Loading AI tools
automatische piloot in de scheepvaart Van Wikipedia, de vrije encyclopedie
Een dynamisch positioneringssysteem (dynamic positioning, DP) is een systeem dat de positie en koers van een schip automatisch beheerst houdt door gebruik te maken van de eigen schroeven, veelal roerpropellers. Werkzaamheden op zee die anders niet mogelijk zouden zijn – doordat er bijvoorbeeld niet geankerd kan worden door obstakels op de zeebodem (pijpleidingen of andere structuren) of door een te grote waterdiepte – zijn door dynamic positioning wel uit te voeren.
Terwijl de eerste schepen analoge systemen hadden en geen redundantie, is er sindsdien enorme vooruitgang geboekt. DP wordt tegenwoordig ook buiten de olie-industrie gebruikt. Het is nu ook mogelijk om niet alleen exact op positie te blijven liggen, maar ook een nauwkeurige route te varen, wat onder andere gebruikt wordt door pijpenleggers, kabelleggers en survey. Er zijn verschillende uitrustingsklassen met een toenemende mate van redundantie, afhankelijk van de werkzaamheden en de risico's die gepaard gaan met het verlies van positie. Zo worden er bij werkzaamheden in de 500 meter-veiligheidszone van een productieplatform hogere eisen gesteld.
DP kan absoluut zijn, waarbij een positie ten opzichte van de zeebodem wordt vastgehouden, of relatief, waarbij een bewegend object, zoals een ander schip, een ROV (op afstand bestuurde mini-onderzeeër) of een drijvend platform, wordt gevolgd. Ook kan een koers ten opzichte van wind en stroming worden vastgehouden waarbij het benodigde vermogen om op positie te blijven minimaal is.
DP is in de jaren 1960 ontstaan in de offshoreboring. Doordat de boring naar dieper water verschoof, werd het niet meer mogelijk om hefeilanden (jack-ups) te gebruiken en werd ankeren economisch ongunstig.
In 1961 werd het boorschip CUSS I uitgerust met vier stuurbare schroeven voor Project Mohole, een poging de eerste Moho-put te boren. Met deze grote Harbormaster buitenboordvoortstuwers wist men vanaf maart 1961 het schip handmatig binnen zo'n 600 voet (180 meter) positie te houden en te boren in waterdieptes tot 3500 meter. De positie werd bepaald door met behulp van radar de afstand te meten tot boeien en met behulp van sonar tot bakens op de zeebodem. Dit gebeurde handmatig en niet automatisch zoals twee maanden later het geval zou zijn op de Eureka van Shell Oil dat het eerste DP-systeem had.
Shell ging met de Eureka een stap verder. Deze was uitgerust met een roerpropeller voor en achter en was aanvankelijk ook bedoeld om handmatig gepositioneerd te worden. Howard Shatto van Shell dacht echter dat dit te gecompliceerd was, zeker omdat de Eureka ook op ondieper water moest kunnen boren, waar eenzelfde horizontale verplaatsing resulteert in een te grote hoek voor de boorstang. Shatto wilde het positioneren dan ook automatiseren en liet Hughes Aircraft een ontwerp maken met drie PID-regelaars van Honeywell. De regelaars moesten respectievelijk de koersrichting, de langsscheepse en de dwarsscheepse positie vasthouden.[1] De koersrichting werd gemeten met een gyrokompas, terwijl de twee andere regelaars de hoek meten van een draad die strak werd gehouden met een gewicht op de zeebodem, later bekend als light taut wire (LTW).[2] De horizontale positie was af te lezen op een oscilloscoop. Dit systeem werd automatic positioning equipment (APE) genoemd, wat later dynamisch positioneringssysteem (DP) werd.
Het DP-systeem was een van de onderdelen van een zeven jaar durend R&D-programma van Shell dat 7 miljoen dollar had gekost. Dit had een dusdanige voorsprong opgeleverd op diep water dat Shell in bepaalde gevallen als enige bood op concessieblokken die te diep waren voor anderen. Met Shell als enige bieder kende de overheid deze blokken vervolgens echter niet toe. Om concurrentie te verkrijgen en alsnog te kunnen bieden op deze leases, maar ook omdat de kosten en de risico's die diep water met zich mee bracht niet alleen gedragen konden worden, ging Shell in 1963 over tot een opmerkelijke stap. In de Shell Course for Industry, Floating Drilling and Underwater Well Completions werden de bevindingen gedeeld met andere oliemaatschappijen.
In 1963 volgde de Salvor van Dumez die net als de CUSS I handmatig op positie werd gehouden en de eerste was die volgens deze methode voor Gaz de France pijpleiding moest gaan leggen, van Mostaganem in Algerije naar Cartagena in Spanje. De Salvor werd hiertoe bij Ateliers Duchesne et Bossière uitgerust met onder meer Schottel-roerpropellers, een pijpenschroefinstallatie en een grote lier. Met de bestaande voortststuwing en de Schottels kon het schip handmatig op positie gehouden worden. Het 200 km lange traject bevatte waterdieptes tot 2700 meter en dit bleek nog een te grote uitdaging. Na veel problemen werd het project in 1963 stopgezet.
De ervaringen met de Salvor brachten het Institut Français du Pétrole (IFP) om in 1963 met ondersteuning van Comite d'Etudes Petrolieres Marines (CEPM) een oude LCT om te laten bouwen bij Ateliers et chantiers du Havre. Deze Térébel was vooral bedoeld om nieuwe technieken te ontwikkelen voor boring en positioneringssystemen. Het werd daartoe uitgerust met onder meer twee Schottel-roerpropellers. Ook werd er een boorinstallatie voor kernboring geplaatst die bestond uit een experimentele schietloodopstelling, de flexodrill. In 1964 hield men het schip aanvankelijk nog handmatig op positie, maar in 1965 werd een DP-systeem geïnstalleerd van Thomson-Houston. Net zoals eerder in 1961 op de Eureka werd de koersrichting gemeten met een gyrokompas, terwijl de relatieve horizontale positie bepaald werd met een light taut wire. Om redundantie in te bouwen, werden ook andere plaatsbepalingsystemen ontwikkeld, waaronder Brémius, een long baseline akoestisch onderwatersysteem (LBL) en Raydist, een vorm van radionavigatie.
In 1964 liet Caldrill Offshore een schip ombouwen bij California Shipbuilding & Dry Dock Company tot boorschip als de Caldrill I. Het kreeg vier grote Harbormaster buitenboordvoortstuwers en werd het eerste DP-schip met redundantie in de vorm van dubbele regelaars van Baylor en dubbele light taut wires. De Caldrill I beperkte zich net als de eerder boorschepen tot kernboring, omdat de techniek nog te vaak uitviel om olieboring veilig uit te kunnen voeren.
Voor Project Mohole ontwierp Honeywell voor het halfafzinkbare platform dat Brown & Root had ontworpen een DP-systeem met een long baseline-systeem, twee short baseline-systemen en een radarsysteem. Uiteindelijk werd dit platform echter niet gebouwd.
In 1967 werd de Mission Capistrano uitgerust met een DP-systeem voor Project Artemis, een systeem om onderzeeërs op te sporen. Het kreeg daarvoor ook een sonar van vijf dekken hoog met ultrahoog vermogen.
In 1968 liet Global Marine de Glomar Challenger, speciaal gebouwd voor het Deep Sea Drilling Project, een voortzetting van Project Mohole. Dit was het eerste schip van Global dat was uitgerust met een DP-systeem.
De Amerikaanse marine liet in 1968 de USS Naubuc ombouwen tot kabellegger en uitrusten met een DP-systeem van Honeywell. Het kreeg daarbij de beschikking over vier stuurbare schroeven en een radionavigatiesysteem van Decca, Hi-Fix.
De Franse marine liet in 1971 de Triton bouwen die uitgerust was met een DP-systeem en twee Voith-Schneider-propellers. De ervaringen hieruit werden verwerkt in de Tripartiteklasse van mijnenjagers gebouwd voor de Belgische, Franse en Nederlandse marines.
De stap naar olieboring werd op initiatief van Shell gezet met de Sedco 445. In 1971 werd dit gebouwd voor Sedco door Mitsui Engineering & Shipbuilding. Sedco ontwierp het met Shell en Earl & Wright. Naast de twee voortstuwers beschikte het over elf roerpropellers. Het met het Automatic Station Keeping ASK-systeem van Honeywell uitgeruste schip was het eerste DP-schip waarbij de windsensoren voorwaartsgekoppeld in het DP-systeem werden gebracht, zodat het systeem kon anticiperen op windstoten voordat het schip uit positie werd geblazen.
De ervaringen met de Térébel vormden de basis voor het ontwerp van de Pélican-serie waarmee in 1968 werd begonnen en die onder meer bij IHC Gusto werden gebouwd. De eerste in die serie werd in 1972 opgeleverd.
In 1974 werd het eerste duikondersteuningsvaartuig met een DP-systeem gebouwd, de Arctic Surveyor. In 1977 was de Sedco 709 het eerste halfafzinkbare platform (semi) met een DP-systeem.
De markt voor DP-systemen in deze jaren was klein en versplinterd, met in 1975 nog geen twintig schepen en onder meer Honeywell en Delco in de Verenigde Staten, General Electric Company in het Verenigd Koninkrijk en CIT-Alcatel en Thomson-CSF in Frankrijk. In 1975 richtte Kongsberg Våpenfabrikk Kongsberg Albatross op om DP-systemen te ontwikkelen. Waar tot dan toe PID-regelaars gebruikt werden, introduceerde Kongsberg de eerste DP-systemen met een Kalman-filter. Jens Glad Balchen, die met Rudolf Emil Kálmán gewerkt had, speelde hierbij een belangrijke rol. Het duikondersteuningsvaartuig Seaway Eagle was in 1977 het eerste schip dat werd uitgerust met het Albatross DP-systeem (ADP). Kongsberg zou daarna snel uitgroeien tot de grootste leverancier van DP-systemen.
Andere manieren om op positie te blijven liggen, zijn het gebruik van een ankerpatroon en het gebruik van een hefeiland. Elk heeft zijn eigen voor- en nadelen.
| Hefeiland | Ankeren | Dynamic positioning |
|---|---|---|
Voordelen:
|
Voordelen:
|
Voordelen:
|
Nadelen:
|
Nadelen:
|
Nadelen:
|
Hoewel alle methodes hun eigen voordelen hebben, heeft dynamic positioning veel werkzaamheden mogelijk gemaakt die voorheen niet uitgevoerd konden worden.
Belangrijke toepassingen zijn:
Een schip heeft zes vrijheidsgraden: Drie van deze zijn een translatie:
De andere drie zijn rotatie:
Dynamic positioning regelt de surge, sway en yaw, de bewegingen in het horizontale vlak. Er zijn opties waarmee de heave gedempt wordt.
Een schip dat uitgerust wordt voor dynamic positioning heeft in ieder geval het volgende nodig:
Voor de meeste toepassingen moeten de positiereferentiesystemen en het aantal propellers van voldoende vermogen zorgvuldig uitgekozen worden tijdens de ontwerpfase van een dynamic positioning-schip. Om ook tijdens slecht weer goed in positie te kunnen blijven liggen, moet er in de drie richtingen genoeg vermogen zijn. De belangrijkste fabrikanten van dynamic positioning-systemen zijn Kongsberg Simrad, Converteam - voormalig onderdeel van Alstom - en L-3 Communications (voorheen Nautronix).
Er zijn verschillende manieren van plaatsbepaling op zee. De meeste traditionele methodes zijn echter niet nauwkeurig genoeg om gebruikt te worden voor dynamic positioning. Daarom zijn er de afgelopen decennia meerdere systemen ontwikkeld. De beschikbaarheid hangt af van het soort werkzaamheden en de waterdiepte. De meest voorkomende Positie-Referentie-Systemen (PRS) zijn:
Meer geavanceerde methodes zijn:
Naast positie en koers worden nog andere variabelen ingebracht in het dynamic positioning-systeem door middel van sensoren:
In het begin werden PID-regelaars gebruikt. Deze worden tegenwoordig nog steeds gebruikt in de simpelere dynamic positioning-systemen. Moderne regelingen echter gebruiken een mathematisch model van het schip, gebaseerd op een hydrodynamische en aerodynamische beschrijving van een aantal scheepskenmerken, zoals massa en weerstand. Uiteraard is dit model niet volledig correct. Door middel van de referentiesystemen worden positie en koers in het systeem gevoerd en vergeleken met een voorspelling die door het model gemaakt wordt. Het verschil wordt gebruikt om het model bij te werken, waarbij gebruik wordt gemaakt van Kalman-filteringtechniek. Om het model zo accuraat mogelijk te maken, heeft het invoer van de windsensoren en terugkoppeling van de propellers. Hierdoor is het zelfs mogelijk om enige tijd, afhankelijk van de kwaliteit van het model en het weer, op positie te blijven zonder invoer van een PRS.
De nauwkeurigheid en precisie van de verschillende positiereferentiesystemen (PRS) is niet hetzelfde. Terwijl een DGPS over het algemeen een zeer hoge nauwkeurigheid en precisie heeft, kan een USBL een veel lagere precisie hebben. Daarom wordt er aan elk PRS een gewicht tussen 0 en 1 toegekend, gebaseerd op variantie.
Om op positie te blijven liggen, worden roerpropellers, boegschroeven, hekschroeven, waterjets, roeren en voortstuwingsschroeven gebruikt. Dynamic positioning-schepen zijn over het algemeen in ieder geval deels dieselelektrisch uitgerust, omdat dit beter in staat is de grote variatie in belasting op te vangen die typisch is voor dynamic positioning-operaties.
De keuze voor de uitleg van de machinekamer(s) en de thrusters hangt af van de DP-klasse van het schip. Een klasse 1-schip kan relatief eenvoudig uitgevoerd worden, terwijl het systeem van een klasse 3-schip behoorlijk complex is. Op klasse 2 en 3-schepen moeten alle computers en referentiesystemen gevoed worden via een Uninterruptible Power Supply (UPS).
Gebaseerd op de IMO (International Maritime Organization) circulaire MSC/Circ.645[7] hebben de classificatiebureaus[8] regels uitgevaardigd voor DP-schepen die verdeeld worden in klasse 1, klasse 2 en klasse 3. De IMO-publicaties worden over het algemeen rechtstreeks overgenomen in de Nederlandse wetgeving.
Classificatiebureaus hebben hun eigen klasseaanduiding:
| Beschrijving | IMO DP-klasse |
Overeenkomende uittrustingsklassen | |||
|---|---|---|---|---|---|
| LR | DNV | ABS | GL | ||
| Handmatige positiebediening en automatische koersbediening onder gespecificeerde maximale weersomstandigheden | - | DP(CM) | DNV-T | DPS-0 | - |
| Automatische en handmatige positie en koersbediening onder gespecificeerde maximale weersomstandigheden | Klasse 1 | DP(AM) | DNV-AUT DNV AUTS |
DPS-1 | DP1 |
| Automatische en handmatige positie en koersbediening onder gespecificeerde maximale weersomstandigheden, gedurende en na het optreden van een enkelvoudige storing exclusief het verlies van een compartiment (twee onafhankelijke computersystemen) | Klasse 2 | DP(AA) | DNV-AUTR | DPS-2 | DP2 |
| Automatische en handmatige positie en koersbediening onder gespecificeerde maximale weersomstandigheden, gedurende en na het optreden van een enkelvoudige storing inclusief het verlies van een compartiment door brand of overstroming (minimaal twee onafhankelijke computersystemen met een onafhankelijk back-up-systeem gescheiden door A60-klasse-afscheiding) | Klasse 3 | DP(AAA) | DNV-AUTRO | DPS-3 | DP3 |
IMO laat de beslissing van welke klasse behoort bij welke operatie over aan de beheerder van het DP-schip en zijn klant. Het Norwegian Maritime Directorate (NMD) daarentegen heeft gespecificeerd welke klasse gebruikt moet worden bij het soort operatie. In de NMD Guidelines and Notes No. 28, enclosure A zijn vier klassen gedefinieerd:
Hierop is het type schip gebaseerd voor elk soort operatie:
Redundantie is de mogelijkheid om een enkelvoudige storing op te vangen zonder van positie te raken. Een enkelvoudige storing kan onder andere zijn:
Redundantie is niet voor alle werkzaamheden vereist. Als bijvoorbeeld een surveyschip van positie raakt, is er normaal gesproken geen gevaar van schade of letsel. Deze werkzaamheden zullen meestal in klasse 1 worden uitgevoerd..
Voor ander werkzaamheden, zoals duiken of zwareladingoperaties, is er een gevaar van schade of letsel. Afhankelijk van het risico zullen deze werkzaamheden in klasse 2 of 3 worden uitgevoerd. Dit houdt in dat er ten minste drie positiereferentiesystemen beschikbaar moeten zijn. Dit geeft de mogelijkheid om een voting-systeem toe te passen. Op deze manier kan een fout referentiesysteem gevonden worden. Vanwege dit principe zij er ook drie dynamic positioningcontrol-computers, drie gyrokompassen, drie Motion Reference Units en drie windsensoren op klasse 3-schepen. Als er een enkelvoudige storing voorkomt die de redundantie in gevaar brengt, bijvoorbeeld het uitvallen een thruster, generator of referentiesysteem, en dit niet direct opgelost kan worden, dan moeten de klasse 3-werkzaamheden zo snel mogelijk gestopt worden.
Om genoeg redundantie te hebben, moeten er voldoende generatoren en thrusters bij staan, zodat het uitvallen van een van deze niet resulteert in het niet op positie kunnen blijven liggen. Dit naar inzicht van de Dynamic Positioning Operator (DPO). In klasse 2 en 3 systemen moet een Consequence Analyses zitten om de DPO te assisteren bij deze beslissingen.
Nadeel van de noodzaak tot redundantie is dat generatoren nooit met volle belasting draaien, waardoor de motoren sneller vervuilen en minder zuinig zijn.
De redundantie van een dynamic positioning-schip moet getoetst worden aan de hand van een Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) studie en bewezen door een FMEA-proefvaart.[9] Daarnaast wordt er jaarlijks een DP-proefvaart gehouden waarbij alle systemen getest worden. Voor elke DP-klus worden er ook DP-functietesten uitgevoerd.
De DP operator houdt in de gaten of er voldoende redundantie is op elk gegeven moment van de werkzaamheden. International Maritime Organization heeft MSC/Circ.738 (Guidelines for dynamic positioning system (DP) operator training) uitgevaardigd op 24-06-1996. Dit haalt IMCA (International Marine Contractors Association) M 117[10] aan als acceptabele standaard.
Om te kwalificeren als DP-operator moet het volgende traject worden gevolgd:
Als het wachtlopen heeft plaatsgevonden op een klasse 1-schip wordt een gelimiteerd certificaat verleend, anders wordt een volledig certificaat verleend.
De International Marine Contractors Association (IMCA) werd in april 1995 gevormd door de fusie van AODC (oorspronkelijk de International Association of Offshore Diving Contractors), opgericht in 1972, en DPVOA (the Dynamic Positioning Vessel Owners Association), opgericht in 1990.[11] Het vertegenwoordigt offshore, nautische en onderwateraannemers. Acergy, Allseas, Heerema Marine Contractors, Helix Energy Solutions Group, Saipem, Subsea 7 en Technip zijn vertegenwoordigd in de raad van IMCA en leveren de president.
Terwijl het begon met het verzamelen en analyseren van DP-incidenten,[12] zijn er sindsdien publicaties over diverse onderwerpen geweest om de dynamic positioning standaard te verbeteren. Ze werken ook samen met IMO en andere regelgevende organen.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
