衛星通信遠程監控系統在海工移動平臺上的應用

羌建兵

（南通潤邦重機有限公司，江蘇 南通226013）

0 引 言

由于風電平臺處于近海或遠海作業（如圖1），系統出現故障后需要維修人員通過交通艇上船維修，這一過程將耗費數天的時間，給設備維護帶來很大的障礙，也嚴重影響風電安裝效率，再加上平臺距離基站較遠，無法通過有線或無線網絡與陸地上人員聯系，也給維修帶來一定障礙。因此本系統采用衛星通信無線網絡連接到中控室，維護人員可直接遠程訪問平臺升降系統的運行及故障信息，極大地提高了維護的方便性，縮短了停機時間，提高了風電安裝作業效率。

圖1 海工移動平臺

1 機構簡介

海工移動平臺除具備船舶的基本功能和特性之外，關鍵特點是海上作業時通過樁腿把本體提升起來（與海水隔離），形成一個固態的工作平臺來提高穩定性，實現此功能的是升降機構。升降機構包含樁腿、固定環梁、移動環梁、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，機械本體工作原理為：提升系統安裝在船體固樁架里面，上環梁為固定環梁（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梁連接固定，提升油缸活塞桿與動環梁（下環梁）連接固定。上環梁上裝有4套油缸式插銷（插銷依靠油缸插銷升縮），下環梁上設有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，上固定環梁插銷插在樁腿插銷孔內，下動環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，下動環梁插銷插入樁腿插銷孔內之后，上定環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，上定環梁插銷再次插入樁腿插銷孔內，下動環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，循環操作上述動作以達到平臺離開水面。

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

圖2 升降機構

2% 電氣控制系統介紹

整個控制系統由泵站控制柜、泵站驅動柜、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行通信。集中操作臺能控制操作機構，配有工控機及觸摸顯示器，能儲存任何控制、動作、故障信息，實現監控、人機交互功能。

集中控制系統主要包含以下功能：1）應急停止功能。當機構動作發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，且液壓實現保護自鎖，原有一切動作立即停止。2）升降功能。控制平臺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。各樁腿既可以聯動，也可以單動。3）平臺傾斜保護功能。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有專門顯示平臺水平狀態的顯示屏。當平臺傾斜角度超過預定范圍后，進行自動聲光報警或停止升、降工作，并提示人工干預調整。

3 控制及通信方式

控制系統采用分布式總線控制系統，分別在集中控制室、1#泵站、2#泵站、1#樁腿、2#樁腿、3#樁腿、4#樁腿設置控制站，每個控制站采集各自的IO信號及帶Ethernet節點的現場設備數據，各個控制站之間采用光纖介質通信。傳輸速率為100 MBit/s，通信網絡如圖3所示。

圖3 通信網絡

4% 遠程集中操作臺

遠控集中操作臺設置了集中操作站點，可以通過集中操作臺遠控啟停泵站及樁腿電液系統，并配有CMS計算機管理系統及CCTV監視系統（如圖4）。主要實現的功能有泵站電動機的啟停、冷卻循環泵的啟停、重載問詢、電纜卷筒控制、沖水卷筒的控制、樁腿聯動控制、樁腿就地控制。

圖4 集中操作臺

5% 衛星通信遠程監控系統

通過對海上移動風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境，對其遠程監控及故障排除成為使用單位的迫切需求。

海上移動風電安裝平臺一般都在近海或遠海工作，當出現平臺上售服工程師不能解決的系統關鍵故障時，一般都需軟件工程師解決，通過遠程監控系統在辦公室就能解決，工程師無需到現場，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，通過衛星發射器把信號發射給衛星，衛星收到信號，再把信號發到地球，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星發射器（衛星發射站）；低軌同步衛星；衛星接收裝置；岸上移動及固定控制終端（處理器/電腦）。

系統工作原理過程如圖6所示。衛星發射器是高頻發射裝置，向地球同步衛星發射信號，它把電信號轉換成電磁波，發射器發射電磁波（以Ka波段頻譜，范圍26.5～40.0 GHz）；地球低軌同步衛星，收到發射器的信號，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射。

圖5 方案圖

圖6 原理簡圖

衛星接收裝置在傳感系統中有著重要的地位，它將接收到的衛星信號通過調制解調器轉成系統能夠識別的電信號，它影響到整個傳輸系統的性能，所以安裝要注意兩種角度：衛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為衛星星下點經度；Φ2為所在地經度；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盡可能最小；2）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，防止各宇宙通信業務之間及與其它地面通信頻道之間產生互相干擾。

通過以上完整的衛星通信網絡，不管風電安裝平臺在哪個海域，陸地都可以實時對其監控和故障排除。

6 案例評析

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

圖8 系統簡圖

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

集中操作臺設有信息發射帶燈按鈕FS，當需要遠程工程師處理故障時，可以按此按鈕，如按鈕燈顯綠色，則表明發射完成，終端處理器與平臺總控制系統通信成功，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，FS按鈕實為發射和啟動發射裝置的一體式按鈕，是整個衛星通信遠程監控系統的一鍵式啟動按鈕，這樣降低了遠程監控系統操作難度。

集中操作臺設有故障指示帶燈蜂鳴器BZ, 系統發生故障時BZ同時發出閃爍的紅光和斷續性蜂鳴聲，當按下FS后，聲音消失，閃爍的紅光仍然持續，當遠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。工控機實時儲存故障發生及排除的時間和內容，以供后期查閱。內容及時間都可通過觸屏顯示器讀取。

提醒：用戶需按《建立衛星通信網和設置使用地球站管理規定》辦理合法手續方可建站使用。

7 監控系統故障及解決方法

1）設備故障。尤其是發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）發射接收頻率偏移故障。這是因衛星內部元件變質引起的方位角發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，此時只能重新調整仰角和方位角[2]。

3）日凌現象的發生及干擾。日凌現象一般每年發生2次，每次連續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，我們通常采用重新啟動來消除。

8 結 語

總之，本風電海上安裝平臺液壓插銷式升降機構遠程監控系統為風電平臺的作業提供了很大的方便性，風電安裝效率與傳統設備相比提高近50%以上，每年為客戶創造的價值近千萬元，同時遠程24 h的保駕護航也給風電安裝平臺帶來可靠保障，縮短了停機維護時間。