南極科考智能支撐平臺監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

湯劉杰 朱蔚萍 張侃健 魏海坤

（東南大學(xué) 自動化學(xué)院 江蘇 南京 210096）

0 引言

南極大陸的最高點叫Dome A又叫“冰穹A”，位置為80°22'S，77°27'E，海拔4093m，距離海岸線 1228km，溫度最低為 －77℃～－85℃，年平均氣溫為－58.5℃。它是南極冰蓋尚未開展科學(xué)探測的制高點，也是南極四個必爭之點——極點、冰點、磁點和高點中唯一沒有被其他國家搶占的點。冰穹A是南極冰蓋上僅存的一個開展深冰芯鉆探的理想地點，也是開展大氣科學(xué)、空間物理和天文學(xué)觀測等科學(xué)觀測的理想地點，具有極其重要的科學(xué)價值［1］。

2008年，南極天文中心和澳大利亞新南威爾士大學(xué)合作開發(fā)成功了Dome A天文觀測支撐平臺PLATO。從控制角度來看，PLATO是一個遠程手動控制系統(tǒng)。PLATO能夠為觀測站提供能源動力、數(shù)據(jù)存儲和遠程監(jiān)控等功能。［2，3］為突破支撐平臺的關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)我國首座獨立設(shè)計、自主研發(fā)、制造、運行管理和維護的南極Dome A自動天文觀測站，掌握南極無人值守自動天文觀測站的自動監(jiān)測與控制、遠程監(jiān)控、海量數(shù)據(jù)存儲、遠程數(shù)據(jù)交互、電源保障、艙內(nèi)環(huán)境控制等核心技術(shù)，實現(xiàn)在南極高原極寒、低氣壓、缺氧條件的條件下，南極科考智能支撐平臺自動開展天文觀測和其他科學(xué)探測，為在南極高原最高點Dome A開展更加廣泛的科學(xué)探測與研究奠定基礎(chǔ)。

南極科考智能支撐平臺是一個無人值守的自動化控制平臺。如圖1所示，南極科考支撐平臺具體包括以下幾個部分:結(jié)構(gòu)與溫控系統(tǒng)，電源系統(tǒng)，現(xiàn)場主控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)（數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)），通信及國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)。本文主要介紹南極科考智能支撐平臺監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 南極科考智能支撐平臺監(jiān)控系統(tǒng)

南極科考智能支撐平臺監(jiān)控系統(tǒng)也成為數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)的核心任務(wù)是實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲，后統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。它是南極自動天文觀測站的數(shù)據(jù)收發(fā)中心。數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)在整個平臺的地位如圖1所示，數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)主要任務(wù)有:

（1）實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲及備份

選擇了網(wǎng)絡(luò)存儲器作為海量存儲空間的構(gòu)成單元，并以此為載體，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)以本地文件的形式存儲。實現(xiàn)總可容許存儲容量6TB，存儲接口21TB。

（2）重要數(shù)據(jù)通過銥星回傳國內(nèi)

對于報警以及及其重要的天文參數(shù)以及關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)，都是通過衛(wèi)星通信實時傳回國內(nèi)。

（3）下達國內(nèi)控制命令

科考智能支持平臺是無人值守的，但也可以人工干預(yù)，通過分析回傳數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)交互（包括與PLC以及銥星）

主控系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)組成內(nèi)部局域網(wǎng)，PC/104通過Web方式訪問PLC，對采集到的數(shù)據(jù)進行備份以及關(guān)鍵數(shù)據(jù)回傳。關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過銥星通信發(fā)回國內(nèi)。數(shù)據(jù)進行大量交互，確?？瓶贾悄苤纹脚_的實時性及可靠性。

（5）溫度檢測與控制

由于關(guān)鍵器件工作時的溫度要求，其中包括PLC、NAS（網(wǎng)絡(luò)存儲）等。需要對數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)進行溫度控制，從而確保系統(tǒng)安全性及可靠性。

（6）監(jiān)控模塊實現(xiàn)南極現(xiàn)場實時監(jiān)控

監(jiān)控模塊通過以太網(wǎng)與視頻服務(wù)器相連，web camera與視頻服務(wù)器連接。主要通過以太網(wǎng)獲取圖像信息，進行本地存儲及回傳國內(nèi)。

（7）設(shè)備冗余管理（包括通信冗余管理、設(shè)備冗余管理等）

圖1 南極科考智能支撐平臺結(jié)構(gòu)圖

為了保證數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下長期可靠運行，決定采用控制器冗余和通信方式冗余方案。

由于南極特殊的環(huán)境因素，系統(tǒng)的可靠性及安全性尤為重要。在南極低溫低壓惡劣環(huán)境下，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)長達一年的無人值守運行，對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計提出很高的要求。因此數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)采用了溫度控制、冗余設(shè)計等策略。

2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制要求

（1）寬溫

數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)內(nèi)有Rockwell PLC、PC104、NAS、交換機等重要儀器設(shè)備。為了確保這些關(guān)鍵儀器設(shè)備的正常工作。數(shù)據(jù)存儲的溫控系統(tǒng)指標需恒定在一定的溫度范圍。

（2）保溫

數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)放置在儀器艙內(nèi)，儀器艙溫度維持在－20℃。存在很大的溫差，需采用保溫措施。因此數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)需集成在一個保溫柜里面。

（3）均溫

由于保溫柜里密閉，長期無擾動條件下會發(fā)生熱氣體上部聚集，冷氣體沉積于底部，導(dǎo)致局部過熱或局部過冷的溫度嚴重不均勻，因此需設(shè)計柜內(nèi)均溫環(huán)流裝置。

2.2 硬件選型及安裝搭建

（1）溫度采集芯片的選擇

芯片選擇時主要考慮南極的低溫條件，其次芯片主要用于環(huán)境溫度，暴露在空氣外可以直接檢測環(huán)境溫度，最后考慮芯片的靈敏度以及系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度。采用AD22100溫度采集芯片，該芯片使用溫度在－50－150℃。滿足南極低溫要求。

（2）AD采樣板卡的選擇

上位機采用的是寬溫軍工級產(chǎn)品 PC/104，選擇的型號 是 RTD的CME136686LX，該產(chǎn)品的適合溫度 －40℃ ～ －85℃。由于上位機采用總線型堆棧式的累加，考慮采樣板卡的工作溫度范圍以及硬件的兼容性。采樣板卡選擇了RTD的DM6420，滿足低溫需求。由于沒有在南極惡劣的條件下使用先例，也無法查閱相關(guān)資料來確保系統(tǒng)的可靠性。因此需要在－20℃條件下做了大量實驗。

（3）保溫材料選型

保溫材料的選擇首先要考慮保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)以及耐低溫等關(guān)鍵因素，同時由于整體艙內(nèi)規(guī)劃，保溫材料的厚度一方面影響空間布局，同時也對保溫效果產(chǎn)生很大影響。因此選擇了聚氨酯泡沫作為材料，相比較其它保溫材料，聚氨酯的導(dǎo)熱系數(shù)低，無公害節(jié)約能源。在大量實驗的基礎(chǔ)上，確定保溫材料的厚度為2－3cm時，控制效果達到最佳。

（4）執(zhí)行機構(gòu)選型及安裝

首先保溫柜采用三層結(jié)構(gòu)，這樣給溫度控制帶來一定難度。很難確保均溫以及恒溫。首先第一層安放PLC、PC/104、交換機、CAN模塊等，所有儀器始終維持通電狀態(tài)，發(fā)熱量較大;第二層和第三層安放的8臺網(wǎng)絡(luò)存儲器同一時間只有1至2臺工作。為確保檢測的可靠性及準確性設(shè)計安放10個溫度采樣點，考慮保溫柜各處溫度及散熱量的不均勻性，10個傳感器安放位置也有所要求，重點觀察重要設(shè)備的工作溫度。

采用循環(huán)風(fēng)扇及渦流風(fēng)扇。風(fēng)扇選擇符合兩點要求，低功耗以及低溫下良好工作。循環(huán)風(fēng)扇選擇了臺達的24V直流雙滾珠，功率8W左右。渦輪風(fēng)扇懸著了NMB的24V直流雙滾珠，功率2W左右。箱內(nèi)采用兩路175W加熱器，每路有75W以及100W，這樣可以做到梯度性加熱。

保溫柜第一層的側(cè)翼和第二、三層的左翼安裝軸流風(fēng)扇，每層各兩個，對稱分布。風(fēng)扇加強了保溫柜頂部和底部的空氣平行流動以及外部交互，帶動熱量的流動，使溫度更均勻。由于保溫柜每層的發(fā)熱量是不均勻的，因此在第二、三層右兩翼安裝了渦流風(fēng)扇，通過特制的管道使上下層的空氣相互流通，冷空氣上升，熱空氣下降，整個保溫柜的溫度比較均勻。

3 冗余系統(tǒng)設(shè)計

為了保證數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下長期可靠運行，決定采用控制器冗余和通信方式冗余方案［4，5］。

冗余切換方式有依靠硬件和依靠軟件切換兩種方式，考慮到南極現(xiàn)場環(huán)境惡劣，無人值守，引起切換的原因多種多樣，所以采用依靠硬件切換的方式。采用兩臺完全相同的PC/104，并且對稱放置。同樣采用相同的AD采樣板卡以及溫度檢測點對稱分布，溫度采樣芯片也完全相同。這樣確保硬件系統(tǒng)的完全冗余，一旦主機發(fā)生故障，或者檢測機構(gòu)損壞，可以切換到備機工作。上位機外圍構(gòu)架如圖3所示，從圖中可以看出硬件系統(tǒng)是完全對稱冗余的。

從上位機系統(tǒng)構(gòu)架來看，首先是以太網(wǎng)通信冗余設(shè)計，以太網(wǎng)通信冗余方法中，多節(jié)點通過相互獨立的第一和第二條以太網(wǎng)通信線路相互連接。接受側(cè)上的一個節(jié)點向第一和第二條以太網(wǎng)通信線路發(fā)送相同數(shù)據(jù)。接受側(cè)的一個節(jié)點確定接收通過第一和第二以太網(wǎng)通信線路從發(fā)送側(cè)節(jié)點發(fā)送來的相同數(shù)據(jù)中的一個數(shù)據(jù)，其中首先收到的數(shù)據(jù)為接收數(shù)據(jù)。其次是CAN總線通信冗余設(shè)計，在各個數(shù)據(jù)采集點和處理單元之間設(shè)計兩條通信通道，正常時只有一路CAN總線和CAN通道運行。同樣以太網(wǎng)和CAN總線也形成了通信冗余，這樣一旦通信出現(xiàn)故障，可以有多種切換方式。從而確保系統(tǒng)運行的安全性及可靠性。

4 結(jié)束語

南極科考支撐平臺已經(jīng)在Dome A成功運行。通過南極傳回國內(nèi)的實時數(shù)據(jù)進行實時分析。下面截取從2011年1月13日至2011年2月16日三號發(fā)電機1月以來的運行數(shù)據(jù)進行分析。兩個數(shù)據(jù)之間的間隔時間為30分鐘?？偣灿形鍌€溫度測點，溫度測點4由于環(huán)境等不確定因素而損壞。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，我們求其余四點平均值。如圖4所示:我們可以得出數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的溫度維持在20℃ －27℃之間，從而實現(xiàn)溫控系統(tǒng)均溫、寬溫、保溫的控制要求;同時數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用了控制器冗余和通信方式冗余方案確保系統(tǒng)的可靠性及安全性。事實證明系統(tǒng)的設(shè)計確保了運行的可靠性及安全性。數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)能夠在南極惡劣的自然環(huán)境下實現(xiàn)無人值守運行，也為在高原極寒等惡劣條件下無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計提供了很大的借鑒意義。

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［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，張侃健.基于1756Eweb模塊的羅克韋爾PLC和計算機通信實現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計算機，2011，24（2）:9－10.