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(lái)融化和沖擊冰雪層的冰架鉆進(jìn)設(shè)備，熱水鉆探對(duì)于在南極更深入地研究冰架底部?jī)鋈谶^(guò)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(guó)際上已經(jīng)在南極進(jìn)行過(guò)實(shí)際鉆探且具有代表性的熱水鉆分別是英國(guó)南極調(diào)查局“埃爾斯沃斯冰下湖項(xiàng)目（Subglacial Lake Ellsworth Project，SLEP）”中用到的“無(wú)污染熱水鉆（Clean Hot Water Drills，CHWD^[3]）”和美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分?！盎萏m斯冰下湖鉆探研究項(xiàng)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(jìn)行實(shí)際鉆探，但由于其測(cè)控系統(tǒng)的不可靠性最終導(dǎo)致SLEP宣告失??；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(xiàng)目的核心測(cè)控技術(shù)完全對(duì)外封閉。為填補(bǔ)我國(guó)在南極冰架熱水鉆進(jìn)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(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將與中國(guó)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(shí)現(xiàn)對(duì)隨鉆參數(shù)的采集和高壓水流噴射方向的控制。熱水鉆實(shí)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(shí)的外圍環(huán)境，對(duì)測(cè)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(shí)所處位置不同，可將系統(tǒng)簡(jiǎn)單分為冰面遠(yuǎn)程測(cè)控中心和隨鉆測(cè)控系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)整體框架如圖2所示。冰面遠(yuǎn)程測(cè)控中心由發(fā)電機(jī)、高壓直流電源、工控機(jī)、工業(yè)級(jí)光電隔離型RS232-RS485轉(zhuǎn)換器和絞車(chē)組成；隨鉆測(cè)控系統(tǒng)由裝有嵌入式測(cè)控電路板的測(cè)控艙、裝有聲學(xué)信號(hào)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(yuǎn)程測(cè)控中心與隨鉆測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)盤(pán)繞在絞車(chē)上的高強(qiáng)度軟管進(jìn)行連接，該軟管為2 500 m長(zhǎng)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(yuǎn)程控制中心和隨鉆測(cè)控系統(tǒng)之間的供電與通信。

    測(cè)控系統(tǒng)的電力均由發(fā)電機(jī)提供，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電送到高壓直流電源，高壓直流電通過(guò)水電復(fù)合纜傳輸?shù)姐@頭的嵌入式測(cè)控艙中，然后即可通過(guò)電源處理電路給隨鉆測(cè)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(kāi)始工作后，隨鉆參數(shù)即可被嵌入式測(cè)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(jī)軟件在收到通信幀后，對(duì)通信幀進(jìn)行處理，隨鉆參數(shù)即可被遠(yuǎn)程顯示在工控機(jī)上。同時(shí)，根據(jù)需求上位機(jī)軟件也可將控制令發(fā)送至隨鉆測(cè)控系統(tǒng)，即可達(dá)到對(duì)高壓水流方向的控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    隨鉆系統(tǒng)硬件是以MCU核心電路為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的嵌入式測(cè)控電路，如圖3所示。該測(cè)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(kāi)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(cè)量，2路用于壓力測(cè)量，1路用于位移測(cè)量， 3個(gè)溫度傳感器分別用于測(cè)量鉆頭頂部、中部和底部的溫度，2路壓力傳感器用來(lái)測(cè)量鉆頭內(nèi)部和外部的水壓，位移傳感器被用來(lái)判斷鉆頭是否觸底。為了便于設(shè)計(jì)且使系統(tǒng)電路具有高的接口可替換性，這6個(gè)傳感器均選型為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4 mA~20 mA型電流傳感器，電流信號(hào)經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路處理后變?yōu)閷?duì)應(yīng)的壓力信號(hào)即可被MCU內(nèi)部的ADC處理。系統(tǒng)中的2路數(shù)字開(kāi)關(guān)控制量用于控制鉆頭中的2個(gè)水路切換電磁閥的開(kāi)合。由于電磁閥負(fù)載是一個(gè)強(qiáng)的感性負(fù)載^[5]，因此在繼電器驅(qū)動(dòng)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(gè)方向到冰壁的距離，并以RS232通信的方式將這3個(gè)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(cè)控中心?？紤]整個(gè)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(jī)，該單片機(jī)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(lái)的300 V直流電先經(jīng)過(guò)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(hào)纜定義為RS485的A線，將3、4號(hào)纜定義為RS485的B線，同理將5、6號(hào)纜和7、8號(hào)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(jì)

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

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    上位機(jī)程序主要用于隨鉆參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)字化顯示，以及給隨鉆測(cè)控電路發(fā)送心跳信號(hào)和控制命令。軟件開(kāi)始工作后先對(duì)軟件中用到的圖形化控件和通信串口進(jìn)行初始化配置，然后一直工作于隨鉆數(shù)據(jù)幀的實(shí)時(shí)接收、解析和顯示過(guò)程中。上位機(jī)給下位機(jī)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(kāi)電磁閥和心跳信號(hào)，“含義數(shù)字”段中‘1’、‘2’分別對(duì)應(yīng)編號(hào)為1或2的電磁閥，而‘0’則用于發(fā)送心跳幀。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    嵌入式下位機(jī)程序設(shè)計(jì)可以分為以下4個(gè)步驟：

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

    (2)傳感器數(shù)據(jù)獲取。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)通過(guò)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(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，然后將這些數(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(jī)。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(guò)程中一旦接收到下行數(shù)據(jù)幀，將會(huì)立刻對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

    下位機(jī)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(dá)到了20 MPa，因此專(zhuān)門(mén)給鉆頭測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種耐高壓抗腐蝕的鈦合金密封艙，經(jīng)測(cè)試該艙體能夠在25 MPa壓力下完好無(wú)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(jìn)行連接。

    為確保通信電纜能夠滿足上下位機(jī)的通信需求，本文對(duì)項(xiàng)目中用到的2 500 m水電復(fù)合纜進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，萬(wàn)用表測(cè)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(cè)試中將串口設(shè)置為：波特率9 600，數(shù)據(jù)位8 bit，無(wú)奇偶校驗(yàn)，停止位1 bit，在測(cè)試中發(fā)送端每100 ms發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，測(cè)試端可以正確無(wú)誤地每隔100 ms接收到一幀數(shù)據(jù)。經(jīng)多次測(cè)試，該復(fù)合纜滿足項(xiàng)目要求。

    打壓試驗(yàn)和通信測(cè)試完成后，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)該套測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了高低溫試驗(yàn)。高溫測(cè)試過(guò)程為：讓裝有測(cè)控系統(tǒng)的密封艙工作在高低溫試驗(yàn)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(shí)；低溫測(cè)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(shí)后，對(duì)系統(tǒng)斷電10 min，再次上電，繼續(xù)工作1小時(shí)。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)上位機(jī)觀察測(cè)控系統(tǒng)返回的數(shù)據(jù)是否正常。測(cè)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(cè)試中斷電10 min再次上電工作1小時(shí)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(dòng)。

    最后，將測(cè)控系統(tǒng)安裝于鉆頭之上，在車(chē)間對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試，聯(lián)調(diào)過(guò)程再次驗(yàn)證了該套系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。

5 總結(jié)

    本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室與車(chē)間的多種測(cè)試方法對(duì)系統(tǒng)的實(shí)用性與可靠性進(jìn)行了全面的驗(yàn)證。本文中極地冰架熱水鉆鉆頭測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的要求，實(shí)現(xiàn)了在極地極端條件下對(duì)鉆頭相關(guān)參數(shù)的采集與回傳，并能夠使用上位機(jī)軟件對(duì)鉆頭射流方向進(jìn)行控制。此外，該測(cè)控在設(shè)計(jì)時(shí)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(kuò)展和升級(jí)。

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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）