水平鹽穴形態(tài)探測器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

郝彥釗，馬春燕

(太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024)

鹽穴是地下鹽層采用水溶方法開采后形成的人工洞穴[1]，具有極低的滲透性、良好的損傷修復(fù)特性，用于存儲天然氣和石油，可以有效保證能源安全。傳統(tǒng)鹽穴探測常用聲吶技術(shù)主要針對豎直型鹽穴，而我國現(xiàn)有鹽穴大多為水平型，傳統(tǒng)測量方法不再適用。因此，尋求一種適用于水平鹽穴形態(tài)測量的方式，成為了水平鹽穴建設(shè)的重要問題。本文提出了一種水平鹽穴形態(tài)探測器搭載聲吶的方法來實現(xiàn)水平鹽穴的形態(tài)測量，并對探測器的監(jiān)控系統(tǒng)進行了設(shè)計。目前國外鹽穴測量技術(shù)相對成熟，而國內(nèi)自金壇鹽穴正式投運后，鹽穴探測及應(yīng)用得到快速發(fā)展，但由于建設(shè)周期長、投資高，發(fā)展趨勢有所減緩[2-3]。本設(shè)計有助于我國水平鹽穴探測技術(shù)的進步，促進我國鹽穴建造技術(shù)的發(fā)展，為我國能源戰(zhàn)略儲備奠定理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲備。

1 水平鹽穴形態(tài)測量原理

為實現(xiàn)新型的水平鹽穴形態(tài)探測方法，本文設(shè)計了一種鹽穴形態(tài)探測器，探測器的應(yīng)用環(huán)境為地下2 000～3 000 m，直徑為50～100 m，長度為300～500 m的鹽穴腔體[4]。探測器整體形狀采用魚雷型，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of detector structure

探測器由控制器、供電電池組、圖像聲吶、3個電機光纖轉(zhuǎn)換器以及平衡吊索組成。控制器以單片機C8051F020為核心，負(fù)責(zé)功能數(shù)據(jù)通訊等功能。供電電池組作為探測器的工作電源。鹽穴形態(tài)測量模塊包含前視圖像聲吶881A和輔助攝像頭[5]TC411HD.三電機帶動螺旋槳的方式實現(xiàn)探測器運動控制。光纖轉(zhuǎn)換器MWF201用于地面與鹽穴內(nèi)設(shè)備的通訊。探測器姿態(tài)平衡由安裝在探測器底部的平衡吊索負(fù)責(zé)。

根據(jù)水平鹽穴的情況在腔體中注水后，腔體內(nèi)部形成可供探測器活動的環(huán)境。通過造腔斜井將探測器下放到鹽穴腔體中。啟動后的探測器按照預(yù)設(shè)的運動方式向連通直井處移動。水平鹽穴探測器搭載了圖像聲吶，鹽穴的垂直剖面的數(shù)據(jù)可由圖像聲吶采集得到，其工作過程示意圖如圖2所示。

圖2 鹽穴形態(tài)測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of salt cavern morphology measurement

在探測器移動的同時，圖像聲吶對水平鹽穴的腔體形態(tài)進行掃描并將鹽穴形態(tài)的二維剖面數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)，通過后期處理后可得到水平鹽穴的三維形態(tài)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

根據(jù)探測器的結(jié)構(gòu)及工作過程，將探測器監(jiān)控系統(tǒng)分為地面監(jiān)控系統(tǒng)和地下監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Monitoring system structure

地下監(jiān)測系統(tǒng)主要由探測器以及各功能模塊構(gòu)成，主要完成鹽穴的形態(tài)探測工作。中央處理單元負(fù)責(zé)電池信息檢測、航向角檢測、運動控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。在自檢確認(rèn)自身參數(shù)正常后，運動控制模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動探測器前進和轉(zhuǎn)向，航向角檢測由控制器和導(dǎo)航模塊協(xié)同完成，保證探測器運動的安全可靠。

地面監(jiān)控系統(tǒng)由PC機和通訊設(shè)備組成。PC機中安裝有水平鹽穴探測器專用的監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件。上位機軟件向探測器發(fā)送命令并接收探測器返回的數(shù)據(jù)，最終顯示在上位機界面中。通訊設(shè)備主要由光纖轉(zhuǎn)換器和光纖通訊線路組成[6-7]。PC機的命令經(jīng)通訊設(shè)備變?yōu)楣庑盘柌鬟f到探測器的控制器中，執(zhí)行相應(yīng)命令。探測器的測量信息通過相同的方式傳回地面監(jiān)控系統(tǒng)，在此過程中通訊設(shè)備起到了極大的作用。

2.2 控制器硬件設(shè)計

控制器硬件設(shè)計主要包含控制器的各功能電路的設(shè)計?？刂破鞲鞴δ茈娐钒刂破鞴╇娔K、電池監(jiān)測模塊、運動控制模塊、JTAG調(diào)試模塊、通訊模塊。

主控芯片C8051F020負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理。供電模塊選用調(diào)壓芯片TPS5430和AS1117實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，提供單片機和電路元件工作所需的工作電壓。JTAG調(diào)試模塊負(fù)責(zé)下位機程序的調(diào)試。通訊模塊負(fù)責(zé)地面監(jiān)控系統(tǒng)與地下監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞。

DS18B20溫度傳感器檢測電池溫度參數(shù)[8]，設(shè)置工作溫度閾值，保證探測器的正常供電；電池監(jiān)測模塊選用LM324芯片實現(xiàn)電池電量的四級監(jiān)測，原理圖如圖4所示。

圖4 電池監(jiān)測電路原理圖Fig.4 Battery monitoring circuit schematic

探測器采用雙軸磁阻傳感器 HMC1022獲取航向角，HMC1022將磁場轉(zhuǎn)換成差分輸出電壓并能夠感應(yīng)低至3×10-9T的磁感應(yīng)強度的磁場[9]。HMC1022安裝示意圖如圖5所示。

HMC1022內(nèi)部集成兩個惠斯通電橋，其輸出電壓Vx和Vy均為差分形式，分別對應(yīng)于直角坐標(biāo)系的x軸和y軸輸出。可通過兩電壓計算出航向角，其計算公式見式(1).

圖5 電子羅盤安裝示意圖Fig.5 Schematic diagram of electronic compass installation

(1)

式中：Vx和Vy為惠斯通電橋的輸出電壓，θ為探測器航向角。

磁阻傳感器輸出的電壓經(jīng)AMP04放大器后，輸出電壓范圍為1.35～3.15 V，滿足C8051F020 內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器的輸入要求。

運動控制模塊采用TLP521光耦隔離芯片隔離3路C8051F020發(fā)出的PWM信號[10]，大功率達林頓管TIP127對信號進行功率放大，滿足直流電機運動需求。原理圖如圖6所示。

圖6 功率放大電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of power amplifier circuit

2.3 軟件設(shè)計

2.3.1地下監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

地下監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計的開發(fā)環(huán)境為Keil μVision 4，程序設(shè)計時采用模塊化設(shè)計，其主程序與中斷程序流程圖如圖7所示。

通過運行控制器程序，可接收上位機命令并執(zhí)行相應(yīng)功能，最終實現(xiàn)水平鹽穴探測器的電池電量及溫度的采集、航向角的采集、運動控制、通訊等功能。

2.3.2地面監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

地面監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為Visual C++，軟件設(shè)計包括通信模塊和視頻模塊的上位機界面設(shè)計和程序編寫，其上位機界面如圖8所示。

通訊模塊與視頻模塊采用MFC與VFW技術(shù)完成上位機的界面設(shè)計[11-12]。通信模塊包括串口設(shè)置和電池電量、電池溫度、航向角檢測功能[13]，通過上位機可以向地下監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送參數(shù)采集命令并接收下位機發(fā)回的數(shù)據(jù)，最終顯示在上位機界面中。視頻模塊使用VFW技術(shù)，可實現(xiàn)圖像和視頻的捕獲功能，按鈕間設(shè)置了互鎖功能，防止錯誤操作。

圖7 程序流程圖Fig.7 Program flow chart

圖8 監(jiān)控系統(tǒng)上位機界面Fig.8 Host computer interface of monitoring system

3 系統(tǒng)實驗與分析

在水平鹽穴探測器的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，運動控制以及控制器的功能測試是設(shè)計的重要內(nèi)容。

電機調(diào)速控制對探測器的姿態(tài)調(diào)整和運動控制尤為重要。系統(tǒng)采用C8051F020單片機產(chǎn)生3路PWM，分別控制驅(qū)動電機0，右轉(zhuǎn)電機1和左轉(zhuǎn)電機2，不同占空比對應(yīng)不同的電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)探測器的前進與轉(zhuǎn)向。實驗中使用示波器完成了對PWM的檢測，PWM輸出波形占空比見表1。

表1 PWM輸出波形占空比Table 1 PWM output waveform duty ratio

經(jīng)實驗測量，PWM輸出波形占空比誤差均小于3%，可以完成電機轉(zhuǎn)速的精確控制。

控制器的功能測試包含電子羅盤、輔助攝像頭、溫度檢測、通信等功能模塊的測試。

電子羅盤用于探測器航向角的檢測。通過惠斯通電橋的輸出電壓，計算得到航向角，其角度測量數(shù)據(jù)見表2.

表2 電子羅盤角度測量數(shù)據(jù)Table 2 Electronic compass angle measurement data

經(jīng)實驗測試，誤差小于3%，滿足探測器航向角控制的要求。

輔助攝像頭采用TC411HD攝像頭，像素1 920×1 080，幀頻30 Hz，接口類型USB2.0 High Speed，具備紅外夜視功能，輔助探測器在行進過程中避免碰撞，捕獲了物體的形狀圖像，圖像清晰，可完成鹽穴內(nèi)部圖像和視頻的采集。

溫度測試誤差為±0.5 ℃，滿足電池溫度檢測精度的要求。

水平鹽穴形態(tài)探測器的現(xiàn)場實驗環(huán)境為太原理工大學(xué)游泳館，泳池長度50 m，寬度25 m，深度為1.3～1.9 m.水平鹽穴形態(tài)探測器現(xiàn)場實驗如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場實驗圖Fig.9 Field experiment diagram

經(jīng)現(xiàn)場實驗表明，水平鹽穴形態(tài)探測器在水面運行時控制器工作正常，行進平穩(wěn)，航向角轉(zhuǎn)向良好，達到預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)束語

本文提出了一種新的水平鹽穴形態(tài)的測量方法，并對水平鹽穴形態(tài)探測器監(jiān)控系統(tǒng)進行了軟硬件設(shè)計。系統(tǒng)采用了三電機驅(qū)動方式，通過控制器實現(xiàn)電機的自動調(diào)控和遠程檢測，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)越。經(jīng)過實驗測量，監(jiān)控系統(tǒng)能夠滿足水平鹽穴形態(tài)探測器在鹽穴測量過程中的工作需求，證明該系統(tǒng)的可行性，具有一定的工程應(yīng)用價值。