衛(wèi)星通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在海工移動平臺上的應(yīng)用

羌建兵

（南通潤邦重機(jī)有限公司，江蘇 南通226013）

0 引 言

由于風(fēng)電平臺處于近?；蜻h(yuǎn)海作業(yè)（如圖1），系統(tǒng)出現(xiàn)故障后需要維修人員通過交通艇上船維修，這一過程將耗費數(shù)天的時間，給設(shè)備維護(hù)帶來很大的障礙，也嚴(yán)重影響風(fēng)電安裝效率，再加上平臺距離基站較遠(yuǎn)，無法通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)與陸地上人員聯(lián)系，也給維修帶來一定障礙。因此本系統(tǒng)采用衛(wèi)星通信無線網(wǎng)絡(luò)連接到中控室，維護(hù)人員可直接遠(yuǎn)程訪問平臺升降系統(tǒng)的運行及故障信息，極大地提高了維護(hù)的方便性，縮短了停機(jī)時間，提高了風(fēng)電安裝作業(yè)效率。

圖1 海工移動平臺

1 機(jī)構(gòu)簡介

海工移動平臺除具備船舶的基本功能和特性之外，關(guān)鍵特點是海上作業(yè)時通過樁腿把本體提升起來（與海水隔離），形成一個固態(tài)的工作平臺來提高穩(wěn)定性，實現(xiàn)此功能的是升降機(jī)構(gòu)。升降機(jī)構(gòu)包含樁腿、固定環(huán)梁、移動環(huán)梁、懸掛桿、支持插銷、工作插銷、平衡器、升降油缸等，如圖2所示。

以升降平臺動作為例，機(jī)械本體工作原理為：提升系統(tǒng)安裝在船體固樁架里面，上環(huán)梁為固定環(huán)梁（不動的），通過平衡器與船體固樁架頂板固定在一起，提升油缸主缸體尾部與固定環(huán)梁連接固定，提升油缸活塞桿與動環(huán)梁（下環(huán)梁）連接固定。上環(huán)梁上裝有4套油缸式插銷（插銷依靠油缸插銷升縮），下環(huán)梁上設(shè)有4套油缸式插銷。

平臺提升動作過程為：此時平臺處于漂浮在水面狀態(tài)，上固定環(huán)梁插銷插在樁腿插銷孔內(nèi)，下動環(huán)梁插銷從樁腿插銷孔拔出，提升油缸的活塞收縮至1個孔距，下動環(huán)梁插銷插入樁腿插銷孔內(nèi)之后，上定環(huán)梁插銷從樁腿插銷孔拔出后，提升油缸的活塞伸出至1個孔距，樁腿被下放，直至1個孔距后，上定環(huán)梁插銷再次插入樁腿插銷孔內(nèi)，下動環(huán)梁插銷再次從插座孔中拔出，油缸活塞縮回至最短行程。依此，循環(huán)操作上述動作以達(dá)到平臺離開水面。

平臺下降動作過程為：此時平臺處于離開水面狀態(tài)（樁腿壓觸海床，把平臺頂離海面），下動環(huán)梁插銷插入樁腿插銷孔內(nèi)，上固定環(huán)梁插銷從樁腿孔拔出，油缸活塞收縮，由于整個平臺是通過上固定環(huán)梁連成的整體，上固定環(huán)梁就會下降1個孔距，此時上固定環(huán)梁插銷插入樁腿插銷孔內(nèi)，下動環(huán)梁插銷從樁腿孔拔出，油缸活塞再伸出至1個孔距，下動環(huán)梁插銷再次插入樁腿插銷孔內(nèi)，上固定環(huán)梁插銷從樁腿孔拔出。依此，循環(huán)操作上述動作以達(dá)到平臺再次漂浮在水面。

圖2 升降機(jī)構(gòu)

2% 電氣控制系統(tǒng)介紹

整個控制系統(tǒng)由泵站控制柜、泵站驅(qū)動柜、樁腿控制柜、總控室集中操作臺等組成。所有操作都可以通過集中操作臺來操作控制及讀取控制信息，集中操作臺再通過光纖與各個樁腿控制柜進(jìn)行通信。集中操作臺能控制操作機(jī)構(gòu)，配有工控機(jī)及觸摸顯示器，能儲存任何控制、動作、故障信息，實現(xiàn)監(jiān)控、人機(jī)交互功能。

集中控制系統(tǒng)主要包含以下功能：1）應(yīng)急停止功能。當(dāng)機(jī)構(gòu)動作發(fā)生緊急具有危險趨勢時，按下緊急停止按鈕后，除PLC控制電源外，其它所有動力、電磁閥電源都失電，且液壓實現(xiàn)保護(hù)自鎖，原有一切動作立即停止。2）升降功能?？刂破脚_4條樁腿的自動、半自動和手動升降控制。其中，升、降平臺及升、降樁腿等工況下的操作可使用自動、半自動控制。各樁腿既可以聯(lián)動，也可以單動。3）平臺傾斜保護(hù)功能。電子測斜儀實時測量平臺傾斜角度，在集中控制臺面板上設(shè)有專門顯示平臺水平狀態(tài)的顯示屏。當(dāng)平臺傾斜角度超過預(yù)定范圍后，進(jìn)行自動聲光報警或停止升、降工作，并提示人工干預(yù)調(diào)整。

3 控制及通信方式

控制系統(tǒng)采用分布式總線控制系統(tǒng)，分別在集中控制室、1#泵站、2#泵站、1#樁腿、2#樁腿、3#樁腿、4#樁腿設(shè)置控制站，每個控制站采集各自的IO信號及帶Ethernet節(jié)點的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)，各個控制站之間采用光纖介質(zhì)通信。傳輸速率為100 MBit/s，通信網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 通信網(wǎng)絡(luò)

4% 遠(yuǎn)程集中操作臺

遠(yuǎn)控集中操作臺設(shè)置了集中操作站點，可以通過集中操作臺遠(yuǎn)控啟停泵站及樁腿電液系統(tǒng)，并配有CMS計算機(jī)管理系統(tǒng)及CCTV監(jiān)視系統(tǒng)（如圖4）。主要實現(xiàn)的功能有泵站電動機(jī)的啟停、冷卻循環(huán)泵的啟停、重載問詢、電纜卷筒控制、沖水卷筒的控制、樁腿聯(lián)動控制、樁腿就地控制。

圖4 集中操作臺

5% 衛(wèi)星通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

通過對海上移動風(fēng)電安裝平臺控制的簡單介紹，可見海上平臺的安全及工作效率尤為重要，維護(hù)效率就成為重中之重，針對以上所述海上移動平臺的工作環(huán)境，對其遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障排除成為使用單位的迫切需求。

海上移動風(fēng)電安裝平臺一般都在近?；蜻h(yuǎn)海工作，當(dāng)出現(xiàn)平臺上售服工程師不能解決的系統(tǒng)關(guān)鍵故障時，一般都需軟件工程師解決，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在辦公室就能解決，工程師無需到現(xiàn)場，提高工作效率。

過程簡介：平臺控制及故障信息儲存在集中操作臺的CMS系統(tǒng)，通過衛(wèi)星發(fā)射器把信號發(fā)射給衛(wèi)星，衛(wèi)星收到信號，再把信號發(fā)到地球，辦公室工作站收到信號后，工程師就可以通過電腦處理。

方案組成（如圖5）包括：在平臺集中控制室安裝衛(wèi)星發(fā)射器（衛(wèi)星發(fā)射站）；低軌同步衛(wèi)星；衛(wèi)星接收裝置；岸上移動及固定控制終端（處理器/電腦）。

系統(tǒng)工作原理過程如圖6所示。衛(wèi)星發(fā)射器是高頻發(fā)射裝置，向地球同步衛(wèi)星發(fā)射信號，它把電信號轉(zhuǎn)換成電磁波，發(fā)射器發(fā)射電磁波（以Ka波段頻譜，范圍26.5～40.0 GHz）；地球低軌同步衛(wèi)星，收到發(fā)射器的信號，把電磁波后編碼成0和1二值代碼，再以電磁波形式向地面基站發(fā)射。

圖5 方案圖

圖6 原理簡圖

衛(wèi)星接收裝置在傳感系統(tǒng)中有著重要的地位，它將接收到的衛(wèi)星信號通過調(diào)制解調(diào)器轉(zhuǎn)成系統(tǒng)能夠識別的電信號，它影響到整個傳輸系統(tǒng)的性能，所以安裝要注意兩種角度：衛(wèi)星接收裝置安裝要注意的方位角和仰角[1]（如圖7）：

圖7 仰角和方位角

式中：E為天線的仰角；A為天線的方位角；Φ1為衛(wèi)星星下點經(jīng)度；Φ2為所在地經(jīng)度；r/h=0.151;θ為所在地緯度。

傳輸波特征及要求：1）電磁波要可以穿過電離層，傳輸損耗和外部干擾噪聲應(yīng)盡可能最?。?）要有比較寬的可用帶頻，盡可能增大通信容量；3）較合理地使用無線電頻譜，防止各宇宙通信業(yè)務(wù)之間及與其它地面通信頻道之間產(chǎn)生互相干擾。

通過以上完整的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，不管風(fēng)電安裝平臺在哪個海域，陸地都可以實時對其監(jiān)控和故障排除。

6 案例評析

我司2000 t升降平臺可試行此通信方案。在總控室建立衛(wèi)星發(fā)射站，在辦公室建立接收站。整套通信系統(tǒng)包含控制器CPU、觸摸顯示器、工控機(jī)CMS、衛(wèi)星發(fā)射裝置（站）、低軌同步通信衛(wèi)星、衛(wèi)星接收裝置（站）、終端處理器（電腦），如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)簡圖

總控室的集中操作臺工控機(jī)（CMS）記錄儲存升降系統(tǒng)動態(tài)控制信息及故障信息，集中操作臺控制器CPU與工控機(jī)之間、工控機(jī)與衛(wèi)星發(fā)射裝置之間用Profinet做通信。

集中操作臺設(shè)有信息發(fā)射帶燈按鈕FS，當(dāng)需要遠(yuǎn)程工程師處理故障時，可以按此按鈕，如按鈕燈顯綠色，則表明發(fā)射完成，終端處理器與平臺總控制系統(tǒng)通信成功，終端處理器可以讀取一切信息及編輯控制程序，如通信失敗則燈不亮，F(xiàn)S按鈕實為發(fā)射和啟動發(fā)射裝置的一體式按鈕，是整個衛(wèi)星通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的一鍵式啟動按鈕，這樣降低了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)操作難度。

集中操作臺設(shè)有故障指示帶燈蜂鳴器BZ, 系統(tǒng)發(fā)生故障時BZ同時發(fā)出閃爍的紅光和斷續(xù)性蜂鳴聲，當(dāng)按下FS后，聲音消失，閃爍的紅光仍然持續(xù)，當(dāng)遠(yuǎn)程終端工程排除故障后閃爍的紅光就會消失，證明故障已排除成功。工控機(jī)實時儲存故障發(fā)生及排除的時間和內(nèi)容，以供后期查閱。內(nèi)容及時間都可通過觸屏顯示器讀取。

提醒：用戶需按《建立衛(wèi)星通信網(wǎng)和設(shè)置使用地球站管理規(guī)定》辦理合法手續(xù)方可建站使用。

7 監(jiān)控系統(tǒng)故障及解決方法

1）設(shè)備故障。尤其是發(fā)射裝置和接收裝置都是露天戶外的，長期日曬雨淋會老化生銹，或受到雷擊。需要定期檢查系統(tǒng)連接是否正確可靠，接地、接電是否良好，在裝置附件加裝避雷針；每次雨雪天氣過后，要及時清除天線面及饋源上的積雪。

2）發(fā)射接收頻率偏移故障。這是因衛(wèi)星內(nèi)部元件變質(zhì)引起的方位角發(fā)生偏移而造成的故障，這些故障稱為軟故障，飄忽不定，通信時斷時續(xù)，此時只能重新調(diào)整仰角和方位角[2]。

3）日凌現(xiàn)象的發(fā)生及干擾。日凌現(xiàn)象一般每年發(fā)生2次，每次連續(xù)6 d左右，每天最長時間大約10 min，接收裝置因日凌信號中斷有時會造成死機(jī)，我們通常采用重新啟動來消除。

8 結(jié) 語

總之，本風(fēng)電海上安裝平臺液壓插銷式升降機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為風(fēng)電平臺的作業(yè)提供了很大的方便性，風(fēng)電安裝效率與傳統(tǒng)設(shè)備相比提高近50%以上，每年為客戶創(chuàng)造的價值近千萬元，同時遠(yuǎn)程24 h的保駕護(hù)航也給風(fēng)電安裝平臺帶來可靠保障，縮短了停機(jī)維護(hù)時間。