動力定位系統(tǒng)

由中海油海洋石油工程股份有限公司全額投資，江蘇熔盛重工建造的"海洋石油201"，它是世界上第一艘同時具備3000米級深水鋪管能力、4000噸級重型起重能力和DP3級全電力推進的動力定位，并具備自航能力的深水工程作業(yè)船，能在除北極外的全球無限航區(qū)作業(yè)，集成創(chuàng)新了多項世界頂級裝備技術(shù)，船舶的詳細設(shè)計建造在國內(nèi)自主完成，其總體技術(shù)水平和綜合作業(yè)能力在世界同類工程船舶中處于領(lǐng)先地位，代表了國際海洋工程裝備制造的最高水平。 該船總長達204.65米，型寬39.2米，艙室頂層甲板設(shè)置有直升機平臺。據(jù)海油工程總裁姜錫肇介紹，該船可鋪設(shè)口徑為6英寸至60英寸的海管，并設(shè)有電驅(qū)動、最大起重能力達4000噸的起重機。而其具有自航能力的動力定位系統(tǒng)特別值得一提，DP3級是國際海事組織的最高動力定位級別，可依靠自身的自控系統(tǒng)和衛(wèi)星定位，自動測定風(fēng)向等海況，將船穩(wěn)穩(wěn)停泊在作業(yè)點。

動力定位系統(tǒng)首先在海洋鉆井船、平臺支持船、潛水器支持船、管道和電纜敷設(shè)船、科學(xué)考察船、深海救生船等方面得到應(yīng)用，其主要原理是利用計算機對采集來的環(huán)境參數(shù)(風(fēng)、浪、流)，根據(jù)位置參照系統(tǒng)提供的位置，自動地進行計算，控制各推力器的推力大小，使船舶保持艏向和船位的"紋絲不動"。

動力定位系統(tǒng)簡介

船舶的動力定位系統(tǒng)從70 年代逐漸發(fā)展起來，在海洋工程、科學(xué)考察等領(lǐng)域有著重要的用途。隨著船舶電力推進的成熟和自動控制理論的發(fā)展，動力定位系統(tǒng)的性能也不斷提高。動力定位系統(tǒng)的組成動力定位系統(tǒng)包括3 個分系統(tǒng):動力系統(tǒng)、推力器系統(tǒng)和動力定位控制系統(tǒng)。動力系統(tǒng)動力系統(tǒng)一般來說是給整個動力定位系統(tǒng)提供電力的。一般的船舶電站可兼作動力系統(tǒng)，但應(yīng)滿足一些特殊要求。輸入(船位、控制器、推力器)輸出(船位、推力器系統(tǒng))推力器系統(tǒng)作為動力定位系統(tǒng)執(zhí)行部分，常用電動機或柴油機驅(qū)動的推進器。主推進裝置(包括其舵系統(tǒng))可兼作動力定位系統(tǒng)的推力器，在船舶進入動力定位運作模式時，由動力定位系統(tǒng)的控制器進行控制。為提高定位能力，主推進裝置可設(shè)計為全回轉(zhuǎn)推進器，例如Z 型推進、SSP 推進等。一般各推力器的工作組合應(yīng)產(chǎn)生橫向、縱向推力及回轉(zhuǎn)力矩。動力定位控制系統(tǒng)動力定位控制系統(tǒng)包括控制器和測量系統(tǒng)?？刂破髦傅氖莿恿Χㄎ幌到y(tǒng)總的控制部分，一般采用計算機控制的方法。測量系統(tǒng)包括位置參照系統(tǒng)、電羅經(jīng)、風(fēng)向風(fēng)速儀、傾角儀等，測量船舶的船位、艏向、縱傾橫傾角等船舶狀態(tài)，以及風(fēng)向、風(fēng)力、流速等環(huán)境條件，通過接口輸入到控制器中。控制器根據(jù)人工輸入的船位和艏向，對測量系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進行分析和運算，給出推力器的控制指令。動力定位控制系統(tǒng)執(zhí)行的功能可總結(jié)如下:(1) 給出推力器的控制指令。(2) 測量船舶的船位、艏向等船舶狀態(tài)。(3) 測量風(fēng)向、風(fēng)力等環(huán)境條件。(4) 接收各種操縱指令的人工輸入。(5) 動力定位系統(tǒng)的故障檢測及報警。(6) 動力定位系統(tǒng)工作狀態(tài)的顯示。動力定位系統(tǒng)的系泊試驗動力定位系統(tǒng)在進行系泊試驗之前，應(yīng)確認已取得本社頒發(fā)的產(chǎn)品證書，并確認布置和安裝已嚴格按本社審批的圖紙進行，采用的工藝滿足本社有關(guān)規(guī)定。動力系統(tǒng)系泊試驗動力系統(tǒng)的各組成部分，如發(fā)電機、發(fā)電機原動機、主配電板等，應(yīng)滿足船舶建造檢驗的一般要求。另外還應(yīng)進行下列檢驗:發(fā)電機組一臺發(fā)電機組不投入運行，并聯(lián)運行其他發(fā)電機組，逐個啟動幾臺功率較大的推力器電動機。啟動期間引起的電壓降不超過15%。動力管理系統(tǒng)(1) 進行發(fā)電機的自動并聯(lián)及自動解列試驗。動力管理系統(tǒng)(通常是船舶電站的自動管理系統(tǒng))應(yīng)能在運行的發(fā)電機負荷較重時，自動啟動備用發(fā)電機投入電網(wǎng)，即自動并聯(lián)。并在運行的發(fā)電機負荷較輕時，自動切斷一臺發(fā)電機的供電并停止其原動機的運轉(zhuǎn)，即自動解列。建議自動并聯(lián)可設(shè)置在單臺發(fā)電機的輸出功率超過額定功率的大約85%時進行。自動解列可設(shè)置在單臺發(fā)電機的輸出功率低于額定功率的大約30%時進行。(2) 進行重負載詢問試驗。動力定位系統(tǒng)的重負載通常是推力器的電動機。在其啟動前應(yīng)向動力管理系統(tǒng)發(fā)出詢問信號，動力管理系統(tǒng)根據(jù)運行發(fā)電機的功率裕量發(fā)出允許啟動指令。否則啟動備用發(fā)電機再發(fā)指令?；虍?dāng)整個動力系統(tǒng)的功率裕量都不足以啟動負載時，禁止其啟動，這就是所謂重負載詢問，或稱為大功率詢問、重載詢問。系統(tǒng)的各個重負載均應(yīng)進行試驗。(3) 試驗高電力負載報警功能當(dāng)總的電力負載超過運轉(zhuǎn)中發(fā)電機總?cè)萘康念A(yù)定百分比時，應(yīng)發(fā)出報警。報警的設(shè)定值應(yīng)在運轉(zhuǎn)容量50%至100%之間可調(diào)，并應(yīng)按運行發(fā)電機的數(shù)量和任一臺發(fā)電機失靈的影響加以確定。該報警的設(shè)定值可設(shè)于自動并聯(lián)時的功率百分比之上。(4) 發(fā)電機超負荷時，推力器負載自動調(diào)整功能的試驗。運行發(fā)電機負荷超過100%時，推力器應(yīng)降低功率運行?？筛鶕?jù)實際情況進行模擬試驗，如可降低超負荷的功率設(shè)定值。在發(fā)電機輸出功率超過設(shè)定值時，驗證推力器進行自動降速。(5) 注意動力定位系統(tǒng)控制器與動力管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。配電板(1) 檢查主配電板匯流排的分段及其連接，對于DP-3 附加標志，每一匯流排要以A-60 進行分隔，在每個分隔內(nèi)均應(yīng)設(shè)有斷路器連接。(2) 在DP 控制中心，應(yīng)設(shè)置連續(xù)顯示器，顯示發(fā)電機的在線功率儲備，即在線發(fā)電機的容量與輸出功率的差。對于分段式匯流排，每一分段要設(shè)置這種指示器。如果推力器的操作不會引起電站的過載，可不要求設(shè)儲備功率指示器。動力定位控制系統(tǒng)系泊試驗計算機(1) 如果計算機出現(xiàn)故障或未準備好就進行控制，應(yīng)發(fā)出報警。(2) 當(dāng)檢測出一套計算機系統(tǒng)有故障時，應(yīng)能自動轉(zhuǎn)至冗余計算機系統(tǒng)控制。當(dāng)控制從一個計算機系統(tǒng)向另一個計算機系統(tǒng)切換時，應(yīng)保持平穩(wěn)動力定位操作，其變化應(yīng)保持在可接受的操作范圍內(nèi)。應(yīng)試驗予以確認。(3) 每一個動力定位計算機系統(tǒng)必須提供不間斷電源(UPS)，以確保任何動力故障不會影響一臺以上的計算機。不間斷電源電池的容量需支持至少30 分鐘的操作。推力器手柄控(1) 在動力定位控制站設(shè)有各個推力器的手動控制器，逐一試驗啟動、停車、方位和螺距/轉(zhuǎn)速控制的操縱控制。對于高壓電動機可不包括啟動停止的操縱。(2) 動力定位手動控制臺上連續(xù)顯示的各推力器運行/停車、螺距/轉(zhuǎn)速和方位應(yīng)精確。(3) 推力器的手動控制應(yīng)在任何時候都能起作用，包括自動控制和操縱桿控制出現(xiàn)故障的情況下。(4) 在DP控制站逐一試驗推進器的應(yīng)急停止裝置。推力器的聯(lián)合操縱桿控推力器的聯(lián)合操縱桿控制一般是由設(shè)于動力定位控制站的一個操縱桿同時控制多個推力器的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)縱向推力、橫向推力、回轉(zhuǎn)力矩及這些分量的組合。通常用于軌跡控制。在碼頭系泊試驗時，應(yīng)確認操縱桿可同時操縱各推力器。推力器的自動控制推力器的自動控制是人工將給定的船位、艏向輸入到控制器中，由推力器根據(jù)指令自動地將船舶調(diào)整到期望的船位及艏向，并加以保持。(1) 對于DP-1 附加標志，模擬計算機的嚴重故障，計算機系統(tǒng)執(zhí)行自檢程序時，應(yīng)停止工作，并通過自動方法或手動方法將轉(zhuǎn)速/螺距設(shè)置到零。(2) 對于DP-2 附加標志，計算機系統(tǒng)應(yīng)執(zhí)行探測故障的自檢程序。如果在線工作的計算機系統(tǒng)探出故障，應(yīng)自動轉(zhuǎn)換至備用計算機系統(tǒng)。在顯示裝置上應(yīng)顯示正在實施控制的控制系統(tǒng)的標志。(3) 對于DP-3 系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有一個自動備用系統(tǒng)，該備用系統(tǒng)的位置與主系統(tǒng)之間采用A-60級分隔隔離。至少應(yīng)有一個位置參照系統(tǒng)和一臺羅經(jīng)與備用系統(tǒng)相連接，并獨立于主控制系統(tǒng)。備用系統(tǒng)應(yīng)由操作者在主動力定位控制站或備用控制站啟動，這種轉(zhuǎn)換應(yīng)確保任何單個故障不會使主控制系統(tǒng)和備用系統(tǒng)都不能工作。推力器控制方式的選擇(1) 在動力定位控制站，進行不同推力器控制方式的轉(zhuǎn)換。(2) 控制方式的選擇應(yīng)布置成當(dāng)動力定位控制方式出現(xiàn)故障后，總是能夠選擇手柄控制。傳感器系統(tǒng)(1) 應(yīng)設(shè)置傳感器故障(過熱失電)報警及傳感器與動力定位系統(tǒng)通訊故障(短路、低阻、開路)報警。(2)傳感器間自動轉(zhuǎn)換出現(xiàn)故障時，應(yīng)在控制站發(fā)出聽覺和視覺報警。(3)對于DP-3 附加標志，每類傳感器的一個必須和備用控制系統(tǒng)連接，并通過A-60 級分隔和其他傳感器分離。顯示和報警(1) 動力定位控制站應(yīng)顯示從動力系統(tǒng)、推力器系統(tǒng)和動力定位控制系統(tǒng)傳來的信息，以確保這些系統(tǒng)在正常運行。安全操作動力定位系統(tǒng)所必需的信息應(yīng)在任何時候均可得到。對設(shè)置的報警和顯示逐一進行試驗。(2) 對于具有DP-2 和DP-3 附加標志的船舶，操作員控制裝置應(yīng)設(shè)計成操作屏的任何誤操作都不會導(dǎo) 致極限狀況。(3) 當(dāng)動力定位系統(tǒng)及其控制的設(shè)備發(fā)生故障時，應(yīng)發(fā)出聽覺和視覺報警。對這些故障的發(fā)生及狀態(tài)應(yīng)進行永久的記錄。通信系統(tǒng)(1) 試驗下列雙向通信設(shè)施的有效性:a.動力定位控制中心與駕駛室的雙向通信b.動力定位控制中心與主機控制室的雙向通信c.動力定位控制中心與有關(guān)操作控制站的雙向通信(2) 確認通信系統(tǒng)獨立于船舶主電源。推力器系統(tǒng)系泊試驗推力器也可以在非動力定位狀態(tài)使用，其各部分應(yīng)滿足一般的建造檢驗要求。如果操作次序的錯誤會導(dǎo)致危險狀態(tài)或設(shè)備損壞時，則應(yīng)聯(lián)鎖。對設(shè)置的聯(lián)鎖功能進行試驗。安裝在駕駛室內(nèi)的控制器和指示器應(yīng)有充分的照明，并可調(diào)光。對DP-2 附加標志，對動力定位系統(tǒng)至關(guān)重要的燃油、滑油、液壓油、冷卻水和氣動管路，以及電纜的布置應(yīng)充分考慮火災(zāi)和機械損壞。對于DP-2 附加標志，冗余管系(燃油、滑油、液壓油、冷卻水和氣動管路)不得與主系統(tǒng)一起穿越同一艙室。當(dāng)不可避免時，管路必須安裝在A-60 級管道內(nèi)。冗余設(shè)備或系統(tǒng)的電纜不得與主系統(tǒng)一起穿越同一艙室，當(dāng)不可避免時，電纜必須安裝A-60 級電纜通道內(nèi)，電纜的接線箱不允許設(shè)置在這類電纜通道內(nèi)。動力定位系統(tǒng)的航行試驗動力定位系統(tǒng)的航行試驗大綱應(yīng)根據(jù)船舶的實際情況與設(shè)計部門及船廠商定。聯(lián)合操縱桿模式的試驗動力定位系統(tǒng)的聯(lián)合操縱桿模式可進行航跡控制，可采用下列兩種方法試驗其有效性及控制精度。保持艏第一項試驗:(1) 系統(tǒng)準備，系統(tǒng)各部分投入工作，各部分之間通訊正常。(2) 在DP 控制臺上，設(shè)定艏向并記錄船位。(3) 啟動操縱桿。(4) 操縱船向正前方移動20 米。(5) 操縱船向正后方移動40 米。(6) 操縱船向正前方移動20 米。(7) 記錄船位與艏向并與初始船位及設(shè)定的艏向?qū)φ?，誤差應(yīng)在設(shè)計要求范圍之內(nèi)。第二項試驗:(1) 系統(tǒng)準備，系統(tǒng)各部分投入工作，各部分之間通訊正常。(2) 在DP 控制臺上，設(shè)定艏向并記錄船位。(3) 啟動操縱桿。(4) 操縱船向正左方移動20 米。(5) 操縱船向正右方移動40 米。(6) 操縱船向正左方移動20 米。(7) 記錄船位與艏向并與初始船位及設(shè)定的艏向?qū)φ?，誤差應(yīng)在設(shè)計要求范圍之內(nèi)。保持船位的旋轉(zhuǎn)試驗第一項試驗:(1) 系統(tǒng)準備，系統(tǒng)各部分投入工作，各部分之間通訊正常。(2) 在DP 操縱臺上，輸入自動保持的船位并設(shè)定船旋轉(zhuǎn)的圓心。(3) 在系統(tǒng)穩(wěn)定后，啟動操縱桿。(4) 操縱船順時針旋轉(zhuǎn)360 度。(5) 記錄船位并與初始船位相對照，誤差應(yīng)在設(shè)計要求范圍之內(nèi)。第二項試驗:(1) 系統(tǒng)準備，系統(tǒng)各部分投入工作，各部分之間通訊正常。(2) 在DP 操縱臺上，輸入自動保持的船位并設(shè)定船旋轉(zhuǎn)的圓心。(3) 在系統(tǒng)穩(wěn)定后，啟動操縱桿。(4) 操縱船逆時針旋轉(zhuǎn)360 度。(5) 記錄船位并與初始船位相對照，誤差應(yīng)在設(shè)計要求范圍之內(nèi)。自動模式的試驗動力定位系統(tǒng)的自動模式是根據(jù)人工輸入的船位和艏向自動定位并加以保持?？刹捎孟铝蟹绞竭M行試驗:(1) 系統(tǒng)準備，系統(tǒng)各部分投入工作，各部分之間通訊正常。(2) 在DP 操縱臺上輸入給定的船位和艏向。(3) 啟動自動控制模式，保持6 至8 小時。期間每隔一段時間記錄其船位及艏向或由系統(tǒng)自動記錄。(4) 考察船位及艏向的誤差，應(yīng)在設(shè)計要求范圍之內(nèi)。注意:在整個系統(tǒng)進行操作時，至少有連續(xù)2 小時的氣候條件達到一定水平，即使推力器上的平均載荷達到50%或更高。當(dāng)環(huán)境條件無法達到上述要求時，可推遲到在適當(dāng)場合下作為一個特殊的試驗來進行。故障模式與影響分析試驗DP 定位系統(tǒng)應(yīng)進行故障模式與影響分析(FMEA)，編制FMEA 報告或作為替向的位移試驗代，可對每一種故障模式下的系統(tǒng)冗余度進行試驗。試驗的結(jié)果應(yīng)能滿足其附加標志所要求的冗余度。詳細的冗余度試驗程序應(yīng)提交審查。DP-2 附加標志進行FMEA 試驗時，應(yīng)盡可能詳細地包括動力系統(tǒng)定位系統(tǒng)所有組成部分的主要部件，如發(fā)電機、推力器、配電板、GPS、電羅經(jīng)等，但可不包括具有適當(dāng)保護的電纜和管系。在出現(xiàn)單一故障時(不包括一個艙室或幾個艙室的損失)，在固定的作業(yè)范圍內(nèi)，在規(guī)定的作業(yè)環(huán)境條件下，自動保持船舶的位置和艏向。DP-3 附加標志的船舶，F(xiàn)MEA 試驗同上條，但需要進行由于失火或進水造成一個艙室完全損失的模擬試驗。同時不論有無保護均要考慮電纜和管系故障的情況。對于DP-2 和DP-3 附加標志，進行"結(jié)果分析"試驗。這是一項軟件功能，可以連續(xù)驗證在出現(xiàn)最嚴重的故障時，船舶也可保持其位置。該分析可以證明當(dāng)最嚴重的故障發(fā)生后，后續(xù)工作推力器可產(chǎn)生與故障前所要求的相同的合力和力矩。當(dāng)最嚴重的故障會導(dǎo)致位置偏移(由于在當(dāng)時的環(huán)境條件推力不足)時，"結(jié)果分析"應(yīng)發(fā)出報警。對于需長時間才能安全終止的操作，"結(jié)果分析"應(yīng)包括一項在人工輸入氣候趨勢的基礎(chǔ)上模擬當(dāng)最嚴重故障發(fā)生后剩余推力及動力的能力。最嚴重的單個故障應(yīng)包括一臺推力器不能工作、一臺發(fā)電機組不能工作、一個匯流排分段不能工作。應(yīng)以實際的操作進行驗證。具體試驗的實施應(yīng)按已審查的試驗程序進行。主要的試驗方法是模擬某一設(shè)備故障，考察其對系統(tǒng)的影響。實際有兩種情況:一種是備用設(shè)備投入工作，對系統(tǒng)無影響;另外一種是導(dǎo)致系統(tǒng)能力下降，如一臺推力器故障不工作，導(dǎo)致系統(tǒng)剩余能力減少，這時需要確認是否可以在規(guī)定環(huán)境條件下，仍然能夠定位。