0 引言

    热水钻是一种联合融雪箱、锅炉、加压泵等设备将冰雪变为高压射流从特定喷嘴内喷射出来融化和冲击冰雪层的冰架钻进设备，热水钻探对于在南极更深入地研究冰架底部冻融过程、冰架底部附着冰的特性、冰盖和冰架物质平衡等多方面具有重要意义^[1-2]。国际上已经在南极进行过实际钻探且具有代表性的热水钻分别是英国南极调查局“埃尔斯沃斯冰下湖项目（Subglacial Lake Ellsworth Project，SLEP）”中用到的“无污染热水钻（Clean Hot Water Drills，CHWD^[3]）”和美国内布拉斯加大学林肯分校“惠兰斯冰下湖钻探研究项目（Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling Project，WISSARD^[4]）”中用到的CHWD。SLEP的CHWD虽然已经能够进行实际钻探，但由于其测控系统的不可靠性最终导致SLEP宣告失败；WISSARD的CHWD在南极成功钻透了800 m厚的冰架并获取了冰下湖沉积物样品，但该项目的核心测控技术完全对外封闭。为填补我国在南极冰架热水钻进技术研究方面的空白，本文研制了一套冰架热水钻钻头测控系统，该系统将与中国极地研究中心研制的热水钻钻头以及冰面其他设备协同合作，实现对随钻参数的采集和高压水流喷射方向的控制。热水钻实际应用示意图如图1所示。

    考虑到南极的低温以及钻头正常工作时的外围环境，对测控系统提出的要求如下：

    （1）工作温度范围：-30 ℃~80 ℃；

    （2）可靠通信距离：2 500 m；

    （3）最大工作深度：2 000 m。

1 系统总体结构

1.1 系统框架

    根据系统各部分工作时所处位置不同，可将系统简单分为冰面远程测控中心和随钻测控系统两部分，系统整体框架如图2所示。冰面远程测控中心由发电机、高压直流电源、工控机、工业级光电隔离型RS232-RS485转换器和绞车组成；随钻测控系统由装有嵌入式测控电路板的测控舱、装有声学信号处理器的处理舱、装有电磁阀的水流换向舱和多种外围传感器组成。

1.2 系统工作原理

    冰面远程测控中心与随钻测控系统通过盘绕在绞车上的高强度软管进行连接，该软管为2 500 m长的水电复合缆，其中水管部分用于将冰面的高压热水送至钻头，电缆部分可用于冰面远程控制中心和随钻测控系统之间的供电与通信。

    测控系统的电力均由发电机提供，发电机产生的交流电送到高压直流电源，高压直流电通过水电复合缆传输到钻头的嵌入式测控舱中，然后即可通过电源处理电路给随钻测控系统中各传感器、电路板和电磁阀提供电能。待随钻嵌入式系统开始工作后，随钻参数即可被嵌入式测控系统捕获，这些参数经MCU处理后，以通信帧的形式被发送到水电复合缆上，位于冰面控制中心的上位机软件在收到通信帧后，对通信帧进行处理，随钻参数即可被远程显示在工控机上。同时，根据需求上位机软件也可将控制令发送至随钻测控系统，即可达到对高压水流方向的控制。

2 系统硬件设计

    随钻系统硬件是以MCU核心电路为基础而设计的嵌入式测控电路，如图3所示。该测控电路主要包括6路12位的模数转换电路、2路数字开关控制量、2路RS232通信接口电路以及1路RS485通信接口电路。在这6路12位模数转换电路中有3路用于温度测量，2路用于压力测量，1路用于位移测量， 3个温度传感器分别用于测量钻头顶部、中部和底部的温度，2路压力传感器用来测量钻头内部和外部的水压，位移传感器被用来判断钻头是否触底。为了便于设计且使系统电路具有高的接口可替换性，这6个传感器均选型为工业标准的4 mA~20 mA型电流传感器，电流信号经I/V转换电路处理后变为对应的压力信号即可被MCU内部的ADC处理。系统中的2路数字开关控制量用于控制钻头中的2个水路切换电磁阀的开合。由于电磁阀负载是一个强的感性负载^[5]，因此在继电器驱动电路中特地加入了EMC滤波器件和由二极管和功率电阻组成的放电回路。声学孔径传感器获取钻头在0°、120°、240° 3个方向到冰壁的距离，并以RS232通信的方式将这3个孔径数据传给主控MCU。三轴姿态传感模块是板载的，在电路上也是以RS232的方式将姿态数据发送给主控MCU。RS485通信电路用于将主控MCU处理后的数据发送至冰面测控中心。考虑整个系统的上述需求以及系统的工作温度，这里MCU采用ST公司的STM32F103RCT7单片机，该单片机体积小巧、外设丰富，且能够可靠工作于-40 ℃~105 ℃。

    水电复合缆传输来的300 V直流电先经过由Victor公司生产的Mini型高集成度DC-DC隔离降压模块输出24 V，然后再经由电源管理电路输出12 V、5 V、3.3 V和2.5 V供各芯片或器件使用。如图4所示，水电复合缆中的电缆有8根，为了使得在供电和通信上更加可靠，系统将1、2号缆定义为RS485的A线，将3、4号缆定义为RS485的B线，同理将5、6号缆和7、8号缆分别定义，定义300 V电源输出的正极和地。

3 系统软件设计

    本系统软件包括工控机内用的上位机程序和随钻嵌入式下位机程序，其中上位机程序使用Microsoft Visual Studio 2013进行开发和调试，下位机程序使用Keil进行开发和调试。

3.1 上位机软件设计

    上位机程序主要用于随钻参数的实时数字化显示，以及给随钻测控电路发送心跳信号和控制命令。软件开始工作后先对软件中用到的图形化控件和通信串口进行初始化配置，然后一直工作于随钻数据帧的实时接收、解析和显示过程中。上位机给下位机发送的数据帧如图5所示,“含义字母”段中‘C’、‘S’、‘H’分别代表关电磁阀、开电磁阀和心跳信号，“含义数字”段中‘1’、‘2’分别对应编号为1或2的电磁阀，而‘0’则用于发送心跳帧。

3.2 下位机软件设计

    嵌入式下位机程序设计可以分为以下4个步骤：

    (1)系统初始化。待系统上电后，对MCU系统时钟、I/O口、USART、ADC转换器进行初始化配置。

    (2)传感器数据获取。系统在运行过程中会通过ADC采样电路、RS232通信电路等不停地获取随钻各传感器的数据。

    (3)数据处理和发送。系统将各传感器采集的数据进行适当的处理，然后将这些数据和MCU控制继电器所用I/O口的电平状态以数据帧的形式发送给上位机。上行数据帧的内容定义如图6所示。

    (4)接收下行数据帧。系统工作过程中一旦接收到下行数据帧，将会立刻对数据帧进行解析并执行相应的操作。

    下位机软件工作流程如图7所示。

4 调试

    本系统最大工作深度为2 000 m，在该深度处外部水压达到了20 MPa，因此专门给钻头测控系统设计了一种耐高压抗腐蚀的钛合金密封舱，经测试该舱体能够在25 MPa压力下完好无损并保证密封性，舱体内部电路与外部传感器采用水密电缆进行连接。

    为确保通信电缆能够满足上下位机的通信需求，本文对项目中用到的2 500 m水电复合缆进行了实地测试，万用表测量结果显示该复合缆中单根电缆阻抗为36 Ω，在通信测试中将串口设置为：波特率9 600，数据位8 bit，无奇偶校验，停止位1 bit，在测试中发送端每100 ms发送一帧数据，测试端可以正确无误地每隔100 ms接收到一帧数据。经多次测试，该复合缆满足项目要求。

    打压试验和通信测试完成后，在实验室对该套测控系统进行了高低温试验。高温测试过程为：让装有测控系统的密封舱工作在高低温试验柜内，温度从常温升至51 ℃，并保持此温度10 min，然后升至80 ℃，连续工作2小时；低温测试方法为：温度从常温降到-20 ℃，并保持此温度10 min，然后降到-30 ℃，连续工作1小时后，对系统断电10 min，再次上电，继续工作1小时。在整个测试过程中，通过上位机观察测控系统返回的数据是否正常。测试结果表明，该系统能够可靠工作于-30 ℃~80 ℃之间，其中低温测试中断电10 min再次上电工作1小时的目的是为了模拟南极工作情景，确保系统能够在低温条件下正常启动。

    最后，将测控系统安装于钻头之上，在车间对整套系统进行了联合调试，联调过程再次验证了该套系统的实用性和可靠性。

5 总结

    本文通过实验室与车间的多种测试方法对系统的实用性与可靠性进行了全面的验证。本文中极地冰架热水钻钻头测控系统的设计达到了预期的要求，实现了在极地极端条件下对钻头相关参数的采集与回传，并能够使用上位机软件对钻头射流方向进行控制。此外，该测控在设计时预留了一些传感器的接口，以便于系统在后续应用中的扩展和升级。

参考文献

[1] 梁素云.冰川-Ⅰ型热水钻的研制及其应用[J].冰川冻土，1983，5(4)：91-95.

[2] 王如生，达拉拉伊，李院生，等.国际冰层热水钻研究进展与面临的挑战[C].第十八届全国探矿工程技术学术交流年会，2015.

[3] MAKINSON K，PEARCE D，HODGSON D A，et al.Clean subglacial access: prospects for future deep hot-water drilling[J].Philosophical Transactions，2016，374(2059)：201403040.

[4] RACK F R.Enabling clean access into Subglacial Lake Whillans: development and use of the WISSARD hot water drill system[J].Philosophical Transactions of the Royal Society A Mathematical Physical & Engineering Sciences，2016，374(2059)：20140305.

[5] 袁清博.基于CAN组网的深海中深孔钻机测控系统研制[D].杭州：杭州电子科技大学，2014.

作者信息：

周巧娣，同  懿，余小非

（杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州310018）