深海石油平台动力定位系统的研究
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科 学 论 坛
Ｃ ｉ ａ ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｅ ｉ ｗ ｈｎ ｃ ｅｃ ｎ ｅｈ ｏｏｙＲｖ ｅ NhomakorabeaⅧ
Ｉ
深海石油平台动力定位系统的研究
曾干川
（ 吉宝远东海洋工程 （ 深圳 ） 公司 ） ［ 要ｌ 摘 随着人类对海洋开发 的深入和地域的扩展，传统船舶与海洋工程定位系统显然已经不能满足深海钻井平 台正常作业的需求 ，而新型 的船舶动力定位系统具有不受海水深度和海况的影响、定位准确快速 、操作方便等特点 ，成 为近年来开发深海石油 的关键技术之一。 【 关键词】 船舶 动力定位 配电推进 中图分类号：Ｔ ９ １ Ｅ ５ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ — １Ｘ（ ０ ２ ２ ００ — １ ０ ９ ９ ４ ２ １ ）０— ２ １０
船舶复杂作业 或航行过程中 ，往往需要沿着一条预定轨迹前进 。 典型的应用是海洋考察 的区域 目标搜索 。航迹控制需要人或上层控制 机给定轨迹指 令及速度指令 ，由动力定位 系统来控制船舶沿预定的轨 迹前进 ，直到终点 ， 在此过程 中船的艏向允许控制系统根据航行过程 中的海洋环境的变化 自 行调整。 （ ３）循线控制 循线控制的功能与航迹控制 的功能很相像 ，其主要差别在于动力 定位 系统控制船舶沿预定的路线前进时 ，必须保持船舶的艏向与预定 轨迹 的航迹方向一致 ， 允许 自 不 行调整船舶的艏ｒ 。典型的应用足石 ｎ Ｊ 油管线 的铺设和检修． － － 。
（ 踪 控 制 ４）跟 跟踪控制主要用于 自动 目标跟踪 ，始终让被 控船与 目标保持固定 的空 间位置关系。一般用 于Ｒ Ｖ（ ｅ ｏ ｐｒｔ ｅｓ ｓ 作母船 ， Ｏ Ｒ ｍ ｔＯ ｅ ｅ Ｖ ｓ ｌ ） ｅ ａｄ ｅ 它能时刻跟踪作业潜水器的运动 。 １ ． ２新型半潜式钻井平 台动力定位系统 （ Ｐ ３） Ｄ一 国际海事组织根据动力定位系统 的功能 和冗余度 ，将 其划 分为 １ 级、２ 、３ 三个级别 ， 级 级 其中３ 动力定位系统的级别最高 ， 级 性能最先 进。目 ， 国船级社、 前 中 美国船级社规定 的３ 个级别的动力定位 系统附 加标志分别 为Ｄ 一 、Ｄ 一 、Ｄ 一 和ＤＰ 一 、Ｄ Ｓ ２ Ｐ 一 。 Ｐ １ Ｐ ２ Ｐ３ Ｓ １ Ｐ ＇ 、Ｄ Ｓ ３ Ｄ 一 的广义定义是 出现任一故 障后 ， Ｐ３ 可在规定的条件下 ， 再规定 的作业范围内 自 动保持船舶位 置和首 向。它将船的位置信息 、运动信 息及环境信息输入控制系统 ，通过微机完成控制计算 ， 指挥推进装置 发出所需的推力 和力矩 ，以 抗风和海流产生的干扰力 ，动态控制船 抵 位处于与水下工作机械相 调的位置 ，保证深水作业顺利完成 。 本动力定位系统主要包括推力配电 推进系统、控制系统和测量系统。 １ ）配电推进 系统 推力系统的功 能是接受控制系统发 出的指令 ，产生足够推力和力 矩实现动力定位。推力系统的主要组成部分 主要有以下几部 分：柴油 发 电机 ，变压器 ， 变频器 ，配电板 ， 推进器 ，推进器控制箱等 。为 了 接受控制 系统发 出的指令并反馈信息到控制 系统 ，推力系统 均需 配置 接 口设备 。 ２）控制系统 控制系统的主要组成部分主要有以下几部分： 动力定位控制 台； 微机 ； 控制软件 ；便携式遥控操纵器；打印机 ； 不问断电源 （ Ｐ ） Ｕ Ｓ 。控制系统 分控制和监测二部分， 核心部分是动力定位控制台， 具有强大的控制功能 和友好的工作界面 ，并监测船舶的运动信息和环境力信息以及执行机构 （ 推进装置 ） 的反馈信号，监测系统另设有故障声光报警。 ３）测量系统
时针方向的艏向角为正。 １ ． 舶 模 型 ４船 船舶在海上 作业 ，由于风 、波浪和海流的作 用，会产生六 自由度 运动 。对于水丽动力定位船舶 ，波浪和海流的作用下 ，动力定位系统 是用来控制船舶 的纵荡 （ Ｘ向 ） 、横荡 （ Ｙ向 ）和艏摇的平面运动 。 动力定位船 舶数学模 型由两部分组成 高频运动（ ＿ ～ ． ａ／ ） 。 ０ １ ｒｄ ， ３ ６ ｓ 由～级波浪引起 ，这部分运动不反馈回控制系统 ，控制器也不控制这 部分运动 ，因为这部分运动造成船舶的振荡 ，不会造成船舶的位移 ； 第二部分是船舶 的低频运 动 （ 于０ ｒ ／ ） 由风、海流和二阶波 小 ． ａ ｓ ，是 ５ｄ 浪引起的运动 ，动力定位 系统仅控制这部分运动 ，这样可 以减少推力 器的磨损、减少 控制所需 的能量 、降低 设备的制造成本 。 １ 环境因素对ＤＰ ． ５ 产生的影响分析 海上作业时环境干扰 因素是风 、波浪和海流。如果传感器系统能 够测量某些环境因素 ， 控制 系统就可以在船舶受 到扰动之前作用一 个 反力 ，有利于提高定位精 度。
（ 航 迹 控制 ２）
采用两利 不同的坐标 系，一种足空间固定直角坐标 系符号 ，右手 ， 法则 ，坐标原点任取一点来计算船舶的运动 ；另一种是平行坐标系符 号， 右手法则 ， 坐标原点与直角坐标 系原点相同 两种坐标系的垂向 。 轴均定义为沿垂线方向向下， 向海底 。 指 静水面是ｘ Ｙ — 平面， 船舶的顺
１船舶动力定位系统的功能和模型
１ 动力 定位系统 的主要功能 ． １ 动力 定位 系统是一种闭环的控制系统 ，其功能是 不借助锚泊系统 的作用 ，而能不断检测 出船舶的实际位置 与目标位置的偏差 ， 雨根据 风、浪、水 流等外界扰动力的影响计算 出使船舶恢复到 目 标位置所需 推力的大小 ， 对船舶上各推力器进行推力分配 ，使各推力器产生相 并 应的推力 ， 而使船尽可能地保持在海平 面上要求的位置 。其主要功 从 能包括以下 几部 分。 （１ ）定点控制 船舶控 制的指令为大地坐标系上的某一点 。水面船舶的定点控位 包括纵荡、横荡 、摇艏三个 自由度的定位控制 ，通过控制器 的解算 ， 发 出控制指令使船 舶在各 自由度上保持在设定点附近。
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Ｉ
深海石油平台动力定位系统的研究
曾干川
（ 吉宝远东海洋工程 （ 深圳 ） 公司 ） ［ 要ｌ 摘 随着人类对海洋开发 的深入和地域的扩展，传统船舶与海洋工程定位系统显然已经不能满足深海钻井平 台正常作业的需求 ，而新型 的船舶动力定位系统具有不受海水深度和海况的影响、定位准确快速 、操作方便等特点 ，成 为近年来开发深海石油 的关键技术之一。 【 关键词】 船舶 动力定位 配电推进 中图分类号：Ｔ ９ １ Ｅ ５ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ — １Ｘ（ ０ ２ ２ ００ — １ ０ ９ ９ ４ ２ １ ）０— ２ １０
船舶复杂作业 或航行过程中 ，往往需要沿着一条预定轨迹前进 。 典型的应用是海洋考察 的区域 目标搜索 。航迹控制需要人或上层控制 机给定轨迹指 令及速度指令 ，由动力定位 系统来控制船舶沿预定的轨 迹前进 ，直到终点 ， 在此过程 中船的艏向允许控制系统根据航行过程 中的海洋环境的变化 自 行调整。 （ ３）循线控制 循线控制的功能与航迹控制 的功能很相像 ，其主要差别在于动力 定位 系统控制船舶沿预定的路线前进时 ，必须保持船舶的艏向与预定 轨迹 的航迹方向一致 ， 允许 自 不 行调整船舶的艏ｒ 。典型的应用足石 ｎ Ｊ 油管线 的铺设和检修． － － 。
（ 踪 控 制 ４）跟 跟踪控制主要用于 自动 目标跟踪 ，始终让被 控船与 目标保持固定 的空 间位置关系。一般用 于Ｒ Ｖ（ ｅ ｏ ｐｒｔ ｅｓ ｓ 作母船 ， Ｏ Ｒ ｍ ｔＯ ｅ ｅ Ｖ ｓ ｌ ） ｅ ａｄ ｅ 它能时刻跟踪作业潜水器的运动 。 １ ． ２新型半潜式钻井平 台动力定位系统 （ Ｐ ３） Ｄ一 国际海事组织根据动力定位系统 的功能 和冗余度 ，将 其划 分为 １ 级、２ 、３ 三个级别 ， 级 级 其中３ 动力定位系统的级别最高 ， 级 性能最先 进。目 ， 国船级社、 前 中 美国船级社规定 的３ 个级别的动力定位 系统附 加标志分别 为Ｄ 一 、Ｄ 一 、Ｄ 一 和ＤＰ 一 、Ｄ Ｓ ２ Ｐ 一 。 Ｐ １ Ｐ ２ Ｐ３ Ｓ １ Ｐ ＇ 、Ｄ Ｓ ３ Ｄ 一 的广义定义是 出现任一故 障后 ， Ｐ３ 可在规定的条件下 ， 再规定 的作业范围内 自 动保持船舶位 置和首 向。它将船的位置信息 、运动信 息及环境信息输入控制系统 ，通过微机完成控制计算 ， 指挥推进装置 发出所需的推力 和力矩 ，以 抗风和海流产生的干扰力 ，动态控制船 抵 位处于与水下工作机械相 调的位置 ，保证深水作业顺利完成 。 本动力定位系统主要包括推力配电 推进系统、控制系统和测量系统。 １ ）配电推进 系统 推力系统的功 能是接受控制系统发 出的指令 ，产生足够推力和力 矩实现动力定位。推力系统的主要组成部分 主要有以下几部 分：柴油 发 电机 ，变压器 ， 变频器 ，配电板 ， 推进器 ，推进器控制箱等 。为 了 接受控制 系统发 出的指令并反馈信息到控制 系统 ，推力系统 均需 配置 接 口设备 。 ２）控制系统 控制系统的主要组成部分主要有以下几部分： 动力定位控制 台； 微机 ； 控制软件 ；便携式遥控操纵器；打印机 ； 不问断电源 （ Ｐ ） Ｕ Ｓ 。控制系统 分控制和监测二部分， 核心部分是动力定位控制台， 具有强大的控制功能 和友好的工作界面 ，并监测船舶的运动信息和环境力信息以及执行机构 （ 推进装置 ） 的反馈信号，监测系统另设有故障声光报警。 ３）测量系统
时针方向的艏向角为正。 １ ． 舶 模 型 ４船 船舶在海上 作业 ，由于风 、波浪和海流的作 用，会产生六 自由度 运动 。对于水丽动力定位船舶 ，波浪和海流的作用下 ，动力定位系统 是用来控制船舶 的纵荡 （ Ｘ向 ） 、横荡 （ Ｙ向 ）和艏摇的平面运动 。 动力定位船 舶数学模 型由两部分组成 高频运动（ ＿ ～ ． ａ／ ） 。 ０ １ ｒｄ ， ３ ６ ｓ 由～级波浪引起 ，这部分运动不反馈回控制系统 ，控制器也不控制这 部分运动 ，因为这部分运动造成船舶的振荡 ，不会造成船舶的位移 ； 第二部分是船舶 的低频运 动 （ 于０ ｒ ／ ） 由风、海流和二阶波 小 ． ａ ｓ ，是 ５ｄ 浪引起的运动 ，动力定位 系统仅控制这部分运动 ，这样可 以减少推力 器的磨损、减少 控制所需 的能量 、降低 设备的制造成本 。 １ 环境因素对ＤＰ ． ５ 产生的影响分析 海上作业时环境干扰 因素是风 、波浪和海流。如果传感器系统能 够测量某些环境因素 ， 控制 系统就可以在船舶受 到扰动之前作用一 个 反力 ，有利于提高定位精 度。
（ 航 迹 控制 ２）
采用两利 不同的坐标 系，一种足空间固定直角坐标 系符号 ，右手 ， 法则 ，坐标原点任取一点来计算船舶的运动 ；另一种是平行坐标系符 号， 右手法则 ， 坐标原点与直角坐标 系原点相同 两种坐标系的垂向 。 轴均定义为沿垂线方向向下， 向海底 。 指 静水面是ｘ Ｙ — 平面， 船舶的顺
１船舶动力定位系统的功能和模型
１ 动力 定位系统 的主要功能 ． １ 动力 定位 系统是一种闭环的控制系统 ，其功能是 不借助锚泊系统 的作用 ，而能不断检测 出船舶的实际位置 与目标位置的偏差 ， 雨根据 风、浪、水 流等外界扰动力的影响计算 出使船舶恢复到 目 标位置所需 推力的大小 ， 对船舶上各推力器进行推力分配 ，使各推力器产生相 并 应的推力 ， 而使船尽可能地保持在海平 面上要求的位置 。其主要功 从 能包括以下 几部 分。 （１ ）定点控制 船舶控 制的指令为大地坐标系上的某一点 。水面船舶的定点控位 包括纵荡、横荡 、摇艏三个 自由度的定位控制 ，通过控制器 的解算 ， 发 出控制指令使船 舶在各 自由度上保持在设定点附近。
