Posicionamento Dinâmico - Parte 5

4 – Sistemas de Referência de Posição e Equipamentos

4.1 - Geral

Informação de posição precisa, confiável e contínua é essencial para o posicionamento dinâmico. Um sistema de controle DP requer dados a uma taxa elevadíssima para conseguir uma acentuada precisão. Confiabilidade é de importância vital para operações onde a vida e o patrimônio pode ser posto a risco extremo através de um dado de posição incorreto¹⁰.

Todos os navios DP têm sistemas de referência de posição (PRS), (algumas vezes referidos como equipamento de monitoramento de posição ou PME), independente da classe de navegação normal do navio. Cinco tipos de PRS são de uso comum em navios DP atuais; Referência de Posicionamento Hidroacústico (Hydroacoustic Position Reference – HPR), Taut Wire, DGPS, sistemas baseado em Laser (Fanbeam e CyScan) e Artemis. Será dada uma descrição breve de cada um.

Os sistemas de controle de referência combinam os dados de posição de referência de dois ou mais sistemas de referência de posição. Se somente um sistema de referência de posição for disponível no DP então ele é simplesmente inspecionado, filtrado e utilizado. Se dois ou mais são disponíveis, então o sistema precisa utilizar ambos igualmente ou de acordo com seu desempenho individual.

Em todos os sistemas DP modernos a opção média ponderada pode ser selecionada, através da qual referências de posição individual são ponderadas em proporção inversa à variância ou ‘propagação’ de dados de posição; quanto maior o peso para um sistema de referência de posição individual, maior a influência do sistema no cálculo da posição.

Sistemas DP primitivo não tinham a capacidade de aprender com o desempenho passado. Sistemas modernos são capazes de melhorar o desempenho da estação com o uso de filtro Kalman, o qual fornece um modelo do desempenho recente para melhorar o desempenho presente.

Para quaisquer operações que requeiram redundância de DP (equipamento de operações Classe 2 ou 3) é necessário utilizar-se três referências de posição. Dois PRS não são adequados, por que se um falhar, os  dados de referência contraditório fornecem um impasse, enquanto três sistemas fornecem duas opções dentre três para identificar um sensor defeituoso.

Onde três PRS se façam necessários, o DPO deve escolher sistemas que sejam diferentes. Isto reduz a probabilidade de falha de modo comum, em que o evento pode resultar numa perda de posição.

Uma breve descrição será dada aos cinco sistemas de referência de posição  comumente utilizados.

Filtro de Kalman

Em 1960, Rudolph.E. Kalman publicou seu famoso paper que descreve uma solução recursiva para o problema de filtragem de dados discretos em um sistema linear. Dados alguns valores iniciais, pode-se predizer e ajustar os parâmetros do modelo através de cada nova medição, obtendo a estimativa do erro em cada atualização. A sua habilidade para incorporar os efeitos de erros e sua estrutura computacional fez com que o filtro de Kalman tivesse um amplo campo de aplicações, especialmente no que se refere à análise de trajetórias em visão computacional.

Os filtros de Kalman tem sido vitais na implementação de sistemas de navegação de submarinos e nos sistemas de guiamento e navegação de mísseis de cruzeiro como o Tomahawk da marinha americana, e o AGM-86 ALCM da força aérea americana. O filtro de Kalman também é utilizado no guiamento e navegação dos Ônibus Espacias da NASA e no controle de atitude da Estação Espacial Internacional.

Esse filtro digital é ocasionalmente chamado de filtro de Stratonovich–Kalman–Bucy por ser um caso particular de um filtro mais geral e não-linear desenvolvido pouco antes pelo matemático russo Ruslan L. Stratonovich.

4.2 - Referência de Posição Hidroacústica ( HPR )

A acústica submarina tem muitas aplicações, uma das quais é o fornecimento de posição de referência com propósitos DP¹³.

Posicionamento acústico também é utilizado para rastreamento de veículos ou equipamentos submarinos, para a marcação de características subaquáticas e para o controle de equipamentos submarinos por meio da telemetria acústica.

Existem três tipos de sistemas de referência de posição acústicos de uso comum – ultra- ou super-short baseline systems (USBL ou SSBL), short baseline systems (SBL) e long baseline systems (LBL). Cada um tem vantagens e desvantagens que determinam onde e como cada um é utilizado.

As classes são distintas pela sua linha base, ou distância entre seus elementos acústicos fixos.

Cada um destes sistemas é baseado na técnica de uso de um ou mais dispositivos acústicos fixos.

4.2.1 - Sistema Acústico Ultra ou Super Short-Baseline

O princípio SSBL (Super Short Base Line) é claramente o princípio mais simples de posicionamento subaquático em operação. A Linha de Base de Dados do Super Short-Baseline refere-se à distância muito curta entre os elementos piezo-elétricos ativos no transdutor, que são montados no fundo do barco.

O princípio SSBL tem a vantagem de não requerer instalação de transponderes calibrados em disposição lógica no fundo do mar. Apenas os alvos que devem ser posicionados (um pode muito bem estar no fundo do mar) são equipados com um transponder. O sistema SSBL mede os ângulos horizontais e verticais, juntamente com o intervalo para o transponder, dando uma projeção 3D do fundo em relação ao navio (ponto de referência no navio). Para obter melhor precisão de posição em águas profundas com um sistema de SSBL é necessário aumentar a precisão de medição do ângulo.

O princípio de medição de posição envolve a comunicação a freqüências hidrostáticas entre um transdutor montado no casco do navio e um ou mais transponders localizados no leito.

Um pulso de interrogação é transmitido a partir do transdutor. Este pulso é recebido pelo transponder no leito do mar, que é acionado para responder. A resposta transmitida é recebida no transdutor. O atraso no tempo transmissão/recepção é proporcional à inclinação e alcance. Assim, alcance e direção são determinados. Os ângulos e alcance definem a posição do navio com relação à do transponder. Os ângulos medidos devem ser compensados os valores de roll e pitch.

O navio deve implantar pelo menos um transponder alimentado por bateria. Eles podem ser implantados por uma linha desde o navio, por um ROV ou simplesmente lançados ao mar.

O desempenho de um sistema acústico é normalmente limitado por condições acústicas na água. Barulho dos propulsores do navio e outras fontes, aeração e turbulência^12, 13 serão todas prejudiciais à eficiência do posicionaento acústico. Assim, os limites do sistema são mal definidos.

Sistemas acústicos são fornecidos por vários fabricantes, principalmente Kongsberg, Simrad, Sonardyne e Nautronix. Todos utilizam freqüência na faixa de 20-30 kHz. Alguns transponders são compatíveis com aparelhos de mais de um fornecedor.

Aplicação O dispositivo transceptor também conhecido com hidrofone montado sob e.g. um navio torna possível controlar e posicionar alvos submersos como objetos rebocados, ROV’s etc a partir de uma plataforma dinâmica. Contrário aos sistemas LBL que estão limitados a um conjunto calibrado depositado no fundo do mar, o uso de sistemas USBL não é limitado a tal área. Os cálculos de posição são feitos pela medida de ângulos vertical e horizontal, por medidas de fase de sinal em conjunto com intervalos medidos para o(s) transponder(s) fornecendo um posicionamento 3D do alvo(s) em relação ao hidrofone. Uma vez que o Hydrofone (e procede à montagem do transceptor) pode ser montado em uma plataforma dinâmica, as medições das balizas dos transponders ligadas ao alvo(s) devem ser externamente ou internamente corrigido para os parâmetros heading, roll e pitch com muita precisão.

Um sistema USBL completo consiste de um transceptor o qual é montado em um pólo sob um navio, e um transponder/responder no leito do mar, num towfish ou em um ROV. Um computador é utilizado para calcular uma posição a partir das informações de alcance medidas pelo transceptor.

Um pulso acústico é transmitido pelo transceptor e detectado pelo transponder subaquático, o qual responde com seu próprio pulso acústico. O pulso de retorno é detectado pelo transceptor a bordo. O tempo entre a transmissão do pulso acústico inicial até a resposta é detectado e medido pelo sistema USBL e é então convertido em alcance.

Para calcular uma posição submarina, o USBL calcula tanto o alcance quanto um ângulo a partir do transceptor até o conjunto submarino. Ângulos são medidos pelo transceptor, o qual contém um conjunto de transdutores. A cabeça do transceptor normalmente contém três ou mais transdutores separados por uma linha base de 10 cm ou menos. Um método chamado diferença de fase (phase-differencing) dentro deste conjunto transdutor é utilizado para calcular o ângulo para o transponder submarino.

4.2.2 – Long Baseline System

O sistema de posicionamento long baseline (LBL) fornece posicicionamento acústico preciso sobre uma grande área. Os sistemas LBL são utilizados para marcar múltiplos alvos em relação a um conjuno fixo de transponders submarinos ancorados ao fundo mar. Aplicações típicas para sistemas LBL incluem: sistemas de posicionamento dinâmico (DP) para posicionar múltiplos alvos offshore, como sondas de petróleo, grandes navios, em águas com profundidade de até 7000m; e marcação de veículos submarinos autônomo (AUVs) e veículos operados remotamente (ROVs).

As técnicas LBL resultam numa precisão muito elevada de posicionamento e estabilidade de posição que é independente da profundidade da água. Normalmente é melhor que 1-metro e pode  alcançar até alguns centímetros de precisão. Os sistemas LBL são geralmente empregados em trabalhos de pesquisa submarina de precisão onde a precisão ou estabilidade de posição dos sistemas do navio base SBL, USBL) não seja suficiente.

Os sistemas LBL são compostos de dois tipos de componentes: transceptores móveis e transponders fixos. Um transceptor é um dispositivo montado em cada alvo marcado e pode tanto transmitir quanto receber sinais acústicos. Um transponder é um dispositivo auto-contido ancorado em um local submarino e responde a uma interrogação acústica com uma resposta acústica. A figura abaixo mostra um sistema LBL utilizado para marcar a posição relativa de uma plataforma petrolífera sobre o mar. O transceptor é montado na plataforma, enquanto os transponders, com as denominações que vão de T1 a T4, são ancorados abaixo. Sistemas LBL são os únicos que usam dispositivos transponders de linha de base montados no leito como ponto de referência para navegação.  Para o posicionamento LBL, um mínimo de três transponders são ancorados em locais submarinos separados por uma distância de até vários quilômetros.

Arte gráfica mostrando um sistema de posicionamento submarino do tipo long baseline utilizado para monitorar a localização de uma plataforma petrolífera.

Sistemas long baseline usam a distância calculada entre o alvo e cada um dos transponders ancorados. O transceptor do alvo inicia o processo de marcação com a emissão de um sinal acústico. Cada um dos transponders submarinos recebem este sinal e os respondem com um sinal acústico. O transceptor recebe a resposta acústica dos transponders e mede o tempo transcorrido entre o início da transmissão do sinal acústico e o recebimento da resposta de cada um dos transponders.

As vantagens e desvantagens dos sistemas LBL são resumidas na tabela abaixo:

Mais aplicações do sistema LBL

Sistemas long baseline determinam a posição de um veículo ou do mergulhador medindo acusticamente a distância entre a interrogação do veículo ou mergulhador e três ou mais transponder implantados no fundo do mar. Estas gamas de medidas, que normalmente são completada por dados de  profundidade de sensores de pressão sobre os dispositivos, são então utilizados para triangular a posição do veículo ou mergulhador. Na figura acima, um interrogador montado com o mergulhador (A) envia um sinal, o qual é capturado pelos transponders da linha base (B, C, D). Os transponders respondem e as respostas são capturadas de volta pela estação do mergulhador (A). Medições no tempo de envio do sinal agora produzem as distâncias AB, AC e AD, que são usados para calcular a posição do mergulhador por triangulação ou algorítimos de busca de posição em E. As posições resultantes são relativas à localização dos transdutores de linha de base. Estes podem ser facilmente convertidos para um sistema de coordenadas de georeferenciamento como a latitude/longitude ou UTM se as geoposições das estações base tiverem sido previamente estabelecidas, pra isso, esta matriz de transponderes precisa ser calibrada, ou seja, todos os intervalos entre eles precisam ser medidos.

Uma equipe de mergulho (Envirotech Diving) com seu sistema de posicionamento acústico subaquático AquaMap LBL incluindo três transponders de linha de base (B) e estações de mergulho (A) montados em scooters. As estações base são inicialmente implantadas nos cantos do local de trabalho. Suas posições relativas iniciais são pesquisadas por GPS diferencial ou com auxílio de um equipamento de posicionamento laser. Durante um mergulho, a estação do mergulhador interroga as estações de base para medir as distâncias, as quais são então convertidas em posições.

Outra aplicação:

Esboço do sistema LBL

O sistema long baseline utiliza uma matriz de três ou mais transponders dispostos no leito do mar nas proximidades do local de trabalho. Tipicamente a matriz formará um pentágono (5 transponders) no leito do mar, com o navio de perfuração no centro acima. Um transdutor de cima do navio interroga a matriz de transponders, mas ao invés de medir o alcance e a informação angular, somente alcances são medidos, porque as distâncias das linhas de base já foram calibradas (distâncias entre transponders). A posição de referência é obtida a partir da geometria dos alcances entre si desde as localizações dos transponders. A calibração é feita deixando que cada transponder interrogue todos demais na matriz, por sua vez. Se, ao mesmo tempo, o navio possuir um DGPS ou outros sistema geograficamente referenciado, então a matriz de transponder pode também ser geograficamente calibrada. A precisão é da ordem de alguns poucos metros, mas a taxa de atualização pode ser lenta em água profunda porque a velocidade do som na água é de cerca de 1,500 m/seg.

Continua no próximo blog...

Posicionamento Dinâmico - Parte 4

ADEUS LINHA DE EIXO. BEM VINDO AZIPOD!

Com certeza todos nós que trabalhamos em  embarcações com linha de eixo, já passamos raiva e sufocos com os problemas  agregados a este sistema. Quem  nunca teve problema com aquecimento  de mancal, vibração da linha de eixo, falha  nas  caixas redutoras, avaria de  bombas de lubrificação das caixas etc...

Pois isto  tudo é passado  para muitos vapozeiros que hoje  trabalham  em  embarcações  que lembram   filme de ficção.

Nas páginas a seguir trataremos de um assunto  de extrema relevância para  nós da área de Máquinas e claro  também  para  Náutica, porém  vamos ver a questão  da tecnologia do  equipamento  e não  da sua   relevância à manobrabilidade  do  barco.

Primeiramente  vamos definir  o que é AZIPOD e qual  a diferença entre ele e o AZIMUTHAL.

Azipod®  é marca registrada da ABB , termo  que  significa "pod" + Azimuth , pod é devido  ao  formato do thruster e  AZI de azimuth por conta da capacidade de giro  de 360º .

Propulsão AZIPOD do navio Freedom of the Seas.

O azipod é um motor elétrico fixado  fora  do  casco.   O  seu  induzido   é   o eixo propulsor, que possui hélices de passo fixo,  desta forma  o  sentido  e a velocidade da  hélice é controlado  por  um  inversor de frequência.  Esta tecnologia é  extremamente eficaz na manobrabilidade da embarcação  e sua potência pode atender  aos mais  variados  tipos de embarcações.

Propulsão por AZIPOD

Sistema de Propulsão AZIPOD em um Navio

Sistemas Azipod usados em navios é uma combinação dos sistemas de direção e propulsão. No sistema de propulsão convencional, um grande motor de dois tempos é conectado ao eixo, o qual atravessa um túnel via tubo telescópico e se conectar ao hélice pela parte externa do casco na popa do navio. O sistema de manobra (maquina do leme) de tal sistema é feito com o auxílio de um leme localizado atrás do hélice.

No entanto, no arranjo azipod, os sistemas de propulsão e de manobra são combinados e fabricados em uma única peça. O sistema consiste de um hélice o qual é manobrado por um motor elétrico e o hélice é girado pelo leme que é conectado ao sistema.

O motor é localizado dentro do casulo selado e é conectado ao impelidor. Deve se observar que o sistema de selagem deve ser perfeito caso contrário pode danificar o motor integralmente. O motor utilizado para este sistema é um motor elétrico de freqüência variável. Usando freqüência variável, a velocidade rotacional do impelidor pode ser controlada i.e. a velocidade pode ser aumentada ou diminuída.

O termo POD vem de Propulsion with Outboard Electric motor (Propulsão com motor elétrico externo. O conjunto completo do sistema azipod é localizado na parte externa do casco na popa do navio. O azipod pode girar em todas direções i.e. 360 graus com a ajuda de um leme, e assim  fornecer empuxo em qualquer direção o que não é possível no sistema convencional. O propulsor no sistema pod é direcionado pelo leme que é colocado no plano de direção.

Entendendo o Sistema Azipod

OO sistema azipod e um tipo de sistema de propulsão elétrica que consiste de três componentes principais:

1) Transformador de Suprimento

A potência fornecida pelos geradores pode ser tão elevada quanto 6600 KV, a qual é reduzida para a tensão necessária pelo transformador de suprimento e deste é fornecido ao motor disposto no interior do casulo (pod).

2) Motor de Propulsão

O motor de propulsão é utilizado para produzir empuxo ou para dirigibilidade. O sistema precisa de algum método para girar o impelidor e isto é feito com auxílio de motor elétrico.

3) Controlador/Conversor de Frequência

É utilizado para mudar a frequência da potência suprida de maneira que a velocidade de rotação do motor possa ser controlada dependendo da necessidade.

 Vantagens do Sistema Azipod

1)    Maior manobrabilidade já que o impelidor pode ser girado em todas as direções. Isto proporciona melhor distancia de parda durante as manobras do que aquela fornecida pelos sistemas convencional.

2)    No caso de navios enormes, dois ou mais azipods os quais são independentes entre si podem ser utilizados. Isto proporciona manobras mais precisas.

3)   Economiza-se muito espaço na praça de máquinas já que não existe motores, impelidores, eixos e outros arranjos. O espaço economizado pode ser utilizado para mais carga do navio.

4)    O sistema pode ser posicionado embaixo do navio promovendo desta forma mais eficiência do que o sistema convencional.

5)   O uso de impelidores lateral (bow thruster, side thruster) pode ser eliminado já eu os pods podem prover tais esforços lateral.

6)     Vibrações e barulho menores do que no sistema convencional

7)     Baixo consumo de combustível e lubrificantes

8)     Amigável com o meio ambiente já que as emissões são extremamente baixas.

Desvantagens

1)     Sistema azipod requer um custo inicial elevado.

2)     Um grande número de motores diesel são  necessários para a produção necessária de energia

3)    Há uma limitação da potência produzida pelo motor. Atualmente as potências mais elevadas disponíveis estão na faixa dos 21 MW.

4)     Não pode ser instalado em grandes navio com grandes capacidades de carga os quais precisão de muita potência e grandes motores.

Sistema de Propulsão AZIMUTAL

O azimuth trhuster é um thruster que pode  ser retrátil, rebatível, ou  fixo quando usado para propulsão. A máquina motriz fica dentro  da embarcação, poder ser  um motor elétrico alimentado por gerador ou um motor diesel, a hélice pode ter passo  variável com acionamento  hidráulico ou  fixo controlado  por inversor de frequência, neste caso a máquina motriz será obrigatóriamente um motor elétrico.

Este  tipo de thruster usado  como  propulsor é mais simples e  mais comum em pequenas embarcações. A figura mostra um Propulsor Azimuthal fixo com passo variável.  

Propulsão AZIMUTAL

Sabendo a diferença entre estes  propulsores que chegaram pra acabar  com  nossos problemas em relação  alinha de eixo  (AZIPOD) desde os anos 90, podemos agora entrar em  detalhes.

Você já contabilizou  quantos equipamentos este tipo  de  tecnologia tira  das nossas  embarcações? Vamos lá então:

1- Adeus Mancais de sustentação  e escora;
2- Adeus Caixas Redutoras;
3- Adeus Eixos Propulsores;
4- Adeus MCP!
5- Adeus Máquina do leme!
6- Diminuição  severa na quantidade de trocadores de calor.

Bem,  estas são  por baixo as vantagens  mais notórias, ainda temos a redução  de  vibração, redução  da manutenção  e seus gastos associados, redução  da emissão  de NOX, pois devidos  a modificações nas  plantas de geração  de energia o sistema atende facilmente as normais IMO Tier I e Tier II que passou  a  ser cobrada a partir de Janeiro de 2011.

Claro  que com  a saída do  MCP alguém  deverá suprir Potência para estes  propulsores, neste caso saem os MCP's entram os MCA's. Como  a tecnologia das Motores de Combustão Interna deu  um salto gigantesco, principalmente os motores WARTSILLA considerados hoje  os melhores do mundo, ficou  muito  mais  fácil ter um controle de emissões de gases associados a tecnologia de injeção eletrônica que excluiu  o Camshaft, o que deu  ao motor cerca de 25% mais eficiência.

Alguns vão  dizer que  esta tecnologia trás outros tipos de problemas, principalmente problemas eletrônicos, o que  não  deixa de ser verdade, mas temos que admitir que as vantagens  são maiores que as  desvantagens. Este progresso não  vai  parar por conta dos nossos medos ou  despreparos, a necessidade de inovação para trazer as  operações das embarcações maior segurança e rapidez são  os principais propulsores desta tecnologia. Devemos acompanhar este segmento  e  incluir  um  forte estudo sobre  isto nas  escolas. (Infelizmente sabemos que  as escolas não  estão preparadas nem  para  as embarcações de 10 anos atrás).

Nesta figura temos uma idéia da interação do AZIPOD e seus periféricos, como  barramento, sistema de  giro, arrefecimento, sistema de selagem, este  último por sinal  é de vital  importância para a funcionalidade do equipamento. Imagine se houver contaminação  por água salgada  dentro  do motor do AZIPOD? Seria  o fim  do  equipamento.

Um  detalhe muito  conveniente  para  nós maquinistas é que aquele procedimento de "preparar a máquina " fica extinto, pois usando  este sistema de  propulsão nossa  função  é manter  o geradores em Stand-By Full Time, pois  quando a embarcação  precisar de propulsão  basta que  o passadiço  dê  Start nos Thrusters.

Mas, e com  relação a potência desses propulsores?

Meu  caro  vapozeiro estas  belezas podem  chegar até 18000 KW com  rotação  fixa de 170 RPM, ou  seja , dois propulsores nos  darão uma potência disponível de 36000 KW ou aproximadamente 48200 BHP. 

Alguns  navios da DOF já utilizam  este sistema aqui  no Brasil. Exemplos são os Skandis Vitóra, Niterói e Santos  que possuem esta  tecnologia em  funcionamento aliada aos Azimutais e aos Túneis,  proporcionando à embarcação um posicionamento  mais preciso, rápido  e eficiente. Estas embarcações realizam  serviços onde o posicionamento estável  é  de fundamental  importância.

A manutenção destes equipamentos seguem padrões mais  razoáveis e  com  maior relação  entre tempo  e utilização. Inspeções podem  ser  realizadas internamente a estes tipos de propulsores, facilitando  assim um diagnóstico mais elaborado  de problemas. Nos períodos de docagem o fato  simples de não  precisar  fazer "Puxada de linha de eixo" encurta o período de docagem, deixando  tempo para outras  manutenções.  Continua no próximo blog...

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...