基于B&R贝加莱双主站和双网络冗余PCC的船舶动力定位系统
1动力定位系统的定义和分级
DP系统的定义
最初，在国际海运承包商协会(InternationalMarineContractorsAssociation,IMCA)的《动力定位船舶设计和使用指南》中，动力定位系统包括了三个部分，即动力（power）、控制（control）和参照值（references）。动力可以再被分为发电、配电和用电（推进器系统）；控制指的是对功率的控制和管理，有自动和手动两种方式，还含位置控制系统；参照就是指关于位置、环境以及船舶方位的传感器。
后来，国际海事组织（InternationalMaritimeOrganization，IMO）和国际海运承包商协会(IMCA)将动力定位（DP）定义为动力定位船舶所需要装备的全部设备，包括动力系统、推进器系统和动力定位控制系统。
1.2DP系统的分级
DP的分级标准主要考虑设备的可靠性和冗余度，目的是对动力定位系统的设计标准、必须安装的设备、操作要求和试验程序等作出规定，保证DP安全可靠运行，并避免在DP作业时对人员、船舶和其它设备造成损伤和危害。
由于海上作业船舶对于动力定位系统的可靠性要求越来越高，IMO以及各国的船级社都对DP系统提出了非常严格的要求，除了在各种条件下都能使用手动控制和自动控制这个基本要求之外，还制定了以下三个等级标准：
（1）设备等级一(DP1)：在单故障的情况下可能发生定位失常。
（2）设备等级二(DP2)：有源组件或发电机、推进器、配电盘遥控阀门等系统单故障时，不会发生定位失常，但当电缆、管道、手控阀等静态元件发生故障时可能会发生定位失常。
（3）设备等级三(DP3)：任何单故障都不会导致定位失常。基于贝加莱双主站和双网络冗余PCC设计、研发的船舶动力定位系统属于这一等级。
1.3DP系统属于高门槛应用
DP系统并非简单的海装平台的监控，它不同于通常的SCADA系统，而是一个具有全局要求的高可靠性和高可用性的系统，而且，它还必须通过严格的资质认证，包括IMO、ABS、DNV、IMCA、劳氏船级社等国际机构的认证才可以被确认为DP1-3的等级。此外，所有DP系统对于操作人员的资质、系统的文档、冗余系统设计、测试验证等都有着严格的规定。
目前，国外各主要DP厂家的产品均符合IMO及主要船级社的要求，但目前全球市场上仅有不到十家企业能够提供DP3等级的系统，其产品均能提供手动、半自动和自动三种操作方式，对船舶的位置和艏向的控制可单独进行或两者同步进行。由于各家公司设计理念及产品用途的不同，产品的配置也不一样，但大体上均包括操控台、控制和信号处理单元、测量系统、动力推进系统和网络等。
振华集团海装研究院作为的海洋装备与系统研发机构，一直积极地推动该项技术的自主研发与应用，以迎接国际船舶认证机构的挑战，获得全球产业竞争力。
基于与贝加莱在数字化码头的AGV、岸桥防摇系统项目中的成功合作，贝加莱系统的优良性能得到了振华海装研究院的信任，这也是开发DP系统时直接选用了贝加莱系统的原因。贝加莱提供的冗余控制系统（双CPU、双网络）已能直接满足DP2的要求，如在既有系统的基础上增加手动操作模式，即可满足最高的DP3等级的需求。
2动力定位系统的组成及工作原理
2.1DP系统的组成
船舶DP系统主要由位置测量系统、控制系统和推力系统三部分组成，如图3所示。
图3船舶动力定位系统组成示意图
（1）位置测量系统
测量系统系指可获得船舶相关运动参数和环境参数的传感器系统，主要包括：声学定位系统、提供船舶艏向的电罗经、提供船舶准确位置的DGPS、提供船舶姿态的垂向基准传感器、提供风速和风向变化的风向风速仪和张紧索等。
（2）控制系统
控制系统主要对测量系统获得的船舶运动信息及当前环境作用信息进行处理，经计算得出推进器的控制信号以对推进器进行控制，从而使动力定位船舶在风、流、浪等外力和推进器的推力综合作用下保持所期望的位置及艏向不变或向着预设位置航行。
（3）推力系统
推力系统是动力定位系统的执行机构，包括动力系统和推进器。推力系统按照控制系统发出的指令控制推进器所发出推力的大小和方向，以抵抗外部环境的干扰力和力矩。
2.2电气推进系统的组成和特点
2.2.1电气推进系统的组成[5]
电气推进系统属于DP系统中推力系统的一种，比较常见的船舶电气推进系统通常都由以下几部分组成的：原动机和发电机、配电装置、变流装置、电动机、螺旋桨以及相关控制设备等。
（1）原动机和发电机
原动机、发电机还有配电装置组成的电站能够为电气推进器提供需要的电能，原动机一般采用柴油机组，也可能采用汽轮机、燃气轮机、核动力和燃料电池等。依据不同的船型，电气推进器可以由独立的电站供电，也可以与船上的其他负载一起由公共电站供电，也就是通常所说的综合电气推进系统。
（2）配电装置
配电装置是为电气推进系统配电并为相关设备和电网提供保护。船舶所用的配电装置一般由主配电板、分配电板、马达控制中心和应急配电板等设备组成。根据电网的电压等级和电制需求，主配电板可以采用高、中压配电，低压配电板还有直流和交流配电等不同形式。
（3）变流装置
变流装置主要用来控制推进电机的速度，是船舶电气推进的核心装置之一。
（4）电动机
电动机用来驱动螺旋桨，根据不同需求可选择采用直流电机、交流异步电机或同步电机，推进电机的功率从数百千瓦到数兆瓦，同步电机通常用在大功率推进装置上。
（5）螺旋桨
螺旋桨用于将电机的驱动转矩转化成使船舶运动的动力，由于电气推进系统可以方便地改变电机的转速和转向，所以电气推进的螺旋桨通常使用固定螺旋桨。
2.2.2电气推进系统的特点[5]
基于B&R贝加莱双主站和双网络冗余PCC的船舶动力定位系统
（1）可以使用新型的高效推进器
由于电气推进是采用变速驱动的方式来改变船舶航速的，所以不需要改变螺旋桨的结构和形状，这样就可以使用固定螺旋桨。
（2）推进性能得到了充分的提高
电气推进的转速调整范围比较大、旋转换向快、起动转矩较大，既能满足各种船舶不同推进工作情况的性能需求，又能够充分的提高推进系统的生命力。
（3）节省有效空间
电气推进的就是可以把原动机和螺旋桨分开布置，这是与柴油机直接推进方式的最大区别。电气推进的动力装置是柴油发电机组，它可以在整艘船舶中灵活布置。
（4）节能环保
使用电气推进的船舶，由于柴油发电机组总是能够保证满载运行，几乎没有轻载的工况，效率保持在佳运行点上，耗油率较低，废物排放较少，能够较好地保护环境。
2.3DP系统的工作原理
DP系统根据其测量系统测出的船舶运动信息和环境参数，分析比较船舶位置及艏向和期望数值，然后控制系统根据这种偏差计算出推力并合理分配推力。船舶在控制系统的调控下，通过自身的动力驱动推进器，形成一个可以抵挡外部时变环境载荷的主动力，以对抗风、浪、流等力矩的负面影响，确保船舶成为具有一定位置和方向的体系。DP系统的工作原理如图4所示。船舶在大海上的动力学特点难以用精确的数学模型进行描述，且风、浪、流会随着时间和不同的海况而产生较大的变化。在根据动力定位系统（DPS）的工作机理来制订控制策略时，既应考虑到DP系统自身的控制精度，又必须考虑到系统的响应速度和能耗。
