无人值守的南极科考平台温控系统设计与实现.pdf

无人值守的南极科考平台温控系统设计与实现陈新海 等 无人值守的南极科考平台温控系统设计与实现 D e s ig na n dR e a liz a t io no ft h eT e m p e r a t u r eC o n t r o lS y s t e m f o rU n a t t e n d e dA n t a r c t icE x p e d it io nP ia t f o r m 陬斩洛碾倔健魏冶坤来筋簿 东南大学自动化学院 江苏南京2 1 0 0 9 6 摘要 为保障我国首座自主研发的南极科考支撑平台的可靠运行 针对当地的极低温环境 设计并研制了基于具有特殊分层结构 的保温箱的温度控制系统 该温控系统采用冗余架构 能够实现远程控制 从而保证了科考平台的无人值守 该温控系统通过了低 温测试 且实时数据分析验证了其优越的测试性能 关键词 南极科考支撑平台温度控制系统保温箱无人值守采样数据处理冗余系统 中图分类号 T P 2 1 6文献标志码 A A b s t r a c t I no r d e rt oe n s u r er e lia b leo p e r a t io no fo u rf ir s tin d e p e n d e n t lyr e s e a r c h e da n dd e v e lo p e dA n t a r c t ice x p e d it io ns u p p o r tp la t f o r m a n d ina c c o r d a n c ew it ht h ee x t r e m e lylo wt e m p e r a t u r ee n v ir o n m e n to fA n t a r c t ic t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mb a s e dO nt h e r m a lin s u la t io nc h a m b e r w it hs p e c ia lh ie r a r c h ic a ls t r u c t u r eisd e s ig n e da n dd e v e lo p e d T h et e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e misc o n s t r u c t e dinr e d u n d a n tf r a m e w o r kIa n dcan b ec o n t r o l r e m o t e ly t h u su n a t t e n d e do p e r a t io no ft h ep la t f o r misim p le m e n t e da n dg u a r a n t e e d T h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mp a s s e st h elo w t e m p e r a t u r et e s t a n dt h er e a l t im ed a t aa n a ly s isv e r if ie st h es u p e r io rp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m K e y w o r d s A n t a r c t icE x p e d it io ns u p p o r tp la t f o r mT e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mT h e r m a lin s u la t io nc h a m b e r U n a t t e n d e d S a m p h n gd a t a p r o c e s s in gR e d u n d a n ts y s t e m 0 引言 D o m eA 是南极大陆的最高点 海拔40 9 3m 距海 岸线12 2 8k m 温度最低可达一8 5 年平均气温为 一5 8 5 I t D o m eA 具有极其重要的科学价值 它不 仅是南极冰盖上仅存的开展深冰芯钻探的理想地点 也是开展大气科学 空间物理和天文学等科学观测的 理想地点n 2 0 0 8 年 南极天文中心和澳大利亚新南威尔士大 学合作开发了D o m eA 天文观测支撑平台P L A T O 其 能为观测站提供能源 数据存储和远程监控等功 能 3 4 我国昆仑站的观测数据和控制命令均需通过 澳方之手 为突破支撑平台的限制 2 0 0 9 年4 月 我国开始 研制首个南极科考支撑平台 该平台包括结构与温控 系统 电源系统 现场主控系统 监控系统和通信及国 内监控系统 6 本文主要介绍为南极科考平台提供可 靠温度保障的温度控制系统的设计与实现 国家自然科学基金资助项目 编号 1 1 1 9 0 0 1 5 修改稿收到日期 2 0 1 2 1 2 1 7 第一作者陈新海 1 9 8 8 一 男 现为东南大学控制理论与控制工程专 业在读硕士研究生 主要从事嵌入式控制系统方面的研究 自动化仪表 第3 4 卷第lO 期2 0 1 3 年1 0 月 1系统介绍 1 1 系统组成 温度控制系统控制框图如图1 所示 该温度控制 系统由两个硬件完全相同的主备控制系统组成 这两 个控制系统间采用C A N 总线和网线连接 同时工作 且均可接收远程控制命令 捧气扇II 韶l控舔令l捧气扇ll髂 I J o m t it 继电器II III o 输出继电器I O 输出继电器 卫ii 加热器lII 加热器2 I O 输出继电器 加热器1 II 加热器2 图l温度控制系统控制框图 F ig 1 B lo c kd ia g r a mo ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e m 该冗余温度控制系统主要包含上位机 温度传感 器 A D 控制板卡 继电器 加热器 风扇等设备 具体 介绍如下 上位机包括主备机P C 1 0 4 1 和P C 1 0 42 用 于处理A D 采样数据 控制V O 输出 与另一个控制 器通信以及接收远程控制命令 为了保证整个系统的 2 3 无人值守的南极科考平台温控系统设计与实现陈新海 等 可靠性 选择R T D 公司的军工级工控机P C 1 0 4 A D 采样 即A D 控制板卡 与上位机P C 1 0 4 通过堆栈式P C 1 0 4 总线连接 温度采样 即模拟温度传感器 与A D 采样板 卡连接 继电器与上位机P C 1 0 4 的I O 口连接 接收 其控制信号 通过继电器吸合 断开 控制外设的启停 加热器1 和加热器2 分别表示1 0 0W 和7 5w 加热器 与继电器连接 接收其控制信号 循环风扇用于加速保温箱内的热对流 实现保 温箱内温度均衡分布 进气孔和排气孔的排气扇同时工作 实现保温 箱内快速散热 1 2 系统控制功能 温度控制系统最基本的功能就是实现对超级计算 机系统的恒温和均温控制 但由于南极D o m eA 天气 环境恶劣 需要解决科考支撑平台长期无人值守以及 系统可靠性问题 因此 该温度控制系统包含以下3 个重要功能 温度控制功能 实现对超级计算机系统的恒温 和均温控制 保证系统所需的正常工作温度 无人值守功能 通过远程通信技术 实现对温 度控制系统的远程控制 解决科考平台长年无人值守 的问题 冗余功能 采用两个硬件完全相同的主备控制 系统组成该温度控制系统 提高系统的可靠性 2 系统硬件结构设计 2 1 系统控制目标 南极D o m eA 常年平均温度为一5 8 5 环境极为 苛刻 常用的器件都无法在这样的环境下正常使用 为 了确保超级计算机系统内关键器件的正常运行 以及在 运行中进行温度调控 超级计算机系统采用了温度控制 系统来确保系统恒温 以保证P L C 和网络存储系统的首 次正常启动 对于温控系统提出以下控制目标 首次启动时 必须保证超级计算机能够在 一4 0 时正常运行 然后启动加热器 这对系统的软硬 件设计提出很高的要求 运行中 需对环境温度进行实时监控 以维持 系统内温度恒定在1 0 3 0 之间 实现无人值守 远程控制温度系统 在南极低 温恶劣环境下 无法保证科考平台长年有人值守 必须 采用无人值守策略 主备机冗余控制 由于南极特殊的环境因素 系统的可靠性及安全性显得尤为重要 因此为了保证 支撑平台在恶劣环境下可长期可靠运行 需要采用控 制器冗余和通信方式冗余方案伸 9 2 2 系统结构设计 出于对南极能源有限和改善科考平台体积的考 虑 需对温度控制系统进行特别的结构设计 1 该温 度控制系统采用3 层结构的保温箱结构 其示意图如 图2 所示 该保温箱的特点具体介绍如下 超级计算机系统的保温柜采用3 层结构设 计 根据仪器散热量的不同而分布在不同层 发热量 大的仪器放置在上层 发热量小的仪器放置在下层 第一层安放P L C P C 1 0 4 交换机 C A N 模块等 该层 的所有仪器始终维持通电状态 发热量较大 第二层 和第三层安放的8 台网络存储器 一般在只有1 2 台同时运作 发热状况随网络连接式存储系统 n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e N A S 位置不同而异 按层 次放置仪器可以充分利用保温柜内的空间和热量 但同时给温度控制带来一定难度 很难确保均温以 及恒温 为确保检测的可靠性及准确性 温控系统 设计安放1 0 个温度采样点 考虑保温柜各处温度及 散热量的不均匀性 1 0 个传感器安放位置为 P L C 和 P C 1 0 4 中间各1 个 8 个N A S 内部各1 个 重点观察 重要设备的工作温度 采用循环风扇及涡流风扇 促使保温箱内气流 流动 实现保温箱内均温 风扇选择需符合低功耗以 及低温下正常工作两点要求 循环风扇选择了台达的 2 4v 直流双滚珠 功率为8W 左右的风扇 涡轮风扇 选择了N M B 公司的2 4V 直流双滚珠 功率为2W 左 右的风扇 箱内采用两路1 7 5W 加热器 每路由7 5W 和 1 0 0W 加热器组成 首次启动后系统打开两路加热 器 实现温度的快速上升 运行过程中可以根据实际情 况实现阶梯性加热 加热器的放置应考虑温度均匀并 避免局部温度过高 7 5w 的小加热器靠近N A S 以防 止加热器发热过大从而影响N A S 的正常工作 1 0 0W 的大加热器靠近保温柜外侧 外侧保温柜与柜外空气 接触 平均温度较柜内其余地方低 加热需求高 保温柜第一层两翼安装排气扇各一个 第二 三层的左翼安装循环风扇各一个 温度过高时 打开 排气扇 使保温柜空气和仪器舱空气对流 将仪器舱冷 空气吹入保温柜 减少保温柜内外的温差 降低保温柜 的温度 同时 风扇加强了保温柜顶部和底部的空气 平行流动 带动热量的流动 使温度更均匀 2 4 P R O C E S SA U T O M A T I O NI N S T R U M E N T A T I O NV o L3 4N o 1 0O c t o b e r2 0 1 3 无人值守的南极科考平台温控系统设计与实现陈新海 等 鍪回吣燃M吣堂回冷 外龄 图2 温度控制系统的结构示意图 F ig 2 S t r u c t u r eo ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e m 由于保温柜每层的发热量是不均匀的 因此在 第二 三层右两翼安装了涡流风扇 通过特制的管道使 上下层的空气相互流通 冷空气上升 热空气下降 从 而使整个保温柜的温度比较均匀 3 系统软件设计 3 1 无人值守控制 温度控制系统作为无人值守的智能控制平台重要 的子系统 必须实现无人值守控制功能 如图1 所示 控制系统的上位机通过通信接口接 收国内的远程控制命令 以实现对主备机温度控制系 统温度上下限的更改 切换主备机状态 温度控制系统 的手动控制等功能 3 2A D 采样数据的处理 由于南极D o m eA 平均气温为一5 8 5 温度极 低 因此采用R T D 公司高可靠性的军工级产品 D M 6 4 2 0 数据处理板块与该公司的P C 1 0 4 工控机配 合使用 同时 必须对A D 采样数据进行处理 剔除错 误数据 为控制系统提供可靠的参考依据 D M 6 4 2 0 数据处理板块的A D 采样数据处理流程 如图3 所示 自动化仪表 第3 4 卷第1 0 期2 0 1 3 年1 0 月 开始 n r l l勰瓣 一r 在传感器 矍 保存采样数据 遮嗲 I 是 三二 F 图3采样数据处理流程图 F ig 3 F lo w c h a r to fs a m p h n gd a t ap r o c e s s in g 由于温度控制系统采用多点采样 且各点的采样 值有差异 因此对A D 采样测得的多个传感器输出数 2 5 无人值守的南极科考平台温控系统设计与实现陈新海 等 据采用 多数表决法 即选取一组数据的中间值作为 参考值来排除异常值的处理方式 然后计算有效值的 平均值 即可得到保温箱的平均温度值 事实证明 采 用该方法处理采样数据保证了数据的可靠性 3 3 双机冗余控制 为了提高科考支撑平台的可靠性 采用主备冗余 控制系统 当主控制系统瘫痪时 立即启动备机控制 系统 同样 温度控制系统也具有主备冗余功能 主备冗余控制流程图如图4 所示 开始 初始化本机状态 主栅备机 本机为主机 设置7 M x 和T M I N I II 设置z h 和z t M I N 2 远程控制命令到达 二 兰 修改温度控制参数 温度采样 温度极低 极高 发送命令至另一台主机 更改控制参数 启动加热器 散热器 否 要 ii薹鬲过设定嘉赢 启动加热器 散热嚣 结柬 图4 主备冗余控制流程图 F ig 4 F lo w c h a r to ft h em a s t e r s la v er e d u n d a n tc o n t r o l 图4 中 主 备温度控制系统定时通信 发送心跳 消息 进行状态同步以及协调控制 如当温度较低时 可以同时开启两套系统的加热器进行加热 当温度过 高时 需要开启两套系统的风扇进行散热 当温度采 样值超出本机温度控制上限值巩心 巩 也 时 可以根 据超出上限的范围逐级启动多个加热器 当温度采样 值低于本机温度控制下限值靠 咒 眦 时 可以根据 超出下限的范围分别启动循环风扇和排气风扇 该冗余温度控制系统中 主备系统设置不同的温 度上限 主机系统温度上下限分别设置为巩 和 丁M 备机系统温度上下限分别设置为丁 舢和丁 眦 其中温度控制参数有如下关系 T M 从 巩 采用该方法的优点是 可以减小两套温控系统 同时启动加热器或散热风扇带来的负载电流冲击 这 一点在供电情况比较恶劣时是很有必要的 同时还可 以减少备机系统继电器动作次数 延长继电器寿命 这 一点在无人职守的环境下是很重要的 4系统测试及数据分析 4 1 系统测试 温度控制系统首次启动时 打开两路加热器 温度 采集芯片实时监控保温柜温度监测点的温度 如果高 于1 0 时 启动一路加热器 如果温度高于3 0 打 开排气扇 停止加热器 当温度低于0 时 关闭排气 扇 启动两路加热器 通过大量的试验对硬件选型及 安装位置加以调整 下面以一组测试条件举例说明 将保温柜安放在一2 0 的冷柜中 对保温柜通电 观察保温柜温度变化 温度测试曲线图如图5 所示 起始温度较低 首次启动时加热机构工作 温度几乎维 持以1 5 m in 的斜率上升 上升速度较快 当温度 高于1 0 时 关闭一路加热器 温度上升趋缓 到达温 度上限后 加热机构停止工作 排风扇启动 温度开始 下降 最终稳定在1 0 2 0 之间 实现宽温控制 图5 温度测试曲线图 F ig 5T e m p e r a t u r et e s tc u r v e 前期大量的低温试验确保了系统首次启动的安全 性及可靠性 试验中确定了执行机构安装的位置 以及 运行中应注意的细节 确保在南极苛刻的环境下系统 能够成功运行 4 2 系统数据分析 2 0 1 1 年1 月5 日 南极科考支撑装置已经在 D o m eA 成功运行 1 月7 日首批数据回传国内 通过 传回的实时数据可对温控系统性能进行分析 通过分 析这批数据考察该湿控系统在南极的工作性能 经过 数据分析处理 温度实时数据曲线如图6 所示 图6 温度实时数据曲线图 F ig 6 R e a lt im et e m p e r a t u r ed a t ac u r v e 2 6 P R O C E S SA U T O M A T I O NI N S T R U M E N T A T I O NV o L3 4N o 1 0O c t o b e r2 0 1 3 无人值守的南极科考平台温控系统设计与实现陈新海 等 该批数据中 每两个数据点间的时间间隔为 3 0r a in 总共有5 个温度测点 但测点5 实际并未安装 使用 因此只对其余4 个测点数据进行处理 温度控 制系统的温度维持在2 0 2 7 之间 可以保证温控系 统均温 宽温 保温的控制要求 5结束语 南极科考支撑平台已经在D o m eA 成功运行 这 标志着我国在无人值守的南极科考智能平台领域取得 了零的突破 通过对南极科考支撑平台的研制 我国 科考人员掌握了南极无人值守自动天文观测站的自动 监测与控制 远程监控 海量数据存储 远程数据交互 电源保障 舱内环境控制等核心技术 实现了南极科考 智能支撑平台的自动天文观测和其他科学探测工作 本文所介绍的低温下的无人值守的温度控制系 统 在硬件结构 软件数据处理和系统冗余等方面的设 计 保证了其高可靠性 也经过了南极极端恶劣环境的 考验 对该温度控制系统的成功研制 为极低温下可 靠系统的研制提供了经验和设计参考 参考文献 1 周旭 挺进南极之巅 中国首座高原天文观测站建设散记 J 中国国家天文 加嘴 6 5 1 0 2 S a n n d e r sW L a w r e n c eJs S t o r e yJwV e ta 1 W h e r eist h eb e s ts it e o ne a r t h D o m e sA B Ca n dF a n dS id s e sAa n dB J P u b lic a t io n o ft h eA s t r o n o m ic a lS o c ie t yo ft h eP a c if ic 2 0 0 9 1 9 7 6 9 9 2 3 D a n ie lM L uV M ic h a e lCB e ta 1 P e r f o r m a n c eo ft h ea u t o n o m o u s P L A T Oa n t a r c t ico b s e r v a t o r yo v e rt w of u ll y e a r s cj I n t e m a t io n S o c ie t yf o rO p t ic sa n dP h o t o n ic s 2 0 1 0 2 2 7 2 7 3 2 7 9 4 L a w r e n c eJs A s h le yMC H e n g s tS e ta 1 T h eP L A T OD o m eAs it e t e s t in go b s e r v a t o r y p o w e rg e n e r a t io na n dc o n t r o ls y s t e m s J R e v ie w o fS c ie n t if icI n s t r u m e n t s 2 0 0 9 8 0 6 1 1 0 5 M ic h a e lCB A s h le yCs B o n n e tS e ta 1 F u t u r ed e v e lo p m e n to f t h e P L A T Oo b s e r v a t o r yf o rA n t a r c t ics c ie n c e J I n t e r n a t io nS o c ie t yf o r O p t ic sa n dP h o t o n ic s 2 0 1 0 2 2 7 1 6 6 汤刘杰 朱蔚萍 张侃健 等 南极科考智能支撑平台监控系统 的设计与实现 J 电气自动化 2 0 1 2 1 4 3 4 5 7 P e n la p a sY T h ep r o p o s a l o fn o v e ld e s ig no ft e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e mf o rs c a n n in gt u n n e lin gm ic r o s c o p e t h eh ig hs t a b ilit y t e m p e r a t u r ec o n t r o l C I nP r o c e e d in go fN a n o M ic r oE n g in e e r e d a n dM o le c u la rS y s t e m 2 0 0 8 4 3 6 4 3 9 8 Y a n gH K u le s aC W a lk e r CK e ta 1 E x c e p t io n a lt e r a h e r t zt r a n s p a r e n c y a n ds t a b ilit ya b o v eD o m eA a n t a r c t ic a J P u b h c a t io no ft h e A s t r o n o m ic a lS o c ie t yo ft h eP a c if ic 2 0 L O 3 4 9 0 4 9 4 9 B a n id M L u o n g V M ic h a e lCB e t