国产首套DP3动力定位系统系泊试验内容及方法

王 伟， 任劲松， 王爱武， 郭金钊， 张建国， 林永章

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

国产首套DP3动力定位系统系泊试验内容及方法

王 伟， 任劲松， 王爱武， 郭金钊， 张建国， 林永章

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

介绍了国产首套DP3动力定位系统基本构成、试验船型选择基本方案及系泊试验的方法，详细描述动力定位系统系泊试验阶段关键工作的试验方法，有效减少由于技术准备不充分造成海上试验时间和试验安全的风险，保证动力定位系统海试工作顺利进行，对国产动力定位系统系泊试验工作具有现实的指导意义。

动力定位系统 系泊试验 试验方法 国产化

1 引言

21 世纪人类将全面步入海洋经济时代, 占地球总面积2/3 以上的浩瀚大海里, 有极其丰富的海水化学资源、海底矿产资源、海洋动力资源和海洋生物资源，这些资源促使人们对海洋的开发和探索的范围越来越广，其中动力定位技术作为深海作业装备必备的高新技术，越来越受到业内重视，可以说，作业船舶或平台要想在深海稳定、可靠工作，必须安装动力定位系统，随着国家海洋开发战略的逐步推进，越来越多的船舶或平台将被配备动力定位系统，以满足作业需求。

2 国产DP3动力定位系统发展介绍

2.1 系统组成及基本原理

动力定位系统一般包括：动力系统、推进器系统、控制系统及测量系统四个部分，可使船舶不借助于锚泊系统的作用，而利用自身装备的各类传感器测出船舶的运动状态与位置变化，以及外界风力、波浪、海流等扰动力的大小与方向，利用计算机进行复杂的实时计算后，使控制船舶主副推力装置产生适当的推力与力矩，以抵消扰动力，从而使船舶尽可能保持目标船位与艏向。

2.2 国内动力定位系统发展概述

我国对船舶动力定位系统的研发尚处于起步阶段，虽然近几年加快了研发步伐，但总体水平与国外相比差距明显。主要表现在，动力定位核心控制器及卡件、控制系统软件方面存在不足；吊舱式推进系统、大功率全回转推进系统以及控制系统配套外围传感器等设备的设计和生产方面能力有所欠缺。

近年来，上海交通大学、振华港机、哈尔滨工程大学等院校或企业都在进行动力定位技术攻关，而哈尔滨工程大学在动力定位方面的研究走在了国内的前列。早在1998年研发出国产第一套DP1系统，并已成功应用到海军船舶上；十二五期间，由哈尔滨工程大学、海洋石油工程股份有限公司、中国船舶工业集团公司708研究所及武汉船用机械有限责任公司共同研制DP3系统，在历时4年技术研发后，获得了巨大的技术突破，研制出了DP3级系统工程样机，已于2013年8月初完成海上实船试验，功能上能够与KONGSBERG系统媲美，可实现定点定位、定点旋转、循迹、目标跟踪、自动艏向、定横、定纵及绿色DP等多项功能，在能力上完全满足实际工程需要，技术上达到国际先进水平， 顺利通过国家工信部验收。

2.3 国产DP3动力定位系统的组成

图1为国产DP3动力定位系统组成。

图1 国产DP3动力定位系统组成

3 系泊试验准备

3.1 FAT试验

工程样机在上船安装前，要做充分的出厂测试，检测系统各项功能是否满足研制书要求，软件工作是否稳定，提前发现软件Bug或硬件故障可减少后续进入现场故障率，为设备安装创造良好条件。

3.2 设备就位检查

各系统设备在安装过程中即要执行检验程序，严格按照设计图纸的要求进行定位，做好设备完好性、电缆接线、校线及绝缘等检验工作，严格遵照船用设备安装规范，报请第三方检验，针对此阶段工作，我们做了详细的检验管理程序，包括设备检查及线路检查两个方面，严格落实程序的检验要求，控制施工质量，良好的机械完工状态无疑给后续试验带来极大方便，节省项目工期。

3.3 机具文件准备

为做好码头测试工作，需有必要的文件支持，诸如DP3控制系统样机布置图、电气接线图；国产DP3控制系统工程样机操作说明书； 传感器及位置参考系统技术资料；目标船舶动力系统及推进器系统技术资料等，这些文件是码头测试效果的保证，常用的测试工具有过程式检测表、网络测试仪、绝缘表及示波器等测试设备。

3.4 码头工作准备

码头准备涉及到传感器和控制柜的安装，其中最重要的工作是确定原船DP2动力定位控制系统与推进器和发电机的信号类型和端口，并制定HDP与推进器和发电机的接线方式。

(1) 确定原DP2与推进器和发电机的信号类型。原船DP控制箱与推进器之间的信号通过有两个接线箱连接，为确认原船DP系统与推进器、发电机的接口信号正确，需要核对每个接口对应的DP2控制器其每个通道信号是否一致；需要校对接线箱到DP控制箱模块的线，确认其每个通道的信号类型；拆接线箱每个通道的信号线；模拟输入模拟信号，判断输入电流信号或电压信号是否得到正确的结果；最后在Kongsberg DP操作台上查看每个通道信号类型、信号数值或显示数值，确保信号类型正确。

(2) 拆除原系统线缆。为确保拆线工作不影响原系统恢复以后的工作，对原船DP的两个接线箱JB1和JB2需严格校对，制定周密的拆线方案，确保信号线引入新系统准确无误，保证后续试验顺利进行。

4 系泊试验内容及方法

4.1 控制系统各设备功能及接口测试

(1) 动力定位操作台测试。主要检查操作台计算机各部件连接状态，操作台间冗余性，人机界面显示状态，面板按钮、指示灯和蜂鸣器等工作状态，确保鼠标、手柄、航向设定旋钮能够按照要求执行动作；CAN 及以太网络通讯及系统报警功能。

(2) 操纵杆操作终端(JOT)测试。检查液晶显示器工作状态，显示页面完备；面板按钮、指示灯和蜂鸣器正常工作，手柄、航向设定旋钮等能够按照设定要求进行参数调整，确保CAN及以太网络通讯正常，确保报警系统工作良好。

(3) DP3/DP1/IJS系统控制柜试验。测试DP3/DP1控制器工作状态及冗余性，冗余仲裁模块工作正常，控制器切换动作正常，输入输出通道工作良好，测试“串口-以太网服务器”工作状态，信息接收无误。

(4) 现场工作站(FS)试验。测试两个现场工作站的接口工作状态，确保推进器、发电机控制和反馈命令接口计算机工作正常，全部输入输出通道(串口、I/O、A/D、D/A)工作良好，系统切换开关及信号切换板工作状态稳定可靠。

(5) 系统隔离箱及控制权切换箱试验。测试串口隔离分配器工作状态，原船系统及国产系统切换开关工作正常，切换功能良好，能够实现在线切换，工作稳定可靠，测试切换开关指示灯。

(6) UPS试验内容。UPS系统主要测试设备维护开关，输入输出电压，电池工作状态，逆变输出，绝缘监测正常及通讯等方面，确保UPS系统能够稳定持续供电，在船上失效的状态下，至少保持系统工作30 min以上，满足船用UPS系统规范要求。

4.2 传感器功能和接口测试

(1) 风传感器试验。主要测试数据输出格式、输出单位、更新率设置，确保风向数据输出正常(与其他风传感器比较)，风速数据输出正常(与其他风传感器比较)，DP系统无数据接收报警等内容，确保风速传感器单个失效的状态下，不影响系统工作。

(2) 运动传感器(MRU)试验。运动参考单元主要测试数据输出格式、更新率、滤波参数设置，安装几何位置(从运动传感器到船重心位置必须经过严格修正)，能够真实反映船舶纵摇、横摇误差，保证系统修正数据正确，确保纵摇/横摇数据及正负方向输出正确(可参考其他运动传感器输出)，测试系统无数据接收报警功能。

(3) 罗经(GYRO)试验。罗经主要测试数据输出格式(DP、DGPS、HiPAP系统)、更新率、系统型式设置是否正确，罗经速度输入、位置输入(自动GGA)、时间输入(自动ZDA)设置参数正确，罗经相对船艏安装误差要严格修正，确保罗经工作参数指示正确，判断罗经通电后，陀螺球电流瞬间不得超过550 mA，稳定工作后降至300 mA 以下，艏向数据输出检查(可参考其他罗经输出)。

(4) DGPS测试。DGPS是动力定位系统关键的位置信息提供设备，码头试验主要校核其安装位置与船体几何中心之间的换算关系，须严格按照设计要求进行计算，并确保准确无误；核对位置信号是否存在并正常，判断位置信号格式、数据更新率、定位算法是否正确，差分天线是否工作正常，确保GPS设备工作稳定可靠，当数据人为中断时，可正常发出报警提示，系统可自动剔除该GPS数据。

(5) HIPAP水声定位系统测试。水声定位系统是动力定位系统中有一个位置参考设备，其工作原理是通过放入海底的应答器与安装在船底的信号接收器(换能器)实时通讯，判断船体相对移动位置，这是一种测量相对位置的设备，是不同工作原理的位置传感器，符合规范要求；该设备测试时，主要关注HIPAP安装与船体几何中心位置的坐标关系，测试系统的信号格式、更新率是否正确，检查传入HIPAP中的罗经信号和GPS信号是否正确，当数据中断时，是否正常发出报警。

4.3 动力系统接口测试

国产动力定位系统测试的目标船舶是海洋石油299船，该船配备4台柴油发电机及2台轴带发电机，为4个侧推及2个主推供电。为确保航行试验的顺利进行，在码头期间完成动力系统的接口测试意义非常重大，确保国产动力定位系统供电正常，避免意外产生。故动力接口测试需完成国产系统信号采集型式与原船发电机给出的信号匹配性测试(±10 VDC 或4～20 mA)，确保发电机图上位置、系统上位置与实际船安装位置一致，判断系统接收的负载信息及状态信息是否正确，满足系统要求。

4.4 推进器系统接口测试

海洋石油299船配备了6台推进器和2台舵机，4台侧推为槽道式推进器，安装在船底前侧，按照左1、左2、右1、右2的空间布置，2台主推为全回转推进器，安装在船底艉侧，两个舵机可使船舶转弯更为高效迅速，完成推进器的接口测试是确保试验成功的关键。在码头期间，需要完成推进器与国产动力定位系统的信号(±10 VDC 或4～20 mA)匹配型式，测试不同工作模式下(DP3、备用DP、Joystick)，各推进器反馈的就绪信号是否正确，检测推进器及舵机的螺距/转速指令、舵角指令与反馈信号信息是否一致，此项工作是推进器测试的关键。数据测量不准将直接导致推进器推力分配的不均衡，势必给试验带来不可预知的障碍，要反复校准机械螺距角在零位时的信息反馈，找出推进器的零位及线性关系，测试零位时推进器是否有工作盲区，如果有盲区要在系统中对信号进行有效处理，测试推进器动作响应时间，掌握推进器及舵机的工作特性，确保试验真实反映推进器的工作状况。

4.5 船舶操船控制权切换测试

为确保试验安全进行，需实现目标船国产定位系统和原船系统的无缝切换，确保推进器、发电机的控制线正确引入到国产系统切换箱中，保证船舶在国产系统出故障的状态下，能够顺利切换至原船系统，确保船舶不失控制，此项工作是国产系统试验的重中之重，若出现差错，船舶失位风险显著增加，甚至无法完成试验。首先利用299船驾驶台上的“手动/DP”切换开关进行驾驶台与K-POS之间的控制权切换；并利用“DP控制权切换盒”上切换开关进行K-POS系统和国产系统之间的控制权切换；判断 “DP控制权切换盒”上切换板状态指示灯指示正确，报警功能正确。

5 小结

系泊试验能够全面检查国产DP3动力定位控制系统设备安装的完整性、正确性，验证各设备通电启动是否正常、接口是否正确，最终为系统航行试验提供保证。国产DP3动力定位系统作为国家工信部立项的高新船舶核心技术，得到了国家的大力支持，为降低海上航行试验的风险，系泊试验期间要做好充足的准备工作。系泊试验准备是否完善将直接影响航行试验效果及技术指标，航行试验前要摸清控制系统与动力及推进器系统接口参数，执行时需做好方案分析和应急预案，讲究组织、资源、计划的协调，确保控制系统与动力、传感器系统以及推进器系统之间各项参数及基本功能正常。随着我国海洋资源开发步伐的加快，动力定位船舶将会越来越多，而国产DP3动力定位系统的研制成功，必将引发国内船舶高新技术革命，相信在不远的将来，国产DP3动力定位系统必将在DP工程船舶上得到广泛应用。

[1] 周利, 王磊, 陈恒. 动力定位控制系统研究[J]. 船海工程,2008, 37，(2):86-91.

[2] 中国船级社. 动力定位系统检验指南[S]. 2002.

[3] 余培文, 陈辉, 刘芙蓉. 船舶动力定位系统控制技术的发展与展望[J]. 中国水运, 2009， 2：44-45.

[4] KONGSBERG.K-Pos DP Product Description[S]. 2006.

[5] 边信黔, 付明玉, 王元慧. 船舶动力定位[M].北京：科学出版社，2011.

Mooring Test Methods for the Domestic First Set of DP3

WANG Wei， REN Jin-song， WANG Ai-wu， GUO Jin-zhao， ZHANG Jian-guo， LIN Yong-zhang

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

This paper introduces the domestic first set of DP3 dynamic positioning system basic composition, testing ship type selection and test plan of the mooring testing. Mooring test phase are described in detail in dynamic positioning system test method of key work, it can be effectively reduced the sea trial time and test security risks caused by inadequate technical preparation, it is useful to guarantee a successful sea trials, and it maybe great realistic significance for dynamic positioning system on domestic dynamic positioning system testing work.

DP3 Mooring test Methods Domestic

国家科技重大专项：“深水铺管起重船及配套工程技术”课题经费资助，编号：2011ZX05027-002。

王 伟(1980-)，男，工程师。

U664

A