鉆井船DP3控制系統(tǒng)構(gòu)架淺析

朱靜波

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海200137）

0 引 言

當(dāng)前，動(dòng)力定位（Dynamic Position，DP）系統(tǒng)已在船舶及海洋工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。裝備有DP系統(tǒng)的船舶可進(jìn)行海上定位工作、海上支援、支援潛水作業(yè)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）及穿梭油船定位、鋪管和海底挖掘等工作。DP系統(tǒng)是指不借助錨泊系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)到船舶的實(shí)際位置與目標(biāo)位置的差異，計(jì)算出所需推力的大小和方向，并將這些推力合理地分配給推進(jìn)器，由此抵抗外界的影響力（風(fēng)、浪、流作用力），利用船舶自身的推進(jìn)器保持一定的位置和艏向，或按預(yù)定的軌跡運(yùn)行的閉環(huán)系統(tǒng)。

國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）根據(jù)冗余度的不同將DP的等級(jí)劃分為1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)。第3級(jí)作為附加標(biāo)志的最高等級(jí)，規(guī)定在單個(gè)艙室失效的情況下，系統(tǒng)依然能手動(dòng)或自動(dòng)維持海洋結(jié)構(gòu)物的位置和艏向。本文主要對(duì)鉆井船DP3控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1 項(xiàng)目概述

海洋工程船一般是遠(yuǎn)離海岸作業(yè)的工程船，因故障而停產(chǎn)或返廠維修的成本非常高。為降低此類(lèi)船舶發(fā)生故障的可能性，出現(xiàn)了DP2控制系統(tǒng)和DP3控制系統(tǒng)。DP3控制系統(tǒng)對(duì)單點(diǎn)故障的承受力更強(qiáng)，與DP2控制系統(tǒng)不同的是，DP3控制系統(tǒng)需要A60分割，必須有備用DP控制室，其最大單點(diǎn)故障是1個(gè)動(dòng)力艙室，例如1個(gè)機(jī)艙或中壓配電板間；任何1點(diǎn)或1條線發(fā)生故障，甚至是動(dòng)力艙室或控制艙室發(fā)生火災(zāi)或浸水，不僅能保持船位，而且能使船舶正常在海上作業(yè)。本文所述船舶需滿(mǎn)足美國(guó)船級(jí)社（American Bureau of Shipping，ABS）規(guī)范的要求，通過(guò)對(duì)IMO與ABS的DP附加標(biāo)志進(jìn)行對(duì)比可看出：ABS的DP3規(guī)定任何一艙失火或浸水情況下，仍能自動(dòng)保持船位和艏向；在相應(yīng)規(guī)格下，IMO規(guī)定當(dāng)設(shè)備標(biāo)記為3級(jí)設(shè)備時(shí)，在任一艙室失火或浸水的情況下，不會(huì)造成船舶位置丟失。鉆井船的電力系統(tǒng)采用的是11 kV的中壓系統(tǒng)，由3組中壓發(fā)電機(jī)形成整船的電力系統(tǒng)，同時(shí)每組2臺(tái)7 000 kW中壓發(fā)電機(jī)分別安裝在A60防火分割的3個(gè)機(jī)艙內(nèi)，3條主電力系統(tǒng)采用A60防火分割，從相對(duì)應(yīng)的中壓配電系統(tǒng)到變壓器，再到440 V低壓配電板，都采用A60防火分割；3個(gè)中壓配電板對(duì)應(yīng)的推進(jìn)器分別是左前推進(jìn)器T2和左后推進(jìn)器T5，前中推進(jìn)器T1和后中推進(jìn)器T4，右前推進(jìn)器T3和右后推進(jìn)器T6，其中T5和T6在船舶航行時(shí)使用，保證船舶航速大于11 kn。

2 DP3控制系統(tǒng)構(gòu)架

2.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)船級(jí)社規(guī)范的規(guī)定，在帶有DP3的船舶中，主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)的設(shè)備和數(shù)量必須按照規(guī)范要求提供：發(fā)電機(jī)和原動(dòng)機(jī)要冗余，艙室分開(kāi)；主配電板要2個(gè)，艙室分開(kāi)；推力器要冗余，艙室分開(kāi)等。因此，鉆井船的DP3控制系統(tǒng)配備的主要設(shè)備都是在滿(mǎn)足規(guī)范的要求的基礎(chǔ)上選取的。

鉆井船DP3控制系統(tǒng)框架見(jiàn)圖1，該系統(tǒng)共有4個(gè)層級(jí)。

圖1 鉆井船DP3控制系統(tǒng)框架

1）第一級(jí)：HMI人機(jī)界面，鉆井船共有3套，其中，WS01和WS02作為主工作站裝在駕駛室內(nèi)，WS03作為備用工作站裝在備用DP控制室內(nèi)。DP3網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分成2組（網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B），必須采用A60防火分割。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)A上的某點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自行判斷并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)B獲取數(shù)據(jù)，反之亦然。

因此，3組工作站分別接入網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，顯示和記錄各設(shè)備的狀態(tài)信息，控制整個(gè)DP系統(tǒng)。

2）第二級(jí)：DP3系統(tǒng)的控制器，是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，鉆井船共有4套，其中，CC01、CC02和CC03作為主控制器裝在主DP設(shè)備間，CC04作為備用控制器裝在備用DP控制室內(nèi)。4臺(tái)控制器也同時(shí)并聯(lián)接進(jìn)DP3控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B中，同時(shí)也連接下一級(jí)的各傳感器系統(tǒng)，成為采集、處理和傳輸信息的中心。各組控制器之間互相連接形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，使得當(dāng)有1臺(tái)主控制器癱瘓時(shí)，另外3臺(tái)之間仍能正常傳遞信息，當(dāng)3個(gè)主控制站都癱瘓，或安裝這些主控制站的房間著火時(shí)，備用控制站能繼續(xù)工作。

3）第三級(jí)：就地傳感器系統(tǒng)，鉆井船具有3臺(tái)陀螺羅經(jīng)、3臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向儀、3套垂直面參考系統(tǒng)、2套差分全球定位系統(tǒng)（Differential Global Position System，DGPS）和3套聲吶水下測(cè)深系統(tǒng)等，這些傳感器分別接入對(duì)應(yīng)的主控制器中，同時(shí)第三套傳感器接入備用控制器CC04中，形成備用功能。

能源系統(tǒng)負(fù)責(zé)為推力器提供動(dòng)力和為各種輔助系統(tǒng)供電。動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)電單元、供電單元和配電單元。同時(shí)，配置不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS），防止因發(fā)生故障而突然失電。

推力系統(tǒng)用于產(chǎn)生力和力矩，抗衡作用于船上的干擾力和干擾力矩。

產(chǎn)生推力的裝置主要是螺旋槳，在DP系統(tǒng)中應(yīng)用比較多的是普通螺旋槳、導(dǎo)管螺旋槳和隧道螺旋槳等。本文所述鉆井船項(xiàng)目中的推進(jìn)器布置示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 鉆井船推進(jìn)器布置示意圖

鉆井船的DP3控制系統(tǒng)分為主DP系統(tǒng)和備用DP系統(tǒng)，二者之間既互相連接又互相獨(dú)立。

2.2 系統(tǒng)供電

DP3控制系統(tǒng)的UPS也應(yīng)滿(mǎn)足冗余和A60防火分割的要求。根據(jù)規(guī)范的要求，DP系統(tǒng)的設(shè)備均需由專(zhuān)用的DP UPS供電，不能與其他的UPS混合供電。

鉆井船共設(shè)有3套DP UPS，2套主的UP UPS安裝在駕駛室內(nèi)，1套備用的UP UPS安裝在DP備用間內(nèi)。每臺(tái)DP控制器都需要2路供電，一路采用DP UPS供電，另一路采用應(yīng)急配電板供電，但因項(xiàng)目的特殊性，可看到CC03控制器一路由自動(dòng)化UPS供電，原因是：系統(tǒng)本身只有2套主UPS；同時(shí)，一路供電來(lái)自自動(dòng)化UPS，可使主DP系統(tǒng)的2套主UPS發(fā)生故障時(shí)，主系統(tǒng)能繼續(xù)有供電運(yùn)行。這一點(diǎn)可與船級(jí)社協(xié)商討論。

2.3 系統(tǒng)接口

在DP系統(tǒng)連接的網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B上，同時(shí)連接有網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)盒NSB（Net Switch Box）和FS（Field Station）工作站（FS工作站是分布在全船的自動(dòng)化信號(hào)采集站，這些站將采集的信號(hào)通過(guò)快速以太網(wǎng)高速地在各控制站之間控制和傳輸），這樣構(gòu)成了整個(gè)船舶控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。各系統(tǒng)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B傳輸信號(hào)，并使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)既獨(dú)立又互相連接。鉆井船的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用快速以太網(wǎng)傳輸信號(hào)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是冗余的，即劃分為互為備份的網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B。系統(tǒng)的接口有船舶服務(wù)器、防井噴設(shè)備和子母鐘等。

3 結(jié) 語(yǔ)

鉆井船DP3控制系統(tǒng)有一個(gè)非常重要的概念，即DP系統(tǒng)冗余，通過(guò)對(duì)比該項(xiàng)目的具體實(shí)施方案與ABS對(duì)DP3控制系統(tǒng)的要求可知，本文所述方案完全滿(mǎn)足要求，整個(gè)鉆井船網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性和可靠性得到了重要的支持和維護(hù)，有效降低了故障和損害發(fā)生概率，冗余度符合DP3船舶標(biāo)志的要求，從多個(gè)方面保證了船舶高效穩(wěn)定地作業(yè)。以可靠的網(wǎng)絡(luò)支持更精準(zhǔn)的控制，使得定位的精度更高，對(duì)船舶在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中的安全操作起到最根本的保障作用，完全靠自身產(chǎn)生的推力定位，不需要依靠外部設(shè)備。表1為本文所述鉆井船實(shí)施方案與ABS的DP3要求對(duì)比。

表1 鉆井船實(shí)施方案與ABS的DP3要求對(duì)比

此外，系統(tǒng)的原理考驗(yàn)了生產(chǎn)設(shè)計(jì)鋪設(shè)電纜的更高要求，在進(jìn)行電氣生產(chǎn)設(shè)計(jì)，需考慮實(shí)際走線，在物理上滿(mǎn)足DP3設(shè)備的分割冗余要求，電纜走向也是如此，需要詳細(xì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)設(shè)計(jì)緊密相結(jié)合。