彭賽鋒

(長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙410012)

大洋海底沉積物土工力學(xué)參數(shù)(如剪切強(qiáng)度和貫入阻力等)是海底采礦裝備設(shè)計(jì)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(wú)圍壓且無(wú)擾動(dòng)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(cè)量裝置并進(jìn)行大洋海底沉積物原位土工力學(xué)特性試驗(yàn)是非常必要的。 由于原位土工力學(xué)測(cè)量裝置工作環(huán)境是大水深(5 000 m 級(jí))、高腐蝕、長(zhǎng)距離等條件較惡劣的海底［4］,對(duì)其測(cè)控系統(tǒng)的要求較高。 本文對(duì)原位土工力學(xué)測(cè)量裝置測(cè)控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行介紹,由于長(zhǎng)距離輸配電技術(shù)對(duì)海底設(shè)備的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用,因此也對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的電源進(jìn)行了分析和計(jì)算。

1 測(cè)控系統(tǒng)硬件

海底沉積物原位土工力學(xué)測(cè)量裝置測(cè)控系統(tǒng)主要由水上甲板測(cè)控單元和水下裝置測(cè)控單元組成。 水上甲板測(cè)控單元與水下裝置測(cè)控單元通過(guò)萬(wàn)米鎧裝光電復(fù)合纜進(jìn)行連接,通過(guò)光電纜中的單模光纖進(jìn)行光信號(hào)傳輸,通過(guò)光電纜中的電導(dǎo)體為水下裝置測(cè)控單元提供直流工作電源。

1.1 水上甲板測(cè)控單元

水上甲板測(cè)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(yùn)行狀態(tài)并保障水下系統(tǒng)正常工作,其組成見(jiàn)圖1。

圖1 水上甲板測(cè)控單元組成

水上視頻光端機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與工控機(jī)進(jìn)行連接,通過(guò)同軸與硬盤(pán)錄像機(jī)進(jìn)行連接,通過(guò)1 根單模光纖與水下視頻光端機(jī)進(jìn)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(zhǎng)為1 310 nm 和1 550 nm的2 種光),將上位機(jī)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(hào)傳輸給水下視頻光端機(jī),同時(shí)將水下視頻光端機(jī)傳輸來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)和同軸視頻信號(hào)分別傳輸給工控機(jī)和硬盤(pán)錄像機(jī)；工控機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與硬盤(pán)錄像機(jī)進(jìn)行連接,其上運(yùn)行人機(jī)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(chǔ)采集數(shù)據(jù)以及使用Web 技術(shù)獲取硬盤(pán)錄像機(jī)中的視頻信號(hào)等；硬盤(pán)錄像機(jī)采集同軸模擬視頻信號(hào)并進(jìn)行存儲(chǔ)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(cè)控單元

水下裝置測(cè)控單元作為下位系統(tǒng),控制水下測(cè)量機(jī)構(gòu)運(yùn)行以及采集傳感器數(shù)據(jù),其組成見(jiàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)水下裝置的自動(dòng)化控制和測(cè)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(jìn)行模塊自由搭配,具有FPGA 編程功能,可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜高速的算法。

圖2 水下裝置測(cè)控單元組成

下位控制中心使用一套步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置,采用分時(shí)切換模式,分別實(shí)現(xiàn)對(duì)3 臺(tái)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制?？刂曝炄氩竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)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(shí)采集貫入位移傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)的運(yùn)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(jī)的運(yùn)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(shí)采集剪切扭矩傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后可以獲得不同深度的剪切強(qiáng)度。 通過(guò)貫入桿到位接近開(kāi)關(guān)和剪切桿到位接近開(kāi)關(guān)可以分別定位貫入桿和剪切桿的初始位置,防止運(yùn)行過(guò)程中超過(guò)極限位置。 通過(guò)高度計(jì)可以在布放回收時(shí)觀察水下裝置的航向、姿態(tài)以及離底高度,通過(guò)水深傳感器可以在布放回收時(shí)觀察水下裝置的入水深度,使用高度計(jì)和水深傳感器為布放回收控制提供依據(jù)。

2 測(cè)控系統(tǒng)電源分析計(jì)算

甲板直流電源通過(guò)光電纜中的電導(dǎo)體給水下裝置測(cè)控單元提供工作電源,再經(jīng)過(guò)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(jiàn)圖3。 水下裝置測(cè)控單元消耗的總功率約373 W,具體見(jiàn)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(yáng)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(tái)水下照明燈消耗功率約為100 W,消耗功率較大,因此每臺(tái)水下照明燈分別單獨(dú)配置1 個(gè)DC 24 V 電源模塊；步進(jìn)電機(jī)、攝像機(jī)以及高度計(jì)消耗總功率約為72 W,考慮到步進(jìn)電機(jī)一般是在水下裝置著海底后才工作,為其共同配置1 個(gè)DC 24 V 電源模塊；嵌入式控制器組件、傳感器、光端機(jī)、接近開(kāi)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(gè)DC 24 V電源模塊；光端機(jī)以及接近開(kāi)關(guān)消耗總功率約12 W,為其共同配置1 個(gè)DC 5 V 電源模塊。

3 測(cè)控系統(tǒng)軟件

3.1 上位機(jī)程序

上位機(jī)程序運(yùn)行在工控機(jī)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(jī)傳輸上來(lái)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)等,其主界面見(jiàn)圖4。

圖4 人機(jī)界面主監(jiān)控畫(huà)面

主監(jiān)控畫(huà)面主要分9 塊(圖中數(shù)字序號(hào))。 第1塊為控制命令區(qū),控制水下照明燈、攝像機(jī)以及高度計(jì)的電源；第2 塊為模式選擇區(qū),切換手動(dòng)和自動(dòng)模式；第3 塊為自動(dòng)操作區(qū),開(kāi)啟和停止自動(dòng)過(guò)程；第4 塊為參數(shù)設(shè)置區(qū),可以進(jìn)入手動(dòng)操作畫(huà)面,對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行手動(dòng)控制,可以進(jìn)入系統(tǒng)參數(shù)配置畫(huà)面,對(duì)自動(dòng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；第5 塊為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū),可以開(kāi)啟和停止上位機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程；第6 塊為數(shù)據(jù)顯示區(qū),主要顯示步進(jìn)電機(jī)的速度、位移以及高度計(jì)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(jī)采集的視頻信號(hào)；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(guò)程；第9 塊為系統(tǒng)退出區(qū),可以觸發(fā)退出人機(jī)界面程序。

3.2 下位機(jī)程序

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

圖5 控制流程

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后先進(jìn)行初始化工作,完成參數(shù)的配置、初始化對(duì)外輸出接口等,然后根據(jù)不同模式的選擇進(jìn)入相應(yīng)的分支執(zhí)行程序,手動(dòng)模式下,可以根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的控制命令對(duì)3 個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)的動(dòng)作調(diào)試,自動(dòng)模式下,可以根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的自動(dòng)運(yùn)行或停止命令開(kāi)啟或停止3 個(gè)步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程。

4 礦區(qū)海上試驗(yàn)

海底沉積物原位土工力學(xué)測(cè)量裝置搭載在中國(guó)大洋第54 航次上,在中國(guó)五礦國(guó)際海底礦區(qū)上開(kāi)展了一系列的海上試驗(yàn)。 對(duì)其中某區(qū)域的5 000 m 級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算后得到的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(qiáng)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(qiáng)度為7.58 kPa。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)礦區(qū)海上試驗(yàn)驗(yàn)證了海底沉積物原位土工力學(xué)測(cè)量裝置在5 000 m 級(jí)水深時(shí)進(jìn)行測(cè)量作業(yè)的可行性,設(shè)備的測(cè)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(jī)構(gòu)均能正常工作,通過(guò)采集的數(shù)據(jù)分析計(jì)算得到了中國(guó)五礦國(guó)際海底礦區(qū)海底沉積物的剪切強(qiáng)度和貫入阻力數(shù)據(jù),為后續(xù)海底采礦裝備的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐,對(duì)推進(jìn)我國(guó)深海采礦技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

圖7 剪切強(qiáng)度隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線