关键词： 油气
动力定位系统应用（精选九篇）
动力定位系统应用 篇1
我国是沿海国家,拥有漫长的海岸线与300多万平方公里的辽阔海域,其中蕴藏着丰富的海底油气资源[1]。在对这一资源进行开发的过程中,海上油气田开采出的油气除少数在海上直接装船外运,其余多数则需要通过管道转输至陆地加工并分别输送到用户。随着石油天然气开发进程的不断深入,海洋管道的作用则越显重要,因此对于海洋管道铺设的专用设备——铺管船的关注度也在不断提高[2]。铺管船是用于海底管道铺设的专用大型海洋工程船舶,在海底输油管道、海底输气管道、海底输水管道的铺设方面有着重要作用[3]。
近年来,随着船舶建造水平的深入提高以及新技术的广泛应用,铺管船的发展也取得了很大进步。从采用锚泊定位、作业水深仅300m以内的浅水铺管船,发展到采用动力定位技术、能满足3000m以内作业水深的深海作业铺管船[1]。随着海上油气生产向深海的进一步发展,动力定位系统在铺管船上的应用必将得到更多重视和发展。
动力定位系统是一种闭环的控制系统,其采用推力器来提供抵抗风、浪、流等作用在船上的环境力,从而使船尽可能地保持在海平面上要求的位置上,其定位成本不会随着水深增加而增加,并且操作也比较方便[4]。本文着手于铺管船动力定位系统的研究,旨在实现铺管船动力定位的功能,主要设计了一种铺管船动力定位系统的硬件框架,并且在此基础上介绍了串口信号的采集方法。
2 全船控制网络设计
作为铺管船上的一个子系统,动力定位系统也是为全船的铺管施工作业而服务,在对其进行研究之前,就必须要先了解铺管船的全船控制系统。该系统由驾驶室PLC控制系统、SCADA系统、艏艉液压PLC控制系统、计算机网络和推进控制系统等所组成,铺管船的全船控制网络结构如图1所示。
其中,驾驶台机柜中的两台服务器互为冗余备份,当其中一台出现运行故障时,另外一台备用服务器则会自动投入使用,而历史服务器则承担着历史数据与报表的查询等功能。在铺管控制台内的PLC1,艏液压柜内的P L C 2,艉液压柜内的P L C 3,以及航行控制台内的PLC4,功率管理系统的冗余PLCI和PLCII分别负责采集不同的数据,各采集的PLC之间通过以太网进行通讯,服务器则通过OPC客户端进行数据采集。铺管控制台内的PLC1主要用于实现作业过程中控制台上所有的按钮、开关、指示灯、操作手柄、仪表等的输入输出功能。
3 铺管船动力定位硬件系统
铺管船动力定位系统的设计目的主要在于整个系统的施工方案,只有系统功能的完善,才可以为动力定位系统提供具体的实施依据。动力定位系统作为铺管船上的一个子系统,因此从全船角度出发,设计了动力定位系统的硬件框架与网络结构[6]。
3.1 动力定位硬件系统设计
根据动力定位系统的结构组成及其在铺管船上的具体功能,设计了如图2的系统硬件结构。在系统硬件框架中,底层信号的采集通过各子系统的PLC,动力定位系统(DP)PLC、铺管控制PLC、功率管理系统PLC则采用以太网进行通讯功能的连接;电罗经、风速风向仪、计程仪信号等则根据各自的信号格式R S 4 2 2或RS485通过多串口卡转换成RS232格式直接与控制计算机连接;DGPS、运动参考单元(MRU)、测深仪等则通过网关将信号转换成TCP/IP协议格式进行采集;控制计算机的液晶显示器置于中央控制台内,经过以太网进而连接两台SMIDS复视器,且分别装置左右两翼控制台。
3.2 动力定位网络系统设计
根据铺管船对动力定位系统的需求,此处设计了一种铺管船动力定位控制系统控制网络的连接方式。其中包含了控制计算机、交换机、动力定位PLC、艏PLC、铺管控制PLC、PROFIBUS通讯卡、多串口通讯卡、电罗经、风向风速仪、DGPS、运动单元、测深仪、计程仪和铺管作业显示系统。动力定位PLC和艏PLC、铺管控制PLC通过网络交换机进行连接,其中每个PLC都有各自唯一的IP地址;运动单元、电罗经、风向风速仪、DGPS、测深仪与计程仪等则通过多串口通讯卡和控制计算机进行连接;PLC通过PROFIBUS通讯卡和控制计算机进行连接;控制计算机与铺管作业显示系统则通过网络交换机进行连接;PLC与控制计算机采用DP协议实现一对一的通讯,完全满足了铺管船动力定位控制系统需要的控制要求。同时铺管船动力定位控制系统的控制网络连接方式,能够有效满足铺管船动力定位控制的特殊要求,其具体网络形式如图3所示。
在该网络结构中,包含了控制计算机、艏液压PLC、铺管控制PLC、动力定位PLC、交换机-1、交换机-2、交换机-3、交换机-4、PROFIBUS通讯卡、多串口通讯卡、DGPS1、DGPS2、电罗经、风向风速仪、测深仪、计程仪、运动单元与铺管作业显示系统;上述各部分连接成为一个完整的控制网络,从而实现了对铺管船的位置、艏向和作业轨迹的控制;其中动力定位PLC用于实现对动力定位系统硬连线设备的输入输出控制(如作业线控制、艏推进控制、主推进控制、状态报警等);动力定位PLC、铺管控制PLC、艏液压PLC通过网络交换机构成环形网络;动力定位PLC和控制计算机通过PROFIBUS通讯卡进行连接,PROFIBUS通讯卡插入控制计算机主板的P C I插槽;所述风向风速仪、DGPS1、DGPS2、运动单元、电罗经、测深仪、计程仪则通过多串口通讯卡与控制计算机连接,多串口通讯卡插入控制计算机主板的PCI插槽;所述控制计算机与铺管作业显示系统通过网络交换机-4进行连接。
对于各网络所承担的功能,此处以网络(3)为例进行说明,其主要负责控制计算机与PLC数据的交换,执行数据发送和指令接收的功能。控制计算机接收动力定位PLC反馈的状态数据,并向动力定位PLC发出控制指令。动力定位P L C则采用同轴电缆与C P 5 6 1 1PROFIBUS通讯卡进行连接,CP5611插入控制计算机的P C I插槽,其采用D P协议,通讯率由此可以达到1 9.2Mbps。此通讯采用一对一的方式进行,从而减少了询问时间,与TCP/IP相比具有稳定和通讯速率高等特点。
采用此种系统控制网络的连接方式,PLC环形网络大大提高了系统的可靠性,各交换机连接构成的网络,某段线缆或某网络节点中的交换机发生故障,并不会影响到其它网络节点的正常通讯。PLC与控制计算机通过PROFIBUS通讯卡连接采用了DP协议并实现一对一连接,避免了通讯询问,与通过交换机连接采用的TCP/IP协议相比,提高了通讯速率。风向风速仪、电罗经、运动单元、DGPS1、DGPS2、测深仪、计程仪则通过多串口通讯卡与控制计算机进行连接,采用RS-422接口与NEMA0183协议,实现了铺管船动力定位系统与多种传感器连接,从而提高了通讯速率并节约了成本。铺管船动力定位控制系统所需的其它信息则通过艏PLC和铺管控制PLC直接送至动力定位系统PLC,避免了线缆冗余,从而提高了系统的可靠性和灵活性[6]。
4 串口信号的采集方法
在上文硬件系统设计部分曾经提及到,动力定位系统中的信号除了采集PLC系统的数据外,其余通过串口或网关采集的信号则是需要通过程序进行解析的。外部的环境信号通过串口进入系统,此些串口信号均是NMEA-0183类型格式的,NMEA-0183格式数据串所有的数据均采用ASCII文本字符来表示,数据传输以“$”开头,后面的则是语句头。语句头由五个字母组成,分成两个部分,头两个字母表示“系统ID”,即说明该语句是属于何种设备或系统,后面三个字母则表示“语句ID”,表示该语句是关于何方面的数据。语句头后的便是数据体,其包含不同的数据体字段,语句末尾的是校验码(可选),以回车换行符
解析信号具体可分为两个步骤:1.从对应串口把数据读上来并存放至缓冲区域中;2.查询相关信号的产品技术手册,按照对应的数据含义和数据格式,提取系统所需的相关信息。铺管船中使用到这些传感器的具体信号解析协议有风速风向、GPS、罗经等,此处以风速风向为例做如下说明[6]:
风速风向MWV
$--MWV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>*hh
<1>风向角度,0°到360°
<2>参考值,R=相对值,T=绝对值
<3>风速
<4>风速单位
<5>状态位,A=数据有效性
风速风向信号的采集:
1、以风速风向仪采集的某个数据片段为例:
$IIMWV,131,R,010.75,N,A*13
这是一个字符串,通过查询产品技术手册,可知$IIMWV是个头,代表此数据片段的分类与总的含义,131代表风的角度,10.75则是风的速度。
2、程序段解析风速风向信号:
其中cstrCurrentData是CString类型的数据,内容是采集的某个数据片段,例如$IIMWV,131,R,010.75N,A*13。另外,通过网关进入系统的信号,只要映射好网关对应的串口,其接下来的操作则跟从串口读取数据是一样的,解析数据也是采用相同的方法。
5 结束语
海上石油开发关系到国民经济的发展大局,各类高新技术与性能水平的海上石油和天然气勘探、开采工程所需的海洋工程辅助船舶已成为当前急需开发与研究的项目[7]。而作为我国深水重大装备研究的重要组成部分,铺管船这一对象的研究将对深海油气资源的勘探和开发有着积极意义[8]。本文从实际工程应用的角度出发,设计了一种铺管船动力定位系统的硬件结构,同时在此基础上介绍了串口信号的采集方法。本文所做的工作比较基础,仅是为铺管船动力定位系统提供可行性方案,希望可以为后续的深入研究提供一定的帮助。
参考文献
[1]芦树平.深水起重铺管船关键技术研究[D].哈尔滨工程大学,2011.
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[3]潘雲,程峰,金瑞健等.浅水铺管船铺管作业系统设计简述[J].船舶,2010,21(3):49-54.
[4]赵志高,杨建民,王磊等.动力定位系统发展状况及研究方法[J].海洋工程,2002,20(1):91-97.
[5]程峰.2×8000t半潜起重铺管船铺管系统研究[J].船舶,2012,23(1):71-75.
[6]张跃东.耙吸式挖泥船动力定位系统工程化研究[D].江苏科技大学,2011.
[7]陈建光.深海铺管起重船的电力推进控制系统[J].舰船科学技术,2010,32(11):34-38.
配电网故障定位系统的应用论文 篇2
1故障定位系统概述
故障定位系统是为能快速准确查找到配电网中故障的具体位置和发生故障的具体时间并将以上信息传送给运行检修人员而设计的。系统融合了地理信息系统技术、传统故障显示技术以及GSM通信技术，主要包括以下几个部分：中心站、带通讯功能的故障指示器、通信终端、通讯系统以及监控主站。其中，中心站有通信装置，可以直接接入公共移动网络，能对通信终端发送的信息进行解码，最后发送给主站;带通讯功能的故障指示器在线路发生故障时被触发，并将数字编码信号发送出来，一般安装在架空线路和电缆线路上;通信终端一般安装在线路分支点处，能接收多个线路故障指示器的编码信息，能将收到的动作信息发送给中心站;通讯系统主要借助于公共网络实现短信息和网络数据的通信，能接收各种信息;监控主站安装有基于地理信息系统平台的专业故障定位系统软件，能接收中心站转发的信息，并对各种信息进行分析，最终完成故障定位。
2检测原理
在配电网中发生的故障可以分为单相接地故障和相间短路故障两种，这两种故障的检测方法是不同的，下面就对它们的检测原理进行说明。
2.1单相接地故障的检测原理
故障定位系统中通常使用动态阻性负载投入法进行检测。单相接地故障较为复杂且故障电流较小，故障定位系统正是根据单相接地的这个特点，通过检测注入信号的特征来实现故障选线和故障点定位的。故障定位系统中安装有自动可控阻性负载，该装置可以在发生单相接地故障时在变电站中性点自动短时投入，此时就会在现场接地点和变电站之间产生特殊的信号电流，一般来说该电流最大不超过40A，之后该电流会调制到故障相的负载电流上，此时接地故障指示器就会检测到该电流信号，最终将故障发生的具体位置指示出来。这种方法安全可靠，不会对系统的安全运行造成影响，且使用方便、经济适用，社会效益和经济效益较高。
2.2相间短路故障的检测原理
动力定位系统应用 篇3
摘 要：针对动力定位电力系统中合排模式的设计，以我司78 m平台供应船为实例，从原理设计和功能方面，结合实际需要和满足相关船级社规范进行介绍。本文对类似电力系统设计具有一定的指导意义。
关键词：动力定位；电力系统；汇流排；合排；FMEA
中图分类号：U674.38+ 文献标识码：A
Abstract： Taking the 78 m platform supply vessel as an example， this paper introduces the design of closed model of DP2 system from the aspects of design principle， function and combined with the actual design needs and the relative requirements of classification society.
Key words： Dynamic positioning ；Power system；Bus bar；Close；FMEA
1 引言
近几年来海洋开发系统逐渐由浅海向深海发展，常用的断开模式的动力定位系统成本高、能耗高，而闭合模式的动力定位系统具有油耗低、经济效益高、定位能力高、安全更可靠的优点，将成为船东优先选择的方案。
2 动力定位系统定义
动力定位系统的工作原理是：应用计算机对采集来的风、浪、流等环境参数，根据位置参照系统提供的位置自动地进行计算，控制各个推力器的推力大小，保持船舶定位不漂移。
动力定位系统由四大部分组成：控制系统；推进器系统；电力系统；测量系统。
动力定位等级分为三级：1级动力定位（DP0和DP1）、2级动力定位（DP2）、3级动力定位（DP3）。
DP0是指船舶装备一套集控手操和自动航向保持的动力定位系统，能在最大环境条件下，使船舶的位置和航向保持在限定范围；
DP1是指船舶装备一套集控手操和自动航向保持的动力定位系统，另外还有一套独立的集控手操和自动航向保持的动力定位系统，能在最大环境条件下，使船舶的位置和航向保持在限定范围；
DP2是指船舶装备一套集控手操和自动航向保持的动力定位系统，另外还有一套独立的集控手操和自动航向保持的动力定位系统，能在最大环境条件下即使船舶发生单个故障，仍能使船舶的位置和航向保持在限定范围；
DP3是指船舶装备一套集控手操和自动航向保持的动力定位系统，另外还有一套独立的集控手操和自动航向保持的动力定位系统，能在最大环境条件下即使船舶发生单个故障，包括由于失火或进水而完全失去一个舱，都可使船舶的位置和航向保持在限定范围。
FMEA是故障模式与失效影响分析的英文缩写，它是一种能深入到各个层面的系统化的分析方法。FMEA应用著名的墨菲理论，从系统到子系统、再到设备、再到部件都要进行仔细分析，同时还能结合ROM（可靠性、可操作性和可维护性）分析，指出潜在的技术风险，特别是 能影响DP船舶冗余性的风险。目前，主要船级社都把FMEA报告和实验作为DP船舶入级的依据。
3 断开模式动力定位系统分析
具有2级动力定位（DP2）的船舶，都要求在发生单点故障后船舶还具有一定的定位能力，保持船舶的位置和航向在限定范围内，这就要求电力系统按A和B排分别供应船舶的推进系统的电源（见图1）。在DP模式下，ACB6是断开的，即在主配电板汇流A排完全失效的情况下，主配电板汇流B排仍能供电，即要求4台发电机在DP模式下必须是全部运行，这就造成油耗高、经济效益低。如果出现最大单点故障，A或B汇流排失电，船舶将丢失一半的推进器，虽然还能定位但定位能力会大大降低，安全性也随之降低。
4 合排模式动力定位系统分析
合排模式的动力定位电力系统，要求主汇流的联络开关必须是两个，如图2的ACB6和ACB7。正常工作工况是启动任意3台发电机作为全船DP动力供电，剩下一台作为备用，这样相比断开模式动力系统少运行一台发电机，达到降低能耗的要求。
4.1 合排模式电力系统的FMEA分析
（1）当A、B两个其中一个汇流排的发电机或汇流排出现短路时才快速打开ACB6和ACB7，并且是故障侧的ACB优先动作；
（2）如果仅是发电机常规故障（如滑油压力低报警或停车等），则要求DP控制系统发出减螺距信号给侧推，待备用发电机起动和并联到MSB后才恢复到正常螺距，这个降螺距的信号只有几十秒，而如果是断开模式的DP电力系统将丢失1个推进器，故合排模式的定位能力得到大大提高；
（3）整个配电系统有冗余布局，功率管理系统应具有充足的冗余或适当的可靠性，在船舶电站可分配功率降低时，能发出降螺距信号给对应推进器，要假设功率管理系统的电源、控制器、I/O 模块、通迅总线或网络等会发生故障，但故障不会引起整个功率管理系统功能丧失；
（4）应急停止系统的回路故障不应引起与船舶定位能力相关的推进器和动力系统停机（包括机舱风机和主空压机）；
（5）需要合闸运行的母排联络开关必须有短路保护、不平衡电流监控保护、有功电流和无功电流监控保护功能（也可由发电机组的保护功能实现），以免单个发电机励磁或调速器故障蔓延到与其 并列运行的其它发电机而引起全船失电。
4.2 合排模式推进器的FMEA分析
（1）电力驱动的侧推在合排电力系统中必须考虑瞬间电压降，当合排的汇流排短路时，电网将产生瞬时电压降，导致侧推的ACB或控制元件停止工作。作为合排的DP系统，侧推必须在汇流排断开前保持运行，从而保证船舶的定位能力；
（2）如果出现任一故障会导致操作人员对推进器失去控制时，应将推进命令自动归零。如果故障仅影响一部分推进器，对这些受影响的推进器其控制命令应自动归零，而此时保持其他未受影响的推进器仍处于操纵杆控制下；
（3）每一推进器应设有独立的应急停止装置。每个推进器的应急停止装置应有单独的电缆、应急停止系统中回路故障应报警，如连接断开或短路满足长期运转的要求；
（4）分析若螺距反馈信号断路、DP或JS命令断路，受影响推进器螺距将如何变化？是否影响定位？
4.3 合排模式发电机组的FMEA分析
断开模式动力定位系统的发电机故障不需要特别分析，但合排模式的动力定位系统是重点分析对象之一，调速器的命令信号和反馈信号输出到主配电板PMS系统，PMS系统对电网无功和有功监测和控制，判断是否退出电网，防止电网的无功和有功分配不均，导致全船失电。自动调压板（AVR）也需要做同样分析。
4.4 其它系统的注意事项
（1）风速风向仪有加热熔冰功能，至少有3 台，且只有2台具有相同的工作原理；
（2）位置参照系统应能为动力定位操作提供精确的数据，当船舶偏离设定的航向或操作者决定的工作区域时将发出听觉和视觉报警。应对位置参照系统进行监测，当提供的信号不正确或明显降低时应发出报警；
（3）DP 系统应从UPS 供电，并且是两个UPS。
5 结束语
随着合排模式动力定位系统的广泛应用，如果对其认识不足将会对船舶定位能力、设计和生产造成严重的影响。因此，只有对它深刻的认知并采取相应的有效措施，才能实现运营的低成本、低排放、高安全、高效益，才能在同行业中具有明显的竞争优势。
参考文献
[1] 何崇德. 船舶动力定位系统的应用和实践[J].中国造船.2004（12）.
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动力定位系统应用 篇4
动力电池分拣机器人系统是智能机器人自动控制系统,机器视觉定位系统是该系统的一个子系统[1]。由于装有动力电池的周转箱经辊道线输送后,每次到达的分拣区域的位置会有偏差,分拣机器人不能准确地抓取电池。利用机器视觉定位系统,分拣机器人可以方便快速准确地完成对动力电池的抓取,使得分拣任务的执行时间大大的减少,提高分拣任务完成的安全性和可靠性。
本文设计了较精确的视觉定位系统,通过安装在机器人上空支架上的CCD摄像机拍摄承载动力电池的周转箱图片,通过图像处理、标定、定位、计算等一系列过程得出周转箱中动力电池的坐标信息,从而极大地方便分拣机器人分拣任务的执行。
2 分拣机器人定位所需信息
由于分拣机器人的Z轴在规定的位置(高度)不变,周转箱在辊道上的位置会有偏差,因此分拣机器人定位只需考虑托盘x、y平面上的位置。分拣机器人需要视觉系统提供每个周转箱相对于周转箱在基准位置的方向和偏差值。装载电池的周转箱实物图片如图1所示:
2.1 建立分拣机器人基坐标系o-xy分拣机器人基坐标系o-xy如图2所示
2.2 建立托盘坐标系o-uv
托盘坐标系建立在周转箱槽板上,故对槽板的设计精度有一定的要求。六个电池在托盘坐标系o-uv中的位置分别是:
P1(u1,v1),P2(u2,y2),…,P6(u6,v6) (1)
每一个电池的坐标由槽板设计确定,是恒定不变的常量,是电池i中心的位置。托盘坐标系o-uv如图3所示:
2.3 托盘坐标系(o-uv)与分拣机器人坐标系(o-xy)的关系
托盘坐标系(o-uv)与分拣机器人坐标系(o-xy)的关系:
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其中R为旋转矩阵:
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x0,y0,θ是周转箱在基坐标系下的位置和方向,工业机器人设定TCP和工件标定,周转箱的基准位置在此过程中规定。托盘坐标系(o-uv)与分拣机器人坐标系(o-xy)的关系如图4所示:
2.4 分拣机器人手爪对每个电池的定位
电池i的坐标即Pi(ui,vi)在机器人基坐标系(o-xy)下的位置Pi(xi,yi)为:
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2.5 基于机器视觉的托盘定位
由于周转箱在轨道线上的位置有偏差,不可能每次都能到达分拣机器人标定的基准位置,需要视觉定位系统提供每个周转箱相对于周转箱在基准位置的坐标偏差值和方向:
Δx0,Δy0,Δθ (5)
2.6 分拣机器人在有偏差修正信息时的手爪定位
周转箱基准位置x0,y0,θ修正为:
x′0=x0+Δx0,y′0=y0+Δy0,θ′=θ+Δθ (6)
分拣机器人手爪定位通式,即电池i的坐标Pi(xi,yi)为:
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3 机器视觉定位系统设计
3.1 机器视觉定位系统工作原理
根据动力电池在辊道线上的传输情况,在不改变原有设备的基础上,本系统用图像处理与摄影测量技术[2],通过安装在分拣机器人支架上方的CCD照相机,对准所要定位的装载动力电池的周转箱拍摄,工控机通过1394b线可实时获取相机所采集到的图像,并进行图像处理、建立模板、定位、测量几个步骤获取槽板上定位孔的坐标像素数,并转换为坐标尺寸,计算出此次周转箱相对于周转箱在基准位置时的位置偏差和旋转角度值,视觉系统将该数值传给分拣机器人控制系统,得出槽板上六个动力电池的位置信息,并进行抓取,完成分拣任务。
3.2 机器视觉定位系统组成
整个视觉系统由镜头、CCD照相机、光源、图像采集处理软件、工控机组成一套视觉定位系统,如图5所示。
①工业镜头的确定
托盘上两定位孔的距离为166mm,视场应控制在200*150mm,镜头离工件的距离在1000mm左右,故选择工作距离为1000mmm(正负10mm左右),焦距16mm,视场200*150mm的镜头。
②工业相机的确定
分拣机器人定位精度要求为0.5mm,理论上要求相机分辨率为200/0.5=400像素,也即相机分辨率至少需要600*800(50万像素)。实际上每个瑕疵无法正好用一个像素表示,因此像素要适当翻倍,翻倍多少与很多因素有关,例如:图像采集的质量、CCD芯片尺寸、光源、还有算法的精度等,因此采用200万像素的工业相机。
③LED光源的确定
为了使影像的暗部更暗,便于找到定位孔的边缘,选择优质正面同轴光源,同轴光源安装镜头上面,光源本身高度1000mm,发光面积选择200×200mm。
④图像处理软件
图像开发软件选用加拿大的Hexsight,该软件功能包括几何定位、检测、测量等工具,能够提供基本的函数库,满足二次开发需求。
3.3 机器视觉定位系统工作步骤
机器视觉定位系统的工作步骤如下:
①标定像素长度与物理长度的对应关系;
②机器视觉定位系统测量周转箱在基准位置时的位置和方向,并建立定位模板(图6);
分拣机器人系统与视觉系统共同约定一个周转箱位置作为周转箱的基准位置,在此基准位置,分拣机器人完成工件标定,视觉系统采集图片,建立定位模板,并计算出定位孔1、2在图像坐标系中的坐标值:
(xbase1,ybase1)、(xbase2,ybase2) (8)
③测量周转箱槽板相对于周转箱在基准位置时的位置偏差和旋转角度值;
当视觉系统接收到分拣机器人系统发出的请求信息时,视觉系统开始采集图片,并定位出模板,得出定位孔1、2在图像坐标系下的坐标值(x1,y1),(x2,y2)计算出此次周转箱相对于周转箱在基准位置时的位置偏差和旋转角度值(Δx0,Δy0,Δθ),并传递给分拣机器人系统 (如图7、图8)。
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④分拣机器人根据视觉信息计算出六个动力电池的位置坐标,进行抓取,完成分拣任务(图9);
4 结论
对于该视觉系统,经过多次试验验证,定位误差最大不超过0.4mm,平均定位误差0.12mm,满足分拣机器人定位误差要求(分拣机器人定位精度要求为0.5mm),实现对动力电池的精确定位,分拣机器人能很好的完成对动力电池的分拣。分析误差产生的原因主要为:硬件本身的精度和软件的算法精度误差,以及光照的不均匀带来的图片质量问题产生的误差。相信在提高硬件的本身精度和对相应的算法改进后,能得到更理想的效果。
摘要：根据机器视觉的基本原理,建立机器视觉模型,设计了动力电池分拣机器人视觉定位系统。介绍了分拣机器人定位所需信息,机器视觉系统组成及工作步骤,实现对目标的自动识别和精确定位,实验证明该方案具有良好的定位效果,同时分析了引起误差的原因。
关键词：机器视觉,动力电池,分拣机器人
参考文献
[1]李志俊,王连朝,张学民,曾飞.微创手术机器人视觉定位系统的研究[N].武汉理工大学学报,2007,10-31:890-893
船舶动力定位技术简述 篇5
1.1 国外动力定位技术发展
目前，国际上主要的动力定位系统制造商有Kongsberg公司、Converteam公司、Nautronix公司等。
下面分别介绍动力定位系统各个关键组成部分的技术发展现状。
1．动力定位控制系统
1)测量系统
测量系统是指动力定位系统的位置参考系统和传感器。国内外动力定位控制系统生产厂家均根据船舶的作业使命选择国内外各专业厂家的产品。位置参考系统主要采用DGPS，水声位置参考系统主要选择超短基线或长基线声呐，微波位置参考系统可选择Artemis Mk 4，张紧索位置参考系统可选择LTW Mk，激光位置参考系统可选择Fanbeam Mk 4，雷达位置参考系统可选择RADius 500X。罗经、风传感器、运动参考单元等同样选择各专业生产厂家的产品。
2)控制技术
20世纪60年代出现了第一代动力定位产品，该产品采用经典控制理论来设计控制器，通常采用常规的PID控制规律，同时为了避免响应高频运动，采用滤波器剔除偏差信号中的高频成分。
20世纪70年代中叶，Balchen等提出了一种以现代控制理论为基础的控制技术-最优控制和卡尔曼滤波理论相结合的动力定位控制方法，即产生了第二代也是应用比较广泛的动力定位系统。
近年来出现的第三代动力定位系统采用了智能控制理论和方法，使动力定位控制进一步向智能化的方向发展。智能控制方法主要体现在鲁棒控制、模糊控制、非线性模型预测控制等方面。
2001 年 5 月份，挪威著名的 Kongsberg Simrad 公司首次展出了一项的新产品—绿色动力定位系统（Green DP），将非线性模型预测控制技术成功地引入到动力定位系统中。Green DP 控制器由两部分组成：环境补偿器和模型预测控制器。环境补偿器的设计是为了提供一个缓慢变化的推力指令来补偿一般的环境作用力；模型预测控制器是通过不断求解一个精确的船舶非线性动态数学模型，用以预测船舶的预期行为。模型预测控制算法的计算比一般用于动力定位传统的控制器设计更加复杂且更为耗时，主要有三个步骤：1.从非线性船舶模型预测运动；2.寻找阶跃响应曲线；3.求解最佳推力。控制器结构如图所示[1]：
图1.1Green-DP总体控制图
荷兰的Marin在20世纪80年代初期即确定了关于推进器和动力定位的研究计划，并开展了动力定位的模型实验，内容包括：①推进器和推进器之间的相互作用；②推进器和船体之间的相互作用；③环境力和船舶的低频运动。研究结果产生了应用于动力定位的模拟程序RUNSIM，包括模拟实验的程序DPCON和理论模型计算的程序DPSIM。初步进行了流力、风力、二阶波浪漂移力、推进器力的计算，控制系统采用经典的PID控制算法[2]和扩展卡尔曼滤波算法，风力采用前馈的形式。同时，Marin还开展了下述工作：动力定位系统和系泊系统联合使用的情况；扩展了动力定位系统在航迹控制方面的应用，航迹控制功能现已成为动力定位控制系统的基本要求；动力定位设计阶段的性能评估、功率需求估算。一般认为，Marin在动力定位系统实验研究方面已走在世界前沿。
挪威在20世纪90年代做过动力定位方面的实验，他们将重点放在控制理论和控制方法上面，在满足李雅普诺夫大范围渐进稳定的基础上，应用现代控制理论的方法，采取状态反馈和输出反馈两种形式，设计不同的状态观测器，观测速度和干扰，并以此代替卡尔曼滤波，在比例为1：70的船模实验中证实定位的效果。
由于系统模型的不精确性，以及所受环境力的扰动性对船舶动力定位系统稳定性有很大的影响，因此在解决稳定性方面存在优势的H∞控制理论和鲁棒控制越来越受到了人们的关注。日本的九州(Kyushu)大学还在1：100的船模实验中验证了控制结果的有效性。
目前，国际上应用得较为成熟的动力定位控制系统一般都采用第二代控制方法，而基于第三代控制方法(如自适应模糊控制、自学习模糊控制等)及实时测量和计算二阶波浪慢漂力以提升更高精度的动力定位系统研制是一种趋势，世界各国都正在加紧研制中。
在国外，有些大学以船舶运动为对象进行深入的控制理论研究。如麻省理工学院的Triantafyllou和Hover所研究的船舶运动控制，加州大学的Girard、Hedrick等研究的协调动力定位理论和实验等。由美国海洋学会组织的国际动力定位年会，近年来发表的文章主要从技术层面出发，研究动力定位系统的设计与改进。2006年，挪威Kongsberg公司的Jens-sen发表的“基于模型的流估计”和“基于能量最优的推力使用”、日本Akishima发表的“深海钻井船‘CHIKYU’的动力定位系系统”、美国Prasad、Elgamiel发表的“半潜式平台模型实验”、挪威Kongsberg公司的Halyard发表的“综合控制系统的改进方法”，都对各自动力定位控制系统的研究进行了论述。
挪威科学与技术大学与挪威的Kongsberg公司具有密切的联系，每年都有博士生作相关方面的理论研究|，每年都邀请Kongsberg公司的相关技术人员给学生讲授动力定位方面的最新进展。2008年，Kongsberg公司的Lokling Oyvind在“动力定位和导航系统的产品和开发”一文中提到了动力定位系统的要求及未来的挑战。其认为未来的挑战有：在模型预测方面，主要涉及速度、铺管力、起重力、一些未知力的干扰预测等；在控制系统方面，主要在于危险作业要求的高精度六自度定位，以及能量消耗和推进器的损耗，推进器方面的推进器布置、推进器的限制及影响，推力分配中的推进器响应时间、推进器组的顺序控制等。
由于网络的发展，主要以动力定位为主的舰桥集成控制系统的研制也是船舶操纵的发展趋势。
2．推进系统
用于动力定位船舶的推进系统，除常规的主推进器和舵外，还有舵桨推进器、槽道推进器、喷水推进器、全回转推进器等。
国外生产动力定位全回转推进系统的厂家主要有英国的Rolls-Royce、荷兰的Wgrtsilg、德国的Schottel和日本的川崎。其中，Roils-Royce是国际上最大全回转推进器的生产厂家，全回转推进器的功率从900kW到5000kW，可安装在各种船型上；Wartsila、Schottel和川崎也是全回转推进器的主要生产厂家，电力驱动可达7000kW，可安装在各种船型上。
3．动力系统
现代船舶自动化程度越来越高，各类达到24h无人机舱要求的船舶基本都采用了船舶电站功率管理系统。船舶电站功率管理系统基本可分为基于主配电板为平台和基于机舱监控系统为平台两种模式。以机舱监控系统为平台的典型代表是Kongsberg公司的DC-C20型机舱监控系统中的功率管理系统。1.1.1 Kongsberg公司动力定位技术的发展
挪威对于动力定位技术的探索始于1975年Kongsberg Vapenfabrikk(KV)公司的一个称为Dynapos的工程师小组，此小组原属于国防部门，之后很快转到石油部门，即隶属于KV的近海分部。
30多年的今天，Kongsberg公司已经成为世界最大的动力定位系统制造厂商。Kongsberg动力定位系统主要分为以下两类[3]：
（1）早年采用KV技术的Kongsberg500原型系统，即KS500.在20世纪70年代早期，系统计算机是由Forsvarets Forskning 和KV研制，是基于晶体管逻辑技术的。
（2）几年后出现了基于单片机系统的单一插件计算机（SBC）新技术，Kongsberg Simrad 利用Intel80186、80286和80386等处理器分别开发了SBC1000、SBC2000和SBC3000、BC3003。SBC1000的原型机是世界上第一台使用Intel80186微处理器的计算机。
Kongsberg 公司在1500个动力定位系统开发经验的基础上，研制出了Kongsberg K-pos系统，如图所示。
图1.2 Kongsberg K-Pos 动力定位操作站
其将动力定位系统的鲁棒性、灵活性、功能性与操作的简易性上升到了一个新的水平。Kongsberg K-Pos包括了国际海事组织所规定的所有等级的动力定位系统，以满足不同的经济需求和操作需求。为位置参考系统等传感器提供了广泛的接口，使整个系统具有透明性和交互性。除了拥有种类繁多的标准模式和功能，Kongsberg K-pos还有一系列的定制功能来辅助某些特定的操作。该系统有一个开发的系统结构，因而具有良好的结合性。
它能够实现船舶位置和航向的高精度保持。在操作中，系统可以容忍推进器和测量系统的瞬态误差。其适应性扩展卡尔曼滤波器可以估计船舶的航向、位置和速度，以及来自于海流和海浪的干扰。估计器使用船舶的精确数学模型。卡尔曼滤波技术使用模型预测和实时测量，为其提供了良好的滤波质量、鲁棒性和位置保持特性。
Kongsberg K-pos系统的基本配置如下。
（1）SDP11（基本系统）和SDP12（集成系统）
图1.3 SDP11(基本系统)示意图
图1.4 SDP12（集成系统）示意图（2）SDP21（基本系统）和SDP22（集成系统）
图1.5 SDP21（基本系统）示意图
图1.6 SDP22（集成系统）示意图
（3）SDP31（基本系统）和SDP32（集成系统）
图1.7 SDP31（基本系统）示意图
图1.8 SDP32（集成系统）示意图
图1.9 L3公司的NMS6000
图1.10 Kongsberg公司动力定位系统的发展
1.2 国外动力定位系统的应用
船舶动力定位系统最初的应用开始于60 年代[4]，第一批装有动力定位系统的船舶的排水量仅为450-1000t。这些船舶用于钻探、敷设电缆或对水下作业进行水面支援。第一艘装有自动反馈系统的动力定位船是“尤勒卡”号。1961年，美国壳牌石油公司的钻井船Eureka号完成下水，很快自动控制推进器的设备就进行了装船，它是由HowardShatto设计完成的。这艘船配备了一套最基本类型的模拟式控制系统，并和外部的一个张紧索参考系统相连。除了主推进器外，还在船头和船尾加装了易于操纵的推进器，船长为40 m，排水量为4.5×105 kg。动力定位系统对船体的尺寸和形状并没有影响，最显著的标志是它装有多台推力器。在世界上早期的动力定位船舶中，最成功也最出名的是“格洛马挑战者”号。该船几乎遍游地球的每一个海洋，收集水深大于600m 处的岩心，为地质学上的发现尤其是为板壳结构理论提供了大量有利的证据。
第二代动力定位船舶中，每艘船舶都有其独到之处，但是都采用几乎相同的传感元件和数字计算机控制系统，一般都采用计算机组成的数字控制器，而位置传感器由单一型发展成综合型，在一个系统中可同时采用声学、张紧索和竖管角三种位置基准传感器。最具有代表性的第二代动力定位船舶是“SEDC0445”号，该船于1971 年投入营运，其动力定位系统与早期系统相比，主要特点是采用数字式控制器，包括一台16 位的小型计算机，系统的各个原件都有冗余，可长期不间断的运行，系统在设计时要求能连续作业50d。“SEDC0445”号也装有多台推力装置，包括11只辅助推进器和2只主螺旋桨。
自80 年代初开始形成的第三代动力定位系统，主要采用当时刚开始发展的微处理机技术和Mutibus、Vme 多总线标准等。其中典型的有Kongsberg公司的SDP11系列，Navis公司的NavDP 4000系列，L3公司的NMS6000系列。这些动力定位系统均具有开放性的结构，能够实现船舶位置和航向的高精度保持，广泛用于风力发电安装船、溢油回收船、平台供应船、铺管船、辅缆船、挖泥船、打桩船、半潜运输船、钻井平台、打捞船、起重船、无限区化学品船、LNG船等船舶和海洋工程领域。目前最先进的DP可以在2级流、6级风的海况下实现0.35 m的位置定位精度，0.1°的艏向保持精度和1 m的航迹保持精度[5]。
第四代船舶动力定位系统中典型的有美国NAUTRONlx公司的ASK400O系列、挪威的ADP700系列、法国的DPS90O系列等动力定位控制台，这些系统均采用高性能的微处理机、图形发生器、高速数据通道作为系统的控制核心，传感器也从模拟传感器逐渐变成数字传感器。
船舶定位控制是在不断壮大的石油和天然气勘探作业以及舰船作业需要的背景下于20世纪60年代初期产生，目前己经迅速发展为一项高新而成熟的技术。1980年，具有动力定位能力的船舶数量为65艘，到1985年增长到150艘，到2002年其数量超过了1000艘，目前全世界已有2000多艘具有动力定位能力的船舶。动力定位技术在军事和海洋工程领域得到了广泛应用。1.3 国内动力定位技术的发展
国内自七十年代末开始研究动力定位技术，目前，大多数研究单位尚处于理论研究或实验研究阶段。哈尔滨工程大学的边信黔教授首先开展了船舶动力定位这一课题的立项研究，作为领航者，在国内最早提出了要进行动力定位技术的研究工作。
（1）其课题组于1996年首次完成了国内第一套装备实船的水下动力定位系统。该系统已运行在我国的深潜救生艇上；
（2）该课题组于1997年又完成了国内第一套装备水面船舶的动力定位系统,该系统己运行在某试验场区的ROV工作母船上，这些研究成果使得动力定位技术从理论研究走向了实用[6]。
（3）在此之后，作者所在的课题组又结合深潜救生的需要，于2000年开发完成了水下六自由度动力定位技术，解决了在混浊海水、且有较大海流的条件下,进行有倾斜的对口救生的难题，使我国水下动力定位技术达到国际先进水平。
（4）2001年，该课题组已将动力定位技术推向海洋石油行业，为胜利油田研制用于海底管线检测和维修装置的动力定位系统[7]，提出基于多处理机的系统设计方案合理、并行度高、实时性好、可靠性高，可以很好地完成复杂船舶动力定位系统所要求的实时信息采集、数据处理、控制计算、推力分配、能源管理等任务[8]。
（5）2003年，边信黔教授课题组对松散耦合的船舶动力定位系统分布式体系结构,提出了一种基于改进的二值PMC模型的分布式系统级故障诊断算法。采用自诊断与互诊断相结合的方法,给出了分布式诊断算法、图论模型、诊断内容及算法中使用的报文种类、故障向量[9]。
（6）2006年，研究了模型预测控制在船舶动力定位系统约束控制中的应用，建立了 3 自由度动力定位船舶的数学模型，提出了船舶动力定位系统设计中应考虑的各种约束[10]。
（7）2009年，其课题组针对船舶在海上的定位和作业受到海洋环境的扰动力影响，其动力定位控制具有很强的非线性特性。基于自抗扰控制技术，设计了船舶动力定位控制器。该控制器通过非线性观测器估计出船舶运动速度和系统的总扰动，并采用非线性反馈进行补偿，实现对船舶的动力定位控制I 通过仿真实验验证了控制器具有很强的抗干扰能力和鲁棒性[11]。
（8）之后，其课题组针对起重船的作业特点，在起重船动力定位控制器的设计中引入了先进的模型预测控制技术，提高了其起重船的作业效率[12]。
（9）2011年，针对传统同步构图定位（SLAM）传感器具有数据量大、处理速度慢、实时性差的不足和基于扩展卡尔曼滤波的同步构图定位（EKF-SLAM）具有对水下无人航行器（UUV）位置估计精度低、甚至发散的缺陷，提出了基于多元测距声呐（MRS）的水下无人航行器（UUV）结构环境SFEKF-SLAM（Suboptimal fading extended Kalman filter-SLAM）方法，相对于常用的基于 EKF-SLAM 的 UUV 导航系统具有更高的定位精度，能够构建更加精确的港口堤岸地图[13]。（10）2012年，就移动机器人同步定位与地图构建展开研究，针对FastSLAM算法产生的粒子退化及粒子集重采样问题，提出了基于自适应重采样的FastSLAM算法。基于自适应重采样FastSLAM重采样效率更高，鲁棒性更好，在机器人路径和陆标位置的估计上也具有更高的精度[14]。
（11）2012年，针对移动机器人同步定位与地图构建存在的计算量大、数值不稳定等问题，结合容积卡尔曼滤波（cubature Kalman filter，CKF）原理，设计了一种基于平方根 CKF(squareroot cubature Kalman filter，SRCKF）的SLAM算法RCKF-SLAM）。SRCKF-SLAM 算法通过移动机器人运动模型和观测模型进行预测和观测，并以目标状态均值和协方差的平方根进行迭代更新，确保了协方差矩阵的对称性和半正定性，改进了数值精度和稳定性[15]。
此外，上海交通大学海洋工程实验室曾开发过控制系统，并完成了模型试验的调试和验证，目前正准备结合工程实际进行更加深入的研究，李和贵教授采用模糊控制对动力定位进行了仿真研究。哈工大将模糊控制技术应用到船舶的艏向寻优和控制器的设计中，并对此进行了仿真模拟，结果良好，但模糊控制技术在动力定位的实用中仍需更深的研究。
1.4 国内动力定位系统的应用
1998年我国首套动力定位系统在哈尔滨工程大学研制成功,但未见产业化。哈尔滨工程大学也自主开发出控制系统，其研制的 DK-1 型动力定位系统已经具备了在小型船舶上应用的经验。
2009年8月报导,上海708研究所在此领域成功研发出有自主知识产权的我国动力定位系统,已经达到了DP3的水平,中海油第一艘海上石油平台于2010年下水。
知名的造船企业，如上海外高桥造船有限公司、广州江南造船厂等也都投身到动力定位产品的研发中。2011 年 4 月，有着亚洲动力定位第一吊的“威力”号 3000 吨自航起重船正式交付使用，该起重船能够在锚泊无法定位的复杂海域实现良好的定位作业，填补了我国大深度水下打捞救援的短缺。
2012 年 5月，国内自主详细设计和建造的 3000m 深水铺管起重船“海洋石油 201”开始在南海作业，该船的动力定位系统采用了当前最先进的第三代 DP-3 级动力定位系统，推进系统配置了全电力推进的 7 个推进器，其在作业时的精确位置通过卫星定位技术得到了保证，可以完成 3000m 水深的铺管作业任务，与之前服役第六代深水半潜式钻井平台的“海洋石油 981” 形成了完美的结合。
动力定位产品进口价格高：50万欧元/每套，动力定位的需求增长快速。市场需求大；国际上每年以2000台套增长,国内每年需要200-300套,约人民币10-15亿元。国内研究与国际差距较大，尚未见产业化。为打破国外技术垄断,填补国内空白，节省大量外汇,船舶动力定位系统的开发、推广并进行产业化迫在眉睫。
参考文献：
[1] 王亮.深海半潜式钻井平台动力动力定位能力分析[D].上海交通大学硕士学位论文，2010：7-8页
[2] 余培文,陈辉,刘芙蓉.船舶动力定位系统控制技术的发展与展望[J].中国水运，2009,2 [3] 边信黔,付明玉,王元惠.船舶动力定位[M].科学出版社，北京.2011：1-30页
[4] 郑荣才,宋健力,黎琼,吴园园,窦玉宝.船舶动力定位系统[J].中国惯性技术学报，2013,8 [5] 郑荣才,宋健力，黎琼,吴园园,窦玉宝.船舶动力定位系统[J].中国惯性技术学报，2013,8 [6] 严浙平,边信黔,施小城.ROV工作母船动力定位系统仿真和辨识[J].黑龙江自动化技术与应用，1997 [7] 施小城.ROV工作母船动力定位控制系统研究[D].哈尔滨工程大学博士学位论文，2001：3-5页
动力定位系统应用 篇6
【摘要】通信机房动力环境集中监控可以对机房电源、环境、空调、消防、门禁、图像进行全面监控和管理，达到实时监测、实时记录、实时报警的监控目的，同时系统对所采集的各类数据进行存储备份并作自动分析，为通信设备的有效运行提供充分的决策支持。通过监控系统的数据报表对设备的工作情况进行分析，有的放矢的进行维护，将故障隐患消除在萌芽状态，改变以往被动的维护方式，真正体现监控系统是管理和维护工作支撑的理念。
【关键词】机房安全；动力环境；监控系统；数据采集；网络
一、背景
随着现代通信网络的逐步扩大，其发展速度之快，通信设备不断增加。通信规模迅速扩容，需要使用大量的动力设备，动力设备不仅种类繁多，而且随着电信体制的改革，先进的通信网络维护运行管理工作提出更高要求。由于设备的数量多，维护人员相对少，这样无疑增加了维护人员的难度，同时维护人员不但要经常巡视机房，而且还是经常对重要设备数据或信号进行抄表和测试，更要求能对系统出现的故障做出快速响应。
二、建设目标
面对当前通信机房管理维护工作中存在的问题，进行科学、经济、合理的投资，采用先进的计算机技术、自动控制技术、计算机网络技术，建设现有通信机房的动力环境、保安、消防基础设施，构建可控制、可管理、易维护的集中监控系统，真正做到通信机房的无人值守。
三、关键技术介绍
1.计算机网络技术：集中监控系统的传输网络将要采用的就是串行通信方式，常用串行通信接口方式有三种：RS232，RS422和RS485。
2.传感器和变送器：传感器和变送器都是信号变换装置，它们把一种形式的信号变换成另外一种形式的信号（传感器），或者把另外一种信号变换成不同大小或不同形式的信号（电量变送器）。
3.一体化采集器：是集信号采集、设备控制、接口与协议转换、通信及网络功能于一体的模块化智能型采集器。
4.智能设备：智能设备本身能采集并处理信号，并提供智能接口，智能设备多种多样，如智能空调、智能油机、智能UPS、智能电度表、智能高频开关电源等等。
四、系统的总体设计
1、我采用的是和艾默生网络能源公司合作研发的PSM集中监控系统，主要实现了以下功能
故障告警，自动寻呼（BP、短信、电邮、语音电话），告警闭环管理；实时监视供电设备的运行；远程控制设备（如油机、通信电源）；集中管理设备；门禁与维护人员考核；监视机房的环境、监视和控制空调；自动抄表、定制报表；数据查询，帮助故障分析、设备选型、人员考核。
2、系统结构和基本组成
本集中监控系统结构划分成三个层次，如图所示。
图中代号的含义为：SC——监控中心，配置服务器、业务台；SS——监控站，配置业务台、服务器；SU——监控单元，指监控主机，负责接入SM；SM——监控模块，指采集器、智能设备。
3、具体安装方案
站点设备安装：IDA一体化采集器。IDA由模块灵活组成，能测量模拟量、开关量信号，此外还具有设备控制、接口与协议转换、通信和网络功能。2）OCI-6接口转换器。RS232←→RS232/422/485接口转换与隔离。3）OCE。智能协议处理器，协议转换。
4、通信与组网设备
根据通信与组网设备在网络互连中起的作用和所承担的功能，可分为四类：1）通信设备：如Modem、DTU、DCM2000等；2）接入设备：如多串口卡、远程访问服务器、数据上网器等；3）交换设备：如路由器等；4）辅助设备：如收发器等。基于路由器的组网方案。特点：在通路两端都有一路由设备，SS和SU组成一个广域网。
五、系统配置及軟件应用
1、数据库
动力与环境集中监控系统的服务器是整个监控系统的核心，所有的业务台和前置机作为客户在服务器上存取数据。中心服务器上主要安装操作系统、数据库和PSMS V4.39 Plus数据库软件，安装中心服务器要针对不同硬件、不同的操作系统、不同的数据库系统进行配置组合。
2、监控主机软件
监控主机又称前置机，位于PSMS数据采集子系统的顶端，硬件本身是一台计算机，安装NT或WINDOWS操作系统，通过多串口卡（或数据上网器）连接各采集器，调用各设备相应的动态库采集数据，对数据进行处理后上报监控中心数据库服务器，监控主机处理信号为本地配置库，以艾默生公司的PSMS系统为例，主要功能如下：数据采集：监控主机通过相应设备的驱动程序与采集器或智能设备进行通信。例如：ida.dll是IDA采集器的驱动程序（动态库）文件名；oce.dll是OCE的动态库文件名。数据处理：依据本地配置库中的告警条件、存储周期及存储阀值对采集上来的数据进行判断。符合告警条件—〉产生告警数据。达到存储周期与阀值—〉历史数据。模拟量信号一天内的最大、最小值及平均值—〉统计数据。数据上报：（1）告警数据：立刻上报服务器并由实时监控台通过声光等方式提示值班人员。（2）实时数据：在监控主机上显示，实时监控台监控端局数据时上报。（3）历史数据：在上报线程空闲时上报。（4）统计数据：每天0点后上报。
六、技术总结
到目前为止，以集中监控系统为支撑的环境动力维护新模式已经被每个电信运营商所承认和采用。监控系统对各局的电源系统监控，使维护人员可以随时随地对各局的环境电源设备情况进行了解，较大程度的减少了维护人员的工作量。监控系统的实时的、准确的采集动力设备运行数据，提高了对设备的预知能力。并且，系统提供了丰富的数据、报表，这些统计提供了详细的资料，为以后决策提供了依据。
参考文献
[1]郑人杰，殷人昆.软件工程概述.北京：清华大学出版社，1998年5月.
[2]王世昌.计算机系统与网络技术开发及应用.北京：机械工业出版社，1998年1月.
[3]动力设备及环境集中监控系统—安装手册.深圳：艾默生网络能源公司有限公司，2008年.
动力定位系统应用 篇7
关于深水半潜式钻井动力定位的研究,国际上已经相当的成熟,我国还正处于初步发展阶段,我国重点发展海洋战略,该研究对于海洋研究以及资源开发有很大的影响,是国家重点发展的行业。动力定位系统目前主要应用于海洋石油平台的定位、管道或线缆铺设及维修、海底钻探和取芯、海上吊装安装、海洋调查科考、海上消防及救助、挖泥船作业,游轮以及其他需要海上定位作业的多用途船等。
2 动力定位的工作原理及实现
动力定位系统可以分成平台未发生移动和平台已经发生移动两种情况来考虑:
1)平台未发生移动但考虑到风载荷、水流载荷和波浪漂移力,利用风速风向传感器和压力传感器获取作用在平台上的外力的大小及方向,使之变成电信号传输给处理系统。由处理系统向执行系统(电机和螺旋桨组成)发出执行命令,电机带动螺旋桨按照执行命令按照一定的方向及转速转动,抵消加在平台上的外力,使平台保持不移动状态。
2)考虑若平台发生了移动,利用GPS卫星定位系统,计算平台的偏移量,把偏移量传送给处理系统,由处理系统向执行系统(电机和螺旋桨组成)发出执行命令,电机带动螺旋桨按照执行命令按照一定的方向及转速转动,使平台回到原来的坐标。
3 半潜钻井平台环境外载荷采集
深水半潜式钻井平台受到的外载荷主要有:风载荷、洋流载荷和海浪载荷。对于每一种载荷,都可以通过相关传感器,测得相应的力的大小,根据受力面积计算出数据,建立起模型,计算其在平台海洋状况下所需要承受到的风浪外部扰动作用力。把相关数据送给中央处理器,使之给执行系统发送相关指令,客服外力在平台上的作用。
3.1 风载荷对平台受力数据采集
风载荷对平台受力数据可以通过风向风速传感器获得。风向风速传感器要实现最准确的反应出风力的大小,首先,要保证准确的指向风吹的方向。使用风向标和角度传感器就可以满足这一需求。其次,要准确的测出风力的大小,利用三环风轮和转速传感器就可以实现。2CW35风向风速传感器可以满足上述要求,准确采集瞬时风速和风向。图2为2CW35风向风速传感器的结构图。通过风向标、三杯风速仪、角度传感器和转速传感器分别测得瞬时风向和风力。这种机械式风向风速传感器造价低、易维护,目前在测量风向风速中仍在广泛应用。
3.2 海浪洋流载荷对平台受力数据采集
海浪洋流载荷对平台受力数据可以通过压力传感器获得。利用压力传感器采集外力作用在平台上的力的大小,为了解决受力方向问题,在平台的四周水面以下平均布置16个这样的压力传感器,每个传感器的角度为22.5度,这样当不同方向的海浪洋流对平台受力都能使用不同的压力传感器检测到,这样当平台受到任何方向的力的作用都可以传送到中央处理器,中央处理器根据受力情况给执行系统发送运行指令。安装时可选用ANYLOAD水压力传感器,该传感器灵敏度高,接线方便,便于使用和安装。
4 中央处理及控制系统
中央处理及控制系统主要完成对各种传感器传输过来的数据进行分析,判断出整个平台受力的大小和方向,并向执行系统中的电机发送运转指令。
中央处理系统采用的是DP-3操纵系统,DP-3操纵系统是国际海事组织和各大船级社对具有DP-3附加标志的动力定位系统的规范要求设计并搭建了DP一级动力定位操纵系统。操纵计算机组作为动力定位系统的计算中心,实时性要求很高,采用基于优先级抢占的多任务调度实时操作系统Vxworks,每台机器须在每一个操纵节拍内接收来自所有传感器的数据,对数据进行信号处理、滤波估计以获得最优的操纵输入,该系统可以结合外界环境的影响以及操作人员的操作指令计算出当前抵抗外界作用在平台上的力而需要的相反力和力矩,通过推力分配系统将相反力与力矩分配给各个推进器,推进器接收到指令后,按照指令做出相应方向的转动。
5 执行系统
执行系统是动力定位系统其中的一个重要组成部分,用于产生使海洋平台保持静止的力和力矩,抗衡作用于平台上的干扰力和干扰力矩。当执行系统接收到中央处理系统发送的指令后,由多个电机带动多个方位推进器按照指令中的方向和转速运转。方位推进器是一个可以改变螺旋桨轴在水平面内方位的推进器。一般是带有导管的导管螺桨。螺旋桨就是可调螺距的。
6 GPS卫星定位系统
在平台发生移动的时候,GPS能精确的测量出发生移动的方位以及距离,将收集到的数据传送至中央处理器。中央处理器向执行系统发出相应的指令,使平台准确的回到原来的位置。钻井平台最经常使用的导航系统是美国的Navstar GPS系统,它覆盖面积能够到达全球。精确度高,平台产生微小的位移,GPS系统都能够发现,并能把最新的接收端坐标传送给接收端。中央处理器可以根据不同的坐标值计算出偏移量,向执行系统发出相应的指令,使平台准确的回到原来的位置。
摘要：文章通过传感器采集钻井平台周围风浪海流等环境外载荷,把采集数据送入信息处理及控制系统,信息处理及控制系统对采集数据进行分析处理,获取外力合力的大小,并给执行系统发送指令。执行系统中的电机按照指令中的转速和方向带动螺旋桨转动,产生推力,抵消平台环境外载荷的推力,使平台静止。若钻井平台发生了移位,GPS卫星定位系统发现移位并把位移数据传给信息处理及控制系统,信息处理及控制系统根据坐标计算出移位距离及方向,给执行系统发送指令,执行系统中的电机带动螺旋桨产生推力使平台回到原位。
关键词：半潜式钻井平台,推力系统,信息处理,动力定位
参考文献
[1]孙丽萍.深水半潜式钻井平台DP3动力定位能力分析[D].北京:中国测试技术,2012.
动力定位系统应用 篇8
随着全球油气需求的增长和陆地石油的减少,海洋石油开采对行业和经济发展有着重要的意义。近年来,海油的发展重心也逐渐向深海油田转移,这也对海洋石油的开发技术提出了更高的要求。传统的海上定位系统,准确性和灵活性较差,对海上石油作业的安全性和高效性存在一定的影响[2]。笔者针对陀螺仪中的光纤陀螺(Fiber Optic Gyro,FOG),分析研究它在海洋石油领域的应用状况,在充分保证平台作业安全的同时提升海洋石油勘探的开发能力,为后期海上石油定位系统的发展和完善提供一定的理论支持。
1 基本原理①
1.1 光纤陀螺的基本原理
光纤陀螺是一种角速率传感器,基于萨格奈克(Sagnac)效应,其基本原理如图1所示。萨格奈克效应指的是:在一个闭合的环形光路中,沿光路的顺时针方向和逆时针方向,两束光相向传播,经过传输后再次回到出发点,叠加并产生干涉效应[3]。环形光路进行旋转时将会产生一个正比于旋转速率ω的相位差Δφ。
如图1a所示,一个相对惯性空间静止的环形光路,对于顺时针或者逆时针传播的光来说,其光程是一致的,都是从A点出发最终又回到A处汇合,并且叠加干涉。因此,从光纤线圈两端出来的两束光的光程差为零,相位差也为零[4]。如图1b所示,如果这个环形光路相对惯性空间有一个转动角速度ω(垂直于环形平面,并且为逆时针方向),则沿逆时针方向传播的光a,比环形光路静止时多走过一个附加光程;而沿顺时针方向传播的光b则会少经过一个与它相等长度的附加光程。因此。相反方向传播的两束光产生了光程差ΔL,进而导致两束光产生Δφ的相位差。因此,只要能将光纤陀螺的非互易相移Δφ准确检测出来,那么光纤环的旋转速率信号ω也就知晓了。
1.2 动力定位的结构与原理
完整的动力定位是一个由位置测量部分、控制部分和推力部分组成的系统,如图2所示。
位置测量系统实现动力定位的基本条件,只有精准地监测到自身姿态和位置的变化,才能为船舶的控制提供准确的参数数据。控制系统是核心,通过对测量系统得到的船舶姿态和位置信息进行分析计算,得到船舶的运动速度,再根据海洋环境条件计算此时受到的环境力,最后由此环境力、船舶速度和预定的位置信息计算出推力系统应产生的作用力。推力系统是执行机构,一般由主推进器、全回转推进器、隧道推进器及侧向推进器等安装在船体不同位置的多个推进器组成,通过联合调控,实现船体的准确控制和定位作业[5]。
位置测量系统用于测量海上平台或者作业船舶相对于一个参考点的位置。完整的位置测量系统由定位参考单元(水声定位系统、张紧索及差分GPS等)、艏向测量单元(电罗经等)、环境参考单元(测风仪等)和垂直参照单元(惯性测量单元、加速度计等)组成[6]。光纤陀螺就是一种典型的惯性测量器件,笔者研究的就是以光纤陀螺为核心的位置测量系统在海洋石油领域动力定位作业中的应用情况。
2 模型计算
2.1 光纤陀螺的数学模型
如图1所示,假设光纤环制作材料为石英,折射率为n,光的传播速率为c,则当光纤环相对惯性空间静止并且是理想环境时,两束光在光纤纤芯中的速度是c/n。环形光路以角速度ω逆时针相对惯性空间转动时,两束光以不相等的速度传播。根据洛伦兹-爱因斯坦的速度变换式,可得沿顺时针方向和逆时针方向传输的光分别以ca、cb速度传播[7]:
式中R———环形光路的半径,m。
此时,在环形光纤圈中,绕行一周两束光所需要的时间ta、tb应该满足下面的关系:
由于真空中的光速c为300Mm/s,而且光纤环的半径和旋转角速度ω不可能被设定的很大,因此有故可忽略(Rω)2项。那么,绕行一周时两束光所经历的时间差Δt的计算式为:
忽略空气介质折射率n的影响,则两束光绕行一周后形成的光程差ΔL为:
式中A———由环形光路所围成的面积,m2。
设光源波长为λ,光纤环周长l=2πR,当环形光路是由N圈单模光纤组成时,两束光的相位差Δφ与光程差ΔL的关系为:
式中K———光纤陀螺的标度因数;
L———光纤环长度,m;
λ———光的波长,m。
式(7)表明,在环形光路中沿逆时针和顺时针方向传播的光,两者的相位差Δφ与光纤环的旋转角速度ω呈线性关系。因此,只要将非互易相移Δφ准确检测出来,那么在检测信号的过程中,光纤环的旋转速率信号ω就也可以被准确检测。
2.2 动力定位的基本数学模型
在复杂海况下,无约束的船舶在进行六自由度运动[8]。在建模时,只考虑3个自由度的运动即可:横荡、纵荡和艏摇。为了准确描述船舶的运动,建立两个参考坐标系,如图3所示。一个是地理坐标系oNxNyNzN,另一个是载体坐标系oBxByBzB。
两个坐标系的z轴垂直指向地心,xy平面与平静海面重合。载体系的原点取在船舶中心线,离重心点的距离是xG,xB轴、yB轴和zB轴分别指向艏向、右舷和龙骨。在地理坐标系中选取船舶位置矢量η=(x,y,φ)T,(x,y)为船位,φ为航向;在载体坐标系中设定船舶速度矢量v=(u,v,r)T,分别为纵荡、横荡和艏摇[9]。则船舶的运动学和动力学方程如下:
其中转换矩阵
结合光纤陀螺的数学模型和动力定位的基本数学模型,发现设定的船舶速度矢量v=(u,v,r)T可以由光纤陀螺精确测得,这说明光纤陀螺完全可以应用于动力定位中,作为位置测量系统中的核心惯性器件。
3 结束语
在近海范围(如渤海地区),光纤陀螺自身就可以实现作业船只的姿态测量和动力定位。而在深海地区,光纤陀螺可以作为位置测量系统的核心器件,实现更加复杂的船舶动力定位,例如用于海上作业的海底施工船只、铺管船和布缆船,用于支持作业的穿梭油轮、拖轮等,这些船只都需要光纤陀螺或与之匹配的动力定位系统实现精准作业,从而减少作业失误率和返工率,提高作业效率,降低成本,减少工期,实现更好的经济性和性价比,达到改革创新、降本增效和重塑成本领先竞争优势的目的。
摘要：基于光纤陀螺仪的基本原理与动力定位的结构和原理,通过光纤陀螺仪的数学模型和动力定位的基本数学模型,分析该设备在海洋石油动力定位中应用的可行性。结果表明:在近海范围,光纤陀螺仪自身就可以实现作业船只的姿态测量和动力定位;而在深海地区,光纤陀螺仪可以作为位置测量系统的核心器件,实现更加复杂的船舶动力定位。
关键词：光纤陀螺仪,海洋石油,动力定位
参考文献
[1]梁阁亭,惠俊军,李玉平.陀螺仪的发展及应用[J].飞航导弹,2006,(4):38~40.
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[5]袁伟,俞孟蕻,朱艳.动力定位系统舵桨组合推力分配研究[J].船舶力学,2015,(4):397~404.
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[7]梁晓鹏.基于光纤陀螺的寻北技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.
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动力定位系统应用 篇9
【关键词】步进电机；步距角；闭环控制；脉冲信号
1.应用背景
在超声波清洗机的工作过程中，为了提高工作效率，减轻工人工作负荷，實现清洗过程自动化，设计了该直线运动定位系统。该系统可以实现沿直线方向的往复运动，运动过程中任意时刻，可改变运动方向及运动速度，亦可快速定位到运动范围内的特定位置。
2.硬件及结构组成
该系统硬件组成主要包括：单片机、步进电机驱动器、步进电机、光电编码器、位置传感器、柔性联轴器、滚珠丝杠组件、直线滑轨组件、执行器连接器。
如图1所示，其中：1.步进电机，2.光电编码器，3.位置传感器，4.柔性联轴器，5.滚珠丝杠组件，6.直线滑轨组件，7.执行器连接器。
3.控制方法及工作流程
3.1步进电机控制
选用两项四线混合步进电机，步进电机的步距角为1.8°。步进电机旋转一周所需的脉冲数为：n=360°/1.8°=200。步进电机控制信号由单片机根据不同的转速要求发出相应频率的脉冲给步进电机驱动器，步进的及驱动器根据脉冲的频率驱动电机。电机旋转的同时带动光电编码器同步旋转，光电编码器发出的信号反馈给步进电机驱动器完成整个闭环控制。步进电机驱动器通过光电编码器反馈信号与自身发出的脉冲信号对比，可及时发现步进电机的过冲、丢步等运行错误并自动完成修正。
3.2执行器连接器位置标定
为实现定位至运动范围内的特定位置的功能，需要沿导轨方向在运动范围内为步进电机建立一维坐标系，并为执行器连接器所在的位置标定对应的坐标。标定方法如下：
将执行器连接器向起始位置移动，当起始位置传感器发出信号后，步进电机停止转动。该位置记为起始位置，编码为0。将执行器连接器向终止位置移动，当终止位置传感器发出信号后，步进电机停止转动。该位置记为终止位置，编码为光电编码器从起始位置到终止位置记录的编码数，记为N0。使用1000线光电编码器，则从起始位置运动至距离起始位置1（单位：mm）对应的步进电机脉冲数为：
3.3直线运动系统工作流程
4.总结
通过使用位置传感器和光电编码器实现了执行器连接器运动边界标定，执行器连接器精确定位。在直线滑轨保证直线运动方向精度的基础上，使用滚珠丝杠和步进电机及光电编码器组成的闭环控制系统实现了执行器连接器的高精度移动。此直线运动定位系统不受运动范围限制，运动范围改变仅需对系统坐标系重新标定；在横向和纵向分别布置，亦可实现二维空间的精确定位及移动。 [科]
【参考文献】
