深水多功能水下工程作业船结构设计

深水多功能水下工程作业船结构设计

闫敏杰

博迈科海洋工程股份有限公司天津300457

摘要：随着社会的发展，我国的船舶制造领域的发展也突飞猛进。3000m水深多功能水下作业支持船能在3000m水深及复杂海况下作业，并且具有优异的操纵性、耐波性和定位能力。该船配置有400t大型海洋工程起重机（具有主动升沉补偿功能）、350tA字架、250t锚处理绞车、ROV等装备，具有饱和潜水支持、立式深水柔性管铺设、深水锚系处理作业、深水ROV（水下机器人）作业和IMR（检验、维护和维修）作业支持能力。

关键词：深水多功能；水下工程；作业船结构设计

引言

深水多功能水下工程作业船是一艘配置大型水下工程作业装备、集成多项水下作业功能的深水海域油气田开采配套船舶。该船集大型深水水下结构物安装、柔性管/电缆铺设、水下机器人（ROV）、锚系处理和潜水支持等多项功能于一身。该船安装以及预设作业功能布置的大型作业设备，体积庞大、额定负荷高，船体结构要承受巨大的作业载荷。同时根据深水工程作业的要求，设备的配置和船体结构布局需要综合协调优化，以满足船体结构的强度要求和深水水下工程作业的功能实现。

1综合集成自动化系统的配置

1.1系统网络组成

该船自动化系统采用分布式总线监控的形式，根据系统对冗余度的要求，主网络采用双环网形式，大大提高了系统的可靠性。自动化系统拓扑图如图1所示。

综合该船集成自动化系统的结构，可分为三层：1）现场层

现场层的系统和设备独立于全集成监测报警和控制系统，例如电站功率管理系统，或通过串行接口把数据传送到全集成监测报警和控制系统的主控制站（PCU），或通过以太网数据环网把数据传送到全集成监测报警和控制系统的服务器。全集成监测报警和控制系统对收到的数据进行处理并显示在工作站的人机界面上，以便操作人员对现场层的系统和设备进行监视和遥控。2）数据收集和过程处理层全集成监测报警和控制系统的控制单元（PCU）和信号采集单元（SCU）都连接在第二层。过程控制单元（PCU）对收到的数据进行处理，执行控制任务，并把处理完毕的过程信息发送到系统总线上。过程控制单元（PCU）通常安装在集控室，通过以太网通信模块与光纤环网进行数据通信。过程控制单元主要包括：中央处理器（CPU）模块、通信处理器（CP）模块、以太网交换机、中继器、ET200输入输出模块、电源和UPS模块、绝缘监测仪等。集单元（SCU）主要执行现场数据采集以及控制输出；信号采集单元（SCU）采用ET200模块作为PROFIBUS-DP的从站组成分布式系统，将分布在全船各处并通过ProfibusDP现场总线与过程控制单元（PCU）进行通讯。信号采集单元主要包括ET200输入输出模块、电源和UPS模块、绝缘监测仪等。延伸报警系统将通过一套独立的SIMATICS7300系列可编程控制器连接到第二层，并通过系统总线（工业以太网）与过程控制单元PCU进行通讯，收集自动化系统的报警并延伸到值班轮机员房间。3）人机界面层第三层是上层用户层，用于监视、长期存档和信息分析的记录、操作单元均连接在该层。第三层的主要设备是工作站（OS），包含人机界面（HMI）、报警记录打印机以及日志打印机。工作站主要由计算机、显视器、键盘、轨迹球等组成，通过网络交换机与终端总线相连。每一工作站都可以独立保持自己的当前过程数据，而与其他工作站无关。因为系统响应时间与工作站的数量以及单个工作站的工作性能无关。特别的数据更新机制将保证每一个工作站的过程数据即时动态自动更新。完备的图形功能和基于微软视窗技术的操作系统为操作人员提供了直观的用户导航和全图形环境。人机界面将以易于理解的方式显示船上各个系统的工作状态，操作人员可以准确观察到实际发生的情况，实时获得过程处理的信息，使用鼠标或轨迹球和键盘就可以轻松地执行遥控操作。此外，可以方便地直接调用全船的所有重要功能和信息，进一步提高了操作的安全性。

1.2系统布置

该船自动化系统庞大、监测报警点多，共设置了22个采集箱。由于报警点数量多，必需要考虑电缆的走向布置，在设计过程中既要考虑设备报警信号接入就近的采集箱，同时还要兼顾DP3的冗余分隔布置要求。

整个综合集成自动化系统的采集箱配置如图2。在每个采集箱内都安装了用以通讯的交换器，由于DP3规范要求，将所有的采集箱划分成两个部分，分别形成两个互不干扰的环网，且每个环网都由两组网络组成，分别命名为NETA、NETB。

1.3电源配置

根据DP分区冗余供电要求，自动化系统在全船各区域配置了5个不间断电源UPS，用于工作站、服务器和打印机供电。每个采集箱内各设有一个UPS给信号采集模块供电，UPS由两路AC220V电源自动切换供电，其中一路主电源来自主控制站PCU，一路备用电源来自220V助航分电箱电箱。同时UPS还设置有电源故障报警，这样保证了任何由电源引起的单一故障将不会影响到整个系统的正常运行，提供了系统可靠性。

1.4冗余性分析

为了增强系统的可靠性，该系统组件都采取了冗余配置。服务器和过程控制单元的终端总线和过程总线是以环网总线的形式布置。若一条总线发生中断，如交换器故障或光纤断开，则环网结构仍然能保持该总线上的所有设备的通信畅通；各OS站和服务器也都配有双网卡，这两张网卡拥有不同的IP地址，当一张网卡出现通信故障时，会自动切换到另一个网卡以保证通信。

2综合集成自动化系统的调试和试验

在船舶进入调试阶段，综合集成自动化系统会作为全船的一个调试重点，其主要的功能有：故障监测报警、遥控控制、数据记录、数据中转等。

对各种信号的调试过程，可依据综合集成自动化系统配备的接线图查找各信号的接线端子。为确保被监测的设备输出信号的稳定性，要求电缆均需有屏蔽层并且要牢靠接地，接线过程需按电气工艺规程进行。

2.1内外接口标准

综合集成自动化系统接收的信号主要由数字量输入和输出、模拟量输入和输出，这4种信号构成综合集成自动化系统的大部分硬线信号。在这些信号中又分成有源和无源信号，所以在调试过程中，需特别注意此类信号的区分，以免损坏模块。

2.2集成网络调试

在整个综合集成自动化系统的网络建立并正常运行后，庞大的集成网络将进入调试与报验阶段，整个系统拥有的硬线报警点有4000个左右，与其进行软通讯的设备有40个左右。基于综合集成自动化系统的设备调试主要分为：报警点调试、遥控功能调试、自动操作调试。在系统近4000个报警点中，每个报警点都有一个与之对应的接线通道，其接线方法可根据设计的接线图进行查对或从I/OList表中进行查找。每个报警点的调试都需先对报警点进行类型判断及供源判断，在确定接线后进行报警模拟，通过对设备的故障模拟，检验报警值设定是否正确。在对模拟量进行模拟时可以采取机械模拟的方法，用信号模拟发生器对温度信号和压力信号进行模拟，检查其显示值与模拟值是否一致。

结语

综合集成自动化系统作为全船重要的控制和监测系统，具有系统庞大、接口复杂等特点，不仅满足CCSAUT-0和DNVE0双船级社无人机舱要求，同时须满足CCSDP-3和DNVDPS3双船级社三级动力定位系统的规范要求，并通过FMEA实船验证，在出现单点故障，包括一个舱失火或浸水情况下不会导致整个系统崩溃。本项研究可为类似复杂海工船舶的综合集成自动化系統设计和调试提供经验借鉴。

参考文献：

[1]中国船级社.船舶与海上设施起重规范[M].北京：人民交通出版社，2007.