关注我们:新浪微博腾讯微博QQ空间
首页 > 技术 > 世界方案

基于贝加莱双主站和双网络冗余PCC的船舶动力定位系统

文:贝加莱工业自动化(中国)有限公司 周晓霞 | 2018年第六期 (0) | (0)

摘要:随着我国海洋事业和深海技术的快速发展,深海钻井平台、海底管线和电缆铺设、起重船、海上打捞救生等海上作业对其定位精度、稳定性和可靠性的要求越来越高,船舶动力定位系统(以下简称DP系统)在海洋工程中也获得了越来越广泛的应用。动力定位系统通过它的控制系统驱动船舶的推进器来抵消风、浪和海流等作用于船上的环境外力,从而使船舶保持在确定的位置上或沿着预设的航迹航行。本文介绍了动力定位系统的定义和分级,简述了动力定位系统的组成、工作原理和关键控制技术并分析了电力推进系统的技术特点。在上述基础上研发了拥有完全自主知识产权的基于贝加莱双主站和双网络冗余X20PLC(PCC,可编程计算机控制器)的船舶动力定位系统,着重描述了该DP系统的构成与硬件配置、主要人机操作界面和优势。

引言

    船舶动力定位系统(DynamicPositioningSystem,DPS)是一种船用闭环控制系统,它通过其控制系统驱动船舶的推进器来抵消风、浪、潮流等作用于船体的环境外力,从而使船舶保持在所要求的海平面某位置上。DP通过测量系统不断检测船舶的实际位置与目标位置的偏差,再根据环境外力的影响计算出使船舶恢复到目标位置所需推力的大小,进而对全船的各推进器进行推力分配,使各推进器产生相应的推力以克服风、浪、流等环境外力的影响,使船舶保持在某一确定位置或沿着预设航迹航行[1]。DP广泛用于海上作业船舶和海上平台的定点系泊,具有定位精度高、灵活性好、机动性强、适用于多种海况作业等诸多优点,受到广泛关注[2]。

船舶动力定位系统;电力推进;贝加莱冗余系统方案;系统构成;系统优势

图1船舶动力定位所需考虑的外部环境因素

船舶动力定位系统;电力推进;贝加莱冗余系统方案;系统构成;系统优势

图2船舶动力定位所需考虑的内部操控因素

1动力定位系统的定义和分级

DP系统的定义

    最初,在国际海运承包商协会(InternationalMarineContractorsAssociation,IMCA)的《动力定位船舶设计和使用指南》中,动力定位系统包括了三个部分,即动力(power)、控制(control)和参照值(references)。动力可以再被分为发电、配电和用电(推进器系统);控制指的是对功率的控制和管理,有自动和手动两种方式,还含位置控制系统;参照就是指关于位置、环境以及船舶方位的传感器。

    后来,国际海事组织(InternationalMaritimeOrganization,IMO)和国际海运承包商协会(IMCA)将动力定位(DP)定义为动力定位船舶所需要装备的全部设备,包括动力系统、推进器系统和动力定位控制系统。

1.2DP系统的分级

    DP的分级标准主要考虑设备的可靠性和冗余度,目的是对动力定位系统的设计标准、必须安装的设备、操作要求和试验程序等作出规定,保证DP安全可靠运行,并避免在DP作业时对人员、船舶和其它设备造成损伤和危害。

    由于海上作业船舶对于动力定位系统的可靠性要求越来越高,IMO以及各国的船级社都对DP系统提出了非常严格的要求,除了在各种条件下都能使用手动控制和自动控制这个基本要求之外,还制定了以下三个等级标准:

(1)设备等级一(DP1):在单故障的情况下可能发生定位失常。

(2)设备等级二(DP2):有源组件或发电机、推进器、配电盘遥控阀门等系统单故障时,不会发生定位失常,但当电缆、管道、手控阀等静态元件发生故障时可能会发生定位失常。

(3)设备等级三(DP3):任何单故障都不会导致定位失常。基于贝加莱双主站和双网络冗余PCC设计、研发的船舶动力定位系统属于这一等级。

1.3DP系统属于高门槛应用

    DP系统并非简单的海装平台的监控,它不同于通常的SCADA系统,而是一个具有全局要求的高可靠性和高可用性的系统,而且,它还必须通过严格的资质认证,包括IMO、ABS、DNV、IMCA、劳氏船级社等国际权威机构的认证才可以被确认为DP1-3的等级。此外,所有DP系统对于操作人员的资质、系统的文档、冗余系统设计、测试验证等都有着严格的规定。

    目前,国外各主要DP厂家的产品均符合IMO及主要船级社的要求,但目前全球市场上仅有不到十家企业能够提供DP3等级的系统,其产品均能提供手动、半自动和自动三种操作方式,对船舶的位置和艏向的控制可单独进行或两者同步进行。由于各家公司设计理念及产品用途的不同,产品的配置也不完全一样,但大体上均包括操控台、控制和信号处理单元、测量系统、动力推进系统和网络等。

    振华集团海装研究院作为国内最大的海洋装备与系统研发机构,一直积极地推动该项技术的自主研发与应用,以迎接国际船舶认证机构的最严格挑战,获得全球产业竞争力。

    基于与贝加莱在数字化码头的AGV、岸桥防摇系统项目中的成功合作,贝加莱系统的优良性能得到了振华海装 研究院的信任,这也是开发DP系统时直接选用了贝加莱系统的原因。贝加莱提供的冗余控制系统(双CPU、双网络)已能直接满足DP2的要求,如在既有系统的基础上增加手动操作模式,即可满足最高的DP3等级的需求。

2动力定位系统的组成及工作原理

2.1DP系统的组成

    船舶DP系统主要由位置测量系统、控制系统和推力系统三部分组成,如图3所示。

船舶动力定位系统;电力推进;贝加莱冗余系统方案;系统构成;系统优势

图3船舶动力定位系统组成示意图

(1)位置测量系统

    测量系统系指可获得船舶相关运动参数和环境参数的传感器系统,主要包括:声学定位系统、提供船舶艏向的电罗经、提供船舶准确位置的DGPS、提供船舶姿态的垂向基准传感器、提供风速和风向变化的风向风速仪和张紧索等。

(2)控制系统

    控制系统主要对测量系统获得的船舶运动信息及当前环境作用信息进行处理,经计算得出推进器的控制信号以对推进器进行控制,从而使动力定位船舶在风、流、浪等外力和推进器的推力综合作用下保持所期望的位置及艏向不变或向着预设位置航行。

(3)推力系统

    推力系统是动力定位系统的执行机构,包括动力系统和推进器。推力系统按照控制系统发出的指令控制推进器所发出推力的大小和方向,以抵抗外部环境的干扰力和力矩。

2.2电气推进系统的组成和特点

2.2.1电气推进系统的组成[5]

    电气推进系统属于DP系统中推力系统的一种,比较常见的船舶电气推进系统通常都由以下几部分组成的:原动机和发电机、配电装置、变流装置、电动机、螺旋桨以及相关控制设备等。

(1)原动机和发电机

    原动机、发电机还有配电装置组成的电站能够为电气推进器提供需要的电能,原动机一般采用柴油机组,也可能采用汽轮机、燃气轮机、核动力和燃料电池等。依据不同的船型,电气推进器可以由独立的电站供电,也可以与船上的其他负载一起由公共电站供电,也就是通常所说的综合电气推进系统。

(2)配电装置

    配电装置是为电气推进系统配电并为相关设备和电网提供保护。船舶所用的配电装置一般由主配电板、分配电板、马达控制中心和应急配电板等设备组成。根据电网的电压等级和电制需求,主配电板可以采用高、中压配电,低压配电板还有直流和交流配电等不同形式。

(3)变流装置

    变流装置主要用来控制推进电机的速度,是船舶电气推进的核心装置之一。

(4)电动机

    电动机用来驱动螺旋桨,根据不同需求可选择采用直流电机、交流异步电机或同步电机,推进电机的功率从数百千瓦到数兆瓦,同步电机通常用在大功率推进装置上。

(5)螺旋桨

    螺旋桨用于将电机的驱动转矩转化成使船舶运动的动力,由于电气推进系统可以方便地改变电机的转速和转向,所以电气推进的螺旋桨通常使用固定螺旋桨。

2.2.2电气推进系统的特点[5]

(1)可以使用新型的高效推进器

    由于电气推进是采用变速驱动的方式来改变船舶航速的,所以不需要改变螺旋桨的结构和形状,这样就可以使用固定螺旋桨。

(2)推进性能得到了充分的提高

    电气推进的转速调整范围比较大、旋转换向快、起动转矩较大,既能满足各种船舶不同推进工作情况的性能需求,又能够充分的提高推进系统的生命力。

(3)节省有效空间

    电气推进的最大好处就是可以把原动机和螺旋桨分开布置,这是与柴油机直接推进方式的最大区别。电气推进的动力装置是柴油发电机组,它可以在整艘船舶中灵活布置。

(4)节能环保

    使用电气推进的船舶,由于柴油发电机组总是能够保证满载运行,几乎没有轻载的工况,效率保持在佳运行点上,耗油率较低,废物排放较少,能够较好地保护环境。

2.3DP系统的工作原理

    DP系统根据其测量系统测出的船舶运动信息和环境参数,分析比较船舶位置及艏向和期望数值,然后控制系统根据这种偏差计算出推力并合理分配推力。船舶在控制系统的调控下,通过自身的动力驱动推进器,形成一个可以抵挡外部时变环境载荷的主动力,以对抗风、浪、流等力矩的负面影响,确保船舶成为具有一定位置和方向的体系。DP系统的工作原理如图4所示。船舶在大海上的动力学特点难以用精确的数学模型进行描述,且风、浪、流会随着时间和不同的海况而产生较大的变化。在根据动力定位系统(DPS)的工作机理来制订控制策略时,既应考虑到DP系统自身的控制精度,又必须考虑到系统的响应速度和能耗。

船舶动力定位系统;电力推进;贝加莱冗余系统方案;系统构成;系统优势

图4DP系统的简化工作原理框图

2.4DP系统的关键控制技术

    控制系统是整个DP系统的核心部分,其定位精度和速度直接影响DP系统的性能,可以说控制系统的性能决定了DP系统的技术水平。目前DP系统中采用的主要控制技术有PID控制、LQG控制和以模糊控制和神经元技术为代表的智能控制技术。

(1)PID控制

    以经典PID控制技术为基础,控制船舶的横荡、纵荡与艏摇。通过位置、艏向之间的偏差计算出推力的值,确定推力分配逻辑并形成推力,以定位船舶。PID技术早已成熟且应用广泛、成本低、易于操作,因此早期的船舶动力定位系统多采用这种技术。但随着动力定位船舶对控制精度和速度要求的进一步提高,目前该技术已不能满足要求,在新研发的系统中已逐渐被淘汰。

(2)LQG控制

    LQG控制技术即线性二次高斯型控制技术,主要由Kalman滤波与最优化控制组合而成,其在第二代DP系统中被广泛应用。该技术解决了定位控制中因滤波而形成的滞后问题,其在安全、节能与鲁棒性能方面与PID控制技术相比有明显改善。LQG控制技术的控制精度和响应速度基本能满足系统需求,是现阶段中普遍采用的控制技术之一。

(3)智能控制

    对于某些复杂系统,难以建立有效的数学模型和采用常规的控制理论去进行定量计算和分析,而必须采用定量与定性相结合的推理判断方式,其目的是使控制装置采用类似于人类的智慧和经验来引导求解过程。

    这里智能控制以模糊控制技术为代表。模糊控制技术的量值区域条件判断和推理形式模仿了人的智能,是处理非线性、数学表达式存在不确定性问题的有效手段之一。考虑到船舶动力定位工艺本身的特征,采用模糊控制技术比较适宜。智能控制技术具有抗干扰能力较强、响应速度快等优点,据有关资料披露,目前DP3等级的DP系统中已有采用模糊控制算法和DRNN神经网络等智能控制技术的。

3基于贝加莱PLC(PCC)的船舶动力定位系统技术方案

    随着我国海洋事业的飞速发展,各类船舶对动力定位可靠性的要求越来越高,国家对于拥有完全自主知识产权的“定船神针”——最高级别的船舶动力定位系统DP3的需求也日益迫切,振华重工海工集团与贝加莱合作研发的DP系统就是在这一背景下推出的。

3.1系统研发原则

(1)能适应恶劣的海洋环境

    海工项目上使用的产品必须能经受盐雾、潮湿、风浪等的侵蚀和影响。贝加莱控制系统的全系列产品均通过了要求苛刻的GL-DNV船级社认证,并且专门为长期海上应用提供了防腐蚀涂层处理。

(2)具有高可靠性

    基于贝加莱X20PLC(PCC)的DP系统提供冗余控制方案,采用双CPU和双通讯网络,硬件系统配置完善,按照对可靠性要求最高的DP3等级来开展设计。

(3)系统保密性高

    全球拥有DP3等级系统设计和开发能力的公司不超过10家,在国内有能力开发这一系统的公司更是寥寥无几。因此,对于用户来说,选择何种控制系统,其保密性能如何,是否能有效地保护其核心Know-how,将成为其选择的关键因素。

(4)强大的软件功能

    DP系统的动力定位算法的复杂程度较高,还可能涉及到智能控制算法,对系统的软件平台有较高要求。

(5)良好的开放性

    DP系统作为工程类船舶、海洋平台、石油钻井平台等的重要控制系统,需要与包括推进器在内的其它子系统实现数据通讯,可能涉及大量数据交互。因此,对其开放性也提出了较高要求。   

3.2系统构成和硬件配置

    贝加莱DP系统方案的构成如图5所示。图5中示出了构成DP系统的各主要控制部件和数据流向。

船舶动力定位系统;电力推进;贝加莱冗余系统方案;系统构成;系统优势

图5贝加莱DP系统方案构成示意图

    图6示出了基于贝加莱X20PLC(PCC)的DP系统的硬件配置,是按照DP3等级的要求来设计的,从图中可看出其主控制器和通讯网络都采用了可靠性较高的全冗余架构。

船舶动力定位系统;电力推进;贝加莱冗余系统方案;系统构成;系统优势

图6基于贝加莱X20PLC(PCC)的DP3系统的硬件配置

3.3系统的人机操作界面

    振华重工海工集团基于贝加莱X20PLC(PCC)的DP系统,配置了丰富的用于人机交互的可视化图形界面,具有强大而便捷的人机交互和操作功能,有利于对船舶动力定位作业的实施。图7主界面图。

船舶动力定位系统;电力推进;贝加莱冗余系统方案;系统构成;系统优势

图7主界面

3.4系统优势

(1)系统的高可用性带来的高可靠性

    对于船舶DP系统而言,从高可用性的角度来看系统必须支持冗余的能力,因为在海上的大风大浪中,突然发生的系统故障(掉电、通讯中断等潜在风险是存在的)必须由可靠的系统自动切换来保持持续的控制,瞬间的变化对海上的平台都意味着巨大的风险。

    贝加莱的X20控制器,支持多种冗余方式,包括POWERLINK高速实时以太网可以实现故障下的自动高速切换,除了双网冗余系统的设计,也能支持多主站冗余方式。

    可以说,贝加莱的X20系统是一款能满足船级社要求的,具有高可用性与高可靠性、开放互联、复杂算法设计与程序安全能力的完美的控制系统,这也是为什么振华重工决定选择这一系统的原因。正如研发经理XXX所言:“这的确是一个好的选择,当然,来自贝加莱的经验丰富的工程师的支持也是我们系统成功开发的重要因素”。

(2)良好的开放互联能力

    DP动力定位系统作为工程类船舶、海洋平台、石油平台等的重要控制系统,需要与包括推进器在内的大量子站实现通讯及大量数据交互。贝加莱平台的开放性优势非常显著:

    船舶集控中心与各个子站间的通信,采用OPCUA/数据库的方式来实现,贝加莱的X20系列PLC支持OPCUASerever提供的对各个Client(客户端)的直接访问。

    船用的子系统通常具有其行业特征,因此,一般采用专用芯片开发,通过各种现场总线可实现与包括推进器在内的各子系统的通讯。而这里则借助了高速实时以太网POWERLINK的开源特性,由振华自主研发了POWERLINK从站,这些从站与主站之间可以通过POWERLINK实现高带宽数据传输,包括现场推进器的各种运行状态信息和参数,对于高达100Mbps的网络而言,可轻松地实现高动态的数据传输与响应,并且实现与DP系统的无缝连接。

    由于X20CPU同时支持多种现场总线,因此,可以通过总线控制器来连接第三方设备。

    贝加莱为系统提供了包括实时通讯、第三方现场总线、OPCUA的多层次数据支持能力,这也是贝加莱系统具有强大开放能力的象征。

(3)强大的算法设计能力

    贝加莱的AutomationStudio软件开发平台支持高级语言(C/C++)编程,有利于客户的软件团队实施复杂算法的开发。

    考虑到DP系统对于复杂算法设计的需求,所选择的控制器必须具备高级语言开发能力。贝加莱的X20系列PLC(PCC)基于RTOS实时操作系统,具有编译能力,支持C/C++高级语言的开发,这些在降低了算法设计难度的同时,也提高了软件的模块化封装能力。

(4)较高的程序安全性

    在软件设计中另外一个必须考虑的因素是算法加密,这对于投入巨大研发资源的振华重工尤为重要。选用X20控制器可便于强化算法保密措施,由于采用了二进制代码编译的方式以及采用了额外的硬件TG这两种保护模式,运行于X20系统的程序就如同加了两把大锁一样安全可靠。

贝加莱在这方面为用户提供了以下两道防线,确保用户核心Know-how的安全:

(i)二进制代码,无法下载;

(ii)TechnologyGuarding(技术保护)。

(5)强大的仿真建模能力

    贝加莱提供了MATLAB/Simulink软件,也即提供了一个用于动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中,无需大量编写程序,而只需通过简单直观的可视化操作,即可构造出复杂的系统。

    由于传统系统往往不具备仿真建模的能力,需要先通过PC建模,然后再移植到PLC平台中,或者直接采用PC进行控制。贝加莱的X20系列PLC和AutomationStudio软件开发平台,其仿真建模能力为系统开发提供了最大的方便。另一方面,无论是采用复杂的模糊控制还是卡尔曼滤波等算法来进行设计,贝加莱的AutomationStudio与MATLAB/Simulink的有机结合都会使算法能轻易地被集成到PLC(PCC)中。

    仿真建模是针对整个系统的运行过程进行的,根据外界环境的变化,每个推进系统应该如何应对,这些都是确保系统平稳运行的关键因素。

4结束语

    近些年来,随着我国船舶与海洋工程的快速发展,作为船舶和海洋平台运行重要基础技术的动力定位系统受到了较多关注和国家的重视。目前我国已加强了对船舶DP系统的探讨和研究,研究课题主要集中在船舶的运动模型、控制模型和控制算法等方面。

    DP系统的设计涉及到功率系统、安全系统、参数系统的建模,它的设计与功能安全系统设计类似,从头至尾贯通了全生命周期的管理思想,包括系统的风险评估、建模开发、工程变更、系统运营、维护等整个过程,必须制订完整的评估、测试与验证规程,才能保障系统的安全运行。

发表评论

网友评论仅供其表达个人看法,并不表明控制与传动周刊同意其观点或证实其描述

杂志订阅

填写邮件地址,订阅精彩资讯:

杂志目录

更多往期杂志

关注我们:

新浪微博腾讯微博QQ空间

友情链接:

纸质杂志

给我们写信