動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計(jì)過程控制方法

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(大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116005)

隨著全球海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)具有動(dòng)力定位能力的船舶和海工裝備的需求越來越大，3級(jí)動(dòng)力定位(class 3 dynamic positioning, DP3)作為自動(dòng)化程度和可靠性最高等級(jí)的動(dòng)力定位系統(tǒng)，已經(jīng)成為半潛式鉆井平臺(tái)、鉆井船、重吊船、鋪管船等大型特種船舶和海工裝備的主流配置。根據(jù)國際海事組織和各船級(jí)社要求，DP3船舶在任何動(dòng)態(tài)或靜態(tài)元件發(fā)生單點(diǎn)故障，包括某個(gè)艙室發(fā)生火災(zāi)或浸沒事故時(shí)仍具有保持定位的能力[1]。為了滿足上述要求，DP3船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、配電盤、控制器等動(dòng)態(tài)元件需冗余配置，并劃分冗余組別，同時(shí)靜態(tài)元件——電纜也需要按照相應(yīng)冗余組別分開敷設(shè)，不同組別之間至少采用一層A60級(jí)防火分隔，而且最終設(shè)計(jì)成果需要通過動(dòng)力定位系統(tǒng)的故障模式及影響分析[2]。由于動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜數(shù)量多、類型多樣、路徑復(fù)雜，如何確保不同冗余組別的電纜有效分隔，是船舶設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。雖然目前國內(nèi)船廠已經(jīng)建造了一些DP3船舶和海工裝備，但是對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計(jì)過程控制方法并沒有開展系統(tǒng)性研究。DP3船舶設(shè)計(jì)過程中通常僅依靠設(shè)計(jì)人員自身約束和定期抽查的方式來確保動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計(jì)正確，然而實(shí)際效果并不是很好，在故障模式及影響分析和驗(yàn)證階段經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)電纜沒有正確分隔的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)修改。文中根據(jù)多型DP3實(shí)船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，探討、分析動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜路徑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、電纜分類、設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)方法等要點(diǎn)，并歸納總結(jié)出一種通用的動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計(jì)過程控制方法，以保證電纜路徑設(shè)計(jì)正確，避免現(xiàn)場(chǎng)修改，對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低修改損耗起到積極作用。

1 規(guī)范規(guī)則

動(dòng)力定位是通過推進(jìn)器推力能夠自動(dòng)地保持船舶位置(固定位置或預(yù)設(shè)航跡)的技術(shù)，動(dòng)力定位系統(tǒng)則是指動(dòng)力定位船舶所需要裝備的全部設(shè)備，包括電力系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)和動(dòng)力定位控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)化程度和設(shè)備冗余度，國際海事組織將動(dòng)力定位系統(tǒng)分為1～3三個(gè)等級(jí)，某些船級(jí)社在此基礎(chǔ)上又增加0級(jí)，具體定義如下。

1)0級(jí)。船舶裝備了一套集中手動(dòng)船位控制系統(tǒng)和自動(dòng)艏向控制系統(tǒng)，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，保持船舶的位置和艏向。

2)1級(jí)。安裝有動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，自動(dòng)保持船舶的位置和艏向，同時(shí)還應(yīng)設(shè)有獨(dú)立的聯(lián)合操縱桿系統(tǒng)。

3)2級(jí)。安裝有動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶，在出現(xiàn)單個(gè)故障(不包括一個(gè)艙室或幾個(gè)艙室的損失)后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動(dòng)保持船舶的位置和艏向。

4)3級(jí)。安裝有動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶，在出現(xiàn)單個(gè)故障(包括由于失火或進(jìn)水造成一個(gè)艙室的完全損失)后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動(dòng)保持船舶的位置和艏向[3]。

對(duì)于3級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)，所有部件包括電纜布線和管路應(yīng)冗余設(shè)置，并進(jìn)行A60級(jí)防火隔離[4]，此項(xiàng)要求是DP3船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜路徑的設(shè)計(jì)依據(jù)，也是故障模式及影響分析的重點(diǎn)。而對(duì)于0級(jí)、1級(jí)和2級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)則沒有此項(xiàng)要求，因此這三個(gè)級(jí)別動(dòng)力定位系統(tǒng)的電纜路徑設(shè)計(jì)方法與普通船舶和海工裝備相同[5]。

2 電纜分類

動(dòng)力定位系統(tǒng)包括若干個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)的架構(gòu)、組成和功能各不相同，為了正確分隔電纜，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位系統(tǒng)的完全冗余，需對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的電纜類別進(jìn)行分類，以便于開展有針對(duì)性的路徑設(shè)計(jì)和過程控制。根據(jù)系統(tǒng)功能和設(shè)備冗余配置情況，DP3船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜應(yīng)分為DP動(dòng)力電纜、DP網(wǎng)絡(luò)電纜和DP控制電纜三個(gè)類別，具體定義如下。

1)DP動(dòng)力電纜。從發(fā)電機(jī)經(jīng)配電盤終到推進(jìn)器，以及發(fā)電機(jī)柴油機(jī)輔助輪機(jī)設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備的電源電纜及相關(guān)控制電纜，通常分為2～4個(gè)冗余組別。該類別電纜為推進(jìn)器傳輸電力和控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器運(yùn)行。

2)DP網(wǎng)絡(luò)電纜。動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的主干以太網(wǎng)電纜，通常與自動(dòng)化系統(tǒng)共享網(wǎng)絡(luò)，分為A和B兩個(gè)冗余回路/組別。該類別電纜3)為DP控制器與工作站和現(xiàn)場(chǎng)控制基站之間傳輸命令和反饋信號(hào)[6]。

DP控制電纜。動(dòng)力定位控制系統(tǒng)除了主干以太網(wǎng)電纜外的控制電纜和串行通信電纜，分為主動(dòng)力定位控制系統(tǒng)和備用動(dòng)力定位控制系統(tǒng)兩個(gè)冗余組別。該類別電纜為DP控制器與傳感器和位置參考系統(tǒng)之間傳輸船舶位置和狀態(tài)反饋信號(hào)[7]。

每個(gè)類別的動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜都具有各自的冗余組別，同類別的不同冗余組別的電纜需采用A60級(jí)防火分隔，不同類別的電纜之間則沒有分隔要求，電纜路徑設(shè)計(jì)和過程控制都將以此為基礎(chǔ)開展。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

詳細(xì)設(shè)計(jì)是船舶和海工裝備在船廠的第一個(gè)設(shè)計(jì)階段，詳細(xì)設(shè)計(jì)應(yīng)規(guī)劃設(shè)計(jì)動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜主要路徑，供船東和船級(jí)社審核，并指導(dǎo)下個(gè)階段的生產(chǎn)設(shè)計(jì)工作。為了使生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確理解動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜分類并正確設(shè)計(jì)相關(guān)電纜托架，詳細(xì)設(shè)計(jì)需要通過設(shè)計(jì)《動(dòng)力定位系統(tǒng)主干電纜路徑布置圖》和增加詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙中動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜標(biāo)示兩種方法為生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供清晰、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)輸入。

3.1 動(dòng)力定位系統(tǒng)主干電纜路徑布置圖

《動(dòng)力定位系統(tǒng)主干電纜路徑布置圖》是針對(duì)貫穿一層或一層以上甲板，以及穿過A60級(jí)防火艙壁和水密艙壁的多根成束敷設(shè)的動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜，用于表示連續(xù)貫通全船各層甲板水平面和垂直面的主干電纜路徑的圖樣。DP動(dòng)力電纜、DP網(wǎng)絡(luò)電纜和DP控制電纜的主干電纜路徑布置可以合并到一份圖樣中，也可以單獨(dú)出圖。布置圖中每個(gè)組別的DP動(dòng)力電纜、DP網(wǎng)絡(luò)電纜和DP控制電纜分別使用一種唯一的顏色或線型來表示主干電纜路徑，同一個(gè)類別內(nèi)不同冗余組別的動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜應(yīng)采用A60級(jí)防火隔離和水密分隔，為此與動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜有關(guān)的主要設(shè)備以及防火分隔和水密分隔界線也需要在布置圖中清晰注明，以使得生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員可以準(zhǔn)確掌握主干電纜的走向和不同組別電纜之間的分隔界面。在DP電纜經(jīng)過的全部甲板電纜貫通件節(jié)點(diǎn)處需注明電纜的起始設(shè)備和終端設(shè)備，而且最好在電纜路徑布置圖中體現(xiàn)出DP設(shè)備的準(zhǔn)確布置，這將有助于生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員和審圖人員正確理解DP電纜路徑的設(shè)計(jì)目的和用途。

某半潛式鉆井平臺(tái)上船體雙層底區(qū)域的DP動(dòng)力電纜的主干電纜路徑布置圖見圖1，從該圖中可以得知DP動(dòng)力電纜分為4個(gè)冗余組別，每個(gè)組別之間均采用A60級(jí)艙壁進(jìn)行隔離，每個(gè)組別的電纜都定義了唯一的路徑。

3.2 增加動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜標(biāo)示

《動(dòng)力定位系統(tǒng)主干電纜路徑布置圖》僅規(guī)定了主干電纜的路徑，為了識(shí)別每根電纜的具體類別，則需要在動(dòng)力定位系統(tǒng)圖中每根電纜線號(hào)下面增加電纜標(biāo)示。布置圖和電纜標(biāo)示一起組成了完整的設(shè)計(jì)輸入，生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員據(jù)此可以設(shè)計(jì)出每一根動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜的詳細(xì)路徑。各類別動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜標(biāo)示見表1，增加電纜標(biāo)示后的電氣系統(tǒng)圖見圖2。

電纜類別標(biāo)示DP動(dòng)力電纜DP分組1/2/3/4DP網(wǎng)絡(luò)電纜DP網(wǎng)絡(luò)A/BDP控制電纜主DP/備用DP

4 生產(chǎn)設(shè)計(jì)

生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)輸入開展電纜托架建模、設(shè)繪電纜托盤表和綜合線路布置圖等設(shè)計(jì)工作，由于動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜數(shù)量多、路徑復(fù)雜，很多電纜都是全船主干電纜，會(huì)經(jīng)過很多個(gè)艙室，涉及多個(gè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員，如何保證不同冗余組別的動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜路徑正確分隔，是生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段的難點(diǎn)。為此需要對(duì)生產(chǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行過程控制，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤后及時(shí)改正。

4.1 矩陣表格監(jiān)控

采用矩陣表格監(jiān)控前，需要定義每個(gè)冗余組別動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜的顏色，每個(gè)組別的顏色各不相同，以便于識(shí)別區(qū)分。為了方便下一階段的電纜托架模型校核，這些顏色選自船舶三維設(shè)計(jì)軟件Tribon M3的顏色庫，顏色定義示例見表2。設(shè)計(jì)人員也可以根據(jù)自身設(shè)計(jì)習(xí)慣選擇顏色，但不要選擇船體結(jié)構(gòu)、管線、風(fēng)管常用的模型顏色，以避免混淆。

表2 動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜顏色定義

矩陣表格第一列為各組別動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜名稱，第一行為動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜經(jīng)過的所有艙室名稱或編號(hào)。生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員在矩陣表格中使用上文定義的顏色，按照實(shí)際建模設(shè)計(jì)情況標(biāo)記出各自設(shè)計(jì)范圍內(nèi)動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜實(shí)際路徑。根據(jù)規(guī)范規(guī)則要求，DP3船舶的不同組別的動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜不應(yīng)經(jīng)過同一個(gè)艙室，為此矩陣表格中每個(gè)艙室列內(nèi)對(duì)于同一類別動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜只應(yīng)該出現(xiàn)一種顏色，如果出現(xiàn)兩種或以上顏色，則說明某個(gè)組別的電纜路徑設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，需要查明原因，及時(shí)改正。該矩陣表格應(yīng)隨著設(shè)計(jì)進(jìn)度定期更新、檢查，并由專人牽頭匯總分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜路徑的過程控制。

4.2 電纜托架模型校核

矩陣表格監(jiān)控的方法雖然細(xì)致全面，但是略顯繁瑣，為了簡便檢查動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜是否有效分隔，電纜路徑是否正確，可以采用電纜托架模型校核的方法。該方法需要設(shè)計(jì)人員按照上文定義的顏色在三維設(shè)計(jì)軟件中為敷設(shè)了動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜的電纜托架建模。生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員如果在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)不同顏色的同一類別動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜托架出現(xiàn)在同一個(gè)艙室，或者電纜托架位于沒有A60級(jí)防火分隔的相鄰艙室，則說明動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計(jì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要查明原因，及時(shí)改正。某半潛式鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜托架模型見圖3。

4.3 設(shè)計(jì)評(píng)審

通過矩陣表格監(jiān)控和電纜托架模型校核兩種方法，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計(jì)正確性的有效控制。但實(shí)際上，DP3船舶的動(dòng)力定位系統(tǒng)分隔并不是僅針對(duì)電纜，為了保證整個(gè)動(dòng)力定位系統(tǒng)的可靠性，DP動(dòng)力電纜與發(fā)電機(jī)相關(guān)的管線和風(fēng)管也需要按照動(dòng)力定位冗余組別劃分進(jìn)行分隔[8]。如圖4舉例所示，DP分組2的動(dòng)力電纜與DP分組3的發(fā)電機(jī)滑油管線出現(xiàn)交叉，如果交叉點(diǎn)發(fā)生火災(zāi)，這種共因故障則會(huì)導(dǎo)致DP分組2和DP分組3內(nèi)的設(shè)備同時(shí)失效，影響船舶的定位能力[9]。為此需要通過電氣、輪機(jī)、通風(fēng)等動(dòng)力定位系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)開展三維模型綜合設(shè)計(jì)評(píng)審，以驗(yàn)證各冗余組別內(nèi)的電纜托架、管線、風(fēng)道是否正確分隔，從而確保電纜路徑設(shè)計(jì)正確。

4.4 生產(chǎn)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)繪

經(jīng)過上述控制方法，可以基本保證動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計(jì)的正確性，如何將這些設(shè)計(jì)信息清晰有效地傳遞給施工部門，有兩點(diǎn)需要注意。①動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜應(yīng)該單獨(dú)編制一本電纜托盤表，每根電纜需設(shè)計(jì)足夠電纜節(jié)點(diǎn)，確保電纜路徑唯一，而且應(yīng)注明每根電纜在動(dòng)力定位系統(tǒng)中的類別和組別；②按照表2定義的顏色，在電氣舾裝件圖紙中標(biāo)記經(jīng)過動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜的貫通件顏色，如果一個(gè)貫通件經(jīng)過了多個(gè)類別的電纜，則同時(shí)標(biāo)記多個(gè)顏色。施工部門將按圖紙采用粉刷油漆、粘貼標(biāo)牌等方法標(biāo)記出船舶上電纜貫通件顏色，這將便于施工部門準(zhǔn)確敷設(shè)電纜，以及船東和船級(jí)社的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。

綜上所述，生產(chǎn)設(shè)計(jì)才是動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計(jì)過程控制的重點(diǎn)階段，這種設(shè)計(jì)控制需要經(jīng)過矩陣表格監(jiān)控、電纜托架模型校核、設(shè)計(jì)評(píng)審等一系列環(huán)節(jié)，從而形成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)過程控制方法。動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜設(shè)計(jì)和控制的流程見圖5。

5 結(jié)論

正確的設(shè)計(jì)圖紙是船舶和海工項(xiàng)目建造的基礎(chǔ)，對(duì)于DP3船舶和海工裝備此類大型、復(fù)雜的工程項(xiàng)目，如何保證動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計(jì)的正確性，一直都是各設(shè)計(jì)公司和船廠追求的目標(biāo)。根據(jù)實(shí)船項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，按照設(shè)計(jì)流程對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計(jì)方法及其過程控制方法進(jìn)行了探討、分析，并創(chuàng)新性地歸納出通用設(shè)計(jì)方法。這些方法可以廣泛應(yīng)用到各種DP3船舶和海工裝備的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)提高動(dòng)力定位系統(tǒng)電低修改損耗具有積極意義。當(dāng)前，“智能設(shè)計(jì)”是船舶及海工項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作的發(fā)展方向，如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、智能地控制動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計(jì)，仍需要進(jìn)一步深入研究。