船舶无线电通讯中继系统在危险区域的设计与安装

船舶无线电通讯中继系统在危险区域的设计与安装

王丹萍

天津新河船舶重工有限责任公司天津300450

摘要：在危险区通过对船舶无线电通讯中继技术的研究，可在常规中继系统中改用泄漏电缆和加设有本安认证的防爆隔离栅，可使卸货通道内的无线电信号达到本安级别，泄漏电缆既是信号的发射和接收者，同时又是传输信号的同轴电缆，在通道内均匀形成的信号覆盖。本系统除了适用于危险区域的中继通讯外，还可加以扩展用于危险区域的控制信号、视频信号等多种信息流传输，更可将无线工业以太网扩展到有应用需求的危险区域。

关键词：泄漏电缆；通讯中继；危险区

前言

无线电通讯中继近年来发展迅速，建立无线电通讯中继网，用于电话、电视、图像传真和数据的传送，而随着超高频也陆续有新的系统问世，他们实现微处理机频率预置，积木式结构，故障自动检测和显示，采用全电子调谐，以及全固体化技术和大规模集成电路等，因此在体积、重量、功耗、稳定性、可靠性、抗恶劣工作环境等一系列要求上达到了更高的水平，并将该系统应用到各个领域。

1.1无线电通讯高频对讲中继的重要性

我厂新制自卸式散货船在7个货舱的底部设有液压卸货门，依照自身重力，散装货物可以下落到的两条卸货通道内的传送皮带上，再被传输到主甲板的卸货臂上，在货场或其他转运装置的上方能旋转的卸货臂可以卸下货物。

由于有大量的粉尘产生，在装卸的过程中，船上传送带所处的封闭卸货通道属于危险区，而且使用固定电话等通讯手段不方便，在走动中负责巡视卸货设备工作的船员，一般都使用手持防爆高频对讲机通讯，可是货物又会阻隔货舱底部和外部甲板卸货通道中的高频对讲通讯，因此我们需要一套无线电通讯进行高频对讲中继工作。

1.2无线电通讯高频对讲中继的关键性

在陆地、楼宇、船舶中常规的无线电中继系统应用已十分广泛，有许多成熟的系列产品，但是常规的平板天线或鞭状天线、接收和发射部件，由于没有经过权威部门的防爆安全认证，而不能使用到处于危险区的油漆间，蓄电池等通道中，设计新型通讯中继系统的关键自然就是解决防爆安全这个大问题。

2.1泄漏电缆的特点

通过查证，近年来，漏频电缆在地铁、矿山井下、船舱易燃易爆等封闭或危险区域中已经被广泛使用，而在危险区域中的无线电中继天线也可以使用它。一般的同轴电缆被设计成防止任何杂音及外部信号进入电缆，同时保留最多的电缆内信号。而泄漏电缆允许无线电收发机发射的信号进入电缆，同时也被设计成能使无线电信号发射或泄漏出去。

泄漏电缆既是信号的接收和发射者，又是无线电波的传输者，能在通讯信号均匀分配的管状覆盖区域的轴向范围内形成。

2.2泄漏电缆的选型

由于危险区域的泄漏中继通讯系统还担负着通讯以外的报警和安全作用，一般的泄漏电缆都会选用耐火型的产品。而在国内的船舶上，泄漏电缆中继通讯系统的应用还是很少的，相应的在船级社的检验要求和规范上也是缺乏的。就本船而言，高频对讲通讯不是船舶安全必不可少的一部分，所以该散货船不要求在火灾时能够保持正常工作一定时间，泄漏电缆没选用耐火型的电缆，而是选用了阻燃型电缆。

3.1无线电通讯高频对讲中继的设计

考虑到船上金属构件对电波的吸收和阻挡，在本系统设计中适当地增大一些信号的发射功率余度，下面简单介绍一下系统设计的过程。

通讯区域基本上为宽8m、高3m的矩形空间，其中泄漏电缆和船员所在的通道被面为3m×3m的开阔空间，船员手持高频对讲机的灵敢度为-117dBm，根据美国爆炸物生产商协会和矿山安全卫生局的研究和规定[1-3]，在危险区域的泄漏电缆安全认证要求是其射频信号的最大发射功率要小于40mW，对应增益为16dBm(dBm=101g(功率/1mW))。因此我们应选用的手持对讲机之间的耦合损耗和泄漏电缆的耦合衰减是-69dBm，径向衰减为-2.67dBm/100M，计算过程见表1。

表1射频增益分析计算表

计算显示，所有接收器和发射器之间的损耗和增益加在一起，包括其它任何因素引起的损耗，计算结果为正值且在10~15dBm内，当受到干扰或阳碍时，有足够的容量保证系统仍可正常运，而且进入危险区域的总的射频功率小于16dBm，系统就符合安全标准。

电波在自由空间下传播的损耗公式为:Los=32.44+201gd+20lgf；Los是传播损耗，单位为dB，d是距离，单位是km，J是工.作频率，单位是MHZ。

本中继通讯系统作频率为450MIIz，在漏泄电缆和手持对讲机之间的耦合损耗是-69dBm，手持UHF的接收灵敏度为-117dBm，Los=117-69=48dB，在自由空间的传播距离为48=32.44+201gd+20lg450即-37.5=20lgd(km)，D=13.33m，综合构件衰减等因素，覆盖范围实际会在10m以内，但也能够满足本船的卸货通道通讯区域。

泄漏电缆的扩展性能相当不错，可以采用终端、三通分支器等元件在任意处分出支路进行扩展，如果泄漏电缆线路衰减达到16~20dB就要加入有防爆安全认证的线路放大器，由机柜的电源模块通过泄漏电缆供电给较近的8到10个线路放大器，电流限制在1A左右，如果传输线路过长，其余的线路放大器需要单独安装电源耦合器另行供电，通过线路放大器的支持，泄漏电缆可作为天线不断延伸到110km远。该电源耦合器也应为防爆安全认证产品。由于船舶的尺度限制，本船的泄漏电缆传输距离为560m，经计算不必加设线路放大器。

3.2无线电通讯高频对讲中继的安装

基于泄漏电缆的中继系统构成有:蓄电池转换供电模块和内置交流电源；根据系统大小配备的机柜；中继控制器；接收分配单元、信号发送耦合单元；若干个无线电中继器；本安隔窝棚；用于危险区域信号传输的泄漏电缆，在船舶上的安全区依然采用传统的鞭状天线和同轴电缆技术，使信号能够在外甲板和生活楼区域进行覆盖。

在船上生活楼一层的集控室内安装机柜，在生活楼顶部的桅杆上安装鞭状天线，一个遇险按钮安装于驾控台上，一套GMDSS充放电装置，一套INMARSAT船舶地面C站及F站，三套VHF，一套NAVTEX、便携式双向电话及船舶安全报警装置，一台示位标及二台雷达应答器等通讯设备，泄漏电缆沿靠近机舱的卸货通道向下进入危险区域，并沿一侧通道向前抵达货舱与船艏部交界的防撞壁，再分成两路，一路水平转向另一条皮带传送通道，向船艉延伸，另一路向上通过主甲板再进入艏尖舱区域，用终端盒将两路电缆的终端封堵，以终止漏频电缆中电流的运动。

船舶电缆安装的常规方法是在电缆托架上将各型电缆捆扎好，由于辐射无线电信号，泄漏电缆安装时临近的金属结构会吸收无线电波，减弱辐射电被的传输，而且因舱室的密性设计，泄漏电缆通过的路径中要穿过结构梁、密性舱壁等，这都增大了泄漏电缆中信号传输和空间辐射的衰减。

敷设泄漏电缆时的路径尽量距动力电缆和自动化通讯控制电缆保持一定的距离，避免干扰和被干扰；选择通过的路径时要避开易燃易爆区如：厨房、蓄电池室，油漆间等；电缆的支撑可利用钢制托架或压缩空气管路及蛇皮管等，还要采用特制的绝缘块，一面为半圆型适于贴在电缆的表面，另一面为平面或半圆型可贴在平或圆的金属支撑件上，绝缘块的厚度为50mm，然后用尼龙电缆扎带固定；对于密性钢壁处，要单独开设直径100mm以上的圆形电缆穿越护管，在通过的泄漏电缆与钢筒之间用电气绝缘的密性浇注堵料封堵，这样基本能保证泄漏电缆在任意方向上距钢壁都在一定距离以上，尽量将金属构件对泄漏电缆的干扰减低到最少。

另外，考虑到泄漏电缆会因为邻近电缆产生磁感应电流等，我们可以在机柜内再加设置直流隔离器，将泄漏电缆和中继器的接地分开，即使15kV的高压电缆邻近泄漏电缆，直流隔离器也能将串扰电流消除，保持中继通讯系统的信号纯度。

4结束语

本船经过设备选型、购买、设计、安装与调试，证实泄漏电缆无线通讯中继系统的设计和安装取得成功。本系统除了适用于危险区域的中继通讯外，经过进一步的研究和扩展，还可用于危险区域的控制信号、视频信号等多种信息流传输，更可将无线工业以太网扩展到有应用需求的危险区域。

参考文献

[1]TheInstituteofMakersofExplosives.IMESafetyLibraryPublication20,datedJuly2001.

[2]NorthCarolinaDepartmentofLabor'spisionofOccupetionalSafetyandHealth.AGuidetoRadioFrequencyHazardswithElectricDetonators.2003:15-21.

[3]MineSafetyandHealthAdministration.Mshaapprovedcommunicationsystems.