南极科考智能支撑平台监控系统的设计与实现

汤刘杰 朱蔚萍 张侃健 魏海坤

（东南大学 自动化学院 江苏 南京 210096）

0 引言

南极大陆的最高点叫Dome A又叫“冰穹A”，位置为80°22'S，77°27'E，海拔4093m，距离海岸线 1228km，温度最低为 －77℃～－85℃，年平均气温为－58.5℃。它是南极冰盖尚未开展科学探测的制高点，也是南极四个必争之点——极点、冰点、磁点和高点中唯一没有被其他国家抢占的点。冰穹A是南极冰盖上仅存的一个开展深冰芯钻探的理想地点，也是开展大气科学、空间物理和天文学观测等科学观测的理想地点，具有极其重要的科学价值［1］。

2008年，南极天文中心和澳大利亚新南威尔士大学合作开发成功了Dome A天文观测支撑平台PLATO。从控制角度来看，PLATO是一个远程手动控制系统。PLATO能够为观测站提供能源动力、数据存储和远程监控等功能。［2，3］为突破支撑平台的关键技术，建设我国首座独立设计、自主研发、制造、运行管理和维护的南极Dome A自动天文观测站，掌握南极无人值守自动天文观测站的自动监测与控制、远程监控、海量数据存储、远程数据交互、电源保障、舱内环境控制等核心技术，实现在南极高原极寒、低气压、缺氧条件的条件下，南极科考智能支撑平台自动开展天文观测和其他科学探测，为在南极高原最高点Dome A开展更加广泛的科学探测与研究奠定基础。

南极科考智能支撑平台是一个无人值守的自动化控制平台。如图1所示，南极科考支撑平台具体包括以下几个部分:结构与温控系统，电源系统，现场主控系统，监控系统（数据存储系统），通信及国内监控系统。本文主要介绍南极科考智能支撑平台监控系统的设计与实现。

1 南极科考智能支撑平台监控系统

南极科考智能支撑平台监控系统也成为数据存储系统，监控系统的核心任务是实现海量数据的存储，后统称为数据存储系统。它是南极自动天文观测站的数据收发中心。数据存储系统在整个平台的地位如图1所示，数据存储系统主要任务有:

（1）实现海量数据的存储及备份

选择了网络存储器作为海量存储空间的构成单元，并以此为载体，实现海量数据以本地文件的形式存储。实现总可容许存储容量6TB，存储接口21TB。

（2）重要数据通过铱星回传国内

对于报警以及及其重要的天文参数以及关键设备状态，都是通过卫星通信实时传回国内。

（3）下达国内控制命令

科考智能支持平台是无人值守的，但也可以人工干预，通过分析回传数据。

（4）数据交互（包括与PLC以及铱星）

主控系统与监控系统组成内部局域网，PC/104通过Web方式访问PLC，对采集到的数据进行备份以及关键数据回传。关键数据通过铱星通信发回国内。数据进行大量交互，确保科考智能支撑平台的实时性及可靠性。

（5）温度检测与控制

由于关键器件工作时的温度要求，其中包括PLC、NAS（网络存储）等。需要对数据存储系统进行温度控制，从而确保系统安全性及可靠性。

（6）监控模块实现南极现场实时监控

监控模块通过以太网与视频服务器相连，web camera与视频服务器连接。主要通过以太网获取图像信息，进行本地存储及回传国内。

（7）设备冗余管理（包括通信冗余管理、设备冗余管理等）

图1 南极科考智能支撑平台结构图

为了保证数据存储系统在恶劣环境下长期可靠运行，决定采用控制器冗余和通信方式冗余方案。

由于南极特殊的环境因素，系统的可靠性及安全性尤为重要。在南极低温低压恶劣环境下，要实现数据存储系统长达一年的无人值守运行，对系统的软硬件设计提出很高的要求。因此数据存储系统采用了温度控制、冗余设计等策略。

2 温度控制系统设计

2.1 控制要求

（1）宽温

数据存储系统内有Rockwell PLC、PC104、NAS、交换机等重要仪器设备。为了确保这些关键仪器设备的正常工作。数据存储的温控系统指标需恒定在一定的温度范围。

（2）保温

数据存储系统放置在仪器舱内，仪器舱温度维持在－20℃。存在很大的温差，需采用保温措施。因此数据存储系统需集成在一个保温柜里面。

（3）均温

由于保温柜里密闭，长期无扰动条件下会发生热气体上部聚集，冷气体沉积于底部，导致局部过热或局部过冷的温度严重不均匀，因此需设计柜内均温环流装置。

2.2 硬件选型及安装搭建

（1）温度采集芯片的选择

芯片选择时主要考虑南极的低温条件，其次芯片主要用于环境温度，暴露在空气外可以直接检测环境温度，最后考虑芯片的灵敏度以及系统设计复杂度。采用AD22100温度采集芯片，该芯片使用温度在－50－150℃。满足南极低温要求。

（2）AD采样板卡的选择

上位机采用的是宽温军工级产品 PC/104，选择的型号 是 RTD的CME136686LX，该产品的适合温度 －40℃ ～ －85℃。由于上位机采用总线型堆栈式的累加，考虑采样板卡的工作温度范围以及硬件的兼容性。采样板卡选择了RTD的DM6420，满足低温需求。由于没有在南极恶劣的条件下使用先例，也无法查阅相关资料来确保系统的可靠性。因此需要在－20℃条件下做了大量实验。

（3）保温材料选型

保温材料的选择首先要考虑保温材料的导热系数以及耐低温等关键因素，同时由于整体舱内规划，保温材料的厚度一方面影响空间布局，同时也对保温效果产生很大影响。因此选择了聚氨酯泡沫作为材料，相比较其它保温材料，聚氨酯的导热系数低，无公害节约能源。在大量实验的基础上，确定保温材料的厚度为2－3cm时，控制效果达到最佳。

（4）执行机构选型及安装

首先保温柜采用三层结构，这样给温度控制带来一定难度。很难确保均温以及恒温。首先第一层安放PLC、PC/104、交换机、CAN模块等，所有仪器始终维持通电状态，发热量较大;第二层和第三层安放的8台网络存储器同一时间只有1至2台工作。为确保检测的可靠性及准确性设计安放10个温度采样点，考虑保温柜各处温度及散热量的不均匀性，10个传感器安放位置也有所要求，重点观察重要设备的工作温度。

采用循环风扇及涡流风扇。风扇选择符合两点要求，低功耗以及低温下良好工作。循环风扇选择了台达的24V直流双滚珠，功率8W左右。涡轮风扇悬着了NMB的24V直流双滚珠，功率2W左右。箱内采用两路175W加热器，每路有75W以及100W，这样可以做到梯度性加热。

保温柜第一层的侧翼和第二、三层的左翼安装轴流风扇，每层各两个，对称分布。风扇加强了保温柜顶部和底部的空气平行流动以及外部交互，带动热量的流动，使温度更均匀。由于保温柜每层的发热量是不均匀的，因此在第二、三层右两翼安装了涡流风扇，通过特制的管道使上下层的空气相互流通，冷空气上升，热空气下降，整个保温柜的温度比较均匀。

3 冗余系统设计

为了保证数据存储系统在恶劣环境下长期可靠运行，决定采用控制器冗余和通信方式冗余方案［4，5］。

冗余切换方式有依靠硬件和依靠软件切换两种方式，考虑到南极现场环境恶劣，无人值守，引起切换的原因多种多样，所以采用依靠硬件切换的方式。采用两台完全相同的PC/104，并且对称放置。同样采用相同的AD采样板卡以及温度检测点对称分布，温度采样芯片也完全相同。这样确保硬件系统的完全冗余，一旦主机发生故障，或者检测机构损坏，可以切换到备机工作。上位机外围构架如图3所示，从图中可以看出硬件系统是完全对称冗余的。

从上位机系统构架来看，首先是以太网通信冗余设计，以太网通信冗余方法中，多节点通过相互独立的第一和第二条以太网通信线路相互连接。接受侧上的一个节点向第一和第二条以太网通信线路发送相同数据。接受侧的一个节点确定接收通过第一和第二以太网通信线路从发送侧节点发送来的相同数据中的一个数据，其中首先收到的数据为接收数据。其次是CAN总线通信冗余设计，在各个数据采集点和处理单元之间设计两条通信通道，正常时只有一路CAN总线和CAN通道运行。同样以太网和CAN总线也形成了通信冗余，这样一旦通信出现故障，可以有多种切换方式。从而确保系统运行的安全性及可靠性。

4 结束语

南极科考支撑平台已经在Dome A成功运行。通过南极传回国内的实时数据进行实时分析。下面截取从2011年1月13日至2011年2月16日三号发电机1月以来的运行数据进行分析。两个数据之间的间隔时间为30分钟。总共有五个温度测点，温度测点4由于环境等不确定因素而损坏。经过数据处理，我们求其余四点平均值。如图4所示:我们可以得出数据存储系统的温度维持在20℃ －27℃之间，从而实现温控系统均温、宽温、保温的控制要求;同时数据系统采用了控制器冗余和通信方式冗余方案确保系统的可靠性及安全性。事实证明系统的设计确保了运行的可靠性及安全性。数据存储系统能够在南极恶劣的自然环境下实现无人值守运行，也为在高原极寒等恶劣条件下无人值守监控系统的设计提供了很大的借鉴意义。

［1］ Lawrence J S，Allen G R，Ashley M C B，et al.The PLATO Antarctic site testing observatory［c］//Proceedings of SPIE-the International Society for Optical Engineering，2008:701227－1701227－12.

［2］ Daniel M，Luong-Van，Michael C，B，Ashley，Xiangqun Cui，et al.Performance of the autonomous PLATO Antarctic Observatory over two full years［C］//.Proc.SPIE，2010:7733－1－7733－8.

［3］ Lawrence J S，Ashley M C B，Hengst S，et al.The PLATO Dome A sitetesting observatory:Power generation and control systems［J］.Review of Scientific Instruments，2009，80（6）:064501 －1 － 064501 －10.

［4］ Saunders W，Lawrence J S，Storey J W V，et al.Where is the best site on Earth?Domes A，B，C and F，and Ridges A and B［J］.Publications of the Astronomical Society of the Pacific，2009，121（16）:976 －992.

［5］ Daniel M，Luong-Van，Michael C B，Ashley，et al.PLATO control and robotics［C］//.Proceedings of SPIE-the International Society for Optical Engineering，2008:70192－1－70192－10.

［6］王慧慧，张侃健.基于1756Eweb模块的罗克韦尔PLC和计算机通信实现［J］.工业控制计算机，2011，24（2）:9－10.