Kutup buz rafı sıcak su matkap ucu için ölçüm ve kontrol sisteminin geliştirilmesi
Zhou Qiaodi, Tong Yi, Yu Xiaofei
(Elektronik Bilgi Okulu, Hangzhou Dianzi Üniversitesi, Hangzhou 310018, Zhejiang)
Antarktika'da aşırı koşullar altında buz rafı sıcak su tatbikatının uygulanmasını amaçlayan bir dizi Antarktika buz rafı sıcak su matkap ucu ölçüm ve kontrol sistemi tasarlanmış ve uygulanmıştır. Sistem, çekirdek olarak STM32 mikroişlemciyi kullanır ve matkap ucunun sıcaklık, basınç, yer değiştirme, tutum ve akustik açıklığı gibi parametrelerin gerçek zamanlı olarak alınmasını sağlamak için RS485 uzaktan iletişimi ile birleştirilir.Ayrıca, delme sırasında ters kabindeki yüksek basınçlı su akışı solenoid valfinin gerçek zamanlı olarak alınmasını gerçekleştirebilir. Kontrol, jet yönünün değiştirilmesini gerçekleştirir. Test sonuçları, sistemin yüksek ve düşük sıcaklık koşullarında kararlı ve güvenilir bir şekilde çalışabildiğini ve Antarktika'da çalışmanın ihtiyaçlarını karşılayabildiğini göstermektedir.
Buz rafı; sıcak su matkabı; STM32; ölçüm ve kontrol sistemi
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN409; TP274 + .4
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.166619
Çince alıntı biçimi: Zhou Qiaodi, Tong Yi, Yu Xiaofei. Kutup buz rafı sıcak su matkap ucu için ölçüm ve kontrol sisteminin geliştirilmesi.Elektronik teknoloji uygulaması, 2017, 43 (8): 66-68.
İngilizce alıntı biçimi: Zhou Qiaodi, Tong Yi, Yu Xiaofei. Kutup buz rafı için sıcak su matkap ucu ölçüm ve kontrol sisteminin geliştirilmesi.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (8): 66-68.
0 Önsöz
Sıcak su sondajı, buzu ve kar katmanlarını eritmek ve etkilemek için buzu ve karı belirli nozullardan yüksek basınçlı jetlere dönüştürmek için kar eritme tanklarını, kazanları, basınçlı pompaları ve diğer ekipmanları birleştiren bir tür buz rafı sondaj ekipmanıdır.Sıcak su sondajı Antarktika'da daha derin keşifler için kullanışlıdır. Buz rafının dibinin donma ve çözülme sürecini, buz rafının dibine eklenen buzun özelliklerini ve buz örtüsü ile buz tabakasının kütle dengesini incelemek büyük önem taşır. Antarktika'da gerçekten sondaj yapılan en temsili sıcak su sondajları, İngiliz Antarktika Araştırması'nın "Buzul Altı Gölü Ellsworth Projesi'nde (SLEP)" kullanılan "kirletmeyen ısıdır". CHWD, Nebraska-Lincoln Üniversitesi'nde "Temiz Sıcak Su Sondajları (CHWD)" ve "Whillans Buz Akışı Alt Buzul Erişim Araştırma Sondaj Projesi (WISSARD)" 'de kullanılmıştır. SLEPin CHWD'si gerçek sondaj yapabilmiş olsa da, ölçüm ve kontrol sisteminin güvenilmezliği nedeniyle SLEP başarısız oldu; WISSARDın CHWD'si Antarktikadaki 800 m kalınlığındaki buz tabakasında başarılı bir şekilde sondaj yaptı ve buzul altı göl tortularının örneklerini aldı. Ancak projenin temel ölçüm ve kontrol teknolojisi tamamen dış dünyaya kapalıdır. Çinin Antarktika buz rafı sıcak su sondaj teknolojisi araştırmasındaki boşluğu doldurmak için bu makale, Çin Kutup Araştırma Merkezi ve diğer buz yüzeyi ekipmanları tarafından geliştirilen sıcak su matkap ucu ile birleştirilecek bir dizi buz rafı sıcak su matkap ucu ölçüm ve kontrol sistemi geliştirdi. Sondaj sırasında parametrelerin elde edilmesini ve yüksek basınçlı su jetlerinin yönünün kontrolünü gerçekleştirmek için işbirliği yapın. Sıcak su matkabının gerçek uygulamasının şematik diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir.
Matkap ucu normal çalışırken Antarktika ve çevresindeki ortamdaki düşük sıcaklık göz önüne alındığında, ölçüm ve kontrol sistemi gereksinimleri aşağıdaki gibidir:
(1) Çalışma sıcaklığı aralığı: -30 ~ 80 ;
(2) Güvenilir iletişim mesafesi: 2500 m;
(3) Maksimum çalışma derinliği: 2.000 m.
1 Genel sistem yapısı
1.1 Sistem çerçevesi
Sistemin çeşitli bölümlerinin farklı konumlarına göre, sistem basitçe iki bölüme ayrılabilir: buz yüzeyinin uzaktan ölçüm ve kontrol merkezi ve sondaj sırasında ölçüm ve kontrol sistemi Sistemin genel çerçevesi Şekil 2'de gösterilmiştir. Buz yüzeyinin uzaktan ölçüm ve kontrol merkezi, jeneratör, yüksek voltajlı DC güç kaynağı, endüstriyel bilgisayar, endüstriyel sınıf fotoelektrik olarak izole edilmiş RS232-RS485 dönüştürücü ve çekmecelerden oluşur; sondaj sırasında ölçüm ve kontrol sistemi, akustik sinyallerle donatılmış gömülü ölçüm ve kontrol devre kartlarıyla donatılmış bir ölçüm ve kontrol kabininden oluşur. İşlemcinin bir işleme kabini, bir solenoid valf ile donatılmış bir su akışı ters çevirme kabini ve çeşitli çevresel sensörlerden oluşur.
1.2 Sistemin çalışma prensibi
Buz yüzeyinin uzaktan ölçüm ve kontrol merkezi ile delme sırasında ölçüm ve kontrol sistemi, çekme makinelerine sarılmış yüksek mukavemetli bir hortum ile birbirine bağlanır.Hortum 2500 m uzunluğunda hidroelektrik kompozit bir kablodur.Su borusu kısmı, buz yüzeyinde yüksek basınçlı sıcak suyu göndermek için kullanılır. Matkap ucu ve kablo parçası, buz yüzeyinin uzaktan kumanda merkezi ile delme sırasında ölçüm ve kontrol sistemi arasında güç kaynağı ve iletişim için kullanılabilir.
Ölçme ve kontrol sisteminin gücü jeneratör tarafından sağlanır.Jeneratör tarafından üretilen alternatif akım, yüksek voltajlı DC güç kaynağına gönderilir.Yüksek voltajlı doğru akım, hidroelektrik kompozit kablo vasıtasıyla matkap ucunun gömülü ölçüm ve kontrol kabinine iletilir ve ardından güç işleme devresinde delme yapılırken ölçüm ve kontrol sistemine beslenebilir. Sensörler, devre kartları ve solenoid valfler elektrik enerjisi sağlar. MWD gömülü sistem çalışmaya başladıktan sonra, MWD parametreleri gömülü ölçüm ve kontrol sistemi tarafından yakalanabilir.MCU tarafından işlendikten sonra bu parametreler, buz yüzeyi kontrol merkezinin üst bilgisayarında bulunan hidroelektrik kompozit kabloya iletişim çerçeveleri şeklinde gönderilir. İletişim çerçevesini aldıktan sonra, yazılım iletişim çerçevesini işler ve delme sırasındaki parametreler endüstriyel bilgisayarda uzaktan görüntülenebilir. Aynı zamanda, ana bilgisayar yazılımı, yüksek basınçlı su akışının yönünü kontrol edebilen talebe göre sondaj yaparken de kontrol komutunu ölçüm ve kontrol sistemine gönderebilir.
2 Sistem donanımı tasarımı
MWD sisteminin donanımı, Şekil 3'te gösterildiği gibi, MCU çekirdek devresine dayalı olarak tasarlanmış gömülü bir ölçüm ve kontrol devresidir. Ölçüm ve kontrol devresi temel olarak 6 kanallı 12-bit analogdan dijitale dönüşüm devreleri, 2 kanal dijital anahtar kontrol değişkeni, 2 kanal RS232 iletişim arayüz devreleri ve 1 kanal RS485 iletişim arayüz devreleri içerir. 6 kanallı 12 bit analogdan dijitale dönüştürme devresinde, sıcaklık ölçümü için 3 kanal, basınç ölçümü için 2 kanal, yer değiştirme ölçümü için 1 kanal ve matkap ucunun üst, orta ve altındaki sıcaklığı ölçmek için 3 sıcaklık sensörü bulunmaktadır. 2 kanallı basınç sensörü, matkap ucunun içindeki ve dışındaki su basıncını ölçmek için kullanılır ve yer değiştirme sensörü, matkap ucunun dibe vurup oturmadığını belirlemek için kullanılır. Tasarımı kolaylaştırmak ve sistem devresinin yüksek arayüz değiştirilebilirliğine sahip olmasını sağlamak için, bu 6 sensörün tümü endüstri standardı 4 mA-20 mA akım sensörü olarak seçilir ve akım sinyali, I / V dönüştürme devresi tarafından karşılık gelen basınca işlenir. Sinyal, MCU içindeki ADC tarafından işlenebilir. Sistemdeki 2 dijital anahtar kontrol değişkeni, matkap ucundaki 2 su yolu anahtarlama solenoid valfinin açılıp kapanmasını kontrol etmek için kullanılır. Solenoid valf yükü güçlü bir endüktif yük olduğundan, EMC filtre bileşenleri ve diyotlardan ve güç dirençlerinden oluşan bir deşarj devresi, röle tahrik devresine özel olarak eklenir. Akustik açıklık sensörü, matkap ucundan buz duvarına olan mesafeyi 0 °, 120 ° ve 240 ° olmak üzere üç yönde elde eder ve bu üç açıklık verisini RS232 iletişimi yoluyla ana kontrol MCU'ya iletir. Üç eksenli tutum sensörü modülü yerleşiktir ve durum verileri ayrıca devre üzerindeki RS232 yolu ile ana MCU'ya gönderilir. RS485 iletişim devresi, ana kontrol MCU'su tarafından işlenen verileri buz ölçüm ve kontrol merkezine göndermek için kullanılır. Tüm sistemin yukarıdaki gereksinimleri ve sistemin çalışma sıcaklığı göz önüne alındığında, MCU burada küçük boyutlu, çevre birimleri açısından zengin ve -40 ~ 105 'de güvenilir bir şekilde çalışabilen ST'nin STM32F103RCT7 mikro denetleyicisini kullanır.
Hidroelektrik kompozit kablo tarafından iletilen 300 V DC güç, ilk olarak Victor Company tarafından üretilen Mini yüksek entegre DC-DC izolasyon düşürme modülünden geçer ve 24 V çıkış verir ve ardından güç yönetimi devresi üzerinden 12 V, 5 V, 3,3 V ve 2,5 V çıkış verir. Her çip veya cihaz için. Şekil 4'te görüldüğü gibi hidroelektrik kompozit kabloda 8 adet kablo bulunmaktadır.Güç kaynağı ve haberleşmeyi daha güvenilir hale getirmek için sistem 1 ve 2 numaralı kabloları RS485 A teli, 3 ve 4 numaralı kabloları ise RS485 olarak tanımlamaktadır. Aynı şekilde B hattı, 300 V güç çıkışının pozitif kutbunu ve toprağını tanımlamak için sırasıyla 5 ve 6 numaralı kabloları ve 7 ve 8 numaralı kabloları tanımlar.
3 Sistem yazılım tasarımı
Sistem yazılımı, endüstriyel bilgisayarda kullanılan üst bilgisayar programını ve sondaj sırasında gömülü alt bilgisayar programını içerir.Üst bilgisayar programı geliştirme ve hata ayıklama için Microsoft Visual Studio 2013'ü ve alt bilgisayar programı geliştirme ve hata ayıklama için Keil'i kullanır.
3.1 Ana bilgisayar yazılım tasarımı
Ana bilgisayar programı esas olarak, delme sırasında parametrelerin gerçek zamanlı dijital görüntülenmesi ve delme sırasında ölçüm ve kontrol devresine kalp atışı sinyalleri ve kontrol komutları göndermek için kullanılır. Yazılım çalışmaya başladıktan sonra, yazılımda kullanılan grafiksel kontroller ve haberleşme seri portları başlatılıp yapılandırıldıktan sonra, sondaj sırasında veri çerçevesinin gerçek zamanlı olarak alınması, analiz edilmesi ve görüntülenmesi sürecinde çalışmaktadır. Üst bilgisayar tarafından alt bilgisayara gönderilen veri çerçevesi Şekil 5'te gösterilmektedir. "Harf anlamındaki" bölümdeki "C", "S" ve "H" sırasıyla solenoid valf kapalı, solenoid valf açık ve kalp atışı sinyalini ve "sayı anlam" bölümünü temsil etmektedir. '1' ve '2' sırasıyla 1 veya 2 numaralı solenoid valflere karşılık gelir ve '0' kalp atışı çerçevelerini göndermek için kullanılır.
3.2 Alt bilgisayarın yazılım tasarımı
Gömülü alt bilgisayar programlaması aşağıdaki 4 adıma bölünebilir:
(1) Sistem başlatma. Sistem açıldıktan sonra, MCU sistem saatini, G / Ç bağlantı noktasını, USART ve ADC dönüştürücüyü başlatın.
(2) Sensör verisi toplama. Sistemin çalışması sırasında, her bir sensörün sondaj sırasındaki verileri ADC örnekleme devresi, RS232 iletişim devresi vb. Aracılığıyla sürekli olarak elde edilecektir.
(3) Veri işleme ve gönderme. Sistem, her bir sensör tarafından toplanan verileri uygun bir şekilde işler ve daha sonra bu verileri ve MCU tarafından röleyi kontrol etmek için kullanılan I / O portunun seviye durumunu bir veri çerçevesi biçiminde ana bilgisayara gönderir. Yukarı bağlantı veri çerçevesinin içerik tanımı Şekil 6'da gösterilmektedir.
(4) Aşağı bağlantı veri çerçevelerini alın. Sistemin çalışma süreci sırasında aşağı bağlantı veri çerçevesi alındığında, veri çerçevesini hemen analiz edecek ve ilgili işlemleri gerçekleştirecektir.
Alt bilgisayarın yazılım iş akışı Şekil 7'de gösterilmektedir.
4 hata ayıklama
Bu sistemin maksimum çalışma derinliği 2.000 m'dir.Bu derinlikte harici su basıncı 20 MPa'ya ulaşır.Bu nedenle, yüksek basınca ve korozyona dayanıklı titanyum alaşımlı sızdırmaz kabin, matkap ucu ölçüm ve kontrol sistemi için özel olarak tasarlanmıştır.Kabin 25'e kadar test edilebilir. Sağlam ve MPa basıncı altında sızdırmazdır Kabinin iç devresi ve harici sensör su geçirmez bir kablo ile bağlanır.
Haberleşme kablosunun üst ve alt bilgisayarların haberleşme gereksinimlerini karşılayabilmesi için bu makale projede kullanılan 2.500 m hidroelektrik kompozit kablo üzerinde bir saha testi gerçekleştirmiştir.Multimetre ölçüm sonucu kompozit kablodaki tek kablo empedansının 3636 olduğunu göstermektedir. Seri bağlantı noktasını şu şekilde ayarlayın: baud hızı 9600, veri biti 8 bit, eşlik yok, durdurma biti 1 bit, testte, gönderen taraf her 100 ms'de bir veri çerçevesi gönderir ve test ucu doğru ve her 100 ms'de bir Bir veri çerçevesi alındı. Birçok testten sonra kompozit kablo proje gereksinimlerini karşılar.
Basınç testi ve iletişim testi tamamlandıktan sonra, ölçüm ve kontrol sisteminin yüksek ve düşük sıcaklık testi laboratuvarda gerçekleştirildi. Yüksek sıcaklık test süreci: Ölçme ve kontrol sistemi ile donatılmış kapalı kabinin yüksek ve düşük sıcaklık test kabininde çalışmasına izin verin, sıcaklık normal sıcaklıktan 51 ° C'ye yükselsin ve bu sıcaklığı 10 dakika muhafaza ettikten sonra 80 ° C'ye yükselir ve 2 saat kesintisiz çalışır; düşük sıcaklık test yöntemi Bu: sıcaklık normal sıcaklıktan -20 ° C'ye düşer ve bu sıcaklığı 10 dakika tutar, ardından -30 ° C'ye düşer, 1 saatlik sürekli çalışmadan sonra sistemi 10 dakika kapatın, tekrar açın ve 1 saat çalışmaya devam edin. Tüm test boyunca, ölçüm ve kontrol sistemi tarafından döndürülen verilerin ana bilgisayardan normal olup olmadığını gözlemleyin. Test sonuçları, sistemin -30 ile 80 arasında güvenilir bir şekilde çalışabileceğini göstermektedir.Düşük sıcaklık testinin amacı, Antarktika'daki çalışma durumunu simüle etmek ve sistemin düşük sıcaklık koşullarında normal çalışabilmesini sağlamaktır. başlamak.
Son olarak, ölçüm ve kontrol sistemi matkap ucuna monte edildi ve tüm sistem atölyede müşterek olarak hata ayıklandı.Birleşik hata giderme süreci, sistemin uygulanabilirliğini ve güvenilirliğini bir kez daha doğruladı.
5 Özet
Bu makale, laboratuvarda ve atölyede çeşitli test yöntemleri aracılığıyla sistemin uygulanabilirliğini ve güvenilirliğini kapsamlı bir şekilde doğrulamaktadır. Bu yazıda kutup buz rafı sıcak su matkap ucu için ölçüm ve kontrol sisteminin tasarımı beklenen gereksinimlere ulaşmıştır.Aşırı kutup koşulları altında bitin ilgili parametrelerinin toplanmasını ve geri döndürülmesini gerçekleştirmiştir ve bit jetinin yönünü kontrol etmek için üst bilgisayar yazılımını kullanabilir. Ek olarak, ölçüm ve kontrol, sonraki uygulamalarda sistemin genişletilmesini ve yükseltilmesini kolaylaştırmak için tasarımda bazı sensör arayüzlerini ayırmıştır.
Referanslar
Liang Suyun. Buzul- sıcak su tatbikatının geliştirilmesi ve uygulanması Buzul ve Permafrost, 1983, 5 (4): 91-95.
Wang Rusheng, Daralay, Li Yuansheng, et al.Uluslararası buz oluşumu sıcak su sondaj araştırmalarında ilerleme ve zorluklar. 18th National Annual Conference on Prospecting Engineering Technology Academic Exchange, 2015.
MAKINSON K, PEARCE D, HODGSON D A, ve diğerleri.Temiz buzul altı erişimi: gelecekteki derin sıcak su sondajı için umutlar.Felsefi İşlemler, 2016, 374 (2059): 201403040.
RACK F R. Whillans Subglacial Gölü'ne temiz erişim sağlama: WISSARD sıcak su sondaj sisteminin geliştirilmesi ve kullanımı Royal Society'nin Felsefi İşlemleri A Matematiksel Fiziksel ve Mühendislik Bilimleri, 2016, 374 (2059): 20140305.
Yuan Qingbo. CAN ağına dayalı derin deniz orta ve derin sondaj kuleleri için ölçüm ve kontrol sisteminin geliştirilmesi. Hangzhou: Hangzhou Dianzi Üniversitesi, 2014.
