南極科考支撐裝置電源系統(tǒng)控制策略

葛 健 魏海坤 方仕雄 張侃健 朱蔚萍

(東南大學(xué)自動化學(xué)院1，江蘇 南京 210096;東南大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究院2，江蘇 南京 210096)

0 引言

Dome A是南極冰蓋的最高點，已經(jīng)被證實為地球上最佳的天文觀測地區(qū)之一，具有極為重要的科學(xué)價值［1－3］。我國于2008年在Dome A建立了一個自動天文觀測平臺，即 PLATO 平臺［4－6］，其控制中心位于澳大利亞。這種狀況導(dǎo)致了我國不能在第一時間獲取天文觀測數(shù)據(jù)，為了改變這種局面，東南大學(xué)開發(fā)了第一代南極科考支撐裝置。

PLATO平臺是完全手動控制的，而科考支撐裝置是完全自主運行的。裝置無人值守，可靠性至關(guān)重要，所以硬件設(shè)備和軟件設(shè)計都以保障高可靠性為重心。本文重點闡述了裝置中發(fā)電機(jī)組所采用的軟件控制策略。該策略采用了循環(huán)隊列的方式，控制較為靈活方便。西藏高原大量的測試以及在Dome A地區(qū)的現(xiàn)場運行表明了該控制策略具有良好的效果。

1 發(fā)電模塊硬件設(shè)備

科考支撐裝置采用模塊化設(shè)計，分為發(fā)電模塊、控制模塊和通信存儲模塊。發(fā)電模塊為整個裝置和天文觀測儀器設(shè)備提供電力支持;控制模塊完成現(xiàn)場自動控制和遠(yuǎn)程控制［7－8］;通信存儲模塊提供本地數(shù)據(jù)存儲和國內(nèi)監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程通信［9］。

發(fā)電模塊位于發(fā)電艙內(nèi)，艙內(nèi)有6臺德國HATZ 1B40發(fā)電機(jī)，分為A、B兩組，并為它們分別編號，A組發(fā)電機(jī)編號為1～3，B組發(fā)電機(jī)編號為4～6。發(fā)電艙為上下兩層，下層為儲油箱，上層安裝了發(fā)電機(jī)組以及各種輔助設(shè)備。發(fā)電機(jī)有3個輸入信號和1個輸出信號，輸入信號為預(yù)熱信號、油門信號以及啟動信號，輸出信號為潤滑油液位報警信號。機(jī)組重要輔件有超級電容、潤滑油箱以及油泵。

2 發(fā)電機(jī)組控制策略

發(fā)電機(jī)組的控制主要包括以下幾個方面:超級電容組控制、潤滑油泵控制、發(fā)電機(jī)運行控制。

2.1 超級電容組

超級電容的作用是提供發(fā)電機(jī)啟動過程中所需要的電能，充滿電時，其電壓為12 V左右，電壓值的大小關(guān)系到發(fā)電機(jī)能否正常啟動。超級電容電壓值變化如表1所示，單個超級電容可以連續(xù)提供5次發(fā)電機(jī)啟動所需的電能，測試條件為預(yù)熱信號為1 s，啟動信號為5 s，溫度為25℃。大量試驗表明，當(dāng)電壓值低于9 V時，則無法成功啟動發(fā)電機(jī);超級電容電壓值越高，發(fā)電機(jī)啟動越順利。

表1 超級電容電壓值變化表Tab.1 Variation of the voltage of the super capacitor

在現(xiàn)場情況下，啟動過程中預(yù)熱時間和啟動時間均會發(fā)生改變，而且發(fā)電機(jī)很可能需要多次啟動，一個超級電容無法滿足發(fā)電機(jī)啟動所需的電能，故采用2個超級電容并聯(lián)的方式。這在一定程度上改善了超級電容可能出現(xiàn)的電量不足的狀況，更重要的是超級電容組采用了不間斷充電的方式，極大地保障了超級電容的可靠運行。

超級電容組采用了2種不間斷充電方式，具體為:若發(fā)電機(jī)未工作，則由蓄電池通過低壓母線給超級電容充電，在電容低壓充電過程中，應(yīng)盡量避免啟動發(fā)電機(jī);若發(fā)電機(jī)工作，則由發(fā)電機(jī)通過高壓母線直接給超級電容充電，并實時檢測超級電容的電壓值，發(fā)電機(jī)在運行過程中一旦出現(xiàn)超級電容電壓低于9 V的情況，立刻打開低壓、高壓充電開關(guān)，發(fā)電機(jī)和蓄電池迅速給超級電容補(bǔ)充電能。

2.2 潤滑油泵

發(fā)電機(jī)的運行離不開潤滑油，若潤滑油長時間得不到更換，潤滑效果會下降，將影響發(fā)電機(jī)的使用壽命。然而，科考人員每年只能對平臺維護(hù)一次，潤滑油只可能在此期間得到更換。為了解決這一問題，在發(fā)電艙內(nèi)配備了潤滑油箱，一次性添加了足量的潤滑油，并且改裝了發(fā)電機(jī)自身的潤滑油箱，安裝了回流裝置，通過油泵將機(jī)身內(nèi)的潤滑油和外部油箱的潤滑油形成循環(huán)。

潤滑油泵的控制參數(shù)主要有油泵運行的頻率、運行時間和間隔時間，其中間隔時間和運行時間可以遠(yuǎn)程人工修改。這樣，即使油泵本身的參數(shù)發(fā)生改變，通過遠(yuǎn)程修改間隔時間和運行時間，油泵仍然可以受控。2010年7～9月，南極科考支撐裝置在西藏羊八井國際宇宙射線觀測站進(jìn)行了高原發(fā)電機(jī)測試，通過大量試驗，獲得了每個發(fā)電機(jī)的潤滑油泵最優(yōu)控制參數(shù)。試驗測得各個編號的潤滑油泵最優(yōu)參數(shù)如表2所示。

表2 潤滑油泵運行參數(shù)表Tab.2 The operating parameters of lubricating oil pumps

2.3 發(fā)電機(jī)啟動

發(fā)電機(jī)的啟動流程圖如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)啟動過程流程圖Fig.1 The flowchart of the generator startup process

發(fā)電機(jī)的啟動邏輯比較簡單，分為以下3個步驟:①給出預(yù)熱信號，作用是加熱氣缸，溫度升高，便于點火;②打開油門，向氣缸內(nèi)送燃油;③給出啟動信號，并等待2 min，在2 min內(nèi)，若發(fā)電機(jī)的即時輸出電壓大于200 V，即認(rèn)為發(fā)電機(jī)已經(jīng)啟動成功。這里涉及到預(yù)熱時間和啟動時間兩個參數(shù)。大量試驗得到的預(yù)熱時間、啟動時間與環(huán)境溫度的匹配表如表3所示。對于預(yù)熱時間來說，越長越好，但是消耗超級電容的電量就越多。表3中的數(shù)據(jù)是最小值，若相關(guān)參數(shù)低于該值，則發(fā)電機(jī)啟動失敗的可能性將增加。啟動時間過短，電機(jī)轉(zhuǎn)速低，造成啟動失敗;啟動時間過長，也會損壞發(fā)電機(jī)的啟動電機(jī)，造成發(fā)電機(jī)啟動癱瘓。所以控制程序一旦檢測到發(fā)電機(jī)輸出電壓大于200 V，需要立刻切斷啟動信號。

表3 溫度與啟動參數(shù)匹配表Tab.3 The matching table between temperature and the startup parameters

2.4 發(fā)電機(jī)的運行控制

南極科考支撐裝置在Dome A地區(qū)運行需要發(fā)電機(jī)提供持續(xù)穩(wěn)定的電能。發(fā)電機(jī)的運行控制面臨以下幾個難點:①發(fā)電機(jī)的數(shù)量較多，需要合理地調(diào)度，盡可能使每一臺發(fā)電機(jī)都發(fā)揮最大的作用;②發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時，能夠做到及時可靠地切換，不影響平臺的正常運行;③有可能出現(xiàn)誤報警，頻繁切換發(fā)電機(jī);④必要時可以人工遠(yuǎn)程干預(yù)，恢復(fù)正常后，系統(tǒng)能夠再次進(jìn)入自主控制。

為了解決這些難點，本文提出了發(fā)電機(jī)啟動循環(huán)隊列的方案。該方案將每個發(fā)電機(jī)的編號組成一個循環(huán)隊列。當(dāng)控制程序運行時，首先檢查循環(huán)隊列，取循環(huán)隊列首位的數(shù)值為當(dāng)前需要啟動的發(fā)電機(jī)對應(yīng)編號。通過修改循環(huán)隊列，可以實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)組的調(diào)度;當(dāng)檢測到發(fā)電機(jī)故障時，將故障發(fā)電機(jī)的編號迅速調(diào)整到隊列末端，程序自動啟動隊列首端編號對應(yīng)的待命發(fā)電機(jī)。極端情況下，若有發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了硬件上的損壞，即不可恢復(fù)的故障，只需在循環(huán)隊列中用0來屏蔽該發(fā)電機(jī)的編號即可，該發(fā)電機(jī)就不會再被啟動。通過屏蔽可以解決發(fā)電機(jī)頻繁切換的問題，同時循環(huán)隊列可以人工遠(yuǎn)程修改，調(diào)整發(fā)電機(jī)組的運行順序，狀態(tài)好的發(fā)電機(jī)排在隊列靠前的位置，使機(jī)組始終處于最優(yōu)運行狀態(tài)。

為了應(yīng)對在Dome A可能出現(xiàn)的無法預(yù)料的狀況，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，主控系統(tǒng)準(zhǔn)備了以下兩套控制方案。

①方案一

采用發(fā)電機(jī)故障切換控制加定時巡檢控制。發(fā)電機(jī)故障切換控制作用是:一旦檢測到發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，立即調(diào)整循環(huán)隊列［10－12］，然后切斷當(dāng)前故障發(fā)電機(jī)的油門以及母線開關(guān)等，根據(jù)新的隊列啟動待命的發(fā)電機(jī)。例如:若循環(huán)隊列初始為123456，控制程序先啟動編號為1的發(fā)電機(jī)，當(dāng)檢測到1號發(fā)電機(jī)故障后，循環(huán)隊列變更為234561，隨后啟動編號為2的發(fā)電機(jī);若2號發(fā)電機(jī)啟動失敗，視為2號發(fā)電機(jī)故障，繼續(xù)啟動下一臺發(fā)電機(jī)，直至成功啟動某一臺發(fā)電機(jī)為止。在這個過程中，天文觀測的設(shè)備儀器會因為掉電而關(guān)閉，控制程序需記憶所有設(shè)備儀器在斷電前一時刻的工作狀態(tài)。當(dāng)發(fā)電機(jī)重新啟動成功后，再將設(shè)備重新上電，恢復(fù)到故障前的狀態(tài)。

在南極現(xiàn)場只有一臺發(fā)電機(jī)在運行，其余的發(fā)電機(jī)處于等待狀態(tài)，有可能出現(xiàn)處于待命狀態(tài)的發(fā)電機(jī)長時間得不到運行，再次啟動較為困難，因此需要給發(fā)電機(jī)定時巡檢熱機(jī)，以便保持良好的狀態(tài)。巡檢控制的要求是不能影響當(dāng)前工作的發(fā)電機(jī)，且在巡檢過程中，若當(dāng)前工作的發(fā)電機(jī)發(fā)生故障需要運行故障切換程序時，則停止巡檢程序，優(yōu)先運行發(fā)電機(jī)的故障切換程序。主控程序設(shè)定的巡檢時間是10天，巡檢程序的邏輯為:首先獲得當(dāng)前正在運行的發(fā)電機(jī)編號，在該編號的基礎(chǔ)上加1，即為將要巡檢的首臺發(fā)電機(jī)號;然后調(diào)用發(fā)電機(jī)啟動程序，運行5 min后，自動關(guān)閉，巡檢發(fā)電機(jī)號再加1，繼續(xù)巡檢;當(dāng)巡檢發(fā)電機(jī)號大于6時，將其復(fù)位為1，直至巡檢發(fā)電機(jī)號重新等于當(dāng)前運行的發(fā)電機(jī)編號，完成一個循環(huán)，視為巡檢結(jié)束。

②方案二

采用定時切換發(fā)電機(jī)的方法是指發(fā)電機(jī)運行了一段時間后將其關(guān)閉，自動切換為下一臺待命的發(fā)電機(jī)。該方法讓每臺發(fā)電機(jī)均能在一段時間后投入運行，有利于延長發(fā)電機(jī)的壽命。發(fā)電機(jī)的定時切換區(qū)別于故障切換，不同之處在于:故障切換說明是當(dāng)前正在運行的發(fā)電機(jī)失去工作能力，科考儀器設(shè)備被切斷用電，整個系統(tǒng)面臨停機(jī)的威脅，需要在備用電源的支撐下啟動下一臺發(fā)電機(jī);而定時切換則不然，它是在當(dāng)前發(fā)電機(jī)正常運行的情況下切換到下一臺發(fā)電機(jī)運行，其切換需要做到無擾切換，即保證對系統(tǒng)無任何影響，科考儀器設(shè)備正常工作。簡而言之，即在成功啟動了下一臺發(fā)電機(jī)的情況下，才能進(jìn)行定時切換。

切換過程如下:首先檢測到發(fā)電機(jī)運行時間滿足切換條件，這時不能立刻關(guān)閉當(dāng)前正在運行的發(fā)電機(jī)，而是調(diào)整循環(huán)隊列，啟動下一臺待命的發(fā)電機(jī)，等待發(fā)電機(jī)啟動成功并且接入高壓母線后，方可關(guān)閉前一臺發(fā)電機(jī)。極端情況下，如果出現(xiàn)待命的5臺發(fā)電機(jī)均無法啟動成功的狀況，則該次切換取消。

科考支撐裝置在西藏羊八井做了大量試驗，確定了發(fā)電機(jī)組的各項控制參數(shù)。2010年9月13日～18日，三號發(fā)電機(jī)在羊八井測試運行的電壓圖如圖2所示。測試表明，三號發(fā)電機(jī)運行和切換都正常。

圖2 三號發(fā)電機(jī)西藏高原運行電壓圖Fig.2 Operating voltage of unit 3 generator at Tibetan plateau

3 運行結(jié)果與結(jié)論

科考支撐平臺于2011年1月在南極Dome A［8］成功運行，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)試和運行的情況，控制方案采用了故障切換加定時切換。截取的三號發(fā)電機(jī)組的電壓值如圖3所示。

圖3 三號發(fā)電機(jī)Dome A運行電壓圖Fig.3 Operating voltage of unit 3 generator at Dome A region

從圖3可以看出，三號發(fā)電機(jī)的電壓值穩(wěn)定，在正常工作一段時間后能夠自動切換到其他發(fā)電機(jī)運行，也能夠再次重新啟動運行。

主控系統(tǒng)實現(xiàn)了對發(fā)電機(jī)組的控制，說明了其控制策略是有效的。然而，由于時間倉促以及受環(huán)境條件的約束，支撐平臺依然還存在著不少問題，如潤滑油液位的平衡以及發(fā)電機(jī)的低溫啟動難等問題，這些都是需要改進(jìn)的地方。

4 結(jié)束語

本文介紹的控制策略采用循環(huán)隊列的方式，實現(xiàn)了對電源模塊發(fā)電機(jī)組的有效控制，完成了對整個裝置的能源供應(yīng)。南極科考支撐裝置的成功搭建，為我國在南極地區(qū)展開更為廣泛的天文研究提供了舞臺，借此提高我國極地天文觀測的能力;同時，它也為天文科考觀測平臺的改進(jìn)提供了寶貴的經(jīng)驗，并為在高原嚴(yán)寒等惡劣條件下無人值守控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了借鑒意義。

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