專利名稱：帶有直接控制、特別是比例和/或線性控制的用于流體裝載和/或卸載系統(tǒng)的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及船的流體裝載和/或卸載系統(tǒng)，通常稱為海上裝載系統(tǒng)。這些系統(tǒng)用 于在船與碼頭之間或兩個船之間輸送液體或氣體產品。更特別的是，本發(fā)明涉及用于控制這樣的裝載和/或卸載系統(tǒng)的運動和定位的裝置。
背景技術：
通常，海上裝載系統(tǒng)具有流體輸送管線端，固定在一基部上并與待輸送流體的罐 連接，還有相對的管線端，該端可移動并帶有用于與目標管道連接的管接頭，目標管道本身 連接到一流體罐。已經知道兩類船用流體裝載系統(tǒng)，它們的區(qū)別在于它們的結構通過剛性管傳輸 的系統(tǒng)和通過軟管傳輸的系統(tǒng)。在剛性管傳輸的系統(tǒng)中，裝載臂系統(tǒng)和伸縮系統(tǒng)可以是分開的。裝載臂是鉸接的管裝置，具有與流體罐連接的基部，稱為內管的第一管通過具有 90 °彎角的管部分安裝在該基部，使其一端可以圍繞一豎直軸線轉動，另一端可以圍繞一 水平軸線轉動。稱為外管的第二管安裝在內管的相對端，并且能圍繞一水平軸線轉動。一 個管接頭安裝在外管的端部。通過帶有開/關控制的千斤頂或液壓馬達控制三個轉動中的每個轉動。操作者具 有能夠使其獨立控制每個運動的操縱界面。伸縮系統(tǒng)和裝載臂一樣具有與罐連接的基部。一起重機轉動安裝在基部上。起重 機具有攜帶流體管的吊桿。在吊桿的端部安裝有由鉸接的流體管組成的伸縮器，可以使安 裝在伸縮器自由端的一個管接頭移動。通過吊桿端部的轉動控制伸縮器的傾斜。通過液壓 馬達和千斤頂控制伸縮器的運動，使其在基部上轉動。最后，軟管系統(tǒng)一般具有輸送流體產品的管線和能夠操縱管線的機械系統(tǒng)。有幾 種類型的操縱系統(tǒng)，但是在所有情況下，它們都包括支撐用于連接軟管的管接頭的操縱起 重機或結構。實際上，在多數系統(tǒng)中，管接頭相對三個轉動自由鉸接在它的端部，因此當管接頭 對著目標管道時，操作者可以手動并準確操縱，以便進行連接。這兩類裝載裝置具有不同的結構，但是他們的控制系統(tǒng)是根據同樣的操作原理設 計的。要指出的是，在所有情況下，管接頭相對于支撐管道固定端的基部有至少三個自由 度，這三個自由度的每一個的運動都通過致動器獨立控制。每個致動器通過開/關型的獨立控制來單獨控制。操作者可以獨立地對每個控制 進行作用，以控制裝載系統(tǒng)的一個特定部件。對致動器組的組合作用可以使管接頭定位于 空間中的一個希望點。使用的致動器通常是液壓的，例如液壓馬達或千斤頂，但是使用電動致動器也是
4已知的，例如電機，或氣動致動器。在所有情況下，海上裝載系統(tǒng)裝備的致動器都通過開/ 關控制來控制，具有恒定的運動速度，并且在某些情況下，可根據需要設定兩個運動速度。在實際中，這些控制裝置的實施很麻煩，操作者必須完全了解海上裝載系統(tǒng)的動 力學，并且同時結合每個致動器的單獨運動，從而通過所有運動的總和得到與他希望給予 的運動相對應的管接頭的組合運動。由于運動由開/關控制致動器以固定速度產生，操作 者很難或者甚至不可能使管接頭進行直線和/或恒定速度的運動。更普遍的是，操作者很 難準確地控制管接頭的運動，這就增加了管接頭撞擊障礙物或目標管道的危險。這可能會 損壞管接頭的密封。

發(fā)明內容
在這些觀察的基礎上，本發(fā)明的目的是便于操作者控制管接頭運動的操作，使操 作更直觀，因此能夠在不利的海洋條件下完成管接頭的連接，并且更廣義地，在任何情況下 便于連接，并使連接更迅速，同時減小管接頭撞擊的危險，而撞擊特別會損壞密封。為此，本發(fā)明提供一種用于海上裝載系統(tǒng)的管接頭的運動和定位的控制裝置，所 述海上裝載系統(tǒng)包括至少一個流體輸送管線，具有固定在基部的線端和帶有適合用于與目 標管道連接的管接頭的可移動線端，該系統(tǒng)還包括多個機械連接，使得管接頭相對基部具 有至少三個自由度，該裝置的特征在于，它包括至少三個比例控制致動器，每個致動器按比 例地控制系統(tǒng)在一個自由度的運動，還包括一個跟蹤每個自由度的系統(tǒng)的位置傳感器，一 個用于輸入指令以移動管接頭的操作者輸入界面，和一個計算器，計算器用于從傳感器提 供的信息計算管接頭的即時位置，并從輸入界面的運動指令輸入計算給每個致動器的同步 控制指令，使得它們的組合運動導致管接頭的與操作者在輸入界面提供的運動指令相對應 的運動。有利的是，該裝置使操作者能夠直觀地控制管接頭的運動，而不必通過同時對幾 個控制進行作用來補償它的運動。換言之，本發(fā)明的裝置使使用者可以直接控制管接頭的 運動，而不必擔心裝載系統(tǒng)的運動狀態(tài)。借助本發(fā)明的裝置，操作者不必通過同時對多個控 制進行作用來組合運動，因為這些操作都由計算器進行。因此，操作者可以直接控制管接頭 的運動，特別是可以使管接頭完成直線和/或恒速的運動。有利地，本發(fā)明適合于任何類型的海上裝載系統(tǒng)，適合于剛性管輸送系統(tǒng)和軟管 輸送系統(tǒng)。根據本發(fā)明的一個有利的特征，指令輸入界面具有至少一個比例控制，使得以或 高或低的幅度對所述比例控制進行的作用對至少一個致動器給出至少一個幅度分別或高 或低的比例控制指令，導致管接頭以分別或高或低的運動速度的運動。有利地，每個控制都是比例型的，這意味著，在實際中，在一個控制上的運動幅度 導致致動器上的或高或低的速度。根據可以結合的有利特征-系統(tǒng)的至少一個位置傳感器是角度傳感器；-至少一個比例控制致動器是與比例控制閥配合的液壓致動器；-至少一個比例控制致動器是比例控制電機；-指令輸入界面與計算器之間的通訊是無線通訊，輸入界面連接到一發(fā)射器，發(fā)射器具有與連接到計算器的接收器的無線通訊；-指令輸入界面具有至少一個操作部件，用于為管接頭提供在三個自由度中的至 少兩個自由度的運動指令；-幾個海上裝載系統(tǒng)與計算器連接，并且指令界面上設有選擇器，以選擇性控制其 中一個與計算器連接的裝載系統(tǒng)。根據另一方面，本發(fā)明提供上述裝置的自動控制裝置，它包括輸入部件，用于接收 由位置傳感器輸出的系統(tǒng)在每個自由度的位置信號，并接收來自操作者輸入界面的控制信 號，輸入界面用于輸入指令以移動管接頭，并且自動控制裝置設置成，在輸入信息的基礎上 計算給每個致動器的同步控制指令，使得致動器的組合運動導致管接頭的與操作者在輸 入界面提供的運動指令相對應的運動，并且所述自動控制裝置包括與致動器連接的輸出部 件，并且每個自動控制裝置將用于致動器的計算的控制指令施加給輸出部件。根據另一方面，本發(fā)明提供用于上述自動控制裝置的計算方法，該方法包括以下 步驟-在位置傳感器提供的信息的基礎上，計算管接頭的位置相對于預先限定的原點 的空間坐標；-在操作者在控制界面上輸入的指令的基礎上，計算裝載系統(tǒng)在至少三個自由度 的運動速度；-在管接頭位置的空間坐標和所需速度的基礎上，計算要施加到每個致動器的輸 出指令，以便根據在控制界面進行的指令輸入來控制裝載系統(tǒng)的運動。


現在通過詳細描述一個實施例繼續(xù)解釋本發(fā)明，該實施例以非限定的方式給出， 并參照以下附圖-圖1是配有本發(fā)明的控制裝置的裝載臂的立體示意圖；-圖2是根據本發(fā)明的裝置、特別是圖1裝置的操作概要框圖；-圖3是表示圖2控制裝置的工作原理的功能框圖。
具體實施例方式圖1非常示意性地示出配有本發(fā)明的控制裝置1的裝載臂2。這里的裝載臂是非 常簡化地示出的，并且需要指出的是，根據本發(fā)明的控制裝置可以用于任何類型的海上裝 載系統(tǒng)，特別是上面描述的系統(tǒng)。圖1的裝載臂具有基部21，連接到位于表面22以下的流體罐，基部固定在該表面 上，并且該表面例如可以是碼頭或船的甲板。一個彎管23旋轉鉸接在基部的頂端，一個第 一管，也稱為內管24鉸接在彎管上，內管24的相對端與稱為外管25的第二管鉸接。外管 的端部帶有一個管接頭26，適于連接到例如在船上的目標管道(未示出)。以已知的方式， 管接頭具有三個相對外管端部的轉動自由度。這三個轉動是自由的，使得操作者可以在接 近的最后階段自由調節(jié)管接頭的角度，使管接頭與目標管道連接。此類裝載臂通常是已知的，因此這里不作詳細描述。還需要指出的是，本發(fā)明的控 制裝置適用于任何類型的海上裝載系統(tǒng)，而使本發(fā)明的控制裝置與任何類型的裝載系統(tǒng)、特別是上面描述的系統(tǒng)相適應，是在本領域技術人員的能力范圍之內的。在圖1示意示出的本發(fā)明的裝置中，致動器27、28、29設在裝載臂的三個鉸接(用 雙箭頭A、B、C表示)中的每一個上。更具體的，第一致動器27位于基部21的頂部與彎管 23之間，使彎管相對基部水平樞轉，第二致動器28位于彎管23的端部與內管24之間，因此 使內管垂直樞轉，第三致動器29位于內管24與外管25之間，使外管垂直樞轉。這里，三個致動器27、28、29是圖1中非常示意示出的液壓千斤頂。在一個未示出 的變型中，一個或多個液壓千斤頂由液壓馬達代替。根據另一個未示出的變型，致動器為電 動或氣動馬達。角度傳感器30、31、32設在鉸接處，在裝載臂的每個部件之間。一個角度傳感器30 設在基部21與彎管23之間，一個角度傳感器31設在彎管23與內管24之間，一個角度傳 感器32設在內管24與外管25之間。如圖2中可見的，角度傳感器有利地位于致動器本身 上。根據一個未示出的有利變型，角度傳感器31和32分別由位于內、外臂上的擺錘傳 感器代替，以便給出它們相對由擺錘給出的垂直方向的傾斜角。每個傳感器連接到同一個控制計算器41，該計算器實際上是位于電控室40內的 自動控制裝置。液壓動力單元42用于給致動器提供它們的操作所需的液壓能量。液壓動力單元 由自動控制裝置控制。圖2是根據本發(fā)明的裝置、特別是圖1所示裝置的總體操作原理的框圖。如圖中看到的，裝載臂裝配有由比例控制閥控制的致動器27、28、29。液壓動力單 元42通過所述比例控制閥為致動器提供它們操作所需的液壓能量。一個接線盒(BJ) 51用 于收集所有用于閥門的控制信號。致動器的臂還配有分別與接線盒(BJ)52連接的角度傳感器30、31、32，以便收集 角度傳感器輸出的信號。電控室具有防爆外殼43，能夠針對可能的意外爆炸保護電控室中的內容物，例如 在通過裝載系統(tǒng)傳送碳氫燃料期間。自動控制裝置還控制一個動力中繼站，以控制液壓動力單元的啟動和停止。液壓 動力單元包括一個泵(未示出)，適于泵送液壓流體，以帶動液壓馬達或千斤頂。一個用戶輸入界面60能夠控制裝載系統(tǒng)。在所示的實施例中，該界面是帶有發(fā)射 器61的遙控裝置，發(fā)射器與連接到電控室中的自動控制裝置的接收器62進行通訊。發(fā)射 器和接收器通過無線電波進行通訊。作為變型，發(fā)射器和接收器通過光波、例如紅外波進行 通訊。根據一個未示出的變型，輸入界面通過電纜與自動控制裝置連接，以便與其進行 通訊。在圖2中可見的遙控裝置中，操作者具有使裝載臂沿“X”軸移動的控制和使其沿 “Y”軸移動的控制，圖1中可以看到這些軸線。沿X和Y軸的運動控制以控制桿63的形式 組合在同一操作部件中。一個單獨的控制桿64使裝載臂可沿“Z”軸移動。每個控制桿都 是比例型的，這意味著在實際中，控制桿的運動幅度導致比例控制閥的或寬或窄地開啟，因 此導致致動器上或高或低的速度。
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在一個未示出的變型中，沿X軸的運動和沿Z軸的運動的控制組合在同一控制桿 上。一個單獨控制桿使裝載臂可沿Y軸運動。需要指出的是，其它的控制組合在本領域技 術人員的能力范圍內。在另一個未示出的變型中，沿X、Y、Z軸的運動控制組合在同一個操縱部件上。在一個未示出的變型中，多個臂由同一自動控制裝置來控制。一個選擇器設在遙 控裝置上，使多個連接到同一自動控制裝置的裝載臂能夠通過同樣的原理和同一控制桿來 控制。圖3以功能框圖示出根據本發(fā)明的控制裝置、特別是圖1、2的裝置的操作原理。由位于裝載臂的三個鉸接上的角度傳感器30、31、32輸出的三個信號被送到自動 控制裝置。在角度數據的基礎上，自動控制裝置計算管接頭位置相對于預先確定的原點的 空間坐標(沿X、Y和ζ軸)。同時，在操作者在控制界面(遙控裝置)進行的指令輸入的基礎上，自動控制裝置 計算出沿X、Y和Z軸的希望速度Vx、Vy和Vz。在管接頭位置的空間坐標和希望速度的基礎上，自動控制裝置計算出在三個鉸接 上的、得到使用者所需運動的所需要的未來角度。然后，自動控制裝置計算要應用到每個致動器27、28、29上的運動，以得到已經計 算的角度，然后計算施加給每個致動器的輸出指令，以根據操作者的指令輸入來控制裝載 臂的運動。事實上，自動控制裝置計算管接頭26在任何時間的空間坐標，并且一旦使用者對 指令輸入界面60進行操作，就立即計算所需的未來角度。在一個未示出的變型中，以已知的方式，本發(fā)明的控制裝置具有第四個致動器，使 管接頭能夠夾緊或脫開。根據不同情況，其它的變型也是可能的，并且需要指出的是，本發(fā)明不局限于已經 描述和示出的實例。
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權利要求
控制裝置(1)，用于控制海上裝載系統(tǒng)的管接頭(26)的運動和定位，所述海上裝載系統(tǒng)包括至少一個流體輸送管線，該管線具有固定到基部(21)的線端和帶有適于與目標管道連接的管接頭(26)的可移動線端，該系統(tǒng)還具有多個機械連接，使得管接頭具有至少三個相對于基部的自由度，該裝置的特征在于，它包括至少三個比例控制致動器(27、28、29)，每個致動器用于按比例地控制系統(tǒng)在一個自由度(A、B、C)的運動，還包括跟蹤每個自由度的系統(tǒng)的位置傳感器(30、31、32)、用于輸入指令以移動管接頭的操作者輸入界面和計算器(41)，計算器用于從傳感器提供的信息計算管接頭的即時位置，并從輸入界面(60)的運動指令輸入計算給每個致動器的同步控制指令，使得致動器的組合運動導致管接頭的與操作者在輸入界面提供的運動指令相對應的運動。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，指令輸入界面(60)具有至少一個比例控制 器(63、64)，使得以或高或低的幅度對所述比例控制器進行的作用對至少一個致動器(27、 28,29)給出至少一個分別或高或低幅度的比例控制指令，導致管接頭的以分別或高或低的 運動速度的運動。
3.如上述權利要求之一所述的裝置，其特征在于，系統(tǒng)的至少一個位置傳感器(30、 31、32)是角度傳感器。
4.如上述權利要求之一所述的裝置，其特征在于，至少一個比例控制致動器(27、28、 29)是與比例控制閥配合的液壓致動器。
5.如上述權利要求之一所述的裝置，其特征在于，至少一個比例控制致動器(27、28、 29)是比例控制電機。
6.如上述權利要求之一所述的裝置，其特征在于，指令輸入界面(60)與計算器(41)之 間的通訊為無線通訊，輸入界面與發(fā)射器(61)連接，發(fā)射器(61)與連接到計算器(41)的 接收器(62)具有無線通訊。
7.如上述權利要求之一所述的裝置，其特征在于，指令輸入界面(60)具有至少一個操 縱部件(63)，用于向管接頭提供在三個自由度中的至少兩個自由度的運動指令。
8.如上述權利要求之一所述的裝置，其特征在于，多個海上裝載系統(tǒng)與計算器連接，并 且在指令界面設有選擇器，以選擇性控制其中一個與計算器連接的裝載系統(tǒng)。
9.用于上述權利要求之一所述的裝置(1)的自動控制裝置(41)，其特征在于，它包括 輸入部件，用于接收由位置傳感器(30、31、32)輸出的系統(tǒng)在每個自由度的位置信號，并接 收來自操作者輸入界面(60)的控制信號，輸入界面用于輸入指令以移動管接頭，并且自動 控制裝置設置成，在輸入信息的基礎上，計算給每個致動器(27、28、29)的同步控制指令， 使得致動器的組合運動導致管接頭的與操作者向輸入界面提供的運動指令相對應的運動， 并且所述自動控制裝置包括與致動器連接的輸出部件，并且每個自動控制裝置將用于致動 器的計算的控制指令施加給輸出部件。
10.用于權利要求9所述的自動控制裝置的計算方法，其特征在于，它包括以下計算步驟-在由位置傳感器(30、31、32)提供的信息的基礎上，計算管接頭(26)的位置相對預先 限定的原點的空間坐標；-在操作者在控制界面(60)進行的指令輸入的基礎上，計算裝載系統(tǒng)在至少三個自由 度的運動速度；“在管接頭位置的空間坐標和所需速度的基礎上，計算施加給每個致動器的輸出指令， 以便根據在控制界面進行的指令輸入來控制裝載系統(tǒng)的運動。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于海上裝載系統(tǒng)(2)的管接頭(26)的運動和定位的控制裝置，所述海上裝載系統(tǒng)包括至少一個流體輸送管線，該管線具有固定在基部(21)的線端和帶有適于與目標管道連接的管接頭(26)的可移動線端，該系統(tǒng)還包括多個機械連接，使管接頭具有至少三個相對基部的自由度，該裝置包括至少三個比例控制致動器(27、28、29)，每個用于按比例地控制系統(tǒng)在一個自由度的運動，還包括跟蹤每個自由度的系統(tǒng)位置傳感器(30、31、32)、用于輸入指令以移動管接頭的操作者輸入界面(60)和計算器(41)，計算器用于從傳感器提供的信息計算管接頭的即時位置，并從輸入界面的運動指令輸入計算給每個致動器的同步控制指令，使得致動器的組合運動導致管接頭的與操作者在輸入界面提供的運動指令相對應的運動。
文檔編號B67D9/02GK101939251SQ200880126347
公開日2011年1月5日 申請日期2008年6月23日 優(yōu)先權日2008年2月8日
發(fā)明者N·西拉爾德 申請人:Fmc技術股份有限公司