國產首套DP3動力定位系統系泊試驗內容及方法

王 偉， 任勁松， 王愛武， 郭金釗， 張建國， 林永章

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

國產首套DP3動力定位系統系泊試驗內容及方法

王 偉， 任勁松， 王愛武， 郭金釗， 張建國， 林永章

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

介紹了國產首套DP3動力定位系統基本構成、試驗船型選擇基本方案及系泊試驗的方法，詳細描述動力定位系統系泊試驗階段關鍵工作的試驗方法，有效減少由于技術準備不充分造成海上試驗時間和試驗安全的風險，保證動力定位系統海試工作順利進行，對國產動力定位系統系泊試驗工作具有現實的指導意義。

動力定位系統 系泊試驗 試驗方法 國產化

1 引言

21 世紀人類將全面步入海洋經濟時代, 占地球總面積2/3 以上的浩瀚大海里, 有極其豐富的海水化學資源、海底礦產資源、海洋動力資源和海洋生物資源，這些資源促使人們對海洋的開發和探索的范圍越來越廣，其中動力定位技術作為深海作業裝備必備的高新技術，越來越受到業內重視，可以說，作業船舶或平臺要想在深海穩定、可靠工作，必須安裝動力定位系統，隨著國家海洋開發戰略的逐步推進，越來越多的船舶或平臺將被配備動力定位系統，以滿足作業需求。

2 國產DP3動力定位系統發展介紹

2.1 系統組成及基本原理

動力定位系統一般包括：動力系統、推進器系統、控制系統及測量系統四個部分，可使船舶不借助于錨泊系統的作用，而利用自身裝備的各類傳感器測出船舶的運動狀態與位置變化，以及外界風力、波浪、海流等擾動力的大小與方向，利用計算機進行復雜的實時計算后，使控制船舶主副推力裝置產生適當的推力與力矩，以抵消擾動力，從而使船舶盡可能保持目標船位與艏向。

2.2 國內動力定位系統發展概述

我國對船舶動力定位系統的研發尚處于起步階段，雖然近幾年加快了研發步伐，但總體水平與國外相比差距明顯。主要表現在，動力定位核心控制器及卡件、控制系統軟件方面存在不足；吊艙式推進系統、大功率全回轉推進系統以及控制系統配套外圍傳感器等設備的設計和生產方面能力有所欠缺。

近年來，上海交通大學、振華港機、哈爾濱工程大學等院?；蚱髽I都在進行動力定位技術攻關，而哈爾濱工程大學在動力定位方面的研究走在了國內的前列。早在1998年研發出國產第一套DP1系統，并已成功應用到海軍船舶上；十二五期間，由哈爾濱工程大學、海洋石油工程股份有限公司、中國船舶工業集團公司708研究所及武漢船用機械有限責任公司共同研制DP3系統，在歷時4年技術研發后，獲得了巨大的技術突破，研制出了DP3級系統工程樣機，已于2013年8月初完成海上實船試驗，功能上能夠與KONGSBERG系統媲美，可實現定點定位、定點旋轉、循跡、目標跟蹤、自動艏向、定橫、定縱及綠色DP等多項功能，在能力上完全滿足實際工程需要，技術上達到國際先進水平， 順利通過國家工信部驗收。

2.3 國產DP3動力定位系統的組成

圖1為國產DP3動力定位系統組成。

圖1 國產DP3動力定位系統組成

3 系泊試驗準備

3.1 FAT試驗

工程樣機在上船安裝前，要做充分的出廠測試，檢測系統各項功能是否滿足研制書要求，軟件工作是否穩定，提前發現軟件Bug或硬件故障可減少后續進入現場故障率，為設備安裝創造良好條件。

3.2 設備就位檢查

各系統設備在安裝過程中即要執行檢驗程序，嚴格按照設計圖紙的要求進行定位，做好設備完好性、電纜接線、校線及絕緣等檢驗工作，嚴格遵照船用設備安裝規范，報請第三方檢驗，針對此階段工作，我們做了詳細的檢驗管理程序，包括設備檢查及線路檢查兩個方面，嚴格落實程序的檢驗要求，控制施工質量，良好的機械完工狀態無疑給后續試驗帶來極大方便，節省項目工期。

3.3 機具文件準備

為做好碼頭測試工作，需有必要的文件支持，諸如DP3控制系統樣機布置圖、電氣接線圖；國產DP3控制系統工程樣機操作說明書； 傳感器及位置參考系統技術資料；目標船舶動力系統及推進器系統技術資料等，這些文件是碼頭測試效果的保證，常用的測試工具有過程式檢測表、網絡測試儀、絕緣表及示波器等測試設備。

3.4 碼頭工作準備

碼頭準備涉及到傳感器和控制柜的安裝，其中最重要的工作是確定原船DP2動力定位控制系統與推進器和發電機的信號類型和端口，并制定HDP與推進器和發電機的接線方式。

(1) 確定原DP2與推進器和發電機的信號類型。原船DP控制箱與推進器之間的信號通過有兩個接線箱連接，為確認原船DP系統與推進器、發電機的接口信號正確，需要核對每個接口對應的DP2控制器其每個通道信號是否一致；需要校對接線箱到DP控制箱模塊的線，確認其每個通道的信號類型；拆接線箱每個通道的信號線；模擬輸入模擬信號，判斷輸入電流信號或電壓信號是否得到正確的結果；最后在Kongsberg DP操作臺上查看每個通道信號類型、信號數值或顯示數值，確保信號類型正確。

(2) 拆除原系統線纜。為確保拆線工作不影響原系統恢復以后的工作，對原船DP的兩個接線箱JB1和JB2需嚴格校對，制定周密的拆線方案，確保信號線引入新系統準確無誤，保證后續試驗順利進行。

4 系泊試驗內容及方法

4.1 控制系統各設備功能及接口測試

(1) 動力定位操作臺測試。主要檢查操作臺計算機各部件連接狀態，操作臺間冗余性，人機界面顯示狀態，面板按鈕、指示燈和蜂鳴器等工作狀態，確保鼠標、手柄、航向設定旋鈕能夠按照要求執行動作；CAN 及以太網絡通訊及系統報警功能。

(2) 操縱桿操作終端(JOT)測試。檢查液晶顯示器工作狀態，顯示頁面完備；面板按鈕、指示燈和蜂鳴器正常工作，手柄、航向設定旋鈕等能夠按照設定要求進行參數調整，確保CAN及以太網絡通訊正常，確保報警系統工作良好。

(3) DP3/DP1/IJS系統控制柜試驗。測試DP3/DP1控制器工作狀態及冗余性，冗余仲裁模塊工作正常，控制器切換動作正常，輸入輸出通道工作良好，測試“串口-以太網服務器”工作狀態，信息接收無誤。

(4) 現場工作站(FS)試驗。測試兩個現場工作站的接口工作狀態，確保推進器、發電機控制和反饋命令接口計算機工作正常，全部輸入輸出通道(串口、I/O、A/D、D/A)工作良好，系統切換開關及信號切換板工作狀態穩定可靠。

(5) 系統隔離箱及控制權切換箱試驗。測試串口隔離分配器工作狀態，原船系統及國產系統切換開關工作正常，切換功能良好，能夠實現在線切換，工作穩定可靠，測試切換開關指示燈。

(6) UPS試驗內容。UPS系統主要測試設備維護開關，輸入輸出電壓，電池工作狀態，逆變輸出，絕緣監測正常及通訊等方面，確保UPS系統能夠穩定持續供電，在船上失效的狀態下，至少保持系統工作30 min以上，滿足船用UPS系統規范要求。

4.2 傳感器功能和接口測試

(1) 風傳感器試驗。主要測試數據輸出格式、輸出單位、更新率設置，確保風向數據輸出正常(與其他風傳感器比較)，風速數據輸出正常(與其他風傳感器比較)，DP系統無數據接收報警等內容，確保風速傳感器單個失效的狀態下，不影響系統工作。

(2) 運動傳感器(MRU)試驗。運動參考單元主要測試數據輸出格式、更新率、濾波參數設置，安裝幾何位置(從運動傳感器到船重心位置必須經過嚴格修正)，能夠真實反映船舶縱搖、橫搖誤差，保證系統修正數據正確，確?？v搖/橫搖數據及正負方向輸出正確(可參考其他運動傳感器輸出)，測試系統無數據接收報警功能。

(3) 羅經(GYRO)試驗。羅經主要測試數據輸出格式(DP、DGPS、HiPAP系統)、更新率、系統型式設置是否正確，羅經速度輸入、位置輸入(自動GGA)、時間輸入(自動ZDA)設置參數正確，羅經相對船艏安裝誤差要嚴格修正，確保羅經工作參數指示正確，判斷羅經通電后，陀螺球電流瞬間不得超過550 mA，穩定工作后降至300 mA 以下，艏向數據輸出檢查(可參考其他羅經輸出)。

(4) DGPS測試。DGPS是動力定位系統關鍵的位置信息提供設備，碼頭試驗主要校核其安裝位置與船體幾何中心之間的換算關系，須嚴格按照設計要求進行計算，并確保準確無誤；核對位置信號是否存在并正常，判斷位置信號格式、數據更新率、定位算法是否正確，差分天線是否工作正常，確保GPS設備工作穩定可靠，當數據人為中斷時，可正常發出報警提示，系統可自動剔除該GPS數據。

(5) HIPAP水聲定位系統測試。水聲定位系統是動力定位系統中有一個位置參考設備，其工作原理是通過放入海底的應答器與安裝在船底的信號接收器(換能器)實時通訊，判斷船體相對移動位置，這是一種測量相對位置的設備，是不同工作原理的位置傳感器，符合規范要求；該設備測試時，主要關注HIPAP安裝與船體幾何中心位置的坐標關系，測試系統的信號格式、更新率是否正確，檢查傳入HIPAP中的羅經信號和GPS信號是否正確，當數據中斷時，是否正常發出報警。

4.3 動力系統接口測試

國產動力定位系統測試的目標船舶是海洋石油299船，該船配備4臺柴油發電機及2臺軸帶發電機，為4個側推及2個主推供電。為確保航行試驗的順利進行，在碼頭期間完成動力系統的接口測試意義非常重大，確保國產動力定位系統供電正常，避免意外產生。故動力接口測試需完成國產系統信號采集型式與原船發電機給出的信號匹配性測試(±10 VDC 或4～20 mA)，確保發電機圖上位置、系統上位置與實際船安裝位置一致，判斷系統接收的負載信息及狀態信息是否正確，滿足系統要求。

4.4 推進器系統接口測試

海洋石油299船配備了6臺推進器和2臺舵機，4臺側推為槽道式推進器，安裝在船底前側，按照左1、左2、右1、右2的空間布置，2臺主推為全回轉推進器，安裝在船底艉側，兩個舵機可使船舶轉彎更為高效迅速，完成推進器的接口測試是確保試驗成功的關鍵。在碼頭期間，需要完成推進器與國產動力定位系統的信號(±10 VDC 或4～20 mA)匹配型式，測試不同工作模式下(DP3、備用DP、Joystick)，各推進器反饋的就緒信號是否正確，檢測推進器及舵機的螺距/轉速指令、舵角指令與反饋信號信息是否一致，此項工作是推進器測試的關鍵。數據測量不準將直接導致推進器推力分配的不均衡，勢必給試驗帶來不可預知的障礙，要反復校準機械螺距角在零位時的信息反饋，找出推進器的零位及線性關系，測試零位時推進器是否有工作盲區，如果有盲區要在系統中對信號進行有效處理，測試推進器動作響應時間，掌握推進器及舵機的工作特性，確保試驗真實反映推進器的工作狀況。

4.5 船舶操船控制權切換測試

為確保試驗安全進行，需實現目標船國產定位系統和原船系統的無縫切換，確保推進器、發電機的控制線正確引入到國產系統切換箱中，保證船舶在國產系統出故障的狀態下，能夠順利切換至原船系統，確保船舶不失控制，此項工作是國產系統試驗的重中之重，若出現差錯，船舶失位風險顯著增加，甚至無法完成試驗。首先利用299船駕駛臺上的“手動/DP”切換開關進行駕駛臺與K-POS之間的控制權切換；并利用“DP控制權切換盒”上切換開關進行K-POS系統和國產系統之間的控制權切換；判斷 “DP控制權切換盒”上切換板狀態指示燈指示正確，報警功能正確。

5 小結

系泊試驗能夠全面檢查國產DP3動力定位控制系統設備安裝的完整性、正確性，驗證各設備通電啟動是否正常、接口是否正確，最終為系統航行試驗提供保證。國產DP3動力定位系統作為國家工信部立項的高新船舶核心技術，得到了國家的大力支持，為降低海上航行試驗的風險，系泊試驗期間要做好充足的準備工作。系泊試驗準備是否完善將直接影響航行試驗效果及技術指標，航行試驗前要摸清控制系統與動力及推進器系統接口參數，執行時需做好方案分析和應急預案，講究組織、資源、計劃的協調，確保控制系統與動力、傳感器系統以及推進器系統之間各項參數及基本功能正常。隨著我國海洋資源開發步伐的加快，動力定位船舶將會越來越多，而國產DP3動力定位系統的研制成功，必將引發國內船舶高新技術革命，相信在不遠的將來，國產DP3動力定位系統必將在DP工程船舶上得到廣泛應用。

[1] 周利, 王磊, 陳恒. 動力定位控制系統研究[J]. 船海工程,2008, 37，(2):86-91.

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[5] 邊信黔, 付明玉, 王元慧. 船舶動力定位[M].北京：科學出版社，2011.

Mooring Test Methods for the Domestic First Set of DP3

WANG Wei， REN Jin-song， WANG Ai-wu， GUO Jin-zhao， ZHANG Jian-guo， LIN Yong-zhang

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

This paper introduces the domestic first set of DP3 dynamic positioning system basic composition, testing ship type selection and test plan of the mooring testing. Mooring test phase are described in detail in dynamic positioning system test method of key work, it can be effectively reduced the sea trial time and test security risks caused by inadequate technical preparation, it is useful to guarantee a successful sea trials, and it maybe great realistic significance for dynamic positioning system on domestic dynamic positioning system testing work.

DP3 Mooring test Methods Domestic

國家科技重大專項：“深水鋪管起重船及配套工程技術”課題經費資助，編號：2011ZX05027-002。

王 偉(1980-)，男，工程師。

U664

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