Politechnika Gdańska Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa St. inż. I stopnia, sem. IV, kierunek: TRANSPORT Automatyzacja Statku 2 Techniczne, ekonomiczne i socjologiczne aspekty automatyzacji okrętu M. H. Ghaemi Marzec 2016 Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 1
Rola automatyzacji na statkach Współczesne statki mają wysoki stopień automatyzacji procesów: sterowania ruchem statku, obsługi urządzeń energetycznych, prac przeładunkowych, prac ogólnookretowych. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 2
Jaki powinien być zakres i stopień automatyzacji przy sterowaniu ruchem statku, tk jak i automatyzacji t maszyn i urządzeń? Jakie należy zastosować środki techniczne dla realizacji zamierzonego celu? Przykład: utrzymywanie stałego lub określonego kursu może zapewnić autopilot elektromagnetyczny lub minikomputer z odpowiednim programem, układ mikroprocesory. Oczywiście funkcje te może spełniać, także człowiek! Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 3
Zastosowanie bardziej złożonego układu automatyki: -zwiększa zakres automatyzowanych procesów, - pozwala realizować bardziej złożone algorytmy sterowania, - zapewnia szereg zabezpieczeń, - umożliwia wprowadzenie gamy ograniczeń, a powoduje jednak oczywiście - wzrost kosztów. Ponadto wprowadzenie nowego wdrożonego- układu, wymaga: - kosztownych badań, zwłaszcza eksperymentalnych, które powodują również ż -zwiększenie czasu produkcji prototypowanie-. Czynniki wpływające py na dobór właściwego zakresu automatyzacji: 1- typ, wielkość i przeznaczenie statku, 2- techniczne wyposażenie statku (stopień uposażania) 3- obszar pływania 4- wyposażenie portów początkowych, pośrednich i docelowych Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 4
Czynniki decydujące o wyborze stopnia automatyzacji mają charakter obiektywny i subiektywny. Obiektywne: wynik rachunku ekonomicznego. względy natury socjologicznej i psychologicznej (m.in. poprawę komfortu pracy załogi) g) Automatyzacja nie jest celem sama w sobie, jej zadaniem jest: zastępowanie i jednoczesne usprawnienie pracy człowieka, a także podniesienie stopnia niezawodności i bezpieczeństwa Często przepisy towarzystw klasyfikacyjnych, przepisy prawne danego kraju, regionu lub międzynarodowe normy, a także wymagania armatora nakładają obowiązek dotyczący automatyzacji danego systemu, wówczas aspekty ekonomiczne nie są decydujące i należy postąpić według tych wymagań. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 5
Automatyzacja może być koniecznością! Przykłady: silniki wysokoobrotowe, turbogeneratory itp. wyposażone we własne automatycznej regulacji i zabezpieczeń wymagają współpracy z układem nadrzędnym. Często może zachodzić potrzeba szybkiego przetwarzania dużej ilości informacji w celu obliczenia pewnych wskaźników niezbędnych do oceny bieżących ą procesów sterowania np. sprawności energetycznej siłowni. Bez możliwości automatycznego przetwarzania dużej liczby danych nie można praktycznie realizować optymalizacji pracy siłowni w sposób ciągły. Zmniejszenia liczby załogi. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 6
Techniczno-ekonomiczne kryterium zakresu i stopnia automatyzacji Na statkach handlowych, gdy nie wpływają żadne czynniki subiektywne, o zakresie i stopniu automatyzacji decyduje kryterium technicznoekonomiczne. Za optymalny stopień automatyzacji uznajemy taki, który przenosi maksymalny zysk roczny netto wyznaczony, y, jako różnica zysków rocznych uzyskanych z eksploatacji statku i jego kosztów nakładowych, przy przyjęciu odpowiedniej stawki amortyzacji w całym zakresie czasu eksploatacji statku, aż do jego kasacji. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 7
Podstawowe składniki kosztów 1) Koszty inwestycyjne Koszty inwestycyjne obejmują zakup i instalację dodatkowego wyposażenia: regulatorów, członów wykonawczych, mierników, przetworników, linii przesyłania sygnałów pomiarowych, sterujących i siłownianych, mikroprocesorów, itp. Poważny udział w kosztach inwestycyjnych mają: prace projektowe, badania układów na stoiskach odbiorczych i na statku. Inne: Pomieszczenia Amortyzacja Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 8
2) Koszty naprawy i serwisu Okresowa kontrola w celu sprawdzenia własności statycznych i dynamicznych Profilaktyka Ograniczony charakter ze względu na: wymagane wysokie kwalifikacje specjalistów, brak odpowiedniego wyposażenia kontrolnego zapasy To wszystko doprowadzi do wzrostu kosztów rzeczowych zapasy i osobowe koszty serwisu i naprawy. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 9
3) Koszty dodatkowej energii i środków pomocniczych dodatkowe zapotrzebowania energii, materiały i inne środki pomocnicze pracy układów automatyki. Wymienić można dodatkową energię elektryczną (także z baterii akumulatorów) energia dostarczona medium roboczego jak olej, powietrze lub inne. Te koszty są niekiedy zaliczane do kosztów inwestycyjnych. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 10
4) Pozostałe koszty Wzrost kosztów ubezpieczenia, ze względu na wartość obiektu ubezpieczonego. Koszty dodatkowe powstałe w przypadku niesprawnej przejściowo- automatyki i przejście na ręczne sterowanie, które może prowadzić do eksploatacji odbiegającej od punktu optymalnego. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 11
Rekapitulacja Wyznaczając wszystkie koszty, zyski stałe i zmienne w pewnym umownym okresie czasu zazwyczaj 1 rok- oblicza się efekty ekonomiczne z relacji T n m E = Z t ) Z ( ) i S + j Z 0 j i= 1 j= 1 [ ] K + K ( t) dt gdzie: (t) składniki zysków z automatyzacji (zmienne), Z Z i K S j składniki kosztów stałych automatyzacji składniki kosztów zmiennych automatyzacji K Z j (t) Jeżeli E > 0 oznacza, że automatyzacja przynosi korzyści ekonomiczne. Dodatkowym problemem jest przeliczenie E max w zależności od poszczególnych składników kosztów i zysków, a także w funkcji różnych stopni automatyzacji. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 12
Zwrot kapitału inwestycyjnego (payback) Na ogół wynagrodzenia osobowe na statkach rosną, co roku. W świetle rozwoju oj technologii mikroprocesorowej ej i elektronicznej cena urządzeń i systemów związanych z automatyzacją nie wiele się ę zmienia. Koszt aut./wynagrodzenie os. W praktyce, zakłada się, że koszty związane z automatyzacją muszą być zwrócone w przeciągu od 1 roku do 5 lat. lata Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 13
Koszt jednostkowy Koszty są funkcją czasu. Główną miarą kosztów jest koszt jednostkowy. Koszt jednostkowy to suma: tej części kosztów stałych, która nie jest zależna od efektów (korzyści) ekonomicznych, oraz kosztów zmiennych zależnych od intensywności eksploatacji. Koszty stałe oprócz ceny przedmiotu oraz kosztów instalacji zawierają także amortyzacje oraz narzuty związane z eksploatacją. Roczna amortyzacja to różnica kosztów kapitałowych i wartość przedmiotu przy złomowaniu dzielone przez cały okres eksploatacji. Koszty zmienne zawierają koszty związane z materiałami nietrwałymi potrzebnymi do wykorzystania przedmiotu, wynagrodzenia osobowe oraz inne koszty eksploatacyjne np. naprawy i zużytą energię. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 14
Oszacowanie stopnia automatyzacji Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 15
Jeżeli kapitał początkowy jest równy K i horyzont czasowy inwestowania dotyczy okres L lat, wartość netto (Net Value NV) inwestycji bez uwzględnienia stopy procentowej jest NV L C j j K 1 = = Ci to wygenerowany przepływ gotówki netto w j-tego roku. Wartość pieniędzy jest funkcją czasu. Obecny kapitał pieniężny ma inną wartość w przyszłości, ponieważ może być ć różnie zainwestowany. an Wobec tego, obliczenie kosztów jest możliwe po uwzględnieniu stopy dyskontowej kapitału. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 16
Przy stopy procentowej równa i roczne przepływ gotówki netto w j-tego roku w stosunku do obecnej sytuacji jest C ( 1+ j i) j NPV W rezultacie można wyznaczyć wartość obecną (bieżącą) netto (Net Present Value NPV): NPV L C j = j =1 (1 + i) j K Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 17
IRR: Jeżeli rozwiązujemy równanie NPV=0 dla i to otrzymujemy tzw. wewnętrzną stopę zwrotu (Internal Rate of Return IRR). Wówczas, wyznaczona wartość i to rzeczywista stopa procentowa w całym czasowym horyzoncie inwestycji. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 18
Metody (wskaźniki ekonomiczne) na podstawie, których można podjąć decyzję dotyczącą wyboru optymalnego stopnia automatyzacji: metoda minimum kosztu jednostkowego metoda maksimum NPV metoda maksimum IRR metoda maksimum stosunku zysk do kosztów metoda minimum czas zwrotu kapitału inwestycyjnego Te metody są w niektórych punktach obliczeniowych powiązane ze sobą i sprzężone. Także, można równocześnie stosować więcej niż jedną metodę. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 19
Obliczenie kosztu jednostkowego Koszt jednostkowy jest sumą ą rocznych stałych i zmiennych kosztów: K( t) = K K ( t) S + Z gdzie K koszty K S koszty stałe K Z koszty zmienne Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 20
Obliczenie kosztów inwestycyjnych (zakup hardware i software oraz instalacja) K = a gdzie I K C 1,0 ; sterowanie reczne a = 1,5 ; średni stopień automatyzacji 2,0 5,0 ; wysoki stopień automatyzacji K I koszty inwestycyjne K C cena przedmiotu (urządzenia, systemu, elementów) jeżeli ż oczekuje się zwrotu części ś iinwestycji przeznaczonych na zakup przedmiotu, F, F w przeciągu L lat, wartość obecna (PV) tej części jest równa F (1+ i) K L I wobec tego rzeczywista wartość PV kosztów inwestycyjnych oblicza się następująco: 1 F (1 + i) L K I aby maksymalizować IRR, taki kapitał pieniężny musi być zainwestowany na poziomie i min dla całego okresu eksploatacji. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 21
Obliczenie rocznego kosztu amortyzacji: Roczny koszt amortyzacji można obliczyć następująco: K A F i + i F (1 ) = (1 + i) (1 + i) 1 L 1 K L L I Roczna amortyzacja to różnica kosztów kapitałowych i wartość przedmiotu przy złomowaniu dzielone przez cały okres eksploatacji Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 22
Obliczenie kosztów zmiennych Koszty zmienne to suma kosztów osobowych, K O, i eksploatacyjnych (operacyjnych), K E : K Koszty osobowe: Z ( O + E ( t ) = K ( t ) K ( t ) K O = n ( W + N) gdzie n liczba osób W wynagrodzenie miesięczne N narzuty Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 23
Socjologiczne aspekty automatyzacji Poprawienie warunków pracy i warunków bytowych załogi na statku. Bezwachtowa praca siłowni przez długi okres czasu na dobę. CKS, (izolacja, klimatyzacja, lepsze warunki pracy) Czynniki szkodliwie wpływające na organizm ludzi: wysoka temperatura, t hałas, ł drgania. Sprawność fizyczna i intelektualna. Funkcje żmudnych d h obliczeń ń kursu, pracochłonnych h obliczeń bilansów materiałowych, zużycia paliwa i smarów i in. spełnia komputer. Rodzą się tutaj jednak nowe problemy spowodowane monotonnością ą pracy personelu. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 24
Korzyści wynikające z automatyzacji 1. Zmniejszenie kosztów osobowych Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 25
2. Zmniejszenie ryzyka uszkodzeń 3. Zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych, m.in. zużycie paliwa 4. Wzrost długotrwałości pracy maszyn i urządzeń zabezpieczenia, Zapobieganie: nadmiarowymi przesterowaniami dynamicznymi, nadmiernym wzrostem prędkości w stanach przejściowych, termicznym przeciążeniu, nadmiernym wzrostem naprężeń, nadmiernym wzrostem momentu na wale i sprzęgłach elastycznych, Nadmiernym wzrostem temperatury oleju, temperatury pary w kotle, itp. Zwiększa to żywotność t urządzeń ń ib bezawaryjność pracy maszyn. Zmniejszają się koszty napraw oraz co jeszcze ważniejsze, konieczności wymiany zużytych elementów. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 26
5. Zwiększenie manewrowości i dyspozycyjności urządzeń skrócenia czasu rozruchu maszyn przy pełnej kontroli jego ważnych ż parametrów. w razie potrzeby, automatycznie zostają uruchomiane agregaty pomocnicze czy rezerwowe. pozwala to na zarządzanie energią podwyższa niezawodność ruchową ą i manewrową ą statku Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 27
Kategorie i klasyfikacja Kategorie (PRS): A. elementy i zespoły automatyki B. układy automatyki Klasyfikacja (PRS): 1. Układy kontrolne -Układy alarmowe -Układy bezpieczeństwa -Układy wskazujące i rejestrujące 1. Układy sterowania -Układy sterowania napędem głównym -Układy sterowania źródłami i rozdziałem energii elektrycznej -Układy sterowania kotłami parowymi - Układy sterowania instalacjami rurociągów Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 28
Kierunki automatyzacji statku 1. Automatyzacja systemów energetycznych Zdalne sterowanie głównym układem napędowym ze sterowni bądź CKS lub kabina sterowa, w tym rozruch i nastawianie silnika. Automatyczne sterowanie siłownianych procesów ciągłych, ciśnienia, temperatury, poziomu cieczy, prędkości kątowej, itp. Automatyczne sterowanie procesami nieciągłymi, jak np. czyszczenie wirówek i filtrów, włączenie ą i wyłączenie ą mechanizmów pomocniczych, urządzeń rezerwowych i awaryjnych. Automatyczna regulacja wytwarzania i przesyłania energii elektrycznej, Zdalna, automatyczna kontrola, rejestracja głównych parametrów siłowni i oraz przetwarzanie tych danych w celu optymalizowania i procesów siłownianych. Bieżące ą wyznaczanie wskaźników ekonomicznych. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 29
2. Automatyzacja w naprowadzenia statku Wyznaczenie optymalnej trasy rejsu, Wyznaczenie bezpiecznej trasy w trudnych warunkach hd hydrometeorologicznych, h Wyznaczenie optymalnej trajektorii z uwzględnieniem ograniczeń nawigacyjnych jak cieśniny, kanały, redy, mielizny (tory wodne o ograniczonej głębokości), itp. Wyznaczenie bezpiecznej trajektorii przy omijaniu obiektów stałych lub ruchomych, tzn. wyznaczenie manewru statku w tych sytuacjach, Sterowanie ruchem statku z wykorzystaniem autopilota. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 30
3. Automatyzacja w przeładunku oraz prac ogólnookrętowych Automatyzacja procesu cumowania Zdalny sterowanie hydraulicznymi układami otwarcia i zamknięcia ę pokryw luków, Zdalny sterowanie urządzeniami przeładunkowymi i transportowymi, Automatyzacja t prac przy oczyszczaniu i konserwacji ładowni. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 31
4. Automatyzacja przetwórstwa 5. Redukcja liczbę załogi Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 32
Software - Pojawienie się komputery klasy PC w latach 80. - Dzisiaj: Układ fizyczny Przetwornik Sterownik oraz dane wej/wyj. Komputer macierzysty (host) Serwer Komputery zdalne Typowy zautomatyzowany układ IOT (Internet of Things) Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 33
Software usprawnia: 1. Odczyt danych pomiarów i rejestrację danych nawet przy bardzo dużej ilości informacji, 2. Zachowanie i zarządzanie danymi w dogodny i dowolny sposób, 3. Wizualizację stanów pracy systemów, urządzeń i podzespołów siłownianych, 4. Sprawną współpracę między człowiekiem i maszyną zarówno wykonawczą jak i obliczeniową, 5. Monitorowanie stanu systemów i ich parametrów w sposób ciągły, 6. Realizację różnych praw sterowania w zależności od potrzeb oraz stanu eksploatacji przy zachowaniu istniejących ograniczeń, 7. Hierarchiczny i kontrolowany dostęp do poziomu regulacji, 8. Zapis historii działania maszyn, urządzeń i systemów oraz przygotowanie raportów, 9. Wykonanie w/w czynnościach w czasie rzeczywistym. Automatyzacja statku 2. Ekonomia automatyzacji statku 34