海洋勘探船DP3設(shè)備布置及控制系統(tǒng)研究

余勇林　張?jiān)啤堖h(yuǎn)飛　陳志宇

摘 要：本文介紹了海洋勘探船DP-3滿足冗余要求的設(shè)備及隔離技術(shù)研究。

關(guān)鍵詞：DP-3；控制系統(tǒng)；測量系統(tǒng)；設(shè)備布置；物理隔離技術(shù)

中圖分類號：U674.38 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： This paper introduces the comprehensive layout of equipment， control station and the physical isolation technology of DP-3 control system and measuring system for marine exploration ship to satisfy the redundant requirement.

Key words： DP-3； control system； Measuring system ；Comprehensive layout of redundant equipment； Physical isolation technique

1 前言

海洋勘探船可完成各類海上施工作業(yè)，最大作業(yè)水深3 000 m。由于作業(yè)要求高、操作危險(xiǎn)性大，需要在最大程度上確保船舶定位精度，所以選用最高等級的三級動力定位系統(tǒng)（DP-3），并配置了電羅經(jīng)、水聲定位、激光束定位等先進(jìn)的位置參考系統(tǒng)，要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)的冗余和系統(tǒng)布置上的物理分隔，以提高船舶的安全性。開展動力定位系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)計(jì)、安裝技術(shù)等方面的研究，并解決動力定位系統(tǒng)裝船工藝技術(shù)問題，對船舶建造質(zhì)量具有重要意義。

2 動力定位（DP）系統(tǒng)定義

動力定位（DP）系統(tǒng)指使船舶實(shí)現(xiàn)動力定位所必需的一整套系統(tǒng)，包括下列分系統(tǒng)：

（1）動力源系統(tǒng)；

（2）推進(jìn)器系統(tǒng)；

（3）DP控制系統(tǒng)；

（4）獨(dú)立的聯(lián)合操縱系統(tǒng)。

動力定位船（DP船）是指通過推進(jìn)器來自動保持位置的船舶。

3 動力定位（DP）控制系統(tǒng)的功能

動力定位（DP）控制系統(tǒng)即動力定位船舶所必需的所有控制元件和系統(tǒng)、硬件、軟件，主要包括以下部分：

（1）位置控制系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）；

（2）傳感器系統(tǒng)；

（3）顯示系統(tǒng)（操作面板）；

（4）位置參照系統(tǒng)；

（5）相關(guān)的電纜和布線。

動力定位（DP）控制系統(tǒng)的本質(zhì)，是由計(jì)算機(jī)根據(jù)船舶的數(shù)學(xué)模型和姿態(tài)輸出控制信號給推進(jìn)器的控制系統(tǒng)，進(jìn)而操作各推進(jìn)器克服環(huán)境變化的力量，使船舶保持選定的首相和位置。根據(jù)規(guī)范對DP-3的要求，本船配置的DP系統(tǒng)設(shè)有冗余的主DP控制系統(tǒng)和非冗余的后備DP系統(tǒng)，并配有聯(lián)合操作手柄系統(tǒng)。

主DP系統(tǒng)和后備DP系統(tǒng)位于不同的防火區(qū)域。其中，控制站分為動力定位控制站、數(shù)據(jù)記錄控制站、模擬器控制站三種。控制站作為中控系統(tǒng)的一部分，連接于冗余的網(wǎng)絡(luò)A、B和管理網(wǎng)絡(luò)C，也就是說每個(gè)控制站都可以通過A網(wǎng)絡(luò)或B網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，這樣就能保證在單一故障的情況下不影響動力定位系統(tǒng)的正常工作。

根據(jù)DP附加標(biāo)志的不同，所配備的控制站系統(tǒng)是有區(qū)別的：

（1）DP-2附加標(biāo)志

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或其輔助設(shè)備出現(xiàn)任何個(gè)別故障后，執(zhí)行推力自動控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)能控制推進(jìn)器。這個(gè)要求通過兩個(gè)或兩個(gè)以上并行工作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成，可選擇一臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在線工作，其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為備用；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)執(zhí)行探測故障的自檢程序，如在線工作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)失效，自動轉(zhuǎn)換至備用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；如備用系統(tǒng)或與備用系統(tǒng)相連的傳感器或位置參照系統(tǒng)中的任何一個(gè)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)發(fā)出報(bào)警；在操作板上應(yīng)顯示正在實(shí)施控制的控制系統(tǒng)的標(biāo)志。

（2）DP-3附加標(biāo)志

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)滿足DP-2附加標(biāo)志的要求；應(yīng)設(shè)有一套自動備用系統(tǒng)，該備用系統(tǒng)所在控制站與主系統(tǒng)所在的備用站之間應(yīng)為A-60級；如主系統(tǒng)選用的是一套三聯(lián)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并滿足備用系統(tǒng)的獨(dú)立條件，則這些計(jì)算機(jī)中的一臺可作為備用計(jì)算機(jī)；備用系統(tǒng)應(yīng)由操作者在主DP控制站或備用控制站起動，這種轉(zhuǎn)換應(yīng)確保任何單個(gè)故障不會造成主控制系統(tǒng)和備用控制系統(tǒng)同時(shí)失效。

4 DP-3控制系統(tǒng)的設(shè)備配置

根據(jù)DP3 規(guī)范要求，（DP-3）控制系統(tǒng)配置如圖1所示：其中PS Wing Backing DP Room框中對應(yīng)設(shè)備為備用DP系統(tǒng)控制設(shè)備，其它框中設(shè)備屬于主DP系統(tǒng)控制設(shè)備；另外，有一套羅經(jīng)、MRU、風(fēng)速風(fēng)向儀、DGPS用于備用DP控制系統(tǒng)。

在駕駛甲板設(shè)有四個(gè)DP 工作站：其中兩個(gè)主DP 工作站設(shè)在后駕控臺船舶處理工作站區(qū)域，操作人員面朝船尾方向；備用DP 工作站設(shè)在左舷（與主DP 區(qū)域有A60 分隔），操作人員也是面朝船尾方向。在駕駛室前駕控臺航行工作站區(qū)域推進(jìn)遙控系統(tǒng)，操作人員面朝船首方向，此控制系統(tǒng)也可以把控制切入DP工況，在右舷配有JOYSTICK控制。

控制站作為中控系統(tǒng)的一部分，連接于冗余的網(wǎng)絡(luò)A、B，每個(gè)控制站都可以通過A網(wǎng)絡(luò)或B網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

主DP控制系統(tǒng)的相關(guān)輔助系統(tǒng)，如羅經(jīng)、不間斷電源等放置在第五甲板右電氣設(shè)備間；每個(gè)DP控制站都擁有自己的UPS用于應(yīng)急時(shí)操作；主DP控制通信使用的2號DP控制箱DPC-2、網(wǎng)絡(luò)控制箱NDU.A2布置在5甲板右電氣設(shè)備間；備用DP控制站作為DP-3 備份控制系統(tǒng)，布置在橋樓甲板左舷備用DP控制室；備用DP控制系統(tǒng)使用的是單獨(dú)的傳感器系統(tǒng)和不間斷電源進(jìn)行工作；備用DP控制系統(tǒng)與主控制系統(tǒng)之間使用冗余的以太網(wǎng)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸；備用DP控制室與駕駛室之間滿足A-60防火隔離；與備用DP控制站通信的1號DP控制箱DPC-1、網(wǎng)絡(luò)控制箱NDU.B2、供電UPS6/7電源單元布置在5甲板左電氣設(shè)備間，左/右設(shè)備間相鄰，但左電氣設(shè)備間作為備用DP設(shè)備間，四周都用A-60防火分隔壁隔離。

5 DP-3測量系統(tǒng)的設(shè)備布置及隔離技術(shù)

5.1 傳感器設(shè)備布置及隔離技術(shù)

有風(fēng)、浪、流共同作用的復(fù)雜海況下，船舶具有六個(gè)自由度的運(yùn)動特征，即縱蕩、橫蕩、首搖、縱搖、橫搖和垂蕩。DP系統(tǒng)是否滿足船舶的作業(yè)要求，很大程度上取決于所用的測量系統(tǒng)，要求以足夠的速度和精度獲取所需的信息，以便控制系統(tǒng)計(jì)算出推進(jìn)器指令。動力定位船舶的運(yùn)動主要是水平面的三個(gè)自由度：縱蕩、橫蕩和首搖，因此，控制系統(tǒng)所需的信息包括船舶的位置、首向以及外部干擾力的信息。

本船配置有以下測量裝置：

（1）風(fēng)速風(fēng)向儀

超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀傳感器，用于測量風(fēng)速和風(fēng)向。其天線安裝在雷達(dá)桅左右兩個(gè)大桅桿上，盡量不受周圍建筑物的影響。

（2）電羅經(jīng)

分別安裝在有A60防火分隔的五甲板兩個(gè)電氣設(shè)備間，用于測量船舶的首向。

（3）運(yùn)動參考單元

動力定位系統(tǒng)雖然并不控制船舶的縱搖、橫搖與升沉，但系統(tǒng)中的超短基線、張繩、GPS天線需要進(jìn)行縱橫搖補(bǔ)償，故需采用運(yùn)動參考單元來測量船舶的縱搖、橫搖與升沉。本船配置MRU-5運(yùn)動參考單元，用于測量船舶的縱搖、橫搖和垂蕩。為滿足規(guī)范和設(shè)備使用要求，將主/備DP系統(tǒng)的MRU分別安裝在平臺甲板有A60防火隔離的后低壓配電間外面走道和后低壓配電間。

（4）差分全球定位測量系統(tǒng)

差分天線的DGPS系統(tǒng)，測量船舶的地理位置，配有用于兩船協(xié)同作業(yè)使用的UHF（超高頻無線電）天線，該系統(tǒng)天線全部用于主DP系統(tǒng)，故主機(jī)全部安裝在駕駛室后駕控臺。為滿足主DP設(shè)備冗余要求，兩套設(shè)備的天線分別安裝在羅經(jīng)甲板兩翼盡量遠(yuǎn)離的左右兩個(gè)桅桿上，以保證其中一套設(shè)備受損時(shí)另一套設(shè)備正常使用。

（5）水聲探測系統(tǒng)

此系統(tǒng)傳感器包括：安裝在船底的水聲發(fā)射接收器和布于海底的應(yīng)答器組成。系統(tǒng)依靠信號從發(fā)射器經(jīng)過水傳播和應(yīng)答器到達(dá)接收器，然后根據(jù)接收到的信號計(jì)算出船體的位置。本船配置的水聲探測系統(tǒng)分別用于主/備DP系統(tǒng)，主DP系統(tǒng)水聲探測系統(tǒng)升降裝置及其收發(fā)機(jī)和控制箱布置在右舷首部HPR艙，控制站安裝在駕駛室后駕控臺，備用DP系統(tǒng)水聲探測系統(tǒng)海底設(shè)備的收發(fā)機(jī)和控制箱布置在左舷尾部HPR艙，控制站安裝在橋樓甲板備用DP控制站，兩套設(shè)備之間滿足A60防火隔離要求。

（6）張繩系統(tǒng)

此系統(tǒng)在海底固定點(diǎn)與船上絞車之間設(shè)有恒張力的張繩，通過測量張繩的傾角與長度來確定船舶的水平位移。此方法只適用于水深500 m以下的海域，且在海況較差時(shí)不能使用。由于這兩套設(shè)備全部屬于主DP系統(tǒng)，故全部安裝在主DP區(qū)域。

（7）SPOTBEAM位置參考系統(tǒng)

1套SPOTBEAM位置參考系統(tǒng)，分別用于主/備DP系統(tǒng)，布置在備用DP控制站。

5.2 天線布置電磁兼容技術(shù)

由于要同時(shí)滿足CCS OMBO 、DNV NAUT-OSV（A）一人橋樓符號、CCS DP-3、DNV DPS3符號要求及船東特殊作業(yè)要求，本船配置的天線種類及數(shù)量非常多，而且應(yīng)急發(fā)電機(jī)是在羅經(jīng)甲板，雷達(dá)桅的設(shè)計(jì)小巧簡潔，同時(shí)考慮到各種天線之間的相互影響及電磁干擾情況，因此本項(xiàng)目的天線布置是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。

依據(jù)CCS DP-3和DNV DPS3符號相關(guān)規(guī)范要求，主DP系統(tǒng)天線和備用DP系統(tǒng)天線布置位置及其電纜敷設(shè)應(yīng)滿足A60防火隔離。針對本船只有一個(gè)雷達(dá)桅、一個(gè)羅經(jīng)甲板的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況，經(jīng)與船級社協(xié)商，考慮到露天的雷達(dá)桅和羅經(jīng)甲板進(jìn)水或失火的可能性微乎其微，所以最終將主/備DP系統(tǒng)的天線布置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，且其中一套系統(tǒng)的電纜穿管敷設(shè)，以保證在有外界機(jī)械損傷的情況下不會同時(shí)對主/備DP系統(tǒng)產(chǎn)生影響。天線布置參見圖2。

6 結(jié)束語

本船需要同時(shí)取得DNV DPS3和CCS DP-3 雙船級社三級動力定位符號，并取得DNV NAUT OSV（A）和CCS OMBO雙船級社“一人橋樓”符號。本船結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備多、電纜路徑復(fù)雜，對此類型船舶做DP相關(guān)設(shè)備布置優(yōu)化、電纜路徑優(yōu)化、管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化等生產(chǎn)設(shè)計(jì)研究，對今后同類型船舶設(shè)計(jì)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]喬鳴忠，于飛，張曉鋒.船舶電力推進(jìn)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.