卫星通信远程监控系统在海工移动平台上的应用

羌建兵

（南通润邦重机有限公司，江苏 南通226013）

0 引 言

由于风电平台处于近海或远海作业（如图1），系统出现故障后需要维修人员通过交通艇上船维修，这一过程将耗费数天的时间，给设备维护带来很大的障碍，也严重影响风电安装效率，再加上平台距离基站较远，无法通过有线或无线网络与陆地上人员联系，也给维修带来一定障碍。因此本系统采用卫星通信无线网络连接到中控室，维护人员可直接远程访问平台升降系统的运行及故障信息，极大地提高了维护的方便性，缩短了停机时间，提高了风电安装作业效率。

图1 海工移动平台

1 机构简介

海工移动平台除具备船舶的基本功能和特性之外，关键特点是海上作业时通过桩腿把本体提升起来（与海水隔离），形成一个固态的工作平台来提高稳定性，实现此功能的是升降机构。升降机构包含桩腿、固定环梁、移动环梁、悬挂杆、支持插销、工作插销、平衡器、升降油缸等，如图2所示。

以升降平台动作为例，机械本体工作原理为：提升系统安装在船体固桩架里面，上环梁为固定环梁（不动的），通过平衡器与船体固桩架顶板固定在一起，提升油缸主缸体尾部与固定环梁连接固定，提升油缸活塞杆与动环梁（下环梁）连接固定。上环梁上装有4套油缸式插销（插销依靠油缸插销升缩），下环梁上设有4套油缸式插销。

平台提升动作过程为：此时平台处于漂浮在水面状态，上固定环梁插销插在桩腿插销孔内，下动环梁插销从桩腿插销孔拔出，提升油缸的活塞收缩至1个孔距，下动环梁插销插入桩腿插销孔内之后，上定环梁插销从桩腿插销孔拔出后，提升油缸的活塞伸出至1个孔距，桩腿被下放，直至1个孔距后，上定环梁插销再次插入桩腿插销孔内，下动环梁插销再次从插座孔中拔出，油缸活塞缩回至最短行程。依此，循环操作上述动作以达到平台离开水面。

平台下降动作过程为：此时平台处于离开水面状态（桩腿压触海床，把平台顶离海面），下动环梁插销插入桩腿插销孔内，上固定环梁插销从桩腿孔拔出，油缸活塞收缩，由于整个平台是通过上固定环梁连成的整体，上固定环梁就会下降1个孔距，此时上固定环梁插销插入桩腿插销孔内，下动环梁插销从桩腿孔拔出，油缸活塞再伸出至1个孔距，下动环梁插销再次插入桩腿插销孔内，上固定环梁插销从桩腿孔拔出。依此，循环操作上述动作以达到平台再次漂浮在水面。

图2 升降机构

2% 电气控制系统介绍

整个控制系统由泵站控制柜、泵站驱动柜、桩腿控制柜、总控室集中操作台等组成。所有操作都可以通过集中操作台来操作控制及读取控制信息，集中操作台再通过光纤与各个桩腿控制柜进行通信。集中操作台能控制操作机构，配有工控机及触摸显示器，能储存任何控制、动作、故障信息，实现监控、人机交互功能。

集中控制系统主要包含以下功能：1）应急停止功能。当机构动作发生紧急具有危险趋势时，按下紧急停止按钮后，除PLC控制电源外，其它所有动力、电磁阀电源都失电，且液压实现保护自锁，原有一切动作立即停止。2）升降功能。控制平台4条桩腿的自动、半自动和手动升降控制。其中，升、降平台及升、降桩腿等工况下的操作可使用自动、半自动控制。各桩腿既可以联动，也可以单动。3）平台倾斜保护功能。电子测斜仪实时测量平台倾斜角度，在集中控制台面板上设有专门显示平台水平状态的显示屏。当平台倾斜角度超过预定范围后，进行自动声光报警或停止升、降工作，并提示人工干预调整。

3 控制及通信方式

控制系统采用分布式总线控制系统，分别在集中控制室、1#泵站、2#泵站、1#桩腿、2#桩腿、3#桩腿、4#桩腿设置控制站，每个控制站采集各自的IO信号及带Ethernet节点的现场设备数据，各个控制站之间采用光纤介质通信。传输速率为100 MBit/s，通信网络如图3所示。

图3 通信网络

4% 远程集中操作台

远控集中操作台设置了集中操作站点，可以通过集中操作台远控启停泵站及桩腿电液系统，并配有CMS计算机管理系统及CCTV监视系统（如图4）。主要实现的功能有泵站电动机的启停、冷却循环泵的启停、重载问询、电缆卷筒控制、冲水卷筒的控制、桩腿联动控制、桩腿就地控制。

图4 集中操作台

5% 卫星通信远程监控系统

通过对海上移动风电安装平台控制的简单介绍，可见海上平台的安全及工作效率尤为重要，维护效率就成为重中之重，针对以上所述海上移动平台的工作环境，对其远程监控及故障排除成为使用单位的迫切需求。

海上移动风电安装平台一般都在近海或远海工作，当出现平台上售服工程师不能解决的系统关键故障时，一般都需软件工程师解决，通过远程监控系统在办公室就能解决，工程师无需到现场，提高工作效率。

过程简介：平台控制及故障信息储存在集中操作台的CMS系统，通过卫星发射器把信号发射给卫星，卫星收到信号，再把信号发到地球，办公室工作站收到信号后，工程师就可以通过电脑处理。

方案组成（如图5）包括：在平台集中控制室安装卫星发射器（卫星发射站）；低轨同步卫星；卫星接收装置；岸上移动及固定控制终端（处理器/电脑）。

系统工作原理过程如图6所示。卫星发射器是高频发射装置，向地球同步卫星发射信号，它把电信号转换成电磁波，发射器发射电磁波（以Ka波段频谱，范围26.5～40.0 GHz）；地球低轨同步卫星，收到发射器的信号，把电磁波后编码成0和1二值代码，再以电磁波形式向地面基站发射。

图5 方案图

图6 原理简图

卫星接收装置在传感系统中有着重要的地位，它将接收到的卫星信号通过调制解调器转成系统能够识别的电信号，它影响到整个传输系统的性能，所以安装要注意两种角度：卫星接收装置安装要注意的方位角和仰角[1]（如图7）：

图7 仰角和方位角

式中：E为天线的仰角；A为天线的方位角；Φ1为卫星星下点经度；Φ2为所在地经度；r/h=0.151;θ为所在地纬度。

传输波特征及要求：1）电磁波要可以穿过电离层，传输损耗和外部干扰噪声应尽可能最小；2）要有比较宽的可用带频，尽可能增大通信容量；3）较合理地使用无线电频谱，防止各宇宙通信业务之间及与其它地面通信频道之间产生互相干扰。

通过以上完整的卫星通信网络，不管风电安装平台在哪个海域，陆地都可以实时对其监控和故障排除。

6 案例评析

我司2000 t升降平台可试行此通信方案。在总控室建立卫星发射站，在办公室建立接收站。整套通信系统包含控制器CPU、触摸显示器、工控机CMS、卫星发射装置（站）、低轨同步通信卫星、卫星接收装置（站）、终端处理器（电脑），如图8所示。

图8 系统简图

总控室的集中操作台工控机（CMS）记录储存升降系统动态控制信息及故障信息，集中操作台控制器CPU与工控机之间、工控机与卫星发射装置之间用Profinet做通信。

集中操作台设有信息发射带灯按钮FS，当需要远程工程师处理故障时，可以按此按钮，如按钮灯显绿色，则表明发射完成，终端处理器与平台总控制系统通信成功，终端处理器可以读取一切信息及编辑控制程序，如通信失败则灯不亮，FS按钮实为发射和启动发射装置的一体式按钮，是整个卫星通信远程监控系统的一键式启动按钮，这样降低了远程监控系统操作难度。

集中操作台设有故障指示带灯蜂鸣器BZ, 系统发生故障时BZ同时发出闪烁的红光和断续性蜂鸣声，当按下FS后，声音消失，闪烁的红光仍然持续，当远程终端工程排除故障后闪烁的红光就会消失，证明故障已排除成功。工控机实时储存故障发生及排除的时间和内容，以供后期查阅。内容及时间都可通过触屏显示器读取。

提醒：用户需按《建立卫星通信网和设置使用地球站管理规定》办理合法手续方可建站使用。

7 监控系统故障及解决方法

1）设备故障。尤其是发射装置和接收装置都是露天户外的，长期日晒雨淋会老化生锈，或受到雷击。需要定期检查系统连接是否正确可靠，接地、接电是否良好，在装置附件加装避雷针；每次雨雪天气过后，要及时清除天线面及馈源上的积雪。

2）发射接收频率偏移故障。这是因卫星内部元件变质引起的方位角发生偏移而造成的故障，这些故障称为软故障，飘忽不定，通信时断时续，此时只能重新调整仰角和方位角[2]。

3）日凌现象的发生及干扰。日凌现象一般每年发生2次，每次连续6 d左右，每天最长时间大约10 min，接收装置因日凌信号中断有时会造成死机，我们通常采用重新启动来消除。

8 结 语

总之，本风电海上安装平台液压插销式升降机构远程监控系统为风电平台的作业提供了很大的方便性，风电安装效率与传统设备相比提高近50%以上，每年为客户创造的价值近千万元，同时远程24 h的保驾护航也给风电安装平台带来可靠保障，缩短了停机维护时间。