基于贝加莱双主站和双网络冗余PCC的船舶动力定位系统.docx

基于贝加莱双主站和双网络冗余PCC的船舶动力定位系统基于贝加莱双主站和双网络冗余PCC的船舶动力定位系统(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局部，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治理，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、操纵要求和试验程序等作出规定，保证DP平安可靠运行，并防止在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根本要求之外，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)：有源组件或者发电机、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以为DP1-3的等级。此外，所有DP系统对于操纵人员的资质、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可以提供DP3等级的系统，其产品均能提供手动、半自动和自动三种操纵方式，对船舶的位置和艏向的控制可单独进展或者两者同步进展。由于各家公司设计理念及产品用处的不同，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、岸桥防摇系统工程中的成功合作，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、双网络已能直接知足DP2的要求，如在既有系统的根底上增加手动操纵形式，即可知足最高的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局部组成，如图3所示。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展处理，经计算得出推进器的控制信号以对推进器进展控制，进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者向着预设位置航行。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，比拟常见的船舶电气推进系统通常都由以下几局部组成的：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可以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。根据不同的船型，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，也就是通常所讲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沟通配电等不同形式。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、沟通异步电机或者同步电机，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51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构造和外形，这样就可以使用固定螺旋桨。2推进性能得到了充分的进步电气推进的转速调整范围比拟大、旋转换向快、起动转矩较大，既能知足各种船舶不同推进工作情况的性能需求，又可以充分的进步推进系统的生命力。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敏布置。4节能环保使用电气推进的船舶，由于柴油发电机组总是可以保证满载运行，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，可以较好地保护环境。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，分析比拟船舶位置及艏向和期望数值，然后控制系统根据这种偏向计算出推力并公道分配推力。船舶在控制系统的调控下，通过自身的动力驱动推进器，形成一个可以抵抗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准确的数学模型进展描绘，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。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系统的核心局部，其定位精度和速度直接影响DP系统的性能，可以讲控制系统的性能决定了DP系统的技术程度。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。1PID控制以经典PID控制技术为根底，控制船舶的横荡、纵荡与艏摇。通过位置、艏向之间的偏向计算出推力的值，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、本钱低、易于操纵，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进步，目前该技术已不能知足要求，在新研发的系统中已逐渐被淘汰。2LQG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，其在平安、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根本能知足系统需求，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展定量计算和分析，而必须采用定量与定性相结合的推理判定方式，其目的是使控制装置采用类似于人类的智慧和经历来引导求解经过。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定和推理形式模拟了人的智能，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拟适宜。智能控制技术具有抗干扰才能较强、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PLCPCC的船舶动力定位系统技术方案随着我国海洋事业的飞速开展，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系统研发原那么1能适应恶劣的海洋环境海工工程上使用的产品必须能经受盐雾、潮湿、风浪等的腐蚀和影响。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X20PLCPCC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才能的公司不超过10家，在国内有才能开发这一系统的公司更是寥寥无几。因此，对于用户来讲，选择何种控制系统，其保密性能怎样，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。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X20PLCPCC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。图6基于贝加莱X20PLCPCC的DP3系统的硬件配置3.3系统的人机操纵界面振华重工海工集团基于贝加莱X20PLCPCC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纵功能，有利于对船舶动力定位作业的施行。图7主界面图。图7主界面3.4系统上风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才能，由于在海上的大风大浪中，忽然发生的系统故障掉电、通讯中断等潜伏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宏大的风险。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。可以讲，贝加莱的X20系统是一款能知足船级社要求的，具有高可用性与高可靠性、开放互联、复杂算法设计与程序平安才能的完美的控制系统，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：“这确实是一个好的选择，当然，来自贝加莱的经历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良好的开放互联才能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上风非常显著：船舶集控中心与各个子站间的通讯，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。而这里那么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的多层次数据支持才能，这也是贝加莱系统具有强大开放才能的象征。3强大的算法设计才能贝加莱的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施行复杂算法的开发。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才能。贝加莱的X20系列PLCPCC基于RTOS实时操纵系统，具有编译才能，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，也进步了软件的模块化封装才能。4较高的程序平安性在软件设计中另外一个必须考虑的因素是算法加密，这对于投入宏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这两种保护形式，运行于X20系统的程序就如同加了两把大锁一样平安可靠。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的平安：i二进制代码，无法下载；iiTechnologyGuarding技术保护。5强大的仿真建模才能贝加莱提供了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纵，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才能，需要先通过PC建模，然后再移植到PLC平台中，或直接采用PC进展控制。贝加莱的X20系列PLC和AutomationStudio软件开发平台，其仿真建模才能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展设计，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PLCPCC中。仿真建模是针对整个系统的运行经过进展的，根据外界环境的变化，每个推进系统应该怎样应对，这些都是确保系统平稳运行的关键因素。4完毕语近些年来，随着我国船舶与海洋工程的快速开展，作为船舶和海洋平台运行重要根底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系统的讨论和研究，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、平安系统、参数系统的建模，它的设计与功能平安系统设计类似，从头至尾贯穿了全生命周期的治理思想，包括系统的风险评估、建模开发、工程变更、系统运营、维护等整个经过，必须制订完好的评估、测试与验证规程，才能保障系统的平安运行。