深水系泊定位控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

孫濤，吳華強(qiáng)，李浩，高志民

（中國船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031）

0 引言

隨著陸地和近海油氣的不斷開采日漸減少，深海資源的開發(fā)成為各國能源領(lǐng)域爭奪的焦點(diǎn)。國外深海平臺的制造技術(shù)已達(dá)到第六代水平，深海平臺的定位系泊系統(tǒng)市場幾乎被國外壟斷，如由西班牙奧斯坦諾船廠建造的“發(fā)現(xiàn)者深海號”;韓國三星船廠建成的“海軍勘探者1號”;北愛爾蘭Harland＆Wolff船廠建造的“GLOMAR CR.LUIGS號”。

海洋油氣開發(fā)和海洋工程裝備的發(fā)展成為我國經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)，也直接影響著國家的能源安全。我國油氣資源開發(fā)海域主要集中在近海，深海海洋工程技術(shù)研究仍處于初期階段［1］，與擁有國際先進(jìn)技術(shù)的國家之間存在較大的差距。在系泊定位關(guān)鍵技術(shù)方面，國內(nèi)相關(guān)研究單位已展開了動力定位和錨泊定位的研究，動力定位系統(tǒng)在深水作業(yè)時(shí)具有快速響應(yīng)性，而錨泊定位系統(tǒng)在使用、維護(hù)、成本和安全性方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，因此以下對錨泊定位控制系統(tǒng)展開研究。

1 深水定位系泊系統(tǒng)

深水定位系泊系統(tǒng)自動定位與仿真裝置具有對模擬海洋平臺運(yùn)動的控制能力，均衡力場的分布，同時(shí)對各實(shí)物錨機(jī)和模擬錨機(jī)間能相互協(xié)調(diào)。

深水系泊自動定位實(shí)驗(yàn)與仿真系統(tǒng)中，通過中央控制臺對一套實(shí)物錨機(jī)進(jìn)行實(shí)際控制，且模擬對三套仿真錨機(jī)進(jìn)行虛擬控制，同時(shí)采集海況和各個錨機(jī)工作參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示在控制臺的人機(jī)界面上。深水系泊自動定位仿真系統(tǒng)建立錨鏈、平臺、錨機(jī)、海況等動態(tài)模型，模擬三套虛擬錨機(jī)工作。

將錨機(jī)、平臺、海況模擬發(fā)生裝置的輸出信號，作為建模相關(guān)輸入，構(gòu)造控制數(shù)學(xué)模型，通過系統(tǒng)的仿真分析與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷尿?yàn)證，對海洋平臺綜合變化產(chǎn)生的響應(yīng)，發(fā)出校正控制對策，實(shí)現(xiàn)平臺的有效控制，使平臺快速回到目標(biāo)位置。

系統(tǒng)具有對模擬海洋平臺運(yùn)動控制能力，如圖1所示，均衡力場的分布，同時(shí)對各實(shí)物錨機(jī)和模擬錨機(jī)間能相互協(xié)調(diào)。在進(jìn)行多點(diǎn)錨泊自動定位作業(yè)時(shí)，及時(shí)分析處理檢測信息，發(fā)出校正控制指令，實(shí)現(xiàn)各錨機(jī)錨索的收放，控制平臺位置，使平臺水平運(yùn)動時(shí)偏離目標(biāo)位置誤差不大于工作水深的5%，以確保平臺作業(yè)時(shí)的安全性。在控制過程中，環(huán)境載荷、海洋平臺、各個錨機(jī)的各相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)變化，可通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，供工作人員監(jiān)視。

2 深水系泊自動定位控制系統(tǒng)

深水系泊自動定位控制分為中央控制和機(jī)旁控制兩種方式。中央控制與現(xiàn)場控制通過現(xiàn)場總線進(jìn)行信號傳輸，且中央控制的優(yōu)先權(quán)高于現(xiàn)場控制。

2.1 中央控制

中央控制臺采用人機(jī)界面（HMI）方式顯示4臺錨機(jī)（1臺實(shí)物錨機(jī)，3臺模擬錨機(jī)）的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)海況，采用面板操作結(jié)合觸摸屏操作方式對每個錨鏈進(jìn)行中央操作。

HMI設(shè)備選擇了觸摸功能西門子MP377 15’液晶觸摸屏，較大的顯示畫面可以更醒目的顯示各錨鏈的狀態(tài)信息便于操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控，觸摸功能可以方便操作人員在HMI設(shè)備上完成錨鏈的相應(yīng)操作。HMI選用西門子公司專為觸摸屏開發(fā)的組態(tài)軟件 WinCC flexible［2－3］，功能包括狀態(tài)顯示、系統(tǒng)設(shè)置、基本功能控制等。

圖1 深水系泊自動定位試驗(yàn)與仿真系統(tǒng)

圖2 多臺系泊定位設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控人機(jī)界面

2.2 機(jī)旁控制

機(jī)旁控制臺的主要功能是實(shí)現(xiàn)對應(yīng)實(shí)物錨機(jī)的運(yùn)行控制和監(jiān)測。當(dāng)系統(tǒng)在自動工作模式時(shí)，機(jī)旁控制臺的控制器根據(jù)中央控制臺中的控制器發(fā)出的指令，對每臺錨機(jī)實(shí)施控制，實(shí)現(xiàn)每臺錨機(jī)的三鏈輪正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，從而達(dá)到收、放錨鏈的目的。在手動模式現(xiàn)場工作模式有效時(shí)，通過操作機(jī)旁控制臺對錨機(jī)的收、放錨鏈。當(dāng)錨鏈承受的拉力達(dá)到最大值或收放速度超過安全閾值時(shí)，控制系統(tǒng)直接采取保護(hù)措施，發(fā)出報(bào)警信號，防止危險(xiǎn)事故發(fā)生。當(dāng)錨鏈承受的拉力達(dá)到最大值或收放速度超過可行閾值時(shí)，控制系統(tǒng)直接采取保護(hù)措施，發(fā)出報(bào)警信號，防止危險(xiǎn)事故發(fā)生。

系泊系統(tǒng)信號采集與檢測是集成在集中控制盤上的另一個功能。檢測信號一部分為錨機(jī)裝備工作狀態(tài)和相關(guān)測量參數(shù)，另一部分為海洋平臺和海洋環(huán)境狀態(tài)和相關(guān)測量參數(shù)。

3 主監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中央控制臺對多臺系泊定位設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)測，獲取所有12根錨鏈的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)海況，并將信息顯示在中央控制臺的人機(jī)界面（HMI）上。

在進(jìn)行多點(diǎn)錨泊定位作業(yè)時(shí)，深水定位系泊系統(tǒng)自動定位與仿真裝置用于實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地模擬環(huán)境及設(shè)備參數(shù)，及時(shí)分析處理后，向中央控制系統(tǒng)發(fā)出校正控制指令，實(shí)現(xiàn)各錨機(jī)錨索的收放，對平臺水平運(yùn)動控制在工作水深的5%以內(nèi)，并能夠快速回到目標(biāo)位置，以確保平臺的安全性。在控制過程中，環(huán)境載荷、平臺、錨機(jī)的各相關(guān)參數(shù)的變化，實(shí)時(shí)在人機(jī)界面上顯示。

當(dāng)錨索承受的拉力達(dá)到最大值時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)采取保護(hù)措施，發(fā)出報(bào)警信號，防止危險(xiǎn)事故發(fā)生。

如圖2所示，狀態(tài)監(jiān)測分為五個區(qū)域，包括四個邊角區(qū)域和一個中心區(qū)域。四個邊角區(qū)域分別監(jiān)測放置在平臺四個邊角的四臺錨機(jī)，每個錨機(jī)包含三個絞盤。對應(yīng)每個絞盤分別顯示錨鏈壓力，放出錨鏈長度和絞盤狀態(tài)。錨鏈壓力采用柱狀圖和數(shù)字兩種顯示方式，單位為噸（ton）;放出錨鏈長度采用數(shù)字顯示方式，單位為米（m）;絞盤狀態(tài)用來指示錨鏈?zhǔn)欠裉幱谕＼嚑顟B(tài)，處于停車狀態(tài)時(shí)，停車指示變?yōu)辄S色。中心區(qū)域顯示當(dāng)前哪個錨鏈被操作、實(shí)時(shí)風(fēng)況和錨機(jī)電機(jī)和液壓泵的工作狀態(tài)。被操作錨鏈對應(yīng)的指示燈為綠色，風(fēng)況顯示風(fēng)向和風(fēng)速，處于工作狀態(tài)的錨機(jī)電機(jī)和液壓泵指示燈為綠色。

4 錨機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用面板操作結(jié)合觸摸屏操作的方式，通過中央控制臺可以對單個錨機(jī)進(jìn)行監(jiān)測和操作，可以實(shí)現(xiàn)錨鏈選擇、錨鏈模式選擇、錨鏈速度選擇、錨鏈?zhǔn)辗?、錨鏈緊急釋放、海況檢測、狀態(tài)監(jiān)控。

在選擇和操作錨鏈之前，必須確認(rèn)液壓系統(tǒng)壓力正常、兩個液壓泵和電機(jī)均已啟動，即HMI上相應(yīng)指示燈亮，否則，對錨機(jī)的其他操作均無效。錨鏈操作時(shí)，首先在面板上選擇要操作的錨鏈，然后HMI上選擇對應(yīng)錨鏈的工作模式和速度，最后通過手柄操控錨鏈?zhǔn)辗?。面板上未被選擇的錨鏈，HMI上的選擇操作和手柄操作均無效。錨鏈操作過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控錨鏈的工作信息，顯示在相應(yīng)錨鏈的對應(yīng)位置。HMI顯示的信息包括錨鏈狀態(tài)（是否停車）、錨鏈放出長度（單位m）、錨鏈?zhǔn)Ｓ嚅L度（單位m）、錨鏈壓力（單位ton）和錨鏈?zhǔn)辗潘俣龋▎挝籱/min），實(shí)時(shí)監(jiān)控的風(fēng)況信息顯示在HMI左上角。

5 自動定位控制

PLC控制系統(tǒng)采集現(xiàn)場各個傳感器數(shù)據(jù)和一個實(shí)物錨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)，通過RS422協(xié)議傳輸至仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)根據(jù)平臺的控制目標(biāo)，將三個模擬錨機(jī)和一臺實(shí)物錨機(jī)進(jìn)行分析、計(jì)算，發(fā)出校正控制策略，向個錨機(jī)實(shí)施控制。其控制原理如圖3所示。

圖3 深水系泊自動控制原理

為均衡12條錨鏈?zhǔn)芰η闆r，防止某條錨鏈?zhǔn)芰^大而引起的錨鏈斷裂，進(jìn)而環(huán)境載荷在余下的纜繩中重新分配又引起余下纜繩中受力最大的斷裂直至全部纜繩斷裂的嚴(yán)重后果的產(chǎn)生。應(yīng)用遺傳算法對錨鏈?zhǔn)芰M(jìn)行優(yōu)化，并在保證滿足平臺定位精度要求的前提下，得出各錨鏈的均勻張力值，并將得到的張力值作為錨鏈切換的臨界值。遺傳算法的目標(biāo)函數(shù)為:

將優(yōu)化的結(jié)果作為錨鏈切換的依據(jù)，同時(shí)針對現(xiàn)有方案采用模糊控制同時(shí)對四根錨鏈進(jìn)行收放控制。模糊控制的輸入量分別為縱蕩位移、橫蕩位移及艏搖角，輸出量為錨鏈的收放速度。

當(dāng)平臺向x及y的正方向移動時(shí)，3號錨機(jī)（即7、8、9號錨纜）的錨纜進(jìn)行收纜，以增加張力，1號錨機(jī)進(jìn)行放纜運(yùn)動，而2號、4號錨機(jī)的收放運(yùn)動則根據(jù)縱蕩和橫蕩位移偏差的大小，當(dāng)縱蕩偏差較大時(shí)，4號錨機(jī)收纜，2號錨機(jī)放纜。以此類推，總結(jié)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)并加以修正，得出表1中49條模糊語句。

模糊推理采用Mamdani方法［4－5］，經(jīng)模糊推理后需將模糊集合轉(zhuǎn)化成清晰的數(shù)值來代表此模糊集合，即“反模糊化”。反摸糊化采用重心法，即求出模糊集合隸屬函數(shù)曲線和橫坐標(biāo)包圍區(qū)域面積的中心，選這個中心對應(yīng)的橫坐標(biāo)值，作為這個模糊集合的代表值。

表1 模糊控制規(guī)則表

模糊控制規(guī)則反映了當(dāng)前平臺縱蕩及橫蕩偏差情況下，四臺錨機(jī)的協(xié)調(diào)控制規(guī)律。以平臺艏向?yàn)檎合驗(yàn)樨?fù)，沿x方向?yàn)榭v蕩方向，沿y方向?yàn)闄M蕩方向，錨鏈布置如下圖4所示。

圖4 深水系泊錨鏈布置圖

圖5 采用錨泊定位的平臺位移

針對一年一遇工作工況下的環(huán)境條件，考慮風(fēng)、浪和海流方向相同的最不利的情況，取600 s的計(jì)算時(shí)間，得到在1 500 m水深及 135°浪向角時(shí)，采用傳統(tǒng)錨泊定位的平臺分別對有無錨索阻尼的情況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示，將平臺位移的理想值設(shè)為14 m，在控制系統(tǒng)作用下，平臺的位移見圖6。

6 結(jié)束語

在深水系泊自動定位控制試驗(yàn)系統(tǒng)中，對自動控制定位算法進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了具有自檢性、報(bào)警和保護(hù)功能的中央控制、機(jī)旁控制和監(jiān)視系統(tǒng)，可快速高精度實(shí)現(xiàn)深水系泊系統(tǒng)的自動定位，能夠提高作業(yè)人員工作效率和平臺工作的安全性、可靠性，對我國大型海洋工程技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

［1］孫濤，桂文彬，俞志剛.半潛式平臺定位系泊控制試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.船舶工程，2012，35（2）:84 －86.

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