Posicionamento Dinâmico - Parte 3

3 - Elementos de um Sistema DP

3.1 - Computadores

O processador que opera o software de controle do DP são geralmente conhecidos como computadores DP. A principal distinção com relação ao DPO é o número de computadores, seus métodos de operação, e o grau de redundância que fornecem.

O termo redundância refere-se a uma margem de segurança adicional com relação à inoperância de um equipamento quando deve existir outro(s) disponíveis para uso imediato.

Os computadores devem ser instalados em configurações simples, dupla ou tripla, dependendo do grau de redundância requerido. Sistemas modernos se comunicam via ethernet, ou rede local (LAN), os quais podem incorporar muitas funções de controle do navio em adição ao DP.

Em todos navios DP, os computadores de controle DP são dedicados especificamente para a função DP, sem nenhuma outra tarefa. Um sistema de computador simples, ou sistema de controle DP ‘simplex’ não fornece qualquer redundância. Um sistema dual ou de dois computadores fornecem redundância, se o sistema on-line falhar. Um sistema triplo ou ‘triplex’ fornece um elemento extra de segurança.  O grau de redundância depende da classe do equipamento selecionado pelo navio.

3.2 - Console de Controle

O console da ponte é a instalação que o DPO utiliza para enviar e receber dados. É onde se localiza todos controles de entrada, botões, interruptores, indicadores, alarmes e telas. Em um navio bem projetado, painéis de controle do sistema de referência de posição, painéis dos propulsores (thrusters) e painéis de comunicações estão localizados perto dos consoles de controle DP.

As instalações para o operador variam de botões de pressão e/ou telas sensíveis ao toque.

OS da Pça de Máquinas

Na praça de máquina  nossa O.S. (Operation Station) controla todo o fornecimento  de energia para que  o DP possa funcionar  em paralelo  ao  consumo  do  navio  e seus  equipamentos. Um navio  não  é só  DP. Um AHTS tem DP e os guinchos de manuseio, um navio de lançamento  de linha tem o  DP e seus guinchos e guindastes e por ai  vamos. Para que tudo isso  funcione  sem  que  o navio  apague alguém tem  que controlar a demanda de carga no barramento, esse alguém  não  é o maquinista é a PMS (Power Management System).

PMS

Pode ser  Kongsberg, Rolls Royce, Siemens  ou  outro  qualquer , mas tem que dar  conta do recado.  Não vemos mais a bordo  aquelas  alavancas  pretas  para colocar  o gerador em paralelo  no  manual. Hoje em dia até o manual  tá automático  a bordo. Mas não vá pensando  que isso  é desculpa para matar aula de elétrica pois não  é, quem não  souber  colocar  gerador  no  barramento  na mão  também não  entenderá como funciona o automático.

No passadiço o DP tem  seu  computador dedicado , é nele que  o piloto  faz  suas  manobras. Não  vou  me aprofundar  muito  neste assunto  pois quero  tratar  da parte  interna  do DP não  da  estação  de controle do DP. Mas  para quem não  conhece é importante  saber que  todo  o DP é operado em um  computador específico para este fim, ele que  fica interligado a outro  computador  que é quem  na verdade  faz  tudo funcionar. Este computador se chama  SBC,  neste falaremos mais a frente.

3.3 - Sistemas de Referência de Posição

O número de referências de posições permitidos depende de inúmeros fatores. Em particular, o grau de risco envolvido na operação, o nível de redundância que seja sensível para a operação, a disponibilidade de referências de um tipo adequado, e as conseqüências da perda de uma ou mais referências de posição.

Uma variedade de sistemas de referência de posição é usado pelos sistemas DP. Os tipos mais comuns são: posicionamento global diferencial, taut wires (cabo tesado), hidroacústico (HPR), e o sistema laser ou os sistemas de micro-ondas.

A confiabiliadade das referências de posição é de grande importância. Cada uma tem vantagens e desvantagens, de maneira que uma combinação seja essencial para uma alta confiabilidade.¹⁰ . 

A informação de posição a partir de sistemas de referência de posição pode ser recebida pelo sistema DP de várias formas. Além disso o sistema de coordenada utilizado pode ser o cartesiano ou  o geodésico. O sistema de controle DP é capaz de lidar com informações com base em qualquer um dos sistemas.

Um sistema de coordenadas cartesiano, ou local, baseia-se numa superfície plana de medição bidmensional das distâncias Norte/Sul (X) e Leste/Oeste (Y) a partir de uma origem de referência definida localmente.

A maioria dos modernos sistemas DP de controle habilitam o DPO a selecionar o tipo de apresentação necessária, e.g. cartesianas, geográficas (latitude /longitude ou UTM). Neste último caso, o sistema calculará automaticamente a zona UTM a partir de medições de posição geodésicas recebidas. Os dados são normalmente selecionáveis a partir de um menu.

3.4 - Referência de Rumo

O rumo do navio DP é fornecido por um ou mais bússolas giroscópicas, as quais transmitem dados ao sistema de controle DP. Em navios onde seja necessário redundância, então dois ou três giroscópios são montados.

Se três giroscópios forem fornecidos, então o sistema DP pode valer-se de duas para detectar uma falha da giro, e dar um alerta apropriado ao DPO. Três giros são normalmente fornecidas em navios que cumprem com a  classe 2 ou 31  de equipamento.

Uma referência de rumo do navio pode também estar disponível a partir de múltiplos receptores GPS.

3.5 – Referência de Meio Ambiente

Existem três forças ambientes principais que fazem com que o navio se mova para fora de sua posição de setpoint e/ou direcionamento da proa. São as forças criadas pelo vento, ondas e corrente.

O sistema de controle DP não fornece compensação ativa direta para ondas. Na prática, a frequência das ondas é tal que não é confiável fornecer compensação para ondas individual e as forças são muito elevadas.  Os movimentos roll, pitch e heave do navio não são compensados para o sistema de controle DP, mas é necessário ao sistema de controle DP ser alimentado com valores precisos de roll e pitch. Isto é para permitir com que a compensação seja aplicada a todas os vários sensores de entrada de posições de referência para ajustes de offset a partir do centro de gravidade do navio.

Instrumentação para medir estes valores é fornecido na forma de sensor de referência vertical (VRS – Vertical Reference Sensor), unidade de referência vertical (VRU – Vertical Reference Unit) ou uma unidade de referência de deslocamento (MRU – Motion Reference Unit). A MRU mede acelerações com o uso de acelerômetros lineares e calcula os ângulos de inclinação.

Um desenvolvimento recente é a provisão de um sistema que utiliza dois ou mais receptores DGPS com antenas montadas a uma certa distância entre si. O GPS fixa e os sensores de movimento fornecem dados de uma posição do navio, direcionamento da proa, roll, pitch e valores de heave. Isto é capaz de fornecer uma posição de referência e direcionamento da proa bem como movimento em e sobre cada eixo.

Todos sistemas DP tem sensores de vento. Este dado é utilizado para calcular as forças de vento induzidas agindo sobre o casco e estrutura do navio, fazendo com que estas forças sejam compensadas antes que provoquem uma mudança de posição ou de direcionamento da proa. Tipicamente, um sensor de vento consiste de um anemômetro transmissor. Muitos sistemas de controle DP também têm um dispositivo de compensação de vento na função de controle manual (joystick), fornecendo ao operador uma opção de controle por joystick para compensação do meio ambiente.

Vamos explorar um pouco mais o assunto:

A TÉCNICA DO POSICIONAMENTO DINÂMICO

A ação dos propulsores, estabilizando a posição e o alinhamento da proa de um navio, não podem ser definidos sem o conhecimento das forças que serão encontradas, devidos  ao meio (oceano-metereológico). Este meio corresponde principalmente ao vento, corrente e ondas. Pode também corresponder à ação das amarras do sistema de ancoragem, à força de reação de uma rede que está sendo lançada ao mar, ou à reação gerada pelo uso de canhões de incêndio (navios offshore de combate à incêndio).

No caso de perfuração, a presença de materiais tubulares caros que conectam o navio ao leito do mar, cujo rompimento é capaz de promover uma poluição considerável, requer o conhecimento das condições ambientais extremas para que o sistema de posicionamento dinâmico pode contra-agir. Isto também se aplica a operações que requerem posicionamento preciso na superfície (conexão à cabeça de um poço submarino, re-entrada etc .).

AMBIENTE

Ações do meio ambiente são normalmente difíceis de se determinar com precisão, especialmente com relação às correntes e ondas. Isto é devido à natureza complexa e aleatória das ondas, e das interações onda/corrente.

VENTOS

Num intervalo de tempo suficientemente longo, o vento tem um componente médio e um componente flutuante, que em si inclui rajadas. No Mar do Norte, por exemplo a velocidade média do vento é frequentemente em torno de 60 km/h, com rajadas que excedem a velocidade média em 30 a 40%.

Para navios que estejam flutuando, a ação do vento provoca:

a)    Desvio no plano horizontal

b)    Offset no alinhamento da proa do navio

c)    Adernamento

A velocidade do vento em si depende da altura acima do nível do mar. Equações matemáticas complexas descrevem estes comportamentos desta componente que alimentam o sistema de informação do DP no intuído de promover as devidas correções.

CORRENTES

Correntes provém de várias fontes, incluindo correntes marítimas (correntes de marés), correntes devidas às forças de Coriolis, correntes costeira, correntes de superfície devidas à ação do vento, etc. Sua velocidade é normalmente cerca de 2 nós e podem facilmente chegar aos 6 nós (correntes costeiras)

Similar ao vento, a corrente induz uma força de adernamento no navio e uma mudança na direção de proa do mesmo.

Em uma determinada localidade, a velocidade da corrente varia de acordo com a profundidade, em magnitude e direção. Seu valor normalmente decresce rapidamente com a profundidade e sua direção pode ainda ser revertida.

As forças correspondentes nos equipamentos suspensos abaixo dos navios, ou normalmente localizados entre a superfície e o leito, devem também ser contrabalanceadas pela ação dos impulsores do sistema de posicionamento dinâmico neste caso.

No mar, a corrente de superfície é frequentemente devida ao vento. i.g. um vento de 110 km/h pode induzir uma corrente de 1 m/s depois de 6 horas.

Mas uma vez modelos matemáticos complexos alimentam o de informações o modelo do navio que está armazenado nos computadores do sistema DP, promovendo as devidas compensações.

ONDAS

Onda é um fenômeno físico complexo e aleatório. As ondas formadas pelo vento têm simultaneamente componentes longos e curtos, os quais têm também direções diferente. Ondas muito grandes podem alcançar até 30 metros de altura. As alturas das ondas e os períodos aumentam com a velocidade do vento, sua duração, e a extensão da área sobre a qual sopra.

A onda exerce esforços consideráveis sobre as estruturas. No entanto, esta ação difere de acordo com a freqüência.

OUTROS FATORES

Outros fatores além do vento, corrente e ondas podem agir sobre o posicionamento e rumo do navio, ou sobre o equipamento ao qual o navio está mecanicamente conectado. Isto inclue:

a)    Um tubo sendo descarregado lateralmente do navio (força de tensão horizontal exercida no navio, de várias toneladas)

b)    A presença de outras estruturas na vizinhança, levando a interações (caso de navios de suprimento)

c)    Reação dos esguichos/canhão de combate a incêndio, em navios de combate a incêndio.

d)    A ação de pedras de gelo em mares gelados

e)    lançamento de dutos (rígidos e flexíveis) e equipamentos

 

3.6 - Sistemas de Potência

Vital para o funcionamento de qualquer navio DP são os sistemas de geração, suprimento e distribuição de energia. Potência precisa ser fornecida aos propulsores (thrusters) e a todos sistemas auxiliares, bem como aos elementos de controle DP e aos sistemas de referência.

Os propulsores em um navio DP são freqüentemente os maiores consumidores de energia a bordo. O sistema de controle DP pode requerer grandes  alterações de potência devido às rápidas mudanças nas condições do tempo. O sistema de geração de força deve ser flexível para que possa suprir energia rapidamente em face das demandas ao mesmo tempo em que se evita o consumo desnecessário de combustível. Muitos navios DP são fornecidos com uma planta geradora a diesel com todos os propulsores e consumidores ligados eletricamente a partir de geradores movidos a motores diesel. Um motor diesel e um alternador é conhecido como um conjunto diesel-gerador.

O sistema de controle DP é protegido contra falhas de energia elétrica do circuito principal por meio da inclusão de um sistema de suprimento de força ininterrupto (UPS). Este sistema fornece uma fonte de alimentação estabilizada que não é afetada por interrupções de curto prazo ou flutuações da fonte de alimentação AC do navio. Ela fornece energia para os computadores, consoles de controle, displays, sistemas de alarmes e de referência. No caso de uma interrupção do suprimento AC principal do navio, baterias irão suprir energia para todos estes sistemas por pelo menos 30 minutos.

Existem thrusters acionados diretamente por motores a combustão  interna e outros por motores elétricos. Vou  me dedicar aos  mais usados a bordo, que são as  plantas  geradoras que alimentam os motores elétricos dos thrusters.

A capacidade da planta de geração  e como  ela  será construída é de vital  importância para o bom desempenho  do sistema de  posicionamento.

Até algum  tempo  atrás, coisa de uns 10 a 15 anos, a potência dos thrusters não  era  tão grande, algo em torno  de 800 a 1000KW. A geração  era baseada em tensões mais baixas como 440v, 680v  no máximo. Com o passar dos anos, aumento  da demanda de novos thrusters e a procura  de  embarcações de posicionamento  dinâmico, novos conceitos de geração de energia   foram aparecendo. 

Os thrusters passaram a ter  potência de  3000KW , o que é uma grande potência para  um  único thruster. Claro que isso acompanha um grande navio, por exemplo um Navio Aliviador  DP. Os engenheiros  tiveram então que apresentar novas idéias para que esses thrusters fossem  viáveis, principalmente  porque  o mercado  estava exigindo  mais potência nas embarcações.

Então vamos  aos conceitos da eletricidade:

Primeira lei de ohm: Tensão  é igual a resistência multiplicada pela corrente , V=R.I , P=V.I. Com base  neste conceito,  quanto  maior  a tensão menor a corrente. Então  se eu  tivesse que alimentar um  thruster de 3000KW com uma tensão de 440V, a corrente deste thruster poderia chegar, quando  fosse requerida, a 100% de sua capacidade (  a gente sabe que  pessoal de náutica adora  bater  a alavanca de  passo do thruster  no esbarro  de fim de curso.), em  torno de 6.8KA (6800A). Estou  fazendo os cálculos básicos, não estou  levando  em  conta fator de potência, multiplicador  trifásico etc. Agora calcule a seção do condutor, ou seja , a bitola do cabo  que deverá suportar esta corrente, calcule também  o disjuntor , calcule  o tamanho do MCA que deverá suporta  esta carga, os componentes de partida do  thruster, pois ninguém  vai  partir um thruster desses com  estrela-triangulo. Enfim,  uma serie de  fatores.  Fazendo  essas contas  de forma bem simples chegamos a números  espantosos,  que inviabilizariam o projeto. Então,  qual seria a solução? Simples , vamos aumentar  a tensão. E foi  o que foi feito. A tensão  de alimentação  dos thrusters passou  a ficar na escala de média a  alta tensão. A tensão  mais comum  para planta de navios  com thrusters potentes ou  numerosos é de 6.6KV (6600V). Com isso a  corrente ficou  dentro  dos  parâmetros  já trabalhados até mesmo em muitos  navios antigos.

Agora sim podemos começar a  falar  da planta de geração. Como existem MCA de grande potência disponíveis no mercado (exemplo Wartsila 18V32, que tem  potência máxima de 8500KW e o 18V50 pode chegar a 16500KW) agora é só  calcular   os detalhes da planta geradora e montar a planta do DP. 

Um navio DP aliviador chamado Navion Stavanger, pra mim, deveria ser  o modelo  básico pra qualquer Petroleiro. Nele há um conceito interessante que veio  do padrão  europeu de fornecimento  de energia,   a frequência no barramento  é de 50Hz. Como sabemos que a frequência é função  da rotação  do motor e que a rotação esta diretamente ligada  ao consumo de combustível, os engenheiros além de  preparem um quadro elétrico  inteligente, somaram  o  conceito de redução  de NOx estabelecido  pela IMO ao projeto  do navio. Resumindo, rotação  mais baixa,  menor consumo,  menor emissão de poluentes. Existem também  os projetos baseados nos MCA de baixa tensão que  fornecem ao  barramento 440V, os quais associados a um transformador  aumentador elevam a tensão para 6.6KV. Estes  são, geralmente,  navios  modificados , que não  eram  DP e depois foram  convertidos . 

Os  navios  DP  geralmente  tem  MCA que geram 6.6KV e transformadores  rebaixadores que reduzem   a tensão  para 680V, 440V e 220V. Por conta da "alta tensão", pois na verdade 6.6KV é média tensão, os barramentos ficam em  salas separadas do CCM, e também  por conta do princípio da redundância que  o  DP exige. 

Deste modo  temos em  uma planta de geração básica a seguinte  sequência de equipamentos: Gerador 6.6KV; Barramento; Transformador de Partida ou Inversor de Frequência; Thruster. Esta é uma sequência bem  básica só para ilustrar a disposição dos equipamentos.

Como  disse, devido  à potência dos thruster atuais, vários dispositivos  foram produzidos para aumentar  a vida útil  do  equipamento e proporcionar ainda mais aumento  de potência a este. No conteúdo a seguir sobre AZIPOD eu descrevo todos estes equipamentos e no post dos inversores de frequência (a ser postado) tratarei  das melhorias  que este equipamento  trás.

As possibilidades são  enormes  no  mercado, temos os  navios  lançamento  de linha, navios de manuseio de âncoras, os PSV, navio sonda, plataformas DP etc. O mercado  exige cada vez mais equipamentos que possam  dar  segurança as operações e torná-las  possíveis.

3.7 - Sistemas de Propulsão

A capacidade DP do navio é fornecida por seus propulsores. Em geral, três tipos principais de propulsores são fornecidos com navios DP; propulsores principais, propulsores de túnel e propulsores azimutal. Em navios DP onde tais formas de propulsão principal são partes do sistema DP, os propulsores podem ser do tipo  passo controlável (cp) girando a uma constante rpm⁸ ou a velocidade variável. Motores DC, ou sistemas de conversão de freqüência, permitem com que velocidade variável⁹ seja utilizada com hélices de passo fixo. Os propulsores principais são normalmente acompanhados por lemes convencionais e engrenagens redutoras. Normalmente, a instalação de um DP incluirá controle e feedback do(s) leme(s).

 Esquema do Sistema de propulsão 

Além dos hélices principais, um navio DP deve ter propulsores bem distribuídos para controlar a posição. Tipicamente, um navio DP tipo monocasco terá seis propulsores; três na proa e três na popa. Os propulsores de vante tendem a ser propulsores de túnel. Dois ou três propulsores de túnel são geralmente montados na proa.

Propulsores de túnel na popa são comuns, operando em conjunto, mas controlados individualmente. Propulsores azimutais projetam-se para o fundo do navio e podem ser girados para fornecerem empuxo em qualquer direção. Propulsores azimutais têm a vantagem de poderem fornecer empuxo em qualquer direção e são frequentemente utilizados para a propulsão principal ao invés de propulsores de hélice convencional.

Um propulsor elétrico (podded thruster -  AZIPOD) é também um tipo de propulsor azimutal, mas neste caso o motor e o eixo são encapsulados e giram com o impelidor abaixo do casco. Anéis de deslizamento fornecem a energia do navio para o conjunto girante que contém o motor ou motores.

Continua no próximo blog...