“海洋石油286”船三级动力定位系统配置分析

李严　李素美　刘苏粤

摘 要：本文介绍了动力定位系统工作原理及基本组成，给出了一种三级动力定位系统的结构框架，根据此结构框架分析了“海洋石油286”船的三级动力定位系统配置，并简要的作了FMEA分析。

关键词：动力定位；冗余推进

中图分类号：U674.38 文献标识码：A

Analysis on the Third Class Dynamic Positioning Systems of

“HAI YANG SHI YOU 286”

LI Yan， LI Sumei， LIU Suyue

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.，Ltd. Guangzhou 510715 ）

Abstract： This article introduces the working principle and structure of Dynamic Positioning systems， and lays out one kind of frame for the third class Dynamic Positioning systems. It tries to analyse the third class Dynamic Positioning systems of the vessel “HAI YANG SHI YOU 286”by using the frame， and then give a simple FMEA.

Key words： Dynamic Positioning； Redundant Propulsion

1 動力定位系统原理

动力定位系统是一种闭环的控制系统，其采用推进器来提供抵抗风、浪、流等作用在船上的环境力，从而使船舶尽可能地保持在海面上要求的位置，其定位成本不会随着水深增加而增加，且操作也比较方便。动力定位系统首先在海洋钻井船、平台支持船、潜水器支持船、管道和电缆敷设船、科学考察船、深海救生船等方面得到应用。

动力定位船（DP船），是指仅用推进器的推力自动保持其自身船位（固定的位置或预先确定的航迹）和首向的船舶。动力定位船在海上受外力（风、浪、流）影响有四种状态：横摇、纵摇、偏航和上下颠簸（见图1）。

动力定位系统主要原理是：分析计算机采集的外力参数（风、浪、流），根据位置参照系统提供的位置自动地进行计算，控制各推力器推力的大小和方向，以对抗外力对船产生的横摇、纵摇和偏航，使船舶保持首向和船位不动。

2 动力定位系统组成

动力定位系统（DP系统）由动力系统、推进器系统、DP控制系统和独立的联合操纵系统四部分组成：

2.1 动力系统

向动力定位系统提供动力的所有部件和系统，包括：原动机；发电机；配电板；UPS和蓄电池；配电系统。

2.2 推进器系统

需给动力定位系统提供动力和方向的所有部件和系统，包括：具有驱动设备和必要的附属系统（含管路）的推进器；推进器控制系统；相关电缆和电缆布线；受控于动力定位系统的主螺旋桨和舵机。

2.3 DP控制系统

动力定位船舶需要的所有部件、硬件、软件和控制系统，包括：动力定位控制计算机系统；传感器系统；显示系统；操作系统；位置参照系统；相关的电缆和布线。

（1）位置参照系统

包括卫星定位系统、水声定位系统、张绳器定位系统、激光定位系统、雷达定位系统等：

① 卫星定位系统，有美国的GPS、欧洲的伽利略、俄罗斯的格洛纳斯和中国的北斗，依靠空间无线电波通信定位；

② 水声定位系统，是利用声纳定位，可以同时满足定位的高精度和远距离要求，并能弥补因无线电波在水中衰减快而不能用于水下载体定位的缺点；

③ 张绳器定位技术是海底固定点与船上绞车之间设有恒张力的张绳，通过测量张绳的倾角与长度来确定船舶的水平位移。此方法对海域水深有限制，且海况较差时不能使用。

（2）传感器系统

包括风速风向仪、电罗经和运动参考单元：

① 风速风向仪，用于测量风速和风向；

② 电罗经， 用于测量船舶的首向；

③ 运动参考单元， 用于测量船舶的纵摇、横摇与升沉。

2.4 联合操纵系统

一个易于调整矢量推力（包括转距）的装置。

3 动力定位系统故障模式与影响分析（FMEA）

所谓FMEA，就是对动力定位系统可能的故障模式及故障对整个系统的影响进行评估。FMEA，它是确定动力定位船舶可靠性的重要方法，通过FMEA可发现动力定位系统在设计上的缺陷。一般来讲，设计单位没有能力进行这方面的分析，国际上有专门进行FMEA的机构，船级社也具有这方面的能力。

在进行FMEA时，应尽可能详细地包括动力定位系统的所有主要部件，一般应包括下列内容：

（1）系统所有主要部件描述以及表示他们之间相互作用的功能框图；

（2）所有严重故障模式；

（3）每一故障模式的主要可预测原因；

（4）每一故障对船位的瞬态影响；

（5）探测故障的方法；

（6）故障对系统剩余能力的影响；

（7）对可能的公共故障模式的分析。

FMEA的分析结果要通过航行试验进行验证，并根据试验结果向船东提供动力定位系统在操作上的注意事项。

4 三级动力定位系统入级符号

下面介绍CCS的DP-3和DNV的DPS 3两个三级动力定位入级符号的组成。

（1）CCS的DP-3入级符号

CCS动力定位附加符号为DP-1、DP-2和DP-3：

① DP-1：安装有动力定位系统的船舶，可在规定的环境条件下，自动保持船舶的位置和首向，同时还应设有独立联合操纵杆系统；

② DP-2：在出现单个故障（不包括一个舱室或几个舱室的损失）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首向；

③ DP-3：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首向。

（2）DNV的DPS 3入级符号

DNV动力定位符号分为DPS系列和DYNPOS-系列：

① DPS系列包含DPS 0、DPS 1、DPS 2和DPS 3；

② DYNPOS-系列包含DYNPOS-AUTS、DYNPOS-AUT、DYNPOS-AUTR和DYNPOS-AUTRO。

（3）DP-3和DPS 3的区别

DP-3和DPS3两者要求有所不同。

5 三级动力定位系统框图

图2为DP-3和DPS 3两个符号下的共性三级动力定位框图。图中未对两者区别进行体现，主要是考虑为后面的“海洋石油286”船的配置介绍做铺垫。

6 三级动力定位系统工作原理

三级动力定位系统中的推进系统是一个冗余推进系统，推进器系统冗余A组和B组之间用A60防火分割，A组和B组均能独立给船提供横向、纵向和保持船首方向的推力。在最大单点故障——独立隔舱失火或进水时，A和B两组功能互不影响，至少保持一组推力足夠完成船舶准确定位。

DP控制系统1、2和3之间完全独立，1和2为主DP控制系统，3为备用DP控制系统，主DP控制系统和备用DP控制系统之间用A60防火分割，在最大单点故障——独立隔舱失火或进水时，至少保持一个DP控制系统能完成船舶准确定位的推力控制及跟踪定位。主DP控制系统1和2本身也相互冗余，因此供电需与推进器冗余组的供电保持一致——分别来自两个独立的配电板。

7 “海洋石油286”船三级动力定位系统的特点

7.1 “海洋石油286”船简介

“海洋石油286”船是中船黄埔文冲船舶有限公司为中海油建造的平台辅助船。该船于2014年交付使用，挂中国国旗，按中国船级社和挪威船级社现行的最新规范规则进行设计、建造。该船配置有三级动力定位系统，为该公司建造的第一艘配置该系统的船舶。

“海洋石油286”船，配置有400 t大型海洋工程起重机、350 t A字架、250 t锚处理绞车、ROV等装备，具有饱和潜水支持、立式深水柔性管铺设、深水锚系处理作业、深水ROV（水下机器人）作业和IMR（检验、维护和维修）作业支持能力。由于这些作业操作的危险性较高，有时会涉及到人命安全，需要在最大程度上确保船舶不失船位和首向，所以选择高等级的三级动力定位系统。

7.2 三级动力定位系统入籍符号

CCS船级符号：DP-3

DNV船级符号：DPS3

7.3 动力定位系统框架和设备配置

7.3.1 动力系统和推进器系统

该船为电力推进船，推进器的推力来自发电机。

该船配有6台发电机：DG1、DG2和DG3属于冗余组A；DG4、DG5和DG6属于冗余组B。

该船配有5个推进器：首侧推THR1和THR2；伸缩推进器THR3；主推进器THR4和THR5。其中THR1、THR5属于冗余组A，THR2、THR4属于冗余组B，THR3是冗余组A和冗余组B的共用推进器。

7.3.2 DP控制系统、位置参照系统和传感器系统

三级动力定位系统常用DP 2+DP 1来形容，即一个二级定位系统叠加一个一级动力定位系统，这是因为抛开动力系统和推进系统，但就DP的控制系统、位置参照系统和传感器系统而言，这部分的内容的确就是这样的。

（1）主DP控制及相关系统部分（简称主DP）

这部分是一套完整的二级定位系统，有两套完整控制网络NET A和NET C，这两套网络完全独立；

（2）备用DP控制及相关系统部分（简称备用DP）

这部分是一套完整的一级定位系统，有一套完整控制网络NET B。该套网络整个系统与主DP控制及相关系统用A60隔离；

（3）三级动力定位系统

主DP和备用DP当作相互冗余的两套控制系统，则组成了三级动力定位系统。可以看出，三级动力定位系统有三套完全独立的控制网络（NET A、NET B和NET C），每一套控制网络都可以独立完整的操作全船的5台推进器；

（4）操作站

它是操作三套控制网络的计算机（装有相关软件）、显示器及鼠标键盘的组合，用于在线操作三套控制网络中的任意一套。

该船配有操作站4个：操作站4在备用DP控制区，其余3个在主DP区，4个操作站的地位完全平等。操作站1和2为主DP操作站，操作站4为备用操作站，操作站1、2和4与三套控制网络独立性对应。操作站3比较特殊，它只是利用三套控制网络的资源实现在线控制，专用于ROV高速操作；

（5）传感器系统

该船配有3套风速风向仪、3套电罗经和3套运动参考单元，形成三组独立的传感器系统，与NET A、NET B 和NET C三网络独立冗余性对应，任何一组都可以作为定位时的参考数据，三组数据之间还可以相互校验；

（6）位置参照系统

该船配有3套GPS，其分配与传感器系统类似。两套张绳器系统的冗余性与主/备DP一致；

（7）DP控制及相关系统供电

供电是整个DP控制及相关系统最重要的一环，供电能否与三套控制网络保持一致而不破坏其独立性，是三级动力定位系统设计的一个难点。该船配有6个DP专用UPS，这6个UPS分别由两个冗余组供电。

7.3.3 冗余组A、B与三套控制网络NET A、NET B 和NET C的关系

如果把动力定位系统简单的分成两部分，则一部分是动力推进（含发电、配电和辅助设备），另一部分是动力推进的遥控。

冗余组A和冗余组B指的是有两组动力推进（含发电、配电和辅助设备），一组简单的区分为冗余组A，另一组简单分为冗余组B。NET A、NET B 和NET C指的是有A、B、C三个动力推进的遥控网络，这三个网络简单的区分为NET A、NET B 和NET C。这类似你有一部手机可以插三张手机卡，这三张卡分别是移动、联通和电信，你的这部手机就类似于三级动力定位系统里面的操作站1、2、3或4，手机可以使用任何一个网络打电话或上网，也可以在移动、联通和电信之间随意切换。

7.3.4简易的FMEA分析

（1）冗余组A丢失——前机舱及前配电板间失火或进水，导致冗余组A丢失，NET A和NET C丢失，操作站1和3丢失，操作站2和4不受影响，NET B不受影响，冗余组B的3台推进器推力依然存在，故船舶定位能力未受影响；

（2）冗余组B丢失——后机舱及后配电板间失火或进水，导致冗余组B丢失，NET B丢失，操作站2和4丢失，操作站1和3不受影响，NET A和NET C不受影响，冗余组A的三台推进器推力依然存在，故船舶定位能力未受影响；

（3）NET A丢失——双网络单元NDU A1或双控制器单元DPC 2中的A组模块丢失，导致NET A丢失，NET B和NET C不受影响，4个操作站不受影响，冗余组A和冗余组B不受影响，故船舶定位能力未受影响；

（4） NET B丢失——双网络单元（下转第页）（上接第页）

NDU A1或双控制器单元DPC 2中的B组模块丢失，导致NET B丢失，NET A和NET C不受影响，4个操作站不受影响，冗余组A和冗余组B不受影响，故船舶定位能力未受影响；

（5）NET C丢失——UPS5失电，导致NET C丢失，操作站4丢失，NET A和NET B不受影响，操作站1、2和3不受影响，冗余组A和冗余组B不受影响，故船舶定位能力未受影响；

（6）NET A和NET B丢失——UPS1失电，导致NET A和NET B丢失，操作站1丢失，NET C不受影响，操作站2、3和4不受影响，冗余组A和冗余组B不受影响，故船舶定位能力未受影响。

8 结束语

三级动力定位系统的设计重点在于实现NETA、NET B和NET C三网独立和三套位置参照系统间相互独立、相互校准的功能。这种功能的设计，归根结底是一种控制系统的设计，而控制的對象就是冗余推进系统。所以，要真正做好三级动力定位系统设计，必须掌握CCS和DNV两个规范的“冗余推进”和“动力定位”，而且要掌握此两个规范的最高级要求。