石油平臺(tái)供應(yīng)船GPA654的DP控制系統(tǒng)

唐 瑩,馮遵迪

(揚(yáng)州大洋造船有限公司,江蘇揚(yáng)州 225107)

0 引言

動(dòng)力定位是一種可以不用錨系而自動(dòng)保持海上浮動(dòng)裝置位置的定位方法。采用動(dòng)力定位的海上浮動(dòng)裝置,在海上作業(yè)時(shí)不需要拋錨,這不僅減少了復(fù)雜的拋錨工序,而且工作的水深亦不受錨系長(zhǎng)度的限制,甚至可以在水深大于 1 000 m以上的深度進(jìn)行工作。

當(dāng)前海上油氣勘探和開(kāi)采的范圍越來(lái)越廣,作業(yè)海況也日趨惡劣,為了適應(yīng)海上石油開(kāi)發(fā)的快速發(fā)展,DP控制系統(tǒng)已被廣泛地應(yīng)用在石油平臺(tái)供應(yīng)船上。本文以GPA654石油平臺(tái)供應(yīng)船為例,介紹動(dòng)力定位系統(tǒng)DP在船舶上的應(yīng)用情況。

1 GPA654概況

在動(dòng)力定位系統(tǒng) DP狀態(tài)下,對(duì)各臺(tái)發(fā)電機(jī)及其他設(shè)備的工作狀態(tài)也是有要求的。本文設(shè)定發(fā)電機(jī)的能量在足夠使用的狀態(tài)下。

2 GPA654—DP介紹

國(guó)際海事組織(IMO)根據(jù)動(dòng)力定位系統(tǒng)的功能和冗余度,將其劃分為 1級(jí)、2級(jí)、3級(jí) 3個(gè)級(jí)別,其中第 3級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)的級(jí)別最高,性能最先進(jìn)。在此基礎(chǔ)上,各國(guó)船級(jí)社制定了自己的等級(jí)符號(hào)或附加標(biāo)志。目前,中國(guó)船級(jí)社、美國(guó)船級(jí)社規(guī)定的 3個(gè)級(jí)別的動(dòng)力定位系統(tǒng)附加標(biāo)志分別為DP-1、DP -2、DP-3。

而本船的動(dòng)力定位系統(tǒng)依照國(guó)際海事組織規(guī)則(IMO)和ABS船級(jí)社規(guī)范DP-2來(lái)建造的。它是一個(gè)雙冗余系統(tǒng),任何設(shè)備的單獨(dú)失效都不會(huì)影響DP系統(tǒng)的連續(xù)操作。在這個(gè)系統(tǒng)中所有的電腦、可編程控制器PLC、電源、內(nèi)部LAN數(shù)據(jù)連接及傳感器都是雙套的,電腦提供 2個(gè)單獨(dú)的輸出以太網(wǎng)給單獨(dú)的可編程控制器PLC。PLC通過(guò)2個(gè)單獨(dú)的Genius輸送數(shù)據(jù)給I/O模塊,假使一個(gè)控制線路失效,另一控制線路會(huì)自動(dòng)接收處理。

圖1為DP系統(tǒng)及控制簡(jiǎn)圖。圖 1比較清晰地表示出了VRS、羅經(jīng)、DGPS、風(fēng)速風(fēng)向儀、激光參考系統(tǒng)與DP系統(tǒng)的連接,以及DP系統(tǒng)與各個(gè)推進(jìn)器之間的連接。

DP系統(tǒng)的配置有:控制電腦,其他各種航海數(shù)據(jù)的輸入/出接口,PLC和雙Genius Bus連接到船舶和功率管理系統(tǒng)。PLC接收從各個(gè)傳感器和推進(jìn)器收集到的信號(hào),然后送到主控制電腦,并將主控制電腦處理的信息再傳送到推進(jìn)器。

駕控臺(tái)上有DP控制、IJS(手動(dòng))控制、自動(dòng)操舵儀控制及手動(dòng)控制的切換開(kāi)關(guān)。需要切換時(shí),按相應(yīng)的開(kāi)關(guān) 2次,開(kāi)關(guān)里面的指示燈亮,此時(shí)表示可以進(jìn)行相應(yīng)的操作。

DP電腦裝入的是Windows XP軟件,它們的內(nèi)部硬件都是防振的。DP控制板上有2個(gè)軸向模擬操縱桿、旋轉(zhuǎn)球、指示燈及其他一些電氣組件。

圖1 DP系統(tǒng)及控制簡(jiǎn)圖

3 船在海上受到的影響參數(shù)

船舶在海上航行或停止在海上時(shí),會(huì)受到海上各種因素的影響而產(chǎn)生不希望的位置變化;或者需要克服各種因素影響將船開(kāi)往自己希望的位置。這些因素主要包括:

偏航:船舶的旋轉(zhuǎn),此參數(shù)由電羅經(jīng)測(cè)量。

振動(dòng):船舶的前或后移動(dòng),此參數(shù)由船舶垂直參考系統(tǒng)傳感測(cè)量。

擺動(dòng):船舶的左或右移動(dòng),此參數(shù)由船舶垂直參考系統(tǒng)傳感測(cè)量。

風(fēng)速風(fēng)向:風(fēng)速風(fēng)向信儀測(cè)量。

波浪:海浪對(duì)船的影響,船發(fā)生不希望的位移。

水流:水流對(duì)船的影響,導(dǎo)致船發(fā)生不希望的位移。

方位推進(jìn)器:本船船尾所配置,可以隨時(shí)補(bǔ)償船舶發(fā)生的位移。

軸式艏側(cè)推:本船船首所帶,可以隨時(shí)補(bǔ)償船舶發(fā)生的位移。

為了克服船舶在這些因素的影響下產(chǎn)生不希望的位置變化,首先必須先收集這些變化的數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)全部傳送到DP主控制站。DP主控制站對(duì)這些各種各樣的信息進(jìn)行綜合處理分析,然后發(fā)出各種各樣的指令去控制其他相關(guān)的動(dòng)力設(shè)備。

4 DP需要收集數(shù)據(jù)而配置的設(shè)備

4.1 船舶垂直參考系統(tǒng)傳感器

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,安裝了2套船舶垂直參考系統(tǒng)傳感器(VRS)。此傳感器安裝在易于到達(dá)并不易被損壞的地方,它的安裝支架必須完全固定,不能有松動(dòng),靠近傳感器下方的電纜不能彎曲并固定好。傳感器安裝盡量靠近船舶重心位置,它的前/后、左/右標(biāo)記必須標(biāo)清楚。此傳感器對(duì)船舶的前后左右產(chǎn)生的傾斜非常敏感。在調(diào)試過(guò)程中,采用人為使之產(chǎn)生前后左右傾斜。傾斜時(shí)動(dòng)作要緩慢,并有角度限制。DP系統(tǒng)接收到此信號(hào)后會(huì)發(fā)出各種命令給推進(jìn)裝置,讓推進(jìn)裝置產(chǎn)生行動(dòng)以補(bǔ)償此傾斜。

DP系統(tǒng)主機(jī)工作時(shí),必須有1套 VRS在工作。如果VRS全部都不能工作,很多參數(shù)將不能測(cè)到,整個(gè)動(dòng)力定位系統(tǒng)的定位能力將被整體降級(jí)。

正常情況下,2套VRS均為可使用狀態(tài),系統(tǒng)會(huì)接收所有的信息并作比較。如果它們所測(cè)到的參數(shù)又都正確,此時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇VRS1來(lái)使用。

4.2 DGPS全球定位系統(tǒng)

本船有2套DGPS系統(tǒng)。DGPS是差分全球定位系統(tǒng),方法是在一個(gè)精確的已知位置上安裝監(jiān)測(cè)接收機(jī),計(jì)算得到它能跟蹤的每顆GPS衛(wèi)星的距離誤差。該差值通常稱(chēng)為PRC(偽距離修正值),將此數(shù)據(jù)傳送給用戶接收機(jī)作誤差修正。本船上所測(cè)出的高精確度的全球的經(jīng)度和緯度聯(lián)合信息通過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌趥鹘oDP系統(tǒng)。

4.3 風(fēng)速風(fēng)向儀系統(tǒng)

本船有 2套風(fēng)速風(fēng)向儀傳感器,傳感器適當(dāng)?shù)匕惭b在能經(jīng)受住強(qiáng)風(fēng)的地方,無(wú)振動(dòng)/遮蔽的區(qū)域。工作時(shí)操作者可以隨意選擇 1套系統(tǒng),便于能提供穩(wěn)定的風(fēng)的速度和方向數(shù)據(jù)給 DP系統(tǒng)。如果第 1套風(fēng)速風(fēng)向儀系統(tǒng)失效,在屏幕上會(huì)顯示“1號(hào)風(fēng)速風(fēng)向儀失效”。

如果所有的傳感器都失效。系統(tǒng)將自動(dòng)采用最近時(shí)間所測(cè)得的風(fēng)速和風(fēng)向信息。

4.4 電羅經(jīng)系統(tǒng)

本船有 2套電羅經(jīng)系統(tǒng)。任何時(shí)候都要有 1套羅經(jīng)系統(tǒng)在工作,提供船首向信息給DP系統(tǒng)。當(dāng) 2套電羅經(jīng)都可以使用時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇第 1套電羅經(jīng)使用。如果使用中的羅經(jīng)測(cè)出來(lái)的值跟其他傳感器測(cè)出來(lái)的值相差太大,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)到另一電羅經(jīng),并發(fā)出報(bào)警:羅經(jīng)1失效。

4.5 激光參考系統(tǒng)

此系統(tǒng)里的扇形射束裝置被固定在羅經(jīng)甲板上,能不停地發(fā)送脈沖信號(hào)出去。當(dāng)它一旦收回反射回來(lái)的信號(hào)后,通過(guò)內(nèi)部軟件的計(jì)算分析,能立刻判斷出反射物體相對(duì)于本船的距離和方向。此系統(tǒng)針對(duì)靠近船舶的物體,是對(duì)DGPS系統(tǒng)的補(bǔ)充。

DP系統(tǒng)收集到的其他系統(tǒng)的各種信息數(shù)據(jù)后,通過(guò)內(nèi)部信號(hào)轉(zhuǎn)換器變?yōu)樽约盒枰牡乩硇詳?shù)據(jù)。

5 DP系統(tǒng)調(diào)試前后的注意事項(xiàng)

船廠為了滿足DP系統(tǒng)的要求,在設(shè)計(jì)圖紙時(shí)應(yīng)該考慮周全。在船上能夠影響 DP系統(tǒng)的能力因素的系統(tǒng),主要包括:電氣電力系統(tǒng)圖、推進(jìn)器控制系統(tǒng)圖、空壓機(jī)系統(tǒng)圖、燃油系統(tǒng)圖、滑油系統(tǒng)圖、冷卻水系統(tǒng)圖、通風(fēng)系統(tǒng)圖。

相關(guān)的系統(tǒng)圖和布置圖都要經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)而仔細(xì)的設(shè)計(jì),并經(jīng)船廠提供給DP操作手冊(cè)編寫(xiě)公司。

操作手冊(cè)編寫(xiě)公司根據(jù)國(guó)際海事協(xié)會(huì)IMCA里面的“動(dòng)力定位船舶的設(shè)計(jì)和操作的指導(dǎo)原則”來(lái)編寫(xiě)。操作手冊(cè)的編寫(xiě)必須考慮船將面臨的各種不同的地方和環(huán)境以及一些需要靠近的燈塔等。航海圖及工作區(qū)的海底深度也必須考慮進(jìn)去。操作手冊(cè)編制完畢后,送至船級(jí)社認(rèn)可,經(jīng)退審的操作手冊(cè)方可供船上DP操作者使用。

船廠交船前的DP調(diào)試必須按照操作手冊(cè)編寫(xiě)的操作程序來(lái)進(jìn)行。設(shè)備調(diào)試由廠家服務(wù)工程師總負(fù)責(zé),船檢部門(mén)、船東、船廠負(fù)責(zé)人參加。要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)逐步調(diào)試,并經(jīng)船東船檢部門(mén)現(xiàn)場(chǎng)簽字認(rèn)可。

DP系統(tǒng)的操作是一項(xiàng)技術(shù)性非常強(qiáng)的工作。調(diào)試時(shí),船上每個(gè)相關(guān)人員之間都必須有良好的通迅,能明白自己的責(zé)任,做到最密切的配合和協(xié)作。

DP的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試項(xiàng)目很多,現(xiàn)舉一例說(shuō)明:讓船自動(dòng)到達(dá)指定位置。首先我們預(yù)先在顯示器上設(shè)定船想到達(dá)某處,將它們之間的距離、目前行使的船首向、速度設(shè)定好,船就會(huì)根據(jù)收集到的各項(xiàng)參數(shù)自動(dòng)到達(dá)指定位置。

船在海面總有一定的漂移,船首向也會(huì)不時(shí)的發(fā)生變化,位置移動(dòng)超過(guò) 5 m,船首向偏移 3°而沒(méi)有回復(fù)到原來(lái)的位置,系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生報(bào)警。

而DP的FMEA(失效模式及結(jié)果分析)也是必做的項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng)目由 DP廠家預(yù)先進(jìn)行調(diào)試,程序編寫(xiě)公司再進(jìn)行綜合調(diào)試。

整個(gè)船舶動(dòng)力定位是一個(gè)先進(jìn)而又復(fù)雜的系統(tǒng),設(shè)備廠家會(huì)根據(jù)船東的需要進(jìn)行系統(tǒng)及設(shè)備的配置。

本船的結(jié)果分析程序監(jiān)視船舶的功率狀態(tài)和推進(jìn)器的輸出情況。當(dāng)它計(jì)算出船由于各種事故將失去它的定位能力時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警,隨即系統(tǒng)會(huì)立即改變它的操作方式以保證人和船的安全。

當(dāng)船在 DP模式下正常工作時(shí),駕駛室工作臺(tái)上只需 2個(gè)操作人員,其中一個(gè)必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)的DP高級(jí)操作者。他們輪流在工作臺(tái)上觀察船的安全和工作情況。集控室里也必須有 2個(gè)輪機(jī)員,隨時(shí)監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境情況,一旦觀測(cè)到環(huán)境在惡化,嚴(yán)重降低DP需要的級(jí)數(shù)時(shí),要將DP操作關(guān)閉。他們把當(dāng)天的DP情況如實(shí)地記在記錄本上,并匯報(bào)給船長(zhǎng)和輪機(jī)長(zhǎng)。