文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.166619
中文引用格式： 周巧娣，同懿，余小非. 極地冰架熱水鉆鉆頭測控系統研制[J].電子技術應用，2017，43(8)：66-68.
英文引用格式： Zhou Qiaodi，Tong Yi，Yu Xiaofei. Development of hot-water drill bit measurement and control system for polar ice shelf[J].Application of Electronic Technique，2017，43(8)：66-68.
0 引言
熱水鉆是一種聯合融雪箱、鍋爐、加壓泵等設備將冰雪變為高壓射流從特定噴嘴內噴射出來融化和沖擊冰雪層的冰架鉆進設備，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、冰蓋和冰架物質平衡等多方面具有重要意義[1-2]。國際上已經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]）”和美國內布拉斯加大學林肯分校“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雖然已經能夠進行實際鉆探，但由于其測控系統的不可靠性最終導致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完全對外封閉。為填補我國在南極冰架熱水鉆進技術研究方面的空白，本文研制了一套冰架熱水鉆鉆頭測控系統，該系統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備協同合作，實現對隨鉆參數的采集和高壓水流噴射方向的控制。熱水鉆實際應用示意圖如圖1所示。
考慮到南極的低溫以及鉆頭正常工作時的外圍環境，對測控系統提出的要求如下：
（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 系統總體結構
1.1 系統框架
根據系統各部分工作時所處位置不同，可將系統簡單分為冰面遠程測控中心和隨鉆測控系統兩部分，系統整體框架如圖2所示。冰面遠程測控中心由發電機、高壓直流電源、工控機、工業級光電隔離型RS232-RS485轉換器和絞車組成；隨鉆測控系統由裝有嵌入式測控電路板的測控艙、裝有聲學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 系統工作原理
冰面遠程測控中心與隨鉆測控系統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之間的供電與通信。
測控系統的電力均由發電機提供，發電機產生的交流電送到高壓直流電源，高壓直流電通過水電復合纜傳輸到鉆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中各傳感器、電路板和電磁閥提供電能。待隨鉆嵌入式系統開始工作后，隨鉆參數即可被嵌入式測控系統捕獲，這些參數經MCU處理后，以通信幀的形式被發送到水電復合纜上，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，隨鉆參數即可被遠程顯示在工控機上。同時，根據需求上位機軟件也可將控制令發送至隨鉆測控系統，即可達到對高壓水流方向的控制。
2 系統硬件設計
隨鉆系統硬件是以MCU核心電路為基礎而設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位的模數轉換電路、2路數字開關控制量、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位模數轉換電路中有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。為了便于設計且使系統電路具有高的接口可替換性，這6個傳感器均選型為工業標準的4 mA~20 mA型電流傳感器，電流信號經I/V轉換電路處理后變為對應的壓力信號即可被MCU內部的ADC處理。系統中的2路數字開關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個孔徑數據傳給主控MCU。三軸姿態傳感模塊是板載的，在電路上也是以RS232的方式將姿態數據發送給主控MCU。RS485通信電路用于將主控MCU處理后的數據發送至冰面測控中心。考慮整個系統的上述需求以及系統的工作溫度，這里MCU采用ST公司的STM32F103RCT7單片機，該單片機體積小巧、外設豐富，且能夠可靠工作于-40 ℃~105 ℃。
水電復合纜傳輸來的300 V直流電先經過由Victor公司生產的Mini型高集成度DC-DC隔離降壓模塊輸出24 V，然后再經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 系統軟件設計
本系統軟件包括工控機內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進行開發和調試，下位機程序使用Keil進行開發和調試。
3.1 上位機軟件設計
上位機程序主要用于隨鉆參數的實時數字化顯示，以及給隨鉆測控電路發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據幀的實時接收、解析和顯示過程中。上位機給下位機發送的數據幀如圖5所示,“含義字母”段中‘C’、‘S’、‘H’分別代表關電磁閥、開電磁閥和心跳信號，“含義數字”段中‘1’、‘2’分別對應編號為1或2的電磁閥，而‘0’則用于發送心跳幀。
3.2 下位機軟件設計
嵌入式下位機程序設計可以分為以下4個步驟：
(1)系統初始化。待系統上電后，對MCU系統時鐘、I/O口、USART、ADC轉換器進行初始化配置。
(2)傳感器數據獲取。系統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據。
(3)數據處理和發送。系統將各傳感器采集的數據進行適當的處理，然后將這些數據和MCU控制繼電器所用I/O口的電平狀態以數據幀的形式發送給上位機。上行數據幀的內容定義如圖6所示。
(4)接收下行數據幀。系統工作過程中一旦接收到下行數據幀，將會立刻對數據幀進行解析并執行相應的操作。
下位機軟件工作流程如圖7所示。
4 調試
本系統最大工作深度為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設計了一種耐高壓抗腐蝕的鈦合金密封艙，經測試該艙體能夠在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水電復合纜進行了實地測試，萬用表測量結果顯示該復合纜中單根電纜阻抗為36 Ω，在通信測試中將串口設置為：波特率9 600，數據位8 bit，無奇偶校驗，停止位1 bit，在測試中發送端每100 ms發送一幀數據，測試端可以正確無誤地每隔100 ms接收到一幀數據。經多次測試，該復合纜滿足項目要求。
打壓試驗和通信測試完成后，在實驗室對該套測控系統進行了高低溫試驗。高溫測試過程為：讓裝有測控系統的密封艙工作在高低溫試驗柜內，溫度從常溫升至51 ℃，并保持此溫度10 min，然后升至80 ℃，連續工作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 ℃，連續工作1小時后，對系統斷電10 min，再次上電，繼續工作1小時。在整個測試過程中，通過上位機觀察測控系統返回的數據是否正常。測試結果表明，該系統能夠可靠工作于-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，確保系統能夠在低溫條件下正常啟動。
最后，將測控系統安裝于鉆頭之上，在車間對整套系統進行了聯合調試，聯調過程再次驗證了該套系統的實用性和可靠性。
5 總結
本文通過實驗室與車間的多種測試方法對系統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的設計達到了預期的要求，實現了在極地極端條件下對鉆頭相關參數的采集與回傳，并能夠使用上位機軟件對鉆頭射流方向進行控制。此外，該測控在設計時預留了一些傳感器的接口，以便于系統在后續應用中的擴展和升級。
參考文獻
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[2] 王如生，達拉拉伊，李院生，等.國際冰層熱水鉆研究進展與面臨的挑戰[C].第十八屆全國探礦工程技術學術交流年會，2015.
[3] MAKINSON K，PEARCE D，HODGSON D A，et al.Clean subglacial access: prospects for future deep hot-water drilling[J].Philosophical Transactions，2016，374(2059)：201403040.
[4] RACK F R.Enabling clean access into Subglacial Lake Whillans: development and use of the WISSARD hot water drill system[J].Philosophical Transactions of the Royal Society A Mathematical Physical & Engineering Sciences，2016，374(2059)：20140305.
[5] 袁清博.基于CAN組網的深海中深孔鉆機測控系統研制[D].杭州：杭州電子科技大學，2014.
作者信息：
周巧娣，同 懿，余小非
（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州310018）