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基于B&R貝加萊雙主站和雙網(wǎng)絡(luò)冗余PCC的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)

1動(dòng)力定位系統(tǒng)的定義和分級(jí)

DP系統(tǒng)的定義
最初，在國際海運(yùn)承包商協(xié)會(huì)(InternationalMarineContractorsAssociation,IMCA)的《動(dòng)力定位船舶設(shè)計(jì)和使用指南》中，動(dòng)力定位系統(tǒng)包括了三個(gè)部分，即動(dòng)力（power）、控制（control）和參照值（references）。動(dòng)力可以再被分為發(fā)電、配電和用電（推進(jìn)器系統(tǒng)）；控制指的是對(duì)功率的控制和管理，有自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式，還含位置控制系統(tǒng)；參照就是指關(guān)于位置、環(huán)境以及船舶方位的傳感器。
后來，國際海事組織（InternationalMaritimeOrganization，IMO）和國際海運(yùn)承包商協(xié)會(huì)(IMCA)將動(dòng)力定位（DP）定義為動(dòng)力定位船舶所需要裝備的全部設(shè)備，包括動(dòng)力系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)和動(dòng)力定位控制系統(tǒng)。
1.2DP系統(tǒng)的分級(jí)
DP的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要考慮設(shè)備的可靠性和冗余度，目的是對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、必須安裝的設(shè)備、操作要求和試驗(yàn)程序等作出規(guī)定，保證DP安全可靠運(yùn)行，并避免在DP作業(yè)時(shí)對(duì)人員、船舶和其它設(shè)備造成損傷和危害。
由于海上作業(yè)船舶對(duì)于動(dòng)力定位系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，IMO以及各國的船級(jí)社都對(duì)DP系統(tǒng)提出了非常嚴(yán)格的要求，除了在各種條件下都能使用手動(dòng)控制和自動(dòng)控制這個(gè)基本要求之外，還制定了以下三個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：

（1）設(shè)備等級(jí)一(DP1)：在單故障的情況下可能發(fā)生定位失常。
（2）設(shè)備等級(jí)二(DP2)：有源組件或發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器、配電盤遙控閥門等系統(tǒng)單故障時(shí)，不會(huì)發(fā)生定位失常，但當(dāng)電纜、管道、手控閥等靜態(tài)元件發(fā)生故障時(shí)可能會(huì)發(fā)生定位失常。
（3）設(shè)備等級(jí)三(DP3)：任何單故障都不會(huì)導(dǎo)致定位失常。基于貝加萊雙主站和雙網(wǎng)絡(luò)冗余PCC設(shè)計(jì)、研發(fā)的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)屬于這一等級(jí)。
1.3DP系統(tǒng)屬于高門檻應(yīng)用
DP系統(tǒng)并非簡單的海裝平臺(tái)的監(jiān)控，它不同于通常的SCADA系統(tǒng)，而是一個(gè)具有全局要求的高可靠性和高可用性的系統(tǒng)，而且，它還必須通過嚴(yán)格的資質(zhì)認(rèn)證，包括IMO、ABS、DNV、IMCA、勞氏船級(jí)社等國際機(jī)構(gòu)的認(rèn)證才可以被確認(rèn)為DP1-3的等級(jí)。此外，所有DP系統(tǒng)對(duì)于操作人員的資質(zhì)、系統(tǒng)的文檔、冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試驗(yàn)證等都有著嚴(yán)格的規(guī)定。
目前，國外各主要DP廠家的產(chǎn)品均符合IMO及主要船級(jí)社的要求，但目前全球市場上僅有不到十家企業(yè)能夠提供DP3等級(jí)的系統(tǒng)，其產(chǎn)品均能提供手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)三種操作方式，對(duì)船舶的位置和艏向的控制可單獨(dú)進(jìn)行或兩者同步進(jìn)行。由于各家公司設(shè)計(jì)理念及產(chǎn)品用途的不同，產(chǎn)品的配置也不一樣，但大體上均包括操控臺(tái)、控制和信號(hào)處理單元、測(cè)量系統(tǒng)、動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)等。
振華集團(tuán)海裝研究院作為的海洋裝備與系統(tǒng)研發(fā)機(jī)構(gòu)，一直積極地推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的自主研發(fā)與應(yīng)用，以迎接國際船舶認(rèn)證機(jī)構(gòu)的挑戰(zhàn)，獲得全球產(chǎn)業(yè)競爭力。
基于與貝加萊在數(shù)字化碼頭的AGV、岸橋防搖系統(tǒng)項(xiàng)目中的成功合作，貝加萊系統(tǒng)的優(yōu)良性能得到了振華海裝研究院的信任，這也是開發(fā)DP系統(tǒng)時(shí)直接選用了貝加萊系統(tǒng)的原因。貝加萊提供的冗余控制系統(tǒng)（雙CPU、雙網(wǎng)絡(luò)）已能直接滿足DP2的要求，如在既有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加手動(dòng)操作模式，即可滿足最高的DP3等級(jí)的需求。
2動(dòng)力定位系統(tǒng)的組成及工作原理

2.1DP系統(tǒng)的組成
船舶DP系統(tǒng)主要由位置測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和推力系統(tǒng)三部分組成，如圖3所示。


圖3船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)組成示意圖
（1）位置測(cè)量系統(tǒng)
測(cè)量系統(tǒng)系指可獲得船舶相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的傳感器系統(tǒng)，主要包括：聲學(xué)定位系統(tǒng)、提供船舶艏向的電羅經(jīng)、提供船舶準(zhǔn)確位置的DGPS、提供船舶姿態(tài)的垂向基準(zhǔn)傳感器、提供風(fēng)速和風(fēng)向變化的風(fēng)向風(fēng)速儀和張緊索等。
（2）控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)主要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)獲得的船舶運(yùn)動(dòng)信息及當(dāng)前環(huán)境作用信息進(jìn)行處理，經(jīng)計(jì)算得出推進(jìn)器的控制信號(hào)以對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行控制，從而使動(dòng)力定位船舶在風(fēng)、流、浪等外力和推進(jìn)器的推力綜合作用下保持所期望的位置及艏向不變或向著預(yù)設(shè)位置航行。
（3）推力系統(tǒng)
推力系統(tǒng)是動(dòng)力定位系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括動(dòng)力系統(tǒng)和推進(jìn)器。推力系統(tǒng)按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令控制推進(jìn)器所發(fā)出推力的大小和方向，以抵抗外部環(huán)境的干擾力和力矩。
2.2電氣推進(jìn)系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)

2.2.1電氣推進(jìn)系統(tǒng)的組成[5]

電氣推進(jìn)系統(tǒng)屬于DP系統(tǒng)中推力系統(tǒng)的一種，比較常見的船舶電氣推進(jìn)系統(tǒng)通常都由以下幾部分組成的：原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)、配電裝置、變流裝置、電動(dòng)機(jī)、螺旋槳以及相關(guān)控制設(shè)備等。
（1）原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)

原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)還有配電裝置組成的電站能夠?yàn)殡姎馔七M(jìn)器提供需要的電能，原動(dòng)機(jī)一般采用柴油機(jī)組，也可能采用汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、核動(dòng)力和燃料電池等。依據(jù)不同的船型，電氣推進(jìn)器可以由獨(dú)立的電站供電，也可以與船上的其他負(fù)載一起由公共電站供電，也就是通常所說的綜合電氣推進(jìn)系統(tǒng)。
（2）配電裝置
配電裝置是為電氣推進(jìn)系統(tǒng)配電并為相關(guān)設(shè)備和電網(wǎng)提供保護(hù)。船舶所用的配電裝置一般由主配電板、分配電板、馬達(dá)控制中心和應(yīng)急配電板等設(shè)備組成。根據(jù)電網(wǎng)的電壓等級(jí)和電制需求，主配電板可以采用高、中壓配電，低壓配電板還有直流和交流配電等不同形式。
（3）變流裝置
變流裝置主要用來控制推進(jìn)電機(jī)的速度，是船舶電氣推進(jìn)的核心裝置之一。
（4）電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)用來驅(qū)動(dòng)螺旋槳，根據(jù)不同需求可選擇采用直流電機(jī)、交流異步電機(jī)或同步電機(jī)，推進(jìn)電機(jī)的功率從數(shù)百千瓦到數(shù)兆瓦，同步電機(jī)通常用在大功率推進(jìn)裝置上。
（5）螺旋槳

螺旋槳用于將電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化成使船舶運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，由于電氣推進(jìn)系統(tǒng)可以方便地改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，所以電氣推進(jìn)的螺旋槳通常使用固定螺旋槳。
2.2.2電氣推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)[5]
基于B&R貝加萊雙主站和雙網(wǎng)絡(luò)冗余PCC的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)

（1）可以使用新型的高效推進(jìn)器
由于電氣推進(jìn)是采用變速驅(qū)動(dòng)的方式來改變船舶航速的，所以不需要改變螺旋槳的結(jié)構(gòu)和形狀，這樣就可以使用固定螺旋槳。
（2）推進(jìn)性能得到了充分的提高

電氣推進(jìn)的轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍比較大、旋轉(zhuǎn)換向快、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，既能滿足各種船舶不同推進(jìn)工作情況的性能需求，又能夠充分的提高推進(jìn)系統(tǒng)的生命力。
（3）節(jié)省有效空間
電氣推進(jìn)的就是可以把原動(dòng)機(jī)和螺旋槳分開布置，這是與柴油機(jī)直接推進(jìn)方式的最大區(qū)別。電氣推進(jìn)的動(dòng)力裝置是柴油發(fā)電機(jī)組，它可以在整艘船舶中靈活布置。
（4）節(jié)能環(huán)保
使用電氣推進(jìn)的船舶，由于柴油發(fā)電機(jī)組總是能夠保證滿載運(yùn)行，幾乎沒有輕載的工況，效率保持在佳運(yùn)行點(diǎn)上，耗油率較低，廢物排放較少，能夠較好地保護(hù)環(huán)境。
2.3DP系統(tǒng)的工作原理
DP系統(tǒng)根據(jù)其測(cè)量系統(tǒng)測(cè)出的船舶運(yùn)動(dòng)信息和環(huán)境參數(shù)，分析比較船舶位置及艏向和期望數(shù)值，然后控制系統(tǒng)根據(jù)這種偏差計(jì)算出推力并合理分配推力。船舶在控制系統(tǒng)的調(diào)控下，通過自身的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器，形成一個(gè)可以抵擋外部時(shí)變環(huán)境載荷的主動(dòng)力，以對(duì)抗風(fēng)、浪、流等力矩的負(fù)面影響，確保船舶成為具有一定位置和方向的體系。DP系統(tǒng)的工作原理如圖4所示。船舶在大海上的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)難以用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，且風(fēng)、浪、流會(huì)隨著時(shí)間和不同的海況而產(chǎn)生較大的變化。在根據(jù)動(dòng)力定位系統(tǒng)（DPS）的工作機(jī)理來制訂控制策略時(shí)，既應(yīng)考慮到DP系統(tǒng)自身的控制精度，又必須考慮到系統(tǒng)的響應(yīng)速度和能耗。