动力定位系统

由中海油海洋石油工程股份有限公司全额投资，江苏熔盛重工建造的"海洋石油201"，它是世界上第一艘同时具备3000米级深水铺管能力、4000吨级重型起重能力和DP3级全电力推进的动力定位，并具备自航能力的深水工程作业船，能在除北极外的全球无限航区作业，集成创新了多项世界顶级装备技术，船舶的详细设计建造在国内自主完成，其总体技术水平和综合作业能力在世界同类工程船舶中处于领先地位，代表了国际海洋工程装备制造的最高水平。 该船总长达204.65米，型宽39.2米，舱室顶层甲板设置有直升机平台。据海油工程总裁姜锡肇介绍，该船可铺设口径为6英寸至60英寸的海管，并设有电驱动、最大起重能力达4000吨的起重机。而其具有自航能力的动力定位系统特别值得一提，DP3级是国际海事组织的最高动力定位级别，可依靠自身的自控系统和卫星定位，自动测定风向等海况，将船稳稳停泊在作业点。

动力定位系统首先在海洋钻井船、平台支持船、潜水器支持船、管道和电缆敷设船、科学考察船、深海救生船等方面得到应用，其主要原理是利用计算机对采集来的环境参数(风、浪、流)，根据位置参照系统提供的位置，自动地进行计算，控制各推力器的推力大小，使船舶保持艏向和船位的"纹丝不动"。

动力定位系统简介

船舶的动力定位系统从70 年代逐渐发展起来，在海洋工程、科学考察等领域有着重要的用途。随着船舶电力推进的成熟和自动控制理论的发展，动力定位系统的性能也不断提高。动力定位系统的组成动力定位系统包括3 个分系统:动力系统、推力器系统和动力定位控制系统。动力系统动力系统一般来说是给整个动力定位系统提供电力的。一般的船舶电站可兼作动力系统，但应满足一些特殊要求。输入(船位、控制器、推力器)输出(船位、推力器系统)推力器系统作为动力定位系统执行部分，常用电动机或柴油机驱动的推进器。主推进装置(包括其舵系统)可兼作动力定位系统的推力器，在船舶进入动力定位运作模式时，由动力定位系统的控制器进行控制。为提高定位能力，主推进装置可设计为全回转推进器，例如Z 型推进、SSP 推进等。一般各推力器的工作组合应产生横向、纵向推力及回转力矩。动力定位控制系统动力定位控制系统包括控制器和测量系统。控制器指的是动力定位系统总的控制部分，一般采用计算机控制的方法。测量系统包括位置参照系统、电罗经、风向风速仪、倾角仪等，测量船舶的船位、艏向、纵倾横倾角等船舶状态，以及风向、风力、流速等环境条件，通过接口输入到控制器中。控制器根据人工输入的船位和艏向，对测量系统提供的数据进行分析和运算，给出推力器的控制指令。动力定位控制系统执行的功能可总结如下:(1) 给出推力器的控制指令。(2) 测量船舶的船位、艏向等船舶状态。(3) 测量风向、风力等环境条件。(4) 接收各种操纵指令的人工输入。(5) 动力定位系统的故障检测及报警。(6) 动力定位系统工作状态的显示。动力定位系统的系泊试验动力定位系统在进行系泊试验之前，应确认已取得本社颁发的产品证书，并确认布置和安装已严格按本社审批的图纸进行，采用的工艺满足本社有关规定。动力系统系泊试验动力系统的各组成部分，如发电机、发电机原动机、主配电板等，应满足船舶建造检验的一般要求。另外还应进行下列检验:发电机组一台发电机组不投入运行，并联运行其他发电机组，逐个启动几台功率较大的推力器电动机。启动期间引起的电压降不超过15%。动力管理系统(1) 进行发电机的自动并联及自动解列试验。动力管理系统(通常是船舶电站的自动管理系统)应能在运行的发电机负荷较重时，自动启动备用发电机投入电网，即自动并联。并在运行的发电机负荷较轻时，自动切断一台发电机的供电并停止其原动机的运转，即自动解列。建议自动并联可设置在单台发电机的输出功率超过额定功率的大约85%时进行。自动解列可设置在单台发电机的输出功率低于额定功率的大约30%时进行。(2) 进行重负载询问试验。动力定位系统的重负载通常是推力器的电动机。在其启动前应向动力管理系统发出询问信号，动力管理系统根据运行发电机的功率裕量发出允许启动指令。否则启动备用发电机再发指令。或当整个动力系统的功率裕量都不足以启动负载时，禁止其启动，这就是所谓重负载询问，或称为大功率询问、重载询问。系统的各个重负载均应进行试验。(3) 试验高电力负载报警功能当总的电力负载超过运转中发电机总容量的预定百分比时，应发出报警。报警的设定值应在运转容量50%至100%之间可调，并应按运行发电机的数量和任一台发电机失灵的影响加以确定。该报警的设定值可设于自动并联时的功率百分比之上。(4) 发电机超负荷时，推力器负载自动调整功能的试验。运行发电机负荷超过100%时，推力器应降低功率运行。可根据实际情况进行模拟试验，如可降低超负荷的功率设定值。在发电机输出功率超过设定值时，验证推力器进行自动降速。(5) 注意动力定位系统控制器与动力管理系统的协调。配电板(1) 检查主配电板汇流排的分段及其连接，对于DP-3 附加标志，每一汇流排要以A-60 进行分隔，在每个分隔内均应设有断路器连接。(2) 在DP 控制中心，应设置连续显示器，显示发电机的在线功率储备，即在线发电机的容量与输出功率的差。对于分段式汇流排，每一分段要设置这种指示器。如果推力器的操作不会引起电站的过载，可不要求设储备功率指示器。动力定位控制系统系泊试验计算机(1) 如果计算机出现故障或未准备好就进行控制，应发出报警。(2) 当检测出一套计算机系统有故障时，应能自动转至冗余计算机系统控制。当控制从一个计算机系统向另一个计算机系统切换时，应保持平稳动力定位操作，其变化应保持在可接受的操作范围内。应试验予以确认。(3) 每一个动力定位计算机系统必须提供不间断电源(UPS)，以确保任何动力故障不会影响一台以上的计算机。不间断电源电池的容量需支持至少30 分钟的操作。推力器手柄控(1) 在动力定位控制站设有各个推力器的手动控制器，逐一试验启动、停车、方位和螺距/转速控制的操纵控制。对于高压电动机可不包括启动停止的操纵。(2) 动力定位手动控制台上连续显示的各推力器运行/停车、螺距/转速和方位应精确。(3) 推力器的手动控制应在任何时候都能起作用，包括自动控制和操纵杆控制出现故障的情况下。(4) 在DP控制站逐一试验推进器的应急停止装置。推力器的联合操纵杆控推力器的联合操纵杆控制一般是由设于动力定位控制站的一个操纵杆同时控制多个推力器的运转，实现纵向推力、横向推力、回转力矩及这些分量的组合。通常用于轨迹控制。在码头系泊试验时，应确认操纵杆可同时操纵各推力器。推力器的自动控制推力器的自动控制是人工将给定的船位、艏向输入到控制器中，由推力器根据指令自动地将船舶调整到期望的船位及艏向，并加以保持。(1) 对于DP-1 附加标志，模拟计算机的严重故障，计算机系统执行自检程序时，应停止工作，并通过自动方法或手动方法将转速/螺距设置到零。(2) 对于DP-2 附加标志，计算机系统应执行探测故障的自检程序。如果在线工作的计算机系统探出故障，应自动转换至备用计算机系统。在显示装置上应显示正在实施控制的控制系统的标志。(3) 对于DP-3 系统应设有一个自动备用系统，该备用系统的位置与主系统之间采用A-60级分隔隔离。至少应有一个位置参照系统和一台罗经与备用系统相连接，并独立于主控制系统。备用系统应由操作者在主动力定位控制站或备用控制站启动，这种转换应确保任何单个故障不会使主控制系统和备用系统都不能工作。推力器控制方式的选择(1) 在动力定位控制站，进行不同推力器控制方式的转换。(2) 控制方式的选择应布置成当动力定位控制方式出现故障后，总是能够选择手柄控制。传感器系统(1) 应设置传感器故障(过热失电)报警及传感器与动力定位系统通讯故障(短路、低阻、开路)报警。(2)传感器间自动转换出现故障时，应在控制站发出听觉和视觉报警。(3)对于DP-3 附加标志，每类传感器的一个必须和备用控制系统连接，并通过A-60 级分隔和其他传感器分离。显示和报警(1) 动力定位控制站应显示从动力系统、推力器系统和动力定位控制系统传来的信息，以确保这些系统在正常运行。安全操作动力定位系统所必需的信息应在任何时候均可得到。对设置的报警和显示逐一进行试验。(2) 对于具有DP-2 和DP-3 附加标志的船舶，操作员控制装置应设计成操作屏的任何误操作都不会导 致极限状况。(3) 当动力定位系统及其控制的设备发生故障时，应发出听觉和视觉报警。对这些故障的发生及状态应进行永久的记录。通信系统(1) 试验下列双向通信设施的有效性:a.动力定位控制中心与驾驶室的双向通信b.动力定位控制中心与主机控制室的双向通信c.动力定位控制中心与有关操作控制站的双向通信(2) 确认通信系统独立于船舶主电源。推力器系统系泊试验推力器也可以在非动力定位状态使用，其各部分应满足一般的建造检验要求。如果操作次序的错误会导致危险状态或设备损坏时，则应联锁。对设置的联锁功能进行试验。安装在驾驶室内的控制器和指示器应有充分的照明，并可调光。对DP-2 附加标志，对动力定位系统至关重要的燃油、滑油、液压油、冷却水和气动管路，以及电缆的布置应充分考虑火灾和机械损坏。对于DP-2 附加标志，冗余管系(燃油、滑油、液压油、冷却水和气动管路)不得与主系统一起穿越同一舱室。当不可避免时，管路必须安装在A-60 级管道内。冗余设备或系统的电缆不得与主系统一起穿越同一舱室，当不可避免时，电缆必须安装A-60 级电缆通道内，电缆的接线箱不允许设置在这类电缆通道内。动力定位系统的航行试验动力定位系统的航行试验大纲应根据船舶的实际情况与设计部门及船厂商定。联合操纵杆模式的试验动力定位系统的联合操纵杆模式可进行航迹控制，可采用下列两种方法试验其有效性及控制精度。保持艏第一项试验:(1) 系统准备，系统各部分投入工作，各部分之间通讯正常。(2) 在DP 控制台上，设定艏向并记录船位。(3) 启动操纵杆。(4) 操纵船向正前方移动20 米。(5) 操纵船向正后方移动40 米。(6) 操纵船向正前方移动20 米。(7) 记录船位与艏向并与初始船位及设定的艏向对照，误差应在设计要求范围之内。第二项试验:(1) 系统准备，系统各部分投入工作，各部分之间通讯正常。(2) 在DP 控制台上，设定艏向并记录船位。(3) 启动操纵杆。(4) 操纵船向正左方移动20 米。(5) 操纵船向正右方移动40 米。(6) 操纵船向正左方移动20 米。(7) 记录船位与艏向并与初始船位及设定的艏向对照，误差应在设计要求范围之内。保持船位的旋转试验第一项试验:(1) 系统准备，系统各部分投入工作，各部分之间通讯正常。(2) 在DP 操纵台上，输入自动保持的船位并设定船旋转的圆心。(3) 在系统稳定后，启动操纵杆。(4) 操纵船顺时针旋转360 度。(5) 记录船位并与初始船位相对照，误差应在设计要求范围之内。第二项试验:(1) 系统准备，系统各部分投入工作，各部分之间通讯正常。(2) 在DP 操纵台上，输入自动保持的船位并设定船旋转的圆心。(3) 在系统稳定后，启动操纵杆。(4) 操纵船逆时针旋转360 度。(5) 记录船位并与初始船位相对照，误差应在设计要求范围之内。自动模式的试验动力定位系统的自动模式是根据人工输入的船位和艏向自动定位并加以保持。可采用下列方式进行试验:(1) 系统准备，系统各部分投入工作，各部分之间通讯正常。(2) 在DP 操纵台上输入给定的船位和艏向。(3) 启动自动控制模式，保持6 至8 小时。期间每隔一段时间记录其船位及艏向或由系统自动记录。(4) 考察船位及艏向的误差，应在设计要求范围之内。注意:在整个系统进行操作时，至少有连续2 小时的气候条件达到一定水平，即使推力器上的平均载荷达到50%或更高。当环境条件无法达到上述要求时，可推迟到在适当场合下作为一个特殊的试验来进行。故障模式与影响分析试验DP 定位系统应进行故障模式与影响分析(FMEA)，编制FMEA 报告或作为替向的位移试验代，可对每一种故障模式下的系统冗余度进行试验。试验的结果应能满足其附加标志所要求的冗余度。详细的冗余度试验程序应提交审查。DP-2 附加标志进行FMEA 试验时，应尽可能详细地包括动力系统定位系统所有组成部分的主要部件，如发电机、推力器、配电板、GPS、电罗经等，但可不包括具有适当保护的电缆和管系。在出现单一故障时(不包括一个舱室或几个舱室的损失)，在固定的作业范围内，在规定的作业环境条件下，自动保持船舶的位置和艏向。DP-3 附加标志的船舶，FMEA 试验同上条，但需要进行由于失火或进水造成一个舱室完全损失的模拟试验。同时不论有无保护均要考虑电缆和管系故障的情况。对于DP-2 和DP-3 附加标志，进行"结果分析"试验。这是一项软件功能，可以连续验证在出现最严重的故障时，船舶也可保持其位置。该分析可以证明当最严重的故障发生后，后续工作推力器可产生与故障前所要求的相同的合力和力矩。当最严重的故障会导致位置偏移(由于在当时的环境条件推力不足)时，"结果分析"应发出报警。对于需长时间才能安全终止的操作，"结果分析"应包括一项在人工输入气候趋势的基础上模拟当最严重故障发生后剩余推力及动力的能力。最严重的单个故障应包括一台推力器不能工作、一台发电机组不能工作、一个汇流排分段不能工作。应以实际的操作进行验证。具体试验的实施应按已审查的试验程序进行。主要的试验方法是模拟某一设备故障，考察其对系统的影响。实际有两种情况:一种是备用设备投入工作，对系统无影响;另外一种是导致系统能力下降，如一台推力器故障不工作，导致系统剩余能力减少，这时需要确认是否可以在规定环境条件下，仍然能够定位。