DP-3动力定位控制系统在钻井平台上的应用

2010-07-23袁飞晖宋金扬

船舶与海洋工程 2010年1期

袁飞晖，熊勇，宋金扬

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

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近年来，随着陆地上油气资源的不断减少，人们把目光都聚集到了深海领域的开发。因此，深水钻井平台的需求和开发深受世界各国的广泛关注。当前，上海外高桥造船有限公司正在建造的3000m深水半潜式钻井平台“海洋石油 981”，属于第6代钻井平台，是我国“863计划”重点攻关项目，它采用了目前最先进的 DP-3动力定位控制系统。动力定位（Dynamic Positioning，DP）系统，是指在风、浪、流的干扰情况下，不借助锚泊系统，利用自身的推力器系统使海上浮动装置保持一定的位置和艏向，或者按预定运动轨迹运行的闭环控制系统[1]。根据动力定位的不同冗余度，DP-3要求在出现任一故障（包括由于失火或进水造成一个舱室的完全损失）后，可在规定的环境条件下，在规定的作业范围内自动保持船舶的位置和艏向[2]。

1 DP-3动力定位控制系统介绍

DP-3动力定位控制系统是中央控制系统（Integrated Control System，ICS）中最重要的核心系统之一。其主要的工作原理为图1所示。

图1 DP控制系统工作原理

动力定位控制系统的工作原理是：根据位置参照系统测得的船位信息与DP传感器系统测得的环境信息，经滤波后得到估算值，根据估算值与期望值进行比较和运算，然后经推力器分配模块计算后发出对各推力器的指令。在DP控制系统中，艏向和位置由操作者设定，然后由DP控制器通过发出控制信号到推力器系统，DP控制系统通过推力器控制系统的分配，发布命令到任何一个在使用的推力器，通过改变推力器的运转方向、转速或叶片的螺矩，以调节平台的船位。出现偏差时，DP控制系统可自动探测并进行适当的调整。DP控制系统这种控制方式能减少燃料消耗、机器磨损和温室气体排放[1]。

在“海洋石油981”项目上，DP-3动力定位控制系统主要是由主DP系统、备用DP系统、操纵杆系统（Joystick System）以及DP传感器和位置参照系统等组成[3]。其主要的结构如下图2所示。

图2 DP-3控制系统结构

DP-3控制系统中的主DP系统和备用DP的最重要的区别是控制器 DPC的冗余，前者的控制器配置了3冗余的DPC-3，而后者的控制器仅配置了单个的DPC-1。但是，它们通过网络的连接，其控制器 DPC之间相互可以进行表决，以确保控制器DPC的安全可靠度和冗余度，从而满足了DP-3冗余的要求。

DP控制系统还提供了一套操纵杆系统，它主要包含：操纵杆控制器、操纵台以及便携式、可移动的操纵终端。操纵杆系统与推力器、风速风向仪、电罗径以及DGPS卫星定位系统都有接口。操纵杆系统独立于主DP系统和备用DP的控制系统，操作者可以通过操作台上的切换按钮来进行模式切换，完成平台定位工作。在操纵杆模式下，可以选择自动艏向模式（Auto Heading）、自动定位（Auto Position）、位置保持（Station Keeping）等功能，来达到平台定位的目的[1]。

在DP-3控制系统中，DP传感器和位置参照对平台的定位起着重要的参考作用。在此项目中，DP传感器主要包括：风速风向仪（Wind），电罗经（Gyro），运动参照装置（Motion Reference Unit，MRU）。风速风向仪主要是测量风的方向和速度，电罗经主要是测量平台的位置，而MRU则可提供平台在横荡、纵荡和垂荡时(即数学模型中X轴、Y轴和Z轴，3个方向)的运动状态，并把在这3个方向上所测量到的关于平台的偏移方向和偏移速度的数据提供给DP-3控制系统作为参考。根据DP-3的要求，在平台上不同的位置各安装了3个风速风向仪、电罗经和 MRU。在工作时，它们被分为 3组，每组分别包含有 1个风速风向仪、电罗经和MRU。DP-3控制系统将根据每组传感器所测量的数据与KALMAN滤波器内所得到的浪流估算值，一起通过滤波器内数学模型的计算来进行综合分析和比较，并从中得到最合适的数据来作为平台定位所需的参考数据。位置参照系统主要包括：HIPAP 500声纳定位系统和 DGPS卫星定位系统。根据DP-3冗余的要求，在平台左、右 2个浮筒（PONTOON）上分别安装了1套HIPAP 500声纳定位系统，它们通过网络连接互为冗余。声纳定位系统可以把高精度、可靠稳定的数据输送给 DP-3控制系统来满足平台的定位要求。另外，为了增加定位的可靠度和精确度，本项目还配置了 DPS200和 DPS132这 2套差分全球卫星定位系统（简称DGPS系统），其中 DPS200可以同时接收美国的GPS定位系统和俄罗斯的GLONASS定位系统的信号，而 DPS132只接受 GPS定位系统信号，但是DPS132和DPS200通过网络的连接可共享数据，互为备用，从而可确保平台精确定位的需求和 DP-3冗余的要求。

2 DP-3动力定位控制系统在生产设计上的应用

为了满足DP-3的要求，从生产设计角度主要考虑以下两方面的问题：一是 DP-3动力定位控制系统所属和相关联的设备布置，另一个就是连接这些设备的电缆布置和走向。尤其应该注意冗余的设备或系统的电缆不得与主系统一起穿越同一舱室，当不可避免时，电缆必须安装在 A-60级的电缆通道内，电缆的接线箱不允许设置在这类电缆通道内[2]。

2.1 满足DP-3要求的DP控制网络设备布置

在“海洋石油981”项目中，对于DP-3控制系统，设置了2个控制室，一个是位于02甲板的中控室（CCR），另一个是位于中间甲板的集控室（ECR）。主DP系统的设备都布置在CCR内，备用DP系统的设备则布置在ECR内[3]。由于CCR和ECR分别位于不同的甲板，且主DP系统与备用DP系统已通过光纤连成网络，达到信息共享、互为冗余。为了满足DP-3的分隔和冗余的要求，设置了网络A、网络B和网络C，其中网络A和网络B可连接整个DP控制系统，而网络C则主要是连接CCR和ECR之间的打印机系统。为了便于日后的使用和维护，网络C还具有管理网络的功能，起着故障自诊断的作用，当网络A、网络B同时瘫痪时，网络C可通过网络分配单元中的路由器连接平台的局域网，并与卫星通导系统有接口，可以把数据输送到岸上的接收站，以达到故障修理和维护的目的。这3种网络都是由放置在不同区域的网络分配单元（Net Distribution Unit，NDU）通过光纤相互连接建立起来的。因此，NDU网络分配单元的布置，决定了网络的建立和电缆的走向能否满足 DP-3分隔的要求。由于网络B和网络C共用一个网络设备和线路，故在生产设计过程中，将网络A和网络B&C的设备及线路进行满足 A-60级分隔的布置[4]。据此，对主DP系统的设备、备用DP系统的设备以及NDU的分布做了详细的规划，如图3所示。

图3 DP控制网络设备布置

图中，主DP系统的控制器DPC-3和DP操作台（K-POS OS）以及备用DP系统的控制器DPC-1和DP操作台，都分别布置在CCR和ECR内，况且CCR和ECR都属于A-60级分隔区域，满足了DP-3分隔和冗余的要求[4]。另外，网络A的3个NDU（NDU A1、NDU A2和NDU A3）分别布置在02甲板的 1号网络间、中间甲板的电气设备间和BOP控制间。而网络B和网络C的NDU是共用的，其相对应的NDU B1/C1、NDU B2和NDU B3/C2则分别布置在02甲板的CCR间、中间甲板的2号网络间和ECR间。因此，所有网络的NDU都分开布置在上述不同的位置，这种布置的最大好处是既能满足DP-3的分隔要求，网络A和网络B的主干电缆又不会交叉。此外，把带有管理网络C的NDU B1/C1和NDU B3/C2布置在CCR和ECR内，可将所有的操作台（OS）以及打印机连起来，便于操作者的日常使用和维护。

2.2 满足DP-3要求的DP控制网络电缆走向布置

网络A和网络B的主干电缆采用分层敷设。网络A的主干电缆主要布置在中间甲板层，而网络B的主干电缆主要布置在下船体的TANK TOP层。由于网络A、B互为冗余，其主干电缆又是分层敷设在平台的左右，不会产生交叉敷设的问题。因此，满足了DP-3的分隔要求。对于网络A和网络B的分支电缆，同样满足 DP-3的分隔要求。例如推力器1号舱和2号舱的网络电缆走向，如图4所示。

图4 推力器1号舱和2号舱网络电缆布置

位于右艏区域推力器1号舱和2号舱的现场信号采集箱（Field Station）分别是FS31和FS32，由于冗余的要求，FS31和FS32都同时接入了网络A和网络B。图中，网络A和网络B的电缆分开敷设，网络A的电缆沿着1号舱电缆桥架通过立柱区域的通道上至中间甲板的接口；网络B的电缆沿着2号舱电缆桥架通过立柱区域的通道上至 TANK TOP层，并且，推力器 1号舱和 2号舱本身就是采用A-60级的分隔。其他如：右艉、左艏、左艉区域的推力器舱的网络电缆的走向都和图4一样，并且两个推力器舱都是 A-60级的分隔。因此，都满足了DP-3的要求。