动力定位系统（精选5篇）
动力定位系统 篇1
1概述
动力定位技术是为了满足上世纪70年代迅速增长的石油勘探工业而诞生的一项新技术。至今, 已有超过1000艘带动力定位功能的船舶, 其中大部分使用在开采勘探油气储量的相关领域。
自二次世界大战结束后, 世界航运界经历了很大的变化。传统的航运模式和贸易发生了巨变, 而且航运界经常使用的商业模式也发生了变化。飞机运输取代了定期客轮贸易, 同时游轮贸易却欣欣向荣。传统的各种货轮也因为集装箱船而衰落, 集装箱船变成了主要的运输船舶。几十年前未见的滚装船和混合轮渡运行于近距离航线。各种散货轮载重巨大, 各国船员操纵着各种船舶。
营运船舶的共性是需要创造利润, 而主要的获利方式是载客海上航行, 减少停泊在港口的时间。船舶设计中, 优先考虑设计航速时 (通常接近最大航速) 最经济, 且在返航时方便靠港, 其次是船舶的机动性, 降低进出港时拖轮的费用。通常货轮装备主螺旋桨和在满功率时优化过的舵, 有的还装备一套首侧推。仅很少一部分货轮具备良好的机动性, 而这类船舶往往是渡轮, 在靠、离岸时能精确可靠操作, 而且每天都要多次靠离。
海洋石油业的诞生带来了新的需求。此外, 进入更深的水域作业, 还要考虑环保的方法, 给动力定位技术和工艺带来了飞跃的发展。
2海上动力定位发展情况分析
海上钻井到上世纪50年代才开始在深水作业。在浅水水域钻井装备可以装在一个自升式的驳船上, 固定住, 通过3条或更多的桩腿提升自己离开海面。在钻井作业时驳船成为一个固定的平台, 无定位的问题。
水深使自升式钻井平台作业明显受限, 而更深水域的驳轮和钻井船将利用四个以上的装在船上的锚和缆绳的系泊系统定位。自升式和系泊式在很多海域仍然使用, 由于水深作业限制以及时间和费用方面非常昂贵, 不可采用。
驳船可以抛锚在很深的水域, 有时也会停泊在深度超过1 000 m的水域工作。但是一旦深度超过500 m, 要考虑运营的经济性, 约有8个锚, 连同拖锚驳船的辅助费用非常高。期间任何一个锚在张紧的时候出问题, 已经放出都必须收回来, 使费用增加。如果水深, 锚泊锁具的数量增多, 相应齿轮负重的配置也需加大, 对拖轮的线长和功率的要求相应增大。钻机一旦定位, 任何一个锚在张紧的时候出问题, 会有一定量的位移, 已经放的锚都必须收回来, 对钻井而言明显缺少机动性。如果需要移动一个位置, 所有的锚都必须拉起再重新放置。小范围的移动可以依靠锚绞设备调整线长, 但缺乏精度。同样, 换艏向也到受限。其他问题是船舶/驳船/钻机使用系锚系统还可能会给水下安装带来风险, 比如铺管等。这些风险在任何深水域都存在, 影响定位方式的选择。在有些区域部分或者全部钻井都使用系锚定位。
二十世纪60年代迫切需要扩大生产和石油有关的能源。这需要勘探开采许多世界未开发的地方。对钻井而言主要的限制是水太深, 在1961年小单体钻井船“Cuss 1”上面使用了至今还在使用的四点系泊定位, 还装了4台手动的可调螺旋桨。利用雷达修正海面浮筒, 利用海底灯光通过声纳修正定位, 该船能在加州和墨西哥湾水深100至3500 m的区域进行钻探。船的位置和艏向控制完全靠手动, 所以这条船不在现在定义的动力定位范围内。第一条满足要求的船是“Eureka”, 1961年建造。该船装有一套简单的模拟控制系统, 接口通过一根张紧的钢丝绳做参考。除了主推进器, 还装备了可向前或向后的推进器, 这艘船排水量450 t左右, 船长39.624m。图1所示。针对钻机定位方法:自升式, 锚泊式, 动力定位—“Eureka”动力定位船。
60年代出厂的船, “Caldrill”, “Glomar Challenger”和“Terebel”等是这项重要新技术的先驱者。早期的技术比较原始, 初期大多数控制器是模拟的, 没有任何冗余的系统。然而确是一个很好的开端。动力定位的特点开始被用于钻井勘察以外的船舶。生产钻井利用隔水管和海底防喷器 (防井喷) , 进行钻取作业, 而通过各种动力定位船仅完成了各种水下支持任务, 包括潜水支持, 其中有部分动力定位功能。仅保持一个固定的位置和艏向是不够的, 还须遵循一个固定的轨迹, 或对某一移动的目标保持相对位置, 以及对潜水装置的支持。只要深水地区有开采目标, 专门的船只迅速完成铺管和挖沟, 敷设电缆和掩埋, 成为将来开采勘探的区域。
3 DP动力定位系统功能及定位能力分析
上世纪70年代末, DP技术趋于成熟和认可。80年代初, 具有DP能力的船舶约有65艘, 到了80年代中期, 数量增加到150艘。至本世纪初 (2003年) , 已经超过了1000艘, 且继续迅速增长。近期, DP功能受到近海油田开采和天然气工业多种船型的关注。
3.1 DP动力定位系统功能
钻井勘探 (岩石取样) 、钻井生产;潜水支持、铺管 (刚性和柔性管道) ;电缆敷设和维修, 多用支持船;后勤保障船, 航道测量;操作测量船, 沉船测量, 救助, 移动;挖泥, 垃圾清理 (管道保护) ;海底安装, 起重操作驳船;井口激励和油井维修, 操作供应船;穿梭油轮, FPSO (浮动式生产, 储存, 卸货船舶) ;重型载货船, 巡航船;集装箱船, 开矿干扰船;海洋调查船, 海底采矿作业;火箭发射平台支持船, 军用支持船 (维修/技术维护支持船) 等。
3.2典型的动力定位船舶
典型的动力定位船舶主要有:CSO Apache-铺管船;Q4000-MSV;OSCA Challenger-井口激励船;动力起重运输船;Queen of the Netherlands-挖泥船;Sea Spider-铺缆船;Thialf-起重船。
以上提到的各种船舶仅涉及到单体船舶, 现在火箭发射平台由半潜式钻井平台“Ocean Odyssey”号改造而成, 用于赤道附近发射人造卫星。同时建造完成护送船, 同样具有DP能力。
近年来, DP系统变得更加先进和复杂, 而且可靠。由于计算机技术的应用使DP技术取得了质的飞跃。定位参考系统和其它外围设备数量多且相当可靠。高冗余度使得船舶能够适应高风险的操作。冗余不仅包括了电气系统, 而且涉及DP系统的每一个元件。具有DP定位能力的先进的船舶, 确保其在机舱, 驾驶台或其它任何舱室发生故障时仍具有定位能力。
某些制造厂已经开始从事DP系统的设计和配套。一些早期系统从美国起源, 像Honeywell和ACDelco, 另外一些系统起源于法国, 如Alcatel和Thomson。目前, 生产领域由英国的Alstom (最初的G.E.C) 和挪威的Kongsberg (以前的Kongsberg Albatross) 瓜分, 某些小公司如Nautronix和ABB也分享了市场。Hollming公司专门为英国皇家海军和沙特阿拉伯海军设计生产了几种小型DP系统。
3.2定位能力比较
与其它定位方式进行比较:如4个或8个锚定位, 平台船首系泊和船尾系泊, 自升式钻井平台设备, 应用DP功能的船舶各有其优点和不足。
3.2.1自升式驳船
自升式驳船优点:不需要动力, 推进器或其它复杂的设备进行定位;驳船的定位能力不受全船失电和电力缺乏的影响。不足:当钻机开钻时不具备机动性;仅适合大概60m的水深;为稳定性需要海床平整 (岩石表面) 。
3.2.2系泊锚固定系统
系泊锚固定系统优点:不需要动力, 推进器或复杂的系统来保持定位能力;船舶的定位能力不受全船失电和电力缺乏的影响;不需要定位参考, 系统崩溃时驳船仍然具有定位能力;没有水下全回转螺旋桨和推进器所带来的危险。不足:当系泊时仅具有有限的机动能力;在移动和系泊时需要拖拽;水深不能超过600m;抛锚时需要大量的时间。
3.2.2动力定位
动力定位优点:船舶为自航式, 在作业的任何阶段均不需要拖拽;简单且快速的定位能力;船舶在作业期间具有很强的机动性, 可以进行快速的移动;天气突变时可以快速响应;在作业期间可根据需求进行快速响应;系统多功能 (轨迹随动和运载随动方案) ;任何水深下的工作能力 (但浅水水域除外) ;快速完成多项任务的能力, 更加经济;避免由于系泊缆系统对海床造成的伤害;在坏天气下锚缆载荷对平台结构的影响非常小。不足:在电力系统故障或不足时非常容易受到损伤;推进器故障时非常容易受到损伤;电气系统故障时非常容易受到损伤 (DP系统非常复杂) ;与系泊系统比较具有全天候的能力;较高的燃油消耗;定位偏移时非常危险;水下操作, 特别是潜水和机器人工作时非常危险;在浅水和强潮汐的工况下容易发生问题;需要持续的定位基准参照.对于危险工作需要全面的冗余布置;需要经过培训的、有经验的、技术能力强的船员。
以上内容表明, 三种方法都有自己的优点和局限性。当使用系泊的方法来定位时有不少优势, 它逐渐成为许多操作的唯一选择。以往频繁使用的固定潜水位置靠近平台结构的方法是放置两个锚头, 回位保证船尾结构在泊线上, 然后船可以停下来锁定所有的桨和推进器, 使潜水作业安全。现在海床经常铺设管道和其他设备, 而且有可能出现在准备抛锚的海域, 或被禁止的一些区域。然而, 新一代的平台结构是按照最轻的重量设计的, 而不是按照船的载荷设计的。尽管动力定位并非完美的选择, 某些位置不适合动力定位操作, 但是在以上的情况下只能选择动力定位系统。浅水区域的动力定位有很多问题, 设计时必须考虑操作安全, 以适合多种环境的作业。
4 DP动力定位系统带来的变化
现代的技术也许会让人们放弃在动力定位区域使用传统的方法去定位。在铺有海底电缆的区域, 例如光纤电缆是很脆弱的。使用动力定位的电缆铺设船就可以避免这些娇贵的电缆被损坏。现代的电缆铺设船都是具有动力定位功能的。
使用动力定位系统可能会导致船舶作业形式的改变, 但客船运营复兴, 使建造客船的大小尺寸变化很多, 为了停靠大部分的港口, 吃水很小, 操作困难。某些港口看起来很小, 不容易进港和离港, 但是这些船装备了动力定位系统, 问题就很容易解决了, 游船可以停靠更多旅游城市的港口了。
动力定位系统给航行值班的船员带来了一系列的挑战。对于有货船、集装箱船、客船或类似船背景的大副来说, 当他进入近海石油相关船的时候, 必须忘记一些原有的技巧和程序, 换以不同的方法来代替。深水船上大副的工作是保证航线的安全———航线上没有别的船或障碍物。在海上油田作业现场, 许多船集中在一个很小的区域里作业, 且经常在不可预料的气候情况下, 相对于海上油田区域的多种图纸来说, 区域的海图变成次要了。东经和北纬在UTM上代替经度和纬度, 租停和故障期间等新名词出现在经济合同中, 船员就像机器中的一个螺丝而已, 驾驶员依靠指令或程序工作。这些船看起来花很多时间在移动物体附近做高危险的作业, 且在不利的上风一侧位置。经常用于安置水下管线, 电缆和其他的设备的区域, 只能使用侧推桨来作业。依靠那些神奇的驱动器取代在航海学校学习的传统的安全技巧。工作环境非常陌生和感觉无助, 但是可靠性和安全性高非常高。
动力定位是一项成熟很快的船舶功能技术。由于许多船型作业的需要, 带动力定位的船舶数量增长很快。有些船型在设计和建造阶段装备了动力定位系统, 例如三用工作船。这些装备了动力定位的船以提供更高可靠性、作业能力和安全性获得较高的经济效益。船在设计阶段增加动力定位系统成本低, 但是将来想改装成带动力定位的, 费用会非常高。
5动力定位控制系统简介
DP动力定位系统 (Dynamic Positioning System) 是一种用于船只艏向控制和自动定位的计算机控制系统。该系统需一个或多个电罗经 (或光纤罗经) 提供艏向数据以控制船只艏向, 并需要通过一个或多个位置参考系统 (如DGPS差分全球定位系统、Radius微波定位系统或Hi PAP水下声纳定位系统) 以测量船只的位置从而实现船只的自动定位。
DP动力定位系统 (Dynamic Positioning System) 主要由以上部分组成:DP操作站、DP控制器、单手柄控制器、单手柄操作面板以及便携式操作面板等。见图2, 系统还包括电源、打印机等辅助设备。
船只的艏向与位置由操作员设定, 经由动力定位系统计算后, 向船只的侧向推进器和主推进器系统发送推力控制信号 (转速或螺距) 。动力定位系统始终以最优化的方式为任何在用的推进装置分配推力以平衡船只所受的外力, 从而达到定位的目的。
该系统在新船设计建造中使用, 也可用于需要改装成带动力定位的船舶。
6结语
船舶DP动力定位系统在漫长的发展过程中有了很大的进步, 特别是计算机控制技术的发展, 给船舶定位功能的发展和安全可靠性提供了有效的保证。随着计算机控制技术的飞速发展, 人们将不断研制成本低, 功能强大, 安全可靠性好的船舶DP动力定位系统。动力定位系统以最优化的方式为任何在用的推进装置分配推力以平衡船只所受的外力, 从而达到定位的目的, 仅是初步的实践。
动力定位在船舶节能方面发挥了巨大的潜力, 适应了船舶作业方式的改变;改善了停靠港口码头的机动性;提高了海上作业的安全性等。
参考文献
[1]赵志高, 杨建民, 王磊, 程俊勇.动力定位系统发展状况及研究方法.中国造船, 2002 (1) .
[2]孟宪尧, 韩新洁, 白广来.海上作业多用途工作船自动控制系统 (一) ——动力定位系统的控制与冗余技术.世界海运, 2004, 03:18-20.
[3]付明玉, 丁福光, 边信黔, 施小成.船舶动力定位系统滤波器的设计与研究.船舶工程, 1996, 06.
[4]王宏健, 边信黔, 丁福光, 常宗虎, 施小成.海底管线检测与维修装置智能综合操纵和动力定位系统.中国造船, 2004, 02:96-101.
浅析动力定位及操作手取证 篇2
关键词：IMCA（国际海事承包商协会） 动力定位 动力定位操作证书
○ 引言
随着动力定位技术（俗称DP）在全世界各国各种类型船舶上的大量推广和使用，DP这个名称对我们来说已经不再陌生，笔者在不同类型的动力定位船上担任船长和DP操作手多年，想通过这样的方式和大家一起分享这些年来自己对动力定位的认识和理解，让国内更多对DP技术及作业感兴趣的朋友参与和加入到我们的DP队伍中来。
1 动力定位（Dynamic positioning）的起源和发展
在全世界范围内，DP的诞生并且迅速成为一种成熟的实用技术，主要是随着上世纪60年代开始海洋油气勘探迅速增长和需求而发展起来的。早在2002年全球就约有1 000多艘具有动力定位功能的船舶而且目前还在不断地新建和壮大，其中多数和油气资源的勘探及开发作业有关。随着全球范围和我国深海资源的发展需要，普通的抛锚定位和其他控制船位技术已经无法满足深水作业的要求，DP技术将会更加广泛地被运用到作业环境恶劣，水深较深的作业区域，这也为DP技术新的发展和更广泛地运用提供了新的机遇。
目前，利用DP船的特有功能和技术可以完成很多的作业，如：海洋矿石钻探采样，海底安装作业，钻井勘探作业，海工吊装，潜水支持，油井维修和改装，海底管线敷设，平台供应，海底电缆敷设，穿梭油轮海上接驳原油，浮式采油装置生产作业，水道测量，重大件货物转运，环球邮轮停泊，沉船勘察打捞和清除，水雷清除，挖泥船作业，海洋科考等等。
2 DP系统的基本原理和组成
DP可以描述为利用一定数量的船舶设备拥有精确控制和移动船位能力的整合系统。DP可以定义为：一种通过主动推进手段专门自动控制船位和艏向的系统。
上述定义包括持续稳定在固定位置，精确移动，跟踪和其他的专业定位能力。如果用一种比较形象的方法来描述DP系统内部不同的构成，可以如图1 所示把系统分成六个部分。
（1）控制部分：包括驾驶室控制台和电脑系统。
（2）位置参考系统：其中主要的有差分定位系统，激光信号系统，水下声纳系统，张力钢丝系统和微波信号系统。
（3）船艏向参考系统：来自一台或多台电罗经的航向信号，以及其他一些综合传输系统的信号。
（4）推进器系统：主要是一些动力执行机构和设备如主推进器、舵、侧推，全回转推进器，推进器控制器等等。
（5）环境因素参考系统：主要有风向风速仪，垂直参考系统（VRU），运动参考系统（MRU）。
（6）电站系统：包括柴油机，发电机，配电板，开关柜，功率管理系统和不间断电源。
所有的这些系统都是围绕DP操作手这个中心，在操作手的控制指令下执行，反馈，分析判断，修正数据和船位等等，以达到利用整个DP系统来精确控制，稳定和移动船位的目的。
3 影响DP系统稳定船位的船体六种自由运动模式
如图2所示，一般情况下船体的主要自由运动有六种模式，DP稳定船位时主要自动控制偏航，横移和前伸后缩这三种自由运动模式，其中偏航确切地来说就是要控制艏向，所有针对这些船体自由运动而进行的控制船位的操作都是DP操作手通过设定船艏向和船位来完成的。同时通过一种或几种位置参考系统来测量船位，一个或几个电罗经提供船艏向信息；经过对目前的实际船位，艏向和DP操作人员设定的船位，艏向之间对比确认其中的误差，DP系统就是通过数据处理和反馈，控制船上的动力系统等将这类误差减小到最小的程度以达到精确稳定船位的目的。
各种原因产生的这一系列误差影响能直接通过其他仪器测量到，DP控制电脑通过补偿方式可以将船位和艏向控制在可以接受的范围内。譬如通过风向风速仪连续测量风力，DP控制电脑可以补偿风的影响。其他的如电缆敷设时的张力影响，对外消防系统运转时的反向推力影响等都可以通过仪器测量数据后由控制电脑来补偿修正。
除了保持船位和艏向，DP系统还可以自动完成单独改变船位或艏向，或同时改变船位和艏向。当船位处于稳定状态时，DP操作手可以通过控制操作面板上的按钮选择一个新的船位，设定移动速度来改变船位；同样，也可以通过输入新的艏向和转动速度来改变艏向；根据作业需要可以任意单独或同时改变船的位置和艏向。
某些DP作业船如挖泥船，铺管船，电缆敷设船等需要按照预先设定的路线移动，DP操作手通过在DP电脑里预置相关的转向点数据，可以很方便地做到这一点。另外有时如使用ROV（水下机器人）作业时，因为ROV一直处于移动状态中而不是在固定位置，DP操作手可以通过设定目标跟踪功能，让DP船和水下作业移动中的ROV一直保持固定的距离，具体说就是如任意设定DP船和ROV之间的距离为50米，当ROV在水下往任意方向移动一米，DP船就会通过电脑控制推进系统自动往同样的方向移动一米，从而达到始终和ROV保持固定相对位置的目的。
4 动力定位（DP）操作证书取证
根据我对相关情况的了解，DP操作手培训一般分四个阶段：
1）参加和按要求完成一次经认可的DP理论基础和认识培训（约一周）；
2）依照航海协会DP值班记录本C部分的规定具备30天的海上DP熟悉经历；
3）参加和按要求完成经认可的DP模拟操作培训（约一周）；
4）在DP作业中按要求完成和记录6个月的DP操作经历并且附有所在船船长的评价；具体见IMCA有关DP操作手证书的相关规定。需要强调的是，在有船长签字的DP记录本（DP LOG BOOK）上对受训者的有关评价也非常重要。
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通常DP培训机构只是让学员做好准备以便在船上的DP操作中获得有关知识。所以即使是完全取得DP操作证书以后其实对于DP操作者来说还是需要不断地学习和积累。另外每一名DP受训者都会被要求保存一本DP记录本，这个记录本将记录整个培训过程和进展，包括了需要学习，理解和在不同阶段的实际应用问题。其中按要求参加和完成DP基础理论认识和模拟培训是取证的必须要求。为取得证书参加的DP操作值班经历由所在DP船的船长鉴定后将被记录在DP操作记录本里。在完成记录本F部分的有关要求后船长将把受训者推荐给负责DP发证的有关组织，并附上认为受训者已具备在DP船上进行DP值班的恰当的声明以取得证书。如果该船长没有持有DP操作证书的话有必要让一名持证的DP操作手在这部分写上认可意见和批注。无论是鉴定DP记录本还是推荐DP受训者，这两者中的任何人都要对受训者已具备成为DP操作手的能力完全感到满意和认可。最后这类培训最好也要有公司制定DP培训专家的认可和签注，这对DP操作手及早取得相关操作证书会有很大的帮助。
DP操作手在DP I船上任职获得的DP证书将会备注为“受限级”。如要取消“受限级”的备注就需要做：
1）最少具备在DP II或III船上3个月以上或同等的DP值班经历，通常2个月在DP I船上的DP值班经历可以等同于1个月在DP II或III船上的DP值班经历。但是这个时间规定必须包括2个月实际在DP II或III船上DP运转时涉及的和DP操作有关的时间。
2）另外有关的工程师必须按要求完成和持有高压电电工操作培训证书。
5 结束语
动力定位技术在我们国家的起步和使用相对较晚，目前和国际上部分地区在技术和使用上我们还有不小的差距，笔者很想通过这样的方式，来介绍和普及DP知识，让更多有志于DP作业的同行和朋友一起来探讨和参与，共同来推动DP技术和实际运用在我们国家进一步更好的发展。
参考文献
IMCA M103 Rev.I December 2007------Guidelines for The Design and Operation of Dynamically Positioned Vessels
IMCA M109 Rev.I February 2004------A Guide to DP –Related Documentation For DP Vessels
IMCA M117 Rev.I February 2006------The Training and Experience of Key DP Personnel
IMCA M154 Rev.I February 2006------Power Management System Study
113IMO（IMO MSC645） ------IMO Guidelines For Vessels With Dynamic Positioning Systems
中国船级社《动力定位系统检验指南》2002版，人民交通出版社
动力定位系统 篇3
船舶动力定位系统是指在不借助锚泊系统与其它外力的情况下, 通过动力定位系统的各种传感器不断检测船舶所在实际位置和所设定目标位置的偏差, 然后根据各种外界扰动力的影响推算出船舶恢复到设定目标所需的推力和推力矩大小, 使船舶可以稳定在海上的目标点[1]。如今海洋资源越来越受到国际青睐, 船舶动力定位技术也越来越受到造船工业的重视。船舶动力定位系统受环境因素影响很大、具有多个自变量、耦合性非常强的非线性模糊系统, 如何对船舶动力进行定位设计, 受到船舶动力设计工程师的重视, 各种技术也不断应用到船舶动力定位设计上。
本文利用自适应模糊算法对于复杂的控制系统具有明显效果, 基于自适应模糊算法对纵荡、横荡、艏摇三个方向分别用三个独立的控制器来进行控制。通过设计自适应的模糊算法, 跟传统的PID算法相比, 控制效果要好很多, 自适应的模糊算法可以有效提高船舶动力定位系统的抗干扰能力和定位精度, 在实际船舶动力定位系统设计中具有推广应用价值。
1 自适应模糊算法介绍
一般对于复杂大型系统来说, 精确控制对象, 准确数学表达或数学模型很难得, 受到影响因素和干扰变量非常多, 无法进行定量计算和分析, 所以精确控制也无从谈起。模糊算法近几年受到工程师的高度重视和大规模应用。模糊算法, 是指在控制系统中用模糊数学和专家系统来表达非线性的表达的对象, 进而用这种模糊的逻辑来进行系统控制器的设计, 模糊算法是一种比较特殊的、被数学定量表述的非线性的控制。
不同模糊集合中的元素, 组成的集合一般用隶属度函数来表示[2]。隶属度函数有多种多样的形状[3]。隶属度函数一般常用的有钟形、梯形、三角形、高斯型隶属度函数, 其中最为常用的是三角形。自适应模糊算法是在模糊算法中加入自适应控制, 会对被控对象进行自适应的模糊控制, 这种算法具有自适应性和鲁棒性, 用自适应实时学习被控对象的各种动态的变动, 把这种学习来的实时变化性自动的实时调整模糊控制器, 所以系统的鲁棒性会更加强。该算法具有良好的通用性, 可以把控制策略和被控对象的动态学习及时加入到控制系统中。
2 定位系统控制器设计
模糊算法的核心思想是把系统输入进行模糊化处理, 把专家系统用IF-THEN规则进行表达, 经过模糊算法进行推理就可以得到模糊控制的结果, 然后把模糊输出转化为实际的输出变量, 作用于模糊控制器, 就可以实现模糊控制了。
船舶动力定位中, 为了更好建立数学模型, 在动力定位系统控制器设计中, 对纵荡、横荡、艏摇三个方向分别用三个独立的控制器来进行控制。这里假设纵荡、横荡、艏摇三个方向的耦合为零。系统的输入为:纵向控制器上输入是纵向位置的预测偏差及偏差变化率, 横向控制器上输入为横向位置的预测偏差及偏差变化率, 艏向控制器的输入是艏向的预测偏差及偏差变化率。系统的输出为纵向、横向、艏向三个方向的推力指令。
对于船舶在复杂海况下的动力定位, 自适应的模糊算法控制器控制变量主要是船舶的实际位置和目标位置的偏差, 船舶实际艏向和目标艏向之间的偏差。为了反映船舶对于目标位置的实际运动变化, 必须考虑船舶的横向、纵向的速度因素, 船舶艏摇的角速度信息。只有这样才能得到更合理的动力定位控制。
通过系统设计, 用MATLAB进行仿真实验, 设计的自适应模糊算法的动力定位系统控制器可以很好的控制船舶动力定位, 并具有稳定性, 控制效果比较好, 设计的控制器具有较高的鲁棒性。
3 结语
本文主要针对船舶动力定位不确定性因素, 提出自适应模糊控制方法, 通过纵向、横向、艏向三个方向控制器的设计, 经过MATLAB仿真实验, 证明该算法的设计具有较好的船舶动力定位能力, 加入系统干扰后该算法具有较高的鲁棒性。
摘要：文章基于自适应模糊算法对纵荡、横荡、艏摇三个方向分别用三个独立的控制器来进行控制, 有效提高船舶动力定位系统的抗干扰能力和定位精度。
关键词：自适应,模糊算法,动力定位
参考文献
[1]齐亮.船舶动力定位系统的广义预测控制方法研究[J].中国造船, 2010 (3) :20-21.
[2]周利.动力定位控制系统研究[J].船海工程, 2008 (2) :35-36.
下一代穿梭油船需要先进动力定位 篇4
Teekay公司10.9万dwt的Amundsen级DP2穿梭油船在持续的海上装货物流方面树立了新的标杆。对这些船舶, 最重要的是要具备卓越的定位能力。为此采用了3台大型可伸缩RollsRoyce推进器, 输出功率为2200kW, 还有1台固定的隧道推力器, 使得这种功率强大的船舶能进行先进的动力定位操作。为了提高操纵性, 采用2只6.2m直径的可调螺距主螺旋桨, 并配合使用大升力的先令舵。
这些船舶通常离FPSO 70m或80m。FPSO可以是传统型的, 或者是新型圆形的, 所以保持距离非常重要。最重要的是保持船首迎风, 控制好船首方向。通过采用带变频器的固定螺距推进器, 以及选用有电子控制的MAN6S50MC-C型主发动机, 用方位推进器使船保持船位。如果天气条件恶化, 主机在几秒钟之内就从空载状态切换到正常运转状态。
Statoil公司租用了3艘Amundsen级油船, 要求增大压载水的装载量, 以应对恶劣的运营环境。更多的压载水意味着在开始海上装载的时候船舶吃水较深, 这样, 专用的隧道推进器不会发生空气吸入现象。船上也安装有压载水管理系统, 船舶在运输过程中可以进行压载水的交换。
从环境保护的方面来看, 2台MAN 6S50ME-C型主发动机和所有的发电机组都满足Tier II要求, 以适应2012年l月生效的法规。Aalborg供应的热油加热器满足加温的需要。
为了降低挥发性有机化合物 (VOC) 的排放, Amundsen级穿梭油船装备了KVOC和CVOC系统。KVOC是挪威Knutsen Shipping公司的专利技术, 其性能在北海得到了证明, 它能在装载过程中减少VOC的汽化。原油流经前甲板上的艏装载系统到达第4货舱, 在通过KVOC系统后流下到货舱内。
KVOC的原理是减小管道内流动的原油在掉入空货油舱时发生的压力突降。这个原理与啤酒倒入玻璃杯时的情况类似:如果玻璃杯斜放, 出现的泡沫要比玻璃杯直放的时候少得多。
货油舱也设计有较高的舱压, 以减小VOC的汽化速率。船舶在运输过程中的货舱内通风是封闭的。汽化的VOC注入到货油舱的底部, 那里压力最高, VOC再度被原油吸收。
紧凑的蒸汽回收系统CVOC系统在船舶运输过程中减少VOC排放。GBA Marine公司这种有专利的圈状吸收器装置在船舶航行过程中把货舱顶部的气体回收, 把它与货油混合, 由货油吸收。CVOC系统是一种简单的循环泵系统, 汽化出来的VOC气体被泵进一个封闭的环路, 再注入到原油中, 而老式的油船是把它通到大气里。
穿梭油船领域里另一个重要的榜样是70000dwt的“Mikhail Ulyanov”号。2010年2月, Admiralty船厂把这艘船交付给Sovcomflot公司, 它已经运营了18个月。它是2艘姊妹船中的第1艘, 设计在最严酷的环境下运营:从Pechora海的Prirazlomnoye油田穿梭运输原油到系泊在Murmansk外海面上的浮式储存卸载设施。
在隆冬季节, 那里会有l.2米多厚的冰层。全年运营不停, 一年中平均有冰日为213天, 气温可以降到-46℃。这个油田预计能生产22年。
开始的时候想用阿芙拉型船, 但是最后选用了较小的船型, 因为考虑到了平台位置水深较浅时的吃水和尾部装载的效果, 那里有抗冰平台的支撑梁嵌入的危险。结果是, 这艘独特的船吃水减小到不到14米, 采用艏装载系统。
“Mikhail Ulyanov”号总长257m, 宽34.0m, 深2l.6m。总货舱舱容为87029m3, 独立的压载水舱35200m3。货舱配备10台Marflex电动深井泵, 污水舱用2台电动深井泵。
船上的艏装载系统是为Prirazlomnoye平台的原油直接卸载装置专门定制的。Maritime Pusnes公司的这套系统装载速度为每小时10000立方米, 它与需要用北海型艏装载方式的所有其它海上装载设施兼容。
这2艘Prirazlomnoye油船的船体线型由Aker Arctic技术公司开发。它们基于双向作用操作原理, 能在正常气候状况的平均积冰条件下全年独立航行, 采用柴-电吊舱式推进装置。
正当穿梭油船市场呈现繁荣景象的时候, 一种后穿梭 (postshuttle) 油船的方案正在开发之中。在挪威Haugesund的Aibel船厂建造的HiLoad DP No 1号是第l艘具有新一代海上装载系统的船舶。通过一些先进的技术, 包括Remora公司有专利的HiLoad固定系统和Kongsberg Maritime公司的综合自动化系统, 这艘船能控制一艘自身不带推力器或动力定位系统的标准油船的船位。
尽管外观独特, HiLoad号能依靠自身动力移位, 所以能部署到任何油田。它能用来从FPSO上安全高效地把原油运送到任何尺度和任何类型的油船上, 有效替代穿梭油船。
HiLoad号的动力管理系统是Kongsberg Maritime公司的最大技术难题之一。因为HiLoad号有3台推进用发动机, 每台都带有1台轴带发电机。而且船上用大型压载水泵, 必须并联运行所有的轴带发电机, 才能确保电网内有足够的功率。发动机一端驱动可调螺距方位推力器, 另一端是发电机, 二者组合在一起, 这样使得负载分配极其困难。为了应付这一难题, Kongsberg Maritime公司的工程师修改了他们的软件。
通常动力管理系统设置是通过外部调速器, 以补偿下降模式控制标准柴油发电机。用数字式转速涨落脉冲实现转速调节, 其围相当窄, 例如58～62Hz。而HiLoad号装备了共轨型推进发动机, 转速控制信号的范围是650～1944r/min。因为推进器必须在空载状态下也连接, 所以动力管理系统不得不在全部转速范围内实现控制。现在不用外部调速器来控制转速, 在动力管理系统与每l台卡特彼勒发动机之间实现直接的控制信号连接。由于推力器螺距的快速改变会引起转速的变化, 影响到了负载分配。正常情况下, 2台或2台以上发电机间分配负载的时候, 控制死区为负载的l%～2%是可以接受的。
HiLoad号的电力负荷相比于它的发动机的尺度非常低, 负载分配更加困难。最后, 通过让轴带发电机并联运行, 在电网中占总功率仅为50～100kW。
K-Chief公司的船用自动化设备监控压载水、动力管理系统和推力器控制, 以及机械设备和舱底水系统。从许多方面来看, 它都是一个大型的网络:有大约2500个输入/输出信号, 现场测量点遍布全船, 互相连接, 通过一个有冗余度的网络连接到驾驶室的操作站。
HiLoad号单独在海上和它连接到油船, 在FPSO旁装载原油的时候, 一套K-Pos动力定位系统控制它的船位。因为这种应用是全新的, Remora公司和Kongsberg Maritime公司已经为DP系统开发出了一批独特的操作进程。
动力定位系统 篇5
随着全球经济的快速发展, 对石油的需求量与日俱增, 人类已经将目光投向了深海。具备动力定位能力的深海钻井平台已经成为人类获取深海石油的重要途径和手段。深海钻井平台由于长期处于远海作业, 设计要求至少十年以上不入港维修, 因此对平台的稳定性和可靠性要求都非常严格, 所有动力定位平台在海上试航期间都必须进行FMEA试验。本文以“创新者号”GM4000型深海钻井平台为实例介绍FMEA的概念分析方法、流程以及编写FMEA分析报告和冗余度验证试验程序的基本内容。
1 基本概念
1.1 FMEA
FMEA (Failure Modes and Effects Analysis) 是一种可靠性设计的重要方法。它是FMA (故障模式分析) 和FEA (故障影响分析) 的组合, 对各种可能的风险进行评价、分析, 以便在现有技术的基础上消除这些风险或将这些风险减小到可接受的水平。
1.2 动力定位系统
动力定位系统Dynamic Positioning System是海洋工程船舶的一种定位方法, 使用卫星、声呐等测定船位, 再利用自动控制系统, 发出指令, 控制全回转推进器来保证固定在相对位置。动力定位的附加标志为DP-1、DP-2、DP-3三种, 其中DP-1级别最低, DP-3级别最高。“创新者号”GM4000型深海钻井平台采用最高等级DP-3动力定位。船级社授予不同的动力定位附加标识, 其要求的设备配置也不同, 主要区别在设备配置的冗余度上, 图1为典型的GM4000型钻井平台动力定位组成:
1.3 动力定位系统的FMEA
动力定位系统的FMEA的主要目的是帮助评估钻井平台动力定位系统的冗余度, 显示在故障模式下平台的位置保持能力, 模拟和仿真的背景是所有设备都会故障, 或将发生故障。同时, FMEA也会检查动力定位系统是否满足DP-3的要求。
FMEA必须包括:
(1) 系统描述; (2) DP系统的单线图; (3) 每个独立设备在物理和功能上描述和相关联的故障模式; (4) 整个动力定位系统中每个故障模式影响的描述 (5) 概论, 总结和推荐; (6) 排除故障的方法; (7) 操作上的限制
2 FMEA分析方法
2.1 FMEA分析流程
(1) 对进行FMEA的动力定位系统进行定位; (2) DP系统、电力系统的单线图说明各系统、各设备之间的关系; (3) 确定所有故障模式和他们之间的因果关系; (4) 判定所有故障对平台定位的影响; (5) 明确发现各种故障的检测方法; (6) 正确评估各种故障模式; (7) 完成FMEA分析报告和验证试验程序提交船级社审查。
2.2 FMEA分析报告
当动力定位系统发生某个单一故障时候, 这个故障可能无影响, 或对系统局部产生影响, 或对系统整体产生影响。
FMEA会用专门工作表进行分析和记录, 如表1所示:
“创新者号”GM4000型深海钻井平台DP系统FMEA分析报告基本内容如下:
2.2.1 动力系统
分析主发电机单机的控制及辅助系统的配置冗余度是否满足DP-3的操作要求, 在考虑单故障的条件下不能引起其他主机的故障, 这里涉及电源的冗余配置及元器件或设备的冗余是否满足DP-3要求.
2.2.2 配电系统
分析6.6k V主配电板, 690V配电板、440V配电板, 230V配电板, 和690V、230V应急配电板失效故障情况, 以及发生故障后替代系统或设备冗余度是否满足DP-3要求。同时应注意各区域配电板DP控制系统的电力分配。
2.2.3 推进器系统
分析因推进器失控而导致平台失去原本位置的可能性。注意包含推进器生产厂家对设备的FMEA。
2.2.4 辅助机械系统
分析包括为DP相关设备服务的平台空气系统、推进器管路系统、起动空气系统、燃油、滑油系统、冷却系统、空调通风系统等。
2.2.5 动力定位控制系统
分析DP控制系统网络的冗余度和包括动力定位参照系统在内的所有DP控制系统设备的冗余情况是否满足DP-3要求。为满足要求“创新者号”GM4000型深海钻井平台设计了1套主DP和1套备用DP系统组成DP控制系统。
2.2.6 涉及DP系统的舱室物理分隔和布置
分析评价机舱、推进器舱、配电间、控制室和其他与DP相关的舱室物理分隔是否满足DP-3的要求。如图2中动力和推进装置舱室的分隔。创新者号上采用A60物理分隔来达到要求。
2.3 FMEA冗余度验证试验程序
“创新者号”GM4000型深海钻井平台DP系统的FMEA冗余度验证试验按如下:
系统和操作模式来验证可能潜在失效故障模式
2.3.1 发电系统
考虑操作工况在DP模式下6.6k V主配电板分两段运行每段至少2台主机运行6台推进器同时在线。
(1) 行时考虑失去1台主机不会引起全船黑起动; (2) 动调压器失效故障不会引起1台以上主机脱扣跳闸; (3) 考虑主机调速器失效、主机调速器控制单元失效等DP不失位。
对于主发电机组来说故障模式主要参考了主机设备生产厂家对设备的FMEA验证程序。
2.3.2 配电系统
考虑配电板的故障模式主要是母排短路、母排断路器故障、配电板室失火或淹舱、UPS不间断电源故障等, 当发生故障后对电力平衡分配负载转移等的影响是否会导致DP失位。
按如下几个部分进行验证试验:
(1) 分别对6.6k V主配电板、690V、440V配电板、230V配电板, 690V和230V应急配电板的每一段进行失效故障模拟测试考查设备及系统的冗余度是否满足DP-3要求; (2) 分别验证每段6.6KV主配电板的辅助电源如UPS, 每个推进器的UPS, 主机控制板的UPS, 主DP系统UPS和备用DP系统UPS的设备冗余度; (3) 验证PMS电站管理系统中单个就地操作站失效故障不能引起全船黑启动在分4段运行模式和2段运行模式下模拟此类失效故障; (4) 推进器系统。验证推进器调速装置由于失电或失去控制信号等原因失效故障不会导致DP失位。主要参照推进器生产厂家对设备的FMEA; (5) 辅助机械系统。主要通过隔离来自杂用空气和起动空气系统的空气供应并释放控制空气管线压力来模拟仪表控制空气供应失效故障验证其不会对DP造成影响导致失位另外验证1台主机海水冷却系统或淡水冷却系统失效故障不会导致DP失位; (6) 动力定位DP控制系统。验证DP控制系统的冗余度主要通过切断相关设备的供电模拟设备失效故障。主要参考DP控制系统设备生产厂家的FMEA。分别对如下设备或系统进行验证: (1) DP控制器的冗余度测试包括对主控制台、备用控制台、DP控制按钮、报警指示灯等设备进行失效故障验证试验。 (2) 控制网络的冗余度测试包括对网络分配单元、信号采集柜等设备失效故障验证试验。 (3) 验证应急关断系统控制柜和火气系统控制柜单失效不会导致动力定位失位。 (4) 验证DP参照系统设备的冗余度, 包括DGPS差分全球定位系统、声纳测深系统、电罗经系统、位移参考参照单元、风速风向仪系统等设备的失效故障测试。 (5) 舱室物理分隔和布置。分别验证单舱故障失效包括推进器舱、机舱、配电间、泵舱、控制室和其他与DP相关的舱室单舱失效时不会导致丧失动力定位功能, 即自动保持平台的位置和方向。上述各舱室间采用A60级防火材料进行物理分隔以避免火势蔓延到相邻的舱室。
3 结束语
在“创新者号”GM4000型深海钻井平台上运用FMEA方法对DP系统进行故障模式与影响分析, 验证了其DP系统的稳定性、安全性, 并能及时发现潜在故障危险并处理, 为钻井平台在海上安全可靠的生产提供了良好的保障。
摘要：以中远船务工程集团有限公司生产建造的“创新者号”GM4000型深海钻井平台为实例, 阐述FMEA (故障模式与影响分析) 对动力定位钻井平台进行分析的概念和流程, 以及FMEA分析报告和冗余度验证试验程序的内容。
关键词：FMEA故障模式,影响分析,DP动力定位,冗余
参考文献
[1]卫卫, 动力定位DP3附加标志在钻井平台上的设计与应用[J], 船舶, 2009 (8) ;34-41