浅析海洋工程平台供应船动力定位系统.pdf

造船技术2 0 1 3 年第5 期( 总第3 1 5 期) 浅析海洋工程平台供应船动力定位系统 鲁文娟 ( 上海斯迪安船舶设计有限公司，上海2 0 0 0 5 2 ) 提要动力定位系统( D y n a m icP o s it io n in gS y s t e m ，简称D P 系统) 是一种闭环的控制系统，通过采用推 力器和传感器的配合来提供抵抗风、浪、流等作用在船上的环境力，从而使船尽可能地保持在海平面要求的位 置上，其定位成本不会随着水深增加而增加，并且操作也较方便。随着船舶电力推进的成熟和自动控制理论的 发展，D P 系统的性能也不断提高。本文以动力定住2 级的海洋工程平台供应船为例，对其D P 系统冗余性进 行分析。 关键词动力定位系统单点故障冗余 中图分类号U 6 6 4文献标识码A A n a l y s iso fD PS y s t e minP l a t f o r mS u p p l yV e s s e l L U ( S h a n g h a iD e s ig nA s s o cia t e s W e n ju a n ( S D A ) ，S h a n g h a i2 0 0 0 5 2 ，C h in a ) A b s t r a ct D y n a m icp o s it io n in gs y s t e misacl o s e d l o o pco n t r o ls y s t e m T h es y s t e mca n p r o v id er e s is t a n cet ow in d s ，w a v e sa n dcu r r e n t sino r d e rt om a in t a int h es h ip p o s it io no nt h e s e al e v e l ，S Ot h eco s t sw il ln o tin cr e a s ew it hin cr e a s in gw a t e rd e p t ha n dt h eo p e r a t io nw il lb e co n v e n ie n t W it ht h ed e v e l o p m e n to fs h ipe l e ct r ic p r o p u l s io nt e ch n o l o g ya n da u t o m a t icco n t r o l t h e o r y ，t h ep e r f o r m a n ceo fD Ps y s t e misb e in gin cr e a s e dco n t in u a l l y T h isa r t icl et a k e st h e l e v e l2d y n a m icp o s it io n in gp l a t f o r ms u p p l yv e s s e la sa ne x a m p l et oa n a l y z et h er e d u n d a n cyo f D Ps y s t e m K e y w o r d sD y n a m icp o s it io n in gs y s t e mS in g l ep o in to ff a il u r eR e d u n d a n cy 引言 近年来随着对海洋石油需求的增长，海上石油 平台越来越向深海远海发展。这就对与其趋势相应 配套的海洋工程辅助船型提出了更严格的要求。相 较于近海作业，远洋及深海作业需要船舶拥有更长 的续航力，更多的载货，更少的燃油消耗，更先进可 靠的系统等一系列深海作业技术指标。这其中重要 的一项就是高级别的动力定位系统( D y n a m icP o s i t io n in gS y s t e mC l a s sI I ，以下简称“D P2 ”) 。根据 国际海事组织海上安全委员会I M O M S C C ir c 6 4 5 号指导文件 1 ，D P2 系统内任一个单点故障应 作者简介：鲁文娟( 1 9 8 2 一) ，女，工程师。 不能造成船舶失去所保持的位置及航向。D P 2 级海 洋平台供应船为满足上述要求，在系统冗余设计基 础上进行优化，下文将以某动力定位2 级海洋平台 供应船为例，对其D P 系统冗余性进行分析。 2 动力定位系统组成 国际海事承包商协会( T h eI n t e r n a t io n a lM a r i t im eC o n t r a ct o r sA s s o cia t io n ，简称：I M C A ) 关于动 力定位系统的定义：动力定位系统包括所有直接和 间接影响船舶保持当前位置的设备，如图1 所示。 动力定位系统包括三方面内容：动力系统，控制系统 和参考系统。动力系统可以分为动力源，配送及执 行系统( 推进系统) ；控制系统主要指功率管理系统 ( 自动或手动) 和位置控制系统；参考系统则指船舶 的位置，环境及姿态的传感器。 鲁文娟： 浅析海洋工程平台供应船动力定位系统 2 1 动力系统冗余性分析 柴油发电机组作为海工船最常用的动力源，其 冗余性是动力系统考核的主要指标之一。如图2 所 示，例船用3 台发电机连在主汇流排上，根据法国船 级社( B u r e a uV e r it a s ，简称“B V ”) 关于其“D Y N A P O SA M A TR ”( 等效于I M OD P 2 ) 规定主汇流排 为B U SA 和B U SB ，这两部分由主开关连接。汇 动力系统 控制系统 参考系统 图1 动力定位系统组成图 ； 望 5 6 0 k W7 5 0 H P 8 4 2 k Wl1 3 0 H P ( T U N N E Ln 伊E ) ( A Z M t , T A 珊GZ - D R B , r E ) 8 4 2 k W11 3 0 H P 5 6 0 k W7 5 0 H p ( m z s w t r m m GZ - D R I V E ) ( T L 承r t C E LT Y P E ) 图2 电力系统单线图 流排A 由G 1 提供动力，汇流排B 由G 3 提供动力，方位推进器、艉部中间的定距Z d r iv e 推进器以及位 G 2 则可分别为B U SA ，B U SB 提供动力并通过联于船艏的两个艏侧推组成。其中，位于艉部的三个 锁防止其为两个汇流排同时供电。如发生最恶劣故推进器是提供动力的核心，艏侧推则负责控制方向。 障：主汇流排B U SA 被切断( 原因很多，例如：发电 考虑到空间冗余，即在失掉任何一个舱时还有至少 机燃油、滑油、冷却系统故障，低速运行脱扣，欠压脱一个艏部推进器可作为动力定位作业时保持艏向的 扣，应急停止等) ，通过B U SA 供电的左侧推进器、执行机构，本船在艏部设计有两个管道式侧推进器 前艏侧推和中间的主推( 不参与D P 控制) 及其他相以及一个伸缩式全回转推进器，前两者安装在一个 关辅助用电( M C C l ，3 ，5 ) 设备失电时，由B U SB 提 艏推舱里，后者则独立地安装在辅机舱内。 供电能的右侧推进器，后艏侧推及其他相关辅助用 艉部的三个主推为就地和遥控两种控制方式， 电设备( M C C 2 ，4 ，6 ) 仍然能为船舶提供航行及定位其中遥控部分由船舶管理系统的通讯模块F ie l d 动力，满足I M OD P 2 要求。 s t a t io n 双以太网络冗余控制，实现它们之间信号的 2 2 执行系统冗余性分析命令请求和反馈，由两路D C 2 4V 电源供电，一路为 船上动力源产生的能量绝大部分是用于产生相 主电源，一路备用，如图3 所示设计。所有的推进器 应的动力来维持船舶在海上的姿态或保持航行。本 控制系统，包括请求、反馈信号的传输，均由此电源 海工船执行系统由位于船艉部的左右两个Z d r iv e 提供，考虑其重要性，以保证当一路为推进控制提供 造船技术2 0 1 3 年第5 期( 总第3 1 5 期) 塞妣生塑 直流D C 2 4V ( 备用) 嫂蹙 犀滔 雉螺 警嘶 藿蠢蠢姜 藜耋蒌蓍 主推进器控制单元 鞲爨嚣 器鳗2 辣 嫂 善嚣潮剃 醛逝鸷；鼎盛韶 封礤黉谍 簧簧 鹾 銎璐镬端缓 功率管理l 推进器马达控翻单元 圈圈 控制电压报警 控锚系统故障 转速低报警 舵机警告 舵机故障 滑油系统警告 滑油系统故障 密封故障 图3 主推进系统原理图 的电源失电时，另一路自动切换供电。这样可以避电机并联，实现冗余。 免：控制系统失电导致操舵控制单元直接失电从2 3 控制系统冗余性分析 而无法工作，失去操舵功能；发生单点故障，如一动力定位的控制系统主要有D P 控制箱和操作 个推进器马达失电，导致推进器失效，从而影响动力站构成，如图4 所示。 定位能力。若不考虑设计成本，则应采取两个同样 图4D P 动力定位双网络系统示意图 本海工船D P 动力定位系统包括两个D P 操作个计算机系统向另一个计算机系统切换时，系统保 站，主控制站设置在驾驶室后台，两套互为备用，双持平稳动力定位操作，其变化保持在可接受的操作 网络，实现冗余。当检测出一套计算机系统有故障 范围内。其中两个D P 操作站位于驾驶室尾部，根 时，能自动转至冗余计算机系统控制。当控制从一据I M OD P 2 要求，布置在尾部靠近窗的位置，有良 辎霹蒜峨-QI噩警州器j 鼙壤髯 -瓣豇翟嚣囊譬f霉髹曾耱 利 控T，瓠卧錾鲐1薹控Tqni籼1蒙 鲁文娟：浅析海洋工程平台供应船动力定位系统 2 3 好的操纵视野，左右各一台。除此之外，配备了两个 便携式J O Y S T I C K 操纵板，其中驾驶室各方位的驾 控前台，驾控后台左右各有两个J O Y S T I C K 操作控 制板接线盒，方便操纵，随用随插，实现冗余，且在任 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。 B V 船级社规定D P 系统的传感器冗余，配备如 表1 所示。 表1D P 控制系统传感器配置 I D 厂家型号电源详细情况功能 2 2 0 V A C D P 不间断电源1 ( D PU P S I ) 电罗经l 2 4 V D C 直流2 4V 配电板1 S p e r r yM a r in e 2 2 0 V A C D P 不问断电源2 ( D PU P S 2 ) 电罗经2航行参考系 C P l a t hN a v ig a tX M K l 2 4 V D C 直流2 4V 配电板2 2 2 0 V A C D P 不问断电源1 ( D PU P S l ) 电罗经1 2 4 V D C 直流2 4V 配电板I 风速风向仪1 0 M C 一1 6 02 2 0 V A C D P 不间断电源1 ( D PU P S l ) 风速风向仪2G il lI n s t r u m e n t 2 2 0 V A C D P 不间断电源2 ( D PU P S 2 )测量风的速度和方向 风速风向仪3 U l t r a s o n ic 2 2 0 V A C D P 不间断电源2 ( D PU P S 2 ) 2 4 V D C 通过D P 控制柜的内部直流2 4V 电源船舶姿态传感器1 S e a t e xM R U D 测量纵摇横摇 船舶姿态传感器2 2 4 V D C 通过D P 控制柜的内部直流2 4V 电源 根据I M O 要求，2 级动力定位中D P 2 电罗经， 风速风向仪均三套，位置参考系统等传感器两套，且 均由正常电源和U P S 应急电源两路供电，不间断供 电电源U P S 可以保证当正常电路失电时，不间断直 接向传感器持续供电，且不少于3 0m in 。将备用罗 经、备用U P S 、备用打印机均放在备用控制站内形 成一套和主控制站相同的完整系统。满足I M C A 要求，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。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。所有报警系统均通过船舶管理系统的 通讯模块发出信号。 3 结束语 通过上述对例船动力定位系统的组成、及组成 设备系统冗余性的介绍，可以看出动力定位2 级船 舶为满足其冗余性、安全性要求需在前期开发时就 考虑诸多设备及传感器的互为冗余性。这不仅需要 丰富的经验，还需要对相关动力定位的国际规范、船 级社规范十分了解。大部分船级社在其规范中一般 都会将需要冗余的设备列成表格以帮助设计人员进 行船舶布置及系统设计，表2 是B V 列出的关于动 力定位1 ，2 等级其动力系统和推进系统的配置 要求。 表2D P I 与D P 2 动力系统和推进系统配置要求 设备1 级动力定位( D P I )2 级动力定位( D P 2 ) 规范人级符号D Y N A P O SS A M 或A M A T A M A T R 配送系统冗余 发电机冗余 1 主汇流排带有断路器 主配电板根据S O L A S 及最新规范要求 2 配送电平衡 推进器及相关控制系统冗余 功率管理系统冗余 综上所述，在设计动力定位2 级( D P 2 ) 船舶时 需时刻记住“系统冗余”的概念