CN109747785A - 船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统及方法，系统包括上位机、系泊绞车控制系统和电力推进控制系统；系泊绞车控制系统包括4套锚绞机系统；各套锚绞机系统通过第一现场总线联接在一起构成环形网络；电力推进控制系统包括4套电力推进系统；各套电力推进系统通过第二现场总线联接在一起构成环形网络；第一现场总线和第二现场总线联接在一起，实现系泊绞车控制系统和电力推进控制系统的等时同步控制。优点为：通过多点系泊锚‑桨联合协同定位，为海工定位项目带来稳定、高效、节能和低成本优势，推进设备资源利用率高，还减小了系泊设备容量，对提升海上钻井与采油等定位项目的竞争力具有重要的现实意义和推广价值。

Description

船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统及方法

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程技术领域，具体涉及一种船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统及方法。

背景技术

浮式海洋平台/工程船的工作模式多在某一海域长期定位工作，可在小范围内移泊作业，其定位技术及方法非常关键。多点系泊属于浮式海洋平台/工程船定位模式的一种，其应用场景包括：浮体长宽尺度接近，或环境力的方向性比较单一，或浮式海洋钻井平台要求定点定位，或在窄海域、河道等，海洋工程施工作业中不允许作360°旋转的浮体，如起重船、铺管船等，选择多点系泊系统。当浮体对环境力方向不敏感时可考虑使用多点系泊系统。环境条件平缓、浮体主受力方向比较固定，即使对环境力方向非常敏感的船形浮体也采用多点系泊系统。

目前，多点系泊模式主要包括系泊(锚泊)定位、DP动力定位以及系泊与DP动力定位相结合的联合定位方式。一般情况下，1500米水深以上采用DP动力定位的较多，1500米水深以内采用系泊定位的较多，1500～3000米水深多采用系泊-DP动力定位联合定位方式。

其中，系泊定位的优点为：定位作业的综合成本低，能耗低；但由于定位铰车和缆绳的强度受限，因此，无法抵抗不同海况及海水腐蚀，在海洋环境条件恶劣或深水条件下不能满足浮式海洋平台/工程船所需的定位精度。而DP动力定位方式虽然可满足恶劣海况下和深水情况下的定位精度要求，但具有高能耗高成本的问题。

而系泊与DP动力定位相结合的联合定位方式，既能在恶劣海况下和深水情况下满足定位精度，又能减少单纯使用DP动力定位产生的高能耗高成本。但DP动力定位是最复杂的动力及控制系统，多应用于高附加值项目；海上石油开采比陆地石油开采的成本已经高出很多，因此，系泊与DP动力定位相结合的联合定位方式，由于成本高以及能耗高等问题，发展仍然受限。

所以，开发出一种结构简单、造价低、易于使用和维护，同时又能够在恶劣海况下和深水情况下满足定位精度需求的定位系统，成为目前亟需解决的事情。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统及方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统，包括上位机、系泊绞车控制系统和电力推进控制系统；

所述系泊绞车控制系统包括4套锚绞机系统，分别对应浮式平台的四个角；各套所述锚绞机系统通过第一现场总线联接在一起构成环形网络；

所述电力推进控制系统包括4套电力推进系统，分别对应浮式平台的四个角；各套所述电力推进系统通过第二现场总线联接在一起构成环形网络；

所述第一现场总线和所述第二现场总线联接在一起，实现所述系泊绞车控制系统和所述电力推进控制系统的等时同步控制；

所述上位机分别与所述系泊绞车控制系统和所述电力推进控制系统连接。

优选的，每套所述锚绞机系统包括系泊PLC控制器、第一24VDC供电模块、可控整流-逆变系泊运动控制器、通讯模块、有源前端可控整流的系泊电机供电模块ALM、系泊电机驱动模块PM、锚机电动机编码器模块、锚机电动机编码器、锚绞机编码器模块、锚绞机编码器，锚机电动机、锚绞机、锚链、锚、减速器、制动器、垂直向角度传感器、水平向角度传感器；

所述系泊PLC控制器通过所述系泊电机驱动模块PM与所述锚机电动机连接，用于控制所述锚机电动机的工作状态；所述锚机电动机的输出端连接到所述锚铰机，用于驱动所述锚铰机进行锚链的伸缩动作；所述锚链的一端缠绕于所述锚铰机，另一端通过所述锚固定到系泊定位点；

电站母线排提供动力电源，其与所述有源前端可控整流的系泊电机供电模块ALM连接，用于向所述有源前端可控整流的系泊电机供电模块ALM提供450V三相交流电；所述有源前端可控整流的系泊电机供电模块ALM将三相交流电变换为700V的直流电，并连接到所述系泊电机驱动模块PM；所述系泊电机驱动模块PM将700V的直流电变换为450VAC供给所述锚机电动机，进而向所述锚机电动机供电；

外部110V交流电连接到所述第一24VDC供电模块，所述第一24VDC供电模块将110V交流电变换为24V直流电，并向所述锚绞机系统的除所述锚机电动机之外的其他设备模块供电；

所述锚机电动机编码器用于检测所述锚机电动机的转角和转速，并发送给所述锚机电动机编码器模块，经所述锚机电动机编码器模块处理后，上传给所述系泊PLC控制器；

所述锚绞机编码器用于检测所述锚铰机的转角和转速，并发送给所述锚绞机编码器模块，经所述锚绞机编码器模块处理后，上传给所述系泊PLC控制器；

所述张力传感器安装在所述锚铰机的四个固定地脚中对角线上的两个地脚螺栓处，用于实时检测所述锚链的锚链张力，并直接传输给所述系泊PLC控制器；

所述垂直向角度传感器用于实时检测锚链与垂直方向的夹角，并直接传输给所述系泊PLC控制器；

所述水平向角度传感器用于实时检测锚链水平方向与船艏向的夹角，并直接传输给所述系泊PLC控制器；

所述减速器，安装于所述锚机电动机和所述锚铰机之间，用于保证锚绞机所需的低速大转矩；

所述制动器安装于所述锚铰机的控制端，用于制动刹车，防止锚链的长度和张力滑动；

所述通讯模块用于连接其他锚绞机系统，构成环形现场总线网络，实现等时同步控制。

优选的，每套所述电力推进系统包括电力推进PLC控制器、第二24VDC供电模块、电力推进运动控制器、通讯模块、有源前端可控整流的推进电机供电模块ALM、推进电机驱动模块PM、回转电机驱动模块PM、推进电机编码器模块、推进电机编码器、回转电机编码器模块、回转电机编码器、推进电机、回转电机、推进电机输出轴扭矩传感器和螺旋桨；

所述电力推进PLC控制器通过所述推进电机驱动模块PM与所述推进电机连接，用于控制所述推进电机的工作状态；所述推进电机的输出端连接到所述螺旋浆，用于控制所述螺旋浆旋转速度；

所述电力推进PLC控制器通过所述回转电机驱动模块PM与所述回转电机连接，用于控制所述回转电机的工作状态，进而调整平台方向；

电站母线排提供动力电源，其与所述有源前端可控整流的推进电机供电模块ALM连接，用于向所述有源前端可控整流的推进电机供电模块ALM提供450V三相交流电；所述有源前端可控整流的推进电机供电模块ALM将三相交流电变换为700V的直流电，并分别连接到所述推进电机驱动模块PM和所述回转电机驱动模块PM；所述推进电机驱动模块PM将700V的直流电变换为450V直流电供给所述推进电机，进而向所述推进电机供电；所述回转电机驱动模块PM将700V的直流电变换为450V直流电供给所述回转电机，进而向所述回转电机供电；

外部110V交流电连接到所述第二24VDC供电模块，所述第二24VDC供电模块将110V交流电变换为24V直流电，并向所述电力推进系统的除所述回转电机和所述推进电机之外的其他设备模块供电；

所述推进电机编码器，用于检测所述推进电机的转角和转速，并发送给所述推进电机编码器模块，经所述推进电机编码器模块处理后，上传给所述电力推进PLC控制器；

所述回转电机编码器，用于检测所述回转电机的转角和转速，并发送给所述回转电机编码器模块，经所述回转电机编码器模块处理后，上传给所述电力推进PLC控制器；

所述推进电机输出轴扭矩传感器，用于检测所述推进电机输出轴的扭矩值，并直接上传给所述电力推进PLC控制器。

本发明还提供一种应用船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统的方法，包括以下步骤：

步骤1，海洋平台定点作业时，首先布置定位锚，定位锚布置原则是：按艏向顺时针方向布置定位锚，艏向右前锚为1号锚，每条锚链同艏艉方向对称布置；具体的，艏向右前方向布置1号锚和2号锚；艏向右后方向布置3号锚和4号锚；其中，3号锚与2号锚相对于艉向对称；4号锚与1号锚相对于艉向对称；艏向左后方向布置5号锚和6号锚；其中，5号锚与4号锚相对于艏向对称；6号锚与3号锚相对于艏向对称；艏向左前方向布置7号锚和8号锚；其中，7号锚与2号锚相对于艏向对称；8号锚与1号锚相对于艏向对称；

然后，根据定位海域风向流向的优势方向确定平台艏向；若不存在优势风向流向，则1号锚与艏向夹角为25°，2号锚与艏向夹角为70°；若存在优势风向流向，则1号锚与艏向夹角为30°，2号锚与艏向夹角为60°；

步骤2，海洋平台采用定位锚进行抛锚定位后，与8个锚分别对应的8台锚绞机协同进行抛锚抓力实验，其中，锚抓力至少为锚重的8～10倍，抓力测试应对称向锚施加负荷，能加上负荷且施加的负荷保持不变后，才能确实所有锚均已抓紧，则放松锚链到工作范围内；

步骤3，对于步骤1布置的8个定位锚，划分为两组，其中，1号锚、4号锚、5号锚和8号锚归为一组，称为长度定值控制组，采用系泊锚链长度定值控制策略进行系泊锚链长度定值控制；2号锚、3号锚、6号锚和7号锚归为一组，称为恒张力控制组，采用恒张力控制策略进行恒张力控制；

步骤4，在多点系泊工作过程中，初始时，均不启动系泊锚链长度定值控制策略和恒张力控制策略；

上位机实时获取系泊平台的环境表征参数，包括风速v米/秒，流速I节，浪高m米，振荡周期T，潮差Δ米，纵摇β度，左右摇摆α度；风浪流影响下海洋平台六自由度运动，小范围内的运动靠系泊锚链回复力限制住，其定位临界控制范围为最大漂移半径﹤5～6％水深，定位范围误差﹤2～3％水深，平台的纵向和横向倾斜≤1°，张力控制精度≤±5％额定负载，因此，在没有超出定位临界控制范围时，系泊平台依靠系泊锚链回复力定位；当超出定位临界控制范围时，执行步骤5；

步骤5，对1号锚、4号锚、5号锚和8号锚采用系泊锚链长度定值控制策略进行系泊锚链长度定值控制，具体控制过程见步骤6；对2号锚、3号锚、6号锚和7号锚采用恒张力控制策略进行恒张力控制，具体控制过程见步骤7；

步骤6，系泊锚链长度定值控制用于限制平台的上下运动；具体包括：

步骤6.1，以平台底部距离海底水深H₀为参考值，平台实际距离工作海域的海底为h，则偏差ΔH＝H₀-h；

步骤6.2，若-δ≤ΔH≤δ，δ≥0，δ为0.2～0.3米，锚绞机进行恒长度控制，锚绞机的刹车装置起作用，系泊锚链长度不变但张力随环境力变化；H₀与平台压载状态即吃水相关，涨潮、落潮或平台压载程度都将影响H₀大小；

步骤6.3，判断锚链张力是否小于锚链破断力，如果锚链张力＞锚链破断力，则锚绞机只进行恒张力控制，系泊锚链长度随环境力变化；

如果锚链张力＜锚链破断力，锚绞机随着浮力调整锚链张力，具体的，若因涨潮导致平台上升，即ΔH＜-δ时，浮力大于锚绞机刹车力，则锚绞机起动慢慢反转放出锚链，锚绞机刹车脱开，使系泊锚链长度增大，直至平台上浮停止为止；

若因落潮导致平台下沉，即ΔH＞δ时，浮力小于锚绞机刹车力，则锚绞机起动正转收紧锚链，锚绞机刹车脱开，使系泊锚链长度缩短，直至平台上浮停止为止；

当平台停止上浮或下沉后，锚绞机慢慢转动，正转也可能反转，逐渐调整锚链长度及张力，保持平台吃水到允许值；

平台吃水到规定值后，锚绞机调整锚链张力与浮力相适应，进行恒张力控制，最后刹车起作用，保持恒张力；

步骤7，系泊锚链恒张力控制用于限制平台在x-y平面内运动；其中，平台艏向为x轴正方向；防止平台漂移超出允许范围；具体包括以下步骤：

步骤7.1，风/流方向和大小的变化导致船舶移位及锚链张力变化，调整张力原则为：先放松下风锚链并等时同步收紧上风锚链；锚绞机控制系统使上风锚链均匀地承受环境力载荷同时全部放松下风锚链；此时，若上风锚链张力没有超过其1/3破断强度，则按调整张力原则调整各个锚链的张力；当上风锚链张力超过其1/3破断强度时，对上风锚链进行恒张力控制，并执行步骤7.2；

步骤7.2，启动分别对应平台四角的4套电力推进系统；每套电力推进系统均包括用于调整推进力大小的推进电机以及用于调整推进力方向的回转电机；协同对四个推进器和四个回转电机进行控制，使推进器转动调向并驱动螺旋桨旋转产生的合力抵抗风/流作用力，即：推进器产生的推力，补偿系泊锚链张力与环境作用力差额，从而减轻上风系泊锚链的负荷。

本发明提供的船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统及方法具有以下优点：

本发明提供一种船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统及方法，通过多点系泊锚-桨联合协同定位，为海工定位项目带来稳定、高效、节能和低成本优势，推进设备资源利用率高，还减小了系泊设备容量，具有较高的经济和社会效益，对提升海上钻井与采油等定位项目的竞争力具有重要的现实意义和推广价值。

附图说明

图1为本发明提供的定位锚在浮式平面上的布置方式示意图；

其中：1-1号锚；2-2号锚；3-3号锚；4-4号锚；5-5号锚；6-6号锚；7-7号锚；8-8号锚；

图2为本发明提供的多点系泊的简化示意图；

图3为本发明提供的船海工程多点系泊锚桨联合协同定位方法的流程图；

图4为本发明提供的船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统的连接关系图；

图5为本发明提供的船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统的原理图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

海洋工程工作模式多在某一海域长期定点作业型项目，选用最合适的定位方案非常关键。现有的主要定位模式主要存在以下主要问题：

(1)、DP动力定位系统需要多个推进器同步协调持续运转，能耗大，所需的电站容量也大。

(2)、DP动力定位系统初始投资高、设备昂贵，其总成本与水深无关。

(3)、DP动力定位系统运营、管理及维护的成本很高。

(4)、系泊定位系统主要承受风浪流载荷，应力不能超过系泊缆(链)的破断力，为此使系泊设备的功率、尺寸和强度进一步加大，造成甲板负荷大、成本很高。

(5)、推进系统仅在航行和移泊起作用，定位中尚未应用，导致推进器功能没有充分发挥及资源浪费。

具有自航能力的海洋平台和工程船采用系泊定位时，其推进器不参与定位工作，仅仅用于航行和移泊，其定位仅靠系泊系统来完成的，这导致推进器的作用没有充分发挥出来，系泊系统因选大而造成投资高。

(6)、系泊系统与推进系统的协同作用机制缺少应用性研究。

针对上述问题，本发明提供一种船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统及方法，通过多点系泊锚-桨联合协同定位，为海工定位项目带来稳定、高效、节能和低成本优势，推进设备资源利用率高，还减小了系泊设备容量，具有较高的经济和社会效益，对提升海上钻井与采油等定位项目的竞争力具有重要的现实意义和推广价值。

具体的，本发明解决单独采用DP动力定位具有的能耗大、投资高、运营成本高的难题，解决单独采用系泊定位具有的难以抵御恶劣海况的难题，解决推进系统在系泊定位中如何发挥作用的问题，解决系泊(锚泊)定位与推进器(桨)联动协调的技术难点。

本发明具有以下优点：

(1)、系泊定位系统与推进系统联动，相互协调作用，提高定位精度和抵御恶劣海况能力。

(2)、系泊定位控制系统与推进控制系统采用统一的总线系统、灵活的拓扑结构及等时同步协调策略。

(3)、推进系统在平面上进行辅助定位，可减轻系泊定位系统所承受的风浪流载荷。

(4)、系泊定位系统与推进系统联合可提升海洋平台和工程船的移泊效率。

(5)、推进系统辅助作用于系泊定位系统，减轻了绞锚机功率，由此减小了电站容量，降低成本，节能减排效果显著。

多点系泊要求定位在一定的定点范围内，该定位范围(S)不超过水深(H)的(3-5)％，即S≤(3-5)％H。多点系泊一般为1-16个锚点/缆桩，但海洋平台/船舶上的系泊作用点一般为4个，每个作用点引出1-16根系泊锚链到锚点/缆桩，图1所示为八点系泊示意图。为了提高可靠性，每个作用点至少引出2根系泊锚链；为了增大系泊力、减小单套锚绞机和系泊锚链的尺寸和重量及承载力，每个作用点引出3-4根系泊锚链。每个作用点的锚绞机即可独立工作，也可通过离合器联合工作，提高安全性和可靠性。

海洋平台/船舶上的系泊作用点引出的多根系泊锚链，都可以合成一根名义上的系泊锚链，如图2所示，八点系泊合力为四点系泊。风浪流的作用具有方向性，多点系泊在风浪流的作用方向上可合成为两点系泊，如图2所示，多点系泊可简化为两点系泊。

如图4和图5所示，本发明提供一种船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统，包括上位机、系泊绞车控制系统和电力推进控制系统；所述系泊绞车控制系统包括4套锚绞机系统，分别对应浮式平台的四个角；各套所述锚绞机系统通过第一现场总线联接在一起构成环形网络；

所述电力推进控制系统包括4套电力推进系统，分别对应浮式平台的四个角；各套所述电力推进系统通过第二现场总线联接在一起构成环形网络；

所述第一现场总线和所述第二现场总线联接在一起，实现所述系泊绞车控制系统和所述电力推进控制系统的等时同步控制；

所述上位机分别与所述系泊绞车控制系统和所述电力推进控制系统连接。

图4所示多点系泊锚-桨联合协同定位系统网络图，1#～4#系泊绞车控制系统和1#～4#电力推进控制系统通过环形以太网络联接在一起，上位机计算机通过以太网络进行定位系统管理。1#～4#锚绞机系统通过CAN BUS或Profibus.net现场总线联接在一起构成环形网络，每个锚绞机系统由1～4套组成，单套功率不超过800kw。多点系泊的推进器只能采用吊舱推进形式的，每套电力推进控制系统通过CAN BUS或Profibus.net现场总线联接在一起构成环形网络。1#～4#系泊绞车控制系统现场总线与1#～4#电力推进控制系统现场总线联接在一起，实现等时同步控制。

多点系泊锚-桨联合协同定位系统原理图，由上位计算机、以太网络、1#～4#系泊绞车控制系统和1#～4#电力推进控制系统组成。

参考图5，下面分别对系泊绞车控制系统和电力推进控制系统详细介绍：

(一)系泊绞车控制系统

所述系泊绞车控制系统包括4套锚绞机系统，分别对应浮式平台的四个角；每套所述锚绞机系统包括系泊PLC控制器、第一24VDC供电模块、可控整流-逆变系泊运动控制器、通讯模块、有源前端可控整流的系泊电机供电模块ALM、系泊电机驱动模块PM、锚机电动机编码器模块、锚机电动机编码器、锚绞机编码器模块、锚绞机编码器，锚机电动机、锚绞机、锚链、锚、减速器、制动器、垂直向角度传感器、水平向角度传感器；

所述系泊PLC控制器通过所述系泊电机驱动模块PM与所述锚机电动机连接，用于控制所述锚机电动机的工作状态；所述锚机电动机的输出端连接到所述锚铰机，用于驱动所述锚铰机进行锚链的伸缩动作；所述锚链的一端缠绕于所述锚铰机，另一端通过所述锚固定到系泊定位点；

电站母线排提供动力电源，其与所述有源前端可控整流的系泊电机供电模块ALM连接，用于向所述有源前端可控整流的系泊电机供电模块ALM提供450V三相交流电；所述有源前端可控整流的系泊电机供电模块ALM将三相交流电变换为700V的直流电，并连接到所述系泊电机驱动模块PM；所述系泊电机驱动模块PM将700V的直流电变换为450VAC供给所述锚机电动机，进而向所述锚机电动机供电；

外部110V交流电连接到所述第一24VDC供电模块，所述第一24VDC供电模块将110V交流电变换为24V直流电，并向所述锚绞机系统的除所述锚机电动机之外的其他设备模块供电；

所述锚机电动机编码器用于检测所述锚机电动机的转角和转速，并发送给所述锚机电动机编码器模块，经所述锚机电动机编码器模块处理后，上传给所述系泊PLC控制器；

所述锚绞机编码器用于检测所述锚铰机的转角和转速，并发送给所述锚绞机编码器模块，经所述锚绞机编码器模块处理后，上传给所述系泊PLC控制器；

所述张力传感器安装在所述锚铰机的四个固定地脚中对角线上的两个地脚螺栓处，用于实时检测所述锚链的锚链张力，并直接传输给所述系泊PLC控制器；

所述垂直向角度传感器用于实时检测锚链与垂直方向的夹角，并直接传输给所述系泊PLC控制器；

所述水平向角度传感器用于实时检测锚链水平方向与船艏向的夹角，并直接传输给所述系泊PLC控制器；

所述减速器，安装于所述锚机电动机和所述锚铰机之间，用于保证锚绞机所需的低速大转矩；

所述制动器安装于所述锚铰机的控制端，用于制动刹车，防止锚链的长度和张力滑动；

所述通讯模块用于连接其他锚绞机系统，构成环形现场总线网络，实现等时同步控制。

(二)电力推进控制系统

每套所述电力推进系统包括电力推进PLC控制器、第二24VDC供电模块、电力推进运动控制器、通讯模块、有源前端可控整流的推进电机供电模块ALM、推进电机驱动模块PM、回转电机驱动模块PM、推进电机编码器模块、推进电机编码器、回转电机编码器模块、回转电机编码器、推进电机、回转电机、推进电机输出轴扭矩传感器和螺旋桨；

所述电力推进PLC控制器通过所述推进电机驱动模块PM与所述推进电机连接，用于控制所述推进电机的工作状态；所述推进电机的输出端连接到所述螺旋浆，用于控制所述螺旋浆旋转速度；

所述电力推进PLC控制器通过所述回转电机驱动模块PM与所述回转电机连接，用于控制所述回转电机的工作状态，进而调整平台方向；

电站母线排提供动力电源，其与所述有源前端可控整流的推进电机供电模块ALM连接，用于向所述有源前端可控整流的推进电机供电模块ALM提供450V三相交流电；所述有源前端可控整流的推进电机供电模块ALM将三相交流电变换为700V的直流电，并分别连接到所述推进电机驱动模块PM和所述回转电机驱动模块PM；所述推进电机驱动模块PM将700V的直流电变换为450V直流电供给所述推进电机，进而向所述推进电机供电；所述回转电机驱动模块PM将700V的直流电变换为450V直流电供给所述回转电机，进而向所述回转电机供电；

外部110V交流电连接到所述第二24VDC供电模块，所述第二24VDC供电模块将110V交流电变换为24V直流电，并向所述电力推进系统的除所述回转电机和所述推进电机之外的其他设备模块供电；

所述推进电机编码器，用于检测所述推进电机的转角和转速，并发送给所述推进电机编码器模块，经所述推进电机编码器模块处理后，上传给所述电力推进PLC控制器；

所述回转电机编码器，用于检测所述回转电机的转角和转速，并发送给所述回转电机编码器模块，经所述回转电机编码器模块处理后，上传给所述电力推进PLC控制器；

所述推进电机输出轴扭矩传感器，用于检测所述推进电机输出轴的扭矩值，并直接上传给所述电力推进PLC控制器。

推进电机供电模块ALM和推进电机驱动模块PM，经直流母线在背部并联在一起，该直流母线电压700VDC±10VDC。推进电机供电模块ALM、推进电机驱动模块PM、运动控制器、通讯模块及编码器模块通过工业以太网DriveCliQ联接一起，构成内部专用网络，实现模块间实时数据共享。

本发明提供的多点系泊锚-桨联合协同定位系统，通过以太网将多点系泊控制系统和多个推进控制系统联系在一起，实现数据共享、协同控制。多点系泊系统作用为主，推进系统为辅，只有当多系泊系统超负荷时，推进系统投入工作，这时多点系泊系统为恒张力控制，推进系统克服额外负荷。多点系泊定位系统对风浪流方向很敏感，首先要检测到风浪流作用方向，由该方向的系泊系统抵抗风浪流作用，多推进器回转电机联动跟踪风浪流作用方向，推进电机驱动螺旋桨产生的作用力抵抗风浪流作用力。

参考图3，本发明还提供一种应用船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统的方法，包括以下步骤：

步骤1，海洋平台定点作业时，首先布置定位锚，定位锚布置原则是：按艏向顺时针方向布置定位锚，艏向右前锚为1号锚，每条锚链同艏艉方向对称布置；具体的，艏向右前方向布置1号锚和2号锚；艏向右后方向布置3号锚和4号锚；其中，3号锚与2号锚相对于艉向对称；4号锚与1号锚相对于艉向对称；艏向左后方向布置5号锚和6号锚；其中，5号锚与4号锚相对于艏向对称；6号锚与3号锚相对于艏向对称；艏向左前方向布置7号锚和8号锚；其中，7号锚与2号锚相对于艏向对称；8号锚与1号锚相对于艏向对称；

然后，根据定位海域风向流向的优势方向确定平台艏向；若不存在优势风向流向，则1号锚与艏向夹角为25°，2号锚与艏向夹角为70°；若存在优势风向流向，则1号锚与艏向夹角为30°，2号锚与艏向夹角为60°；

步骤2，海洋平台采用定位锚进行抛锚定位后，与8个锚分别对应的8台锚绞机协同进行抛锚抓力实验，其中，锚抓力至少为锚重的8～10倍，抓力测试应对称向锚施加负荷，能加上负荷且施加的负荷保持不变后，才能确实所有锚均已抓紧，则放松锚链到工作范围内；

步骤3，对于步骤1布置的8个定位锚，划分为两组，其中，1号锚、4号锚、5号锚和8号锚归为一组，称为长度定值控制组，采用系泊锚链长度定值控制策略进行系泊锚链长度定值控制；2号锚、3号锚、6号锚和7号锚归为一组，称为恒张力控制组，采用恒张力控制策略进行恒张力控制；

步骤4，在多点系泊工作过程中，初始时，均不启动系泊锚链长度定值控制策略和恒张力控制策略；仅通过多点系泊锚链作用即可使系泊平台位于定位临界控制范围之内。

上位机实时获取系泊平台的环境表征参数，包括风速v米/秒，流速I节，浪高m米，振荡周期T，潮差Δ米，纵摇β度，左右摇摆α度；风浪流影响下海洋平台六自由度运动，小范围内的运动靠系泊锚链回复力限制住，其定位临界控制范围为最大漂移半径﹤5～6％水深，定位范围误差﹤2～3％水深，平台的纵向和横向倾斜≤1°，张力控制精度≤±5％额定负载，因此，在没有超出定位临界控制范围时，系泊平台依靠系泊锚链回复力定位；当超出定位临界控制范围时，执行步骤5；

其中，多点系泊锚链作用原理为：多点系泊锚链一端通过抓嵌式锚固定于海底，当平台偏移达到最大允许范围时，系泊锚链下端点仍具有与水底相切的最小长度，利用锚链的悬垂力，使系泊锚链适应平台的波致运动，还要避免锚链和浮体相撞。为了减小平台漂移量，锚链触地点处增加配重，可加深悬链线轮廓。保持锚链长度不变，链径越粗，平台漂移时系泊锚链产生的回复力越大，使平台的水平位移越小。

多点系泊的水平跨距与预张力相对应，多点系泊控制系统通过锚绞机调整系泊锚链的水平跨距来调整预张力大小。水平跨距越大，预张力越大，平台漂移时锚链回复力越大，平台水平位移越小；多点系泊水平跨距的改变对平台受力和位移的影响非常明显，定位锚的布置非常重要，定位锚布置完成后就不再改变其位置了。

锚链预张力是最敏感的系泊控制参数，锚链长度一定，预张力变化对平台系泊性能的影响最为显著。系泊锚链长度和布置角度保持不变时，系泊锚链预张力越大，系泊锚链最大张力就越大，锚链产生的回复力越大，则平台在风浪流影响下的漂移就越小。设计多点系泊系统的难点是在保证系统所需回复力的同时使系泊锚链的最大张力尽量小。锚链预张力与系统回复力和锚链张力均为正相关关系，锚链预张力应适当，既要使系统回复力足够大，又要尽量减小锚链张力，这只能通过多点系泊锚-桨联合协同控制来实现的。

步骤5，对1号锚、4号锚、5号锚和8号锚采用系泊锚链长度定值控制策略进行系泊锚链长度定值控制，具体控制过程见步骤6；对2号锚、3号锚、6号锚和7号锚采用恒张力控制策略进行恒张力控制，具体控制过程见步骤7；

步骤6，系泊锚链长度定值控制用于限制平台的上下运动；具体包括：

步骤6.1，以平台底部距离海底水深H₀为参考值，平台实际距离工作海域的海底为h，则偏差ΔH＝H₀-h；

步骤6.2，若-δ≤ΔH≤δ，δ≥0，δ一般为0.2～0.3米，锚绞机进行恒长度控制，锚绞机的刹车装置起作用，系泊锚链长度不变但张力随环境力变化，潮汐对平台的影响为慢变过程，要先有系泊锚链的长度变化后，锚绞机才开始调整其长度和张力，这样防止了锚绞机调节过头。H₀与平台压载状态即吃水相关，涨潮、落潮或平台压载程度都将影响H₀大小；

步骤6.3，判断锚链张力是否小于锚链破断力，如果锚链张力＞锚链破断力，则锚绞机只进行恒张力控制，系泊锚链长度随环境力变化；

如果锚链张力＜锚链破断力，锚绞机随着浮力调整锚链张力，具体的，若因涨潮导致平台上升，即ΔH＜-δ时，浮力大于锚绞机刹车力，则锚绞机起动慢慢反转放出锚链，锚绞机刹车脱开，使系泊锚链长度增大，直至平台上浮停止为止；

若因落潮导致平台下沉，即ΔH＞δ时，浮力小于锚绞机刹车力，则锚绞机起动正转收紧锚链，锚绞机刹车脱开，使系泊锚链长度缩短，直至平台上浮停止为止；

当平台停止上浮或下沉后，锚绞机慢慢转动，正转也可能反转，逐渐调整锚链长度及张力，保持平台吃水到允许值；

平台吃水到规定值后，锚绞机调整锚链张力与浮力相适应，进行恒张力控制，最后刹车起作用，保持恒张力；

步骤7，系泊锚链恒张力控制用于限制平台在x-y平面内运动；其中，平台艏向为x轴正方向；防止平台漂移超出允许范围；具体包括以下步骤：

步骤7.1，风/流方向和大小的变化导致船舶移位及锚链张力变化，调整张力原则为：先放松下风锚链并等时同步收紧上风锚链；锚绞机控制系统使上风锚链均匀地承受环境力载荷同时全部放松下风锚链；此时，若上风锚链张力没有超过其1/3破断强度，则按调整张力原则调整各个锚链的张力；当上风锚链张力超过其1/3破断强度时，对上风锚链进行恒张力控制，并执行步骤7.2；

步骤7.2，启动分别对应平台四角的4套电力推进系统；每套电力推进系统均包括用于调整推进力大小的推进电机以及用于调整推进力方向的回转电机；协同对四个推进器和四个回转电机进行控制，使推进器转动调向并驱动螺旋桨旋转产生的合力抵抗风/流作用力，即：推进器产生的推力，补偿系泊锚链张力与环境作用力差额，从而减轻上风系泊锚链的负荷，减轻了锚绞机负荷，提高平台抵御风浪流的能力。

因此，系泊平台的环境表征参数包括风速v米/秒，流速I节，浪高m米，振荡周期T，潮差Δ米，纵摇β度，左右摇摆α度，需要风速仪、流速仪、浪涌计、潮汐表、摇摆表、振荡传感器等进行实时检测，送入锚绞机控制系统，再经通讯方式送入推进控制系统。风浪流影响下海洋平台六自由度运动，小范围内的运动靠系泊锚链回复力限制住，其定位临界控制范围为最大漂移半径﹤5～6％水深，定位范围误差﹤2～3％水深，平台的纵向和横向倾斜≤1°，张力控制精度≤±5％额定负载，超出这些范围时，锚-桨联合协同定位起作用，使平台运动又回到规定的范围内，实现多点系泊。

需要强调的是，本发明中，定位锚布置完成后，多点系泊的水平跨距范围可以改变，从而移动平台在不同地方钻井或采油，平台在钻井或采油时为定点的定位控制。当平台在某点完成钻井或采油时，再移泊到附近的另一点钻井或采油，平台在一定海域内移泊时，不需要起锚，通过多点系泊锚-桨联合协同作用，可以较快的把平台移泊到位，比无螺旋桨配合的移泊效率高。多点系泊定位在工作过程中，如果某个锚绞机出现故障而退出工作，通过多点系泊锚-桨联合协同定位系统重构剩余锚绞机的出力，使平台工作不受影响。

本发明提供的船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统及方法，具有以下创新点：

⑴、多点系泊锚-桨联合协同定位系统，减轻了锚绞机负荷和尺寸，减轻了对电网的功率冲击。

⑵、多点系泊锚-桨联合协同定位系统，平台小范围内移泊效率高。

⑶、多点系泊锚-桨联合协同定位系统，在锚绞机出现故障时可把其他锚绞机作用进行重构，提高了安全性和可靠性。

⑷、平台偏移范围较小时，靠锚链的回复力完成，平台偏移超出允许范围时由多点系泊锚绞机协同完成，恶劣海况或锚绞机出力达到极限时推进器驱动螺旋桨起作用，多点系泊锚-桨联合协同定位系统节能性好。

由此可见，本发明提供的一种船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统及方法，综合利用了具有结构简单、造价低、易于使用和维护等优点的系泊(锚泊)定位系统及抵御风浪流可对系泊定位补偿的推进系统，通过系泊系统与推进系统(锚-桨联合)的协同作用进行定位，为提升海洋工程定位系统的精度、稳定性、安全性、可靠性、低成本、节能减排及系统优化提供技术方案和应用指导。

本发明针对水深3000米以内海上钻井、采油等需要系泊定位的海工项目，解决系泊系统过载及抵御恶劣海况的难题，解决DP动力定位高耗能高成本的问题，克服海上作业遭遇恶劣海况而长期停工的难题。

本发明具体具有以下优点：

(1)本发明综合利用了系泊系统与推进系统的优点，可大大降低系泊定位系统的造价，降低船舶电站容量，提高推进系统的利用率，可实现多点系泊锚-桨联合协同定位系统产业化，多点系泊锚-桨联合协同定位模式对提升船海工程的定位精确性、稳定性、节能减排和市场竞争力具有重要的现实意义和推广应用价值。

(2)自航能力海洋平台及工程船锚-浆联合(系泊系统与推进系统联合)定位技术与方法实现定位性能与价值的平衡点，可大大降低定位作业的综合成本。

(3)海洋工程工作模式多在某一海域长期定点作业型项目，选用最合适的定位方案非常关键。本发明多点系泊锚-桨联合协同定位系统很有必要，将给海工项目带来稳定、高效、低成本的系统化集成解决方案。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统，其特征在于，包括上位机、系泊绞车控制系统和电力推进控制系统；

所述系泊绞车控制系统包括4套锚绞机系统，分别对应浮式平台的四个角；各套所述锚绞机系统通过第一现场总线联接在一起构成环形网络；

所述电力推进控制系统包括4套电力推进系统，分别对应浮式平台的四个角；各套所述电力推进系统通过第二现场总线联接在一起构成环形网络；

所述第一现场总线和所述第二现场总线联接在一起，实现所述系泊绞车控制系统和所述电力推进控制系统的等时同步控制；

所述上位机分别与所述系泊绞车控制系统和所述电力推进控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统，其特征在于，每套所述锚绞机系统包括系泊PLC控制器、第一24VDC供电模块、可控整流-逆变系泊运动控制器、通讯模块、有源前端可控整流的系泊电机供电模块ALM、系泊电机驱动模块PM、锚机电动机编码器模块、锚机电动机编码器、锚绞机编码器模块、锚绞机编码器，锚机电动机、锚绞机、锚链、锚、减速器、制动器、垂直向角度传感器、水平向角度传感器；

所述系泊PLC控制器通过所述系泊电机驱动模块PM与所述锚机电动机连接，用于控制所述锚机电动机的工作状态；所述锚机电动机的输出端连接到所述锚铰机，用于驱动所述锚铰机进行锚链的伸缩动作；所述锚链的一端缠绕于所述锚铰机，另一端通过所述锚固定到系泊定位点；

电站母线排提供动力电源，其与所述有源前端可控整流的系泊电机供电模块ALM连接，用于向所述有源前端可控整流的系泊电机供电模块ALM提供450V三相交流电；所述有源前端可控整流的系泊电机供电模块ALM将三相交流电变换为700V的直流电，并连接到所述系泊电机驱动模块PM；所述系泊电机驱动模块PM将700V的直流电变换为450VAC供给所述锚机电动机，进而向所述锚机电动机供电；

外部110V交流电连接到所述第一24VDC供电模块，所述第一24VDC供电模块将110V交流电变换为24V直流电，并向所述锚绞机系统的除所述锚机电动机之外的其他设备模块供电；

所述锚机电动机编码器用于检测所述锚机电动机的转角和转速，并发送给所述锚机电动机编码器模块，经所述锚机电动机编码器模块处理后，上传给所述系泊PLC控制器；

所述锚绞机编码器用于检测所述锚铰机的转角和转速，并发送给所述锚绞机编码器模块，经所述锚绞机编码器模块处理后，上传给所述系泊PLC控制器；

所述张力传感器安装在所述锚铰机的四个固定地脚中对角线上的两个地脚螺栓处，用于实时检测所述锚链的锚链张力，并直接传输给所述系泊PLC控制器；

所述垂直向角度传感器用于实时检测锚链与垂直方向的夹角，并直接传输给所述系泊PLC控制器；

所述水平向角度传感器用于实时检测锚链水平方向与船艏向的夹角，并直接传输给所述系泊PLC控制器；

所述减速器，安装于所述锚机电动机和所述锚铰机之间，用于保证锚绞机所需的低速大转矩；

所述制动器安装于所述锚铰机的控制端，用于制动刹车，防止锚链的长度和张力滑动；

所述通讯模块用于连接其他锚绞机系统，构成环形现场总线网络，实现等时同步控制。

3.根据权利要求1所述的船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统，其特征在于，每套所述电力推进系统包括电力推进PLC控制器、第二24VDC供电模块、电力推进运动控制器、通讯模块、有源前端可控整流的推进电机供电模块ALM、推进电机驱动模块PM、回转电机驱动模块PM、推进电机编码器模块、推进电机编码器、回转电机编码器模块、回转电机编码器、推进电机、回转电机、推进电机输出轴扭矩传感器和螺旋桨；

所述电力推进PLC控制器通过所述推进电机驱动模块PM与所述推进电机连接，用于控制所述推进电机的工作状态；所述推进电机的输出端连接到所述螺旋浆，用于控制所述螺旋浆旋转速度；

所述电力推进PLC控制器通过所述回转电机驱动模块PM与所述回转电机连接，用于控制所述回转电机的工作状态，进而调整平台方向；

电站母线排提供动力电源，其与所述有源前端可控整流的推进电机供电模块ALM连接，用于向所述有源前端可控整流的推进电机供电模块ALM提供450V三相交流电；所述有源前端可控整流的推进电机供电模块ALM将三相交流电变换为700V的直流电，并分别连接到所述推进电机驱动模块PM和所述回转电机驱动模块PM；所述推进电机驱动模块PM将700V的直流电变换为450V直流电供给所述推进电机，进而向所述推进电机供电；所述回转电机驱动模块PM将700V的直流电变换为450V直流电供给所述回转电机，进而向所述回转电机供电；

外部110V交流电连接到所述第二24VDC供电模块，所述第二24VDC供电模块将110V交流电变换为24V直流电，并向所述电力推进系统的除所述回转电机和所述推进电机之外的其他设备模块供电；

所述推进电机编码器，用于检测所述推进电机的转角和转速，并发送给所述推进电机编码器模块，经所述推进电机编码器模块处理后，上传给所述电力推进PLC控制器；

所述回转电机编码器，用于检测所述回转电机的转角和转速，并发送给所述回转电机编码器模块，经所述回转电机编码器模块处理后，上传给所述电力推进PLC控制器；

所述推进电机输出轴扭矩传感器，用于检测所述推进电机输出轴的扭矩值，并直接上传给所述电力推进PLC控制器。

4.一种应用权利要求1-3任一项所述的船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，海洋平台定点作业时，首先布置定位锚，定位锚布置原则是：按艏向顺时针方向布置定位锚，艏向右前锚为1号锚，每条锚链同艏艉方向对称布置；具体的，艏向右前方向布置1号锚和2号锚；艏向右后方向布置3号锚和4号锚；其中，3号锚与2号锚相对于艉向对称；4号锚与1号锚相对于艉向对称；艏向左后方向布置5号锚和6号锚；其中，5号锚与4号锚相对于艏向对称；6号锚与3号锚相对于艏向对称；艏向左前方向布置7号锚和8号锚；其中，7号锚与2号锚相对于艏向对称；8号锚与1号锚相对于艏向对称；

然后，根据定位海域风向流向的优势方向确定平台艏向；若不存在优势风向流向，则1号锚与艏向夹角为25°，2号锚与艏向夹角为70°；若存在优势风向流向，则1号锚与艏向夹角为30°，2号锚与艏向夹角为60°；

步骤2，海洋平台采用定位锚进行抛锚定位后，与8个锚分别对应的8台锚绞机协同进行抛锚抓力实验，其中，锚抓力至少为锚重的8～10倍，抓力测试应对称向锚施加负荷，能加上负荷且施加的负荷保持不变后，才能确实所有锚均已抓紧，则放松锚链到工作范围内；

步骤3，对于步骤1布置的8个定位锚，划分为两组，其中，1号锚、4号锚、5号锚和8号锚归为一组，称为长度定值控制组，采用系泊锚链长度定值控制策略进行系泊锚链长度定值控制；2号锚、3号锚、6号锚和7号锚归为一组，称为恒张力控制组，采用恒张力控制策略进行恒张力控制；

步骤4，在多点系泊工作过程中，初始时，均不启动系泊锚链长度定值控制策略和恒张力控制策略；

上位机实时获取系泊平台的环境表征参数，包括风速v米/秒，流速I节，浪高m米，振荡周期T，潮差Δ米，纵摇β度，左右摇摆α度；风浪流影响下海洋平台六自由度运动，小范围内的运动靠系泊锚链回复力限制住，其定位临界控制范围为最大漂移半径﹤5～6％水深，定位范围误差﹤2～3％水深，平台的纵向和横向倾斜≤1°，张力控制精度≤±5％额定负载，因此，在没有超出定位临界控制范围时，系泊平台依靠系泊锚链回复力定位；当超出定位临界控制范围时，执行步骤5；

步骤5，对1号锚、4号锚、5号锚和8号锚采用系泊锚链长度定值控制策略进行系泊锚链长度定值控制，具体控制过程见步骤6；对2号锚、3号锚、6号锚和7号锚采用恒张力控制策略进行恒张力控制，具体控制过程见步骤7；

步骤6，系泊锚链长度定值控制用于限制平台的上下运动；具体包括：

步骤6.1，以平台底部距离海底水深H₀为参考值，平台实际距离工作海域的海底为h，则偏差ΔH＝H₀-h；

步骤6.2，若-δ≤ΔH≤δ，δ≥0，δ为0.2～0.3米，锚绞机进行恒长度控制，锚绞机的刹车装置起作用，系泊锚链长度不变但张力随环境力变化；H₀与平台压载状态即吃水相关，涨潮、落潮或平台压载程度都将影响H₀大小；

步骤6.3，判断锚链张力是否小于锚链破断力，如果锚链张力＞锚链破断力，则锚绞机只进行恒张力控制，系泊锚链长度随环境力变化；

如果锚链张力＜锚链破断力，锚绞机随着浮力调整锚链张力，具体的，若因涨潮导致平台上升，即ΔH＜-δ时，浮力大于锚绞机刹车力，则锚绞机起动慢慢反转放出锚链，锚绞机刹车脱开，使系泊锚链长度增大，直至平台上浮停止为止；

若因落潮导致平台下沉，即ΔH＞δ时，浮力小于锚绞机刹车力，则锚绞机起动正转收紧锚链，锚绞机刹车脱开，使系泊锚链长度缩短，直至平台上浮停止为止；

当平台停止上浮或下沉后，锚绞机慢慢转动，正转也可能反转，逐渐调整锚链长度及张力，保持平台吃水到允许值；

平台吃水到规定值后，锚绞机调整锚链张力与浮力相适应，进行恒张力控制，最后刹车起作用，保持恒张力；

步骤7，系泊锚链恒张力控制用于限制平台在x-y平面内运动；其中，平台艏向为x轴正方向；防止平台漂移超出允许范围；具体包括以下步骤：

步骤7.1，风/流方向和大小的变化导致船舶移位及锚链张力变化，调整张力原则为：先放松下风锚链并等时同步收紧上风锚链；锚绞机控制系统使上风锚链均匀地承受环境力载荷同时全部放松下风锚链；此时，若上风锚链张力没有超过其1/3破断强度，则按调整张力原则调整各个锚链的张力；当上风锚链张力超过其1/3破断强度时，对上风锚链进行恒张力控制，并执行步骤7.2；

步骤7.2，启动分别对应平台四角的4套电力推进系统；每套电力推进系统均包括用于调整推进力大小的推进电机以及用于调整推进力方向的回转电机；协同对四个推进器和四个回转电机进行控制，使推进器转动调向并驱动螺旋桨旋转产生的合力抵抗风/流作用力，即：推进器产生的推力，补偿系泊锚链张力与环境作用力差额，从而减轻上风系泊锚链的负荷。