動力定位系統淺析及調試工藝

徐業會 潘劭華

摘 要：動力定位系統在浮式海洋工程領域應用非常廣泛，隨著全球深水油氣資源開發的加速，該技術的發展和應用將更加成熟。本文簡述了動力定位系統及其基本組成，結合現場的調試經驗，重點介紹系統調試的流程和需測試的功能，對調試過程中常見問題和解決方法進行了分析探討。

關鍵詞：動力定位；調試流程；FMEA

中圖分類號：TE83 文獻標識碼：A

1 前言

動力定位系統于上世紀70年代后期由美國海軍研制成功，起初主要裝備在潛水艇上，并用于海底電纜鋪設等作業。從上世紀80年代初開始，隨著北海油田、墨西哥灣油田的大規模開發，動力定位系統被廣泛應用于油田守護、平臺避碰、水下工程施工、海底管線檢修、水下機器人跟蹤作業。20世紀90年代以來，海上油氣勘探開發逐步向深水（300～1 500 m）和超深水（1 500 m以上）發展，幾乎所有的深水鉆井船、油田守護船都裝備了動力定位系統。

2 動力定位系統簡介

所謂動力定位（Dynamic Positioning 簡稱DP）技術，是在有風、浪、流干擾的情況下，不借助錨泊系統，利用自身的計算機自動控制推進器系統使得船舶保持一定的位置和首向，或者按照預定的運動軌跡運動船舶或浮動平臺位置的技術。DP廣泛應用于深水海洋工程裝備，如鉆井船、鋪管鋪纜船、潛水支持船、穿梭油輪、海洋平臺供應船（PSV）和海上浮式生產儲油船（FPSO）等。

3 動力定位系統組成及基本原理

（1）控制系統：由一臺或多臺裝有控制器即控制軟件的計算機執行控制，控制整個定位過程。控制器處理傳感器信息以求得實際位置與首向，將實際位置和首向與給定值相比較，產生誤差信號，內部計算后將力和力矩指令分配給各個推進器。控制軟件的性能在很大程度上決定著整個系統的優劣，目前海洋工程應用較多的是挪威Kongsberg Maritime（KM）的DP系統，Navis Engineering Oy、Converteam、Rolls Royce及L3等公司的DP系統也有一定市場份額。

（2）位置參考系統：負責測量船舶或平臺相對于某一參考點的位置和首向。

DP系統需要精確的位置信息作為參考，通常接收全球定位系統（如GPS或GLONASS）信息，GPS的定位精度在100 m左右，用差分定位系統DGPS進行信號矯正，能獲得較高精度的位置信息，精度可以達到1～3 m。

① 激光定位（Laser）系統——是將激光反射裝置固定在石油平臺等固定的物體上，再由船舶上的激光發射器對著激光反射裝置發射出激光信號，在船舶上接收到反射回來的激光信號后，DP系統會根據測得的數據進行定位。

② 水聲定位系統——如KM的HiPAP500，在船舶的底部裝有收發器，海底安有反應器，當反應器一收到船舶發來的聲頻信號，立即啟動發射裝置，反饋一個信號到船上。收發器收到后，它們之間的距離和方位數據就可計算出來并輸入DP系統中。

③ 張緊索定位系統—一個約半噸重的重塊由一根細鋼絲吊著放到海底，船左或右舷伸出一小吊臂，細鋼絲經吊臂頭上的滑輪后纏繞在絞盤機的滾筒上。鋼絲的張力要穩定在125 kg，這樣鋼絲的排放長度就隨船的運動而變。裝在滑輪上的傳感器把垂線的垂角和長度數據輸入DP系統中，就可以計算出船舶相對于重塊的位置。

④ 微波定位——如Artemis，系統分為固定臺和移動臺兩部分。船舶上放移動臺，固定臺放在類似石油平臺的固定物體上。兩個單元都有相似的雷達天線， X波段（3 m）的微波發射使兩單元建立聯系，精確的距離和方位數據被測出并輸入DP系統中，不過周圍其他的3m雷達的發射會對它產生干擾。

（3）環境參考系統：用于測量外界環境狀態（如風速和風向）、船舶縱搖、橫搖和垂蕩運動以及首向等信息。常用的有Gill的風速風向儀、KM或者SMC提供的運動參考單元MRU，電羅經多采用Sperry的產品。

（4）動力系統：為整個動力定位系統供電并負責電站的保護和自動控制等。一般由發電機組、配電系統、機艙自動化系統等組成。發電機常用的品牌有卡特彼勒（Caterpillar）和瓦錫蘭（Wartsila）等。

（5）推力系統：提供反抗環境因素的力和力矩，以使船舶處于規定的回旋圈內。一般由主推進器和側推進器組成，有的船舶還安裝了可伸縮式方位推。一般常用的推進器品牌有勞斯萊斯（Rolls-Royce）、瓦錫蘭（Wartsila）和肖特兒（Schottel）。

4 動力定位系統調試

動力定位系統調試過程分為碼頭調試HAT和海上試航調試SAT。

4.1 碼頭調試

4.1.1 機械完工檢查

機械完工檢查的目的是確認設備安裝及接線等滿足規范要求，包括設備安裝及外觀檢查、電纜敷設和電纜接線檢查等工作，屬于靜態測試。在DP系統設備安裝過程中，需特別關注位置參考系統傳感器的安裝，如風速風向儀周圍不能有大的建筑物遮擋，運動參考單元的安裝位置應當盡量靠近船舶中心，同時應避免周圍有較大的震動設備。此外，DP系統設備易受外界信號干擾，需要特別注意設備的接地保護（保護接地PE和儀表接地IE）。

4.1.2 系統設備通電及接口測試

DP控制系統設備主要有控制器、操作臺、傳感器和位置參考系統。設備安裝和接線完成后，可逐步對設備進行通電和接口間的測試。

控制器和操作臺的軟件在出廠測試FAT時已經安裝，碼頭測試時主要檢查系統是否正常啟動、軟硬件版本是否需要升級和網絡通信等。

4.1.3 FMEA檢查

FMEA即Failure Mode and Effects Analysis的簡稱，FMEA的程序由具備資質的第三方檢驗機構（如ABSG或GL等）編制，并現場進行檢驗，最后頒發相應的DP證書。

做FMEA是一個交互的過程，達成協議后，服務商先和船東確定FMEA的標準。確定標準后，FMEA服務商會給出一個需要由設計院、船廠和主要設備商提供的文件清單，收到后就可以著手分析，并和各方就具體技術問題展開溝通和澄清。FMEA服務商在完成書面分析后，會把撰寫的包含有試驗程序的報告提交船級社等待批復。

在船舶試航前，FMEA服務商需要在碼頭做管系和電纜敷設的檢查，DP3系統的船舶還得進行防水和防火分隔檢查。

4.2 海上試航調試

4.2.1 調試前準備

DP系統的海上調試，是指在電站管理系統和推進器系統測試完成后的完整性功能測試。該項工作開始前，需要對推進器的輸出功率進行標定，確認功率和轉速數據滿足設計要求。其次是要測試突加或突卸情況下的推進器響應時間，即推進器控制命令從0至100%和100%至0的推進器響應，通常考慮在30 s內的響應曲線。

4.2.2 船舶模型修正及參數設定

此項工作是系統調試的關鍵，必須考慮不同工況條件下的模型修正。

（1）分別調整橫蕩、縱蕩和首搖三個方向的參數，每種運動模式下，調整0～30s內系統模型曲線與實際曲線的吻合度，直至二者基本一致；

（2）在定位模式下，選用兩個中的任一個或同時選用兩個GPS這三種工況下，改變平臺首向，系統自動控制平臺運動并進行模型調整，即所謂的Tuning。此過程主要測試GPS信號的準確度并進行模型修正。在模型中需要輸入GPS天線的安裝坐標，即X、Y、Z的絕對坐標值，這是在天線安裝結束后測量得到的；

（3）單個工況條件下的模型修正需要反復進行，直至達到模型與實際環境狀況下的完全吻合。

4.2.3 功能測試

我司建造的PSV項目使用的是DP2系統，功能測試分為主DP、備用DP和獨立操作桿系統Joystick三個部分，必須對每個系統的功能進行測試。

（1）自動控制測試

動力定位系統的自動控制模式是根據人工輸入的船位和首向自動定位并加以保持，可采用下列方式進行試驗：

①在確保各系統均工作正常的前提下，在DP系統中輸入給定的船位及首向；

②啟動自動控制模式，保持6～8 h，期間每隔一段時間記錄船舶位置及首向或由系統自動記錄；

③考察船舶位置及首向的誤差，應在設計要求范圍之內。且在整個系統進行操作時，至少有連續2 h的氣候條件達到一定水平，即使推進器的平均載荷達到50%或更高。當環境條件無法達到上述要求時，可推遲到在適當場合下作為一個特殊的試驗來進行；

④取消位置參考系統后，系統根據操作前的環境數據，自動保持約5 min的定位功能。在位置丟失后的報警測試：第一為運動過程中的推進器冗余測試；第二為旋轉中心測試。

（2）位置參考系統測試

該功能主要考察位置參考系統的精確度，在僅使用一個位置參考系統下的運動平臺，如選用GPS1而取消GPS2，測試GPS1的精確度。同樣的方法測試其他位置參考系統。

（3）自動駕駛測試

自動駕駛模式通常僅放置在推進器控制臺，用于測試系統的自動航行功能。自動駕駛命令發出后，推進器控制系統會自動判斷電網功率，在功率不滿足的情況下通過電站管理系統自動啟動備機和并網。因此，該功能測試同時也是對電站管理系統的一次全面檢驗。

（4）自動軌跡低速運動測試

DP系統不僅可實現自動定位，而且可使平臺或船舶按照預先設定的軌跡運動。在DP操作臺設定一條路徑，啟動命令后，系統將自動控制平臺按照預定軌跡移動并保持位置在偏差范圍內。

（5）系統測試

系統測試用于冗余控制器間的切換、操作臺的切換、DP姿態預測和DP能力分析等功能的調試，是對軟件的自動切換能力和自動分析能力的考察。

4.3 故障模式及影響分析FMEA測試

功能試驗結束后，進行故障模式及影響分析FMEA測試，即測試故障產生時系統的響應能力，分為DP模式和非DP模式。本文主要討論針對DP系統的FMEA測試。

DP系統的故障模擬主要檢驗單個控制器、單個傳感器（如風速風向儀、MRU和電羅經）、單個位置參考系統（如GPS）在斷電或通訊等故障情況下的自動切換功能，主DP失效時切換到備用DP的功能，以及DP系統的定位能力分析功能。以上測試都必須保證任何單一故障（如果是DP3系統，則包括某一分區失火或浸水等）都不會導致平臺或船舶失去位置，自動定位功能不受影響。

4.4 調試中常見問題及解決

動力定位系統作為復雜的控制系統，不僅技術難度較大，且與推進器和電站關系密切，因而還需要進行協調管理和配合。調試過程兼具技術和協調管理兩方面的內容。

4.4.1 技術方面

DP系統設備安裝問題最容易在調試中遇到，如：風速風向儀安裝位置不合理，周圍有結構物遮擋，因此最好將其安裝在船舶或平臺最高處；MRU的安裝位置應當避開周圍振動物體，為減小振動可以增加減震墊。另外，關于DGPS的信號受附近大功率設備信號的干擾等問題大多是安裝位置不理想造成的。

另一個問題則是設備間的通訊故障，通常可通過檢查線路連接、接口協議、數據率設置和軟硬件版本等進行解決。

4.4.2 管理方面

動力定位控制系統的最終目的是控制各個推進器的方向和作用力，以抵抗外界環境力的影響，實現動態定位。海上調試期間，面臨著復雜的外界環境，又必須保證電力系統（發電機、配電板和電站管理系統等）、推進器系統（螺旋槳、冷卻系統和控制系統等）及其他輔助系統（如CCTV、應急切斷等）等正常工作，針對不同工況要求，須頻繁對船舶進行壓載或卸壓操作。這些設備的運行和操作的實施，很容易因管理不到位而出現問題。所以，調試期間不僅需要各個專業團隊密切配合、協同工作，而且對于系統操作的安全必須給予足夠的認識。調試工作尤其是海上調試工作，對于各級組織的管理、規范的制定及各項應急措施的準備尤為重要。

5 結束語

動力定位系統自研發成功至今，已經過半個多世紀的發展和應用。隨著計算機技術、網絡通信技術和控制理論的不斷進步，系統將日趨成熟并不斷完善。而全球深水油氣資源開發的飛速發展，使得動力定位系統的應用更加普遍。本文在闡述系統的產生、基本組成和應用的基礎上，結合作者的調試經驗，對DP系統調試的流程進行梳理和總結，并提出了調試過程中的注意事項，以期形成較為完整的調試程序結構，對今后我司類似船舶系統的調試提供借鑒。

參考文獻

[1] Dynamic positioning[EB/OL] 2012.

[2] David Bray FNI.Dynamic positioning[M].2003.