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        DP2自航式船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)邏輯分析

        2022-12-21 01:38:22張興權(quán)
        關(guān)鍵詞:變頻器船舶系統(tǒng)

        王 剛,張興權(quán)

        (招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇南通 226116)

        0 引言

        隨著動(dòng)態(tài)定位技術(shù)愈發(fā)成熟,動(dòng)力定位(Dynamic Positioning,DP)系統(tǒng)在船舶和海洋平臺(tái)應(yīng)用更加廣泛,平臺(tái)支持船、風(fēng)電安裝船和鋪管船對(duì)于推進(jìn)組合功能的要求也越來(lái)越多。因此,出現(xiàn)很多帶有DP功能的自航式電力推進(jìn)船舶。推進(jìn)系統(tǒng)包括推進(jìn)器、推進(jìn)馬達(dá)、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)控制系統(tǒng)以及讓推進(jìn)系統(tǒng)順暢運(yùn)行的輔助系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。本文以某具有自航功能的DP2風(fēng)電安裝船為實(shí)例,對(duì)DP2自航式船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行分析。

        圖1 常見(jiàn)推進(jìn)系統(tǒng)的配置

        1 推進(jìn)系統(tǒng)的控制和配置

        根據(jù)《國(guó)際海上人命安全公約》(International Convention for Safety of Life at Sea,SOLAS)要求[1],所有對(duì)船舶推進(jìn)、控制和安全所必需的控制系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立設(shè)計(jì),無(wú)法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證系統(tǒng)失效時(shí)不會(huì)影響其他系統(tǒng)的運(yùn)行。即在遙控系統(tǒng)的任一部分發(fā)生故障時(shí),推進(jìn)機(jī)械仍能就地進(jìn)行控制。因此,控制箱配置需要包括本地控制和遙控兩部分。

        本地控制包括舵機(jī)控制和馬達(dá)控制。舵機(jī)控制需要實(shí)現(xiàn)應(yīng)急的操舵功能。若變頻器設(shè)備放置在本地,可通過(guò)控制變頻器實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的啟停和調(diào)速。若變頻器不在本地,則需要通過(guò)推進(jìn)器控制箱或遙控箱來(lái)控制推進(jìn)馬達(dá)。操舵控制裝置和馬達(dá)控制裝置需要就近布置,可根據(jù)空間和設(shè)備的搭配選擇不同本地配置方案。

        遙控部分主要通過(guò)操作站手柄實(shí)現(xiàn)功能,包括單個(gè)推進(jìn)器的操縱手柄、聯(lián)合操作手柄、命令轉(zhuǎn)換裝置、應(yīng)急停止按鈕、模式選擇裝置和顯示儀表等。根據(jù)SOLAS要求,推進(jìn)機(jī)械在同一時(shí)間內(nèi)僅能由一處進(jìn)行遙控,各處所間允許設(shè)置互相連接的控制位置。各處所應(yīng)設(shè)置指示器用于指示正在控制推進(jìn)裝置的控制地點(diǎn)。駕駛室和機(jī)器處所之間的控制轉(zhuǎn)換只能在主要機(jī)器處所或主機(jī)控制室進(jìn)行。

        推進(jìn)控制涉及的部件和方式較多,控制方式和模式也較多??刂七壿嬙硎窍缺镜睾筮b控,所有遙控的接口均通過(guò)本地控制箱直接連接,可選擇網(wǎng)絡(luò)和硬線(xiàn)兩種連接方式,備用部分最好采用硬線(xiàn)連接。當(dāng)設(shè)備處于非隨動(dòng)模式,且變頻器和舵機(jī)都處于停止工況時(shí),不能通過(guò)遙控啟動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)。推進(jìn)系統(tǒng)各部件之間的聯(lián)絡(luò)關(guān)系見(jiàn)圖 2,推進(jìn)系統(tǒng)啟動(dòng)命令和停止命令的傳送過(guò)程分別見(jiàn)圖3和圖4。

        圖2 推進(jìn)系統(tǒng)各部件之間的聯(lián)絡(luò)框圖

        圖3 推進(jìn)系統(tǒng)啟動(dòng)命令傳送過(guò)程

        圖4 推進(jìn)系統(tǒng)停止命令傳送過(guò)程

        2 推進(jìn)系統(tǒng)外部接口

        本文僅闡述動(dòng)力定位和自航的控制要求,不討論監(jiān)測(cè)部分。這是由于不同船級(jí)社的入級(jí)符號(hào)要求不同,推進(jìn)部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置可參照相關(guān)船級(jí)社的要求。

        船舶操作系統(tǒng)分為以下4部分:1)手動(dòng)遙控操作部分(操作手柄);2)動(dòng)力定位系統(tǒng);3)自動(dòng)舵系統(tǒng);4)電子海圖系統(tǒng)。手動(dòng)遙控操作部分僅涉及人為操作,無(wú)其他輔助操作,僅需連接推進(jìn)器和推進(jìn)馬達(dá)接口即可。動(dòng)力定位和自動(dòng)舵是帶有控制參照和反饋的智能形態(tài),是現(xiàn)代船舶的體現(xiàn)。下文重點(diǎn)介紹這兩部分內(nèi)容。

        2.1 動(dòng)力定位系統(tǒng)

        動(dòng)力定位系統(tǒng)指的是通過(guò)推進(jìn)器推力能維持海上物體位置和朝向在可接受限制范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)定位的設(shè)備包括所有能提供給動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)的定位控制的元器件及系統(tǒng)。根據(jù)規(guī)范要求,DP2船舶推進(jìn)系統(tǒng)需要進(jìn)行冗余設(shè)計(jì),當(dāng)有源組件(發(fā)電機(jī)和配電板)、推進(jìn)器、控制裝置等任何系統(tǒng)產(chǎn)生單一故障時(shí),不會(huì)發(fā)生失位。冗余設(shè)計(jì)不需要考慮電纜、管道、手控閥等靜態(tài)部件,也不考慮火災(zāi)或者水淹等極端情況[2-5]。

        船舶在水面上的受力情況見(jiàn)圖 5,動(dòng)力定位操作系統(tǒng)的是利用推進(jìn)器的推力去對(duì)抗風(fēng)速、洋流及船舶縱橫傾的閉環(huán)操作系統(tǒng)。動(dòng)力定位系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、位置參考系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)(見(jiàn)圖6);根據(jù)冗余要求,需提供備用的操作操控裝置。

        圖5 船舶在水面上的受力情況

        圖6 傳感器類(lèi)型

        動(dòng)力定位系統(tǒng)通過(guò)控制箱接入推進(jìn)器系統(tǒng),船舶處于動(dòng)力定位操作模式時(shí),動(dòng)力操作系統(tǒng)根據(jù)傳感器給出的信息和船舶的受力面積得到船舶受力方向,定位控制箱的分析給出推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的要求,推進(jìn)系統(tǒng)反饋實(shí)際執(zhí)行情況。動(dòng)力定位系統(tǒng)的備用控制箱需要通硬線(xiàn)或雙環(huán)網(wǎng)與本地控制相連。

        2.2 自動(dòng)舵

        自航的船舶在長(zhǎng)距離航行時(shí)通常需要使用自動(dòng)舵系統(tǒng)以便減少船舶操作人員的工作量。自動(dòng)舵可分為航向控制系統(tǒng)和航跡控制系統(tǒng)。航向控制系統(tǒng)是在船舶可操縱性的相關(guān)限制內(nèi)結(jié)合其航向信息源,在最低船舶操舵裝置使用條件下使船舶保持預(yù)定的航向。航跡控制系統(tǒng)要確保在船舶操縱性受到一定限制的條件下,使船舶自動(dòng)地保持在預(yù)先計(jì)劃的對(duì)地航線(xiàn)上。不管何種模式下,自動(dòng)舵一般只是控制推進(jìn)器的轉(zhuǎn)向功能。自動(dòng)舵配置情況見(jiàn)圖 7,自動(dòng)舵命令傳輸情況見(jiàn)圖8。

        圖7 自動(dòng)舵配置情況

        圖8 自動(dòng)舵命令傳輸情況

        一般情況下,自動(dòng)舵只是控制主推進(jìn)的方向,給出?35°~35°的命令,通過(guò)推進(jìn)器的反饋核實(shí)轉(zhuǎn)向信息。通過(guò)操作手輪或電子海圖給出轉(zhuǎn)向命令,在完成推進(jìn)動(dòng)作后將相關(guān)信息信息反饋?zhàn)詣?dòng)舵,進(jìn)而完成控制。

        3 結(jié)論

        本文以某具有自航功能的 DP2風(fēng)電安裝船為實(shí)例,對(duì)DP2自航式船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行介紹,分析推進(jìn)遙控與推進(jìn)器各部件之間的連接關(guān)系,以及推進(jìn)遙控與外部的動(dòng)力定位系統(tǒng)和自動(dòng)舵系統(tǒng)之間的接口和控制邏輯,實(shí)現(xiàn)推進(jìn)控制要求。希望本文可為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定參考。

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