海底觀測(cè)網(wǎng)的OUC-Raman節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制系統(tǒng)

劉曉瑞，亓夫軍，葉旺全，宋智愚，鄭榮兒

(中國(guó)海洋大學(xué) 光學(xué)光電子實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

海底觀測(cè)網(wǎng)的OUC-Raman節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制系統(tǒng)

劉曉瑞，亓夫軍，葉旺全，宋智愚，鄭榮兒

(中國(guó)海洋大學(xué) 光學(xué)光電子實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

為滿足海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)儀器節(jié)點(diǎn)的技術(shù)要求，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套面向OUC-Raman儀器節(jié)點(diǎn)水下現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電源管理模塊和控制器模塊組成，利用觀測(cè)網(wǎng)提供的電力和通信鏈路控制現(xiàn)場(chǎng)機(jī)內(nèi)部的光譜探測(cè)系統(tǒng)和其他外部設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)海底化學(xué)環(huán)境的長(zhǎng)期觀測(cè)。電源管理模塊能夠確?，F(xiàn)場(chǎng)機(jī)的電氣特性滿足觀測(cè)網(wǎng)的要求，控制器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)光譜探測(cè)系統(tǒng)和外部設(shè)備的有效控制。該控制系統(tǒng)配置了以PC104工控機(jī)和MSP430微控制器為核心的控制體系，允許岸基終端在線訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)并實(shí)現(xiàn)對(duì)其工作模式的控制。該系統(tǒng)的相關(guān)功能在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試和觀測(cè)網(wǎng)接駁聯(lián)調(diào)過(guò)程中得到了檢驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)達(dá)到了接駁入網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，可望在海底觀測(cè)網(wǎng)上得到應(yīng)用。

海底觀測(cè)網(wǎng)； OUC-Raman儀器節(jié)點(diǎn)； 電源管理； 控制器模塊； 系統(tǒng)冗余； 網(wǎng)絡(luò)通信； 電氣保護(hù)

隨著海洋科學(xué)研究的發(fā)展，海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)成為海洋觀測(cè)技術(shù)的新興發(fā)展方向之一[1]，被稱為繼海(陸)平面與空中遙感之外的第三種觀測(cè)平臺(tái)[2]。海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)能夠向海底科研節(jié)點(diǎn)提供充足的電力和通信鏈路，幫助其實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、連續(xù)的獲取海洋環(huán)境信息[3]。目前國(guó)際上已經(jīng)建立的海底觀測(cè)網(wǎng)有加拿大東北太平洋時(shí)間序列觀測(cè)網(wǎng)(North-East Pacific Time-series Undersea Networked Experiments, NEPTUNE)[4]，美國(guó)的蒙特里加速研究系統(tǒng)(Monterey accelerated research system, MARS)[5]和OOI計(jì)劃下的區(qū)域尺度節(jié)點(diǎn)(regional scale node, RSN)[6]。我國(guó)近年來(lái)對(duì)海底觀測(cè)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)取得了重要進(jìn)展[7-9]，海底網(wǎng)的建設(shè)工作也已展開(kāi)[10-11]。海底觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)對(duì)傳感器的長(zhǎng)期運(yùn)行能力和自動(dòng)化程度提出了更高要求。激光拉曼光譜技術(shù)由于具有原位、實(shí)時(shí)、多物質(zhì)同時(shí)非接觸探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)深?；瘜W(xué)環(huán)境的有效探測(cè)手段[12-13]。為了將深海激光拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)[14]應(yīng)用于正在建設(shè)中的海底觀測(cè)網(wǎng)，本文根據(jù)海底觀測(cè)網(wǎng)的相關(guān)電氣標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造，以期達(dá)到觀測(cè)網(wǎng)對(duì)水下儀器節(jié)點(diǎn)的要求。

1 OUC-Raman水下現(xiàn)場(chǎng)機(jī)總體設(shè)計(jì)

應(yīng)用于海底觀測(cè)網(wǎng)的激光拉曼儀器節(jié)點(diǎn)(OUC-Raman instrument node)由岸基終端和OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)兩部分組成(總體結(jié)構(gòu)如圖1所示)。OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)通過(guò)濕插拔水密接頭掛載到觀測(cè)網(wǎng)的接駁盒上，獲取電源供應(yīng)并通過(guò)以太網(wǎng)和岸基終端通信。

如圖1所示，岸基終端通過(guò)海底觀測(cè)網(wǎng)提供的以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)訪問(wèn)OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)并獲取光譜數(shù)據(jù)及艙內(nèi)設(shè)備的工作狀態(tài)。OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)是進(jìn)行水下光譜探測(cè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括一套電子控制系統(tǒng)、兩套雙備份光譜探測(cè)系統(tǒng)以及配套的外部設(shè)備，表1中給出了具體的設(shè)備列表。其中，光譜探測(cè)有單系統(tǒng)或雙系統(tǒng)兩種工作模式，并由岸基終端進(jìn)行控制。外部設(shè)備包括清洗電機(jī)和水下攝像機(jī)，前者用于定期清理光學(xué)窗口，后者用于監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的工作環(huán)境。

圖1 基于海底觀測(cè)網(wǎng)的OUC-Raman儀器節(jié)點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of OUC-Raman instrument node in seafloor observatory network

Table 1 Power consumption of devices in underwater system of OUC-Raman

設(shè)備及模塊額定功耗/W控制系統(tǒng)≤15光譜探測(cè)單系統(tǒng)工作(D1或D2)<55雙系統(tǒng)工作(D1和D2)≤70外部設(shè)備外部設(shè)備P1(水下攝像機(jī))外部設(shè)備P2(清洗電機(jī))≤25功耗總計(jì)≤110

海底觀測(cè)網(wǎng)接駁盒有48 V DC和375 V AC兩種電源接口可選，其中前者額定功率為240 W。從表1顯示的設(shè)備功耗統(tǒng)計(jì)可以看出，OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的最大功耗為110 W，因此選擇駁盒48V DC接口即可滿足系統(tǒng)用電需求。

圖2是OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制系統(tǒng)的總體組成。該系統(tǒng)由電源管理模塊和控制器模塊組成。電源管理模塊包括對(duì)輸入電源進(jìn)行調(diào)理的前級(jí)保護(hù)模塊和電壓變換模塊兩部分，主要保證艙內(nèi)控制器和系統(tǒng)負(fù)載的用電安全。控制器模塊由PC104工控機(jī)和MSP430微處理器控制電路組成，實(shí)現(xiàn)與岸基工控機(jī)的通信以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)內(nèi)各種設(shè)備的綜合控制。

圖2 水下現(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制系統(tǒng)總體組成Fig.2 General structure of underwater control system

2 電源管理模塊設(shè)計(jì)

在海底觀測(cè)網(wǎng)以及相關(guān)儀器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可靠性占據(jù)首要地位。為了保證水下供電體系的整體安全，觀測(cè)網(wǎng)制定了一系列用電標(biāo)準(zhǔn)并采取主動(dòng)策略加以管理[15]。當(dāng)水下節(jié)點(diǎn)設(shè)備的用電參數(shù)超出規(guī)定時(shí)，次級(jí)接駁盒會(huì)自動(dòng)切斷與違規(guī)設(shè)備的電氣連接并報(bào)警。一般電氣設(shè)備在上電時(shí)，其內(nèi)部容性組件的充電效應(yīng)會(huì)在供電線路上產(chǎn)生一個(gè)遠(yuǎn)大于額定值的瞬態(tài)電流。如果OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的開(kāi)機(jī)瞬態(tài)電流超出了觀測(cè)網(wǎng)電氣標(biāo)準(zhǔn)，接駁盒的保護(hù)機(jī)制將會(huì)自動(dòng)觸發(fā)并造成現(xiàn)場(chǎng)機(jī)無(wú)法開(kāi)機(jī)。

在傳統(tǒng)的瞬態(tài)保護(hù)電路中通常使用無(wú)源器件(如Zener二極管、TVS管等)保護(hù)下級(jí)電路。這些器件在原理上都是針對(duì)過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)的，當(dāng)電源端出現(xiàn)過(guò)壓現(xiàn)象時(shí)，無(wú)源器件能通過(guò)調(diào)節(jié)自身阻抗達(dá)到分流穩(wěn)壓的作用。在海底接駁場(chǎng)合，這種傳統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)總電流激增轉(zhuǎn)而觸發(fā)次級(jí)接駁盒的過(guò)流保護(hù)。因此，OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制系統(tǒng)采用了專門的前級(jí)保護(hù)模塊來(lái)管理與接駁盒之間的電能傳輸，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)電源前級(jí)保護(hù)模塊Fig.3 Diagram of power protector in control system

OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的前級(jí)保護(hù)模塊分為輸入濾波器、防沖擊模塊和電氣信號(hào)采集三部分。防沖擊模塊是前級(jí)保護(hù)模塊的核心，可以分別檢測(cè)出輸電線路上的過(guò)壓、過(guò)流事件并通過(guò)控制電力器件的開(kāi)關(guān)來(lái)給予快速平抑。隔離采集模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸入電壓，電流的隔離采集，用于計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的總功率。

電壓變換模塊處于電源管理模塊的后端，通過(guò)DC-DC模塊對(duì)輸入OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的總電源進(jìn)行調(diào)理變換，將48 V DC總電源轉(zhuǎn)換為各種設(shè)備需要的24、12、5 V等電源(如圖2所示)。為了保證整個(gè)供電體系在深海環(huán)境下安全工作，OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)采用了隔離型DC/DC模塊分級(jí)冗余供電的方案提高供電體系的可靠性。電壓變換體系的每一級(jí)供電單元均配置有電壓/電流檢測(cè)和開(kāi)關(guān)電路，采集到的電氣信號(hào)由控制器軟件判斷并控制電源輸出開(kāi)關(guān)的通斷。

3 控制器模塊設(shè)計(jì)

控制器模塊由PC104工控機(jī)和MSP430微處理器控制電路兩部分組成。兩種控制器之間通過(guò)串行總線相連接，應(yīng)用層遵循Modbus總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 PC104控制器設(shè)計(jì)

PC104工控機(jī)是OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)和岸基終端之間的通信樞紐，對(duì)外它通過(guò)交換機(jī)與接駁盒以太網(wǎng)接口對(duì)接[16-17]，接收并執(zhí)行岸基終端的指令；對(duì)內(nèi)它是現(xiàn)場(chǎng)機(jī)內(nèi)部Modbus總線的主機(jī)，負(fù)責(zé)分發(fā)岸基終端的指令使光學(xué)設(shè)備和硬件電路做出響應(yīng)。

如表2所示，PC104不僅上傳拉曼光譜數(shù)據(jù)，還會(huì)實(shí)時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)機(jī)艙內(nèi)的環(huán)境和電氣參數(shù)，為有效操作艙內(nèi)設(shè)備提供判據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中光譜數(shù)據(jù)以文件流的形式傳輸，艙內(nèi)電氣與環(huán)境數(shù)據(jù)是以Modbus總線數(shù)據(jù)/指令幀的形式進(jìn)行傳輸。

表2 PC104與岸基控制端通信數(shù)據(jù)分類

Table 2 Classification of communication data between PC104 and shore-based terminal

數(shù)據(jù)種類傳輸格式實(shí)現(xiàn)功能光譜數(shù)據(jù)文本文件每次光譜探測(cè)結(jié)束后封裝上傳儀器參數(shù)艙內(nèi)信息總線數(shù)據(jù)幀設(shè)置光譜探測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，讀取艙內(nèi)溫度、濕度和電氣信號(hào)電源控制外部設(shè)備操作總線指令幀控制供電模塊開(kāi)關(guān)，操作深海攝像頭和清洗電機(jī)

光譜設(shè)備控制是PC104工控機(jī)的重要功能，為了保證拉曼光譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，PC104工控機(jī)需要對(duì)OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)內(nèi)部的光譜探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。通過(guò)PC104工控機(jī)，岸基控制端可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)內(nèi)部的運(yùn)行狀況在線調(diào)整激光器參數(shù)或者重新標(biāo)定光譜儀的波長(zhǎng)參數(shù)，保證光譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)完成一次光譜探測(cè)后，PC104都會(huì)將光譜數(shù)據(jù)連同艙內(nèi)信息一并上傳到岸基終端。PC104工控機(jī)控制軟件工作流程圖如圖4所示。

圖4 控制器模塊PC104軟件工作流程圖Fig.4 Program diagram of PC104′s software in controller module

PC104的控制軟件需要完成對(duì)OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電氣特性的檢測(cè)與維護(hù), 由于OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)內(nèi)的設(shè)備異常與特定故障原因的相關(guān)性較為復(fù)雜，因此PC104控制軟件采用了模糊專家系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)內(nèi)部傳感器信息進(jìn)行融合推理(如圖5所示)。模糊專家系統(tǒng)設(shè)定現(xiàn)場(chǎng)機(jī)信息采集矢量 U0={S,A,O}作為輸入量,其中S={s1,s2,…,sm}表示兩個(gè)設(shè)備艙與艙內(nèi)光譜設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài), A={a1,a2,…,an}表示現(xiàn)場(chǎng)機(jī)內(nèi)采集的模擬量，包括艙內(nèi)的溫濕度與主要設(shè)備的電氣參數(shù)，O={o1,o2,…,ok}表示現(xiàn)場(chǎng)及內(nèi)部PC104和MSP430的通信效率(丟包率)。

圖5 工控機(jī)模糊專家系統(tǒng)運(yùn)行流程圖Fig.5 Diagram of PC104′s fuzzy controller

如圖5所示，工控機(jī)控制軟件提取信息采集矢量完畢后，會(huì)將每個(gè)元素分別映射到各自的論域后進(jìn)行模糊化處理。模糊推理模塊根據(jù)模糊化的輸入矢量診斷出可能的系統(tǒng)故障和可能的誘因。采集矢量的論域映射參數(shù)和模糊變量的推理邏輯分別存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)中，可以靈活地進(jìn)行更新替換。

本文以光譜探儀故障診斷這個(gè)有限集合為例，光譜儀故障設(shè)置為運(yùn)行異常、運(yùn)行預(yù)警和正常運(yùn)行三個(gè)模糊輸出(依次對(duì)應(yīng)數(shù)字0、1、2)。與之相關(guān)的診斷依據(jù)包括光譜探測(cè)系統(tǒng)輸入功率(分為過(guò)低、偏低、正常、偏高、過(guò)高五個(gè)模糊狀態(tài)，依次對(duì)應(yīng)數(shù)字1～5)、光譜儀制冷溫度(分為偏低、正常、過(guò)高三個(gè)模糊狀態(tài)，依次對(duì)應(yīng)數(shù)字0、1、2)以及光譜儀通信效率(對(duì)應(yīng)異常、不穩(wěn)和正常三個(gè)模糊狀態(tài)，對(duì)應(yīng)數(shù)字0、1、2)，每個(gè)判據(jù)的隸屬度函數(shù)如圖6所示。

圖6 光譜儀故障診斷判據(jù)的隸屬度函數(shù)Fig.6 Membership function of criteria for spectrometer operation diagnosis

通過(guò)隸屬度函數(shù)將輸入?yún)?shù)模糊化為語(yǔ)言變量后，模糊推理模塊會(huì)將輸入?yún)?shù)與規(guī)則庫(kù)比對(duì)得出診斷結(jié)果。規(guī)則庫(kù)中存儲(chǔ)的是一系列邏輯映射集合(如表3所示)。當(dāng)輸入推理模塊的模糊變量滿足其中某一組合后，控制軟件會(huì)輸出診斷結(jié)果及可能的誘因 (功率不穩(wěn)導(dǎo)致通信異常，制冷效果不佳等)。值得注意的是，光譜儀制冷模塊的運(yùn)行負(fù)荷變化可能會(huì)引起光譜探測(cè)系統(tǒng)功率出現(xiàn)波動(dòng)，在診斷邏輯中將與之相關(guān)的邏輯組合視為正常運(yùn)行狀態(tài)。

表3 光譜儀故障診斷邏輯對(duì)照表

3.2 MSP430控制器設(shè)計(jì)

MSP430控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)底層電路的信息采集和控制功能，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。MSP430控制模塊中配備有AD采集電路和溫濕度傳感器，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可以采集水下現(xiàn)場(chǎng)機(jī)內(nèi)部的電源監(jiān)控信號(hào)和環(huán)境信息，然后通過(guò)內(nèi)部總線傳送給PC104工控機(jī)和岸基終端。

圖7 MSP430控制模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Diagram of controller module based on MSP430 processor

MSP430微處理器控制電路中集成有基于定時(shí)器的嵌入式控制軟件，通過(guò)串行總線接收來(lái)自PC104主機(jī)的指令同時(shí)完成系統(tǒng)各種信號(hào)的采集任務(wù)。嵌入式軟件內(nèi)部集成了Modbus通信協(xié)議，其工作流程結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 控制器模塊MSP430軟件工作流程圖Fig.8 Program diagram of MSP430′s software in controller module

由于嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部資源較為有限，因此在設(shè)計(jì)中將接受緩存區(qū)以環(huán)形棧的形式加以實(shí)現(xiàn)，有效防止了數(shù)據(jù)溢出。當(dāng)Modbus數(shù)據(jù)流到達(dá)，MSP430模塊首先將數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)在環(huán)形棧中，然后通過(guò)定時(shí)器算法將數(shù)據(jù)流拆分為有效的數(shù)據(jù)幀，最后通過(guò)解析器將發(fā)往本機(jī)的數(shù)據(jù)幀壓入幀隊(duì)列等待前臺(tái)處理。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，總線任務(wù)與通信任務(wù)工作在非阻塞狀態(tài)下，避免了對(duì)主控任務(wù)的干擾。嵌入式軟件緩沖區(qū)與消息隊(duì)列設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 MSP430接收緩存區(qū)設(shè)計(jì)Fig.9 Design of MSP430′s modbus packet buffer

3.3 冗余控制方案

在OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制系統(tǒng)中PC104工控機(jī)負(fù)責(zé)鏈接現(xiàn)場(chǎng)機(jī)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)間的通信，是控制系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。為了提高控制系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)內(nèi)部的工控機(jī)采用了如圖10所示的雙備份冗余方案。

圖10 PC104雙備份冗余方案Fig.10 Dual-redundancy solution of PC104 controllers

在雙控制器冗余控制方案中的兩臺(tái)PC104工控機(jī)各自具有獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)地址。作為主機(jī)的PC104在運(yùn)行過(guò)程中需要通過(guò)總線向MSP430模塊發(fā)送周期性的心跳信號(hào)表征自身工作狀態(tài)。如果MSP430模塊在規(guī)定的時(shí)間沒(méi)有收到來(lái)自工控機(jī)的心跳信號(hào)，將自動(dòng)切換供電次序轉(zhuǎn)而啟動(dòng)備份工控機(jī)接管水下現(xiàn)場(chǎng)機(jī)。

4 性能測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)

對(duì)OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的性能測(cè)試包括實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試和為期36 d的觀測(cè)網(wǎng)接駁聯(lián)調(diào)。在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試中使用48 V外部電源向現(xiàn)場(chǎng)機(jī)供電，岸基控制端通過(guò)室內(nèi)局域網(wǎng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)交互。在接駁聯(lián)調(diào)中OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)與正在建設(shè)的觀測(cè)網(wǎng)接駁盒進(jìn)行物理接駁，岸基終端在控制室中對(duì)水池中的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)進(jìn)行控制操作。在測(cè)試過(guò)程中對(duì)OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的電氣特性、艙內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)功能和通信功能進(jìn)行了檢驗(yàn)，其中對(duì)電氣特性和環(huán)境監(jiān)測(cè)功能的測(cè)試主要是在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試過(guò)程中完成的。

4.1 電氣特性測(cè)試

對(duì)OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的電氣特性測(cè)試首先是檢驗(yàn)其運(yùn)行功耗，在實(shí)驗(yàn)室90 h的模擬調(diào)試過(guò)程中，岸基終端實(shí)時(shí)獲取了現(xiàn)場(chǎng)機(jī)所監(jiān)測(cè)的總功率和內(nèi)部設(shè)備功率(D1探測(cè)模式)，結(jié)果如圖11所示。

圖11 OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)設(shè)備功耗90 h模擬調(diào)試監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.11 Power consumption of devices of underwater system in 90 h operation test

從圖11中可以看出，OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中自身總功耗穩(wěn)定在100 W以下(86～92 W，如圖11曲線a)，與表1計(jì)算結(jié)果吻合。與此同時(shí)外部設(shè)備功率(攝像頭和清洗電機(jī)總功率，如圖11曲線b)和P控制系統(tǒng)功率(如圖11曲線c)也都滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)(表1所示)。在測(cè)試過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)機(jī)進(jìn)行過(guò)一次重啟操作(圖11中TM時(shí)段)，對(duì)重啟上電瞬間的電壓與電流波形進(jìn)行了記錄，記錄結(jié)果如圖12所示。

圖12 OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)上電瞬間電源線路波形Fig.12 Wave pattern in power line during OUC-Raman underwater system starting up

從圖12可以看出，OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的開(kāi)機(jī)沖擊電流受到了電源前級(jí)保護(hù)模塊的平抑，表4列出了現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電氣特性參數(shù)與觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)電氣標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比。

根據(jù)波形記錄與觀測(cè)網(wǎng)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比可以看出，OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)自身的電氣特性在額定功率和瞬態(tài)特性上均滿足海底觀測(cè)網(wǎng)的相關(guān)電氣標(biāo)準(zhǔn)并保持一定裕量。

表4 沖擊電流測(cè)試結(jié)果與觀測(cè)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

Table 4 Comparison of the results in rush current test with seafloor observatory network standard

指標(biāo)電流閾值/A過(guò)流時(shí)間閾值/ms額定功耗/W峰值功率/W現(xiàn)場(chǎng)機(jī)測(cè)試指標(biāo)613≤90≤92觀測(cè)網(wǎng)入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)7<5<200<240系統(tǒng)裕量/%87455612

4.2 艙內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)

在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試中，還實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖13所示。

圖13 艙內(nèi)環(huán)境90 h(2015.10.1 19∶38-2015.10.5 13∶46)模擬調(diào)試監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.13 Environmental parameters recording in 90 hours (from 19∶38 of Oct. 1 to 13∶46 of Oct. 5, 2015) operation test

從圖13的數(shù)據(jù)記錄中發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)TM時(shí)段的重啟操作后OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)艙內(nèi)的環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度、氣壓)均出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)。這是因?yàn)榧す馄髟趧倖?dòng)時(shí)暫時(shí)工作在高功率狀態(tài)，散發(fā)的多余熱量導(dǎo)致了艙內(nèi)溫度、濕度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)的變化?，F(xiàn)場(chǎng)機(jī)艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)在圖13中波動(dòng)的起始時(shí)刻t1、峰值時(shí)刻t2以及結(jié)束時(shí)刻t3與光譜探測(cè)系統(tǒng)的功率變化基本吻合，控制軟件內(nèi)的故障診斷模塊也對(duì)這一現(xiàn)象做出了正確識(shí)別，沒(méi)有觸發(fā)運(yùn)行預(yù)警。

4.3 通信測(cè)試

對(duì)OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)通信功能的測(cè)試分為三個(gè)階段，主要測(cè)試內(nèi)容是岸基終端和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)之間光譜文件和總線數(shù)據(jù)的傳輸狀況。第一階段的測(cè)試是在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試過(guò)程中完成的，測(cè)得了90 h實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)傳輸效率。實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試后OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)參加了接駁聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。由于聯(lián)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較實(shí)驗(yàn)室環(huán)境更加復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸成功率在測(cè)試前一階段較實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試階段有所下降，并發(fā)現(xiàn)存在初始化光譜儀失敗和PC104備份機(jī)誤切換等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，在接駁聯(lián)調(diào)測(cè)試后期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制軟件進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，修改了PC104工控機(jī)的控制軟件并優(yōu)化了對(duì)光譜儀的控制時(shí)序。三個(gè)階段的測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)通信功能測(cè)試結(jié)果

Table 5 Result of communication test for underwater system

測(cè)試階段傳輸數(shù)據(jù)類型現(xiàn)場(chǎng)機(jī)應(yīng)傳數(shù)據(jù)量岸基終端接收數(shù)據(jù)量傳輸正確率/%模擬調(diào)試光譜文件20162016100總線數(shù)據(jù)幀388635969253接駁聯(lián)調(diào)1光譜文件59515951100總線數(shù)據(jù)幀13001117459034接駁聯(lián)調(diào)2光譜文件24332433100%總線數(shù)據(jù)幀473745209542

通過(guò)對(duì)比表5數(shù)據(jù)可以看出，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)與岸基終端之間的光譜文件傳輸效率始終穩(wěn)定在100%，總線通信效率在經(jīng)過(guò)接駁聯(lián)調(diào)測(cè)試中的改進(jìn)后也較前兩個(gè)階段有所提高。

5 結(jié)論

1)針對(duì)海底觀測(cè)網(wǎng)的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)的冗余體系和電氣保護(hù)模塊能夠提高OUC-Raman節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的可靠性，在改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電氣特性的同時(shí)也達(dá)到了觀測(cè)網(wǎng)的安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)系統(tǒng)需要在海底長(zhǎng)期自動(dòng)運(yùn)行，本文根據(jù)其工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種冗余控制體系，實(shí)際測(cè)試證明該設(shè)計(jì)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，岸基控制端可以通過(guò)觀測(cè)網(wǎng)提供的以太網(wǎng)鏈路實(shí)時(shí)分析光譜數(shù)據(jù)并監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)機(jī)內(nèi)部?jī)x器的運(yùn)行情況，識(shí)別并平抑可能發(fā)生的設(shè)備異常。

3)對(duì)于OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)在水下長(zhǎng)期運(yùn)行作業(yè)中可能出現(xiàn)的故障，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于模糊控制理論的故障檢測(cè)算法。工控機(jī)內(nèi)模糊專家系統(tǒng)可以融合現(xiàn)場(chǎng)機(jī)內(nèi)收集的各種傳感器信息綜合分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確識(shí)別系統(tǒng)的內(nèi)部異常并為岸基控制端的操作人員提供解決方案。

對(duì)OUC-Raman現(xiàn)場(chǎng)機(jī)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試和觀測(cè)網(wǎng)接駁聯(lián)調(diào)的結(jié)果顯示該系統(tǒng)滿足接駁入網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步的海上試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析將是我們下一步研究的重點(diǎn)。

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本文引用格式：

劉曉瑞，亓夫軍，葉旺全，等. 海底觀測(cè)網(wǎng)的OUC-Raman節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制系統(tǒng)[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017， 38(8): 1216 -1222.

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Underwater control system of OUC-Raman instrument node for seafloor observatory network

LIU Xiaorui, QI Funjun, YE Wangquan, SONG Zhiyu, ZHENG Ronger

(Lab of Optics and Optoelectronic, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

To meet a seafloor observatory network′s requirements for instrumental nodes, an underwater control system of an OUC-Raman instrument was developed. The system consists of a power management module and controllers. It extracts power and Ethernet order from a seafloor observatory network to manipulate internal spectral devices and other outer devices. The power management module ensures that the electronic character of the on-the-spot instrument meets the standard of seafloor networks. The controller module, which is configured with PC104 and MSP430 units, realizes effective control of the spectral detection system of the on-the-spot instrument and outer devices, as well as enables a shore-based terminal to manipulate underwater instruments. Through the control system, the shore-based terminal could access the OUC-Raman instrument node in real time to set operation parameters and collect data. The system was subjected to several tests with satisfactory results. The developed system is expected to be used in seafloor observatory network in the near future.

seafloor observatory network; OUC-Raman instrument node; power management; controller module; systematic redundancy; Ethernet communication; electric protection

2016-04-27.

日期：2017-04-27.

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2012AA09A405).

劉曉瑞(1991-), 男, 博士研究生; 亓夫軍(1964-), 男, 副教授; 鄭榮兒(1959-), 女, 教授, 博士生導(dǎo)師.

亓夫軍, E-mail：qd01232@163.com.

10.11990/jheu.201604086

P715.5

A

1006-7043(2017)08-1216-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170427.1510.078.html