声波式剖面流速波浪检测实时传输系统的设计应用

史书臣

SHI Shu-chen

（天津信达自动化工程有限公司，天津 300450）

0 引言

系泊海上油气浮式处理储油装置（FPSO）的单点装置和海上油气浮式处理储油装置（FPSO），在风、海流、波浪等海洋环境的作用下，将会受到各种力的影响，在极端情况下，这对FPSO的安全生产将会带来巨大危害，为了利于FPSO的可靠安全生产，保证油气浮式处理储油装置（FPSO）的单点装置和海上油气浮式处理储油装置（FPSO）处在安全的工作状态，需要对FPSO和单点所处海域的水温、海水流速、风速、波浪、盐度等数据进行监测，以便使FPSO设备管理人员根据相关数据做科学的预测管理，达到安全生产的目的[1～4]。

基于此，利用AWAC声波式剖面流速波浪仪、监控计算机、风速仪等检测设备设计了流速波浪实时监测传输系统，旨在提供实时有效可靠水温、流速、波浪、风速、盐度等数据，并根据相关数据作科学预测和远程监控。系统采用世界上最先进的声学多普勒法测量海流剖面流速，采用超声波风速仪测量风速，采用PUV和AST（声表面跟踪技术）两种方法测量波浪和海水流速等，使用GSM网络无线数据传输完成实时系统监控和数据传输，实现远程现场数据查看、数据分析等[5～9]。

1 系统设计

1.1 AWAC波浪流速仪选型

AWAC波浪流速仪是声波式剖面流速波浪仪，根据海上油气浮式处理储油装置（FPSO）所处海域的状况与浪流仪特性进行选型，单点与FPSO处的海域状况数据如表1所示。

表1 Main extreme value of wind,wave and current

由海域特征和AWAC浪流仪性能指标，设计选型为1MHz定置实时传输式AWAC。AWAC的探头数为4个探头，运作模式为自记式及长期实时传送监控。

坐标系：东、北、上三方向；速度范围：±10m/s以内；量测深度范围：5m～50m；罗盘：液态Fluxgate，最大倾测30°以内。倾斜仪：液态水平仪；压力计：压力阻抗式量测范围：0～200公尺；探头配备prolog波浪计算通讯模块以及4G存储卡。

1.2 波浪流速测量推算

AWAC是利用知名的多普勒偏移之物理原理测量水流速度。如果视声源相对于接收器而移动，则其相对的声波传输频率会有所偏移。在AWAC中，这现象系以下列公式表示：得知FDoppler、FSource、C即可计算出v。

其中，FDoppler为所接收到频率的变化量，即所谓的多普勒偏移；

FSource为AWAC所送出声波的频率；

V为水流速度；

C为音速（如在水中则为水中声速）。

AWAC声波探头传送出一个已知频率的声波脉冲，当此脉冲在水中行进时，会被水里的物体所反射。此种反射为散射，此散射的强弱（即反射的强度，是一个水中颗粒数量及大小的函数）即称为讯号强度（strength）或讯号振幅（Amplitude）。回传的讯号由声波探头所接收，AWAC经由计算频率的改变，来算出水中颗粒相对于探头的速度。

AWAC 声波探头会将大部分的声波能量集中在一条狭窄的波束中发送。水中颗粒经过各波束而测得的多普勒偏移，与颗粒本身的速度成一定的比例关系。而水流的速度可视为其所带动颗粒的速度；所有垂直于波束的颗粒移动都不会造成多普勒偏移。综合数个声波探头所得的速度，并且知道这些颗粒与探头的相对方向后，三度空间的速度即可算出浪、流、水深等。

1.3 AWAC波浪流速测量特性优势

1）优于传统的流速量测

（1）一个AWAC即能量测整个剖面水层；

（2）不需要考虑水层中的障碍物对仪器本身所造成的干扰；

（3）没有需替换的零件；

（4）不需作定期校正；

（5）不会因表面有附着物而产生量测误差。

2）优于普通声学波浪流速测量

（1）测量并记录由水底至水面整个水流剖面的各个层面流速流向；

（2）波高数据有压力传感器（PUV法）和垂直声学波束（AST表面声跟踪法）同时提供，即可更好的测量场周期波，亦可测量短周期波（由当地风产生的波浪）。（传统PUV法测量对长周期敏感，对短周期波无法感知）。

1.4 流速波浪测量系统设计

1）系统架构

（1）系统组成

①AWAC波浪流速仪组件、风速仪、盐度仪

AWAC波浪流速仪、流速仪海底安装架及水密MODBUS电缆；风速仪及其支架、MODBUS电缆；

②数据传输终端组件

海底水密通讯电缆、嵌入式数据采集器、光电转换器、光缆；

③监控服务器组件

终端控制计算机、嵌入式数据采集器、光电转换器。

（2）系统组件连接方框图

①声波式剖面流速波浪检测实时传输系统的组件连接方框图如图1所示。

②组件功能作用

AWAC波浪流速仪采集波浪和流速数据。

图1 组件连接方框图

其有两个分离的波高量测模式：一个是使用压力传感器，另一种是使用垂向声束（AST）。所有采集的原始数据都储存于水中AWAC内存中及通过数据传输链路，传输到FPSO检测系统服务器内。

风速仪、盐度仪：检测单点处海域的风速和盐度情况，并传输给检测系统服务器。

MODBUS电缆：在设备之间传输MODBUS协议实时数据。

嵌入式数据采集器：采集AWAC数据并转换成标准电信号，传输数据给光电转换器或计算机服务器。

监控服务器：用于实时接收、实时控制、数据显视、数据分析、数据处理。

控制机通过路由器和光缆以及光电转换器接受AWAC采集的所有数据，处理显示波浪、流速等实施数据。

1.5 监控服务器HMI设计

声波式剖面流速波浪检测实时传输系统的HMI设计为由目录列（Menu Bar）、工具列（Tool Bar）、状态列（Status Bar）以及各别分开的统计数据画面组成，以Windows Sever为系统管理平台，采用专业软件开发语言设计。主HMI界面如图2所示。

图2 主HMI界面

主要包括信息有：

1）通讯状态；

2）实时数据列表；

3）统计参数数据、数据图表；

4）流速流向及波高波向数据的逐时变化图、波高波向、流速流向、周期及水位变化时间序列显示；

5）波浪频谱分析图、波压及波速数据时间序列剖面图、水温变化、压力（水位）变化。

1.6 系统供电电源

1）为了提高系统工作的稳定性，系统中的各个设备供电采用专用的UPS供电。对AWAC另外配备了免维护碱性电池组，电池的容量设计考虑为在每隔1小时取样一次资料的情况下，可保证AWAC持续工作3个月。

2）系统安装连接架构

声波式剖面流速波浪检测实时传输系统的AWAC浪流监测组件安装连接结构图如图3所示。

图3 安装连接结构图

声波式剖面流速波浪检测仪（AWAC）和盐度仪以销插方式垂直安装于与单点桩腿固定连接的支架上，安装位置为水下12米处。

嵌入式数据采集器和光电转换器均安装在单点第一层工作甲板的信号传输箱内，AWAC的电池仓与AWAC仪器安装在水下12米处的支架上。

风速仪安装于单点的顶层工作甲板的无遮挡处，检测实时自然风速。

信号传输箱的引出信号光缆通过单点的上层甲板后与FPSO上的光电转换器连接，完成信号传输。

2 结束语

声波式剖面流速波浪检测实时传输系统设计安装完成后，通过一年多的实际使用证明，流速波浪检测系统能够实时准确地检测单点处和FPSO处水域的流速和波浪情况，通过监控软件准确地实现了对该水域处的海况情况监测，配合其他监控系统，也实现了对单点受力情况的实时监测，保证了在恶劣海况条件下单点工作生产的安全，该系统的完成具有一定的经济效益和社会效益。

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