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

1動力定位系統(tǒng)的定義和分級

DP系統(tǒng)的定義
最初，在國際海運承包商協(xié)會(InternationalMarineContractorsAssociation,IMCA)的《動力定位船舶設(shè)計和使用指南》中，動力定位系統(tǒng)包括了三個部分，即動力（power）、控制（control）和參照值（references）。動力可以再被分為發(fā)電、配電和用電（推進器系統(tǒng)）；控制指的是對功率的控制和管理，有自動和手動兩種方式，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）和國際海運承包商協(xié)會(IMCA)將動力定位（DP）定義為動力定位船舶所需要裝備的全部設(shè)備，包括動力系統(tǒng)、推進器系統(tǒng)和動力定位控制系統(tǒng)。
1.2DP系統(tǒng)的分級
DP的分級標準主要考慮設(shè)備的可靠性和冗余度，目的是對動力定位系統(tǒng)的設(shè)計標準、必須安裝的設(shè)備、操作要求和試驗程序等作出規(guī)定，保證DP安全可靠運行，并避免在DP作業(yè)時對人員、船舶和其它設(shè)備造成損傷和危害。
由于海上作業(yè)船舶對于動力定位系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，IMO以及各國的船級社都對DP系統(tǒng)提出了非常嚴格的要求，除了在各種條件下都能使用手動控制和自動控制這個基本要求之外，還制定了以下三個等級標準：

（1）設(shè)備等級一(DP1)：在單故障的情況下可能發(fā)生定位失常。
（2）設(shè)備等級二(DP2)：有源組件或發(fā)電機、推進器、配電盤遙控閥門等系統(tǒng)單故障時，不會發(fā)生定位失常，但當電纜、管道、手控閥等靜態(tài)元件發(fā)生故障時可能會發(fā)生定位失常。
（3）設(shè)備等級三(DP3)：任何單故障都不會導(dǎo)致定位失常?；谪惣尤R雙主站和雙網(wǎng)絡(luò)冗余PCC設(shè)計、研發(fā)的船舶動力定位系統(tǒng)屬于這一等級。
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的監(jiān)控，它不同于通常的SCADA系統(tǒng)，而是一個具有全局要求的高可靠性和高可用性的系統(tǒng)，而且，它還必須通過嚴格的資質(zhì)認證，包括IMO、ABS、DNV、IMCA、勞氏船級社等國際機構(gòu)的認證才可以被確認為DP1-3的等級。此外，所有DP系統(tǒng)對于操作人員的資質(zhì)、系統(tǒng)的文檔、冗余系統(tǒng)設(shè)計、測試驗證等都有著嚴格的規(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等級的系統(tǒng)，其產(chǎn)品均能提供手動、半自動和自動三種操作方式，對船舶的位置和艏向的控制可單獨進行或兩者同步進行。由于各家公司設(shè)計理念及產(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、控制和信號處理單元、測量系統(tǒng)、動力推進系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)等。
振華集團海裝研究院作為的海洋裝備與系統(tǒng)研發(fā)機構(gòu)，一直積極地推動該項技術(shù)的自主研發(fā)與應(yīng)用，以迎接國際船舶認證機構(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)上增加手動操作模式，即可滿足最高的DP3等級的需求。
2動力定位系統(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船舶動力定位系統(tǒng)組成示意圖
（1）位置測量系統(tǒng)
測量系統(tǒng)系指可獲得船舶相關(guān)運動參數(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)、提供船舶準確位置的DGPS、提供船舶姿態(tài)的垂向基準傳感器、提供風速和風向變化的風向風速儀和張緊索等。
（2）控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)主要對測量系統(tǒng)獲得的船舶運動信息及當前環(huán)境作用信息進行處理，經(jīng)計算得出推進器的控制信號以對推進器進行控制，從而使動力定位船舶在風、流、浪等外力和推進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)是動力定位系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，包括動力系統(tǒng)和推進器。推力系統(tǒng)按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令控制推進器所發(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電氣推進系統(tǒng)的組成和特點

2.2.1電氣推進系統(tǒng)的組成[5]

電氣推進系統(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系統(tǒng)通常都由以下幾部分組成的：原動機和發(fā)電機、配電裝置、變流裝置、電動機、螺旋槳以及相關(guān)控制設(shè)備等。
（1）原動機和發(fā)電機

原動機、發(fā)電機還有配電裝置組成的電站能夠為電氣推進器提供需要的電能，原動機一般采用柴油機組，也可能采用汽輪機、燃氣輪機、核動力和燃料電池等。依據(jù)不同的船型，電氣推進器可以由獨立的電站供電，也可以與船上的其他負載一起由公共電站供電，也就是通常所說的綜合電氣推進系統(tǒng)。
（2）配電裝置
配電裝置是為電氣推進系統(tǒng)配電并為相關(guān)設(shè)備和電網(wǎng)提供保護。船舶所用的配電裝置一般由主配電板、分配電板、馬達控制中心和應(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電機的速度，是船舶電氣推進的核心裝置之一。
（4）電動機

電動機用來驅(qū)動螺旋槳，根據(jù)不同需求可選擇采用直流電機、交流異步電機或同步電機，推進電機的功率從數(shù)百千瓦到數(shù)兆瓦，同步電機通常用在大功率推進裝置上。
（5）螺旋槳

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

（1）可以使用新型的高效推進器
由于電氣推進是采用變速驅(qū)動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）推進性能得到了充分的提高

電氣推進的轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍比較大、旋轉(zhuǎn)換向快、起動轉(zhuǎn)矩較大，既能滿足各種船舶不同推進工作情況的性能需求，又能夠充分的提高推進系統(tǒng)的生命力。
（3）節(jié)省有效空間
電氣推進的就是可以把原動機和螺旋槳分開布置，這是與柴油機直接推進方式的最大區(qū)別。電氣推進的動力裝置是柴油發(fā)電機組，它可以在整艘船舶中靈活布置。
（4）節(jié)能環(huán)保
使用電氣推進的船舶，由于柴油發(fā)電機組總是能夠保證滿載運行，幾乎沒有輕載的工況，效率保持在佳運行點上，耗油率較低，廢物排放較少，能夠較好地保護環(huán)境。
2.3DP系統(tǒng)的工作原理
DP系統(tǒng)根據(jù)其測量系統(tǒng)測出的船舶運動信息和環(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，通過自身的動力驅(qū)動推進器，形成一個可以抵擋外部時變環(huán)境載荷的主動力，以對抗風、浪、流等力矩的負面影響，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。船舶在大海上的動力學(xué)特點難以用精確的數(shù)學(xué)模型進行描述，且風、浪、流會隨著時間和不同的海況而產(chǎn)生較大的變化。在根據(jù)動力定位系統(tǒng)（DPS）的工作機理來制訂控制策略時，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。