深海采礦船的協同控制策略

◎ 唐慧妍 吳春秋 王海燕

1.中國船舶集團有限公司第七一一研究所；2.船舶與海洋工程特種裝備和動力系統國家工程研究中心；3.海軍裝備部駐上海地區第一軍事代表室；4.上海海事大學商船學院

海洋中蘊藏著豐富的礦產資源，尤其鎳、鈷等金屬是很多高新技術產業的核心元素[1]。大多數海洋礦產位于深海，深海采礦船是深海礦產開發的基本裝備。采礦設備眾多，需要連續、可靠工作，對深海采礦船的動力、電力系統的可靠性和安全性提出了較高要求[2]。深海采礦船上裝有大量大功率負載，包括水下采礦系統、揚礦系統和水面支持系統等多個組成部分，需要對不同系統進行統一管理和調配船舶動力和電力系統，高效的實現各系統、設備的協同控制在深海采礦船舶中日益重要。通過協同控制策略不僅可以促進各系統的協同工作，而且能夠達到優化管理和合理分配全船能量，有效提升船舶能效的目標。

1.系統主要組成

國際主流的深海采礦裝備體系一般由水面支持系統（海面支持平臺和礦物處理系統）、采礦機系統及揚礦系統構成，如圖1所示[3]。

圖1 一般深海采礦系統流程

1.1 水面支持子系統

水面支持子系統是水下采礦、礦漿提升和輸送系統的支持平臺，也是采礦設備的控制中心，對礦漿進行初步處理和短暫存儲，適時轉運至礦漿運輸船，同時也是采礦工作人員的起居處所。水面支持系統一般可以分為船舶式和平臺式兩類。平臺式水面支持系統沒有自航能力，平臺的移位需要由專門拖船拖帶。船舶式水面支持系統功能齊備，具備自航能力和較大的自持力，可以裝備較高精度的動力定位系統[4]。此外，礦物處理設備和裝卸設備也是水面支持系統的主要用能設備，需要與揚礦系統緊密配合。

1.2 礦機子系統

礦機系統主要由深海采礦機和與之配套的監控系統、配電系統構成，包含深海挖掘系統、水下機器人、采礦車、輔助切割機械等。采礦機主要包括自行式履帶作業車、集礦機構、破碎機構、液壓系統、監控系統、動力裝置、軟管連接裝置等[5]。目前采用的深海固體礦產資源的采集方法包括機械式、水力式及機械-水力復合式等[4]。此方法主要參考陸地巖石機械切削式破碎剝離法，適度結合柔性和并列多滾筒等微地形適應技術，因此其回采率和貧化率尚未取得較大進展。無法采用哪種方法，因其在深水作業，都需要足夠的能源供應和良好的控制技術。

1.3 揚礦子系統

揚礦子系統將采集到的礦石提升到海面的采礦船上。揚礦管既是提升礦石的管道，同時又連接海底集礦機，作為水下設備、動力電纜和測控通訊電纜的結構支承設備。有實用價值的揚礦系統包括水力提升和氣力提升系統（見圖2）。其中，水力提升的效率較高，更具實用性。

圖2 管道提升系統示意

揚礦子系統由輸送軟管、軟管輸送泵、中間倉、揚礦硬管、多級潛水電泵、洋面輸送管道及揚礦子系統的測控與動力設備等組成。這些既是用能大戶，也需要與采礦系統、水面支持系統協同工作。

2.深海采礦船的運行工況

深海采礦船作為海上生產、支持和存儲性船舶，需要在采礦作業水域長時間作業，具備采礦、航行、生活保障等多種功能[6]。采礦船設備眾多、系統復雜，需面對多種工作環境和狀態。因此，采礦船的運行工況復雜，不同運行工況下需要各系統協同工作。在采礦作業方面，采礦船需要保持動力定位，控制、管理進行水下采礦作業，將海底礦物輸送至母船；需要處理、存儲采集到的礦物并將其轉運至礦物運輸船；需要對水下和甲板作業設備進行監控、維護等。在航行方面，采礦船具備自主航行能力，在遭遇惡劣海況時能夠緊急撤離。在生活保障方面，采礦船能夠為船員和采礦作業人員提供具有良好的舒適性的工作、起居場所。

根據深海采礦船的作業流程，采礦船的運行工況劃分如表1所示。除自航工況外，深海采礦船的其他工況均依靠長時間動力定位。采礦作業與船舶自身運轉及定位必須協調工作，既要保證動力定位操作的安全性，又要盡可能保證采礦作業的連續性，提高采礦效率。因此，在不同工況、不同作業狀態下，各系統、設備間需要良好的協同控制，才能保證整個采礦船系統穩定、可靠地長期運行。

表1 深海采礦船典型工況及作業流程表

3.深海采礦船的協同控制

深海采礦船的主要動力系統可以概括為推進系統、采礦系統和輔助系統。在不同的作業工況下，各種系統處于不同的工作狀態。為保證整個系統協調運行，深海采礦船需要一套綜合監控系統，協同控制各子系統的運行，應涵蓋常規船用監測報警系統、綜合自動化控制系統的要求。當前，綜合控制系統中的推進、采礦和輔助系統在運行過程中仍相對獨立。

推進、采礦和輔助系統對電能的需求和使用相互影響、相互關聯，需要協同工作，以保證船舶安全性和正常作業。采礦作業系統本身設備眾多、結構復雜，各作業流程需要相互配合，各系統、設備間協同控制非常重要。深海采礦船整體協同控制主要體現在采礦作業系統本身各子系統或系統設備間的協同以及電能管理方面采礦系統與推進系統之間的協同。為了保證采礦作業的協調性，集成系統控制應能夠對每個獨立系統進行實時監控，實現對各獨立系統的協同控制，保存采集的數據以便進行輔助決策。

3.1 深海采礦船各系統間的協同

深海采礦系統的控制包括下放、水下行走采礦作業、回收3個環節。控制系統應完成的功能包括信號采集、集礦機控制（下放回收控制和行走控制）、通訊（控制器間通訊和與上位機通訊）。在采礦機的工作任務中，既有周期性的（如行走作業、信號采樣、通信等）任務，也有非周期性的（如報警測試、避障、姿態調整等）任務。采礦機采集到的礦漿先經軟管送至中間礦倉，然后經給料機的多級提升管道運至海面采礦船，沉降出的海水經初步脫泥后排入海中。

揚礦系統須在惡劣海況條件下實現全部操作，系統設備功率大、檢測難、數據交換量大，其設計應當遵循模塊化、網絡化原則，應盡可能在水面直接修改和調試水下各站的程序。多級式揚礦控制系統的最主要要求是給料機給料均勻，保證揚礦的生產能力和揚礦濃度的穩定。

在海面風浪的影響下，采礦船會產生升沉位移，需要配置升沉補償系統與揚礦系統配合。采礦船與液壓缸運動方向相反，因此揚礦管的穩定可通過液壓缸的位移進行補償。液壓缸的補償位移可用一個專門的裝置測得，利用此裝置結合船上安裝的電磁波位移傳感器，就可以得到采礦船升沉位移。將此位移作為輸入，將液壓缸的補償位移量作為被控量，兩者形成反饋控制。

雖然采礦、揚礦和水面支持系統間的協同控制能夠保證采礦作業的順利完成，但在作業效率和能效提升方面還需要進一步研究協同控制的策略，達到提高效率和節約能源的目的。

3.2 能量利用及管理協同

船舶系統與采礦作業系統間的協同控制主要體現在能量管理策略方面，在船舶電站系統的設計和管理、控制方面進行充分的協同，在能量管理系統中實現協同控制策略。采礦系統設備眾多，負載功率大，同時采礦作業是主要運行工況，因此，設計時的一個主要內容是應對采礦船在各種運行工況下的采礦設備電力負荷進行計算和分析[7]。

深海采礦船綜合控制系統設計應制定合理的能量管理策略并適時優化。能量管理策略的制定應充分分析推進系統和采礦作業系統的作業工況及能量消耗，確定系統的設備配置，準確計算不同運行工況下的能量負荷需求，然后確定各工況下發電機的運行模式，最后綜合優化可靠性、經濟性與安全性要求，得到采礦船整體能量管理策略。為了滿足采礦船運行過程中的負荷需求、穩定性與安全性，能量管理系統需要具有機組調度與控制、頻率控制與負載分配、電壓控制與負載分配、推進系統的功率限制、快速減載以及重載詢問等功能[8]。

3.2.1 電能管理控制策略

電能管理系統首先應確保在實際運行工況下發電機都能夠提供充足電力，然后在此基礎上提升能量利用效率，降低能耗。能量管理系統以船舶電力系統能量優化分配為目的，與船舶電力系統的配置、發電機與負載的功率和整個采礦船的運行模式以及電力設備控制方式密切相關。

深海采礦船最大的特點是需要長時間在深海區域進行采礦作業。深海采礦船上的采礦作業設備負荷大、數量多，并且采礦作業是船舶的主要任務。因此，在電能管理系統中應考慮采礦作業的連續性，同時也應考慮對采礦設備進行功率限制，提高船舶電站的安全性和能效水平。

深海采礦船電能管理系統（PMS）的控制對象主要包括柴油發電機組、配電板、采礦設備、DP設備等。根據用電設備對功率的實際需求，系統應對各臺柴油發電機組進行合理功率分配和啟停管理，協調各發電機組的工作，同時對配電系統和電網進行監控，從而為各船舶設備及采礦設備提供可靠、穩定的電能。采礦作業設備的功率信息由PMS進行處理，保證采礦作業的連續性及船舶電站的安全性。

深海采礦船一般配備DP-2系統，在動力定位運行工況下不允許全船失電。PMS會暫時限制推進器的輸出功率，達到防止發電機組過載的目的。深海采礦船運行中存在靠綁接駁轉運工況，需保證船舶的動力定位能力，防止出現事故，因此，還應考慮對采礦設備進行功率限制和自動分級卸載。

按照采礦船的負載分配情況及作業模式，可以采用采礦作業設備功率限制加雙級卸載的方案，還可以根據電站負荷情況分優先等級逐步分級卸載。在配電板負荷達到90%時，PMS開始限制采礦設備的功率輸出，采礦設備的工作速率下降，但采礦作業的持續性和動力定位的安全性可以得到保證。當功率被限制后，若配電板負荷繼續上升到某一水平（如達到95%時），須卸載部分采礦設備，但在已經建立的開采面上進行作業的采礦設備能夠繼續工作。因此，應按照采礦設備的優先等級依次卸載。在一些極端工況下，動力定位需要輸出大功率以保證船舶安全性時，可以暫停采礦作業。此時，電站負荷可能達到100%，PMS將全部暫停采礦設備的運行，即發生二次卸載。

在其他模式下，深海采礦船電能管理系統與一般工程船舶電能管理系統控制策略相似，不再贅述。

3.2.2 深海采礦能效提升

節能減排是船舶行業發展的長期趨勢。深海采礦船運行的經濟性是一項重要性能指標。深海采礦船綜合技術水平較高，耗能設備種類較多，運行工況復雜，節能減排需要從多個環節考慮。

深海采礦船作為船舶的小眾群體，既具有一般工程船舶的共性，又具有自身的工作特性。電能的合理高效利用對節能減排有非常重要的意義。電力推進系統節能減排需要注意船舶工況較為復雜、各工況下功率負荷差異較大。深海采礦船在采礦作業期間的高峰負載與其它運行模式下的負載相差極大，其專用采礦設備基本都是重載設備；采礦作業期間負載的變化也會對發電機組造成頻繁的擾動。上述因素決定了電能管理系統中采用優化的協同控制策略可以有效提升船舶電力系統效率和質量，提高船舶的整體節能減排效果。

能效管理與優化功能可以通過采集、整合船舶能效數據，對船載設備和采礦設備運行狀況、能耗數據實時監測，對能耗較大系統（如動力定位、采礦作業系統）的運行提出優化策略，并直接控制機組的運行，從而提高發動機組的燃油利用率、降低船舶的整體能耗，提高深海采礦船運行的經濟性。此外，還可利用船岸通信技術，將船端數據發送到岸基設備，利用岸基的大數據分析能力，通過對歷史數據的對比分析，結合當前船舶實時數據，對船舶管理工作提出相應的改進方案，提高船舶運營效率，實現更高級別的能效管理。

4.結束語

深海采礦船作業海域遠離大陸，運行工況復雜，設備眾多，能耗較大。船舶各系統之間需要相互協調、緊密配合才能更好的完成作業任務。從公開文獻來看，對深海采礦船的協同控制研究仍處于發展階段，從控制角度來看，主要是將各系統集成在一個集中控制平臺上；從能量管理角度來看，主要基于傳統能量管理策略。因此，非常有必要對深海采礦船的協同控制進行深入研究，在采礦作業系統內部以及采礦作業系統與船舶系統之間展開深度的協同控制策略研究，提高設備的使用效率，提升能量的利用效率，也可提高船舶的安全性。