基于組態王的陸上海洋平臺遠程監控系統設計與應用
「復雜的環境狀況對海洋工程平臺的安全性構成極大威脅，針對自升式平臺缺少遠程監控的問題，設計了基于組態王的陸上模擬海洋遠程監控系統。文章對陸上海洋模擬平臺遠程監測系統各個部分進行介紹，并對傳感器數據采集探頭進行安裝調試，利用組態王軟件對歷史數據進行采集、存儲、繪制曲線并完成遠程操控。通過實驗對監控系統進行了驗證，為海洋平臺安全提供了保障。(2023-2-25)」
關鍵詞：組態王;陸上海洋平臺;遠程監控系統
在海洋資源勘探開發中，自升式平臺應用量位居大型海洋工程裝備首位。特別是近年來我國著力推動能源結構轉型，加大了海上風電的開發和利用，為了避免海上風電場、風浪流環境影響，滿足高精度、高可靠的風電設施建造和安裝，幾乎全部采用自升式平臺為海上作業支撐。不穩定的海樣環境會對平臺構成巨大威脅，例如海底地基承載力不夠和海浪臺風對平臺沖擊，樁腿可能會突然穿透上覆硬土層進入下臥地層，形成刺穿，導致平臺結構受損，造成重大經濟損失[1-6]。
為了更好地保護研究人員安全，采取網絡遠程控制技術對平臺進行監控，即利用一臺電腦遠距離控制下位機，在控制過程中，將以太網傳輸控制協議/互聯協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）網絡數據通信作為基礎，控制計算機與被控對象運行，確保網絡通信等各項功能可以順利實現。通過互聯網與陸控制中心對接，完成數據分析、緩存數據文件存儲、報警等功能，科學評價平臺安全工作狀態，實現惡劣海況下平臺遠程控制，實時保障平臺安全作業。
課題組在陸上海洋模擬平臺進行遠程監控系統安裝調試，測試了在樁腳沉降工況下，組態王軟件對海洋平臺進行遠程升降監控，如圖1所示。
1 遠程監控系統設計
1.1 系統原理
遠程監控系統分為4部分，主要是傳感器、監測與控制、網絡通信、遠程監控終端。
第一部分為傳感器，包含平臺液壓系統內部壓力與流量、平臺樁腳的位移與形變參數、平臺傾斜角度、平臺外部環境變化（波浪大小等）等探測器。
第二部分為監測與控制，通過傳感器的數據采集，獲得的實時數據經過數據采集模塊EM231，將4位模擬量轉化為PLC內部處理的12位數字量。西門子S7-200是監控器部分的核心部件，通過對S7-200控制器編程實現對平臺數據監測與控制功能。
第三部分網絡通信，S7-200可編程控制器具有網絡連接模塊，本系統配置CP243-1以太網模塊，以便將S7-200plc與以太網連接，以太網基于IEEE02.3標準，其通信協議基于ISO和TCP/IP技術。CP243-1模塊高達100 Mbit/s的速度由網絡進行數據傳輸，并最多同時支持8個連接。
第四部分遠程監控終端，監測終端由計算機處理，提供圖形化的呈現效果（見圖2）。安裝遠程監控軟件，數據信息經過無線傳輸到計算機，通過對數據接收，數字信號進行轉化、數據濾波、數據實時顯示保存、數據的預測。安全評判軟件進行安全性分析并得出平臺的安全狀態，發生故障及時報警。
1.2 組態王監控系統界面
組態王是亞控科技根據當前自動化技術的發展趨勢，面向自動化市場的應用，以實現企業一體化為目標開發的一套產品。該產品以搭建戰略性工業應用服務平臺為目標，集成了對亞控科技自主研發的工業實時數據庫的支持，為企業提供一個對整個生產流程進行數據匯總、分析及管理的有效平臺，使企業能夠及時、有效地獲取信息，并做出反應，以獲得最優化的結果。
2 組態監測系統應用
圖5為模擬海洋平臺在樁腿突然刺穿地基而突然下沉時的地基壓力變化實時曲線。
在陸上模擬地基沉降工況測試。首先，運用樁腿齒輪傳動將模擬海洋平臺4條樁腿升高至離地面，其次，將4個對應地基逐步提升至完全承受平臺自身重力，根據平臺雙傾角傳感器，調整平臺傾斜角小于0.1°。
曲線開始時，壓力較為穩定，范圍在110～140 Bar，14時31分后樁腿突然下沉，地基壓力出現波動，報警系統開始預警;14時35分后地基壓力變化范圍為114～280Bar，特別不穩定。此時遠程操作平臺完成樁腿的升降及時撤離危險環境，警報解除。
3 結語
本文闡述了基于組態軟件對海洋平臺遠程控制系統原理，設計了監控軟件數據監測界面和控制界面，并進行了海洋平臺樁腿沉降對地基壓力變化數據采集實驗。驗證了本系統的可靠性與可行性。
[參考文獻]
[1]王楠.黃河廢棄水下三角洲土體破壞機制及樁靴承載能力研究[D].青島：中國海洋大學，2013.
[2]KELLEZI L，STROMANN H.FEM analysis of jack-up spud penetration for multi-layered critical soil conditions[D].Copenhagen：GEO-Danish Geotechnical Institute，2018.
[3]LEUNG C F，TEH K L，CHOW Y K.Study on jack-up spud-through soft soil engineering[J].Chan&Law，2007（5）：291-298.
[4]TATEISHI H，WATANABE Y.Leg penetration monitor system to avoid the punch-through accidents of jack-up rigs[C].Shanghai：Offshore Technology Conference 5223，1986. [5]CASSIDY M J，HOULSBY G T，HOYLE M，et al.Determining appropriate stiffness levels for spudcan foundations using jack-up case records[J].Conference Paper，2002（3）：22-25.
[6]MICIC S，LO K Y，SHANG J Q.A new technology fo r increasing the load-carrying capacities of offshore foundations in soft clays[J].Canadian Geotechnical Journal，2011（5）：949-963.
Abstract：The complicated environment poses a great threat to the safety of the offshore engineering platform. Aiming at the problem that the jack-up platform lacks remote monitoring， a land-based simulated offshore remote monitoring system based on kingview is designed. This paper introduces various parts of the remote monitoring system of the land and ocean simulation platform， installs and debugs the sensor data acquisition probe， and uses kingview software to collect， store， draw curves and complete remote control. The monitoring system is verified by experiments， which provides a guarantee for the safety of the offshore platform.
Key words：kingview; land and ocean platform; remote monitoring system
(渣獸)
在海洋資源勘探開發中，自升式平臺應用量位居大型海洋工程裝備首位。特別是近年來我國著力推動能源結構轉型，加大了海上風電的開發和利用，為了避免海上風電場、風浪流環境影響，滿足高精度、高可靠的風電設施建造和安裝，幾乎全部采用自升式平臺為海上作業支撐。不穩定的海樣環境會對平臺構成巨大威脅，例如海底地基承載力不夠和海浪臺風對平臺沖擊，樁腿可能會突然穿透上覆硬土層進入下臥地層，形成刺穿，導致平臺結構受損，造成重大經濟損失[1-6]。
為了更好地保護研究人員安全，采取網絡遠程控制技術對平臺進行監控，即利用一臺電腦遠距離控制下位機，在控制過程中，將以太網傳輸控制協議/互聯協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）網絡數據通信作為基礎，控制計算機與被控對象運行，確保網絡通信等各項功能可以順利實現。通過互聯網與陸控制中心對接，完成數據分析、緩存數據文件存儲、報警等功能，科學評價平臺安全工作狀態，實現惡劣海況下平臺遠程控制，實時保障平臺安全作業。
課題組在陸上海洋模擬平臺進行遠程監控系統安裝調試，測試了在樁腳沉降工況下，組態王軟件對海洋平臺進行遠程升降監控，如圖1所示。
1 遠程監控系統設計
1.1 系統原理
遠程監控系統分為4部分，主要是傳感器、監測與控制、網絡通信、遠程監控終端。
第一部分為傳感器，包含平臺液壓系統內部壓力與流量、平臺樁腳的位移與形變參數、平臺傾斜角度、平臺外部環境變化（波浪大小等）等探測器。
第二部分為監測與控制，通過傳感器的數據采集，獲得的實時數據經過數據采集模塊EM231，將4位模擬量轉化為PLC內部處理的12位數字量。西門子S7-200是監控器部分的核心部件，通過對S7-200控制器編程實現對平臺數據監測與控制功能。
第三部分網絡通信，S7-200可編程控制器具有網絡連接模塊，本系統配置CP243-1以太網模塊，以便將S7-200plc與以太網連接，以太網基于IEEE02.3標準，其通信協議基于ISO和TCP/IP技術。CP243-1模塊高達100 Mbit/s的速度由網絡進行數據傳輸，并最多同時支持8個連接。
第四部分遠程監控終端，監測終端由計算機處理，提供圖形化的呈現效果（見圖2）。安裝遠程監控軟件，數據信息經過無線傳輸到計算機，通過對數據接收，數字信號進行轉化、數據濾波、數據實時顯示保存、數據的預測。安全評判軟件進行安全性分析并得出平臺的安全狀態，發生故障及時報警。
1.2 組態王監控系統界面
組態王是亞控科技根據當前自動化技術的發展趨勢，面向自動化市場的應用，以實現企業一體化為目標開發的一套產品。該產品以搭建戰略性工業應用服務平臺為目標，集成了對亞控科技自主研發的工業實時數據庫的支持，為企業提供一個對整個生產流程進行數據匯總、分析及管理的有效平臺，使企業能夠及時、有效地獲取信息，并做出反應，以獲得最優化的結果。
2 組態監測系統應用
圖5為模擬海洋平臺在樁腿突然刺穿地基而突然下沉時的地基壓力變化實時曲線。
在陸上模擬地基沉降工況測試。首先，運用樁腿齒輪傳動將模擬海洋平臺4條樁腿升高至離地面，其次，將4個對應地基逐步提升至完全承受平臺自身重力，根據平臺雙傾角傳感器，調整平臺傾斜角小于0.1°。
曲線開始時，壓力較為穩定，范圍在110～140 Bar，14時31分后樁腿突然下沉，地基壓力出現波動，報警系統開始預警;14時35分后地基壓力變化范圍為114～280Bar，特別不穩定。此時遠程操作平臺完成樁腿的升降及時撤離危險環境，警報解除。
3 結語
本文闡述了基于組態軟件對海洋平臺遠程控制系統原理，設計了監控軟件數據監測界面和控制界面，并進行了海洋平臺樁腿沉降對地基壓力變化數據采集實驗。驗證了本系統的可靠性與可行性。
[參考文獻]
[1]王楠.黃河廢棄水下三角洲土體破壞機制及樁靴承載能力研究[D].青島：中國海洋大學，2013.
[2]KELLEZI L，STROMANN H.FEM analysis of jack-up spud penetration for multi-layered critical soil conditions[D].Copenhagen：GEO-Danish Geotechnical Institute，2018.
[3]LEUNG C F，TEH K L，CHOW Y K.Study on jack-up spud-through soft soil engineering[J].Chan&Law，2007（5）：291-298.
[4]TATEISHI H，WATANABE Y.Leg penetration monitor system to avoid the punch-through accidents of jack-up rigs[C].Shanghai：Offshore Technology Conference 5223，1986. [5]CASSIDY M J，HOULSBY G T，HOYLE M，et al.Determining appropriate stiffness levels for spudcan foundations using jack-up case records[J].Conference Paper，2002（3）：22-25.
[6]MICIC S，LO K Y，SHANG J Q.A new technology fo r increasing the load-carrying capacities of offshore foundations in soft clays[J].Canadian Geotechnical Journal，2011（5）：949-963.
Abstract：The complicated environment poses a great threat to the safety of the offshore engineering platform. Aiming at the problem that the jack-up platform lacks remote monitoring， a land-based simulated offshore remote monitoring system based on kingview is designed. This paper introduces various parts of the remote monitoring system of the land and ocean simulation platform， installs and debugs the sensor data acquisition probe， and uses kingview software to collect， store， draw curves and complete remote control. The monitoring system is verified by experiments， which provides a guarantee for the safety of the offshore platform.
Key words：kingview; land and ocean platform; remote monitoring system
(渣獸)