CN105676841B - 通过dp-3级动力定位系统实现保障定位作业的方法 - Google Patents

通过dp-3级动力定位系统实现保障定位作业的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种DP‑3级动力定位系统及其保障定位作业的方法，该系统包第一、第二控制台和备用控制台；第一、第二RCU和备用RCU；三套传感器；三个控制台分别通过双冗余网络与三个RCU连接；第一、第二RCU、三套传感器分别与第一串口HUB连接，第三传感器和备用RCU与第二串口HUB连接；第一、第二RCU分别连接在主控CAN/CANOpen总线上；备用RCU连接在备用CAN/CANOpen总线上，备用CAN/CANOpen总线与主控CAN/CANOpen总线通过主/备切换开关连接；驱动器分别与主控CAN/CANOpen总线上；以及推进器，与所述驱动器连接。本发明通过合理的结构布置，充分保障了DP‑3级动力定位系统对外部恶劣环境的耐受度和内部数据交换通讯的稳定和冗余，满足国际海事组织对DP‑3级动力定位系统的要求。

Description

通过DP-3级动力定位系统实现保障定位作业的方法
技术领域
本发明涉及船舶动力定位中所用的定位系统，具体地指一种DP-3级动力定位系统及其保障定位作业的方法。
背景技术
船舶动力定位(Dynamic Positioning Vessel)，表示只通过推进器自动保持位置(固定位置或预设航迹)的船舶。
动力定位系统(Dynamic Positioning System)，表示船舶动力定位需要的全部设备，包括：测量系统、动力系统、推进系统和动力定位控制系统。
动力定位控制系统(Dynamic Positioning Control System)，表示船舶动力定位需要的所有控制系统和部件。动力定位控制系统包括计算机系统/操纵杆系统、传感器系统、显示系统(操纵面板)、位置参考系统以及相关的电缆、线路、串口。
国际海事组织(International Marine Organization,IMO)文件《动力定位船舶指南(Guidelines for Vessel with Dynamic Positioning System)》和国际海洋工程承包协会(International Marine Contractors Association,IMCA)文件《动力定位船舶设计和操作参考准则(Guidelines for the Design&Operation of DynamicallyPositioned Vessels)》定义了设备等级。共定义了三个“设备等级”，在IMCA指南中总结如下：
DP1(设备等级1)——在单故障的情况下可能发生定位失常。
DP2(设备等级2)——有源组件或发电机、推力器、配电盘遥控阀门等系统单位故障时，不会发生定位失常。但是当电缆、管道、手控阀等静态元件发生故障时可能会发生定位失常。
DP-3(设备等级3)——任何单故障(包括水密室被淹)都不会导致定位失常。DP-3级动力定位系统结构设计是DP-3级动力定位系统的构建基础。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种DP-3级动力定位系统，该系统能够保障DP-3级动力定位系统对外部恶劣环境的耐受度和内部数据交换通讯的稳定和冗余，满足国际海事组织对DP-3级动力定位系统的要求。
实现本发明目的采用的技术方案是：一种DP-3级动力定位系统，该系统包括控制层和设备层；
所述控制层包括：
第一控制台、第二控制台和设于A60隔离舱室内的备用控制台；
双冗余网络，所述三个控制台分别连接在该双冗余网络中；
所述设备层包括：
第一远程控制单元RCU、第二远程控制单元RCU和设于A60隔离舱室备用远程控制单元RCU；
第一传感器、第二传感器和第三传感器；
第一串口HUB，三个传感器分别与第一串口HUB连接，第一串口HUB连接还分别与所述第一远程控制单元RCU、第二远程控制单元RCU连接；
第二串口HUB，其分别与第三传感器和备用远程控制单元RCU连接；
主控CAN/CANOpen总线，所述第一远程控制单元RCU、第二远程控制单元RCU分别连接在该主控CAN/CANOpen总线上；
备用CAN/CANOpen总线，所述备用远程控制单元RCU连接在该备用CAN/CANOpen总线上，备用CAN/CANOpen总线与所述主控CAN/CANOpen总线通过主/备切换开关连接；
驱动器，连接在所述主控CAN/CANOpen总线上；以及
推进器，与所述驱动器连接。
在上述技术方案中，所述三个控制台均包括显示终端、操控面板和交换机；每个控制台中的交换机连接于双冗余网络中。
在上述技术方案中，所述三个远程控制单元RCU均包括一台上位机和一台下位机，每个远程控制单元RCU内的上位机和一台下位机通过工业以太网连接；且第一远程控制单元RCU与第二远程控制单元RCU内的上位机通过环形同步冗余网络连接。
在上述技术方案中，所述三个远程控制单元RCU均连接有UPS。
在上述技术方案中，第一远程控制单元RCU与第二远程控制单元RCU内的上位机分别与第一串口HUB连接；所述第三远程控制单元RCU内的上位机与第二串口HUB连接。
在上述技术方案中，所述传感器均包括位置参考系统和其他传感器装置；所述位置参考系统为DGPS、RADius或HiPAP系统，所述其他传感器装置包括MRU、电罗经和风速风向仪。
上述的DP-3级动力定位系统保障定位作业的方法包括：
1、在未出现任何故障的情况下，船舶进行动力定位作业；
操作人员利用第一控制台中的显示终端来获取系统运行信息，通过操控面板向第一远程控制单元RCU发出配置及动力定位作业指令，并指定第一远程控制单元RCU为主RCU；第一控制台通过双冗余网络接收来自于主RCU的实时数据并在显示终端上显示；第一远程控制单元RCU中的上位机通过第一串口HUB中获取三套传感器的实时数据，并基于核心算法计算出实时的推力指令，发送给下位机；下位机收到推力指令会对其进行解析，并将处理后的数据命令通过主控CAN/CANOpen主控总线传输给推进器的驱动器；驱动器驱动推进器动作，从而使得船舶执行动力定位作业指令；
同时，第二控制台和第二远程控制单元RCU也处于运行状态，第二远程控制单元中的上位机通过环形同步冗余网络将第一远程控制单元RCU中上位机的运行状态及与数据实时同步给第二远程控制单元RCU，保证第一远程控制单元RCU与第二远程控制单元RCU时刻处于相同的运行状态；
2、操控层双冗余网络中单网络出现故障时，船舶仍能进行动力定位作业；
此时设备层主RCU检测到该故障，将自动切换使用双冗余网络中另一网络与操控层的操控台进行通信，保障动力定位作业时动力定位系统操控层与设备层间的数据链路不中断。
3、在第一控制台或第一远程控制单RCU出现故障的情况下，船舶仍能进行动力定位作业；
若第一控制台发生故障，操作人员可利用第二控制台或备用控制台中的显示终端来获取系统运行信息，并通过操控面板来发出配置及动力定位作业指令；第二控制台或备用控制台与双冗余网络连接，与设备层的主RCU进行实时传输数据。
若第一远程控制单元RCU发生故障，第二远程控制单元RCU中上位机内的故障检测模块将在第一时间检测到第一RCU中的故障，通过操控层双冗余网络，并立即基于环形同步冗余网络同步的第一远程控制单元RCU中的状态及数据，接管第一远程控制单元RCU的工作成为主RCU，并取得主控CAN/CANOpen主控总线的控制权向推进器的驱动器发送控制指令，进而驱动推进器动作，保障动力定位作业的连续顺畅运行；
4、在第一远程控制单元RCU与第二远程控制单元RCU均出现故障的情况下，船舶仍可进行动力定位作业；
发生该种故障后，操作人员可通过操控层的控制台观察到第一远程控制单元RCU与第二远程控制单元RCU均已发生故障，此时立刻将主/备切换开关切换到备用一端，通过备用CAN/CANOpen总线与推进器的驱动器进行通信；备用远程控制单元RCU中的上位机通过双冗余网络与操控层中的控制台进行通信，并通过第二串口HUB获取第三传感器的实时数据，并基于核心算法算出实时的推力指令；下位机收到推力指令会对其进行解析，并将处理后的数据命令通过备用CAN/CANOpen总线传输给推进器的驱动器，使推进器动作，从而保障动力定位作业的连续顺畅运行；
5、在供电网络发生故障的情况下，船舶仍可进行动力定位作业；
发生该种故障后，UPS会自动对处于工作状态中的远程控制单元RCU进行供电，保持整个DP系统的正常运行。
本发明通过合理的结构布置,充分保障了DP-3级动力定位系统对外部恶劣环境的耐受度和内部数据交换通讯的稳定和冗余，满足国际海事组织对DP-3级动力定位系统的要求。
附图说明
图1为本发明DP-3级动力定位系统结构拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明DP-3级动力定位系统由操控层和设备层构成，下面对每层分别进行说明。
操控层，由三个控制台(控制台A1、控制台B2与备用控制台3)和双冗余网络结构(网络4与网络5)构成。每个控制台由显示终端、操控面板和交换机构成。控制台A1与控制台B2布置于同一位置，备用控制台3布置在A60隔离舱室内；各控制台分别与网络4与网络5连接，进而与设备层的RCU进行通信。
操控层主要用于人机交互，是操作员给系统输入指令和观察系统运行状态的部分。显示终端可显示船舶的位置、艏向、运动轨迹和船舶各机构和模块的运行状态；操控面板中的鼠标、键盘、开关和joystick可产生各类操作指令；交换机用于构建双冗余网络传输数据。
设备层主要由远程控制单元RCUA6、远程控制单元RCUB7、备用远程控制单元RCU8、三套传感器(包括三套位置参考系统(9、11)以及三套其他传感器(10、12))、三套UPS、两个串口HUB和船舶推进器执行机构及其驱动器构成。其中，每个远程控制单元RCU均由一台上位机和一台下位机通过工业以太网连接构成；远程控制单元RCUA6与远程控制单元RCUB7之间通过环形同步冗余网络实现RCU的运行状态与数据的热备份，并且当环形同步冗余网络某条远程控制单元RCUA6与远程控制单元RCU B7间的线路出现故障时，远程控制单元RCUA6与远程控制单元RCU B7仍可通过环形同步冗余网络中的另一条线路进行运行状态与数据的热备份，从而保证整个系统的连续顺畅运行；备用远程控制单元RCU8布置在A60隔离舱室；每个远程控制单元RCU单独配备一个UPS以备供电网络断电时维持供电使用；每套传感器包括一套位置参考系统以及一套其他传感器，其中，两套位置参考系统9以及两套其他传感器10第一串口HUB分别向远程控制单元RCU A6和远程控制单元RCU B7中的上位机传输数据；另外一套位置参考系统11以及一套其他传感器12还将通过第二串口HUB向备用远程控制单元RCU8中的上位机传输数据；远程控制单元RCU A6和远程控制单元RCU B7分别通过其下位机与主控CAN/CANOpen总线13连接，备用远程控制单元RCU8与与备用CAN/CANOpen总线14连接；主控CAN/CANOpen总线13与备用CAN/CANOpen总线14与主/备切换开关连接，该开关布置在A60隔离舱室，并与CAN/CANOpen总线连接，进而与船舶推进器的驱动器连接与船舶推进器的驱动器进行通信，使得出现紧急灾情时，可通过人工手动切换到备用总线，由备用远程控制单元RCU8接管CAN/CANOpen总线，从而保证船舶仍有动力定位能力。
设备层中的远程控制单元RCU(6，7，8)是整个系统的核心，负责了整个系统运行的大部分运算，实时将传感器的数据和操控层发出的指令作为RCU内部核心算法的输入，实时输出推力指令，并通过CAN/CANOpen总线传递给船舶推进器的驱动器；驱动器可将推进器的实时运行状态(包括转速、角度、故障状态等)通过CAN/CANOpen总线反馈至远程控制单元RCU的下位机中，进而反馈至RCU的上位机中，通过算法判断处理得到下一个控制周期的推力指令。
设备层中的两套位置参考系统9具体包含DGPS、RADius、HiPAP三套系统中任选其二；两套其它传感装置10具体包括两套MRU、两套电罗经和两套风速风向仪；一套位置参考系统11包含DGPS、RADius、HiPAP中任选其一，一套其它传感装置12包括一套MRU、一套电罗经和一套风速风向仪。三套传感器均可对船舶的位置艏向、运动状态以及所受环境力进行实时监测，并将这些信息传回给系统。
设备层中的UPS的作用在于当常规电力系统出现故障时为RCU供电，保持系统不间断正常运行，直至电力修复。其中与备用远程控制单元RCU8相连接的UPS需布置在A60隔离舱室，使得由于火灾或者水淹导致的系统故障发生时，备用远程控制单元RCU8仍可正常工作。
设备层中的推进器的具体形式和数目根据视具体情况而定，一般包括全回转推进器、带舵螺旋桨、管道推进器、喷水推进器、混合布置形式等等。推进器通过与之连接的驱动器接收到推力指令后发出相应的推力，使船舶抵抗外界风、浪、流等环境因素产生的干扰，实现定位或巡航功能。
备用控制台3、备用远程控制单元RCU8以及备用CAN/CANOpen总线14均设置在A60隔离舱室内设置，用于保证船舶在其他舱室出现火灾情况时，本发明DP-3级动力定位系统中的上述备用设备仍然能够在一定时间内为船舶提供动力定位能力。
本发明DP-3级动力定位系统的具体操作方式如下：
1、在未出现任何故障的情况下，船舶可进行动力定位作业。
操作前可通过任意一个控制台来进行整个系统的配置及操作，现以控制台A1为例来说明操作流程。操作人员利用控制台A1中的显示终端来获取系统运行信息，通过操控面板向远程控制单元RCUA6发出配置及动力定位作业指令，并指定远程控制单元RCUA6为主RCU；控制台A1通过网络A4接收来自于主RCU的实时数据并在显示终端上显示；远程控制单元RCUA6中的上位机通过第一串口HUB中获取三套传感器(9～12)的实时数据，并基于核心算法计算出实时的推力指令，发送给下位机；下位机收到推力指令会对其进行解析，并将处理后的数据命令通过主控CAN/CANOpen主控总线13传输给推进器的驱动器；驱动器驱动推进器动作，从而使得船舶执行动力定位作业指令。
与此同时，控制台B2和远程控制单元RCUB7也处于运行状态，远程控制单元RCU B7中的上位机通过环形同步冗余网络将定远程控制单元RCU A6中上位机的运行状态及与数据实时同步给远程控制单元RCU B7，保证RCU B6与RCU A7时刻处于相同的运行状态。
2、操控层双冗余网络中单网络出现故障时，船舶仍可进行动力定位作业。
以操控层双冗余网络中网络A4出现故障为例，此时设备层主RCU检测到该故障，将自动切换使用网络B5与操控层的操控台进行通信，保障动力定位作业时动力定位系统操控层与设备层间的数据链路不中断。
3、在控制台A1或RCUA6出现故障的情况下，船舶仍可进行动力定位作业。
若控制台A1发生故障，操作人员可利用控制台B2或备用控制台3中的显示终端来获取系统运行信息，并通过操控面板来发出配置及动力定位作业指令；控制台B2或备用控制台3与网络A4连接，与设备层的主RCU进行实时传输数据。
若RCUA6发生故障，RCU B7中上位机内的故障检测模块将在第一时间检测到RCUA6中的故障，通过操控层双冗余网络4，并立即基于环形同步冗余网络同步的RCU A6中的状态及数据，接管RCU A6的工作成为主RCU，并取得主控CAN/CANOpen主控总线13的控制权向推进器的驱动器发送控制指令，进而驱动推进器动作，保障动力定位作业的连续顺畅运行。
4、在RCU A6与RCU B7均出现故障的情况下，船舶仍可进行动力定位作业。
发生该种故障后，操作人员可通过操控层的控制台观察到RCU A6与RCUB7均已发生故障，此时立刻将主/备切换开关切换到备用一端，通过备用CAN/CANOpen总线14与推进器的驱动器进行通信；备用RCU8中的上位机通过双冗余网络(4、5)与操控层中的控制台进行通信，并通过第二串口HUB获取一套传感器(11、12)的实时数据，并基于核心算法算出实时的推力指令；下位机收到推力指令会对其进行解析，并将处理后的数据命令通过备用CAN/CANOpen总线14传输给推进器的驱动器，使推进器动作，从而保障动力定位作业的连续顺畅运行。
5、在供电网络发生故障的情况下，船舶仍可进行动力定位作业。
发生该种故障后，UPS会自动对处于工作状态中的RCU进行供电，保持整个DP系统的正常运行。

Claims (1)

1.一种通过DP-3级动力定位系统实现保障定位作业的方法，所述DP-3级动力定位系统包括控制层和设备层；
所述控制层包括：
第一控制台、第二控制台和设于A60隔离舱室内的备用控制台；
双冗余网络，所述三个控制台分别连接在该双冗余网络中；
所述设备层包括：
第一远程控制单元RCU、第二远程控制单元RCU和设于A60隔离舱室备用远程控制单元RCU；
第一传感器、第二传感器和第三传感器；
第一串口HUB，三个传感器分别与第一串口HUB连接，第一串口HUB连接还分别与所述第一远程控制单元RCU、第二远程控制单元RCU连接；
第二串口HUB，其分别与第三传感器和备用远程控制单元RCU连接；
主控CAN/CANOpen总线，所述第一远程控制单元RCU、第二远程控制单元RCU分别连接在该主控CAN/CANOpen总线上；
备用CAN/CANOpen总线，所述备用远程控制单元RCU连接在该备用CAN/CANOpen总线上，备用CAN/CANOpen总线与所述主控CAN/CANOpen总线通过主/备切换开关连接；
驱动器，连接在所述主控CAN/CANOpen总线上；以及
推进器，与所述驱动器连接；
所述实现保障定位作业的方法其特征在于，包括：
(1)、在未出现任何故障的情况下，船舶进行动力定位作业；
操作人员利用第一控制台中的显示终端来获取系统运行信息，通过操控面板向第一远程控制单元RCU发出配置及动力定位作业指令，并指定第一远程控制单元RCU为主RCU；第一控制台通过双冗余网络接收来自于主RCU的实时数据并在显示终端上显示；第一远程控制单元RCU中的上位机通过第一串口HUB中获取三套传感器的实时数据，并基于核心算法计算出实时的推力指令，发送给下位机；下位机收到推力指令会对其进行解析，并将处理后的数据命令通过主控CAN/CANOpen主控总线传输给推进器的驱动器；驱动器驱动推进器动作，从而使得船舶执行动力定位作业指令；
同时，第二控制台和第二远程控制单元RCU也处于运行状态，第二远程控制单元中的上位机通过环形同步冗余网络将第一远程控制单元RCU中上位机的运行状态及与数据实时同步给第二远程控制单元RCU，保证第一远程控制单元RCU与第二远程控制单元RCU时刻处于相同的运行状态；
(2)、操控层双冗余网络中单网络出现故障时，船舶仍能进行动力定位作业；
此时设备层主RCU检测到该故障，将自动切换使用双冗余网络中另一网络与操控层的操控台进行通信，保障动力定位作业时动力定位系统操控层与设备层间的数据链路不中断；
(3)、在第一控制台或第一远程控制单元RCU出现故障的情况下，船舶仍能进行动力定位作业；
若第一控制台发生故障，操作人员可利用第二控制台或备用控制台中的显示终端来获取系统运行信息，并通过操控面板来发出配置及动力定位作业指令；第二控制台或备用控制台与双冗余网络连接，与设备层的主RCU进行实时传输数据；
若第一远程控制单元RCU发生故障，第二远程控制单元RCU中上位机内的故障检测模块将在第一时间检测到第一RCU中的故障，通过操控层双冗余网络，并立即基于环形同步冗余网络同步的第一远程控制单元RCU中的状态及数据，接管第一远程控制单元RCU的工作成为主RCU，并取得主控CAN/CANOpen主控总线的控制权向推进器的驱动器发送控制指令，进而驱动推进器动作，保障动力定位作业的连续顺畅运行；
(4)、在第一远程控制单元RCU与第二远程控制单元RCU均出现故障的情况下，船舶仍可进行动力定位作业；
发生该种故障后，操作人员可通过操控层的控制台观察到第一远程控制单元RCU与第二远程控制单元RCU均已发生故障，此时立刻将主/备切换开关切换到备用一端，通过备用CAN/CANOpen总线与推进器的驱动器进行通信；备用远程控制单元RCU中的上位机通过双冗余网络与操控层中的控制台进行通信，并通过第二串口HUB获取第三传感器的实时数据，并基于核心算法算出实时的推力指令；下位机收到推力指令会对其进行解析，并将处理后的数据命令通过备用CAN/CANOpen总线传输给推进器的驱动器，使推进器动作，从而保障动力定位作业的连续顺畅运行；
(5)、在供电网络发生故障的情况下，船舶仍可进行动力定位作业；
发生该种故障后，UPS会自动对处于工作状态中的远程控制单元RCU进行供电，保持整个DP系统的正常运行。
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