[發(fā)明專利]船海工程多點(diǎn)系泊錨槳聯(lián)合協(xié)同定位系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910070025.1
• 申請(qǐng)日: 2019-01-24
• 公開（公告）號(hào): CN109747785B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張桂臣;孫增華;陳孟偉;祝小杰;張松;易朝暉;胡道富;吳學(xué)峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 志行海事技術(shù)服務(wù)（廣州）有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): B63B21/00
• 分類號(hào): B63B21/00;B63B21/50
• 代理公司: 北京市盛峰律師事務(wù)所 11337
• 代理人: 于國(guó)強(qiáng)

1.一種船海工程多點(diǎn)系泊錨槳聯(lián)合協(xié)同定位系統(tǒng)的定位方法，其特征在于，該船海工程多點(diǎn)系泊錨槳聯(lián)合協(xié)同定位系統(tǒng)包括上位機(jī)、系泊絞車控制系統(tǒng)和電力推進(jìn)控制系統(tǒng)；

所述系泊絞車控制系統(tǒng)包括4套錨絞機(jī)系統(tǒng)，分別對(duì)應(yīng)浮式平臺(tái)的四個(gè)角；各套所述錨絞機(jī)系統(tǒng)通過第一現(xiàn)場(chǎng)總線聯(lián)接在一起構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)；

所述電力推進(jìn)控制系統(tǒng)包括4套電力推進(jìn)系統(tǒng)，分別對(duì)應(yīng)浮式平臺(tái)的四個(gè)角；各套所述電力推進(jìn)系統(tǒng)通過第二現(xiàn)場(chǎng)總線聯(lián)接在一起構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)；

所述第一現(xiàn)場(chǎng)總線和所述第二現(xiàn)場(chǎng)總線聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)所述系泊絞車控制系統(tǒng)和所述電力推進(jìn)控制系統(tǒng)的等時(shí)同步控制；

所述上位機(jī)分別與所述系泊絞車控制系統(tǒng)和所述電力推進(jìn)控制系統(tǒng)連接;

其中，每套所述錨絞機(jī)系統(tǒng)包括系泊PLC控制器、第一24VDC供電模塊、可控整流-逆變系泊運(yùn)動(dòng)控制器、通訊模塊、有源前端可控整流的系泊電機(jī)供電模塊ALM、系泊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊PM、錨機(jī)電動(dòng)機(jī)編碼器模塊、錨機(jī)電動(dòng)機(jī)編碼器、錨絞機(jī)編碼器模塊、錨絞機(jī)編碼器，錨機(jī)電動(dòng)機(jī)、錨絞機(jī)、錨鏈、錨、減速器、制動(dòng)器、垂直向角度傳感器、水平向角度傳感器；

所述系泊PLC控制器通過所述系泊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊PM與所述錨機(jī)電動(dòng)機(jī)連接，用于控制所述錨機(jī)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)；所述錨機(jī)電動(dòng)機(jī)的輸出端連接到所述錨鉸機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)所述錨鉸機(jī)進(jìn)行錨鏈的伸縮動(dòng)作；所述錨鏈的一端纏繞于所述錨鉸機(jī)，另一端通過所述錨固定到系泊定位點(diǎn)；

電站母線排提供動(dòng)力電源，其與所述有源前端可控整流的系泊電機(jī)供電模塊ALM連接，用于向所述有源前端可控整流的系泊電機(jī)供電模塊ALM提供450V三相交流電；所述有源前端可控整流的系泊電機(jī)供電模塊ALM將三相交流電變換為700V的直流電，并連接到所述系泊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊PM；所述系泊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊PM將700V的直流電變換為450VAC供給所述錨機(jī)電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而向所述錨機(jī)電動(dòng)機(jī)供電；

外部110V交流電連接到所述第一24VDC供電模塊，所述第一24VDC供電模塊將110V交流電變換為24V直流電，并向所述錨絞機(jī)系統(tǒng)的除所述錨機(jī)電動(dòng)機(jī)之外的其他設(shè)備模塊供電；

所述錨機(jī)電動(dòng)機(jī)編碼器用于檢測(cè)所述錨機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，并發(fā)送給所述錨機(jī)電動(dòng)機(jī)編碼器模塊，經(jīng)所述錨機(jī)電動(dòng)機(jī)編碼器模塊處理后，上傳給所述系泊PLC控制器；

所述錨絞機(jī)編碼器用于檢測(cè)所述錨鉸機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，并發(fā)送給所述錨絞機(jī)編碼器模塊，經(jīng)所述錨絞機(jī)編碼器模塊處理后，上傳給所述系泊PLC控制器；

張力傳感器安裝在所述錨鉸機(jī)的四個(gè)固定地腳中對(duì)角線上的兩個(gè)地腳螺栓處，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)所述錨鏈的錨鏈張力，并直接傳輸給所述系泊PLC控制器；

所述垂直向角度傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)錨鏈與垂直方向的夾角，并直接傳輸給所述系泊PLC控制器；

所述水平向角度傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)錨鏈水平方向與船艏向的夾角，并直接傳輸給所述系泊PLC控制器；

所述減速器，安裝于所述錨機(jī)電動(dòng)機(jī)和所述錨鉸機(jī)之間，用于保證錨絞機(jī)所需的低速大轉(zhuǎn)矩；

所述制動(dòng)器安裝于所述錨鉸機(jī)的控制端，用于制動(dòng)剎車，防止錨鏈的長(zhǎng)度和張力滑動(dòng)；

所述通訊模塊用于連接其他錨絞機(jī)系統(tǒng)，構(gòu)成環(huán)形現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)等時(shí)同步控制；

其中，每套所述電力推進(jìn)系統(tǒng)包括電力推進(jìn)PLC控制器、第二24VDC供電模塊、電力推進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制器、通訊模塊、有源前端可控整流的推進(jìn)電機(jī)供電模塊ALM、推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊PM、回轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊PM、推進(jìn)電機(jī)編碼器模塊、推進(jìn)電機(jī)編碼器、回轉(zhuǎn)電機(jī)編碼器模塊、回轉(zhuǎn)電機(jī)編碼器、推進(jìn)電機(jī)、回轉(zhuǎn)電機(jī)、推進(jìn)電機(jī)輸出軸扭矩傳感器和螺旋槳；

所述電力推進(jìn)PLC控制器通過所述推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊PM與所述推進(jìn)電機(jī)連接，用于控制所述推進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)；所述推進(jìn)電機(jī)的輸出端連接到所述螺旋槳，用于控制所述螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度；

所述電力推進(jìn)PLC控制器通過所述回轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊PM與所述回轉(zhuǎn)電機(jī)連接，用于控制所述回轉(zhuǎn)電機(jī)的工作狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)整平臺(tái)方向；

電站母線排提供動(dòng)力電源，其與所述有源前端可控整流的推進(jìn)電機(jī)供電模塊ALM連接，用于向所述有源前端可控整流的推進(jìn)電機(jī)供電模塊ALM提供450V三相交流電；所述有源前端可控整流的推進(jìn)電機(jī)供電模塊ALM將三相交流電變換為700V的直流電，并分別連接到所述推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊PM和所述回轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊PM；所述推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊PM將700V的直流電變換為450V直流電供給所述推進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而向所述推進(jìn)電機(jī)供電；所述回轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊PM將700V的直流電變換為450V直流電供給所述回轉(zhuǎn)電機(jī)，進(jìn)而向所述回轉(zhuǎn)電機(jī)供電；

外部110V交流電連接到所述第二24VDC供電模塊，所述第二24VDC供電模塊將110V交流電變換為24V直流電，并向所述電力推進(jìn)系統(tǒng)的除所述回轉(zhuǎn)電機(jī)和所述推進(jìn)電機(jī)之外的其他設(shè)備模塊供電；

所述推進(jìn)電機(jī)編碼器，用于檢測(cè)所述推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，并發(fā)送給所述推進(jìn)電機(jī)編碼器模塊，經(jīng)所述推進(jìn)電機(jī)編碼器模塊處理后，上傳給所述電力推進(jìn)PLC控制器；

所述回轉(zhuǎn)電機(jī)編碼器，用于檢測(cè)所述回轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，并發(fā)送給所述回轉(zhuǎn)電機(jī)編碼器模塊，經(jīng)所述回轉(zhuǎn)電機(jī)編碼器模塊處理后，上傳給所述電力推進(jìn)PLC控制器；

所述推進(jìn)電機(jī)輸出軸扭矩傳感器，用于檢測(cè)所述推進(jìn)電機(jī)輸出軸的扭矩值，并直接上傳給所述電力推進(jìn)PLC控制器；

所述船海工程多點(diǎn)系泊錨槳聯(lián)合協(xié)同定位系統(tǒng)的定位方法，包括以下步驟：

步驟1，海洋平臺(tái)定點(diǎn)作業(yè)時(shí)，首先布置錨，錨布置原則是：按艏向順時(shí)針方向布置錨，艏向右前錨為1號(hào)錨，每條錨鏈同艏艉方向?qū)ΨQ布置；具體的，艏向右前方向布置1號(hào)錨和2號(hào)錨；艏向右后方向布置3號(hào)錨和4號(hào)錨；其中，3號(hào)錨與2號(hào)錨相對(duì)于艉向?qū)ΨQ；4號(hào)錨與1號(hào)錨相對(duì)于艉向?qū)ΨQ；艏向左后方向布置5號(hào)錨和6號(hào)錨；其中，5號(hào)錨與4號(hào)錨相對(duì)于艏向?qū)ΨQ；6號(hào)錨與3號(hào)錨相對(duì)于艏向?qū)ΨQ；艏向左前方向布置7號(hào)錨和8號(hào)錨；其中，7號(hào)錨與2號(hào)錨相對(duì)于艏向?qū)ΨQ；8號(hào)錨與1號(hào)錨相對(duì)于艏向?qū)ΨQ；

然后，根據(jù)定位海域風(fēng)向流向的優(yōu)勢(shì)方向確定平臺(tái)艏向；若不存在優(yōu)勢(shì)風(fēng)向流向，則1號(hào)錨與艏向夾角為25°，2號(hào)錨與艏向夾角為70°；若存在優(yōu)勢(shì)風(fēng)向流向，則1號(hào)錨與艏向夾角為30°，2號(hào)錨與艏向夾角為60°；

步驟2，海洋平臺(tái)采用錨進(jìn)行拋錨定位后，與8個(gè)錨分別對(duì)應(yīng)的8臺(tái)錨絞機(jī)協(xié)同進(jìn)行拋錨抓力實(shí)驗(yàn)，其中，錨抓力至少為錨重的8～10倍，抓力測(cè)試應(yīng)對(duì)稱向錨施加負(fù)荷，能加上負(fù)荷且施加的負(fù)荷保持不變后，才能確實(shí)所有錨均已抓緊，則放松錨鏈到工作范圍內(nèi)；

步驟3，對(duì)于步驟1布置的8個(gè)錨，劃分為兩組，其中，1號(hào)錨、4號(hào)錨、5號(hào)錨和8號(hào)錨歸為一組，稱為長(zhǎng)度定值控制組，采用系泊錨鏈長(zhǎng)度定值控制策略進(jìn)行系泊錨鏈長(zhǎng)度定值控制；2號(hào)錨、3號(hào)錨、6號(hào)錨和7號(hào)錨歸為一組，稱為恒張力控制組，采用恒張力控制策略進(jìn)行恒張力控制；

步驟4，在多點(diǎn)系泊工作過程中，初始時(shí)，均不啟動(dòng)系泊錨鏈長(zhǎng)度定值控制策略和恒張力控制策略；

上位機(jī)實(shí)時(shí)獲取系泊平臺(tái)的環(huán)境表征參數(shù)，包括風(fēng)速v米/秒，流速I節(jié)，浪高m米，振蕩周期T，潮差?米，縱搖β度，左右搖擺α度；風(fēng)浪流影響下海洋平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)，小范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)靠系泊錨鏈回復(fù)力限制住，其定位臨界控制范圍為最大漂移半徑﹤5~6%水深，定位范圍誤差﹤2~3%水深，平臺(tái)的縱向和橫向傾斜≤1°，張力控制精度≤±5%額定負(fù)載，因此，在沒有超出定位臨界控制范圍時(shí)，系泊平臺(tái)依靠系泊錨鏈回復(fù)力定位；當(dāng)超出定位臨界控制范圍時(shí)，執(zhí)行步驟5；

步驟5，對(duì)1號(hào)錨、4號(hào)錨、5號(hào)錨和8號(hào)錨采用系泊錨鏈長(zhǎng)度定值控制策略進(jìn)行系泊錨鏈長(zhǎng)度定值控制，具體控制過程見步驟6；對(duì)2號(hào)錨、3號(hào)錨、6號(hào)錨和7號(hào)錨采用恒張力控制策略進(jìn)行恒張力控制，具體控制過程見步驟7；

步驟6，系泊錨鏈長(zhǎng)度定值控制用于限制平臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)；具體包括：

步驟6.1，以平臺(tái)底部距離海底水深H₀為參考值，平臺(tái)實(shí)際距離工作海域的海底為h，則偏差ΔH=H₀-h；

步驟6.2，若-δ≤ΔH≤δ，δ≥0，δ為0.2～0.3米，錨絞機(jī)進(jìn)行恒長(zhǎng)度控制，錨絞機(jī)的剎車裝置起作用，系泊錨鏈長(zhǎng)度不變但張力隨環(huán)境力變化；H₀與平臺(tái)壓載狀態(tài)即吃水相關(guān)，漲潮、落潮或平臺(tái)壓載程度都將影響H₀大小；

步驟6.3，判斷錨鏈張力是否小于錨鏈破斷力，如果錨鏈張力＞錨鏈破斷力，則錨絞機(jī)只進(jìn)行恒張力控制，系泊錨鏈長(zhǎng)度隨環(huán)境力變化；

如果錨鏈張力＜錨鏈破斷力，錨絞機(jī)隨著浮力調(diào)整錨鏈張力，若因漲潮導(dǎo)致平臺(tái)上升，即ΔH＜-δ時(shí)，浮力大于錨絞機(jī)剎車力，則錨絞機(jī)起動(dòng)慢慢反轉(zhuǎn)放出錨鏈，錨絞機(jī)剎車脫開，使系泊錨鏈長(zhǎng)度增大，直至平臺(tái)上浮停止為止；

若因落潮導(dǎo)致平臺(tái)下沉，即ΔH＞δ時(shí)，浮力小于錨絞機(jī)剎車力，則錨絞機(jī)起動(dòng)正轉(zhuǎn)收緊錨鏈，錨絞機(jī)剎車脫開，使系泊錨鏈長(zhǎng)度縮短，直至平臺(tái)上浮停止為止；

當(dāng)平臺(tái)停止上浮或下沉后，錨絞機(jī)慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)，逐漸調(diào)整錨鏈長(zhǎng)度及張力，保持平臺(tái)吃水到允許值；

平臺(tái)吃水到規(guī)定值后，錨絞機(jī)調(diào)整錨鏈張力與浮力相適應(yīng)，進(jìn)行恒張力控制，最后剎車起作用，保持恒張力；

步驟7，系泊錨鏈恒張力控制用于限制平臺(tái)在x-y平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；其中，平臺(tái)艏向?yàn)閤軸正方向；防止平臺(tái)漂移超出允許范圍；具體包括以下步驟：

步驟7.1，風(fēng)/流方向和大小的變化導(dǎo)致船舶移位及錨鏈張力變化，調(diào)整張力原則為：先放松下風(fēng)錨鏈并等時(shí)同步收緊上風(fēng)錨鏈；錨絞機(jī)控制系統(tǒng)使上風(fēng)錨鏈均勻地承受環(huán)境力載荷同時(shí)全部放松下風(fēng)錨鏈；此時(shí)，若上風(fēng)錨鏈張力沒有超過其1/3破斷強(qiáng)度，則按調(diào)整張力原則調(diào)整各個(gè)錨鏈的張力；當(dāng)上風(fēng)錨鏈張力超過其1/3破斷強(qiáng)度時(shí)，對(duì)上風(fēng)錨鏈進(jìn)行恒張力控制，并執(zhí)行步驟7.2；

步驟7.2，啟動(dòng)分別對(duì)應(yīng)平臺(tái)四角的4套電力推進(jìn)系統(tǒng)；每套電力推進(jìn)系統(tǒng)均包括用于調(diào)整推進(jìn)力大小的推進(jìn)電機(jī)以及用于調(diào)整推進(jìn)力方向的回轉(zhuǎn)電機(jī)；協(xié)同對(duì)四個(gè)推進(jìn)器和四個(gè)回轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行控制，使推進(jìn)器轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)向并驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的合力抵抗風(fēng)/流作用力，即：推進(jìn)器產(chǎn)生的推力，補(bǔ)償系泊錨鏈張力與環(huán)境作用力差額，從而減輕上風(fēng)系泊錨鏈的負(fù)荷；

系泊平臺(tái)的環(huán)境表征參數(shù)包括風(fēng)速v米/秒，流速I節(jié)，浪高m米，振蕩周期T，潮差?米，縱搖β度，左右搖擺α度，需要風(fēng)速儀、流速儀、浪涌計(jì)、潮汐表、搖擺表、振蕩傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，送入錨絞機(jī)控制系統(tǒng)，再經(jīng)通訊方式送入推進(jìn)控制系統(tǒng)；風(fēng)浪流影響下海洋平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)，小范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)靠系泊錨鏈回復(fù)力限制住，其定位臨界控制范圍為最大漂移半徑﹤5~6%水深，定位范圍誤差﹤2~3%水深，平臺(tái)的縱向和橫向傾斜≤1°，張力控制精度≤±5%額定負(fù)載，超出這些范圍時(shí)，錨-槳聯(lián)合協(xié)同定位起作用，使平臺(tái)運(yùn)動(dòng)又回到規(guī)定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)系泊；

錨布置完成后，多點(diǎn)系泊的水平跨距范圍可以改變，從而移動(dòng)平臺(tái)在不同地方鉆井或采油，平臺(tái)在鉆井或采油時(shí)為定點(diǎn)的定位控制；當(dāng)平臺(tái)在某點(diǎn)完成鉆井或采油時(shí)，再移泊到附近的另一點(diǎn)鉆井或采油，平臺(tái)在一定海域內(nèi)移泊時(shí)，不需要起錨，通過多點(diǎn)系泊錨-槳聯(lián)合協(xié)同作用，使平臺(tái)移泊到位；多點(diǎn)系泊定位在工作過程中，某個(gè)錨絞機(jī)出現(xiàn)故障而退出工作時(shí)，通過多點(diǎn)系泊錨-槳聯(lián)合協(xié)同定位系統(tǒng)重構(gòu)剩余錨絞機(jī)的出力，使平臺(tái)工作不受影響。