王 偉， 任勁松， 王愛武， 郭金釗， 張建國， 林永章

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

國產(chǎn)首套DP3動力定位系統(tǒng)系泊試驗內(nèi)容及方法

王 偉， 任勁松， 王愛武， 郭金釗， 張建國， 林永章

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

介紹了國產(chǎn)首套DP3動力定位系統(tǒng)基本構(gòu)成、試驗船型選擇基本方案及系泊試驗的方法，詳細描述動力定位系統(tǒng)系泊試驗階段關(guān)鍵工作的試驗方法，有效減少由于技術(shù)準(zhǔn)備不充分造成海上試驗時間和試驗安全的風(fēng)險，保證動力定位系統(tǒng)海試工作順利進行，對國產(chǎn)動力定位系統(tǒng)系泊試驗工作具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

動力定位系統(tǒng) 系泊試驗 試驗方法 國產(chǎn)化

1 引言

21 世紀(jì)人類將全面步入海洋經(jīng)濟時代, 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、海洋動力資源和海洋生物資源，這些資源促使人們對海洋的開發(fā)和探索的范圍越來越廣，其中動力定位技術(shù)作為深海作業(yè)裝備必備的高新技術(shù)，越來越受到業(yè)內(nèi)重視，可以說，作業(yè)船舶或平臺要想在深海穩(wěn)定、可靠工作，必須安裝動力定位系統(tǒng)，隨著國家海洋開發(fā)戰(zhàn)略的逐步推進，越來越多的船舶或平臺將被配備動力定位系統(tǒng)，以滿足作業(yè)需求。

2 國產(chǎn)DP3動力定位系統(tǒng)發(fā)展介紹

2.1 系統(tǒng)組成及基本原理

動力定位系統(tǒng)一般包括：動力系統(tǒng)、推進器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及測量系統(tǒng)四個部分，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出船舶的運動狀態(tài)與位置變化，以及外界風(fēng)力、波浪、海流等擾動力的大小與方向，利用計算機進行復(fù)雜的實時計算后，使控制船舶主副推力裝置產(chǎn)生適當(dāng)?shù)耐屏εc力矩，以抵消擾動力，從而使船舶盡可能保持目標(biāo)船位與艏向。

2.2 國內(nèi)動力定位系統(tǒng)發(fā)展概述

我國對船舶動力定位系統(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，但總體水平與國外相比差距明顯。主要表現(xiàn)在，動力定位核心控制器及卡件、控制系統(tǒng)軟件方面存在不足；吊艙式推進系統(tǒng)、大功率全回轉(zhuǎn)推進系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)配套外圍傳感器等設(shè)備的設(shè)計和生產(chǎn)方面能力有所欠缺。

近年來，上海交通大學(xué)、振華港機、哈爾濱工程大學(xué)等院?；蚱髽I(yè)都在進行動力定位技術(shù)攻關(guān)，而哈爾濱工程大學(xué)在動力定位方面的研究走在了國內(nèi)的前列。早在1998年研發(fā)出國產(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、中國船舶工業(yè)集團公司708研究所及武漢船用機械有限責(zé)任公司共同研制DP3系統(tǒng)，在歷時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級系統(tǒng)工程樣機，已于2013年8月初完成海上實船試驗，功能上能夠與KONGSBERG系統(tǒng)媲美，可實現(xiàn)定點定位、定點旋轉(zhuǎn)、循跡、目標(biāo)跟蹤、自動艏向、定橫、定縱及綠色DP等多項功能，在能力上完全滿足實際工程需要，技術(shù)上達到國際先進水平， 順利通過國家工信部驗收。

2.3 國產(chǎn)DP3動力定位系統(tǒng)的組成

圖1為國產(chǎn)DP3動力定位系統(tǒng)組成。

圖1 國產(chǎn)DP3動力定位系統(tǒng)組成

3 系泊試驗準(zhǔn)備

3.1 FAT試驗

工程樣機在上船安裝前，要做充分的出廠測試，檢測系統(tǒng)各項功能是否滿足研制書要求，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)進入現(xiàn)場故障率，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)備在安裝過程中即要執(zhí)行檢驗程序，嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙的要求進行定位，做好設(shè)備完好性、電纜接線、校線及絕緣等檢驗工作，嚴(yán)格遵照船用設(shè)備安裝規(guī)范，報請第三方檢驗，針對此階段工作，我們做了詳細的檢驗管理程序，包括設(shè)備檢查及線路檢查兩個方面，嚴(yán)格落實程序的檢驗要求，控制施工質(zhì)量，良好的機械完工狀態(tài)無疑給后續(xù)試驗帶來極大方便，節(jié)省項目工期。

3.3 機具文件準(zhǔn)備

為做好碼頭測試工作，需有必要的文件支持，諸如DP3控制系統(tǒng)樣機布置圖、電氣接線圖；國產(chǎn)DP3控制系統(tǒng)工程樣機操作說明書； 傳感器及位置參考系統(tǒng)技術(shù)資料；目標(biāo)船舶動力系統(tǒng)及推進器系統(tǒng)技術(shù)資料等，這些文件是碼頭測試效果的保證，常用的測試工具有過程式檢測表、網(wǎng)絡(luò)測試儀、絕緣表及示波器等測試設(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動力定位控制系統(tǒng)與推進器和發(fā)電機的信號類型和端口，并制定HDP與推進器和發(fā)電機的接線方式。

(1) 確定原DP2與推進器和發(fā)電機的信號類型。原船DP控制箱與推進器之間的信號通過有兩個接線箱連接，為確認原船DP系統(tǒng)與推進器、發(fā)電機的接口信號正確，需要核對每個接口對應(yīng)的DP2控制器其每個通道信號是否一致；需要校對接線箱到DP控制箱模塊的線，確認其每個通道的信號類型；拆接線箱每個通道的信號線；模擬輸入模擬信號，判斷輸入電流信號或電壓信號是否得到正確的結(jié)果；最后在Kongsberg DP操作臺上查看每個通道信號類型、信號數(shù)值或顯示數(shù)值，確保信號類型正確。

(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，對原船DP的兩個接線箱JB1和JB2需嚴(yán)格校對，制定周密的拆線方案，確保信號線引入新系統(tǒng)準(zhǔn)確無誤，保證后續(xù)試驗順利進行。

4 系泊試驗內(nèi)容及方法

4.1 控制系統(tǒng)各設(shè)備功能及接口測試

(1) 動力定位操作臺測試。主要檢查操作臺計算機各部件連接狀態(tài)，操作臺間冗余性，人機界面顯示狀態(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)行動作；CAN 及以太網(wǎng)絡(luò)通訊及系統(tǒng)報警功能。

(2) 操縱桿操作終端(JOT)測試。檢查液晶顯示器工作狀態(tài)，顯示頁面完備；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)定要求進行參數(shù)調(diào)整，確保CAN及以太網(wǎng)絡(luò)通訊正常，確保報警系統(tǒng)工作良好。

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

(4) 現(xiàn)場工作站(FS)試驗。測試兩個現(xiàn)場工作站的接口工作狀態(tài)，確保推進器、發(fā)電機控制和反饋命令接口計算機工作正常，全部輸入輸出通道(串口、I/O、A/D、D/A)工作良好，系統(tǒng)切換開關(guān)及信號切換板工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠。

(5) 系統(tǒng)隔離箱及控制權(quán)切換箱試驗。測試串口隔離分配器工作狀態(tài)，原船系統(tǒng)及國產(chǎn)系統(tǒng)切換開關(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，測試切換開關(guān)指示燈。

(6) UPS試驗內(nèi)容。UPS系統(tǒng)主要測試設(shè)備維護開關(guān)，輸入輸出電壓，電池工作狀態(tài)，逆變輸出，絕緣監(jiān)測正常及通訊等方面，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試

(1) 風(fēng)傳感器試驗。主要測試數(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)無數(shù)據(jù)接收報警等內(nèi)容，確保風(fēng)速傳感器單個失效的狀態(tài)下，不影響系統(tǒng)工作。

(2) 運動傳感器(MRU)試驗。運動參考單元主要測試數(shù)據(jù)輸出格式、更新率、濾波參數(shù)設(shè)置，安裝幾何位置(從運動傳感器到船重心位置必須經(jīng)過嚴(yán)格修正)，能夠真實反映船舶縱搖、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)及正負方向輸出正確(可參考其他運動傳感器輸出)，測試系統(tǒng)無數(shù)據(jù)接收報警功能。

(3) 羅經(jīng)(GYRO)試驗。羅經(jīng)主要測試數(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GGA)、時間輸入(自動ZDA)設(shè)置參數(shù)正確，羅經(jīng)相對船艏安裝誤差要嚴(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測試。DGPS是動力定位系統(tǒng)關(guān)鍵的位置信息提供設(shè)備，碼頭試驗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)計要求進行計算，并確保準(zhǔn)確無誤；核對位置信號是否存在并正常，判斷位置信號格式、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，可正常發(fā)出報警提示，系統(tǒng)可自動剔除該GPS數(shù)據(jù)。

(5) HIPAP水聲定位系統(tǒng)測試。水聲定位系統(tǒng)是動力定位系統(tǒng)中有一個位置參考設(shè)備，其工作原理是通過放入海底的應(yīng)答器與安裝在船底的信號接收器(換能器)實時通訊，判斷船體相對移動位置，這是一種測量相對位置的設(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)備測試時，主要關(guān)注HIPAP安裝與船體幾何中心位置的坐標(biāo)關(guān)系，測試系統(tǒng)的信號格式、更新率是否正確，檢查傳入HIPAP中的羅經(jīng)信號和GPS信號是否正確，當(dāng)數(shù)據(jù)中斷時，是否正常發(fā)出報警。

4.3 動力系統(tǒng)接口測試

國產(chǎn)動力定位系統(tǒng)測試的目標(biāo)船舶是海洋石油299船，該船配備4臺柴油發(fā)電機及2臺軸帶發(fā)電機，為4個側(cè)推及2個主推供電。為確保航行試驗的順利進行，在碼頭期間完成動力系統(tǒng)的接口測試意義非常重大，確保國產(chǎn)動力定位系統(tǒng)供電正常，避免意外產(chǎn)生。故動力接口測試需完成國產(chǎn)系統(tǒng)信號采集型式與原船發(fā)電機給出的信號匹配性測試(±10 VDC 或4～20 mA)，確保發(fā)電機圖上位置、系統(tǒng)上位置與實際船安裝位置一致，判斷系統(tǒng)接收的負載信息及狀態(tài)信息是否正確，滿足系統(tǒng)要求。

4.4 推進器系統(tǒng)接口測試

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

4.5 船舶操船控制權(quán)切換測試

為確保試驗安全進行，需實現(xiàn)目標(biāo)船國產(chǎn)定位系統(tǒng)和原船系統(tǒng)的無縫切換，確保推進器、發(fā)電機的控制線正確引入到國產(chǎn)系統(tǒng)切換箱中，保證船舶在國產(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，此項工作是國產(chǎn)系統(tǒng)試驗的重中之重，若出現(xiàn)差錯，船舶失位風(fēng)險顯著增加，甚至無法完成試驗。首先利用299船駕駛臺上的“手動/DP”切換開關(guān)進行駕駛臺與K-POS之間的控制權(quán)切換；并利用“DP控制權(quán)切換盒”上切換開關(guān)進行K-POS系統(tǒng)和國產(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，報警功能正確。

5 小結(jié)

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

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[5] 邊信黔, 付明玉, 王元慧. 船舶動力定位[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

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

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

王 偉(1980-)，男，工程師。

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