彭賽鋒

(長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)國家重點實驗室,湖南 長沙410012)

大洋海底沉積物土工力學(xué)參數(shù)(如剪切強度和貫入阻力等)是海底采礦裝備設(shè)計的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［1-2］,但大洋海底沉積物在高壓下的土工力學(xué)特性與無圍壓且無擾動沉積物取樣樣品的土工力學(xué)特性之間存在差別［3］。 為了獲取海底沉積物原位土工力學(xué)參數(shù),研制自主式海底沉積物原位土工力學(xué)測量裝置并進行大洋海底沉積物原位土工力學(xué)特性試驗是非常必要的。 由于原位土工力學(xué)測量裝置工作環(huán)境是大水深(5 000 m 級)、高腐蝕、長距離等條件較惡劣的海底［4］,對其測控系統(tǒng)的要求較高。 本文對原位土工力學(xué)測量裝置測控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計兩方面進行介紹,由于長距離輸配電技術(shù)對海底設(shè)備的正常運行起著至關(guān)重要的作用,因此也對測控系統(tǒng)的電源進行了分析和計算。

1 測控系統(tǒng)硬件

海底沉積物原位土工力學(xué)測量裝置測控系統(tǒng)主要由水上甲板測控單元和水下裝置測控單元組成。 水上甲板測控單元與水下裝置測控單元通過萬米鎧裝光電復(fù)合纜進行連接,通過光電纜中的單模光纖進行光信號傳輸,通過光電纜中的電導(dǎo)體為水下裝置測控單元提供直流工作電源。

1.1 水上甲板測控單元

水上甲板測控單元作為上位系統(tǒng),發(fā)布控制命令以及顯示設(shè)備運行狀態(tài)并保障水下系統(tǒng)正常工作,其組成見圖1。

圖1 水上甲板測控單元組成

水上視頻光端機通過以太網(wǎng)與工控機進行連接,通過同軸與硬盤錄像機進行連接,通過1 根單模光纖與水下視頻光端機進行連接(使用波分復(fù)用技術(shù),在同一根單模光纖上傳輸波長為1 310 nm 和1 550 nm的2 種光),將上位機發(fā)布的控制命令以及配置參數(shù)等信息轉(zhuǎn)換成光信號傳輸給水下視頻光端機,同時將水下視頻光端機傳輸來的光信號轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號和同軸視頻信號分別傳輸給工控機和硬盤錄像機；工控機通過以太網(wǎng)與硬盤錄像機進行連接,其上運行人機界面程序,發(fā)布控制命令、配置系統(tǒng)參數(shù)、顯示系統(tǒng)狀態(tài)、存儲采集數(shù)據(jù)以及使用Web 技術(shù)獲取硬盤錄像機中的視頻信號等；硬盤錄像機采集同軸模擬視頻信號并進行存儲以及視頻回放等；甲板直流電源將交流220 V 電源轉(zhuǎn)換成0～600 V 可調(diào)節(jié)的直流電源,給水下裝置提供直流工作電源；顯示器提供與人交互的窗口。

1.2 水下裝置測控單元

水下裝置測控單元作為下位系統(tǒng),控制水下測量機構(gòu)運行以及采集傳感器數(shù)據(jù),其組成見圖2。

嵌入式控制器、模擬輸入模塊、數(shù)字輸入模塊以及數(shù)字輸出模塊組成下位控制中心,主要采用NI 公司的嵌入式控制器,實現(xiàn)對水下裝置的自動化控制和測量,NI 公司的控制器具有較寬的工作溫度范圍、較大的靈活性和可靠性,可以進行模塊自由搭配,具有FPGA 編程功能,可以實現(xiàn)較復(fù)雜高速的算法。

圖2 水下裝置測控單元組成

下位控制中心使用一套步進電機驅(qū)動裝置,采用分時切換模式,分別實現(xiàn)對3 臺步進電機進行控制?？刂曝炄氩竭M電機的運行就可以控制貫入桿的升降,從而控制貫入桿插入海底沉積物的深度,同時采集貫入位移傳感器的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換后可以獲得不同深度的貫入阻力值；控制剪切升降電機的運行就可以控制剪切桿的升降,從而控制剪切板插入海底沉積物的深度；控制剪切旋轉(zhuǎn)電機的運行就可以控制剪切板的旋轉(zhuǎn),從而控制剪切板的旋轉(zhuǎn)角度,同時采集剪切扭矩傳感器的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換后可以獲得不同深度的剪切強度。 通過貫入桿到位接近開關(guān)和剪切桿到位接近開關(guān)可以分別定位貫入桿和剪切桿的初始位置,防止運行過程中超過極限位置。 通過高度計可以在布放回收時觀察水下裝置的航向、姿態(tài)以及離底高度,通過水深傳感器可以在布放回收時觀察水下裝置的入水深度,使用高度計和水深傳感器為布放回收控制提供依據(jù)。

2 測控系統(tǒng)電源分析計算

甲板直流電源通過光電纜中的電導(dǎo)體給水下裝置測控單元提供工作電源,再經(jīng)過水下耐壓電子艙內(nèi)的直流電源模塊將輸入直流電源轉(zhuǎn)換成24 V 和5 V 兩種不同規(guī)格的直流電源,直流電源分配情況見圖3。 水下裝置測控單元消耗的總功率約373 W,具體見表1。

圖3 直流電源分配圖

表1 消耗功率表

水下DC 24 V 電源模塊選用了VICOR 公司的V375C 系列電源模塊,功率150 W,效率88%,輸入為DC 250～425 V,輸出為DC 24 V。 水下DC 5 V 電源模塊選用了金升陽公司的URB 系列電源模塊,功率20 W,效率88%,輸入為DC 9～36 V,輸出為DC 5 V。 由圖1和表1 可知每臺水下照明燈消耗功率約為100 W,消耗功率較大,因此每臺水下照明燈分別單獨配置1 個DC 24 V 電源模塊；步進電機、攝像機以及高度計消耗總功率約為72 W,考慮到步進電機一般是在水下裝置著海底后才工作,為其共同配置1 個DC 24 V 電源模塊；嵌入式控制器組件、傳感器、光端機、接近開關(guān)以及其他物料消耗總功率約為101 W,考慮到電子艙內(nèi)部可安裝物料空間的大小,因此為其共同配置1 個DC 24 V電源模塊；光端機以及接近開關(guān)消耗總功率約12 W,為其共同配置1 個DC 5 V 電源模塊。

3 測控系統(tǒng)軟件

3.1 上位機程序

上位機程序運行在工控機上,主要提供與人交互的窗口、發(fā)布控制命令、配置系統(tǒng)參數(shù)以及顯示下位機傳輸上來的狀態(tài)和數(shù)據(jù)等,其主界面見圖4。

圖4 人機界面主監(jiān)控畫面

主監(jiān)控畫面主要分9 塊(圖中數(shù)字序號)。 第1塊為控制命令區(qū),控制水下照明燈、攝像機以及高度計的電源；第2 塊為模式選擇區(qū),切換手動和自動模式；第3 塊為自動操作區(qū),開啟和停止自動過程；第4 塊為參數(shù)設(shè)置區(qū),可以進入手動操作畫面,對步進電機進行手動控制,可以進入系統(tǒng)參數(shù)配置畫面,對自動運行參數(shù)進行設(shè)置；第5 塊為數(shù)據(jù)存儲區(qū),可以開啟和停止上位機的數(shù)據(jù)存儲過程；第6 塊為數(shù)據(jù)顯示區(qū),主要顯示步進電機的速度、位移以及高度計等的數(shù)據(jù)；第7 塊為視頻顯示區(qū),顯示水下模擬攝像機采集的視頻信號；第8 塊為系統(tǒng)狀態(tài)顯示區(qū),顯示系統(tǒng)目前正處在的過程；第9 塊為系統(tǒng)退出區(qū),可以觸發(fā)退出人機界面程序。

3.2 下位機程序

下位機程序運行在嵌入式控制器上,主要接受上位機的控制命令和配置參數(shù),控制水下裝置機構(gòu)的運行以及采集外部傳感器的數(shù)據(jù)并進行本地存儲。 控制流程見圖5。

圖5 控制流程

系統(tǒng)開機后先進行初始化工作,完成參數(shù)的配置、初始化對外輸出接口等,然后根據(jù)不同模式的選擇進入相應(yīng)的分支執(zhí)行程序,手動模式下,可以根據(jù)上位機下發(fā)的控制命令對3 個步進電機進行單獨的動作調(diào)試,自動模式下,可以根據(jù)上位機下發(fā)的自動運行或停止命令開啟或停止3 個步進電機的自動運行過程。

4 礦區(qū)海上試驗

海底沉積物原位土工力學(xué)測量裝置搭載在中國大洋第54 航次上,在中國五礦國際海底礦區(qū)上開展了一系列的海上試驗。 對其中某區(qū)域的5 000 m 級試驗數(shù)據(jù)分析計算后得到的試驗結(jié)果見圖6～7。

圖6 貫入阻力隨貫入深度變化曲線

從圖6 可知,隨著貫入深度增加,貫入阻力逐漸增大。 由圖7 可知,在剪切深度150 mm 處,土體被破壞后的平均剪切強度為7.72 kPa；在剪切深度300 mm處,土體被破壞后的平均剪切強度為7.58 kPa。

5 結(jié) 語

通過礦區(qū)海上試驗驗證了海底沉積物原位土工力學(xué)測量裝置在5 000 m 級水深時進行測量作業(yè)的可行性,設(shè)備的測控系統(tǒng)功能正常,性能穩(wěn)定可靠,設(shè)備的貫入和剪切機構(gòu)均能正常工作,通過采集的數(shù)據(jù)分析計算得到了中國五礦國際海底礦區(qū)海底沉積物的剪切強度和貫入阻力數(shù)據(jù),為后續(xù)海底采礦裝備的設(shè)計提供了強有力的數(shù)據(jù)支撐,對推進我國深海采礦技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

圖7 剪切強度隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線