海洋勘探船DP3设备布置及控制系统研究

余勇林　张云　张远飞　陈志宇

摘 要：本文介绍了海洋勘探船DP-3满足冗余要求的设备及隔离技术研究。

关键词：DP-3；控制系统；测量系统；设备布置；物理隔离技术

中图分类号：U674.38 文献标识码：A

Abstract： This paper introduces the comprehensive layout of equipment， control station and the physical isolation technology of DP-3 control system and measuring system for marine exploration ship to satisfy the redundant requirement.

Key words： DP-3； control system； Measuring system ；Comprehensive layout of redundant equipment； Physical isolation technique

1 前言

海洋勘探船可完成各類海上施工作业，最大作业水深3 000 m。由于作业要求高、操作危险性大，需要在最大程度上确保船舶定位精度，所以选用最高等级的三级动力定位系统（DP-3），并配置了电罗经、水声定位、激光束定位等先进的位置参考系统，要求系统设计的冗余和系统布置上的物理分隔，以提高船舶的安全性。开展动力定位系统生产设计、安装技术等方面的研究，并解决动力定位系统装船工艺技术问题，对船舶建造质量具有重要意义。

2 动力定位（DP）系统定义

动力定位（DP）系统指使船舶实现动力定位所必需的一整套系统，包括下列分系统：

（1）动力源系统；

（2）推进器系统；

（3）DP控制系统；

（4）独立的联合操纵系统。

动力定位船（DP船）是指通过推进器来自动保持位置的船舶。

3 动力定位（DP）控制系统的功能

动力定位（DP）控制系统即动力定位船舶所必需的所有控制元件和系统、硬件、软件，主要包括以下部分：

（1）位置控制系统（计算机系统）；

（2）传感器系统；

（3）显示系统（操作面板）；

（4）位置参照系统；

（5）相关的电缆和布线。

动力定位（DP）控制系统的本质，是由计算机根据船舶的数学模型和姿态输出控制信号给推进器的控制系统，进而操作各推进器克服环境变化的力量，使船舶保持选定的首相和位置。根据规范对DP-3的要求，本船配置的DP系统设有冗余的主DP控制系统和非冗余的后备DP系统，并配有联合操作手柄系统。

主DP系统和后备DP系统位于不同的防火区域。其中，控制站分为动力定位控制站、数据记录控制站、模拟器控制站三种。控制站作为中控系统的一部分，连接于冗余的网络A、B和管理网络C，也就是说每个控制站都可以通过A网络或B网络传输数据，这样就能保证在单一故障的情况下不影响动力定位系统的正常工作。

根据DP附加标志的不同，所配备的控制站系统是有区别的：

（1）DP-2附加标志

在计算机系统或其辅助设备出现任何个别故障后，执行推力自动控制的计算机系统应能控制推进器。这个要求通过两个或两个以上并行工作的计算机系统来完成，可选择一台计算机系统在线工作，其它计算机系统作为备用；计算机系统应执行探测故障的自检程序，如在线工作的计算机系统失效，自动转换至备用计算机系统；如备用系统或与备用系统相连的传感器或位置参照系统中的任何一个出现故障时，应发出报警；在操作板上应显示正在实施控制的控制系统的标志。

（2）DP-3附加标志

计算机系统应满足DP-2附加标志的要求；应设有一套自动备用系统，该备用系统所在控制站与主系统所在的备用站之间应为A-60级；如主系统选用的是一套三联计算机系统，并满足备用系统的独立条件，则这些计算机中的一台可作为备用计算机；备用系统应由操作者在主DP控制站或备用控制站起动，这种转换应确保任何单个故障不会造成主控制系统和备用控制系统同时失效。

4 DP-3控制系统的设备配置

根据DP3 规范要求，（DP-3）控制系统配置如图1所示：其中PS Wing Backing DP Room框中对应设备为备用DP系统控制设备，其它框中设备属于主DP系统控制设备；另外，有一套罗经、MRU、风速风向仪、DGPS用于备用DP控制系统。

在驾驶甲板设有四个DP 工作站：其中两个主DP 工作站设在后驾控台船舶处理工作站区域，操作人员面朝船尾方向；备用DP 工作站设在左舷（与主DP 区域有A60 分隔），操作人员也是面朝船尾方向。在驾驶室前驾控台航行工作站区域推进遥控系统，操作人员面朝船首方向，此控制系统也可以把控制切入DP工况，在右舷配有JOYSTICK控制。

控制站作为中控系统的一部分，连接于冗余的网络A、B，每个控制站都可以通过A网络或B网络传输数据。

主DP控制系统的相关辅助系统，如罗经、不间断电源等放置在第五甲板右电气设备间；每个DP控制站都拥有自己的UPS用于应急时操作；主DP控制通信使用的2号DP控制箱DPC-2、网络控制箱NDU.A2布置在5甲板右电气设备间；备用DP控制站作为DP-3 备份控制系统，布置在桥楼甲板左舷备用DP控制室；备用DP控制系统使用的是单独的传感器系统和不间断电源进行工作；备用DP控制系统与主控制系统之间使用冗余的以太网进行高速数据传输；备用DP控制室与驾驶室之间满足A-60防火隔离；与备用DP控制站通信的1号DP控制箱DPC-1、网络控制箱NDU.B2、供电UPS6/7电源单元布置在5甲板左电气设备间，左/右设备间相邻，但左电气设备间作为备用DP设备间，四周都用A-60防火分隔壁隔离。

5 DP-3测量系统的设备布置及隔离技术

5.1 传感器设备布置及隔离技术

有风、浪、流共同作用的复杂海况下，船舶具有六个自由度的运动特征，即纵荡、横荡、首摇、纵摇、横摇和垂荡。DP系统是否满足船舶的作业要求，很大程度上取决于所用的测量系统，要求以足够的速度和精度获取所需的信息，以便控制系统计算出推进器指令。动力定位船舶的运动主要是水平面的三个自由度：纵荡、横荡和首摇，因此，控制系统所需的信息包括船舶的位置、首向以及外部干扰力的信息。

本船配置有以下测量装置：

（1）风速风向仪

超声波风速风向仪传感器，用于测量风速和风向。其天线安装在雷达桅左右两个大桅杆上，尽量不受周围建筑物的影响。

（2）电罗经

分别安装在有A60防火分隔的五甲板两个电气设备间，用于测量船舶的首向。

（3）运动参考单元

动力定位系统虽然并不控制船舶的纵摇、横摇与升沉，但系统中的超短基线、张绳、GPS天线需要进行纵横摇补偿，故需采用运动参考单元来测量船舶的纵摇、横摇与升沉。本船配置MRU-5运动参考单元，用于测量船舶的纵摇、横摇和垂荡。为满足规范和设备使用要求，将主/备DP系统的MRU分别安装在平台甲板有A60防火隔离的后低压配电间外面走道和后低压配电间。

（4）差分全球定位测量系统

差分天线的DGPS系统，测量船舶的地理位置，配有用于两船协同作业使用的UHF（超高频无线电）天线，该系统天线全部用于主DP系统，故主机全部安装在驾驶室后驾控台。为满足主DP设备冗余要求，两套设备的天线分别安装在罗经甲板两翼尽量远离的左右两个桅杆上，以保证其中一套设备受损时另一套设备正常使用。

（5）水声探测系统

此系统传感器包括：安装在船底的水声发射接收器和布于海底的应答器组成。系统依靠信号从发射器经过水传播和应答器到达接收器，然后根据接收到的信号计算出船体的位置。本船配置的水声探测系统分别用于主/备DP系统，主DP系统水声探测系统升降装置及其收发机和控制箱布置在右舷首部HPR舱，控制站安装在驾驶室后驾控台，备用DP系统水声探测系统海底设备的收发机和控制箱布置在左舷尾部HPR舱，控制站安装在桥楼甲板备用DP控制站，两套设备之间满足A60防火隔离要求。

（6）张绳系统

此系统在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。此方法只适用于水深500 m以下的海域，且在海况较差时不能使用。由于这两套设备全部属于主DP系统，故全部安装在主DP区域。

（7）SPOTBEAM位置参考系统

1套SPOTBEAM位置参考系统，分别用于主/备DP系统，布置在备用DP控制站。

5.2 天线布置电磁兼容技术

由于要同时满足CCS OMBO 、DNV NAUT-OSV（A）一人桥楼符号、CCS DP-3、DNV DPS3符号要求及船东特殊作业要求，本船配置的天线种类及数量非常多，而且应急发电机是在罗经甲板，雷达桅的设计小巧简洁，同时考虑到各种天线之间的相互影响及电磁干扰情况，因此本项目的天线布置是一个非常大的挑战。

依据CCS DP-3和DNV DPS3符号相关规范要求，主DP系统天线和备用DP系统天线布置位置及其电缆敷设应满足A60防火隔离。针对本船只有一个雷达桅、一个罗经甲板的实际结构情况，经与船级社协商，考虑到露天的雷达桅和罗经甲板进水或失火的可能性微乎其微，所以最终将主/备DP系统的天线布置应尽量远离，且其中一套系统的电缆穿管敷设，以保证在有外界机械损伤的情况下不会同时对主/备DP系统产生影响。天线布置参见图2。

6 结束语

本船需要同时取得DNV DPS3和CCS DP-3 双船级社三级动力定位符号，并取得DNV NAUT OSV（A）和CCS OMBO双船級社“一人桥楼”符号。本船结构复杂、设备多、电缆路径复杂，对此类型船舶做DP相关设备布置优化、电缆路径优化、管路系统设计优化等生产设计研究，对今后同类型船舶设计具有重要意义。

参考文献

[1]乔鸣忠，于飞，张晓锋.船舶电力推进技术[M].机械工业出版社.