曲兆源，文 武

應(yīng)用研究

DP-2動力定位船舶故障模式與影響分析

曲兆源1，文 武2

（1. 中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300451；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

故障模式與影響分析對動力定位船舶的安全性和可靠性有重要的影響，本文以中海油海洋石油791海底管道巡檢船為例，介紹了DP-2動力定位船舶的設(shè)備配置與主要功能，同時對船舶的故障模式與影響分析（FMEA）進行了研究。

DP-2 動力定位 故障模式與影響分析

0 引言

動力定位系統(tǒng)（Dynamic Positioning System）簡稱DP系統(tǒng)，是上個世紀(jì)70年代逐漸發(fā)展起來的，并逐步由淺水海域向深水海域發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用于各種海洋工程、海上科考、風(fēng)電安裝運維、水下工程等領(lǐng)域[1]。在國內(nèi)海洋工程領(lǐng)域，該系統(tǒng)已經(jīng)成為多種類型海洋工程船舶的標(biāo)準(zhǔn)配置，面臨的作業(yè)環(huán)境和工況也越來越復(fù)雜，因此對動力定位系統(tǒng)的可靠性也提出了更高的要求。

傳統(tǒng)船舶、浮式生產(chǎn)平臺的系泊主要采用錨泊系統(tǒng)，但隨著水深的增加，錨泊系統(tǒng)的抓底力減小，拋錨的的困難程度增加，同時錨泊系統(tǒng)的錨鏈長度和強度都要增加，海上作業(yè)也變得復(fù)雜，造價和安裝費用猛增，其定位功能也會受到很大限制。動力定位系統(tǒng)是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)，其功能是不借助錨泊的作用使船舶盡可能的保持在預(yù)訂要求的位置上[2]。其優(yōu)點是定位成本不會隨著水深增加而增加，并且操作也比較方便，因此，動力定位系統(tǒng)在船舶和浮式生產(chǎn)平臺上的應(yīng)用也越來越廣泛。

不同船舶類型對動力定位系統(tǒng)的要求也不同，本文以海洋石油791海底管道巡檢船為分析對象，針對動力定位系統(tǒng)的主要配置、主要功能和故障模式與影響分析(FMEA)進行了研究和介紹。

1 海洋石油791動力定位系統(tǒng)配置

1.1 海洋石油791船型簡介

海洋石油791是國內(nèi)第一艘現(xiàn)代化的專業(yè)用于的海底油氣管道定期巡檢、詳細調(diào)查和應(yīng)急處理等工作的調(diào)查船。其主要功能是對海底管道的路由變化、外部損傷、腐蝕情況、第三方破壞進行調(diào)查。本船安裝有升降鰭板，升降鰭板底部搭載若干聲學(xué)測量設(shè)備，工作時升降鰭板下探至船底2.5米以下，利用聲學(xué)測量設(shè)備對海底油氣管道進行探測，必要時可下放隨船攜帶的ROV（水下機器人），懸浮在管線上方，可以對海管進行更加細致的掃描。

1.2 海洋石油791船型簡介

海洋石油791裝備船舶動力定位系統(tǒng)，取得了中國船級社DP-2的附加標(biāo)志，可以在以下環(huán)境條件下，使得本船停留在設(shè)定的位置上，實現(xiàn)定點、定位和定向要求。

有義波高：1.5 m

表面流速：2.0 kn

風(fēng)速：10.8 m/s

海洋石油791為電力推進船舶，機艙配有4臺主發(fā)電機組作為全船主電源，為全船用電設(shè)備供電。

圖1 海洋石油791電力系統(tǒng)配置圖

機艙集控室配有一套主配電板，作為接收和分配電能的電氣裝置。主配電板匯流排聯(lián)絡(luò)屏設(shè)有母聯(lián)開關(guān)，將主配電板匯流排分為兩段。在非DP工況時，母聯(lián)開關(guān)閉合，兩段匯流排合成一個整體，為全船所有用電設(shè)備供電；在DP工況時，母聯(lián)開關(guān)斷開，發(fā)電機組左右分區(qū)，兩兩并車，為各自匯流排供電。海洋石油791電力系統(tǒng)配置圖如圖1所示。

本船在主配電板內(nèi)設(shè)有功率管理系統(tǒng)，對4臺主發(fā)電機組進行管理，并具備報警和保護功能。本船功率管理系統(tǒng)由2 組完全冗余設(shè)計的S7-400系列PLC 組成，配置有2個同步模塊，通過光纖進行實時同步通訊，兩套S7-400獨立運行并互為備用。一套S7-400將在電站管理裝置中發(fā)揮主控制站的功能，另一套做為備用控制站保持運行。一旦主用控制器出現(xiàn)故障，備用S7-400將被自動切換成主用控制器，滿足DP-2熱冗余操作要求。

在DP工況時，船舶電站能在功率管理系統(tǒng)管理下，母排自動分段運行、負(fù)荷自動分區(qū)，確保在一側(cè)母排短路的情況下，確保一主推和側(cè)推能個正常工作，以此提高系統(tǒng)的冗余性。海洋石油791功率管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖2。

圖2 海洋石油791功率管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

1.3 海洋石油791推進器系統(tǒng)配置

推進器系統(tǒng)是動力定位系統(tǒng)的一個組成部分，用于產(chǎn)生力和力矩，來抗衡作用于船上的干擾力和干擾力矩。

本船艏部配有兩臺管隧式側(cè)向推進器，為船舶提供側(cè)向推力（見圖2 T3、T4）；船艉左右各配有一臺全回轉(zhuǎn)推進器，為全船提供360°推力（見圖2 T1、T2）。上述四臺推進器均由主發(fā)電機組供電。DP工況時，主配電板匯流排母聯(lián)開關(guān)斷開，1#發(fā)電機組DG1和2#發(fā)電機組DG2并聯(lián)運行，通過BusA匯流排為1#艏側(cè)推（T3）和左全回轉(zhuǎn)推進器（T1）供電；同理，3#發(fā)電機組DG3和4#發(fā)電機組DG4并聯(lián)運行，通過BusB匯流排為2#艏側(cè)推（T4）和右全回轉(zhuǎn)推進器（T2供電）。兩臺艏側(cè)推及兩臺全回轉(zhuǎn)推進器在DP工況時同時工作但又相互冗余，由于單個故障導(dǎo)致任意一臺推進器丟失都不會導(dǎo)致船舶失位。

1.4 海洋石油791動力定位控制系統(tǒng)配置

海洋石油791動力定位控制系統(tǒng)由雙冗余的控制器單元和操作站組成?？刂破鲉卧瑑膳_控制計算機，計算機系統(tǒng)用來接收來自傳感器及位置參照系統(tǒng)的電信號，經(jīng)過比較，計算處理后，向全回轉(zhuǎn)推進裝置、側(cè)推裝置發(fā)出一系列控制指令。計算機系統(tǒng)的公用設(shè)備如自檢程序、數(shù)據(jù)傳輸及接口失效時，不會引起兩個系統(tǒng)全部失效。當(dāng)一套計算機系統(tǒng)失效時，可自動轉(zhuǎn)換至冗余計算機系統(tǒng)進行控制。兩臺操作站包括船用計算機、控制面板及操作軟件等，并配置一臺報警打印機及兩臺容量滿足30分鐘連續(xù)使用的UPS。

本船配有一套獨立的聯(lián)合操縱桿系統(tǒng)（Joystick），對全回轉(zhuǎn)推進裝置和側(cè)推裝置進行聯(lián)合操縱，使其達到最佳運行工況。另配一套便攜式Joystick操作終端，在前駕控臺及駕駛室兩翼設(shè)有插座，以實現(xiàn)對船舶的靈活操控。聯(lián)合操縱桿系統(tǒng)配有獨立的UPS。海洋石油791動力定位系統(tǒng)配置如圖3所示。

圖3 海洋石油791動力定位系統(tǒng)配置

動力定位傳感器系統(tǒng)主要分為位置參照系統(tǒng)和外部傳感器系統(tǒng)。

一艘動力定位船舶能否順利執(zhí)行一項或幾項任務(wù)，很自然的取決于動力定位系統(tǒng)所用的位置測量系統(tǒng)，要求以足夠的速度和精度獲取所需的信息，以便控制器計算出推力器指令，使船舶完成預(yù)定的任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)所需的信息包括船舶位置、艏向以及外部干擾力的信息[3]。位置參照系統(tǒng)會將上述信息傳遞給動力定位控制系統(tǒng)，當(dāng)船舶偏離目標(biāo)位置時，可自動發(fā)出聽覺和視覺報警。對于DP-2附加標(biāo)志的動力定位船舶，配備了3套位置參照系統(tǒng)。

海洋石油791動力定位位置參照系統(tǒng)配置如下：

1）DGPS系統(tǒng)

本船配有2套動力定位系統(tǒng)專用的DGPS（Differential Global Position System），DGPS是在GPS的基礎(chǔ)上利用差分技術(shù)使GPS用戶獲得更高的定位精度，其精度通?？蛇_0.5-1m每秒。本船2套DGPS安裝于雷達桅上。DGPS衛(wèi)星可從不同角度發(fā)送信號，但高大的物體（如風(fēng)力發(fā)電機、海洋鉆井平臺、FPSO等大型船舶）可能會阻礙DGPS信號的接收，這種情況下需要使用其他位置傳感器，如微波雷達定位系統(tǒng)[4]。

2）微波雷達定位系統(tǒng)

本船配有1套微波雷達定位系統(tǒng)，用于近距離精確測距。本系統(tǒng)利用微波雷達發(fā)射微波信號，測得雷達與固定目標(biāo)反射器之間的距離來直接測得相對距離和方位。本船微波雷達安裝在船舶的羅經(jīng)甲板，雷達反射器可安裝在如海洋鉆井平臺或FPSO等固定位置。

3）水下聲吶系統(tǒng)

本船配有一套用于ROV跟隨的水下聲吶系統(tǒng)。水下聲吶系統(tǒng)由安裝于船舶底部可伸縮的收發(fā)器（HIPAP）與水下信標(biāo)組成。當(dāng)水下信標(biāo)收到收發(fā)機發(fā)來的聲頻信號，立即啟動發(fā)射裝置，反饋一個信號給收發(fā)器。收發(fā)器收到信號后，它們之間的距離和方位就可以計算出來并傳輸給動力定位控制系統(tǒng)。水下信標(biāo)安裝于ROV上，從而實現(xiàn)船舶對ROV的跟隨[4]。

上述3套位置參考系統(tǒng)采用不同工作原理，且在動力定位操作中可同時使用。

位置參照系統(tǒng)可根據(jù)運行條件、調(diào)度方式的限制和工作條件下期望的性能進行選擇。不同的位置參照系統(tǒng)可相互校準(zhǔn)。

外部傳感器系統(tǒng)用于船舶姿態(tài)檢測、環(huán)境風(fēng)力檢測以及航向檢測。外力傳感器系統(tǒng)包含運動傳感器、風(fēng)向風(fēng)速儀和電羅經(jīng)。

1）運動傳感器

船舶在海上時，受到來自風(fēng)、浪、和涌等外力，一般從6個自由度來考慮船舶受力：艏搖、縱蕩、橫蕩、縱揺、橫搖和垂蕩（參見圖5）。動力定位系統(tǒng)主要克服來自水平方向外力的影響，即：艏搖、縱蕩和橫蕩；對于縱揺、橫搖和垂蕩并不能被動力定位系統(tǒng)所控制，但可通過運動傳感器檢測出來[4]，并將信息傳輸至動力定位控制系統(tǒng)，由動力定位控制系統(tǒng)對其位置參照系統(tǒng)進行補償。海洋石油791動力定位系統(tǒng)配有2個運動傳感器，對船舶姿態(tài)進行檢測。運動傳感器需安裝在振動小、且靠近船舶重心位置處。

2）風(fēng)向風(fēng)速儀

風(fēng)是船舶在海上受到的一個主要外力，因此必須精確測量動力定位船舶所在海域的風(fēng)速和風(fēng)向。海洋石油791配有2臺超聲波式風(fēng)向風(fēng)速儀（與航行設(shè)備共用），滿足動力定位系統(tǒng)對其精度與冗余度的要求。

3）電羅經(jīng)

電羅經(jīng)能夠反映精確的船艏數(shù)據(jù)，本船配有兩臺電羅經(jīng)，除船舶自動舵使用以外還為動力定位系統(tǒng)提供船舶艏向信號。兩臺電羅經(jīng)一用一備，備用的電羅經(jīng)處于熱冗余狀態(tài)，在出現(xiàn)故障的情況下，另外一臺可以立即投入使用，從而能夠確保定位系統(tǒng)的精確性。

2 海洋石油791動力定位系統(tǒng)的主要功能

海洋石油791動力定位系統(tǒng)主要用于船舶沿海底管線進行路由調(diào)查、ROV定點釋放以及ROV自動跟隨。本船動力定位系統(tǒng)主要包含以下功能：

2.1 自動定位功能

本船可通過動力定位操作站對目標(biāo)位置坐標(biāo)（相對坐標(biāo)或絕對坐標(biāo)）和艏向進行設(shè)置，確認(rèn)后，船舶會從當(dāng)前位置自移動到目標(biāo)位置并保持，艏向也能自動保持到預(yù)設(shè)的艏向。當(dāng)船舶偏離目標(biāo)位置一定距離或預(yù)設(shè)艏向一定角度后，動力定位系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警。海洋石油791設(shè)置為偏離目標(biāo)位置3米或偏離預(yù)設(shè)艏向3°即發(fā)出報警信號。

2.2 自動定位最小功耗模式

為了以節(jié)約燃料和避免推進器的磨損，海洋石油791可以在最小功耗模式下，即船舶在保持滿足作業(yè)需求位置的前提下，推進器以最小的功耗工作。最小功耗模式分為風(fēng)向標(biāo)模式和定位圈模式。

在風(fēng)向標(biāo)模式下，動力定位系統(tǒng)會不斷調(diào)整船舶艏向，使船艏正對外力方向，從而使推進器可以最小功耗保持船位。船舶艏向的方向是有外環(huán)境力方向決定的，主要是風(fēng)和流的影響。

定位圈模式是指在允許船舶在一定范圍內(nèi)移動的前提下，以目標(biāo)位置為中心設(shè)置定位圈，當(dāng)船舶因環(huán)境外力影響移出定位圈時，動力定位系統(tǒng)會通過推進器將船舶移至目標(biāo)位置。該模式可減少推進器的功率，從而達到節(jié)約燃料、減少排放的效果[5]。

2.3 自動航跡功能

海洋石油791可通過在動力定位操作站輸入航點表或繪制航跡的方式，使船舶自動沿著預(yù)先設(shè)置的航跡航行。本船自動航跡航行功能主要用于海底油氣管線的路由調(diào)查。此功能可大大減輕船員的工作強度并提高了工作效率。

2.4 目標(biāo)跟隨功能

海洋石油791動力定位系統(tǒng)目標(biāo)跟隨功能主要用于ROV跟隨。在此模式下，船舶可與目標(biāo)保持恒定的相對位置。船舶艏向可以是設(shè)定的航向也可以自動指向目標(biāo)。此外，可以在目標(biāo)周圍設(shè)置觀察圈，圈內(nèi)船舶不移動，當(dāng)目標(biāo)移出圈外時，船舶即進行跟隨運動。

2.5 聯(lián)合操縱功能

本船的聯(lián)合操縱功能通過獨立的聯(lián)合操縱桿系統(tǒng)（Joystick），實現(xiàn)對全回轉(zhuǎn)推進裝置和側(cè)推裝置的聯(lián)合操縱。聯(lián)合操縱桿可實現(xiàn)縱向推力、橫向推力、轉(zhuǎn)向力矩和這些推力分量的一切組合的控制，同時還具備可選擇的自動艏向控制。在獨立的聯(lián)合操縱桿系統(tǒng)中，如出現(xiàn)任一故障會導(dǎo)致操作人員對一臺或幾臺推進器失去控制時，控制器會將上述推進器的推進命令自動歸零，其他未受影響的推進器在操縱桿的控制下，以確保船舶安全。

3 故障模式與影響分析（FMEA）

FMEA的主要功能是說明與動力定位系統(tǒng)有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備的不同的故障模式，以及發(fā)生故障后對動力定位所產(chǎn)生的影響分析。FMEA主要包括：所有系統(tǒng)的主要部件的描述及相互之間的作用；所有的故障模式；探測故障的方法；故障對船位及系統(tǒng)的影響分析等。

圖4 海洋石油791動力定位性能分析圖

FMEA中最嚴(yán)重的故障點即最大單點故障。海洋石油791最大單點故障為主配電板匯流排短路引發(fā)主配電板BusA或BusB匯流排故障，從而導(dǎo)致一臺艏側(cè)推和一臺全回轉(zhuǎn)推進器丟失，根據(jù)FMEA要求，最大單點故障發(fā)生時，在規(guī)定的最大環(huán)境條件下，船舶依靠剩余推進器仍可保持當(dāng)前位置及艏向。圖4為本船失去一臺艏側(cè)推和一臺全回轉(zhuǎn)推進器時的動力定位性能分析圖。根據(jù)分析圖可以判斷在當(dāng)前工作環(huán)境下情況下，船舶是否可以依靠剩余推進器來保證船舶的位置及艏向。

此外，動力定位船舶通過FMEA分析可以找出船舶設(shè)計、建造、主要設(shè)備和系統(tǒng)中不能滿足IMO和各船級社規(guī)范之處，找出潛在故障模式和風(fēng)險并分析原因，避免在船舶建造階段因為大的改動，重新訂購設(shè)備等引起的時間和經(jīng)濟損失，還能提升船舶的冗余性和安全性能[5]。

4 結(jié)束語

船舶動力定位是較為先進的定位技術(shù)，并且發(fā)展迅速。但是國內(nèi)船舶動力定位控制系統(tǒng)一直被國外設(shè)備商壟斷，比較知名的動力定位設(shè)備商有挪威的Kongsberg公司，美國的GE公司，芬蘭的Navis公司以及荷蘭的Praxis公司等。目前，國內(nèi)對船舶動力定位系統(tǒng)的研究還處于理論研究階段，其研究主要集中在船舶運動模型、控制模型和控制算法等方面，對FMEA的研究較少。近年來，隨著我國船舶與海洋工程的迅速發(fā)展，作為船舶及海洋平臺運營基礎(chǔ)技術(shù)的動力定位系統(tǒng)必將得到更多的重視和發(fā)展。

[1] 王衛(wèi)衛(wèi). 動力定位（DP）系統(tǒng)簡介[J]. 廣東造船, 2014, 33(1): 52-54.

[2] 中國船級社. 鋼制海船入級規(guī)范(修改通報)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2014.

[3] 趙志高, 楊建民, 王磊, 等. 動力定位系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)及研究方法[J]. 海洋工程, 2002, 20(1): 91-97.

[4] 馬超, 莊亞鋒, 陳俊英. 船舶動力定位系統(tǒng)技術(shù)[J]. 中國造船, 2010, 50(A11): 52-57.

[5] 沈錦康. 動力定位船舶的FMEA介紹[J]. 江蘇船舶, 2010, 27(3): 26-29, 32.

Failure mode and effect analysis of DP-2 dynamic positioning ships

Qu Zhaoyuan1, Weng Wu2

（1.CNOOC Energy Development Oil Production Service Corporation, Tianjin 300451China; 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064 China）

U674

A

1003-4862（2022）12-0071-05

2022-4-23

曲兆源（1982-），男，工程師。研究方向：船舶電氣與自動化。E-mail：quzhy3@cnooc.com.cn