汪 達(dá)，高 歌，朱百祥

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

DP3鉆井船VMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪 達(dá)，高 歌，朱百祥

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

隨著科技的革新，海洋工程領(lǐng)域向著高智能高自動(dòng)化發(fā)展，無論工業(yè)4.0或者2025都是新時(shí)代的標(biāo)志。本文主要闡述了DP3鉆井船的高自動(dòng)化VMS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

緊湊型VMS；DP3

0 引言

深海作業(yè)的鉆井船電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高集成度、高冗余度、高自動(dòng)化和智能化。最大作業(yè)水深3000米、最大鉆井深度10000米的第六代鉆井船誕生了。鉆井船設(shè)計(jì)采用緊湊型船體結(jié)構(gòu)——減少能耗；電力推進(jìn)，DP（動(dòng)力定位系統(tǒng)）——提升效率，適應(yīng)各種海況；閉環(huán)供電，雙冗余回路——提升可靠性安全性。

目前國內(nèi)外對(duì)超深水鉆井船電力系統(tǒng)研究并沒有取得較大的發(fā)展，還是以傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析與分割為主。對(duì)于價(jià)格水平而言，鉆井平臺(tái)是高附加值的產(chǎn)品，大型鉆井平臺(tái)的價(jià)格從2003年一直上漲，至2008年達(dá)到峰值，平均達(dá)4.6億美元。鉆井船價(jià)格最高，尤其是緊湊型鉆井船因?yàn)槠潇`活性和經(jīng)濟(jì)性得到很多船東的青睞。因此，對(duì)緊湊型鉆井船電氣系統(tǒng)的開發(fā)和研究，有深遠(yuǎn)而重大的意義。

鉆井船在海上進(jìn)行鉆井工作，因此它對(duì)于動(dòng)力定位的要求非常高，任何在海上的風(fēng)浪和潮涌，都將使船舶失去原有的位置，最終導(dǎo)致作業(yè)失敗，因此其通過GPS衛(wèi)星信號(hào)、海底聲吶系統(tǒng)以及電羅經(jīng)實(shí)施對(duì)船舶位置和艏向的反饋，以及風(fēng)速傳感器測量數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)船舶的受風(fēng)面積計(jì)算、船舶附近一定范圍內(nèi)的浪和涌的測量，而后通過控制器對(duì)推進(jìn)器操控，自動(dòng)計(jì)算出橫向以及縱向所需要的力矩，從而實(shí)施船舶的位置修復(fù)，以保證作業(yè)的正常實(shí)施。對(duì)于鉆井船來說，如果在作業(yè)中失去了船舶的位置和艏向的情況，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)鉆桿被扭斷，其危害是相當(dāng)大的。

1 DP3控制系統(tǒng)

DP3控制系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)組成。

控制系統(tǒng)根據(jù)外部環(huán)境條件（風(fēng)、浪、流）計(jì)算船舶所受的干擾力，然后根據(jù)擾動(dòng)力與測量位置計(jì)算出保持船位所需的作用力。

測量系統(tǒng)用于測量船舶相對(duì)某參考點(diǎn)的位置姿態(tài)和環(huán)境狀態(tài)。完整的測量系統(tǒng)由定位參考單元（水聲定位系統(tǒng)、DGPS、激光系統(tǒng)等）、艏向測量單元（羅經(jīng)）、環(huán)境參考單元（風(fēng)傳感器等其他傳感器）和垂直參照單元（慣性測量單元、加速度計(jì)等組成）。當(dāng)波浪雷達(dá)以及涌流分析儀用于測量浪和涌的實(shí)時(shí)狀態(tài)，對(duì)于整個(gè)模型的完整性更進(jìn)了一步。

推進(jìn)器系統(tǒng)用于產(chǎn)生抵抗干擾力的力和力矩。本船一共采用六個(gè)推進(jìn)器，一臺(tái)發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)推進(jìn)器。根據(jù)DP3的規(guī)范要求，在最嚴(yán)重的情況下，即失去一個(gè)高壓配電板間以及一個(gè)機(jī)艙的情況下，推進(jìn)器系統(tǒng)仍然能使船舶保持船位和艏向。也就是說剩余任何兩個(gè)機(jī)艙對(duì)應(yīng)的4個(gè)推進(jìn)器即能滿足動(dòng)力的需求。

2 電力系統(tǒng)

本船電力系統(tǒng)采用了11KV的中壓閉環(huán)系統(tǒng)（見圖1），實(shí)現(xiàn)了節(jié)能增效。據(jù)以往統(tǒng)計(jì)，可以節(jié)省約3%的燃油，減少17%至23%發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。發(fā)電機(jī)一直會(huì)維持高效的負(fù)荷率，整個(gè)電站的可選擇性提高了，同時(shí)對(duì)外的排放也降低了。整船的電力系統(tǒng)是由三組中壓發(fā)電機(jī)組成，每組兩臺(tái)7370kW中壓發(fā)電機(jī)分別安裝在A60分割的三個(gè)機(jī)艙內(nèi)，三條主電力系統(tǒng)必須A60分割，從相對(duì)應(yīng)的中壓配電系統(tǒng)到變壓器再到440V低壓配電板都是完全互相A60分割的。PMS系統(tǒng)（功率管理系統(tǒng)）集成在VMS（船舶管理系統(tǒng)，又稱中央控制系統(tǒng)）系統(tǒng)中，將控制鉆井船各個(gè)工況下各個(gè)母聯(lián)開關(guān)的開閉。

如圖1所示，三個(gè)中壓配電板對(duì)應(yīng)的分別是T2和T5、T1和T4、T3和T6全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。如圖2所示大致的位置信息為，推進(jìn)器的分布是完全按照DP3的分割，如圖2中的T2和T5屬于最上面機(jī)艙的發(fā)電機(jī)組供電，并且屬于一個(gè)區(qū)域；T1和T4則屬于中間的一個(gè)機(jī)艙區(qū)域；T3和T6是最下面的機(jī)艙區(qū)域。這樣為之服務(wù)的通風(fēng)、輪機(jī)、管系專業(yè)也是按照這樣的區(qū)域分割來配置的。這樣最大的單個(gè)失效情況也就是一個(gè)中壓配電間失效，最終導(dǎo)致兩個(gè)推進(jìn)器的失效，這樣剩余的四個(gè)推進(jìn)器仍然能滿足保持船位的功能。

T5和T6艉部推進(jìn)器作為航行推進(jìn)器用，并且保證航速大于11節(jié)。

圖1 11K電力結(jié)構(gòu)圖

圖2 推進(jìn)器位置分布圖

3 UPS系統(tǒng)對(duì)于DP系統(tǒng)和VMS系統(tǒng)的供電

IMO DP3符號(hào)要求UPS是2+1，其中之一位于隔離艙室；而ABS DPS3符號(hào)要求1+1，其中之一位于隔離艙室。也就是說，主DP與備用DP系統(tǒng)的UPS是需要分開的，而對(duì)于主DP的兩套系統(tǒng)則是可以放在同一區(qū)域的。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由NSB（net switch box，網(wǎng)絡(luò)接線盒）和FS（field station，區(qū)域控制站）構(gòu)成。所有FS都是由一路應(yīng)急配電板和另一路UPS供電，而NSB則是由一路UPS供電。

在一個(gè)簡易的UPS供電系統(tǒng)中有兩個(gè)獨(dú)立的供電回路，主供電回路以及從供電回路連接在不同的母線上。其中一個(gè)供電回路給整流器供電，整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。當(dāng)主電力系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致停電時(shí)，UPS將會(huì)給船舶電力系統(tǒng)提供約30min的供電。

本船設(shè)計(jì)共有三個(gè)DP UPS，其中兩個(gè)UPS放在主DP的控制區(qū)域，另一個(gè)放在備用DP的控制區(qū)域。VCS的UPS共6個(gè)，分別放在上層建筑的兩個(gè)控制區(qū)域、機(jī)艙集控室，以及三個(gè)主電力系統(tǒng)的區(qū)域。

4 VMS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

本船的VMS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)則不同于電力系統(tǒng)，它主要分為兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)（A、B網(wǎng)絡(luò)），也就是從控制區(qū)域上將整個(gè)鉆井船分割成了兩個(gè)控制區(qū)域。系統(tǒng)采用了以太網(wǎng)，傳輸速度達(dá)到了100M/s。默認(rèn)情況下，所有信息通過B網(wǎng)傳輸。假如A網(wǎng)中的任何一點(diǎn)產(chǎn)生了故障，仍舊由B網(wǎng)傳輸；而假如B網(wǎng)中的任何一點(diǎn)產(chǎn)生了故障，則故障的點(diǎn)自動(dòng)切換到A網(wǎng)工作。

圖3 中央控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

控制區(qū)域A對(duì)應(yīng)主DP系統(tǒng)，控制區(qū)域B對(duì)應(yīng)備用DP系統(tǒng)，系統(tǒng)相應(yīng)設(shè)備則必須放置在對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，例如主DP的設(shè)備必須放在控制區(qū)域A，備用DP的設(shè)備則應(yīng)該放在控制區(qū)域B。所有的NSB也必須根據(jù)A網(wǎng)和B網(wǎng)設(shè)計(jì)分為A、B兩組而分別放置在不同的控制區(qū)域內(nèi)。從圖3中可以推斷，任何一個(gè)A60分割的區(qū)域失火或者進(jìn)水導(dǎo)致失效，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，系統(tǒng)總是可以從剩余的另一路網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)正常工作。圖3中較大的實(shí)線框表示獨(dú)立的A60分割的防火區(qū)域。不難發(fā)現(xiàn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)滿足DP3的要求。

DP3與DP2的最大區(qū)別是，不僅在設(shè)備上要求冗余，并且在空間上也要求完全分開，其中包括設(shè)備和主干的電力、網(wǎng)絡(luò)電纜?？梢钥吹綀D3所示的網(wǎng)絡(luò)簡圖中，紅色光纖代表A網(wǎng)絡(luò)，藍(lán)色光纖代表B網(wǎng)絡(luò)，所有的FS也必須同時(shí)接到這A、B兩路上。

本船的VMS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總共由23個(gè)FS組成，最大的FS的IO上限約500個(gè)硬點(diǎn)，基本平均分?jǐn)偭诉@些點(diǎn)。能夠承受的硬點(diǎn)總數(shù)在6000左右，而實(shí)際使用了3000多硬點(diǎn)。全船包括軟點(diǎn)有約13000左右。FS01-06分別分配給六個(gè)推進(jìn)器，F(xiàn)S07-FS09則分配給三個(gè)中壓配單板使用，其中包含了最重要的PMS模塊。FS10是給鉆井配電板用的，F(xiàn)S11則是和鉆井包接口的一個(gè)柜子使用。FS12-FS14分別對(duì)應(yīng)三個(gè)機(jī)艙，F(xiàn)S15-FS19對(duì)應(yīng)泵艙，F(xiàn)S20和FS23對(duì)應(yīng)上層建筑部分，F(xiàn)S22則是給空調(diào)使用的。

所有的440V及以上的配電板（MSB）以及馬達(dá)控制中心（MCC）都通過串口接入就近的FS，從而傳輸?shù)秸麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的任何一點(diǎn)都能共享網(wǎng)絡(luò)中的任何數(shù)據(jù)。而220V及以下則都是通過硬點(diǎn)傳輸。硬點(diǎn)相對(duì)于軟點(diǎn)的優(yōu)勢是更加可靠?；饸庀到y(tǒng)和應(yīng)急切斷系統(tǒng)都具有獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，同樣也是冗余設(shè)計(jì)，并分別通過2個(gè)網(wǎng)關(guān)與VMS相連接，包括鉆井系統(tǒng)也有其獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，通過串口最終接入VMS系統(tǒng)。

除了VMS系統(tǒng)的監(jiān)控功能外，整個(gè)VMS系統(tǒng)的控制主要分為三大塊，分別是 PMS（power management system，功率管理系統(tǒng)）、DP和VMS本身。本船的設(shè)計(jì)優(yōu)勢在于它是VMS系統(tǒng)與DP系統(tǒng)融合的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)在每一個(gè)單獨(dú)區(qū)域內(nèi)FS都是集成了單獨(dú)的DP和VMS的PLC控制單元。

在不同工況下，PMS根據(jù)DP系統(tǒng)提供的各個(gè)傳感器表決邏輯之后的有效數(shù)據(jù)，進(jìn)行所需力矩的推算，從而分配到各個(gè)推進(jìn)器，通過VMS控制各個(gè)母聯(lián)開關(guān)的開閉。相應(yīng)地，操作人員可以通過VMS手動(dòng)或者自動(dòng)地控制為其服務(wù)的輔機(jī)、管系和通風(fēng)設(shè)備。

5 黑電恢復(fù)（blackout recovery）

本船從黑電到完全恢復(fù)供電應(yīng)在30秒內(nèi)完成，從黑電狀態(tài)到停止漂浮的時(shí)間是3分鐘內(nèi)。下面分析這90秒的啟動(dòng)順序：

1）檢測需要+2秒；

PMS檢測黑電是從11KV配電板母線部分。

（1）11KV主配電板黑電信號(hào)輸入；

（2）沒有發(fā)電機(jī)連接到主配電板母線部分（相關(guān)的發(fā)電機(jī)開關(guān)打開），相關(guān)的配單板聯(lián)絡(luò)開關(guān)打開。

檢測到黑電狀態(tài)后 PMS發(fā)送一個(gè)（blackout start）起動(dòng)信號(hào)給每一個(gè)柴油機(jī)控制器。

2）PMS恢復(fù)程序啟動(dòng)+5秒；

3）啟動(dòng)停止了的發(fā)電機(jī)+20秒；

4）停止的發(fā)電機(jī)重新連接（例如包括勵(lì)磁的時(shí)間）+3秒，即恢復(fù)中壓配電板；

以上的情況是同時(shí)在3個(gè)分段，3組發(fā)電機(jī)同時(shí)進(jìn)行。

每一個(gè)配電板都獨(dú)立的同時(shí)，G1、G3和G5同時(shí)起動(dòng)。一旦起動(dòng)命令發(fā)送給了第一臺(tái)發(fā)電機(jī)，有10秒的延時(shí)發(fā)送給第二臺(tái)發(fā)電機(jī)。延時(shí)是通過PMS軟件做的。PMS起動(dòng)發(fā)電機(jī)不連接母線。第一臺(tái)如果失敗了，PMS就沒有后續(xù)的嘗試。如果第一臺(tái)發(fā)電機(jī)合閘主配電板失敗，PMS馬上合閘第二臺(tái)發(fā)電機(jī)。一旦11KV主配電板有電，PMS將取消黑電狀態(tài)報(bào)警信號(hào)。然后PMS啟動(dòng)低壓配電板恢復(fù)程序。更多的發(fā)電機(jī)也可以由操作人從HMI手動(dòng)并入電網(wǎng)。

一旦11KV主配電板有電，PMS將用常規(guī)的發(fā)電機(jī)起動(dòng)邏輯將起動(dòng)的發(fā)電機(jī)并上電網(wǎng)。

5）恢復(fù)低壓配電板以及必要的輔機(jī)負(fù)載+15秒；

6）恢復(fù)推進(jìn)器的驅(qū)動(dòng)+45秒。

應(yīng)急配電板會(huì)獨(dú)立恢復(fù)，而且只能在主電網(wǎng)恢復(fù)并且電站操作重建的情況下重新連接。應(yīng)急配電板會(huì)在黑電10秒后啟動(dòng)，這個(gè)控制邏輯是做在應(yīng)急配電板內(nèi)部的。可見對(duì)于整個(gè)VMS系統(tǒng)的要求是非常高的，也就是說在這短短的時(shí)間內(nèi)直到推進(jìn)器啟動(dòng)后，相應(yīng)地，為其服務(wù)的系統(tǒng)都將陸續(xù)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

6 結(jié)語

科技的發(fā)展令未來的海洋工程領(lǐng)域發(fā)生巨變，高集成度、高冗余度、高自動(dòng)化和智能化已成為趨勢，互聯(lián)時(shí)代和大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)海洋工程的改變將拭目以待。

[1]黃建章.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè),電氣分冊(cè)[M].國防工業(yè)出版社,2013.

[2]邊信黔,付明玉,王元慧.船舶動(dòng)力定位(精)[M].科學(xué)出版社,2011.

[3]何琪.船舶電氣控制及自動(dòng)化[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社,2014.

VMS System Design for DP3 Drilling Ship

Wang Da,Gao Ge,Zhu Bai-xiang

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China)

With the innovation of technology,the ocean engineering field is developing toward the direction of high intelligence and high automation.Either the industry 4.0 or 2025 is the icon of a new era.The paper mainly elaborates the highly automatic VMS(vessel management system)system of DP3 drilling ships.

compact type VMS; DP3

U662.2

A

10.14141/j.31-1981.2015.06.002

汪達(dá)（1986-），男，本科，研究方向：船舶與海洋工程的電氣設(shè)計(jì)。