王 偉， 任勁松， 王愛(ài)武， 郭金釗， 張建國(guó)， 林永章

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

國(guó)產(chǎn)首套DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)系泊試驗(yàn)內(nèi)容及方法

王 偉， 任勁松， 王愛(ài)武， 郭金釗， 張建國(guó)， 林永章

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

介紹了國(guó)產(chǎn)首套DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)基本構(gòu)成、試驗(yàn)船型選擇基本方案及系泊試驗(yàn)的方法，詳細(xì)描述動(dòng)力定位系統(tǒng)系泊試驗(yàn)階段關(guān)鍵工作的試驗(yàn)方法，有效減少由于技術(shù)準(zhǔn)備不充分造成海上試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)安全的風(fēng)險(xiǎn)，保證動(dòng)力定位系統(tǒng)海試工作順利進(jìn)行，對(duì)國(guó)產(chǎn)動(dòng)力定位系統(tǒng)系泊試驗(yàn)工作具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

動(dòng)力定位系統(tǒng) 系泊試驗(yàn) 試驗(yàn)方法 國(guó)產(chǎn)化

1 引言

21 世紀(jì)人類將全面步入海洋經(jīng)濟(jì)時(shí)代, 占地球總面積2/3 以上的浩瀚大海里, 有極其豐富的海水化學(xué)資源、海底礦產(chǎn)資源、海洋動(dòng)力資源和海洋生物資源，這些資源促使人們對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)和探索的范圍越來(lái)越廣，其中動(dòng)力定位技術(shù)作為深海作業(yè)裝備必備的高新技術(shù)，越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)重視，可以說(shuō)，作業(yè)船舶或平臺(tái)要想在深海穩(wěn)定、可靠工作，必須安裝動(dòng)力定位系統(tǒng)，隨著國(guó)家海洋開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，越來(lái)越多的船舶或平臺(tái)將被配備動(dòng)力定位系統(tǒng)，以滿足作業(yè)需求。

2 國(guó)產(chǎn)DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)發(fā)展介紹

2.1 系統(tǒng)組成及基本原理

動(dòng)力定位系統(tǒng)一般包括：動(dòng)力系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng)四個(gè)部分，可使船舶不借助于錨泊系統(tǒng)的作用，而利用自身裝備的各類傳感器測(cè)出船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與位置變化，以及外界風(fēng)力、波浪、海流等擾動(dòng)力的大小與方向，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)時(shí)計(jì)算后，使控制船舶主副推力裝置產(chǎn)生適當(dāng)?shù)耐屏εc力矩，以抵消擾動(dòng)力，從而使船舶盡可能保持目標(biāo)船位與艏向。

2.2 國(guó)內(nèi)動(dòng)力定位系統(tǒng)發(fā)展概述

我國(guó)對(duì)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的研發(fā)尚處于起步階段，雖然近幾年加快了研發(fā)步伐，但總體水平與國(guó)外相比差距明顯。主要表現(xiàn)在，動(dòng)力定位核心控制器及卡件、控制系統(tǒng)軟件方面存在不足；吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)、大功率全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)配套外圍傳感器等設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面能力有所欠缺。

近年來(lái)，上海交通大學(xué)、振華港機(jī)、哈爾濱工程大學(xué)等院?；蚱髽I(yè)都在進(jìn)行動(dòng)力定位技術(shù)攻關(guān)，而哈爾濱工程大學(xué)在動(dòng)力定位方面的研究走在了國(guó)內(nèi)的前列。早在1998年研發(fā)出國(guó)產(chǎn)第一套DP1系統(tǒng)，并已成功應(yīng)用到海軍船舶上；十二五期間，由哈爾濱工程大學(xué)、海洋石油工程股份有限公司、中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司708研究所及武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司共同研制DP3系統(tǒng)，在歷時(shí)4年技術(shù)研發(fā)后，獲得了巨大的技術(shù)突破，研制出了DP3級(jí)系統(tǒng)工程樣機(jī)，已于2013年8月初完成海上實(shí)船試驗(yàn)，功能上能夠與KONGSBERG系統(tǒng)媲美，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定位、定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)、循跡、目標(biāo)跟蹤、自動(dòng)艏向、定橫、定縱及綠色DP等多項(xiàng)功能，在能力上完全滿足實(shí)際工程需要，技術(shù)上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平， 順利通過(guò)國(guó)家工信部驗(yàn)收。

2.3 國(guó)產(chǎn)DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)的組成

圖1為國(guó)產(chǎn)DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)組成。

圖1 國(guó)產(chǎn)DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)組成

3 系泊試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1 FAT試驗(yàn)

工程樣機(jī)在上船安裝前，要做充分的出廠測(cè)試，檢測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)功能是否滿足研制書(shū)要求，軟件工作是否穩(wěn)定，提前發(fā)現(xiàn)軟件Bug或硬件故障可減少后續(xù)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)故障率，為設(shè)備安裝創(chuàng)造良好條件。

3.2 設(shè)備就位檢查

各系統(tǒng)設(shè)備在安裝過(guò)程中即要執(zhí)行檢驗(yàn)程序，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙的要求進(jìn)行定位，做好設(shè)備完好性、電纜接線、校線及絕緣等檢驗(yàn)工作，嚴(yán)格遵照船用設(shè)備安裝規(guī)范，報(bào)請(qǐng)第三方檢驗(yàn)，針對(duì)此階段工作，我們做了詳細(xì)的檢驗(yàn)管理程序，包括設(shè)備檢查及線路檢查兩個(gè)方面，嚴(yán)格落實(shí)程序的檢驗(yàn)要求，控制施工質(zhì)量，良好的機(jī)械完工狀態(tài)無(wú)疑給后續(xù)試驗(yàn)帶來(lái)極大方便，節(jié)省項(xiàng)目工期。

3.3 機(jī)具文件準(zhǔn)備

為做好碼頭測(cè)試工作，需有必要的文件支持，諸如DP3控制系統(tǒng)樣機(jī)布置圖、電氣接線圖；國(guó)產(chǎn)DP3控制系統(tǒng)工程樣機(jī)操作說(shuō)明書(shū)； 傳感器及位置參考系統(tǒng)技術(shù)資料；目標(biāo)船舶動(dòng)力系統(tǒng)及推進(jìn)器系統(tǒng)技術(shù)資料等，這些文件是碼頭測(cè)試效果的保證，常用的測(cè)試工具有過(guò)程式檢測(cè)表、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀、絕緣表及示波器等測(cè)試設(shè)備。

3.4 碼頭工作準(zhǔn)備

碼頭準(zhǔn)備涉及到傳感器和控制柜的安裝，其中最重要的工作是確定原船DP2動(dòng)力定位控制系統(tǒng)與推進(jìn)器和發(fā)電機(jī)的信號(hào)類型和端口，并制定HDP與推進(jìn)器和發(fā)電機(jī)的接線方式。

(1) 確定原DP2與推進(jìn)器和發(fā)電機(jī)的信號(hào)類型。原船DP控制箱與推進(jìn)器之間的信號(hào)通過(guò)有兩個(gè)接線箱連接，為確認(rèn)原船DP系統(tǒng)與推進(jìn)器、發(fā)電機(jī)的接口信號(hào)正確，需要核對(duì)每個(gè)接口對(duì)應(yīng)的DP2控制器其每個(gè)通道信號(hào)是否一致；需要校對(duì)接線箱到DP控制箱模塊的線，確認(rèn)其每個(gè)通道的信號(hào)類型；拆接線箱每個(gè)通道的信號(hào)線；模擬輸入模擬信號(hào)，判斷輸入電流信號(hào)或電壓信號(hào)是否得到正確的結(jié)果；最后在Kongsberg DP操作臺(tái)上查看每個(gè)通道信號(hào)類型、信號(hào)數(shù)值或顯示數(shù)值，確保信號(hào)類型正確。

(2) 拆除原系統(tǒng)線纜。為確保拆線工作不影響原系統(tǒng)恢復(fù)以后的工作，對(duì)原船DP的兩個(gè)接線箱JB1和JB2需嚴(yán)格校對(duì)，制定周密的拆線方案，確保信號(hào)線引入新系統(tǒng)準(zhǔn)確無(wú)誤，保證后續(xù)試驗(yàn)順利進(jìn)行。

4 系泊試驗(yàn)內(nèi)容及方法

4.1 控制系統(tǒng)各設(shè)備功能及接口測(cè)試

(1) 動(dòng)力定位操作臺(tái)測(cè)試。主要檢查操作臺(tái)計(jì)算機(jī)各部件連接狀態(tài)，操作臺(tái)間冗余性，人機(jī)界面顯示狀態(tài)，面板按鈕、指示燈和蜂鳴器等工作狀態(tài)，確保鼠標(biāo)、手柄、航向設(shè)定旋鈕能夠按照要求執(zhí)行動(dòng)作；CAN 及以太網(wǎng)絡(luò)通訊及系統(tǒng)報(bào)警功能。

(2) 操縱桿操作終端(JOT)測(cè)試。檢查液晶顯示器工作狀態(tài)，顯示頁(yè)面完備；面板按鈕、指示燈和蜂鳴器正常工作，手柄、航向設(shè)定旋鈕等能夠按照設(shè)定要求進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，確保CAN及以太網(wǎng)絡(luò)通訊正常，確保報(bào)警系統(tǒng)工作良好。

(3) DP3/DP1/IJS系統(tǒng)控制柜試驗(yàn)。測(cè)試DP3/DP1控制器工作狀態(tài)及冗余性，冗余仲裁模塊工作正常，控制器切換動(dòng)作正常，輸入輸出通道工作良好，測(cè)試“串口-以太網(wǎng)服務(wù)器”工作狀態(tài)，信息接收無(wú)誤。

(4) 現(xiàn)場(chǎng)工作站(FS)試驗(yàn)。測(cè)試兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)工作站的接口工作狀態(tài)，確保推進(jìn)器、發(fā)電機(jī)控制和反饋命令接口計(jì)算機(jī)工作正常，全部輸入輸出通道(串口、I/O、A/D、D/A)工作良好，系統(tǒng)切換開(kāi)關(guān)及信號(hào)切換板工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠。

(5) 系統(tǒng)隔離箱及控制權(quán)切換箱試驗(yàn)。測(cè)試串口隔離分配器工作狀態(tài)，原船系統(tǒng)及國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)切換開(kāi)關(guān)工作正常，切換功能良好，能夠?qū)崿F(xiàn)在線切換，工作穩(wěn)定可靠，測(cè)試切換開(kāi)關(guān)指示燈。

(6) UPS試驗(yàn)內(nèi)容。UPS系統(tǒng)主要測(cè)試設(shè)備維護(hù)開(kāi)關(guān)，輸入輸出電壓，電池工作狀態(tài)，逆變輸出，絕緣監(jiān)測(cè)正常及通訊等方面，確保UPS系統(tǒng)能夠穩(wěn)定持續(xù)供電，在船上失效的狀態(tài)下，至少保持系統(tǒng)工作30 min以上，滿足船用UPS系統(tǒng)規(guī)范要求。

4.2 傳感器功能和接口測(cè)試

(1) 風(fēng)傳感器試驗(yàn)。主要測(cè)試數(shù)據(jù)輸出格式、輸出單位、更新率設(shè)置，確保風(fēng)向數(shù)據(jù)輸出正常(與其他風(fēng)傳感器比較)，風(fēng)速數(shù)據(jù)輸出正常(與其他風(fēng)傳感器比較)，DP系統(tǒng)無(wú)數(shù)據(jù)接收?qǐng)?bào)警等內(nèi)容，確保風(fēng)速傳感器單個(gè)失效的狀態(tài)下，不影響系統(tǒng)工作。

(2) 運(yùn)動(dòng)傳感器(MRU)試驗(yàn)。運(yùn)動(dòng)參考單元主要測(cè)試數(shù)據(jù)輸出格式、更新率、濾波參數(shù)設(shè)置，安裝幾何位置(從運(yùn)動(dòng)傳感器到船重心位置必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格修正)，能夠真實(shí)反映船舶縱搖、橫搖誤差，保證系統(tǒng)修正數(shù)據(jù)正確，確?？v搖/橫搖數(shù)據(jù)及正負(fù)方向輸出正確(可參考其他運(yùn)動(dòng)傳感器輸出)，測(cè)試系統(tǒng)無(wú)數(shù)據(jù)接收?qǐng)?bào)警功能。

(3) 羅經(jīng)(GYRO)試驗(yàn)。羅經(jīng)主要測(cè)試數(shù)據(jù)輸出格式(DP、DGPS、HiPAP系統(tǒng))、更新率、系統(tǒng)型式設(shè)置是否正確，羅經(jīng)速度輸入、位置輸入(自動(dòng)GGA)、時(shí)間輸入(自動(dòng)ZDA)設(shè)置參數(shù)正確，羅經(jīng)相對(duì)船艏安裝誤差要嚴(yán)格修正，確保羅經(jīng)工作參數(shù)指示正確，判斷羅經(jīng)通電后，陀螺球電流瞬間不得超過(guò)550 mA，穩(wěn)定工作后降至300 mA 以下，艏向數(shù)據(jù)輸出檢查(可參考其他羅經(jīng)輸出)。

(4) DGPS測(cè)試。DGPS是動(dòng)力定位系統(tǒng)關(guān)鍵的位置信息提供設(shè)備，碼頭試驗(yàn)主要校核其安裝位置與船體幾何中心之間的換算關(guān)系，須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)算，并確保準(zhǔn)確無(wú)誤；核對(duì)位置信號(hào)是否存在并正常，判斷位置信號(hào)格式、數(shù)據(jù)更新率、定位算法是否正確，差分天線是否工作正常，確保GPS設(shè)備工作穩(wěn)定可靠，當(dāng)數(shù)據(jù)人為中斷時(shí)，可正常發(fā)出報(bào)警提示，系統(tǒng)可自動(dòng)剔除該GPS數(shù)據(jù)。

(5) HIPAP水聲定位系統(tǒng)測(cè)試。水聲定位系統(tǒng)是動(dòng)力定位系統(tǒng)中有一個(gè)位置參考設(shè)備，其工作原理是通過(guò)放入海底的應(yīng)答器與安裝在船底的信號(hào)接收器(換能器)實(shí)時(shí)通訊，判斷船體相對(duì)移動(dòng)位置，這是一種測(cè)量相對(duì)位置的設(shè)備，是不同工作原理的位置傳感器，符合規(guī)范要求；該設(shè)備測(cè)試時(shí)，主要關(guān)注HIPAP安裝與船體幾何中心位置的坐標(biāo)關(guān)系，測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)格式、更新率是否正確，檢查傳入HIPAP中的羅經(jīng)信號(hào)和GPS信號(hào)是否正確，當(dāng)數(shù)據(jù)中斷時(shí)，是否正常發(fā)出報(bào)警。

4.3 動(dòng)力系統(tǒng)接口測(cè)試

國(guó)產(chǎn)動(dòng)力定位系統(tǒng)測(cè)試的目標(biāo)船舶是海洋石油299船，該船配備4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)及2臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)，為4個(gè)側(cè)推及2個(gè)主推供電。為確保航行試驗(yàn)的順利進(jìn)行，在碼頭期間完成動(dòng)力系統(tǒng)的接口測(cè)試意義非常重大，確保國(guó)產(chǎn)動(dòng)力定位系統(tǒng)供電正常，避免意外產(chǎn)生。故動(dòng)力接口測(cè)試需完成國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)信號(hào)采集型式與原船發(fā)電機(jī)給出的信號(hào)匹配性測(cè)試(±10 VDC 或4～20 mA)，確保發(fā)電機(jī)圖上位置、系統(tǒng)上位置與實(shí)際船安裝位置一致，判斷系統(tǒng)接收的負(fù)載信息及狀態(tài)信息是否正確，滿足系統(tǒng)要求。

4.4 推進(jìn)器系統(tǒng)接口測(cè)試

海洋石油299船配備了6臺(tái)推進(jìn)器和2臺(tái)舵機(jī)，4臺(tái)側(cè)推為槽道式推進(jìn)器，安裝在船底前側(cè)，按照左1、左2、右1、右2的空間布置，2臺(tái)主推為全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，安裝在船底艉側(cè)，兩個(gè)舵機(jī)可使船舶轉(zhuǎn)彎更為高效迅速，完成推進(jìn)器的接口測(cè)試是確保試驗(yàn)成功的關(guān)鍵。在碼頭期間，需要完成推進(jìn)器與國(guó)產(chǎn)動(dòng)力定位系統(tǒng)的信號(hào)(±10 VDC 或4～20 mA)匹配型式，測(cè)試不同工作模式下(DP3、備用DP、Joystick)，各推進(jìn)器反饋的就緒信號(hào)是否正確，檢測(cè)推進(jìn)器及舵機(jī)的螺距/轉(zhuǎn)速指令、舵角指令與反饋信號(hào)信息是否一致，此項(xiàng)工作是推進(jìn)器測(cè)試的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)將直接導(dǎo)致推進(jìn)器推力分配的不均衡，勢(shì)必給試驗(yàn)帶來(lái)不可預(yù)知的障礙，要反復(fù)校準(zhǔn)機(jī)械螺距角在零位時(shí)的信息反饋，找出推進(jìn)器的零位及線性關(guān)系，測(cè)試零位時(shí)推進(jìn)器是否有工作盲區(qū)，如果有盲區(qū)要在系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效處理，測(cè)試推進(jìn)器動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間，掌握推進(jìn)器及舵機(jī)的工作特性，確保試驗(yàn)真實(shí)反映推進(jìn)器的工作狀況。

4.5 船舶操船控制權(quán)切換測(cè)試

為確保試驗(yàn)安全進(jìn)行，需實(shí)現(xiàn)目標(biāo)船國(guó)產(chǎn)定位系統(tǒng)和原船系統(tǒng)的無(wú)縫切換，確保推進(jìn)器、發(fā)電機(jī)的控制線正確引入到國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)切換箱中，保證船舶在國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)出故障的狀態(tài)下，能夠順利切換至原船系統(tǒng)，確保船舶不失控制，此項(xiàng)工作是國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)試驗(yàn)的重中之重，若出現(xiàn)差錯(cuò)，船舶失位風(fēng)險(xiǎn)顯著增加，甚至無(wú)法完成試驗(yàn)。首先利用299船駕駛臺(tái)上的“手動(dòng)/DP”切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行駕駛臺(tái)與K-POS之間的控制權(quán)切換；并利用“DP控制權(quán)切換盒”上切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行K-POS系統(tǒng)和國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)之間的控制權(quán)切換；判斷 “DP控制權(quán)切換盒”上切換板狀態(tài)指示燈指示正確，報(bào)警功能正確。

5 小結(jié)

系泊試驗(yàn)?zāi)軌蛉鏅z查國(guó)產(chǎn)DP3動(dòng)力定位控制系統(tǒng)設(shè)備安裝的完整性、正確性，驗(yàn)證各設(shè)備通電啟動(dòng)是否正常、接口是否正確，最終為系統(tǒng)航行試驗(yàn)提供保證。國(guó)產(chǎn)DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)作為國(guó)家工信部立項(xiàng)的高新船舶核心技術(shù)，得到了國(guó)家的大力支持，為降低海上航行試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，系泊試驗(yàn)期間要做好充足的準(zhǔn)備工作。系泊試驗(yàn)準(zhǔn)備是否完善將直接影響航行試驗(yàn)效果及技術(shù)指標(biāo)，航行試驗(yàn)前要摸清控制系統(tǒng)與動(dòng)力及推進(jìn)器系統(tǒng)接口參數(shù)，執(zhí)行時(shí)需做好方案分析和應(yīng)急預(yù)案，講究組織、資源、計(jì)劃的協(xié)調(diào)，確保控制系統(tǒng)與動(dòng)力、傳感器系統(tǒng)以及推進(jìn)器系統(tǒng)之間各項(xiàng)參數(shù)及基本功能正常。隨著我國(guó)海洋資源開(kāi)發(fā)步伐的加快，動(dòng)力定位船舶將會(huì)越來(lái)越多，而國(guó)產(chǎn)DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)的研制成功，必將引發(fā)國(guó)內(nèi)船舶高新技術(shù)革命，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，國(guó)產(chǎn)DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)必將在DP工程船舶上得到廣泛應(yīng)用。

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Mooring Test Methods for the Domestic First Set of DP3

WANG Wei， REN Jin-song， WANG Ai-wu， GUO Jin-zhao， ZHANG Jian-guo， LIN Yong-zhang

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

This paper introduces the domestic first set of DP3 dynamic positioning system basic composition, testing ship type selection and test plan of the mooring testing. Mooring test phase are described in detail in dynamic positioning system test method of key work, it can be effectively reduced the sea trial time and test security risks caused by inadequate technical preparation, it is useful to guarantee a successful sea trials, and it maybe great realistic significance for dynamic positioning system on domestic dynamic positioning system testing work.

DP3 Mooring test Methods Domestic

國(guó)家科技重大專項(xiàng)：“深水鋪管起重船及配套工程技術(shù)”課題經(jīng)費(fèi)資助，編號(hào)：2011ZX05027-002。

王 偉(1980-)，男，工程師。

U664

A