鉆井船DP3控制系統構架淺析

朱靜波

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海200137）

0 引 言

當前，動力定位（Dynamic Position，DP）系統已在船舶及海洋工程領域得到廣泛應用。裝備有DP系統的船舶可進行海上定位工作、海上支援、支援潛水作業、浮式生產儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）及穿梭油船定位、鋪管和海底挖掘等工作。DP系統是指不借助錨泊系統，通過測量系統檢測到船舶的實際位置與目標位置的差異，計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器，由此抵抗外界的影響力（風、浪、流作用力），利用船舶自身的推進器保持一定的位置和艏向，或按預定的軌跡運行的閉環系統。

國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）根據冗余度的不同將DP的等級劃分為1級、2級和3級。第3級作為附加標志的最高等級，規定在單個艙室失效的情況下，系統依然能手動或自動維持海洋結構物的位置和艏向。本文主要對鉆井船DP3控制系統進行分析。

1 項目概述

海洋工程船一般是遠離海岸作業的工程船，因故障而停產或返廠維修的成本非常高。為降低此類船舶發生故障的可能性，出現了DP2控制系統和DP3控制系統。DP3控制系統對單點故障的承受力更強，與DP2控制系統不同的是，DP3控制系統需要A60分割，必須有備用DP控制室，其最大單點故障是1個動力艙室，例如1個機艙或中壓配電板間；任何1點或1條線發生故障，甚至是動力艙室或控制艙室發生火災或浸水，不僅能保持船位，而且能使船舶正常在海上作業。本文所述船舶需滿足美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS）規范的要求，通過對IMO與ABS的DP附加標志進行對比可看出：ABS的DP3規定任何一艙失火或浸水情況下，仍能自動保持船位和艏向；在相應規格下，IMO規定當設備標記為3級設備時，在任一艙室失火或浸水的情況下，不會造成船舶位置丟失。鉆井船的電力系統采用的是11 kV的中壓系統，由3組中壓發電機形成整船的電力系統，同時每組2臺7 000 kW中壓發電機分別安裝在A60防火分割的3個機艙內，3條主電力系統采用A60防火分割，從相對應的中壓配電系統到變壓器，再到440 V低壓配電板，都采用A60防火分割；3個中壓配電板對應的推進器分別是左前推進器T2和左后推進器T5，前中推進器T1和后中推進器T4，右前推進器T3和右后推進器T6，其中T5和T6在船舶航行時使用，保證船舶航速大于11 kn。

2 DP3控制系統構架

2.1 系統組成

根據船級社規范的規定，在帶有DP3的船舶中，主要動力系統的設備和數量必須按照規范要求提供：發電機和原動機要冗余，艙室分開；主配電板要2個，艙室分開；推力器要冗余，艙室分開等。因此，鉆井船的DP3控制系統配備的主要設備都是在滿足規范的要求的基礎上選取的。

鉆井船DP3控制系統框架見圖1，該系統共有4個層級。

圖1 鉆井船DP3控制系統框架

1）第一級：HMI人機界面，鉆井船共有3套，其中，WS01和WS02作為主工作站裝在駕駛室內，WS03作為備用工作站裝在備用DP控制室內。DP3網絡系統分成2組（網絡A和網絡B），必須采用A60防火分割。當網絡A上的某點發生故障時，系統會自行判斷并通過網絡B獲取數據，反之亦然。

因此，3組工作站分別接入網絡A和網絡B，進行數據傳輸，顯示和記錄各設備的狀態信息，控制整個DP系統。

2）第二級：DP3系統的控制器，是整個系統的心臟，鉆井船共有4套，其中，CC01、CC02和CC03作為主控制器裝在主DP設備間，CC04作為備用控制器裝在備用DP控制室內。4臺控制器也同時并聯接進DP3控制系統的網絡A和網絡B中，同時也連接下一級的各傳感器系統，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形網絡，使得當有1臺主控制器癱瘓時，另外3臺之間仍能正常傳遞信息，當3個主控制站都癱瘓，或安裝這些主控制站的房間著火時，備用控制站能繼續工作。

3）第三級：就地傳感器系統，鉆井船具有3臺陀螺羅經、3臺風速風向儀、3套垂直面參考系統、2套差分全球定位系統（Differential Global Position System，DGPS）和3套聲吶水下測深系統等，這些傳感器分別接入對應的主控制器中，同時第三套傳感器接入備用控制器CC04中，形成備用功能。

能源系統負責為推力器提供動力和為各種輔助系統供電。動力系統包括發電單元、供電單元和配電單元。同時，配置不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS），防止因發生故障而突然失電。

推力系統用于產生力和力矩，抗衡作用于船上的干擾力和干擾力矩。

產生推力的裝置主要是螺旋槳，在DP系統中應用比較多的是普通螺旋槳、導管螺旋槳和隧道螺旋槳等。本文所述鉆井船項目中的推進器布置示意圖見圖2。

圖2 鉆井船推進器布置示意圖

鉆井船的DP3控制系統分為主DP系統和備用DP系統，二者之間既互相連接又互相獨立。

2.2 系統供電

DP3控制系統的UPS也應滿足冗余和A60防火分割的要求。根據規范的要求，DP系統的設備均需由專用的DP UPS供電，不能與其他的UPS混合供電。

鉆井船共設有3套DP UPS，2套主的UP UPS安裝在駕駛室內，1套備用的UP UPS安裝在DP備用間內。每臺DP控制器都需要2路供電，一路采用DP UPS供電，另一路采用應急配電板供電，但因項目的特殊性，可看到CC03控制器一路由自動化UPS供電，原因是：系統本身只有2套主UPS；同時，一路供電來自自動化UPS，可使主DP系統的2套主UPS發生故障時，主系統能繼續有供電運行。這一點可與船級社協商討論。

2.3 系統接口

在DP系統連接的網絡A和網絡B上，同時連接有網絡開關盒NSB（Net Switch Box）和FS（Field Station）工作站（FS工作站是分布在全船的自動化信號采集站，這些站將采集的信號通過快速以太網高速地在各控制站之間控制和傳輸），這樣構成了整個船舶控制網絡系統。各系統之間通過網絡A和網絡B傳輸信號，并使整個網絡既獨立又互相連接。鉆井船的網絡系統采用快速以太網傳輸信號，整個網絡是冗余的，即劃分為互為備份的網絡A和網絡B。系統的接口有船舶服務器、防井噴設備和子母鐘等。

3 結 語

鉆井船DP3控制系統有一個非常重要的概念，即DP系統冗余，通過對比該項目的具體實施方案與ABS對DP3控制系統的要求可知，本文所述方案完全滿足要求，整個鉆井船網絡系統的安全性和可靠性得到了重要的支持和維護，有效降低了故障和損害發生概率，冗余度符合DP3船舶標志的要求，從多個方面保證了船舶高效穩定地作業。以可靠的網絡支持更精準的控制，使得定位的精度更高，對船舶在整個作業過程中的安全操作起到最根本的保障作用，完全靠自身產生的推力定位，不需要依靠外部設備。表1為本文所述鉆井船實施方案與ABS的DP3要求對比。

表1 鉆井船實施方案與ABS的DP3要求對比

此外，系統的原理考驗了生產設計鋪設電纜的更高要求，在進行電氣生產設計，需考慮實際走線，在物理上滿足DP3設備的分割冗余要求，電纜走向也是如此，需要詳細設計與生產設計緊密相結合。