1、D e s i g n o f t h e M e a s u r e m e n t a n d C o n t r o l S y s t e m f o r t h e B a s e R o c k U n d e r t h e P o l a r I c e极地冰下基岩钻探测控系统研制CONTENTS142536研究背景软件处理系统方案调试与应用嵌入式处理总结展望Research BackgroundsOverall PlanEmbedded ProcessingSW ProcessingDebug And ApplicationConclusion Outlook1研究背景RES
2、EARCH BACKGROUNDS课题来源：吉林大学极地研究中心横向课题“极地冰下基岩钻（IBED）电控系统研制”。地质环境由于南极Dome A冰盖下的地貌环境被冰层保护着，其完整的冰碛岩等沉积物样品可以为冰下基岩的演化和变形、原始地貌重现等问题提供重要信息。热源探索近期有科学家找到证据表明热能可能来源于热地幔柱，通过对热源的探索和对其热能的计算，可以进一步了解冰层温度和冰川融化的过程。资源开发 南极大陆富含200多种矿物质，但目前，人们对南极的地质资源掌握程度就像冰山一角，有太多的自然资源目前还未被发掘。1研 究 背 景Research Backgrounds研究意义国外现状-美国 20世纪
3、中期，美国CRREL实验室在南极Byrd站只钻取到冰芯，未能触及基岩。之后采用改进的钻进系统于Taylor冰穹中取出1.5m冰下岩石，但因为系统复杂，钻进效率较低，频发事故，测控系统耐低温性能较弱等原因，在后续钻进实验均以失败告终，没有得到再次使用。1研 究 背 景Research Backgrounds国外现状-俄罗斯 20世纪九十年代初，列宁格勒矿业学院采用KEMS钻进系统进行钻探，但由于钻具的测控系统监测参数不足使得该系统工作的稳定性和可靠性大大降低，无法对钻进过程进行准确的监控，导致其在南极东方站钻进时发生过两次卡钻事故。1研 究 背 景Research Backgrounds国内现状
4、 自二十世纪末，在南极钻探方面仅局限于浅孔钻进，不能钻进冰下基岩；2008-2012年，中国极地研究中心研制的新型深冰下钻进系统，原设计含有基岩钻探部分，但绞车、反扭装置等无法满足要求，而且众多传感器信号不一，无法在狭小的测控系统空间内完成采集传输功能，遂取消。1研 究 背 景Research Backgrounds随钻测控1、保证在较强电磁干扰环境下正常采集电机转速和循环液流量；2、采集舱内外周围环境和各传感器的物理参数，并进行一系列处理；3、将所有数据打包并上传冰面测控软件；4、最低工作温度：-40；5、工作压力范围：015Mpa；冰面测控1、对所有基于MODBUS-RTU协议的数据采集模
5、块进行485链式组网；2、将设备的数据实时呈现在冰面测控软件。电能和数据传输1、将高压交流电和直流电安全可靠地传送到压力测控舱，为其供电；2、实现1500米的数据远程通信功能。IPCD System Design Requirements1系 统 设 计 需 求 及 指 标2研究框架RESEARCH FRAMWORKS组成部分123冰面测控系统完成对冰面重要设备进行参数集中监测。电能与数据传输系统完成对随钻测控系统的供电，以及冰下数据的上传和指令下达。随钻测控系统负责对钻进系统进行数据监测和相应动作控制。Overall Composition2总 体 组 成 Ice Surface Measu
6、rement And Control System 2冰 面 测 控 系 统Measurement And Control System Of Drilled2随 钻 测 控 系 统 Power Transfer System2电 能 传 输 系 统DataTransfer System2数 据 传 输 系 统3嵌入式处理EMBEDDED PROCESSING数据帧 Embedded Processing3嵌 入 式 处 理姿态数据转速数据AD采集 Data Acquisition3数 据 采 集4软件处理SW PROCESSING Software Interface4软 件 界 面 Dat
7、a Parsing4数 据 解 析冰面设备数据解析流程随钻系统数据解析流程5调试与应用Debug And Application系统裸板调试转速调试三相电压调试 Functional Test4功 能 测 试 Hypothermia Test5低 温 测 试工作时间动作状态8:00打开高低箱，设定内部温度-20正常8:15设定内部温度-30正常8:45设定内部温度-40正常14:36设备重新上电启动正常18:01设定内部温度0正常18:30设定内部温度-40正常19:00设定内部温度0正常19:30设定内部温度15正常20:00断电-High Pressure Test5高 压 测 试 25M
8、Pa 25MPa（极地现场工作时压力在（极地现场工作时压力在15MPa15MPa左右），测试过程中舱内可持续回传数据，测试结束后舱左右），测试过程中舱内可持续回传数据，测试结束后舱内干燥无水滴，已基本验证随钻测控系统的耐高压特性。内干燥无水滴，已基本验证随钻测控系统的耐高压特性。Power Transmission Test5电 能 传 输 测 试 在实验室里使用三个在实验室里使用三个型号为型号为LZG-220-1000的大功率的大功率照明卤钨灯串联照明卤钨灯串联在一起在一起，测试结果正常，基本，测试结果正常，基本验证该钻进电机变压器带负载能力已达到设计目标要求验证该钻进电机变压器带负载能力已
9、达到设计目标要求（3Kw）。）。Data Transmission Test5数 据 传 输 测 试 数据远距离传输系统已经在另外一根同一厂家生产的1800m的复合缆上进行过实际测试，参数几乎相同。使用RS485数据通信，波特率在115200 bps下收发通信正常（工作时为9600 bps），完全满足通信需求。Simulation Debugging5车 间 模 拟 调 试6总结展望CONCLUSION OUTLOOK结论Conclusions1、冰面测控软件能够实时监测冰面及冰下各个设备参数并显示；2、经过一系列测试，基本验证电能传输及带负载能力、数据远程通信满足设计需求；3、能够在较强电磁干扰下正常采集电机转速；4、随钻测控系统能够将处理的数据打包上传；5、通过低温测试和压力测试，随钻测控舱具备耐低温性和耐高压特性；6结 论CONCLUSION Conclusion Outlook6展 望
