DP2自航式船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)邏輯分析

王 剛，張興權(quán)

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226116）

0 引言

隨著動態(tài)定位技術(shù)愈發(fā)成熟，動力定位（Dynamic Positioning，DP）系統(tǒng)在船舶和海洋平臺應(yīng)用更加廣泛，平臺支持船、風(fēng)電安裝船和鋪管船對于推進(jìn)組合功能的要求也越來越多。因此，出現(xiàn)很多帶有DP功能的自航式電力推進(jìn)船舶。推進(jìn)系統(tǒng)包括推進(jìn)器、推進(jìn)馬達(dá)、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)控制系統(tǒng)以及讓推進(jìn)系統(tǒng)順暢運(yùn)行的輔助系統(tǒng)（見圖1）。本文以某具有自航功能的DP2風(fēng)電安裝船為實(shí)例，對DP2自航式船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行分析。

圖1 常見推進(jìn)系統(tǒng)的配置

1 推進(jìn)系統(tǒng)的控制和配置

根據(jù)《國際海上人命安全公約》（International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS）要求[1]，所有對船舶推進(jìn)、控制和安全所必需的控制系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立設(shè)計，無法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立設(shè)計時應(yīng)保證系統(tǒng)失效時不會影響其他系統(tǒng)的運(yùn)行。即在遙控系統(tǒng)的任一部分發(fā)生故障時，推進(jìn)機(jī)械仍能就地進(jìn)行控制。因此，控制箱配置需要包括本地控制和遙控兩部分。

本地控制包括舵機(jī)控制和馬達(dá)控制。舵機(jī)控制需要實(shí)現(xiàn)應(yīng)急的操舵功能。若變頻器設(shè)備放置在本地，可通過控制變頻器實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的啟停和調(diào)速。若變頻器不在本地，則需要通過推進(jìn)器控制箱或遙控箱來控制推進(jìn)馬達(dá)。操舵控制裝置和馬達(dá)控制裝置需要就近布置，可根據(jù)空間和設(shè)備的搭配選擇不同本地配置方案。

遙控部分主要通過操作站手柄實(shí)現(xiàn)功能，包括單個推進(jìn)器的操縱手柄、聯(lián)合操作手柄、命令轉(zhuǎn)換裝置、應(yīng)急停止按鈕、模式選擇裝置和顯示儀表等。根據(jù)SOLAS要求，推進(jìn)機(jī)械在同一時間內(nèi)僅能由一處進(jìn)行遙控，各處所間允許設(shè)置互相連接的控制位置。各處所應(yīng)設(shè)置指示器用于指示正在控制推進(jìn)裝置的控制地點(diǎn)。駕駛室和機(jī)器處所之間的控制轉(zhuǎn)換只能在主要機(jī)器處所或主機(jī)控制室進(jìn)行。

推進(jìn)控制涉及的部件和方式較多，控制方式和模式也較多。控制邏輯原理是先本地后遙控，所有遙控的接口均通過本地控制箱直接連接，可選擇網(wǎng)絡(luò)和硬線兩種連接方式，備用部分最好采用硬線連接。當(dāng)設(shè)備處于非隨動模式，且變頻器和舵機(jī)都處于停止工況時，不能通過遙控啟動推進(jìn)系統(tǒng)。推進(jìn)系統(tǒng)各部件之間的聯(lián)絡(luò)關(guān)系見圖 2，推進(jìn)系統(tǒng)啟動命令和停止命令的傳送過程分別見圖3和圖4。

圖2 推進(jìn)系統(tǒng)各部件之間的聯(lián)絡(luò)框圖

圖3 推進(jìn)系統(tǒng)啟動命令傳送過程

圖4 推進(jìn)系統(tǒng)停止命令傳送過程

2 推進(jìn)系統(tǒng)外部接口

本文僅闡述動力定位和自航的控制要求，不討論監(jiān)測部分。這是由于不同船級社的入級符號要求不同，推進(jìn)部分監(jiān)測點(diǎn)的布置可參照相關(guān)船級社的要求。

船舶操作系統(tǒng)分為以下4部分：1）手動遙控操作部分（操作手柄）；2）動力定位系統(tǒng)；3）自動舵系統(tǒng)；4）電子海圖系統(tǒng)。手動遙控操作部分僅涉及人為操作，無其他輔助操作，僅需連接推進(jìn)器和推進(jìn)馬達(dá)接口即可。動力定位和自動舵是帶有控制參照和反饋的智能形態(tài)，是現(xiàn)代船舶的體現(xiàn)。下文重點(diǎn)介紹這兩部分內(nèi)容。

2.1 動力定位系統(tǒng)

動力定位系統(tǒng)指的是通過推進(jìn)器推力能維持海上物體位置和朝向在可接受限制范圍內(nèi)運(yùn)動的系統(tǒng)。動態(tài)定位的設(shè)備包括所有能提供給動態(tài)定位系統(tǒng)的定位控制的元器件及系統(tǒng)。根據(jù)規(guī)范要求，DP2船舶推進(jìn)系統(tǒng)需要進(jìn)行冗余設(shè)計，當(dāng)有源組件（發(fā)電機(jī)和配電板）、推進(jìn)器、控制裝置等任何系統(tǒng)產(chǎn)生單一故障時，不會發(fā)生失位。冗余設(shè)計不需要考慮電纜、管道、手控閥等靜態(tài)部件，也不考慮火災(zāi)或者水淹等極端情況[2-5]。

船舶在水面上的受力情況見圖 5，動力定位操作系統(tǒng)的是利用推進(jìn)器的推力去對抗風(fēng)速、洋流及船舶縱橫傾的閉環(huán)操作系統(tǒng)。動力定位系統(tǒng)包括計算機(jī)系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、位置參考系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)（見圖6）；根據(jù)冗余要求，需提供備用的操作操控裝置。

圖5 船舶在水面上的受力情況

圖6 傳感器類型

動力定位系統(tǒng)通過控制箱接入推進(jìn)器系統(tǒng)，船舶處于動力定位操作模式時，動力操作系統(tǒng)根據(jù)傳感器給出的信息和船舶的受力面積得到船舶受力方向，定位控制箱的分析給出推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的要求，推進(jìn)系統(tǒng)反饋實(shí)際執(zhí)行情況。動力定位系統(tǒng)的備用控制箱需要通硬線或雙環(huán)網(wǎng)與本地控制相連。

2.2 自動舵

自航的船舶在長距離航行時通常需要使用自動舵系統(tǒng)以便減少船舶操作人員的工作量。自動舵可分為航向控制系統(tǒng)和航跡控制系統(tǒng)。航向控制系統(tǒng)是在船舶可操縱性的相關(guān)限制內(nèi)結(jié)合其航向信息源，在最低船舶操舵裝置使用條件下使船舶保持預(yù)定的航向。航跡控制系統(tǒng)要確保在船舶操縱性受到一定限制的條件下，使船舶自動地保持在預(yù)先計劃的對地航線上。不管何種模式下，自動舵一般只是控制推進(jìn)器的轉(zhuǎn)向功能。自動舵配置情況見圖 7，自動舵命令傳輸情況見圖8。

圖7 自動舵配置情況

圖8 自動舵命令傳輸情況

一般情況下，自動舵只是控制主推進(jìn)的方向，給出?35°～35°的命令，通過推進(jìn)器的反饋核實(shí)轉(zhuǎn)向信息。通過操作手輪或電子海圖給出轉(zhuǎn)向命令，在完成推進(jìn)動作后將相關(guān)信息信息反饋?zhàn)詣佣妫M(jìn)而完成控制。

3 結(jié)論

本文以某具有自航功能的 DP2風(fēng)電安裝船為實(shí)例，對DP2自航式船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行介紹，分析推進(jìn)遙控與推進(jìn)器各部件之間的連接關(guān)系，以及推進(jìn)遙控與外部的動力定位系統(tǒng)和自動舵系統(tǒng)之間的接口和控制邏輯，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)控制要求。希望本文可為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計提供一定參考。