DP3钻井船VMS系统设计

汪 达，高 歌，朱百祥

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

DP3钻井船VMS系统设计

汪 达，高 歌，朱百祥

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

随着科技的革新，海洋工程领域向着高智能高自动化发展，无论工业4.0或者2025都是新时代的标志。本文主要阐述了DP3钻井船的高自动化VMS系统的设计。

紧凑型VMS；DP3

0 引言

深海作业的钻井船电气系统实现了高集成度、高冗余度、高自动化和智能化。最大作业水深3000米、最大钻井深度10000米的第六代钻井船诞生了。钻井船设计采用紧凑型船体结构——减少能耗；电力推进，DP（动力定位系统）——提升效率，适应各种海况；闭环供电，双冗余回路——提升可靠性安全性。

目前国内外对超深水钻井船电力系统研究并没有取得较大的发展，还是以传统的电力系统分析与分割为主。对于价格水平而言，钻井平台是高附加值的产品，大型钻井平台的价格从2003年一直上涨，至2008年达到峰值，平均达4.6亿美元。钻井船价格最高，尤其是紧凑型钻井船因为其灵活性和经济性得到很多船东的青睐。因此，对紧凑型钻井船电气系统的开发和研究，有深远而重大的意义。

钻井船在海上进行钻井工作，因此它对于动力定位的要求非常高，任何在海上的风浪和潮涌，都将使船舶失去原有的位置，最终导致作业失败，因此其通过GPS卫星信号、海底声呐系统以及电罗经实施对船舶位置和艏向的反馈，以及风速传感器测量数据对整个船舶的受风面积计算、船舶附近一定范围内的浪和涌的测量，而后通过控制器对推进器操控，自动计算出横向以及纵向所需要的力矩，从而实施船舶的位置修复，以保证作业的正常实施。对于钻井船来说，如果在作业中失去了船舶的位置和艏向的情况，会导致整个钻杆被扭断，其危害是相当大的。

1 DP3控制系统

DP3控制系统由控制系统、测量系统、推进器系统组成。

控制系统根据外部环境条件（风、浪、流）计算船舶所受的干扰力，然后根据扰动力与测量位置计算出保持船位所需的作用力。

测量系统用于测量船舶相对某参考点的位置姿态和环境状态。完整的测量系统由定位参考单元（水声定位系统、DGPS、激光系统等）、艏向测量单元（罗经）、环境参考单元（风传感器等其他传感器）和垂直参照单元（惯性测量单元、加速度计等组成）。当波浪雷达以及涌流分析仪用于测量浪和涌的实时状态，对于整个模型的完整性更进了一步。

推进器系统用于产生抵抗干扰力的力和力矩。本船一共采用六个推进器，一台发电机对应一个推进器。根据DP3的规范要求，在最严重的情况下，即失去一个高压配电板间以及一个机舱的情况下，推进器系统仍然能使船舶保持船位和艏向。也就是说剩余任何两个机舱对应的4个推进器即能满足动力的需求。

2 电力系统

本船电力系统采用了11KV的中压闭环系统（见图1），实现了节能增效。据以往统计，可以节省约3%的燃油，减少17%至23%发电机的运行时间。发电机一直会维持高效的负荷率，整个电站的可选择性提高了，同时对外的排放也降低了。整船的电力系统是由三组中压发电机组成，每组两台7370kW中压发电机分别安装在A60分割的三个机舱内，三条主电力系统必须A60分割，从相对应的中压配电系统到变压器再到440V低压配电板都是完全互相A60分割的。PMS系统（功率管理系统）集成在VMS（船舶管理系统，又称中央控制系统）系统中，将控制钻井船各个工况下各个母联开关的开闭。

如图1所示，三个中压配电板对应的分别是T2和T5、T1和T4、T3和T6全回转推进器。如图2所示大致的位置信息为，推进器的分布是完全按照DP3的分割，如图2中的T2和T5属于最上面机舱的发电机组供电，并且属于一个区域；T1和T4则属于中间的一个机舱区域；T3和T6是最下面的机舱区域。这样为之服务的通风、轮机、管系专业也是按照这样的区域分割来配置的。这样最大的单个失效情况也就是一个中压配电间失效，最终导致两个推进器的失效，这样剩余的四个推进器仍然能满足保持船位的功能。

T5和T6艉部推进器作为航行推进器用，并且保证航速大于11节。

图1 11K电力结构图

图2 推进器位置分布图

3 UPS系统对于DP系统和VMS系统的供电

IMO DP3符号要求UPS是2+1，其中之一位于隔离舱室；而ABS DPS3符号要求1+1，其中之一位于隔离舱室。也就是说，主DP与备用DP系统的UPS是需要分开的，而对于主DP的两套系统则是可以放在同一区域的。

网络系统由NSB（net switch box，网络接线盒）和FS（field station，区域控制站）构成。所有FS都是由一路应急配电板和另一路UPS供电，而NSB则是由一路UPS供电。

在一个简易的UPS供电系统中有两个独立的供电回路，主供电回路以及从供电回路连接在不同的母线上。其中一个供电回路给整流器供电，整流器将交流电转换为直流电。当主电力系统发生故障导致停电时，UPS将会给船舶电力系统提供约30min的供电。

本船设计共有三个DP UPS，其中两个UPS放在主DP的控制区域，另一个放在备用DP的控制区域。VCS的UPS共6个，分别放在上层建筑的两个控制区域、机舱集控室，以及三个主电力系统的区域。

4 VMS网络系统

本船的VMS网络系统则不同于电力系统，它主要分为两个网络（A、B网络），也就是从控制区域上将整个钻井船分割成了两个控制区域。系统采用了以太网，传输速度达到了100M/s。默认情况下，所有信息通过B网传输。假如A网中的任何一点产生了故障，仍旧由B网传输；而假如B网中的任何一点产生了故障，则故障的点自动切换到A网工作。

图3 中央控制系统网络结构图

控制区域A对应主DP系统，控制区域B对应备用DP系统，系统相应设备则必须放置在对应的区域内，例如主DP的设备必须放在控制区域A，备用DP的设备则应该放在控制区域B。所有的NSB也必须根据A网和B网设计分为A、B两组而分别放置在不同的控制区域内。从图3中可以推断，任何一个A60分割的区域失火或者进水导致失效，不会影响整个系统的运行，系统总是可以从剩余的另一路网络继续正常工作。图3中较大的实线框表示独立的A60分割的防火区域。不难发现，整个网络拓扑的设计满足DP3的要求。

DP3与DP2的最大区别是，不仅在设备上要求冗余，并且在空间上也要求完全分开，其中包括设备和主干的电力、网络电缆。可以看到图3所示的网络简图中，红色光纤代表A网络，蓝色光纤代表B网络，所有的FS也必须同时接到这A、B两路上。

本船的VMS网络系统总共由23个FS组成，最大的FS的IO上限约500个硬点，基本平均分摊了这些点。能够承受的硬点总数在6000左右，而实际使用了3000多硬点。全船包括软点有约13000左右。FS01-06分别分配给六个推进器，FS07-FS09则分配给三个中压配单板使用，其中包含了最重要的PMS模块。FS10是给钻井配电板用的，FS11则是和钻井包接口的一个柜子使用。FS12-FS14分别对应三个机舱，FS15-FS19对应泵舱，FS20和FS23对应上层建筑部分，FS22则是给空调使用的。

所有的440V及以上的配电板（MSB）以及马达控制中心（MCC）都通过串口接入就近的FS，从而传输到整个网络。整个网络的任何一点都能共享网络中的任何数据。而220V及以下则都是通过硬点传输。硬点相对于软点的优势是更加可靠。火气系统和应急切断系统都具有独立的网络，同样也是冗余设计，并分别通过2个网关与VMS相连接，包括钻井系统也有其独立的网络，通过串口最终接入VMS系统。

除了VMS系统的监控功能外，整个VMS系统的控制主要分为三大块，分别是 PMS（power management system，功率管理系统）、DP和VMS本身。本船的设计优势在于它是VMS系统与DP系统融合的设计，体现在每一个单独区域内FS都是集成了单独的DP和VMS的PLC控制单元。

在不同工况下，PMS根据DP系统提供的各个传感器表决逻辑之后的有效数据，进行所需力矩的推算，从而分配到各个推进器，通过VMS控制各个母联开关的开闭。相应地，操作人员可以通过VMS手动或者自动地控制为其服务的辅机、管系和通风设备。

5 黑电恢复（blackout recovery）

本船从黑电到完全恢复供电应在30秒内完成，从黑电状态到停止漂浮的时间是3分钟内。下面分析这90秒的启动顺序：

1）检测需要+2秒；

PMS检测黑电是从11KV配电板母线部分。

（1）11KV主配电板黑电信号输入；

（2）没有发电机连接到主配电板母线部分（相关的发电机开关打开），相关的配单板联络开关打开。

检测到黑电状态后 PMS发送一个（blackout start）起动信号给每一个柴油机控制器。

2）PMS恢复程序启动+5秒；

3）启动停止了的发电机+20秒；

4）停止的发电机重新连接（例如包括励磁的时间）+3秒，即恢复中压配电板；

以上的情况是同时在3个分段，3组发电机同时进行。

每一个配电板都独立的同时，G1、G3和G5同时起动。一旦起动命令发送给了第一台发电机，有10秒的延时发送给第二台发电机。延时是通过PMS软件做的。PMS起动发电机不连接母线。第一台如果失败了，PMS就没有后续的尝试。如果第一台发电机合闸主配电板失败，PMS马上合闸第二台发电机。一旦11KV主配电板有电，PMS将取消黑电状态报警信号。然后PMS启动低压配电板恢复程序。更多的发电机也可以由操作人从HMI手动并入电网。

一旦11KV主配电板有电，PMS将用常规的发电机起动逻辑将起动的发电机并上电网。

5）恢复低压配电板以及必要的辅机负载+15秒；

6）恢复推进器的驱动+45秒。

应急配电板会独立恢复，而且只能在主电网恢复并且电站操作重建的情况下重新连接。应急配电板会在黑电10秒后启动，这个控制逻辑是做在应急配电板内部的。可见对于整个VMS系统的要求是非常高的，也就是说在这短短的时间内直到推进器启动后，相应地，为其服务的系统都将陆续进入正常工作状态。

6 结语

科技的发展令未来的海洋工程领域发生巨变，高集成度、高冗余度、高自动化和智能化已成为趋势，互联时代和大数据时代对海洋工程的改变将拭目以待。

[1]黄建章.船舶设计实用手册,电气分册[M].国防工业出版社,2013.

[2]边信黔,付明玉,王元慧.船舶动力定位(精)[M].科学出版社,2011.

[3]何琪.船舶电气控制及自动化[M].哈尔滨工程大学出版社,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

汪达（1986-），男，本科，研究方向：船舶与海洋工程的电气设计。