DP-2動力定位船舶故障模式與影響分析

曲兆源，文 武

應用研究

DP-2動力定位船舶故障模式與影響分析

曲兆源1，文 武2

（1. 中海油能源發展采油服務公司，天津 300451；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

故障模式與影響分析對動力定位船舶的安全性和可靠性有重要的影響，本文以中海油海洋石油791海底管道巡檢船為例，介紹了DP-2動力定位船舶的設備配置與主要功能，同時對船舶的故障模式與影響分析（FMEA）進行了研究。

DP-2 動力定位 故障模式與影響分析

0 引言

動力定位系統（Dynamic Positioning System）簡稱DP系統，是上個世紀70年代逐漸發展起來的，并逐步由淺水海域向深水海域發展，目前廣泛應用于各種海洋工程、海上科考、風電安裝運維、水下工程等領域[1]。在國內海洋工程領域，該系統已經成為多種類型海洋工程船舶的標準配置，面臨的作業環境和工況也越來越復雜，因此對動力定位系統的可靠性也提出了更高的要求。

傳統船舶、浮式生產平臺的系泊主要采用錨泊系統，但隨著水深的增加，錨泊系統的抓底力減小，拋錨的的困難程度增加，同時錨泊系統的錨鏈長度和強度都要增加，海上作業也變得復雜，造價和安裝費用猛增，其定位功能也會受到很大限制。動力定位系統是一種閉環的控制系統，其功能是不借助錨泊的作用使船舶盡可能的保持在預訂要求的位置上[2]。其優點是定位成本不會隨著水深增加而增加，并且操作也比較方便，因此，動力定位系統在船舶和浮式生產平臺上的應用也越來越廣泛。

不同船舶類型對動力定位系統的要求也不同，本文以海洋石油791海底管道巡檢船為分析對象，針對動力定位系統的主要配置、主要功能和故障模式與影響分析(FMEA)進行了研究和介紹。

1 海洋石油791動力定位系統配置

1.1 海洋石油791船型簡介

海洋石油791是國內第一艘現代化的專業用于的海底油氣管道定期巡檢、詳細調查和應急處理等工作的調查船。其主要功能是對海底管道的路由變化、外部損傷、腐蝕情況、第三方破壞進行調查。本船安裝有升降鰭板，升降鰭板底部搭載若干聲學測量設備，工作時升降鰭板下探至船底2.5米以下，利用聲學測量設備對海底油氣管道進行探測，必要時可下放隨船攜帶的ROV（水下機器人），懸浮在管線上方，可以對海管進行更加細致的掃描。

1.2 海洋石油791船型簡介

海洋石油791裝備船舶動力定位系統，取得了中國船級社DP-2的附加標志，可以在以下環境條件下，使得本船停留在設定的位置上，實現定點、定位和定向要求。

有義波高：1.5 m

表面流速：2.0 kn

風速：10.8 m/s

海洋石油791為電力推進船舶，機艙配有4臺主發電機組作為全船主電源，為全船用電設備供電。

圖1 海洋石油791電力系統配置圖

機艙集控室配有一套主配電板，作為接收和分配電能的電氣裝置。主配電板匯流排聯絡屏設有母聯開關，將主配電板匯流排分為兩段。在非DP工況時，母聯開關閉合，兩段匯流排合成一個整體，為全船所有用電設備供電；在DP工況時，母聯開關斷開，發電機組左右分區，兩兩并車，為各自匯流排供電。海洋石油791電力系統配置圖如圖1所示。

本船在主配電板內設有功率管理系統，對4臺主發電機組進行管理，并具備報警和保護功能。本船功率管理系統由2 組完全冗余設計的S7-400系列PLC 組成，配置有2個同步模塊，通過光纖進行實時同步通訊，兩套S7-400獨立運行并互為備用。一套S7-400將在電站管理裝置中發揮主控制站的功能，另一套做為備用控制站保持運行。一旦主用控制器出現故障，備用S7-400將被自動切換成主用控制器，滿足DP-2熱冗余操作要求。

在DP工況時，船舶電站能在功率管理系統管理下，母排自動分段運行、負荷自動分區，確保在一側母排短路的情況下，確保一主推和側推能個正常工作，以此提高系統的冗余性。海洋石油791功率管理系統網絡圖見圖2。

圖2 海洋石油791功率管理系統網絡圖

1.3 海洋石油791推進器系統配置

推進器系統是動力定位系統的一個組成部分，用于產生力和力矩，來抗衡作用于船上的干擾力和干擾力矩。

本船艏部配有兩臺管隧式側向推進器，為船舶提供側向推力（見圖2 T3、T4）；船艉左右各配有一臺全回轉推進器，為全船提供360°推力（見圖2 T1、T2）。上述四臺推進器均由主發電機組供電。DP工況時，主配電板匯流排母聯開關斷開，1#發電機組DG1和2#發電機組DG2并聯運行，通過BusA匯流排為1#艏側推（T3）和左全回轉推進器（T1）供電；同理，3#發電機組DG3和4#發電機組DG4并聯運行，通過BusB匯流排為2#艏側推（T4）和右全回轉推進器（T2供電）。兩臺艏側推及兩臺全回轉推進器在DP工況時同時工作但又相互冗余，由于單個故障導致任意一臺推進器丟失都不會導致船舶失位。

1.4 海洋石油791動力定位控制系統配置

海洋石油791動力定位控制系統由雙冗余的控制器單元和操作站組成。控制器單元包含兩臺控制計算機，計算機系統用來接收來自傳感器及位置參照系統的電信號，經過比較，計算處理后，向全回轉推進裝置、側推裝置發出一系列控制指令。計算機系統的公用設備如自檢程序、數據傳輸及接口失效時，不會引起兩個系統全部失效。當一套計算機系統失效時，可自動轉換至冗余計算機系統進行控制。兩臺操作站包括船用計算機、控制面板及操作軟件等，并配置一臺報警打印機及兩臺容量滿足30分鐘連續使用的UPS。

本船配有一套獨立的聯合操縱桿系統（Joystick），對全回轉推進裝置和側推裝置進行聯合操縱，使其達到最佳運行工況。另配一套便攜式Joystick操作終端，在前駕控臺及駕駛室兩翼設有插座，以實現對船舶的靈活操控。聯合操縱桿系統配有獨立的UPS。海洋石油791動力定位系統配置如圖3所示。

圖3 海洋石油791動力定位系統配置

動力定位傳感器系統主要分為位置參照系統和外部傳感器系統。

一艘動力定位船舶能否順利執行一項或幾項任務，很自然的取決于動力定位系統所用的位置測量系統，要求以足夠的速度和精度獲取所需的信息，以便控制器計算出推力器指令，使船舶完成預定的任務?？刂葡到y所需的信息包括船舶位置、艏向以及外部干擾力的信息[3]。位置參照系統會將上述信息傳遞給動力定位控制系統，當船舶偏離目標位置時，可自動發出聽覺和視覺報警。對于DP-2附加標志的動力定位船舶，配備了3套位置參照系統。

海洋石油791動力定位位置參照系統配置如下：

1）DGPS系統

本船配有2套動力定位系統專用的DGPS（Differential Global Position System），DGPS是在GPS的基礎上利用差分技術使GPS用戶獲得更高的定位精度，其精度通?？蛇_0.5-1m每秒。本船2套DGPS安裝于雷達桅上。DGPS衛星可從不同角度發送信號，但高大的物體（如風力發電機、海洋鉆井平臺、FPSO等大型船舶）可能會阻礙DGPS信號的接收，這種情況下需要使用其他位置傳感器，如微波雷達定位系統[4]。

2）微波雷達定位系統

本船配有1套微波雷達定位系統，用于近距離精確測距。本系統利用微波雷達發射微波信號，測得雷達與固定目標反射器之間的距離來直接測得相對距離和方位。本船微波雷達安裝在船舶的羅經甲板，雷達反射器可安裝在如海洋鉆井平臺或FPSO等固定位置。

3）水下聲吶系統

本船配有一套用于ROV跟隨的水下聲吶系統。水下聲吶系統由安裝于船舶底部可伸縮的收發器（HIPAP）與水下信標組成。當水下信標收到收發機發來的聲頻信號，立即啟動發射裝置，反饋一個信號給收發器。收發器收到信號后，它們之間的距離和方位就可以計算出來并傳輸給動力定位控制系統。水下信標安裝于ROV上，從而實現船舶對ROV的跟隨[4]。

上述3套位置參考系統采用不同工作原理，且在動力定位操作中可同時使用。

位置參照系統可根據運行條件、調度方式的限制和工作條件下期望的性能進行選擇。不同的位置參照系統可相互校準。

外部傳感器系統用于船舶姿態檢測、環境風力檢測以及航向檢測。外力傳感器系統包含運動傳感器、風向風速儀和電羅經。

1）運動傳感器

船舶在海上時，受到來自風、浪、和涌等外力，一般從6個自由度來考慮船舶受力：艏搖、縱蕩、橫蕩、縱揺、橫搖和垂蕩（參見圖5）。動力定位系統主要克服來自水平方向外力的影響，即：艏搖、縱蕩和橫蕩；對于縱揺、橫搖和垂蕩并不能被動力定位系統所控制，但可通過運動傳感器檢測出來[4]，并將信息傳輸至動力定位控制系統，由動力定位控制系統對其位置參照系統進行補償。海洋石油791動力定位系統配有2個運動傳感器，對船舶姿態進行檢測。運動傳感器需安裝在振動小、且靠近船舶重心位置處。

2）風向風速儀

風是船舶在海上受到的一個主要外力，因此必須精確測量動力定位船舶所在海域的風速和風向。海洋石油791配有2臺超聲波式風向風速儀（與航行設備共用），滿足動力定位系統對其精度與冗余度的要求。

3）電羅經

電羅經能夠反映精確的船艏數據，本船配有兩臺電羅經，除船舶自動舵使用以外還為動力定位系統提供船舶艏向信號。兩臺電羅經一用一備，備用的電羅經處于熱冗余狀態，在出現故障的情況下，另外一臺可以立即投入使用，從而能夠確保定位系統的精確性。

2 海洋石油791動力定位系統的主要功能

海洋石油791動力定位系統主要用于船舶沿海底管線進行路由調查、ROV定點釋放以及ROV自動跟隨。本船動力定位系統主要包含以下功能：

2.1 自動定位功能

本船可通過動力定位操作站對目標位置坐標（相對坐標或絕對坐標）和艏向進行設置，確認后，船舶會從當前位置自移動到目標位置并保持，艏向也能自動保持到預設的艏向。當船舶偏離目標位置一定距離或預設艏向一定角度后，動力定位系統會發出聲光報警。海洋石油791設置為偏離目標位置3米或偏離預設艏向3°即發出報警信號。

2.2 自動定位最小功耗模式

為了以節約燃料和避免推進器的磨損，海洋石油791可以在最小功耗模式下，即船舶在保持滿足作業需求位置的前提下，推進器以最小的功耗工作。最小功耗模式分為風向標模式和定位圈模式。

在風向標模式下，動力定位系統會不斷調整船舶艏向，使船艏正對外力方向，從而使推進器可以最小功耗保持船位。船舶艏向的方向是有外環境力方向決定的，主要是風和流的影響。

定位圈模式是指在允許船舶在一定范圍內移動的前提下，以目標位置為中心設置定位圈，當船舶因環境外力影響移出定位圈時，動力定位系統會通過推進器將船舶移至目標位置。該模式可減少推進器的功率，從而達到節約燃料、減少排放的效果[5]。

2.3 自動航跡功能

海洋石油791可通過在動力定位操作站輸入航點表或繪制航跡的方式，使船舶自動沿著預先設置的航跡航行。本船自動航跡航行功能主要用于海底油氣管線的路由調查。此功能可大大減輕船員的工作強度并提高了工作效率。

2.4 目標跟隨功能

海洋石油791動力定位系統目標跟隨功能主要用于ROV跟隨。在此模式下，船舶可與目標保持恒定的相對位置。船舶艏向可以是設定的航向也可以自動指向目標。此外，可以在目標周圍設置觀察圈，圈內船舶不移動，當目標移出圈外時，船舶即進行跟隨運動。

2.5 聯合操縱功能

本船的聯合操縱功能通過獨立的聯合操縱桿系統（Joystick），實現對全回轉推進裝置和側推裝置的聯合操縱。聯合操縱桿可實現縱向推力、橫向推力、轉向力矩和這些推力分量的一切組合的控制，同時還具備可選擇的自動艏向控制。在獨立的聯合操縱桿系統中，如出現任一故障會導致操作人員對一臺或幾臺推進器失去控制時，控制器會將上述推進器的推進命令自動歸零，其他未受影響的推進器在操縱桿的控制下，以確保船舶安全。

3 故障模式與影響分析（FMEA）

FMEA的主要功能是說明與動力定位系統有關的系統設備的不同的故障模式，以及發生故障后對動力定位所產生的影響分析。FMEA主要包括：所有系統的主要部件的描述及相互之間的作用；所有的故障模式；探測故障的方法；故障對船位及系統的影響分析等。

圖4 海洋石油791動力定位性能分析圖

FMEA中最嚴重的故障點即最大單點故障。海洋石油791最大單點故障為主配電板匯流排短路引發主配電板BusA或BusB匯流排故障，從而導致一臺艏側推和一臺全回轉推進器丟失，根據FMEA要求，最大單點故障發生時，在規定的最大環境條件下，船舶依靠剩余推進器仍可保持當前位置及艏向。圖4為本船失去一臺艏側推和一臺全回轉推進器時的動力定位性能分析圖。根據分析圖可以判斷在當前工作環境下情況下，船舶是否可以依靠剩余推進器來保證船舶的位置及艏向。

此外，動力定位船舶通過FMEA分析可以找出船舶設計、建造、主要設備和系統中不能滿足IMO和各船級社規范之處，找出潛在故障模式和風險并分析原因，避免在船舶建造階段因為大的改動，重新訂購設備等引起的時間和經濟損失，還能提升船舶的冗余性和安全性能[5]。

4 結束語

船舶動力定位是較為先進的定位技術，并且發展迅速。但是國內船舶動力定位控制系統一直被國外設備商壟斷，比較知名的動力定位設備商有挪威的Kongsberg公司，美國的GE公司，芬蘭的Navis公司以及荷蘭的Praxis公司等。目前，國內對船舶動力定位系統的研究還處于理論研究階段，其研究主要集中在船舶運動模型、控制模型和控制算法等方面，對FMEA的研究較少。近年來，隨著我國船舶與海洋工程的迅速發展，作為船舶及海洋平臺運營基礎技術的動力定位系統必將得到更多的重視和發展。

[1] 王衛衛. 動力定位（DP）系統簡介[J]. 廣東造船, 2014, 33(1): 52-54.

[2] 中國船級社. 鋼制海船入級規范(修改通報)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2014.

[3] 趙志高, 楊建民, 王磊, 等. 動力定位系統發展狀態及研究方法[J]. 海洋工程, 2002, 20(1): 91-97.

[4] 馬超, 莊亞鋒, 陳俊英. 船舶動力定位系統技術[J]. 中國造船, 2010, 50(A11): 52-57.

[5] 沈錦康. 動力定位船舶的FMEA介紹[J]. 江蘇船舶, 2010, 27(3): 26-29, 32.

Failure mode and effect analysis of DP-2 dynamic positioning ships

Qu Zhaoyuan1, Weng Wu2

（1.CNOOC Energy Development Oil Production Service Corporation, Tianjin 300451China; 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064 China）

U674

A

1003-4862（2022）12-0071-05

2022-4-23

曲兆源（1982-），男，工程師。研究方向：船舶電氣與自動化。E-mail：quzhy3@cnooc.com.cn