顧 炳，胡曉東，劉 賀，付萬(wàn)里

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第704研究所，上海 200031）

深水定位系泊系統(tǒng)集成及控制系統(tǒng)研究

顧 炳，胡曉東，劉 賀，付萬(wàn)里

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第704研究所，上海 200031）

采用集中檢測(cè)及控制技術(shù)將深水定位系泊系統(tǒng)集成為一個(gè)整體并加以控制，集成及控制系統(tǒng)模擬采樣平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)數(shù)據(jù)（采用仿真信號(hào)），檢測(cè)定位錨機(jī)錨索張力及長(zhǎng)度，通過(guò)傳感器檢測(cè)風(fēng)向、風(fēng)速、海流和波浪，并實(shí)時(shí)顯示和信息分析處理，建立適應(yīng)復(fù)雜海洋環(huán)境下的多點(diǎn)系泊控制數(shù)學(xué)模型和算法演算，通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)深水定位系泊系統(tǒng)的自動(dòng)定位控制功能。

深水定位系統(tǒng)；集成及控制系統(tǒng)；自動(dòng)定位控制；仿真

0 引言

國(guó)內(nèi)在深水半潛式鉆井平臺(tái)多點(diǎn)系泊錨機(jī)全自動(dòng)控制領(lǐng)域還是空白，本文對(duì)多點(diǎn)系泊錨機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行深入的分析研究，建立適應(yīng)復(fù)雜海洋環(huán)境下的多點(diǎn)系泊聯(lián)動(dòng)控制控制算法，并開(kāi)展仿真研究，通過(guò)對(duì)多點(diǎn)錨機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)、多點(diǎn)錨機(jī)集控系統(tǒng)以及系泊系統(tǒng)自動(dòng)定位技術(shù)進(jìn)行研究，最終完成了多點(diǎn)系泊錨機(jī)集中檢測(cè)及控制系統(tǒng)原理樣機(jī)研制。

1 系泊系統(tǒng)集成及控制系統(tǒng)樣機(jī)主要組成

深水多點(diǎn)定位系泊系統(tǒng)集成及控制系統(tǒng)樣機(jī)主要是一臺(tái)中央控制臺(tái)，包含工控機(jī)（安置在中央控制臺(tái)內(nèi)）和顯示狀態(tài)的大屏幕液晶屏。通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)一組三鏈輪實(shí)物錨機(jī)和三組三鏈輪模擬錨機(jī)進(jìn)行集成和控制，實(shí)現(xiàn)系泊系統(tǒng)的自動(dòng)控制的功能。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 深水多點(diǎn)定位系泊系統(tǒng)集成及控制系統(tǒng)原理圖

1.1 中央控制臺(tái)

中央控制臺(tái)是一個(gè)多功能控制中心，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)錨機(jī)的全功能控制，并具有狀態(tài)檢測(cè)功能，實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，通過(guò)面板上的液晶屏幕實(shí)時(shí)顯示海洋環(huán)境載荷以及平臺(tái)參數(shù)。中央控制臺(tái)面板上設(shè)置四個(gè)錨機(jī)控制區(qū)域和一個(gè)顯示區(qū)域（圖2）。

圖2 中央控制臺(tái)及集成控制界面

中央控制臺(tái)也是錨機(jī)的集控系統(tǒng)，操作者可以方便地獲得錨機(jī)的工作狀態(tài)信息，更好地完成錨機(jī)的操作和控制。針對(duì)每組三鏈輪錨機(jī)，在每個(gè)控制區(qū)域通過(guò)操縱手柄對(duì)錨機(jī)進(jìn)行收/放錨鏈操作。控制臺(tái)面板中央安裝一套西門(mén)子MP377系列觸摸屏，用于顯示風(fēng)向、風(fēng)速、海流、波浪信息、錨機(jī)的工作狀態(tài)、錨鏈拉力、速度、液壓機(jī)組、電控系統(tǒng)和變頻器運(yùn)行狀況等重要信息，觸摸屏同時(shí)具有故障信息管理功能，記錄和管理歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)錨機(jī)狀態(tài)的可追溯性。在屏幕左上部設(shè)有中央/0/現(xiàn)場(chǎng)功能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、手動(dòng)/0/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，集中式聲光報(bào)警蜂鳴器，復(fù)位按鈕，試燈按鈕。中央控制臺(tái)內(nèi)安裝一套由S7-300系列CPU314C-2DP組成的中央控制系統(tǒng)，PLC模塊如圖3所示。

圖3 中央控制系統(tǒng)PLC模塊布置圖

液晶觸摸屏、操縱手柄、按鈕、狀態(tài)指示燈和裝換開(kāi)關(guān)安裝在控制臺(tái)的面板上。

1）機(jī)架上配置三個(gè)RS422模塊，用于與現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)中的實(shí)物錨機(jī)通訊，與仿真系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，其余一個(gè)模塊備用。

2）一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)模塊用于給信息管理中心傳送數(shù)據(jù)。SIMATIC HMI Station用于監(jiān)視深水系泊自動(dòng)定位試驗(yàn)與仿真系統(tǒng)運(yùn)行狀況和參數(shù)。

3）數(shù)字量輸入模塊主要用于中央控制臺(tái)上的按鈕及操縱手柄位置信號(hào)輸入。

4）數(shù)字量輸出模塊主要用于中央控制臺(tái)上的指示燈的亮、滅。

5）模擬量輸入模塊主要用于控制臺(tái)上的操作手柄的信號(hào)輸入。

通過(guò)RS422接口（預(yù)留工業(yè)以太網(wǎng)接口）連接三鏈輪錨機(jī)控制系統(tǒng)；與定位控制及仿真系統(tǒng)采用RS422通訊方式，工業(yè)以太網(wǎng)接口用于系統(tǒng)調(diào)試和信息監(jiān)控。

1.2 三鏈輪錨機(jī)控制系統(tǒng)

三鏈輪錨機(jī)控制系統(tǒng)由PLC控制柜、現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)、液壓泵站電控柜以及變頻器柜等組成[1]。其中PLC控制柜是錨機(jī)控制系統(tǒng)的控制核心，實(shí)時(shí)與中央集控系統(tǒng)通信，接受和發(fā)出控制指令。

現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)錨機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制界面，由一臺(tái)S7-300 CPU314C-2DP和數(shù)字量模塊、模擬量模塊組成。該 PLC為實(shí)物錨機(jī)的機(jī)旁控制系統(tǒng)，通過(guò)PROFIBUS-DP連接PLC控制箱內(nèi)的PLC上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制[2]。控制面板布置如圖4所示。

錨機(jī)控制系統(tǒng)主要包括下列控制功能：

1）液壓泵站控制：響應(yīng)液壓泵站的檢測(cè)信號(hào)指令，發(fā)出動(dòng)作執(zhí)行指令。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)及操作面板

2）變頻器控制：響應(yīng)變頻器的檢測(cè)信號(hào)指令，發(fā)出響應(yīng)的變頻器動(dòng)作控制指令。

3）通訊程序：實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)與中央控制臺(tái)、液壓泵站之間通訊和數(shù)據(jù)交換。

4）系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制：當(dāng)操作人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)上的按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、操縱手柄進(jìn)行操作時(shí)，控制程序依照控制邏輯關(guān)系，發(fā)出一組控制指令，實(shí)現(xiàn)裝置的功能性聯(lián)動(dòng)操作。

5）顯示處理程序：PLC系統(tǒng)接收到的錨機(jī)工作狀態(tài)、張力數(shù)值、錨鏈長(zhǎng)度、運(yùn)行速度、液壓泵站工作狀態(tài)、齒輪箱的工作狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)處理后，傳遞到液晶屏實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)這些數(shù)據(jù)通過(guò)RS422接口傳遞到中央控制臺(tái)的上位機(jī)。

6）人機(jī)交互界面采用WINCC-flexble組態(tài)：液晶屏通過(guò)MPI接口與PLC連接，實(shí)時(shí)接收PLC的數(shù)據(jù)，采用WINCC編寫(xiě)設(shè)計(jì)人機(jī)界面，人機(jī)界面包括狀態(tài)顯示、系統(tǒng)設(shè)置、基本功能控制、報(bào)警顯示和記錄等。

7）操縱手柄：控制錨鏈的收放。當(dāng)手柄向前推時(shí)，錨鏈放出；當(dāng)手并向后拉時(shí)，錨鏈?zhǔn)栈亍Ｊ直耐评嵌瓤刂剖辗潘俣取?/p>

1.3 系泊定位系統(tǒng)控制及仿真裝置

系泊定位系統(tǒng)控制及仿真裝置原理如圖1所示，主要由六部分組成：1）環(huán)境載荷模擬發(fā)生模塊；2）海洋平臺(tái)數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)模塊；3）錨機(jī)數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)模塊；4）系泊系統(tǒng)自動(dòng)定位控制算法實(shí)現(xiàn)模塊；5）人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)裝置；6）定位試驗(yàn)與仿真裝置控制臺(tái)（集成于中央控制臺(tái)）。

環(huán)境載荷模擬發(fā)生裝置、海洋平臺(tái)模型實(shí)現(xiàn)裝置、錨機(jī)模型實(shí)現(xiàn)裝置、系泊系統(tǒng)自動(dòng)定位控制算法實(shí)現(xiàn)裝置采用工控機(jī)，安裝Matlab編程實(shí)現(xiàn)以上各功能模塊。人機(jī)界面采用VC++類(lèi)庫(kù)中的MFC類(lèi)庫(kù)或VB進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

深水系泊自動(dòng)定位試驗(yàn)與仿真系統(tǒng)與中央控制臺(tái)中PLC的通訊應(yīng)用串行通訊口，能有效地支持具有很高安全等級(jí)的分布實(shí)時(shí)控制，通訊接口協(xié)議為RS-422，通過(guò)兩對(duì)雙絞線(xiàn)全雙工工作，接收、發(fā)送信息互不干涉。

2 自動(dòng)定位控制技術(shù)

自動(dòng)定位控制的目標(biāo)是能不斷檢測(cè)出平臺(tái)的實(shí)際位置與目標(biāo)位置的偏差，根據(jù)風(fēng)、浪、流等外界擾動(dòng)力的影響，采用可實(shí)施、有效和精確的控制算法計(jì)算出使平臺(tái)恢復(fù)到目標(biāo)位置時(shí)，錨鏈所需要的張力的大小，對(duì)每臺(tái)錨機(jī)發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)每臺(tái)錨機(jī)的收放，從而使平臺(tái)盡可能地保持在海平面上要求的位置，或使平臺(tái)平穩(wěn)快速回到目標(biāo)位置。自動(dòng)定位控制算法系統(tǒng)控制原理如圖5所示。

圖5 自動(dòng)定位控制算法系統(tǒng)控制原理框圖

2.1 環(huán)境載荷

平臺(tái)所受到的環(huán)境載荷中，風(fēng)、浪、流是最常見(jiàn)的環(huán)境載荷。風(fēng)載荷主要作用于平臺(tái)的上層建筑及水面以上的主體部分；海流有風(fēng)海流、波浪流、潮流等，一般視為定常的均勻流來(lái)處理；浪載荷采用“勢(shì)流理論+粘性修正”的方法，采用海浪譜描述波浪載荷，計(jì)算得到目標(biāo)平臺(tái)的一階波浪力、二階波浪力和平均漂移力[3]。

1）風(fēng)載荷

風(fēng)引起的載荷對(duì)平臺(tái)的姿態(tài)有著重要的影響，通常將其作為穩(wěn)流風(fēng)來(lái)處理，視為定常力，可根據(jù)API RP 2SK風(fēng)作用于系泊的浮動(dòng)裝置上的定常力公式來(lái)計(jì)算。除穩(wěn)流風(fēng)之外，湍流風(fēng)也會(huì)引起平臺(tái)低頻穩(wěn)態(tài)的縱蕩、橫蕩及艏搖運(yùn)動(dòng)。湍流風(fēng)的建模方式可參照海浪模型，一般采用挪威石油理事會(huì)NPD風(fēng)譜來(lái)計(jì)算湍流風(fēng)產(chǎn)生的載荷。

2）流載荷

海流對(duì)于平臺(tái)的干擾主要包括壓差阻力及慣性阻力，一般主要考慮平臺(tái)所受的壓差阻力。由于海流的流速隨時(shí)間的變化是緩慢的，在平臺(tái)設(shè)計(jì)中為簡(jiǎn)化計(jì)算常將其視為穩(wěn)定的流動(dòng)，并認(rèn)為其對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用僅為拖曳力。

3）波浪載荷

作用在平臺(tái)上的平臺(tái)波浪載荷計(jì)算采用波浪繞射理論分析，使用SESAM軟件的WADAM模塊。波浪力包括一階波浪力和二階波浪力，針對(duì)系泊定位系統(tǒng)而言，主要考慮二階波浪力，平均波浪漂移荷載采用波浪繞射分析得到的波浪漂移力系數(shù)來(lái)獲得。

2.2 控制器設(shè)計(jì)

為均衡4組錨機(jī)12根錨纜受力情況，防止某根錨纜受力過(guò)大而引起斷裂，進(jìn)而對(duì)其它錨索甚至平臺(tái)產(chǎn)生重大嚴(yán)重后果，采用遺傳算法對(duì)錨纜受力進(jìn)行優(yōu)化，并在保證滿(mǎn)足平臺(tái)定位精度要求的前提下，得出各錨纜的均勻張力值，并將得到的張力值作為錨機(jī)切換的臨界值[4]。將優(yōu)化的結(jié)果作為錨機(jī)切換的依據(jù)，并采用模糊控制，同時(shí)對(duì)12臺(tái)錨機(jī)進(jìn)行收放控制。模糊控制的輸入量分別為平臺(tái)的縱蕩位移、橫蕩位移及艏搖角，輸出量為錨機(jī)的收放速度。

1）確定輸入輸出量：以平臺(tái)縱蕩及橫蕩的偏差作為輸入量，控制器的輸出分別為4組錨機(jī)收放錨纜的速度控制信號(hào)。

2）選擇隸屬函數(shù)：輸入變量和輸出變量的隸屬函數(shù)都采用三角型函數(shù)形式。

3）設(shè)計(jì)模糊規(guī)則：模糊控制規(guī)則反映了當(dāng)前平臺(tái)縱蕩及橫蕩偏差情況下，四組錨機(jī)的協(xié)調(diào)控制規(guī)律。以平臺(tái)艏向?yàn)檎?，艉向?yàn)樨?fù)，沿0°方向?yàn)榭v蕩方向，沿90°方向?yàn)闄M蕩方向。當(dāng)平臺(tái)向0°及270°方向移動(dòng)時(shí)，第2組錨機(jī)（4、5、6號(hào)）進(jìn)行收纜，以增加張力，第4組錨機(jī)（10、11、12號(hào)）進(jìn)行放纜，而第1、3組錨機(jī)的收放則根據(jù)縱蕩和橫蕩位移偏差的大小，當(dāng)縱蕩偏差較大時(shí)，第3組錨機(jī)收纜，第1組錨機(jī)放纜。布纜方式如圖6所示。

圖6 平臺(tái)布纜方式

2.3 通信

系統(tǒng)串口通信采用 RS422接口，協(xié)議使用3964R協(xié)議，工控機(jī)將錨機(jī)收放速度信號(hào)發(fā)送給PLC，PLC反饋錨索張力及平臺(tái)位移信號(hào)。在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，將環(huán)境載荷、平臺(tái)模型和控制算法集成到工控機(jī)當(dāng)中，環(huán)境載荷作用到平臺(tái)模型輸出位置信號(hào)，平臺(tái)的位置偏移作為模糊控制的輸入信號(hào)，輸出錨機(jī)收放錨鏈的速度信號(hào)，然后通過(guò)設(shè)置定時(shí)器的方式進(jìn)行單步運(yùn)行，在單步運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)進(jìn)行工控機(jī)與PLC的實(shí)時(shí)通信，在通信的過(guò)程中工控機(jī)發(fā)送錨機(jī)收放速度信號(hào)，PLC反饋錨鏈拉力和平臺(tái)位移信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)與環(huán)境載荷進(jìn)行疊加，控制平臺(tái)的位移，這樣就構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)。

本項(xiàng)目一組實(shí)物錨機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)的數(shù)據(jù)交互，三組模擬錨機(jī)只發(fā)送實(shí)時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)功能

深水定位系泊系統(tǒng)集成與控制系統(tǒng)具有對(duì)模擬海洋平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的控制能力，均衡力場(chǎng)的分布；同時(shí)對(duì)多臺(tái)系泊定位設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，獲取所有 12根錨鏈的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)海況，并將信息顯示在中央控制臺(tái)的人機(jī)界面（HMI）上，對(duì)1組實(shí)物錨機(jī)進(jìn)行實(shí)際控制，且模擬對(duì)3組仿真錨機(jī)進(jìn)行虛擬控制，同時(shí)采集海況和各個(gè)錨機(jī)工作參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示在控制臺(tái)的人機(jī)界面上。系統(tǒng)建立錨鏈、平臺(tái)、錨機(jī)、海況等動(dòng)態(tài)模型，模擬三套虛擬錨機(jī)工作。

自動(dòng)定位控制系統(tǒng)的功能是將錨機(jī)、平臺(tái)、海況模擬發(fā)生裝置的輸出信號(hào)，作為建模相關(guān)輸入，構(gòu)造控制數(shù)學(xué)模型，通過(guò)系統(tǒng)的仿真分析與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷尿?yàn)證，對(duì)海洋平臺(tái)綜合變化產(chǎn)生的響應(yīng)，發(fā)出校正控制對(duì)策，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的有效控制。在進(jìn)行多點(diǎn)系泊自動(dòng)定位作業(yè)時(shí)，及時(shí)分析處理檢測(cè)信息，發(fā)出校正控制指令，實(shí)現(xiàn)各錨機(jī)錨索的收放，控制平臺(tái)位置，使平臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)時(shí)的偏離目標(biāo)位置誤差控制在有效范圍內(nèi)，以確保平臺(tái)作業(yè)時(shí)的安全性。在控制過(guò)程中，環(huán)境載荷、海洋平臺(tái)、各個(gè)錨機(jī)的各相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)變化，可通過(guò)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，供工作人員監(jiān)視。

4 系泊自動(dòng)定位系統(tǒng)控制與仿真

基于VC，以對(duì)話(huà)框的形式建立仿真系統(tǒng)人機(jī)主界面，如圖7所示。整個(gè)系統(tǒng)的方框圖由按鈕和線(xiàn)條組成，當(dāng)點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕則會(huì)進(jìn)入其對(duì)話(huà)框，查看具體的信息。平臺(tái)監(jiān)控曲線(xiàn)顯示平臺(tái)的實(shí)時(shí)輸出曲線(xiàn)，包括橫蕩、縱蕩和艏搖，如圖8所示。

圖7 仿真系統(tǒng)人機(jī)界面的主界面

圖8 平臺(tái)監(jiān)控曲線(xiàn)窗口

環(huán)境載荷分別顯示海浪的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和JONSWAP波譜、風(fēng)速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和NPD波譜、海流流速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖9所示。平臺(tái)二維圖形實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示主要基于橫蕩、縱蕩和艏搖角顯示平臺(tái)的移動(dòng)情況，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)位圖的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖10所示。

圖9 環(huán)境載荷顯示圖

圖10 平臺(tái)二維顯示圖

系統(tǒng)檢測(cè)并顯示錨機(jī)系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)錨機(jī)定位和仿真控制，系統(tǒng)可設(shè)置生成仿真數(shù)據(jù)，對(duì)定位算法進(jìn)行仿真試驗(yàn)和動(dòng)作驗(yàn)證，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示錨機(jī)部分運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如錨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度、錨纜收放長(zhǎng)度、錨纜張力等，便于了解設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，也可用作判斷設(shè)備的安全穩(wěn)定狀態(tài)。仿真界面及數(shù)據(jù)參數(shù)顯示如圖11、圖12所示。

圖11 仿真系統(tǒng)人機(jī)界面的主界面

圖12 錨機(jī)仿真數(shù)據(jù)設(shè)置及系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

針對(duì)一年一遇工作工況下的環(huán)境條件，考慮風(fēng)、浪和海流方向相同的最不利的情況，取600s的計(jì)算時(shí)間，在1500m水深及135°浪向角時(shí)，采用傳統(tǒng)錨泊定位的平臺(tái)分別對(duì)有無(wú)錨索阻尼的情況進(jìn)行仿真，將平臺(tái)位移的理想值設(shè)為14m，在控制系統(tǒng)作用下平臺(tái)的位移如圖13所示。當(dāng)平臺(tái)屬于自由狀態(tài)沒(méi)有加入定位（錨泊阻尼）作用時(shí)，平臺(tái)的漂移明顯增加。初始狀態(tài)設(shè)定平臺(tái)錨鏈拉力參數(shù)為零，保持一段時(shí)間，仿真平臺(tái)在該海況條件下將產(chǎn)生移動(dòng)，確認(rèn)在平臺(tái)處于定位錨未加載狀態(tài)下，加入風(fēng)浪流等環(huán)境載荷后，平臺(tái)發(fā)生位移。采用傳統(tǒng)錨泊定位時(shí)，當(dāng)環(huán)境載荷作用較大時(shí)，平臺(tái)的位移大于工作水深的 3%，不滿(mǎn)足平臺(tái)作業(yè)的需求，需要定位系統(tǒng)做出反應(yīng)收放錨機(jī)進(jìn)行調(diào)整錨索張力。

圖13 平臺(tái)的位移曲線(xiàn)

在平臺(tái)處于定位系統(tǒng)加載狀態(tài)下，加入風(fēng)浪流等海洋環(huán)境載荷，未加入自動(dòng)定位控制算法，手動(dòng)控制錨鏈拉力，平臺(tái)發(fā)生位移，驗(yàn)證平臺(tái)在錨鏈拉力作用下的模型有效。在平臺(tái)處于偏移狀態(tài)下，啟動(dòng)定位功能，仿真系統(tǒng)中加入錨機(jī)張力控制閾值，系統(tǒng)進(jìn)入定位控制模式，控制器采用可實(shí)施、有效和精確的控制算法，能有效地使目標(biāo)平臺(tái)保持在預(yù)定位置，且穩(wěn)定性較好。控制指令發(fā)送到中央控制臺(tái)上，中央控制臺(tái)控制4組錨機(jī)動(dòng)作并向工控機(jī)發(fā)出錨機(jī)的拉力和錨鏈長(zhǎng)度變化數(shù)值，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)定位控制功能。目標(biāo)平臺(tái)在4組12臺(tái)定位錨機(jī)作用下，加入百年一遇海洋環(huán)境載荷，并啟動(dòng)自動(dòng)定位控制，發(fā)生位移的平臺(tái)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后回到原先位置，驗(yàn)證自動(dòng)定位控制系統(tǒng)有效，平臺(tái)自動(dòng)定位控制檢測(cè)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖14所示。

圖14 平臺(tái)自動(dòng)定位控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)多點(diǎn)深水定位系泊系統(tǒng)集成控制原理分析，建立了目標(biāo)平臺(tái)的數(shù)學(xué)控制模型，對(duì)風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷進(jìn)行分析及控制算法和控制器的研究和設(shè)計(jì)，完成了信息檢測(cè)、人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)以及系統(tǒng)樣機(jī)研制。系統(tǒng)建立了錨索、目標(biāo)平臺(tái)、錨機(jī)、海況等動(dòng)態(tài)模型，并采集和顯示海況和各組錨機(jī)工作參數(shù)。將目標(biāo)平臺(tái)按百年一遇的自存工況和一年一遇的作業(yè)工況進(jìn)行了仿真試驗(yàn)和計(jì)算，仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)平臺(tái)綜合變化能做出響應(yīng)，當(dāng)環(huán)境載荷作用變大時(shí)，發(fā)出校正控制策略和指令，對(duì)錨機(jī)進(jìn)行控制和調(diào)整錨索張力等，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的有效控制。尤其在自動(dòng)定位系統(tǒng)時(shí)，使用控制器的自動(dòng)定位系統(tǒng)在滿(mǎn)足邊界條件的情況下，平臺(tái)在發(fā)生位移后能恢復(fù)到原位，保證了目標(biāo)平臺(tái)能保持在原先預(yù)定的位置范圍內(nèi)。

[1] 顧炳. 深水定位錨泊系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研究[C]// 中國(guó)國(guó)際海事會(huì)展高級(jí)海事論壇論文集. 2011.

[2] 向曉漢, 陸彬. 西門(mén)子PLC工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用案例精講[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2011.

[3] 金鴻章, 姚緒梁. 船舶控制原理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 1999.

[4] 金鴻章, 蘇曉宇, 胡曉東, 等. 計(jì)入錨索阻尼的錨泊自動(dòng)定位系統(tǒng)建模及控制器設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)造船, 2013(3): 51-58.

Research on Integration and Control System of Deepwater Positioning Mooring System

Gu Bing, Hu Xiao-dong, Liu He, Fu Wan-li

(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China)

Deepwater positioning mooring system has been integrated into a whole unit by centralized checking and control technology. The integration and control system simulates the rig’s moving coordinates data (adopting simulated signals), checks the chain tension and chain length of positioning windlass, checks wind direction/wind speed/ocean current/wave used by sensors and displays and analysis/processes the data at real time. At last the multi-points mooring controlling math model and arithmetic calculations which fits complex ocean environments are established, and the auto-positioning control function for mooring system is achieved via simulation.

deepwater positioning mooring system; integration and control system; auto-positioning control; simulation

U664.82

A

1005-7560 (2014) 06-0054-06

工業(yè)及信息化部大型海洋工程設(shè)備深水定位系泊系統(tǒng)研制（工信部裝[2009]561號(hào)）

顧炳（1980-），男，工程師，主要從事甲板機(jī)械及海洋工程特種絞車(chē)設(shè)計(jì)。