葛 健 魏海坤 方仕雄 張侃健 朱蔚萍

(東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1，江蘇 南京 210096;東南大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究院2，江蘇 南京 210096)

0 引言

Dome A是南極冰蓋的最高點(diǎn)，已經(jīng)被證實(shí)為地球上最佳的天文觀測(cè)地區(qū)之一，具有極為重要的科學(xué)價(jià)值［1－3］。我國(guó)于2008年在Dome A建立了一個(gè)自動(dòng)天文觀測(cè)平臺(tái)，即 PLATO 平臺(tái)［4－6］，其控制中心位于澳大利亞。這種狀況導(dǎo)致了我國(guó)不能在第一時(shí)間獲取天文觀測(cè)數(shù)據(jù)，為了改變這種局面，東南大學(xué)開發(fā)了第一代南極科考支撐裝置。

PLATO平臺(tái)是完全手動(dòng)控制的，而科考支撐裝置是完全自主運(yùn)行的。裝置無(wú)人值守，可靠性至關(guān)重要，所以硬件設(shè)備和軟件設(shè)計(jì)都以保障高可靠性為重心。本文重點(diǎn)闡述了裝置中發(fā)電機(jī)組所采用的軟件控制策略。該策略采用了循環(huán)隊(duì)列的方式，控制較為靈活方便。西藏高原大量的測(cè)試以及在Dome A地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明了該控制策略具有良好的效果。

1 發(fā)電模塊硬件設(shè)備

科考支撐裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，分為發(fā)電模塊、控制模塊和通信存儲(chǔ)模塊。發(fā)電模塊為整個(gè)裝置和天文觀測(cè)儀器設(shè)備提供電力支持;控制模塊完成現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制［7－8］;通信存儲(chǔ)模塊提供本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和國(guó)內(nèi)監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程通信［9］。

發(fā)電模塊位于發(fā)電艙內(nèi)，艙內(nèi)有6臺(tái)德國(guó)HATZ 1B40發(fā)電機(jī)，分為A、B兩組，并為它們分別編號(hào)，A組發(fā)電機(jī)編號(hào)為1～3，B組發(fā)電機(jī)編號(hào)為4～6。發(fā)電艙為上下兩層，下層為儲(chǔ)油箱，上層安裝了發(fā)電機(jī)組以及各種輔助設(shè)備。發(fā)電機(jī)有3個(gè)輸入信號(hào)和1個(gè)輸出信號(hào)，輸入信號(hào)為預(yù)熱信號(hào)、油門信號(hào)以及啟動(dòng)信號(hào)，輸出信號(hào)為潤(rùn)滑油液位報(bào)警信號(hào)。機(jī)組重要輔件有超級(jí)電容、潤(rùn)滑油箱以及油泵。

2 發(fā)電機(jī)組控制策略

發(fā)電機(jī)組的控制主要包括以下幾個(gè)方面:超級(jí)電容組控制、潤(rùn)滑油泵控制、發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制。

2.1 超級(jí)電容組

超級(jí)電容的作用是提供發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中所需要的電能，充滿電時(shí)，其電壓為12 V左右，電壓值的大小關(guān)系到發(fā)電機(jī)能否正常啟動(dòng)。超級(jí)電容電壓值變化如表1所示，單個(gè)超級(jí)電容可以連續(xù)提供5次發(fā)電機(jī)啟動(dòng)所需的電能，測(cè)試條件為預(yù)熱信號(hào)為1 s，啟動(dòng)信號(hào)為5 s，溫度為25℃。大量試驗(yàn)表明，當(dāng)電壓值低于9 V時(shí)，則無(wú)法成功啟動(dòng)發(fā)電機(jī);超級(jí)電容電壓值越高，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)越順利。

表1 超級(jí)電容電壓值變化表Tab.1 Variation of the voltage of the super capacitor

在現(xiàn)場(chǎng)情況下，啟動(dòng)過(guò)程中預(yù)熱時(shí)間和啟動(dòng)時(shí)間均會(huì)發(fā)生改變，而且發(fā)電機(jī)很可能需要多次啟動(dòng)，一個(gè)超級(jí)電容無(wú)法滿足發(fā)電機(jī)啟動(dòng)所需的電能，故采用2個(gè)超級(jí)電容并聯(lián)的方式。這在一定程度上改善了超級(jí)電容可能出現(xiàn)的電量不足的狀況，更重要的是超級(jí)電容組采用了不間斷充電的方式，極大地保障了超級(jí)電容的可靠運(yùn)行。

超級(jí)電容組采用了2種不間斷充電方式，具體為:若發(fā)電機(jī)未工作，則由蓄電池通過(guò)低壓母線給超級(jí)電容充電，在電容低壓充電過(guò)程中，應(yīng)盡量避免啟動(dòng)發(fā)電機(jī);若發(fā)電機(jī)工作，則由發(fā)電機(jī)通過(guò)高壓母線直接給超級(jí)電容充電，并實(shí)時(shí)檢測(cè)超級(jí)電容的電壓值，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中一旦出現(xiàn)超級(jí)電容電壓低于9 V的情況，立刻打開低壓、高壓充電開關(guān)，發(fā)電機(jī)和蓄電池迅速給超級(jí)電容補(bǔ)充電能。

2.2 潤(rùn)滑油泵

發(fā)電機(jī)的運(yùn)行離不開潤(rùn)滑油，若潤(rùn)滑油長(zhǎng)時(shí)間得不到更換，潤(rùn)滑效果會(huì)下降，將影響發(fā)電機(jī)的使用壽命。然而，科考人員每年只能對(duì)平臺(tái)維護(hù)一次，潤(rùn)滑油只可能在此期間得到更換。為了解決這一問(wèn)題，在發(fā)電艙內(nèi)配備了潤(rùn)滑油箱，一次性添加了足量的潤(rùn)滑油，并且改裝了發(fā)電機(jī)自身的潤(rùn)滑油箱，安裝了回流裝置，通過(guò)油泵將機(jī)身內(nèi)的潤(rùn)滑油和外部油箱的潤(rùn)滑油形成循環(huán)。

潤(rùn)滑油泵的控制參數(shù)主要有油泵運(yùn)行的頻率、運(yùn)行時(shí)間和間隔時(shí)間，其中間隔時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間可以遠(yuǎn)程人工修改。這樣，即使油泵本身的參數(shù)發(fā)生改變，通過(guò)遠(yuǎn)程修改間隔時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間，油泵仍然可以受控。2010年7～9月，南極科考支撐裝置在西藏羊八井國(guó)際宇宙射線觀測(cè)站進(jìn)行了高原發(fā)電機(jī)測(cè)試，通過(guò)大量試驗(yàn)，獲得了每個(gè)發(fā)電機(jī)的潤(rùn)滑油泵最優(yōu)控制參數(shù)。試驗(yàn)測(cè)得各個(gè)編號(hào)的潤(rùn)滑油泵最優(yōu)參數(shù)如表2所示。

表2 潤(rùn)滑油泵運(yùn)行參數(shù)表Tab.2 The operating parameters of lubricating oil pumps

2.3 發(fā)電機(jī)啟動(dòng)

發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)流程圖如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程流程圖Fig.1 The flowchart of the generator startup process

發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)邏輯比較簡(jiǎn)單，分為以下3個(gè)步驟:①給出預(yù)熱信號(hào)，作用是加熱氣缸，溫度升高，便于點(diǎn)火;②打開油門，向氣缸內(nèi)送燃油;③給出啟動(dòng)信號(hào)，并等待2 min，在2 min內(nèi)，若發(fā)電機(jī)的即時(shí)輸出電壓大于200 V，即認(rèn)為發(fā)電機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)成功。這里涉及到預(yù)熱時(shí)間和啟動(dòng)時(shí)間兩個(gè)參數(shù)。大量試驗(yàn)得到的預(yù)熱時(shí)間、啟動(dòng)時(shí)間與環(huán)境溫度的匹配表如表3所示。對(duì)于預(yù)熱時(shí)間來(lái)說(shuō)，越長(zhǎng)越好，但是消耗超級(jí)電容的電量就越多。表3中的數(shù)據(jù)是最小值，若相關(guān)參數(shù)低于該值，則發(fā)電機(jī)啟動(dòng)失敗的可能性將增加。啟動(dòng)時(shí)間過(guò)短，電機(jī)轉(zhuǎn)速低，造成啟動(dòng)失敗;啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也會(huì)損壞發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)電機(jī)，造成發(fā)電機(jī)啟動(dòng)癱瘓。所以控制程序一旦檢測(cè)到發(fā)電機(jī)輸出電壓大于200 V，需要立刻切斷啟動(dòng)信號(hào)。

表3 溫度與啟動(dòng)參數(shù)匹配表Tab.3 The matching table between temperature and the startup parameters

2.4 發(fā)電機(jī)的運(yùn)行控制

南極科考支撐裝置在Dome A地區(qū)運(yùn)行需要發(fā)電機(jī)提供持續(xù)穩(wěn)定的電能。發(fā)電機(jī)的運(yùn)行控制面臨以下幾個(gè)難點(diǎn):①發(fā)電機(jī)的數(shù)量較多，需要合理地調(diào)度，盡可能使每一臺(tái)發(fā)電機(jī)都發(fā)揮最大的作用;②發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，能夠做到及時(shí)可靠地切換，不影響平臺(tái)的正常運(yùn)行;③有可能出現(xiàn)誤報(bào)警，頻繁切換發(fā)電機(jī);④必要時(shí)可以人工遠(yuǎn)程干預(yù)，恢復(fù)正常后，系統(tǒng)能夠再次進(jìn)入自主控制。

為了解決這些難點(diǎn)，本文提出了發(fā)電機(jī)啟動(dòng)循環(huán)隊(duì)列的方案。該方案將每個(gè)發(fā)電機(jī)的編號(hào)組成一個(gè)循環(huán)隊(duì)列。當(dāng)控制程序運(yùn)行時(shí)，首先檢查循環(huán)隊(duì)列，取循環(huán)隊(duì)列首位的數(shù)值為當(dāng)前需要啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)編號(hào)。通過(guò)修改循環(huán)隊(duì)列，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組的調(diào)度;當(dāng)檢測(cè)到發(fā)電機(jī)故障時(shí)，將故障發(fā)電機(jī)的編號(hào)迅速調(diào)整到隊(duì)列末端，程序自動(dòng)啟動(dòng)隊(duì)列首端編號(hào)對(duì)應(yīng)的待命發(fā)電機(jī)。極端情況下，若有發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了硬件上的損壞，即不可恢復(fù)的故障，只需在循環(huán)隊(duì)列中用0來(lái)屏蔽該發(fā)電機(jī)的編號(hào)即可，該發(fā)電機(jī)就不會(huì)再被啟動(dòng)。通過(guò)屏蔽可以解決發(fā)電機(jī)頻繁切換的問(wèn)題，同時(shí)循環(huán)隊(duì)列可以人工遠(yuǎn)程修改，調(diào)整發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行順序，狀態(tài)好的發(fā)電機(jī)排在隊(duì)列靠前的位置，使機(jī)組始終處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。

為了應(yīng)對(duì)在Dome A可能出現(xiàn)的無(wú)法預(yù)料的狀況，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，主控系統(tǒng)準(zhǔn)備了以下兩套控制方案。

①方案一

采用發(fā)電機(jī)故障切換控制加定時(shí)巡檢控制。發(fā)電機(jī)故障切換控制作用是:一旦檢測(cè)到發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，立即調(diào)整循環(huán)隊(duì)列［10－12］，然后切斷當(dāng)前故障發(fā)電機(jī)的油門以及母線開關(guān)等，根據(jù)新的隊(duì)列啟動(dòng)待命的發(fā)電機(jī)。例如:若循環(huán)隊(duì)列初始為123456，控制程序先啟動(dòng)編號(hào)為1的發(fā)電機(jī)，當(dāng)檢測(cè)到1號(hào)發(fā)電機(jī)故障后，循環(huán)隊(duì)列變更為234561，隨后啟動(dòng)編號(hào)為2的發(fā)電機(jī);若2號(hào)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)失敗，視為2號(hào)發(fā)電機(jī)故障，繼續(xù)啟動(dòng)下一臺(tái)發(fā)電機(jī)，直至成功啟動(dòng)某一臺(tái)發(fā)電機(jī)為止。在這個(gè)過(guò)程中，天文觀測(cè)的設(shè)備儀器會(huì)因?yàn)榈綦姸P(guān)閉，控制程序需記憶所有設(shè)備儀器在斷電前一時(shí)刻的工作狀態(tài)。當(dāng)發(fā)電機(jī)重新啟動(dòng)成功后，再將設(shè)備重新上電，恢復(fù)到故障前的狀態(tài)。

在南極現(xiàn)場(chǎng)只有一臺(tái)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行，其余的發(fā)電機(jī)處于等待狀態(tài)，有可能出現(xiàn)處于待命狀態(tài)的發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間得不到運(yùn)行，再次啟動(dòng)較為困難，因此需要給發(fā)電機(jī)定時(shí)巡檢熱機(jī)，以便保持良好的狀態(tài)。巡檢控制的要求是不能影響當(dāng)前工作的發(fā)電機(jī)，且在巡檢過(guò)程中，若當(dāng)前工作的發(fā)電機(jī)發(fā)生故障需要運(yùn)行故障切換程序時(shí)，則停止巡檢程序，優(yōu)先運(yùn)行發(fā)電機(jī)的故障切換程序。主控程序設(shè)定的巡檢時(shí)間是10天，巡檢程序的邏輯為:首先獲得當(dāng)前正在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)編號(hào)，在該編號(hào)的基礎(chǔ)上加1，即為將要巡檢的首臺(tái)發(fā)電機(jī)號(hào);然后調(diào)用發(fā)電機(jī)啟動(dòng)程序，運(yùn)行5 min后，自動(dòng)關(guān)閉，巡檢發(fā)電機(jī)號(hào)再加1，繼續(xù)巡檢;當(dāng)巡檢發(fā)電機(jī)號(hào)大于6時(shí)，將其復(fù)位為1，直至巡檢發(fā)電機(jī)號(hào)重新等于當(dāng)前運(yùn)行的發(fā)電機(jī)編號(hào)，完成一個(gè)循環(huán)，視為巡檢結(jié)束。

②方案二

采用定時(shí)切換發(fā)電機(jī)的方法是指發(fā)電機(jī)運(yùn)行了一段時(shí)間后將其關(guān)閉，自動(dòng)切換為下一臺(tái)待命的發(fā)電機(jī)。該方法讓每臺(tái)發(fā)電機(jī)均能在一段時(shí)間后投入運(yùn)行，有利于延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)的壽命。發(fā)電機(jī)的定時(shí)切換區(qū)別于故障切換，不同之處在于:故障切換說(shuō)明是當(dāng)前正在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)失去工作能力，科考儀器設(shè)備被切斷用電，整個(gè)系統(tǒng)面臨停機(jī)的威脅，需要在備用電源的支撐下啟動(dòng)下一臺(tái)發(fā)電機(jī);而定時(shí)切換則不然，它是在當(dāng)前發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的情況下切換到下一臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，其切換需要做到無(wú)擾切換，即保證對(duì)系統(tǒng)無(wú)任何影響，科考儀器設(shè)備正常工作。簡(jiǎn)而言之，即在成功啟動(dòng)了下一臺(tái)發(fā)電機(jī)的情況下，才能進(jìn)行定時(shí)切換。

切換過(guò)程如下:首先檢測(cè)到發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間滿足切換條件，這時(shí)不能立刻關(guān)閉當(dāng)前正在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，而是調(diào)整循環(huán)隊(duì)列，啟動(dòng)下一臺(tái)待命的發(fā)電機(jī)，等待發(fā)電機(jī)啟動(dòng)成功并且接入高壓母線后，方可關(guān)閉前一臺(tái)發(fā)電機(jī)。極端情況下，如果出現(xiàn)待命的5臺(tái)發(fā)電機(jī)均無(wú)法啟動(dòng)成功的狀況，則該次切換取消。

科考支撐裝置在西藏羊八井做了大量試驗(yàn)，確定了發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)控制參數(shù)。2010年9月13日～18日，三號(hào)發(fā)電機(jī)在羊八井測(cè)試運(yùn)行的電壓圖如圖2所示。測(cè)試表明，三號(hào)發(fā)電機(jī)運(yùn)行和切換都正常。

圖2 三號(hào)發(fā)電機(jī)西藏高原運(yùn)行電壓圖Fig.2 Operating voltage of unit 3 generator at Tibetan plateau

3 運(yùn)行結(jié)果與結(jié)論

科考支撐平臺(tái)于2011年1月在南極Dome A［8］成功運(yùn)行，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行的情況，控制方案采用了故障切換加定時(shí)切換。截取的三號(hào)發(fā)電機(jī)組的電壓值如圖3所示。

圖3 三號(hào)發(fā)電機(jī)Dome A運(yùn)行電壓圖Fig.3 Operating voltage of unit 3 generator at Dome A region

從圖3可以看出，三號(hào)發(fā)電機(jī)的電壓值穩(wěn)定，在正常工作一段時(shí)間后能夠自動(dòng)切換到其他發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也能夠再次重新啟動(dòng)運(yùn)行。

主控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電機(jī)組的控制，說(shuō)明了其控制策略是有效的。然而，由于時(shí)間倉(cāng)促以及受環(huán)境條件的約束，支撐平臺(tái)依然還存在著不少問(wèn)題，如潤(rùn)滑油液位的平衡以及發(fā)電機(jī)的低溫啟動(dòng)難等問(wèn)題，這些都是需要改進(jìn)的地方。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的控制策略采用循環(huán)隊(duì)列的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源模塊發(fā)電機(jī)組的有效控制，完成了對(duì)整個(gè)裝置的能源供應(yīng)。南極科考支撐裝置的成功搭建，為我國(guó)在南極地區(qū)展開更為廣泛的天文研究提供了舞臺(tái)，借此提高我國(guó)極地天文觀測(cè)的能力;同時(shí)，它也為天文科考觀測(cè)平臺(tái)的改進(jìn)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并為在高原嚴(yán)寒等惡劣條件下無(wú)人值守控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了借鑒意義。

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