NL1006223C2 - Werkwijze voor het meten van de trekkracht die tijdens het bedrijf van een baggervaartuig op een baggerarm daarvan wordt uitgeoefend. - Google Patents

Description

Werkwijze voor het meten van de trekkracht die tijdens het bedrijf van een baggervaartuig op een baggerarm daarvan wordt uitgeoefend.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor 5 het meten van de trekkracht die tijdens het bedrijf van een baggervaartuig op een baggerarm daarvan wordt uitgeoefend.

Dergelijke baggervaartuigen worden tegenwoordig steeds vaker uitgerust met een "Dynamic Positioning System", of kortweg het DP-systeem, met het. doel het schip heel nauwkeu-10 rig langs een gewenste baan te leiden. Dit is in het bijzonder wenselijk wanneer een sleuf moet worden gebaggerd waarin een olie- of gasleiding dan wel een kabel moet worden gelegd. Hoe nauwkeuriger de sleuf kan worden gebaggerd hoe sneller men met het werk klaar is. Het heeft uiteraard geen 15 zin meer grond weg te baggeren dan nodig is, dus niet naast de sleuf en niet dieper dan noodzakelijk om het vormen van ongewenste kuilen te vermijden.

Bij het gebruik van het DT-systeem worden zoveel mogelijk de op het schip uitgeoefende belastingen gemeten, zoals 20 de invloed van de wind en van de krachten veroorzaakt door de baggerarmen. Als de wind of de baggerkrachten veranderen kan hierop direct worden gereageerd door met de beschikbare "actuators" zoals bijvoorbeeld propellers, roeren en boegen eventuele hekschroeven tegengestelde krachten uit te oe-25 fenen. Hierdoor wordt voorkomen dat het schip te veel van de gewenste baan afwijkt. Daarbij is het van belang dat op verstoringen wordt gereageerd nog voordat een afwijking in de baan van het schip meetbaar is.

Een verstoring kan zich ook voordoen in de stroming van 30 het water langs het schip en daar onder door. Dit zal in het bijzonder het geval zijn op de plaats waar gebaggerd wordt daar door variaties in de bodemdiepte ook de stroomsnelheid en richting onder de kiel van het schip zal kunnen variëren. De stroomsnelheid kan in het algemeen niet worden gemeten, 35 daar de bij normale schepen gebruikte instrumenten niet goed functioneren door de verstoringen die worden veroorzaakt bij het baggerproces.

De stroomsnelheid moet daarom worden geschat wat in het 1006223 2 algemeen gedaan wordt met een zogenaamd "Kalman-filter". In dit filter is een wiskundig model van het te besturen schip opgenomen en alle op het schip werkende krachten worden in het filter ingevoerd. Deze krachten zijn afgeleid van de 5 wind, van de kracht van de propellers, van de boeg- en eventueel hekschroeven, van de roerstanden en van de door de baggerarmen uitgeoefende krachten.

Met behulp van deze bekende krachten wordt de verplaatsing en verdraaiing van het schip voorspeld en vergeleken 10 met de actuele verandering gemeten met plaatsbepalingsappa-ratuur zoals bijvoorbeeld DGPS en het kompas. Daar in de bewegings-vergelijkingen slechts de invloed van de stroom ontbreekt, kan het verschil tussen de werkelijke verplaatsing en verdraaiing en de voorspelde verplaatsing en ver-15 draaiing worden gebruikt om de stroom te berekenen. Regel-technisch wordt dit "schatten" genoemd. Deze geschatte stroom kan vervolgens in de regelalgoritmen worden gebruikt om er voor te zorgen dat het schip nauwkeurig de gewenste baan blijft volgen.

20 Bij toepassing op baggervaartuigen heeft men bij voor beeld bij hopperzuigers te maken met de krachten die door de baggerarm dan wel de baggerarmen, die de vorm van zuigbuizen kunnen hebben, op het schip worden uitgeoefend. Deze krachten kunnen een factor 10 groter zijn dan de kracht om te va-25 ren. Er kan dus ca. 90% van het voortstuwingsvermogen nodig zijn om de krachten in de baggerarmen te compenseren en 10% voor het voortstuwen van het schip zelf. Om tot een goede voorspelling van de bewegingen van het schip te komen is het dus nodig de in de baggerarmen optredende krachten zo nauw-30 keurig mogelijk te meten. Voor dit doel wordt gebruik gemaakt van sensoren die in het algemeen zijn opgenomen in de scharnierpunten van de zuigbuizen. Deze verdwijnen echter bij het baggeren onder water en worden tijdens het varen aan dek gehesen. De sensoren staan dan ook aan grote omgevings-35 veranderingen bloot en de ervaring leert dat zij gemiddeld maar korte tijd mee gaan. De sensoren zijn duur en het regelmatig vervangen ervan is dus kostbaar. Met een defecte sensor is geen goed werkend DT-systeem te verkrijgen door de relatief zeer grote invloed die de zuigbuis heeft.

1006223 3

Verder worden de metingen ver van de zuigkop uitgevoerd waardoor in feite gecompenseerd zou moeten worden voor verstorende invloeden van bijvoorbeeld het gewicht van de delen van de zuigbuis, van de door de hijsdraden op de zuigbuis 5 uitgeoefende krachten, de drukverschillen door het zuigpro-ces en dergelijke. Daarbij kan het gewicht van de zuigbuis variëren door variatie in de vaste-stof concentratie van het opgebaggerde mengsel.

De uitvinding beoogt nu deze bezwaren op te heffen en 10 voorziet er daartoe in, dat de op een baggerarm uitgeoefende trekkracht wordt afgeleid uit een algoritme onder gebruikmaking van proces-gegevens die tijdens het baggerproces worden gemeten.

Dergelijke proces-gegevens zijn bijvoorbeeld: 15 a) de concentratie van het opgebaggerde mengsel in de zuigbuis; b) de snelheid van het opgebaggerde mengsel in de zuigbuis; c) de druk voor de baggerpomp; en d) het drukverschil over de zuigkop.

20 In het bijzonder het drukverschil gemeten over de zuigkop blijkt tijdens het baggeren, in de tijd gezien, een zelfde dynamisch verloop te hebben als de trekkracht die direct wordt gemeten. Het zou dan ook voor de hand liggen om deze druk over de zuigkop als alternatief voor de directe 25 meting van de trekkracht te gebruiken. Daarbij doet zich evenwel het probleem voor, dat het drukverschil over de zuigkop niet slechts evenredig is met de trekkracht maar ook afhankelijk is van de grondsoort. De trekkracht is namelijk evenredig met de kracht waarmee de zuigkop over de grond 30 wordt getrokken, daar de zuigkop op de grond wordt gedrukt ten gevolge van het over de zuigkop optredende drukverschil. De wrijvingskracht tussen de zuigkop en de grond zal dus bij de beweging van de zuigkop moeten worden overwonnen.

Het drukverschil over de zuigkop wordt bovendien nog 35 beïnvloed door het afgraafproces, de mengselsnelheid en de concentratie van het opgebaggerde mengsel. Verder wordt de trekkracht nog beïnvloed door het eventueel onder aan de zuigkop aanbrengen van tanden en waterjets die samen de grond los moeten maken. Het gehele baggerproces rond de 1 006223 4 zuigkop is dus een zeer complex gebeuren dat niet aan boord door eenvoudige relaties is weer te geven, mede niet omdat de gegevens betreffende de grondgesteldheid, en dus de samenstelling van het opgebaggerde mengsel, niet continu ter 5 beschikking staan.

Volgens een verdere uitwerking van de uitvinding wordt nu, onder gebruikmaking van een Kalman-filter, de verhouding tussen de werkelijke op de baggerarm uitgeoefende trekkracht en het gemeten drukverschil over de kop voortdurend geschat. 10 Dat het filter zowel de juist genoemde waarde als ook de eerder genoemde waarde van de stroomsnelheid kan schatten komt omdat de trekkracht op de baggerarm door de specifieke baggereigenschappen doorlopend en snel verandert - waarbij veranderingen van 0 tot 100% in enkele seconden kunnen op-15 treden - terwijl veranderingen in de stroming slechts in de tijdsorde van minuten tot uren optreden. Door dit verschil in dynamica is het Kalman-filter in staat snelle variaties in gemeten waarden te gebruiken om de schatting van de verhouding tussen de trekkracht op de baggerarm en het drukver-20 schil over de zuigkop aan te passen en trage afwijkingen toe te rekenen aan veranderingen in de waterstroom.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin:

Fig. 1 een principe-schema van de werking van het 25 Kalman-filter toont; en

Fig. 2 schematisch een baggervaartuig toont waarin de verschillende, op het schip in werkende, belastingen en de toegepaste onderdelen voor de besturing van het schip zijn aangegeven.

30 In het schema van fig. 1 is: X = X-coördinaat van het schip in langsrichting; Y = Y-coördinaat van het schip in dwarsrichting; PSI = koers van het schip met index K: de door het Kalman-filter geschatte X,Y,PSI 35 met index m: de X,Y gemeten bijvoorbeeld door een DGPS en PSI gemeten met een kompas; rudder = roerhoekstanden; thruster = kracht van boeg (en hek-)schroeven; props = kracht van propellers; 1006223 5

Fps = kracht in bakboord zuigbuis;

Fsb = kracht in stuurboord zuigbuis;

Pps = druk over bakboord zuigkop;

Psb = druk over de stuurboord zuigkop; 5 Kps = geschatte verhouding tussen Pps en Fps, zodat geschatte fps = Kps*Pps;

Ksb = geschatte verhouding tussen Psb en Fsb, zodat geschatte fsb = Ksb*Psb.

De verschil vector e*= (Xm-XK, Ym-YK,PSIm-PSIK) tussen 10 geschatte en gemeten waarden wordt gebruikt om de stroom en verhoudingen Kps en Ksb te schatten:

Stel Ex = Xm-XK positie-fout in de langsrichting

Ey = Ym-YK positie-fout in de dwarsrichting

Epsi = PSIm - PSIK koersfout 15 dan e*= (Ex,Ey,Epsi)

De geschatte stroomvector v*=(Vx,Vy) wordt verkregen door integratie van Ex,Ey, bijvoorbeeld in de meest elementaire vorm: v = ƒ(A.e.).dt 20 met bijv. A = au 0 0 0 a22 0_ met Vx = stroom in langs- en Vy in dwarsrichting.

De verhoudingen Kps worden verkregen door integratie van het produkt van E en drukverschil Pps over de zuigkop, bijvoor-25 beeld in de meest elementaire vorm:

Kps = ƒ (Pps*. (B. e)). dt met bijv. B = bu 0 b13 0 bj2 b23 en Pps* = (Pvx,Pvy) Zuigkracht (in de richting van de 30 zuigbuis) ontbonden in langsrichting (=Pv*) en in dwarsrichting (=Pvy) van het schip.

Zelfde algoritme voor de stuurboord zuigbuis:

Ksb = ƒ (Psb*. (B.e)) .dt

Als er niet gebaggerd wordt is in principe de baggerkracht 35 nul. Door de stroomsnelheid van het water naar de baggerpomp kan er dan toch een klein drukverschil over de zuigkop ontstaan, waardoor er foutieve correcties plaats zouden kunnen vinden. Dit is te voorkomen door het adaptatie-algoritme uit te schakelen als de zuigkop zich niet op de grond bevindt.

1 006223 6

Dit is af te leiden uit diverse baggersignalen, bijvoorbeeld uit de kracht in de hijsdraden of daarvan afgeleide signalen, de stand van de deiningscompensator of de gemeten concentratie.

5 conclusies 1006223

Claims (3)

1. Werkwijze voor het meten van de trekkracht die tijdens het bedrijf van een baggervaartuig op een baggerarm daarvan wordt uitgeoefend, met het kenmerk, dat de trekkracht wordt 5 afgeleid uit een algoritme onder gebruikmaking van procesgegevens die tijdens het baggerproces worden gemeten.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat als proces-gegevens, hetzij elk afzonderlijk of in combinatie, kunnen worden toegepast: 10 a) de concentratie van het opgebaggerde mengsel in de zuig-buis; b) de snelheid van het opgebaggerde mengsel in de zuigbuis; c) de druk voor de baggerpomp; en d) het drukverschil over de zuigkop.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat onder gebruikmaking van een Kalman-filter, de verhouding tussen de werkelijke op de baggerarm uitgeoefende trekkracht en het gemeten drukverschil over de zuigkop voortdurend wordt geschat. 20 ------------ 1 006223