深水定位系泊系统集成及控制系统研究

顾 炳，胡晓东，刘 贺，付万里

（中国船舶重工集团公司 第704研究所，上海 200031）

深水定位系泊系统集成及控制系统研究

顾 炳，胡晓东，刘 贺，付万里

（中国船舶重工集团公司 第704研究所，上海 200031）

采用集中检测及控制技术将深水定位系泊系统集成为一个整体并加以控制，集成及控制系统模拟采样平台的运动坐标数据（采用仿真信号），检测定位锚机锚索张力及长度，通过传感器检测风向、风速、海流和波浪，并实时显示和信息分析处理，建立适应复杂海洋环境下的多点系泊控制数学模型和算法演算，通过仿真实现深水定位系泊系统的自动定位控制功能。

深水定位系统；集成及控制系统；自动定位控制；仿真

0 引言

国内在深水半潜式钻井平台多点系泊锚机全自动控制领域还是空白，本文对多点系泊锚机自动控制技术进行深入的分析研究，建立适应复杂海洋环境下的多点系泊联动控制控制算法，并开展仿真研究，通过对多点锚机的检测系统、多点锚机集控系统以及系泊系统自动定位技术进行研究，最终完成了多点系泊锚机集中检测及控制系统原理样机研制。

1 系泊系统集成及控制系统样机主要组成

深水多点定位系泊系统集成及控制系统样机主要是一台中央控制台，包含工控机（安置在中央控制台内）和显示状态的大屏幕液晶屏。通过该系统对一组三链轮实物锚机和三组三链轮模拟锚机进行集成和控制，实现系泊系统的自动控制的功能。系统原理如图1所示。

图1 深水多点定位系泊系统集成及控制系统原理图

1.1 中央控制台

中央控制台是一个多功能控制中心，可以实现对锚机的全功能控制，并具有状态检测功能，实时发出报警信息，通过面板上的液晶屏幕实时显示海洋环境载荷以及平台参数。中央控制台面板上设置四个锚机控制区域和一个显示区域（图2）。

图2 中央控制台及集成控制界面

中央控制台也是锚机的集控系统，操作者可以方便地获得锚机的工作状态信息，更好地完成锚机的操作和控制。针对每组三链轮锚机，在每个控制区域通过操纵手柄对锚机进行收/放锚链操作。控制台面板中央安装一套西门子MP377系列触摸屏，用于显示风向、风速、海流、波浪信息、锚机的工作状态、锚链拉力、速度、液压机组、电控系统和变频器运行状况等重要信息，触摸屏同时具有故障信息管理功能，记录和管理历史数据，实现锚机状态的可追溯性。在屏幕左上部设有中央/0/现场功能转换开关、手动/0/自动转换开关，集中式声光报警蜂鸣器，复位按钮，试灯按钮。中央控制台内安装一套由S7-300系列CPU314C-2DP组成的中央控制系统，PLC模块如图3所示。

图3 中央控制系统PLC模块布置图

液晶触摸屏、操纵手柄、按钮、状态指示灯和装换开关安装在控制台的面板上。

1）机架上配置三个RS422模块，用于与现场控制盘中的实物锚机通讯，与仿真系统进行信息交换，其余一个模块备用。

2）一个工业以太网模块用于给信息管理中心传送数据。SIMATIC HMI Station用于监视深水系泊自动定位试验与仿真系统运行状况和参数。

3）数字量输入模块主要用于中央控制台上的按钮及操纵手柄位置信号输入。

4）数字量输出模块主要用于中央控制台上的指示灯的亮、灭。

5）模拟量输入模块主要用于控制台上的操作手柄的信号输入。

通过RS422接口（预留工业以太网接口）连接三链轮锚机控制系统；与定位控制及仿真系统采用RS422通讯方式，工业以太网接口用于系统调试和信息监控。

1.2 三链轮锚机控制系统

三链轮锚机控制系统由PLC控制柜、现场控制盘、液压泵站电控柜以及变频器柜等组成[1]。其中PLC控制柜是锚机控制系统的控制核心，实时与中央集控系统通信，接受和发出控制指令。

现场控制盘锚机现场控制界面，由一台S7-300 CPU314C-2DP和数字量模块、模拟量模块组成。该 PLC为实物锚机的机旁控制系统，通过PROFIBUS-DP连接PLC控制箱内的PLC上，实现系统远程控制[2]。控制面板布置如图4所示。

锚机控制系统主要包括下列控制功能：

1）液压泵站控制：响应液压泵站的检测信号指令，发出动作执行指令。

图4 现场控制盘及操作面板

2）变频器控制：响应变频器的检测信号指令，发出响应的变频器动作控制指令。

3）通讯程序：实现现场控制盘与中央控制台、液压泵站之间通讯和数据交换。

4）系统联动控制：当操作人员通过现场控制盘上的按钮、转换开关、操纵手柄进行操作时，控制程序依照控制逻辑关系，发出一组控制指令，实现装置的功能性联动操作。

5）显示处理程序：PLC系统接收到的锚机工作状态、张力数值、锚链长度、运行速度、液压泵站工作状态、齿轮箱的工作状态等信息实时检测，并将数据处理后，传递到液晶屏实时显示。同时这些数据通过RS422接口传递到中央控制台的上位机。

6）人机交互界面采用WINCC-flexble组态：液晶屏通过MPI接口与PLC连接，实时接收PLC的数据，采用WINCC编写设计人机界面，人机界面包括状态显示、系统设置、基本功能控制、报警显示和记录等。

7）操纵手柄：控制锚链的收放。当手柄向前推时，锚链放出；当手并向后拉时，锚链收回。手柄的推拉角度控制收放速度。

1.3 系泊定位系统控制及仿真装置

系泊定位系统控制及仿真装置原理如图1所示，主要由六部分组成：1）环境载荷模拟发生模块；2）海洋平台数学模型实现模块；3）锚机数学模型实现模块；4）系泊系统自动定位控制算法实现模块；5）人机界面实现装置；6）定位试验与仿真装置控制台（集成于中央控制台）。

环境载荷模拟发生装置、海洋平台模型实现装置、锚机模型实现装置、系泊系统自动定位控制算法实现装置采用工控机，安装Matlab编程实现以上各功能模块。人机界面采用VC++类库中的MFC类库或VB进行编程实现。

深水系泊自动定位试验与仿真系统与中央控制台中PLC的通讯应用串行通讯口，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制，通讯接口协议为RS-422，通过两对双绞线全双工工作，接收、发送信息互不干涉。

2 自动定位控制技术

自动定位控制的目标是能不断检测出平台的实际位置与目标位置的偏差，根据风、浪、流等外界扰动力的影响，采用可实施、有效和精确的控制算法计算出使平台恢复到目标位置时，锚链所需要的张力的大小，对每台锚机发出控制指令，实现每台锚机的收放，从而使平台尽可能地保持在海平面上要求的位置，或使平台平稳快速回到目标位置。自动定位控制算法系统控制原理如图5所示。

图5 自动定位控制算法系统控制原理框图

2.1 环境载荷

平台所受到的环境载荷中，风、浪、流是最常见的环境载荷。风载荷主要作用于平台的上层建筑及水面以上的主体部分；海流有风海流、波浪流、潮流等，一般视为定常的均匀流来处理；浪载荷采用“势流理论+粘性修正”的方法，采用海浪谱描述波浪载荷，计算得到目标平台的一阶波浪力、二阶波浪力和平均漂移力[3]。

1）风载荷

风引起的载荷对平台的姿态有着重要的影响，通常将其作为稳流风来处理，视为定常力，可根据API RP 2SK风作用于系泊的浮动装置上的定常力公式来计算。除稳流风之外，湍流风也会引起平台低频稳态的纵荡、横荡及艏摇运动。湍流风的建模方式可参照海浪模型，一般采用挪威石油理事会NPD风谱来计算湍流风产生的载荷。

2）流载荷

海流对于平台的干扰主要包括压差阻力及惯性阻力，一般主要考虑平台所受的压差阻力。由于海流的流速随时间的变化是缓慢的，在平台设计中为简化计算常将其视为稳定的流动，并认为其对结构物的作用仅为拖曳力。

3）波浪载荷

作用在平台上的平台波浪载荷计算采用波浪绕射理论分析，使用SESAM软件的WADAM模块。波浪力包括一阶波浪力和二阶波浪力，针对系泊定位系统而言，主要考虑二阶波浪力，平均波浪漂移荷载采用波浪绕射分析得到的波浪漂移力系数来获得。

2.2 控制器设计

为均衡4组锚机12根锚缆受力情况，防止某根锚缆受力过大而引起断裂，进而对其它锚索甚至平台产生重大严重后果，采用遗传算法对锚缆受力进行优化，并在保证满足平台定位精度要求的前提下，得出各锚缆的均匀张力值，并将得到的张力值作为锚机切换的临界值[4]。将优化的结果作为锚机切换的依据，并采用模糊控制，同时对12台锚机进行收放控制。模糊控制的输入量分别为平台的纵荡位移、横荡位移及艏摇角，输出量为锚机的收放速度。

1）确定输入输出量：以平台纵荡及横荡的偏差作为输入量，控制器的输出分别为4组锚机收放锚缆的速度控制信号。

2）选择隶属函数：输入变量和输出变量的隶属函数都采用三角型函数形式。

3）设计模糊规则：模糊控制规则反映了当前平台纵荡及横荡偏差情况下，四组锚机的协调控制规律。以平台艏向为正，艉向为负，沿0°方向为纵荡方向，沿90°方向为横荡方向。当平台向0°及270°方向移动时，第2组锚机（4、5、6号）进行收缆，以增加张力，第4组锚机（10、11、12号）进行放缆，而第1、3组锚机的收放则根据纵荡和横荡位移偏差的大小，当纵荡偏差较大时，第3组锚机收缆，第1组锚机放缆。布缆方式如图6所示。

图6 平台布缆方式

2.3 通信

系统串口通信采用 RS422接口，协议使用3964R协议，工控机将锚机收放速度信号发送给PLC，PLC反馈锚索张力及平台位移信号。在实际的应用当中，将环境载荷、平台模型和控制算法集成到工控机当中，环境载荷作用到平台模型输出位置信号，平台的位置偏移作为模糊控制的输入信号，输出锚机收放锚链的速度信号，然后通过设置定时器的方式进行单步运行，在单步运行的过程中会进行工控机与PLC的实时通信，在通信的过程中工控机发送锚机收放速度信号，PLC反馈锚链拉力和平台位移信号，这两个信号与环境载荷进行叠加，控制平台的位移，这样就构成一个实时的闭环系统。

本项目一组实物锚机进行实时状态的数据交互，三组模拟锚机只发送实时的状态数据。

3 系统功能

深水定位系泊系统集成与控制系统具有对模拟海洋平台运动的控制能力，均衡力场的分布；同时对多台系泊定位设备进行集中监测，获取所有 12根锚链的工作状态和实时海况，并将信息显示在中央控制台的人机界面（HMI）上，对1组实物锚机进行实际控制，且模拟对3组仿真锚机进行虚拟控制，同时采集海况和各个锚机工作参数，实时显示在控制台的人机界面上。系统建立锚链、平台、锚机、海况等动态模型，模拟三套虚拟锚机工作。

自动定位控制系统的功能是将锚机、平台、海况模拟发生装置的输出信号，作为建模相关输入，构造控制数学模型，通过系统的仿真分析与试验模型的验证，对海洋平台综合变化产生的响应，发出校正控制对策，实现对平台的有效控制。在进行多点系泊自动定位作业时，及时分析处理检测信息，发出校正控制指令，实现各锚机锚索的收放，控制平台位置，使平台水平运动时的偏离目标位置误差控制在有效范围内，以确保平台作业时的安全性。在控制过程中，环境载荷、海洋平台、各个锚机的各相关参数实时变化，可通过人机界面实现实时显示，供工作人员监视。

4 系泊自动定位系统控制与仿真

基于VC，以对话框的形式建立仿真系统人机主界面，如图7所示。整个系统的方框图由按钮和线条组成，当点击相应的按钮则会进入其对话框，查看具体的信息。平台监控曲线显示平台的实时输出曲线，包括横荡、纵荡和艏摇，如图8所示。

图7 仿真系统人机界面的主界面

图8 平台监控曲线窗口

环境载荷分别显示海浪的实时数据和JONSWAP波谱、风速的实时数据和NPD波谱、海流流速的实时数据，如图9所示。平台二维图形实时动态显示主要基于横荡、纵荡和艏摇角显示平台的移动情况，可实现平台位图的移动和转动，如图10所示。

图9 环境载荷显示图

图10 平台二维显示图

系统检测并显示锚机系统工作状态信息，实现多台锚机定位和仿真控制，系统可设置生成仿真数据，对定位算法进行仿真试验和动作验证，同时实时监测显示锚机部分运行状态参数，如锚机运转速度、锚缆收放长度、锚缆张力等，便于了解设备系统的运行状态，也可用作判断设备的安全稳定状态。仿真界面及数据参数显示如图11、图12所示。

图11 仿真系统人机界面的主界面

图12 锚机仿真数据设置及系统实时数据显示

针对一年一遇工作工况下的环境条件，考虑风、浪和海流方向相同的最不利的情况，取600s的计算时间，在1500m水深及135°浪向角时，采用传统锚泊定位的平台分别对有无锚索阻尼的情况进行仿真，将平台位移的理想值设为14m，在控制系统作用下平台的位移如图13所示。当平台属于自由状态没有加入定位（锚泊阻尼）作用时，平台的漂移明显增加。初始状态设定平台锚链拉力参数为零，保持一段时间，仿真平台在该海况条件下将产生移动，确认在平台处于定位锚未加载状态下，加入风浪流等环境载荷后，平台发生位移。采用传统锚泊定位时，当环境载荷作用较大时，平台的位移大于工作水深的 3%，不满足平台作业的需求，需要定位系统做出反应收放锚机进行调整锚索张力。

图13 平台的位移曲线

在平台处于定位系统加载状态下，加入风浪流等海洋环境载荷，未加入自动定位控制算法，手动控制锚链拉力，平台发生位移，验证平台在锚链拉力作用下的模型有效。在平台处于偏移状态下，启动定位功能，仿真系统中加入锚机张力控制阈值，系统进入定位控制模式，控制器采用可实施、有效和精确的控制算法，能有效地使目标平台保持在预定位置，且稳定性较好。控制指令发送到中央控制台上，中央控制台控制4组锚机动作并向工控机发出锚机的拉力和锚链长度变化数值，实现动态定位控制功能。目标平台在4组12台定位锚机作用下，加入百年一遇海洋环境载荷，并启动自动定位控制，发生位移的平台，经过一段时间后回到原先位置，验证自动定位控制系统有效，平台自动定位控制检测及试验数据如图14所示。

图14 平台自动定位控制试验数据

5 结束语

通过对多点深水定位系泊系统集成控制原理分析，建立了目标平台的数学控制模型，对风、浪、流等环境载荷进行分析及控制算法和控制器的研究和设计，完成了信息检测、人机界面的开发以及系统样机研制。系统建立了锚索、目标平台、锚机、海况等动态模型，并采集和显示海况和各组锚机工作参数。将目标平台按百年一遇的自存工况和一年一遇的作业工况进行了仿真试验和计算，仿真结果表明，系统对目标平台综合变化能做出响应，当环境载荷作用变大时，发出校正控制策略和指令，对锚机进行控制和调整锚索张力等，实现对平台的有效控制。尤其在自动定位系统时，使用控制器的自动定位系统在满足边界条件的情况下，平台在发生位移后能恢复到原位，保证了目标平台能保持在原先预定的位置范围内。

[1] 顾炳. 深水定位锚泊系统关键设备研究[C]// 中国国际海事会展高级海事论坛论文集. 2011.

[2] 向晓汉, 陆彬. 西门子PLC工业通信网络应用案例精讲[M]. 北京: 化学工业出版社, 2011.

[3] 金鸿章, 姚绪梁. 船舶控制原理[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 1999.

[4] 金鸿章, 苏晓宇, 胡晓东, 等. 计入锚索阻尼的锚泊自动定位系统建模及控制器设计[J]. 中国造船, 2013(3): 51-58.

Research on Integration and Control System of Deepwater Positioning Mooring System

Gu Bing, Hu Xiao-dong, Liu He, Fu Wan-li

(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China)

Deepwater positioning mooring system has been integrated into a whole unit by centralized checking and control technology. The integration and control system simulates the rig’s moving coordinates data (adopting simulated signals), checks the chain tension and chain length of positioning windlass, checks wind direction/wind speed/ocean current/wave used by sensors and displays and analysis/processes the data at real time. At last the multi-points mooring controlling math model and arithmetic calculations which fits complex ocean environments are established, and the auto-positioning control function for mooring system is achieved via simulation.

deepwater positioning mooring system; integration and control system; auto-positioning control; simulation

U664.82

A

1005-7560 (2014) 06-0054-06

工业及信息化部大型海洋工程设备深水定位系泊系统研制（工信部装[2009]561号）

顾炳（1980-），男，工程师，主要从事甲板机械及海洋工程特种绞车设计。