0 引言

    熱水鉆是一種聯(lián)合融雪箱、鍋爐、加壓泵等設(shè)備將冰雪變?yōu)楦邏荷淞鲝奶囟▏娮靸?nèi)噴射出來融化和沖擊冰雪層的冰架鉆進設(shè)備，熱水鉆探對于在南極更深入地研究冰架底部凍融過程、冰架底部附著冰的特性、冰蓋和冰架物質(zhì)平衡等多方面具有重要意義^[1-2]。國際上已經(jīng)在南極進行過實際鉆探且具有代表性的熱水鉆分別是英國南極調(diào)查局“埃爾斯沃斯冰下湖項目（Subglacial Lake Ellsworth Project，SLEP）”中用到的“無污染熱水鉆（Clean Hot Water Drills，CHWD^[3]）”和美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校“惠蘭斯冰下湖鉆探研究項目（Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling Project，WISSARD^[4]）”中用到的CHWD。SLEP的CHWD雖然已經(jīng)能夠進行實際鉆探，但由于其測控系統(tǒng)的不可靠性最終導(dǎo)致SLEP宣告失敗；WISSARD的CHWD在南極成功鉆透了800 m厚的冰架并獲取了冰下湖沉積物樣品，但該項目的核心測控技術(shù)完全對外封閉。為填補我國在南極冰架熱水鉆進技術(shù)研究方面的空白，本文研制了一套冰架熱水鉆鉆頭測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將與中國極地研究中心研制的熱水鉆鉆頭以及冰面其他設(shè)備協(xié)同合作，實現(xiàn)對隨鉆參數(shù)的采集和高壓水流噴射方向的控制。熱水鉆實際應(yīng)用示意圖如圖1所示。

    考慮到南極的低溫以及鉆頭正常工作時的外圍環(huán)境，對測控系統(tǒng)提出的要求如下：

    （1）工作溫度范圍：-30 ℃~80 ℃；

    （2）可靠通信距離：2 500 m；

    （3）最大工作深度：2 000 m。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)框架

    根據(jù)系統(tǒng)各部分工作時所處位置不同，可將系統(tǒng)簡單分為冰面遠程測控中心和隨鉆測控系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)整體框架如圖2所示。冰面遠程測控中心由發(fā)電機、高壓直流電源、工控機、工業(yè)級光電隔離型RS232-RS485轉(zhuǎn)換器和絞車組成；隨鉆測控系統(tǒng)由裝有嵌入式測控電路板的測控艙、裝有聲學(xué)信號處理器的處理艙、裝有電磁閥的水流換向艙和多種外圍傳感器組成。

1.2 系統(tǒng)工作原理

    冰面遠程測控中心與隨鉆測控系統(tǒng)通過盤繞在絞車上的高強度軟管進行連接，該軟管為2 500 m長的水電復(fù)合纜，其中水管部分用于將冰面的高壓熱水送至鉆頭，電纜部分可用于冰面遠程控制中心和隨鉆測控系統(tǒng)之間的供電與通信。

    測控系統(tǒng)的電力均由發(fā)電機提供，發(fā)電機產(chǎn)生的交流電送到高壓直流電源，高壓直流電通過水電復(fù)合纜傳輸?shù)姐@頭的嵌入式測控艙中，然后即可通過電源處理電路給隨鉆測控系統(tǒng)中各傳感器、電路板和電磁閥提供電能。待隨鉆嵌入式系統(tǒng)開始工作后，隨鉆參數(shù)即可被嵌入式測控系統(tǒng)捕獲，這些參數(shù)經(jīng)MCU處理后，以通信幀的形式被發(fā)送到水電復(fù)合纜上，位于冰面控制中心的上位機軟件在收到通信幀后，對通信幀進行處理，隨鉆參數(shù)即可被遠程顯示在工控機上。同時，根據(jù)需求上位機軟件也可將控制令發(fā)送至隨鉆測控系統(tǒng)，即可達到對高壓水流方向的控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    隨鉆系統(tǒng)硬件是以MCU核心電路為基礎(chǔ)而設(shè)計的嵌入式測控電路，如圖3所示。該測控電路主要包括6路12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、2路數(shù)字開關(guān)控制量、2路RS232通信接口電路以及1路RS485通信接口電路。在這6路12位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中有3路用于溫度測量，2路用于壓力測量，1路用于位移測量， 3個溫度傳感器分別用于測量鉆頭頂部、中部和底部的溫度，2路壓力傳感器用來測量鉆頭內(nèi)部和外部的水壓，位移傳感器被用來判斷鉆頭是否觸底。為了便于設(shè)計且使系統(tǒng)電路具有高的接口可替換性，這6個傳感器均選型為工業(yè)標(biāo)準的4 mA~20 mA型電流傳感器，電流信號經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路處理后變?yōu)閷?yīng)的壓力信號即可被MCU內(nèi)部的ADC處理。系統(tǒng)中的2路數(shù)字開關(guān)控制量用于控制鉆頭中的2個水路切換電磁閥的開合。由于電磁閥負載是一個強的感性負載^[5]，因此在繼電器驅(qū)動電路中特地加入了EMC濾波器件和由二極管和功率電阻組成的放電回路。聲學(xué)孔徑傳感器獲取鉆頭在0°、120°、240° 3個方向到冰壁的距離，并以RS232通信的方式將這3個孔徑數(shù)據(jù)傳給主控MCU。三軸姿態(tài)傳感模塊是板載的，在電路上也是以RS232的方式將姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給主控MCU。RS485通信電路用于將主控MCU處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至冰面測控中心。考慮整個系統(tǒng)的上述需求以及系統(tǒng)的工作溫度，這里MCU采用ST公司的STM32F103RCT7單片機，該單片機體積小巧、外設(shè)豐富，且能夠可靠工作于-40 ℃~105 ℃。

    水電復(fù)合纜傳輸來的300 V直流電先經(jīng)過由Victor公司生產(chǎn)的Mini型高集成度DC-DC隔離降壓模塊輸出24 V，然后再經(jīng)由電源管理電路輸出12 V、5 V、3.3 V和2.5 V供各芯片或器件使用。如圖4所示，水電復(fù)合纜中的電纜有8根，為了使得在供電和通信上更加可靠，系統(tǒng)將1、2號纜定義為RS485的A線，將3、4號纜定義為RS485的B線，同理將5、6號纜和7、8號纜分別定義，定義300 V電源輸出的正極和地。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    本系統(tǒng)軟件包括工控機內(nèi)用的上位機程序和隨鉆嵌入式下位機程序，其中上位機程序使用Microsoft Visual Studio 2013進行開發(fā)和調(diào)試，下位機程序使用Keil進行開發(fā)和調(diào)試。

3.1 上位機軟件設(shè)計

    上位機程序主要用于隨鉆參數(shù)的實時數(shù)字化顯示，以及給隨鉆測控電路發(fā)送心跳信號和控制命令。軟件開始工作后先對軟件中用到的圖形化控件和通信串口進行初始化配置，然后一直工作于隨鉆數(shù)據(jù)幀的實時接收、解析和顯示過程中。上位機給下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)幀如圖5所示,“含義字母”段中‘C’、‘S’、‘H’分別代表關(guān)電磁閥、開電磁閥和心跳信號，“含義數(shù)字”段中‘1’、‘2’分別對應(yīng)編號為1或2的電磁閥，而‘0’則用于發(fā)送心跳幀。

3.2 下位機軟件設(shè)計

    嵌入式下位機程序設(shè)計可以分為以下4個步驟：

    (1)系統(tǒng)初始化。待系統(tǒng)上電后，對MCU系統(tǒng)時鐘、I/O口、USART、ADC轉(zhuǎn)換器進行初始化配置。

    (2)傳感器數(shù)據(jù)獲取。系統(tǒng)在運行過程中會通過ADC采樣電路、RS232通信電路等不停地獲取隨鉆各傳感器的數(shù)據(jù)。

    (3)數(shù)據(jù)處理和發(fā)送。系統(tǒng)將各傳感器采集的數(shù)據(jù)進行適當(dāng)?shù)奶幚恚缓髮⑦@些數(shù)據(jù)和MCU控制繼電器所用I/O口的電平狀態(tài)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送給上位機。上行數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容定義如圖6所示。

    (4)接收下行數(shù)據(jù)幀。系統(tǒng)工作過程中一旦接收到下行數(shù)據(jù)幀，將會立刻對數(shù)據(jù)幀進行解析并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

    下位機軟件工作流程如圖7所示。

4 調(diào)試

    本系統(tǒng)最大工作深度為2 000 m，在該深度處外部水壓達到了20 MPa，因此專門給鉆頭測控系統(tǒng)設(shè)計了一種耐高壓抗腐蝕的鈦合金密封艙，經(jīng)測試該艙體能夠在25 MPa壓力下完好無損并保證密封性，艙體內(nèi)部電路與外部傳感器采用水密電纜進行連接。

    為確保通信電纜能夠滿足上下位機的通信需求，本文對項目中用到的2 500 m水電復(fù)合纜進行了實地測試，萬用表測量結(jié)果顯示該復(fù)合纜中單根電纜阻抗為36 Ω，在通信測試中將串口設(shè)置為：波特率9 600，數(shù)據(jù)位8 bit，無奇偶校驗，停止位1 bit，在測試中發(fā)送端每100 ms發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，測試端可以正確無誤地每隔100 ms接收到一幀數(shù)據(jù)。經(jīng)多次測試，該復(fù)合纜滿足項目要求。

    打壓試驗和通信測試完成后，在實驗室對該套測控系統(tǒng)進行了高低溫試驗。高溫測試過程為：讓裝有測控系統(tǒng)的密封艙工作在高低溫試驗柜內(nèi)，溫度從常溫升至51 ℃，并保持此溫度10 min，然后升至80 ℃，連續(xù)工作2小時；低溫測試方法為：溫度從常溫降到-20 ℃，并保持此溫度10 min，然后降到-30 ℃，連續(xù)工作1小時后，對系統(tǒng)斷電10 min，再次上電，繼續(xù)工作1小時。在整個測試過程中，通過上位機觀察測控系統(tǒng)返回的數(shù)據(jù)是否正常。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠可靠工作于-30 ℃~80 ℃之間，其中低溫測試中斷電10 min再次上電工作1小時的目的是為了模擬南極工作情景，確保系統(tǒng)能夠在低溫條件下正常啟動。

    最后，將測控系統(tǒng)安裝于鉆頭之上，在車間對整套系統(tǒng)進行了聯(lián)合調(diào)試，聯(lián)調(diào)過程再次驗證了該套系統(tǒng)的實用性和可靠性。

5 總結(jié)

    本文通過實驗室與車間的多種測試方法對系統(tǒng)的實用性與可靠性進行了全面的驗證。本文中極地冰架熱水鉆鉆頭測控系統(tǒng)的設(shè)計達到了預(yù)期的要求，實現(xiàn)了在極地極端條件下對鉆頭相關(guān)參數(shù)的采集與回傳，并能夠使用上位機軟件對鉆頭射流方向進行控制。此外，該測控在設(shè)計時預(yù)留了一些傳感器的接口，以便于系統(tǒng)在后續(xù)應(yīng)用中的擴展和升級。

參考文獻

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作者信息：

周巧娣，同  懿，余小非

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州310018）