袁飛暉，熊 勇，宋金揚(yáng)

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 前 言

近年來(lái)，隨著陸地上油氣資源的不斷減少，人們把目光都聚集到了深海領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)。因此，深水鉆井平臺(tái)的需求和開(kāi)發(fā)深受世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。當(dāng)前，上海外高橋造船有限公司正在建造的3000m深水半潛式鉆井平臺(tái)“海洋石油 981”，屬于第6代鉆井平臺(tái)，是我國(guó)“863計(jì)劃”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，它采用了目前最先進(jìn)的 DP-3動(dòng)力定位控制系統(tǒng)。動(dòng)力定位（Dynamic Positioning，DP）系統(tǒng)，是指在風(fēng)、浪、流的干擾情況下，不借助錨泊系統(tǒng)，利用自身的推力器系統(tǒng)使海上浮動(dòng)裝置保持一定的位置和艏向，或者按預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)行的閉環(huán)控制系統(tǒng)[1]。根據(jù)動(dòng)力定位的不同冗余度，DP-3要求在出現(xiàn)任一故障（包括由于失火或進(jìn)水造成一個(gè)艙室的完全損失）后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動(dòng)保持船舶的位置和艏向[2]。

1 DP-3動(dòng)力定位控制系統(tǒng)介紹

DP-3動(dòng)力定位控制系統(tǒng)是中央控制系統(tǒng)（Integrated Control System，ICS）中最重要的核心系統(tǒng)之一。其主要的工作原理為圖1所示。

圖1 DP控制系統(tǒng)工作原理

動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的工作原理是：根據(jù)位置參照系統(tǒng)測(cè)得的船位信息與DP傳感器系統(tǒng)測(cè)得的環(huán)境信息，經(jīng)濾波后得到估算值，根據(jù)估算值與期望值進(jìn)行比較和運(yùn)算，然后經(jīng)推力器分配模塊計(jì)算后發(fā)出對(duì)各推力器的指令。在DP控制系統(tǒng)中，艏向和位置由操作者設(shè)定，然后由DP控制器通過(guò)發(fā)出控制信號(hào)到推力器系統(tǒng)，DP控制系統(tǒng)通過(guò)推力器控制系統(tǒng)的分配，發(fā)布命令到任何一個(gè)在使用的推力器，通過(guò)改變推力器的運(yùn)轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)速或葉片的螺矩，以調(diào)節(jié)平臺(tái)的船位。出現(xiàn)偏差時(shí)，DP控制系統(tǒng)可自動(dòng)探測(cè)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。DP控制系統(tǒng)這種控制方式能減少燃料消耗、機(jī)器磨損和溫室氣體排放[1]。

在“海洋石油981”項(xiàng)目上，DP-3動(dòng)力定位控制系統(tǒng)主要是由主DP系統(tǒng)、備用DP系統(tǒng)、操縱桿系統(tǒng)（Joystick System）以及DP傳感器和位置參照系統(tǒng)等組成[3]。其主要的結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

圖2 DP-3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DP-3控制系統(tǒng)中的主DP系統(tǒng)和備用DP的最重要的區(qū)別是控制器 DPC的冗余，前者的控制器配置了3冗余的DPC-3，而后者的控制器僅配置了單個(gè)的DPC-1。但是，它們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的連接，其控制器 DPC之間相互可以進(jìn)行表決，以確?？刂破鱀PC的安全可靠度和冗余度，從而滿足了DP-3冗余的要求。

DP控制系統(tǒng)還提供了一套操縱桿系統(tǒng)，它主要包含：操縱桿控制器、操縱臺(tái)以及便攜式、可移動(dòng)的操縱終端。操縱桿系統(tǒng)與推力器、風(fēng)速風(fēng)向儀、電羅徑以及DGPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)都有接口。操縱桿系統(tǒng)獨(dú)立于主DP系統(tǒng)和備用DP的控制系統(tǒng)，操作者可以通過(guò)操作臺(tái)上的切換按鈕來(lái)進(jìn)行模式切換，完成平臺(tái)定位工作。在操縱桿模式下，可以選擇自動(dòng)艏向模式（Auto Heading）、自動(dòng)定位（Auto Position）、位置保持（Station Keeping）等功能，來(lái)達(dá)到平臺(tái)定位的目的[1]。

在DP-3控制系統(tǒng)中，DP傳感器和位置參照對(duì)平臺(tái)的定位起著重要的參考作用。在此項(xiàng)目中，DP傳感器主要包括：風(fēng)速風(fēng)向儀（Wind），電羅經(jīng)（Gyro），運(yùn)動(dòng)參照裝置（Motion Reference Unit，MRU）。風(fēng)速風(fēng)向儀主要是測(cè)量風(fēng)的方向和速度，電羅經(jīng)主要是測(cè)量平臺(tái)的位置，而MRU則可提供平臺(tái)在橫蕩、縱蕩和垂蕩時(shí)(即數(shù)學(xué)模型中X軸、Y軸和Z軸，3個(gè)方向)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并把在這3個(gè)方向上所測(cè)量到的關(guān)于平臺(tái)的偏移方向和偏移速度的數(shù)據(jù)提供給DP-3控制系統(tǒng)作為參考。根據(jù)DP-3的要求，在平臺(tái)上不同的位置各安裝了3個(gè)風(fēng)速風(fēng)向儀、電羅經(jīng)和 MRU。在工作時(shí)，它們被分為 3組，每組分別包含有 1個(gè)風(fēng)速風(fēng)向儀、電羅經(jīng)和MRU。DP-3控制系統(tǒng)將根據(jù)每組傳感器所測(cè)量的數(shù)據(jù)與KALMAN濾波器內(nèi)所得到的浪流估算值，一起通過(guò)濾波器內(nèi)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算來(lái)進(jìn)行綜合分析和比較，并從中得到最合適的數(shù)據(jù)來(lái)作為平臺(tái)定位所需的參考數(shù)據(jù)。位置參照系統(tǒng)主要包括：HIPAP 500聲納定位系統(tǒng)和 DGPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)。根據(jù)DP-3冗余的要求，在平臺(tái)左、右 2個(gè)浮筒（PONTOON）上分別安裝了1套HIPAP 500聲納定位系統(tǒng)，它們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接互為冗余。聲納定位系統(tǒng)可以把高精度、可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)輸送給 DP-3控制系統(tǒng)來(lái)滿足平臺(tái)的定位要求。另外，為了增加定位的可靠度和精確度，本項(xiàng)目還配置了 DPS200和 DPS132這 2套差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱DGPS系統(tǒng)），其中 DPS200可以同時(shí)接收美國(guó)的GPS定位系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS定位系統(tǒng)的信號(hào)，而 DPS132只接受 GPS定位系統(tǒng)信號(hào)，但是DPS132和DPS200通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的連接可共享數(shù)據(jù)，互為備用，從而可確保平臺(tái)精確定位的需求和 DP-3冗余的要求。

2 DP-3動(dòng)力定位控制系統(tǒng)在生產(chǎn)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

為了滿足DP-3的要求，從生產(chǎn)設(shè)計(jì)角度主要考慮以下兩方面的問(wèn)題：一是 DP-3動(dòng)力定位控制系統(tǒng)所屬和相關(guān)聯(lián)的設(shè)備布置，另一個(gè)就是連接這些設(shè)備的電纜布置和走向。尤其應(yīng)該注意冗余的設(shè)備或系統(tǒng)的電纜不得與主系統(tǒng)一起穿越同一艙室，當(dāng)不可避免時(shí)，電纜必須安裝在 A-60級(jí)的電纜通道內(nèi)，電纜的接線箱不允許設(shè)置在這類電纜通道內(nèi)[2]。

2.1 滿足DP-3要求的DP控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備布置

在“海洋石油981”項(xiàng)目中，對(duì)于DP-3控制系統(tǒng)，設(shè)置了2個(gè)控制室，一個(gè)是位于02甲板的中控室（CCR），另一個(gè)是位于中間甲板的集控室（ECR）。主DP系統(tǒng)的設(shè)備都布置在CCR內(nèi)，備用DP系統(tǒng)的設(shè)備則布置在ECR內(nèi)[3]。由于CCR和ECR分別位于不同的甲板，且主DP系統(tǒng)與備用DP系統(tǒng)已通過(guò)光纖連成網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到信息共享、互為冗余。為了滿足DP-3的分隔和冗余的要求，設(shè)置了網(wǎng)絡(luò)A、網(wǎng)絡(luò)B和網(wǎng)絡(luò)C，其中網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B可連接整個(gè)DP控制系統(tǒng)，而網(wǎng)絡(luò)C則主要是連接CCR和ECR之間的打印機(jī)系統(tǒng)。為了便于日后的使用和維護(hù)，網(wǎng)絡(luò)C還具有管理網(wǎng)絡(luò)的功能，起著故障自診斷的作用，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)A、網(wǎng)絡(luò)B同時(shí)癱瘓時(shí)，網(wǎng)絡(luò)C可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分配單元中的路由器連接平臺(tái)的局域網(wǎng)，并與衛(wèi)星通導(dǎo)系統(tǒng)有接口，可以把數(shù)據(jù)輸送到岸上的接收站，以達(dá)到故障修理和維護(hù)的目的。這3種網(wǎng)絡(luò)都是由放置在不同區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)分配單元（Net Distribution Unit，NDU）通過(guò)光纖相互連接建立起來(lái)的。因此，NDU網(wǎng)絡(luò)分配單元的布置，決定了網(wǎng)絡(luò)的建立和電纜的走向能否滿足 DP-3分隔的要求。由于網(wǎng)絡(luò)B和網(wǎng)絡(luò)C共用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和線路，故在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，將網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B&C的設(shè)備及線路進(jìn)行滿足 A-60級(jí)分隔的布置[4]。據(jù)此，對(duì)主DP系統(tǒng)的設(shè)備、備用DP系統(tǒng)的設(shè)備以及NDU的分布做了詳細(xì)的規(guī)劃，如圖3所示。

圖3 DP控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備布置

圖中，主DP系統(tǒng)的控制器DPC-3和DP操作 臺(tái)（K-POS OS）以及備用DP系統(tǒng)的控制器DPC-1和DP操作臺(tái)，都分別布置在CCR和ECR內(nèi)，況且CCR和ECR都屬于A-60級(jí)分隔區(qū)域，滿足了DP-3分隔和冗余的要求[4]。另外，網(wǎng)絡(luò)A的3個(gè)NDU（NDU A1、NDU A2和NDU A3）分別布置在02甲板的 1號(hào)網(wǎng)絡(luò)間、中間甲板的電氣設(shè)備間和BOP控制間。而網(wǎng)絡(luò)B和網(wǎng)絡(luò)C的NDU是共用的，其相對(duì)應(yīng)的NDU B1/C1、NDU B2和NDU B3/C2則分別布置在02甲板的CCR間、中間甲板的2號(hào)網(wǎng)絡(luò)間和ECR間。因此，所有網(wǎng)絡(luò)的NDU都分開(kāi)布置在上述不同的位置，這種布置的最大好處是既能滿足DP-3的分隔要求，網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B的主干電纜又不會(huì)交叉。此外，把帶有管理網(wǎng)絡(luò)C的NDU B1/C1和NDU B3/C2布置在CCR和ECR內(nèi)，可將所有的操作臺(tái)（OS）以及打印機(jī)連起來(lái)，便于操作者的日常使用和維護(hù)。

2.2 滿足DP-3要求的DP控制網(wǎng)絡(luò)電纜走向布置

網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B的主干電纜采用分層敷設(shè)。網(wǎng)絡(luò)A的主干電纜主要布置在中間甲板層，而網(wǎng)絡(luò)B的主干電纜主要布置在下船體的TANK TOP層。由于網(wǎng)絡(luò)A、B互為冗余，其主干電纜又是分層敷設(shè)在平臺(tái)的左右，不會(huì)產(chǎn)生交叉敷設(shè)的問(wèn)題。因此，滿足了DP-3的分隔要求。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B的分支電纜，同樣滿足 DP-3的分隔要求。例如推力器1號(hào)艙和2號(hào)艙的網(wǎng)絡(luò)電纜走向，如圖4所示。

圖4 推力器1號(hào)艙和2號(hào)艙網(wǎng)絡(luò)電纜布置

位于右艏區(qū)域推力器1號(hào)艙和2號(hào)艙的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集箱（Field Station）分別是FS31和FS32，由于冗余的要求，F(xiàn)S31和FS32都同時(shí)接入了網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B。圖中，網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B的電纜分開(kāi)敷設(shè)，網(wǎng)絡(luò)A的電纜沿著1號(hào)艙電纜橋架通過(guò)立柱區(qū)域的通道上至中間甲板的接口；網(wǎng)絡(luò)B的電纜沿著2號(hào)艙電纜橋架通過(guò)立柱區(qū)域的通道上至 TANK TOP層，并且，推力器 1號(hào)艙和 2號(hào)艙本身就是采用A-60級(jí)的分隔。其他如：右艉、左艏、左艉區(qū)域的推力器艙的網(wǎng)絡(luò)電纜的走向都和圖4一樣，并且兩個(gè)推力器艙都是 A-60級(jí)的分隔。因此，都滿足了DP-3的要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

在“海洋石油981”鉆井平臺(tái)項(xiàng)目上，DP-3動(dòng)力定位控制系統(tǒng)無(wú)論在系統(tǒng)配置、設(shè)備布置還是電纜走向等方面，都充分考慮了 DP-3系統(tǒng)冗余、分隔的要求，并得到了CCS、ABS的認(rèn)可，還通過(guò)了故障模式與影響分析（FMEA），從而驗(yàn)證了該項(xiàng)目的DP-3動(dòng)力定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范中關(guān)于DP-3的要求。

[1]KONGSBERG動(dòng)力定位系統(tǒng)資料[Z]. 2006.

[2]中國(guó)船級(jí)社. 動(dòng)力定位系統(tǒng)檢驗(yàn)指南[S]. 2002.

[3]DDU-SER-0027-07”海洋石油981“建造規(guī)格書(shū)[Z].

[4]美國(guó)船級(jí)社海上移動(dòng)式鉆井平臺(tái)規(guī)范[S]. 2006.