专利名称：带有直接控制、特别是比例和/或线性控制的用于流体装载和/或卸载系统的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及船的流体装载和/或卸载系统，通常称为海上装载系统。这些系统用 于在船与码头之间或两个船之间输送液体或气体产品。更特别的是，本发明涉及用于控制这样的装载和/或卸载系统的运动和定位的装置。
背景技术：
通常，海上装载系统具有流体输送管线端，固定在一基部上并与待输送流体的罐 连接，还有相对的管线端，该端可移动并带有用于与目标管道连接的管接头，目标管道本身 连接到一流体罐。已经知道两类船用流体装载系统，它们的区别在于它们的结构通过刚性管传输 的系统和通过软管传输的系统。在刚性管传输的系统中，装载臂系统和伸缩系统可以是分开的。装载臂是铰接的管装置，具有与流体罐连接的基部，称为内管的第一管通过具有 90 °弯角的管部分安装在该基部，使其一端可以围绕一竖直轴线转动，另一端可以围绕一 水平轴线转动。称为外管的第二管安装在内管的相对端，并且能围绕一水平轴线转动。一 个管接头安装在外管的端部。通过带有开/关控制的千斤顶或液压马达控制三个转动中的每个转动。操作者具 有能够使其独立控制每个运动的操纵界面。伸缩系统和装载臂一样具有与罐连接的基部。一起重机转动安装在基部上。起重 机具有携带流体管的吊杆。在吊杆的端部安装有由铰接的流体管组成的伸缩器，可以使安 装在伸缩器自由端的一个管接头移动。通过吊杆端部的转动控制伸缩器的倾斜。通过液压 马达和千斤顶控制伸缩器的运动，使其在基部上转动。最后，软管系统一般具有输送流体产品的管线和能够操纵管线的机械系统。有几 种类型的操纵系统，但是在所有情况下，它们都包括支撑用于连接软管的管接头的操纵起 重机或结构。实际上，在多数系统中，管接头相对三个转动自由铰接在它的端部，因此当管接头 对着目标管道时，操作者可以手动并准确操纵，以便进行连接。这两类装载装置具有不同的结构，但是他们的控制系统是根据同样的操作原理设 计的。要指出的是，在所有情况下，管接头相对于支撑管道固定端的基部有至少三个自由 度，这三个自由度的每一个的运动都通过致动器独立控制。每个致动器通过开/关型的独立控制来单独控制。操作者可以独立地对每个控制 进行作用，以控制装载系统的一个特定部件。对致动器组的组合作用可以使管接头定位于 空间中的一个希望点。使用的致动器通常是液压的，例如液压马达或千斤顶，但是使用电动致动器也是
4已知的，例如电机，或气动致动器。在所有情况下，海上装载系统装备的致动器都通过开/ 关控制来控制，具有恒定的运动速度，并且在某些情况下，可根据需要设定两个运动速度。在实际中，这些控制装置的实施很麻烦，操作者必须完全了解海上装载系统的动 力学，并且同时结合每个致动器的单独运动，从而通过所有运动的总和得到与他希望给予 的运动相对应的管接头的组合运动。由于运动由开/关控制致动器以固定速度产生，操作 者很难或者甚至不可能使管接头进行直线和/或恒定速度的运动。更普遍的是，操作者很 难准确地控制管接头的运动，这就增加了管接头撞击障碍物或目标管道的危险。这可能会 损坏管接头的密封。
发明内容
在这些观察的基础上，本发明的目的是便于操作者控制管接头运动的操作，使操 作更直观，因此能够在不利的海洋条件下完成管接头的连接，并且更广义地，在任何情况下 便于连接，并使连接更迅速，同时减小管接头撞击的危险，而撞击特别会损坏密封。为此，本发明提供一种用于海上装载系统的管接头的运动和定位的控制装置，所 述海上装载系统包括至少一个流体输送管线，具有固定在基部的线端和带有适合用于与目 标管道连接的管接头的可移动线端，该系统还包括多个机械连接，使得管接头相对基部具 有至少三个自由度，该装置的特征在于，它包括至少三个比例控制致动器，每个致动器按比 例地控制系统在一个自由度的运动，还包括一个跟踪每个自由度的系统的位置传感器，一 个用于输入指令以移动管接头的操作者输入界面，和一个计算器，计算器用于从传感器提 供的信息计算管接头的即时位置，并从输入界面的运动指令输入计算给每个致动器的同步 控制指令，使得它们的组合运动导致管接头的与操作者在输入界面提供的运动指令相对应 的运动。有利的是，该装置使操作者能够直观地控制管接头的运动，而不必通过同时对几 个控制进行作用来补偿它的运动。换言之，本发明的装置使使用者可以直接控制管接头的 运动，而不必担心装载系统的运动状态。借助本发明的装置，操作者不必通过同时对多个控 制进行作用来组合运动，因为这些操作都由计算器进行。因此，操作者可以直接控制管接头 的运动，特别是可以使管接头完成直线和/或恒速的运动。有利地，本发明适合于任何类型的海上装载系统，适合于刚性管输送系统和软管 输送系统。根据本发明的一个有利的特征，指令输入界面具有至少一个比例控制，使得以或 高或低的幅度对所述比例控制进行的作用对至少一个致动器给出至少一个幅度分别或高 或低的比例控制指令，导致管接头以分别或高或低的运动速度的运动。有利地，每个控制都是比例型的，这意味着，在实际中，在一个控制上的运动幅度 导致致动器上的或高或低的速度。根据可以结合的有利特征-系统的至少一个位置传感器是角度传感器；-至少一个比例控制致动器是与比例控制阀配合的液压致动器；-至少一个比例控制致动器是比例控制电机；-指令输入界面与计算器之间的通讯是无线通讯，输入界面连接到一发射器，发射器具有与连接到计算器的接收器的无线通讯；-指令输入界面具有至少一个操作部件，用于为管接头提供在三个自由度中的至 少两个自由度的运动指令；-几个海上装载系统与计算器连接，并且指令界面上设有选择器，以选择性控制其 中一个与计算器连接的装载系统。根据另一方面，本发明提供上述装置的自动控制装置，它包括输入部件，用于接收 由位置传感器输出的系统在每个自由度的位置信号，并接收来自操作者输入界面的控制信 号，输入界面用于输入指令以移动管接头，并且自动控制装置设置成，在输入信息的基础上 计算给每个致动器的同步控制指令，使得致动器的组合运动导致管接头的与操作者在输 入界面提供的运动指令相对应的运动，并且所述自动控制装置包括与致动器连接的输出部 件，并且每个自动控制装置将用于致动器的计算的控制指令施加给输出部件。根据另一方面，本发明提供用于上述自动控制装置的计算方法，该方法包括以下 步骤-在位置传感器提供的信息的基础上，计算管接头的位置相对于预先限定的原点 的空间坐标；-在操作者在控制界面上输入的指令的基础上，计算装载系统在至少三个自由度 的运动速度；-在管接头位置的空间坐标和所需速度的基础上，计算要施加到每个致动器的输 出指令，以便根据在控制界面进行的指令输入来控制装载系统的运动。
现在通过详细描述一个实施例继续解释本发明，该实施例以非限定的方式给出， 并参照以下附图-图1是配有本发明的控制装置的装载臂的立体示意图；-图2是根据本发明的装置、特别是图1装置的操作概要框图；-图3是表示图2控制装置的工作原理的功能框图。
具体实施例方式图1非常示意性地示出配有本发明的控制装置1的装载臂2。这里的装载臂是非 常简化地示出的，并且需要指出的是，根据本发明的控制装置可以用于任何类型的海上装 载系统，特别是上面描述的系统。图1的装载臂具有基部21，连接到位于表面22以下的流体罐，基部固定在该表面 上，并且该表面例如可以是码头或船的甲板。一个弯管23旋转铰接在基部的顶端，一个第 一管，也称为内管24铰接在弯管上，内管24的相对端与称为外管25的第二管铰接。外管 的端部带有一个管接头26，适于连接到例如在船上的目标管道(未示出)。以已知的方式， 管接头具有三个相对外管端部的转动自由度。这三个转动是自由的，使得操作者可以在接 近的最后阶段自由调节管接头的角度，使管接头与目标管道连接。此类装载臂通常是已知的，因此这里不作详细描述。还需要指出的是，本发明的控 制装置适用于任何类型的海上装载系统，而使本发明的控制装置与任何类型的装载系统、特别是上面描述的系统相适应，是在本领域技术人员的能力范围之内的。在图1示意示出的本发明的装置中，致动器27、28、29设在装载臂的三个铰接(用 双箭头A、B、C表示)中的每一个上。更具体的，第一致动器27位于基部21的顶部与弯管 23之间，使弯管相对基部水平枢转，第二致动器28位于弯管23的端部与内管24之间，因此 使内管垂直枢转，第三致动器29位于内管24与外管25之间，使外管垂直枢转。这里，三个致动器27、28、29是图1中非常示意示出的液压千斤顶。在一个未示出 的变型中，一个或多个液压千斤顶由液压马达代替。根据另一个未示出的变型，致动器为电 动或气动马达。角度传感器30、31、32设在铰接处，在装载臂的每个部件之间。一个角度传感器30 设在基部21与弯管23之间，一个角度传感器31设在弯管23与内管24之间，一个角度传 感器32设在内管24与外管25之间。如图2中可见的，角度传感器有利地位于致动器本身 上。根据一个未示出的有利变型，角度传感器31和32分别由位于内、外臂上的摆锤传 感器代替，以便给出它们相对由摆锤给出的垂直方向的倾斜角。每个传感器连接到同一个控制计算器41，该计算器实际上是位于电控室40内的 自动控制装置。液压动力单元42用于给致动器提供它们的操作所需的液压能量。液压动力单元 由自动控制装置控制。图2是根据本发明的装置、特别是图1所示装置的总体操作原理的框图。如图中看到的，装载臂装配有由比例控制阀控制的致动器27、28、29。液压动力单 元42通过所述比例控制阀为致动器提供它们操作所需的液压能量。一个接线盒(BJ) 51用 于收集所有用于阀门的控制信号。致动器的臂还配有分别与接线盒(BJ)52连接的角度传感器30、31、32，以便收集 角度传感器输出的信号。电控室具有防爆外壳43，能够针对可能的意外爆炸保护电控室中的内容物，例如 在通过装载系统传送碳氢燃料期间。自动控制装置还控制一个动力中继站，以控制液压动力单元的启动和停止。液压 动力单元包括一个泵(未示出)，适于泵送液压流体，以带动液压马达或千斤顶。一个用户输入界面60能够控制装载系统。在所示的实施例中，该界面是带有发射 器61的遥控装置，发射器与连接到电控室中的自动控制装置的接收器62进行通讯。发射 器和接收器通过无线电波进行通讯。作为变型，发射器和接收器通过光波、例如红外波进行 通讯。根据一个未示出的变型，输入界面通过电缆与自动控制装置连接，以便与其进行 通讯。在图2中可见的遥控装置中，操作者具有使装载臂沿“X”轴移动的控制和使其沿 “Y”轴移动的控制，图1中可以看到这些轴线。沿X和Y轴的运动控制以控制杆63的形式 组合在同一操作部件中。一个单独的控制杆64使装载臂可沿“Z”轴移动。每个控制杆都 是比例型的，这意味着在实际中，控制杆的运动幅度导致比例控制阀的或宽或窄地开启，因 此导致致动器上或高或低的速度。
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在一个未示出的变型中，沿X轴的运动和沿Z轴的运动的控制组合在同一控制杆 上。一个单独控制杆使装载臂可沿Y轴运动。需要指出的是，其它的控制组合在本领域技 术人员的能力范围内。在另一个未示出的变型中，沿X、Y、Z轴的运动控制组合在同一个操纵部件上。在一个未示出的变型中，多个臂由同一自动控制装置来控制。一个选择器设在遥 控装置上，使多个连接到同一自动控制装置的装载臂能够通过同样的原理和同一控制杆来 控制。图3以功能框图示出根据本发明的控制装置、特别是图1、2的装置的操作原理。由位于装载臂的三个铰接上的角度传感器30、31、32输出的三个信号被送到自动 控制装置。在角度数据的基础上，自动控制装置计算管接头位置相对于预先确定的原点的 空间坐标(沿X、Y和ζ轴)。同时，在操作者在控制界面(遥控装置)进行的指令输入的基础上，自动控制装置 计算出沿X、Y和Z轴的希望速度Vx、Vy和Vz。在管接头位置的空间坐标和希望速度的基础上，自动控制装置计算出在三个铰接 上的、得到使用者所需运动的所需要的未来角度。然后，自动控制装置计算要应用到每个致动器27、28、29上的运动，以得到已经计 算的角度，然后计算施加给每个致动器的输出指令，以根据操作者的指令输入来控制装载 臂的运动。事实上，自动控制装置计算管接头26在任何时间的空间坐标，并且一旦使用者对 指令输入界面60进行操作，就立即计算所需的未来角度。在一个未示出的变型中，以已知的方式，本发明的控制装置具有第四个致动器，使 管接头能够夹紧或脱开。根据不同情况，其它的变型也是可能的，并且需要指出的是，本发明不局限于已经 描述和示出的实例。
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权利要求
控制装置(1)，用于控制海上装载系统的管接头(26)的运动和定位，所述海上装载系统包括至少一个流体输送管线，该管线具有固定到基部(21)的线端和带有适于与目标管道连接的管接头(26)的可移动线端，该系统还具有多个机械连接，使得管接头具有至少三个相对于基部的自由度，该装置的特征在于，它包括至少三个比例控制致动器(27、28、29)，每个致动器用于按比例地控制系统在一个自由度(A、B、C)的运动，还包括跟踪每个自由度的系统的位置传感器(30、31、32)、用于输入指令以移动管接头的操作者输入界面和计算器(41)，计算器用于从传感器提供的信息计算管接头的即时位置，并从输入界面(60)的运动指令输入计算给每个致动器的同步控制指令，使得致动器的组合运动导致管接头的与操作者在输入界面提供的运动指令相对应的运动。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，指令输入界面(60)具有至少一个比例控制 器(63、64)，使得以或高或低的幅度对所述比例控制器进行的作用对至少一个致动器(27、 28,29)给出至少一个分别或高或低幅度的比例控制指令，导致管接头的以分别或高或低的 运动速度的运动。
3.如上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，系统的至少一个位置传感器(30、 31、32)是角度传感器。
4.如上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，至少一个比例控制致动器(27、28、 29)是与比例控制阀配合的液压致动器。
5.如上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，至少一个比例控制致动器(27、28、 29)是比例控制电机。
6.如上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，指令输入界面(60)与计算器(41)之 间的通讯为无线通讯，输入界面与发射器(61)连接，发射器(61)与连接到计算器(41)的 接收器(62)具有无线通讯。
7.如上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，指令输入界面(60)具有至少一个操 纵部件(63)，用于向管接头提供在三个自由度中的至少两个自由度的运动指令。
8.如上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，多个海上装载系统与计算器连接，并 且在指令界面设有选择器，以选择性控制其中一个与计算器连接的装载系统。
9.用于上述权利要求之一所述的装置(1)的自动控制装置(41)，其特征在于，它包括 输入部件，用于接收由位置传感器(30、31、32)输出的系统在每个自由度的位置信号，并接 收来自操作者输入界面(60)的控制信号，输入界面用于输入指令以移动管接头，并且自动 控制装置设置成，在输入信息的基础上，计算给每个致动器(27、28、29)的同步控制指令， 使得致动器的组合运动导致管接头的与操作者向输入界面提供的运动指令相对应的运动， 并且所述自动控制装置包括与致动器连接的输出部件，并且每个自动控制装置将用于致动 器的计算的控制指令施加给输出部件。
10.用于权利要求9所述的自动控制装置的计算方法，其特征在于，它包括以下计算步骤-在由位置传感器(30、31、32)提供的信息的基础上，计算管接头(26)的位置相对预先 限定的原点的空间坐标；-在操作者在控制界面(60)进行的指令输入的基础上，计算装载系统在至少三个自由 度的运动速度；“在管接头位置的空间坐标和所需速度的基础上，计算施加给每个致动器的输出指令， 以便根据在控制界面进行的指令输入来控制装载系统的运动。
全文摘要
本发明涉及用于海上装载系统(2)的管接头(26)的运动和定位的控制装置，所述海上装载系统包括至少一个流体输送管线，该管线具有固定在基部(21)的线端和带有适于与目标管道连接的管接头(26)的可移动线端，该系统还包括多个机械连接，使管接头具有至少三个相对基部的自由度，该装置包括至少三个比例控制致动器(27、28、29)，每个用于按比例地控制系统在一个自由度的运动，还包括跟踪每个自由度的系统位置传感器(30、31、32)、用于输入指令以移动管接头的操作者输入界面(60)和计算器(41)，计算器用于从传感器提供的信息计算管接头的即时位置，并从输入界面的运动指令输入计算给每个致动器的同步控制指令，使得致动器的组合运动导致管接头的与操作者在输入界面提供的运动指令相对应的运动。
文档编号B67D9/02GK101939251SQ200880126347
公开日2011年1月5日 申请日期2008年6月23日 优先权日2008年2月8日
发明者N·西拉尔德 申请人:Fmc技术股份有限公司