海底沉积物原位土工力学测量装置测控系统设计与实现①

彭赛锋

(长沙矿冶研究院有限责任公司深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室,湖南 长沙410012)

大洋海底沉积物土工力学参数(如剪切强度和贯入阻力等)是海底采矿装备设计的重要基础数据［1-2］,但大洋海底沉积物在高压下的土工力学特性与无围压且无扰动沉积物取样样品的土工力学特性之间存在差别［3］。 为了获取海底沉积物原位土工力学参数,研制自主式海底沉积物原位土工力学测量装置并进行大洋海底沉积物原位土工力学特性试验是非常必要的。 由于原位土工力学测量装置工作环境是大水深(5 000 m 级)、高腐蚀、长距离等条件较恶劣的海底［4］,对其测控系统的要求较高。 本文对原位土工力学测量装置测控系统硬件和软件设计两方面进行介绍,由于长距离输配电技术对海底设备的正常运行起着至关重要的作用,因此也对测控系统的电源进行了分析和计算。

1 测控系统硬件

海底沉积物原位土工力学测量装置测控系统主要由水上甲板测控单元和水下装置测控单元组成。 水上甲板测控单元与水下装置测控单元通过万米铠装光电复合缆进行连接,通过光电缆中的单模光纤进行光信号传输,通过光电缆中的电导体为水下装置测控单元提供直流工作电源。

1.1 水上甲板测控单元

水上甲板测控单元作为上位系统,发布控制命令以及显示设备运行状态并保障水下系统正常工作,其组成见图1。

图1 水上甲板测控单元组成

水上视频光端机通过以太网与工控机进行连接,通过同轴与硬盘录像机进行连接,通过1 根单模光纤与水下视频光端机进行连接(使用波分复用技术,在同一根单模光纤上传输波长为1 310 nm 和1 550 nm的2 种光),将上位机发布的控制命令以及配置参数等信息转换成光信号传输给水下视频光端机,同时将水下视频光端机传输来的光信号转换成以太网数据信号和同轴视频信号分别传输给工控机和硬盘录像机；工控机通过以太网与硬盘录像机进行连接,其上运行人机界面程序,发布控制命令、配置系统参数、显示系统状态、存储采集数据以及使用Web 技术获取硬盘录像机中的视频信号等；硬盘录像机采集同轴模拟视频信号并进行存储以及视频回放等；甲板直流电源将交流220 V 电源转换成0～600 V 可调节的直流电源,给水下装置提供直流工作电源；显示器提供与人交互的窗口。

1.2 水下装置测控单元

水下装置测控单元作为下位系统,控制水下测量机构运行以及采集传感器数据,其组成见图2。

嵌入式控制器、模拟输入模块、数字输入模块以及数字输出模块组成下位控制中心,主要采用NI 公司的嵌入式控制器,实现对水下装置的自动化控制和测量,NI 公司的控制器具有较宽的工作温度范围、较大的灵活性和可靠性,可以进行模块自由搭配,具有FPGA 编程功能,可以实现较复杂高速的算法。

图2 水下装置测控单元组成

下位控制中心使用一套步进电机驱动装置,采用分时切换模式,分别实现对3 台步进电机进行控制。控制贯入步进电机的运行就可以控制贯入杆的升降,从而控制贯入杆插入海底沉积物的深度,同时采集贯入位移传感器的数据进行转换后可以获得不同深度的贯入阻力值；控制剪切升降电机的运行就可以控制剪切杆的升降,从而控制剪切板插入海底沉积物的深度；控制剪切旋转电机的运行就可以控制剪切板的旋转,从而控制剪切板的旋转角度,同时采集剪切扭矩传感器的数据进行转换后可以获得不同深度的剪切强度。 通过贯入杆到位接近开关和剪切杆到位接近开关可以分别定位贯入杆和剪切杆的初始位置,防止运行过程中超过极限位置。 通过高度计可以在布放回收时观察水下装置的航向、姿态以及离底高度,通过水深传感器可以在布放回收时观察水下装置的入水深度,使用高度计和水深传感器为布放回收控制提供依据。

2 测控系统电源分析计算

甲板直流电源通过光电缆中的电导体给水下装置测控单元提供工作电源,再经过水下耐压电子舱内的直流电源模块将输入直流电源转换成24 V 和5 V 两种不同规格的直流电源,直流电源分配情况见图3。 水下装置测控单元消耗的总功率约373 W,具体见表1。

图3 直流电源分配图

表1 消耗功率表

水下DC 24 V 电源模块选用了VICOR 公司的V375C 系列电源模块,功率150 W,效率88%,输入为DC 250～425 V,输出为DC 24 V。 水下DC 5 V 电源模块选用了金升阳公司的URB 系列电源模块,功率20 W,效率88%,输入为DC 9～36 V,输出为DC 5 V。 由图1和表1 可知每台水下照明灯消耗功率约为100 W,消耗功率较大,因此每台水下照明灯分别单独配置1 个DC 24 V 电源模块；步进电机、摄像机以及高度计消耗总功率约为72 W,考虑到步进电机一般是在水下装置着海底后才工作,为其共同配置1 个DC 24 V 电源模块；嵌入式控制器组件、传感器、光端机、接近开关以及其他物料消耗总功率约为101 W,考虑到电子舱内部可安装物料空间的大小,因此为其共同配置1 个DC 24 V电源模块；光端机以及接近开关消耗总功率约12 W,为其共同配置1 个DC 5 V 电源模块。

3 测控系统软件

3.1 上位机程序

上位机程序运行在工控机上,主要提供与人交互的窗口、发布控制命令、配置系统参数以及显示下位机传输上来的状态和数据等,其主界面见图4。

图4 人机界面主监控画面

主监控画面主要分9 块(图中数字序号)。 第1块为控制命令区,控制水下照明灯、摄像机以及高度计的电源；第2 块为模式选择区,切换手动和自动模式；第3 块为自动操作区,开启和停止自动过程；第4 块为参数设置区,可以进入手动操作画面,对步进电机进行手动控制,可以进入系统参数配置画面,对自动运行参数进行设置；第5 块为数据存储区,可以开启和停止上位机的数据存储过程；第6 块为数据显示区,主要显示步进电机的速度、位移以及高度计等的数据；第7 块为视频显示区,显示水下模拟摄像机采集的视频信号；第8 块为系统状态显示区,显示系统目前正处在的过程；第9 块为系统退出区,可以触发退出人机界面程序。

3.2 下位机程序

下位机程序运行在嵌入式控制器上,主要接受上位机的控制命令和配置参数,控制水下装置机构的运行以及采集外部传感器的数据并进行本地存储。 控制流程见图5。

图5 控制流程

系统开机后先进行初始化工作,完成参数的配置、初始化对外输出接口等,然后根据不同模式的选择进入相应的分支执行程序,手动模式下,可以根据上位机下发的控制命令对3 个步进电机进行单独的动作调试,自动模式下,可以根据上位机下发的自动运行或停止命令开启或停止3 个步进电机的自动运行过程。

4 矿区海上试验

海底沉积物原位土工力学测量装置搭载在中国大洋第54 航次上,在中国五矿国际海底矿区上开展了一系列的海上试验。 对其中某区域的5 000 m 级试验数据分析计算后得到的试验结果见图6～7。

图6 贯入阻力随贯入深度变化曲线

从图6 可知,随着贯入深度增加,贯入阻力逐渐增大。 由图7 可知,在剪切深度150 mm 处,土体被破坏后的平均剪切强度为7.72 kPa；在剪切深度300 mm处,土体被破坏后的平均剪切强度为7.58 kPa。

5 结 语

通过矿区海上试验验证了海底沉积物原位土工力学测量装置在5 000 m 级水深时进行测量作业的可行性,设备的测控系统功能正常,性能稳定可靠,设备的贯入和剪切机构均能正常工作,通过采集的数据分析计算得到了中国五矿国际海底矿区海底沉积物的剪切强度和贯入阻力数据,为后续海底采矿装备的设计提供了强有力的数据支撑,对推进我国深海采矿技术的发展具有重要意义。

图7 剪切强度随旋转角度变化曲线