроена для использования на любых типах судов.

Основной задачей данной системы является предоставление всей необходимой информации офицерскому составу для поддержания безопасной и эффективной работы МО и судна в целом.



2. Системный анализ комплекса систем управления техническими средствами (КСУ ТС) судовой энергетической установки

Принципы построения комплекса

Рис. 2.1 Общая схема системы Kongsberg K-Chief 600

Основные технические характеристики входящих в него систем

Архитектура данной системы является модульной состоит из операторских станций и блоков обработки цифровых и аналоговых сигналов (БОЦАС), которые соединены между собой локальной информационной сетью. Соединение системы является децентрализованным благодаря операторским станциям, что делает системы более безопасной и простой в установке. Каждый БОЦАС играет свою роль и сконфигурирован так, чтобы он отвечал всем требования рабочего процесса той области, где он функционирует. Благодаря такой гибкой архитектуре, система может быть, со временем, расширена с помощью подключения новых БОЦАС для контроля за новыми рабочими процессами или расширения функциональности.

Управление и наблюдение за работой всей системы осуществляется с помощью операторских станций:

* K-Gauge - система наблюдения и контроля за грузовыми и балластными операциями. Расположенная в комнате управления грузовыми операциями (cargo control room).

* К-Chief - система, которая расположена в центральном посту управления (engine control room), и осуществляет контроль и управление всеми процессами в машинном отделении. Имеет прямую связь с операторской станцией K-Gauge.

* K-Bridge - система мониторинга за всеми возможными процессами на судне. Расположена на мостике судна. Соединенная со станциями K-Gauge и К-Chief с помощью коммутатора.

* K-Pos - система, позволяющая управлять подруливающим устройством. Эти операторские станции позволяют осуществлять ручной и автоматический контроль за всеми системами. Это возможно благодаря удобному интерфейсу, который позволяет легко пользоваться системой как новому оператору, так и опытному. Вся необходимая информация отображается на дисплеях, расположенных на операторных станциях.

Особенностью этой системы является также то, что всю информацию о состоянии судна могут получать не только офицеры на борту, но и специалисты на берегу (например работники компании судовладельца). Это возможно благодаря защищенному VPN-каналу. Нужная информация передается на берег с помощью спутниковой связи.

Рабочая сеть: Local Area Network (LAN) - используется для связи операторских станций и компьютеров, обрабатывающих информацию с объектов управления и наблюдения.

Control Area Network (CAN) - высоко надежная рабочая шина, используемая для связи между компьютерами, обрабатывающих информацию (аналоговые и цифровые сигналы) о состоянии объектов. В рамках этой сети можно расширить количество объектов, требующих наблюдения и управления. Все сегменты системы присоединены к операторским станциям CAN-сетью.

Serial Lines - используются для связи блока обработки цифровых и аналоговых сигналов (DPU) и, непосредственно, объектов наблюдения и управления. Тип линий, используемых в системе зависит от их применения и имеют стандарты RS-422 и RS-485 с большим количеством дифференциальных протоколов.

Питание системы K-Chief 600:

Система автоматизации питается от источника 230 В переменного тока (для операторских станций) и источники 24 В постоянного тока (для DPU).

Также система имеет стабилизатор напряжения для защиты операторских станций и DPU's от проблем, связанных с плохим качеством напряжения или падением мощности. Стабилизатор поддерживает напряжение постоянным и, если это нужно, защищает аппаратуру от перегрузки. Плохое качество напряжения может привести к повреждению оборудования (hardware) и программного пакета (software), что негативно отразится на работе всей системы.



3. Мониторинговый контроль параметров блока цилиндров ГД

Информационная модель объекта

Таблица 3.1 Перечень контролируемых параметров

№	Контролируемый параметр	Обозначение параметра	Номинальное значение	Пределы срабатывания
				min	max
1	Темп. пресной воды на входе/цилиндр, ?С	X1	65	57
2	Темп. пресной воды на выходе/цилиндр, ?С	X2	80		90
3	Темп. выпускных газов после клапанов, ?С	X3	350		430
4	Температура наддувочного воздуха после охладителя, ?С	X4	15		25
5	Температура масла охл.поршней на выходе, ?С	X5	60		75

Оценка рабочего режима объекта методом обобщенного параметра

Идея метода обобщенного параметра заключается в том, что процесс, характеризуемый многими компонентами, описывается одномерной функцией, численные значения которой зависят от контролируемых компонентов процесса. Такая функция рассматривается как обобщенный параметр процесса. При этом может оказаться, что обобщенный параметр не имеет конкретного физического смысла, а является математическим выражением, построенным искусственно из контролируемых компонентов прогнозируемого процесса.

При обобщении параметров, характеризующих степень работоспособности технических систем, необходимо решение следующих задач: - определения относительных значений первичных параметров;

- оценки значимости первичного параметра для оценки состояния объекта;

- построения математического выражения для обобщенного параметра.

Определение относительных значений первичных параметров необходимо в связи с тем, что состояния объекта может характеризоваться параметрами, имеющими различную размерность. Поэтому все контролируемые первичные параметры следует свести к единой системе исчисления, в которой они могут быть сравнимыми. Такой системой является система безразмерного (нормированного) относительного исчисления.

Использование нормирующих выражений позволяет получить совокупность безразмерных величин, которые характеризуют состояние объекта. Однако количественно одинаковое изменение этих величин не является равнозначным по степени влияния на изменение работоспособности объекта, поэтому необходимо дифференцировать первичные параметры. Этот процесс осуществляется с помощью весовых коэффициентов, величины которых характеризуют важность соответствующих параметров для физической сущности задачи.

Для определения весов параметров будем использовать метод экспертных оценок.

Методы экспертных оценок представляют комплекс логических и математико-статистических методов и процедур, связанных с деятельностью экспертов по переработке необходимой для анализа и принятия решений информации. Оценочные экспертные суждения называют экспертными оценками. Они могут быть индивидуальными и коллективными. Получение индивидуальных экспертных оценок называется экспертным опросом, а совокупность процедур, необходимых для получения коллективных экспертных оценок, включая и экспертный опрос, называется экспертизой.

Метод используется в условиях частичной или полной неопределенности, которая может возникнуть:  - при отсутствии достоверной информации за достаточно продолжительный период;  - при наличии информации, отражающей только качественную сторону явлений, и невозможности количественной характеристики всех факторов, оказывающих существенное влияние ;  - в условиях неустойчивого развития и нарушения инерции в динамике процессов и явлений;  - в процессах, направления развития которых зависят от принимаемых решений, и, следовательно, далеких от объективности;  - при анализе качественно новых процессов и явлений.

В подобных условиях необходимость прогнозирования становится еще более актуальной и практически значимой.

Составим таблицы сравнения пяти экспертов. В клетках попарного сравнения проставляется номер того параметра, который имеет большую значимость. Если не возможно установить различие двух любых параметров, то в клетку вносят оба параметра.

судно энергетический аварийный безопасность

Табл. 3.2. Эксперт № 1 Табл. 3.3 Эксперт №2

	Х2	Х3	Х4	Х5
Х1	1/2	3	4	5
	Х2	3	2	2/5
		Х3	3	3
			Х4	5
				Х5
	Х2	Х3	Х4	Х5
Х1	1	3	1	5
	Х2	2/3	2	5
		Х3	3	3/5
			Х4	4
				Х5

Табл. 3.4 Эксперт №3

	Х2	Х3	Х4	Х5
Х1	1/2	3	1	5
	Х2	2	4	2
		Х3	3	5
			Х4	4
				Х5



Табл. 3.5 Эксперт №4

	Х2	Х3	Х4	Х5
Х1	1	1	1	1
	Х2	2/3	2	2
		Х3	3	3/5
			Х4	5
				Х5

Табл. 3.6 Эксперт №5

	Х2	Х3	Х4	Х5
Х1	1	3	1	5
	Х2	3	2	5
		Х3	3	3
			Х4	4
				Х5

Дальше посчитаем весовые коэффициенты:

На основании заполненных экспертами таблиц определим число предпочтений по формуле:

,

где -- число предпочтений i-го показателя, выбранных по всей таблице j-го эксперта;

-- число раз, когда j-ый эксперт не смог различить степень важности i-го показателя при попарном сравнении его с другими показателями.

-число предпочтений і показателя выбранного по всей табл. j эксперта.

Для 1-го эксперта: Для второго эксперта: Для третьего эксперта:

=1+0,5=1,5 =1+2=3 =1+1+0,5=2.5

=1+1+1=3 =1+1+0,5=2,5 =1+2+0,5=3.5

=1+4=5 =1+2+1=4 =1+2=3

=1+1=2 =1+1=2 =1+2=3

=1+2+0,5=3.5 =1+2+0,5=3.5 =1+2=3

15 15 15

Для четвёртого эксперта: Для пятого эксперта:

=1+4=5 =1+2=3

=1+2+0,5=3.5 =1+1=2

=1+1+1=3 =1+4=5

=1+0=1 =1+0=1

=1+1+0,5=2.5 =1+2=3

15 14

Вес параметров рассчитаем по формуле:

=

==0,203 ==0,209

==0,19

==0,27

==0,12

Сумма весов параметром не должна превышать 1:

По результатам подсчётов стало ясно, что третий параметр имеет наибольший вес.



Прогнозирование изменения рабочего режима объекта методом обобщенного параметра

Таблица 3.7 Первичные и нормированные значения контролируемых параметров

Контролируемый параметр	Обоз. Пар-ров	t1	t2	t3	t4
		Xm		Xm		Xm		Xm
Темп. пресной воды на входе/цилиндр	X1	63	0.75	64	0.875	65	1	64.5	0.938
Темп. пресной воды на выходе/цилиндр	X2	80	1	81	0.9	83	0.7	82	0.8
Темп. выпускных газов после клапанов	X3	360	1	365	0.93	370	0.86	380	0.71
Температура наддувочного воздуха после охладителя	X4	16	0.9	17	0.8	19	0.6	18	0.7
Температура масла охл.поршней на выходе	X5	62	0.86	61	0.93	64	0.73	67	0.53
		0,916	0,904	0,8	0,74

Определим текущее значение параметра для каждого отдельного участка времени и занесём результат в таблицу:

(t)=; где

- текущие значение параметра. - номинальное значение параметра. - предельное значение параметра.

Для каждого времени определим текущий обобщенный параметр:

Формула для определения:

,



Рис 3.1 График зависимости обобщённого параметра от времени



Прогнозирование изменения рабочего режима объекта

С помощью данного метода определяется значения обобщенного параметра для каждого момента времени и экстраполируются замеренные значений к функции Коп(t), по которой можно определить продолжительность работы объекта до перехода его к режиму “предупредительная сигнализация”. В случае не эффективного противоаварийного управления время до перехода его к режиму “аварийная остановка объекта”.

Для опроса датчиков выбираем интервал в 1 минуту для более актуального прогноза системы. Каждую минуту будут опрашиваться датчики, и вычисляться скорость изменения параметров и предполагаемое время до достижения предельно допустимого значения. По формулам:

- скорость изменения параметра;

- время достижения граничного сигнала;

Скорость изменения составит:

Время до выхода сигнализации:



Таким образом при выбранных нами пределах изменения обобщенного параметра система мониторинга должна выдать сигнал о том, что через 14 минут значение обобщенного параметра приблизится к граничному.

Алгоритм мониторингового контроля в виде ГСА

Рис 3.1 Граф-схема алгоритма мониторингового контроля



Структурная схема системы мониторинга

Рис 3.2 Структурная схема системы мониторингового контроля

Мнемосхема системы управления

Рис 3.2 Мнемосхема контролируемого объекта



4. Перечень аварийных ситуаций и противоаварийных действий

Таблица 4.1

Вид аварии	Вид АПС	Реакция на сигнал
Низкая/высокая температура охл.воды на входе	-	Подогреть/охладить воду до необходимой температуры.
Высокая температура охл. воды на выходе	Звуковая, световая	Проверить температуру воды на входе, нагрузку цилиндра, положение регулировочного крана.
Высокая температура выхлопных газов	Звуковая, световая	Проверить: форсунки, выпускной клапан, топливный насос. В аварийном случае снизить обороты ГД.
Высокая температура наддувочного воздуха	Звуковая, световая	Проверить работу охладителя, компрессора, воздуходувки.
Высокая температура масла охл. поршней на выходе	Звуковая, световая	Проверить работу лубрикаторов. Проверить загрязнённость масла, а так же содержание воды в нём. Увеличить подачу масла. Снизить обороты ГД.



5. Требования техники безопасности и эргономики к пультам управления

1) Пульты и органы управления судовых технических средств должны быть расположены в легкодоступных и безопасных местах. Размещение устройств, приборов и указателей должно обеспечивать удобство их обслуживания и ведения наблюдений.

Органы управления должны устанавливаться на высоте не более 1800 мм от настила. Для доступа к клапанам, маховикам и другим органам управления, расположенным па высоте более 1800 мм от настила, должны быть предусмотрены площадки с леерным ограждением или оборудован дистанционный привод.

Если органы управления расположены в труднодоступных местах, местах с высокой температурой, парами и вредными газами, следует предусматривать дистанционное управление.

При работе в положении стоя (на постоянных рабочих местах) органы управления обслуживаемых устройств (рукоятки, маховики и др.) должны находиться на высоте от 800мм до 1100мм от палубы или площадки с которой осуществляется управление; при работе в положении сидя -- на высоте от 45 до 750 мм. Для редко используемых органов управления при работе в положении стоя допускается располагать их на высоте от 500 до 1800 мм, при положении сидя -- на высоте 300 до 1200 мм.

Высота установки рычагов должна обеспечивать удобство пользования ими с учетом их верхнего и нижнего положений и необходимого рабочего хода.

Органы управления, охватываемые кистью руки, допускается устанавливать на расстоянии не менее 60 мм один от другого, от бортов и перегородок. Конструкция штурвала рулевого устройства на малых судах должна исключать возможность травмирования при самопроизвольном его вращении.

2) Кнопки включения должны быть утоплены на 3--5 мм за габариты пусковой коробки или защищены кольцами.

Рабочие и крайние положения органов управления, конструкция которых не исключает возможность самопроизвольного перемещения, должны иметь фиксирующие устройства.

Кнопки выключения должны быть красного цвета и иметь надпись «Стоп».

Если оборудование имеет несколько пультов управления и одновременное их использование может привести к травмам, то должны предусматриваться блокирующие устройства, исключающие возможность одновременной работы этих пультов.

3) Рукоятки, маховики и другие органы управления, используемые постоянно, должны перемещаться под действием усилий в пределах 5--40 Н (0,5--4,0 кгс). Для рычагов сцепных муфт, переводных рычагов допускаются усилия до 120 Н (12 кгс). Органы управления, используемые редко, могут перемещаться под действием усилий, приложенных от руки, но не более 120 Н (12 кгс).

Тормозные устройства, приводимые в деист вне рукоятками, не должны требовать приложения усилий свыше 120 Н (12 кгс), педалями -- 300 Н (30 кгс). Ход рукояток не должен превышать 600 мм, педалей -- 250 мм. . Педаль должна устанавливаться не выше 300 мм (в верхнем положении) от настила рабочей площадки, с которой осуществляется \правление.

Усилие и ход педалей для тормозов грузовых устройств, применяемых при обычном режиме работы, должны быть уменьшены по крайней мере в 2 раза.

Тумблеры и кнопки управления должны перемещаться под действием усилий 3--5 Н (0,3--0,5 кгс).

4) На грузоподъемных механизмах рукоятки (рычаги) должны быть установлены таким образом, чтобы направление движения рукояток соответствовало направлению вызываемых ими движений.

5) Не следует располагать посты управ-1ения под движущимися частями машин и механизмов и движущимися или находящимися под нагрузкой канатами.

6) Посты управления приводов шпилей, брашпилей, лебедок должны находиться вне линии натяжения канатов и якорь-цепей. Контроллеры шпилей и других механизмов, расположенные на вышележащей палубе, должны устанавливаться так, чтобы с рабочего места оператора обеспечивался обзор всего района работ, обслуживаемого этим механизмом.

7) Посты управления устройствами аварийной отдачи крепления палубного лесного груза должны размещаться в районе жилой надстройки.

8) Усилие, необходимое для открывания-закрывания крышек лазов, люков, горловин и дверей, должно быть не более 160 Н (16 кгс). Крышки лазов, находящиеся на вертикальных переборках, должны быть снабжены устройствами для поддержания их при снятии вручную.

Примечание. Для рукояток задраивания по-штормовому допускается увеличение усилии.

9) В качестве переносных средств малой механизации на судах рекомендуется применять пневматические машины с устройствами, перекрывающими доступ воздуха на пневмопривод при прекращении нажатия на орган управления машиной.



Список литературы

1. Вильярский и др. Судовые системы автоматического контроля: системный подход к проектированию.-Л.:Судостроение, 1974.

2. Гаскаров Д.В., Голинкевич Д.В., Мозгалевский А.В. Прогнозирование технического состояния и надежности радиоэлектронной аппаратуры. - М.:Сов.радио, 1974.

3. Зеленин М.П. Бедный Г.З. Эргономика на морском транспорте.-М.: Транспорт, 1980.

4. Фрейдзон И.Р., Филиппов Л.Г. Микропроцессорные системы управления техническими средствами судов.-Л.: Судостроение, 1985.

Размещено на Allbest.ru