[发明专利]船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统及方法

权利要求书

1.一种船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统的定位方法，其特征在于，该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;

其中，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；

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；

其中，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桨，用于控制所述螺旋桨旋转速度；

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；

所述船海工程多点系泊锚桨联合协同定位系统的定位方法，包括以下步骤：

步骤1，海洋平台定点作业时，首先布置锚，锚布置原则是：按艏向顺时针方向布置锚，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∆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，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，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；

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∆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；

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，使平台移泊到位；多点系泊定位在工作过程中，某个锚绞机出现故障而退出工作时，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。