水平鹽穴形態探測器監控系統設計

郝彥釗，馬春燕

(太原理工大學 電氣與動力工程學院，太原 030024)

鹽穴是地下鹽層采用水溶方法開采后形成的人工洞穴[1]，具有極低的滲透性、良好的損傷修復特性，用于存儲天然氣和石油，可以有效保證能源安全。傳統鹽穴探測常用聲吶技術主要針對豎直型鹽穴，而我國現有鹽穴大多為水平型，傳統測量方法不再適用。因此，尋求一種適用于水平鹽穴形態測量的方式，成為了水平鹽穴建設的重要問題。本文提出了一種水平鹽穴形態探測器搭載聲吶的方法來實現水平鹽穴的形態測量，并對探測器的監控系統進行了設計。目前國外鹽穴測量技術相對成熟，而國內自金壇鹽穴正式投運后，鹽穴探測及應用得到快速發展，但由于建設周期長、投資高，發展趨勢有所減緩[2-3]。本設計有助于我國水平鹽穴探測技術的進步，促進我國鹽穴建造技術的發展，為我國能源戰略儲備奠定理論基礎和技術儲備。

1 水平鹽穴形態測量原理

為實現新型的水平鹽穴形態探測方法，本文設計了一種鹽穴形態探測器，探測器的應用環境為地下2 000～3 000 m，直徑為50～100 m，長度為300～500 m的鹽穴腔體[4]。探測器整體形狀采用魚雷型，結構如圖1所示。

圖1 探測器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of detector structure

探測器由控制器、供電電池組、圖像聲吶、3個電機光纖轉換器以及平衡吊索組成。控制器以單片機C8051F020為核心，負責功能數據通訊等功能。供電電池組作為探測器的工作電源。鹽穴形態測量模塊包含前視圖像聲吶881A和輔助攝像頭[5]TC411HD.三電機帶動螺旋槳的方式實現探測器運動控制。光纖轉換器MWF201用于地面與鹽穴內設備的通訊。探測器姿態平衡由安裝在探測器底部的平衡吊索負責。

根據水平鹽穴的情況在腔體中注水后，腔體內部形成可供探測器活動的環境。通過造腔斜井將探測器下放到鹽穴腔體中。啟動后的探測器按照預設的運動方式向連通直井處移動。水平鹽穴探測器搭載了圖像聲吶，鹽穴的垂直剖面的數據可由圖像聲吶采集得到，其工作過程示意圖如圖2所示。

圖2 鹽穴形態測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of salt cavern morphology measurement

在探測器移動的同時，圖像聲吶對水平鹽穴的腔體形態進行掃描并將鹽穴形態的二維剖面數據傳輸到地面監控系統，通過后期處理后可得到水平鹽穴的三維形態。

2 監控系統設計

2.1 總體設計

根據探測器的結構及工作過程，將探測器監控系統分為地面監控系統和地下監測系統，系統組成如圖3所示。

圖3 監控系統結構圖Fig.3 Monitoring system structure

地下監測系統主要由探測器以及各功能模塊構成，主要完成鹽穴的形態探測工作。中央處理單元負責電池信息檢測、航向角檢測、運動控制、數據傳輸等功能。在自檢確認自身參數正常后，運動控制模塊負責驅動探測器前進和轉向，航向角檢測由控制器和導航模塊協同完成，保證探測器運動的安全可靠。

地面監控系統由PC機和通訊設備組成。PC機中安裝有水平鹽穴探測器專用的監測系統上位機軟件。上位機軟件向探測器發送命令并接收探測器返回的數據，最終顯示在上位機界面中。通訊設備主要由光纖轉換器和光纖通訊線路組成[6-7]。PC機的命令經通訊設備變為光信號并傳遞到探測器的控制器中，執行相應命令。探測器的測量信息通過相同的方式傳回地面監控系統，在此過程中通訊設備起到了極大的作用。

2.2 控制器硬件設計

控制器硬件設計主要包含控制器的各功能電路的設計。控制器各功能電路包括控制器供電模塊、電池監測模塊、運動控制模塊、JTAG調試模塊、通訊模塊。

主控芯片C8051F020負責數據處理。供電模塊選用調壓芯片TPS5430和AS1117實現電壓轉換，提供單片機和電路元件工作所需的工作電壓。JTAG調試模塊負責下位機程序的調試。通訊模塊負責地面監控系統與地下監測系統的數據傳遞。

DS18B20溫度傳感器檢測電池溫度參數[8]，設置工作溫度閾值，保證探測器的正常供電；電池監測模塊選用LM324芯片實現電池電量的四級監測，原理圖如圖4所示。

圖4 電池監測電路原理圖Fig.4 Battery monitoring circuit schematic

探測器采用雙軸磁阻傳感器 HMC1022獲取航向角，HMC1022將磁場轉換成差分輸出電壓并能夠感應低至3×10-9T的磁感應強度的磁場[9]。HMC1022安裝示意圖如圖5所示。

HMC1022內部集成兩個惠斯通電橋，其輸出電壓Vx和Vy均為差分形式，分別對應于直角坐標系的x軸和y軸輸出。可通過兩電壓計算出航向角，其計算公式見式(1).

圖5 電子羅盤安裝示意圖Fig.5 Schematic diagram of electronic compass installation

(1)

式中：Vx和Vy為惠斯通電橋的輸出電壓，θ為探測器航向角。

磁阻傳感器輸出的電壓經AMP04放大器后，輸出電壓范圍為1.35～3.15 V，滿足C8051F020 內置的AD轉換器的輸入要求。

運動控制模塊采用TLP521光耦隔離芯片隔離3路C8051F020發出的PWM信號[10]，大功率達林頓管TIP127對信號進行功率放大，滿足直流電機運動需求。原理圖如圖6所示。

圖6 功率放大電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of power amplifier circuit

2.3 軟件設計

2.3.1地下監測系統軟件設計

地下監測系統軟件設計的開發環境為Keil μVision 4，程序設計時采用模塊化設計，其主程序與中斷程序流程圖如圖7所示。

通過運行控制器程序，可接收上位機命令并執行相應功能，最終實現水平鹽穴探測器的電池電量及溫度的采集、航向角的采集、運動控制、通訊等功能。

2.3.2地面監控系統軟件設計

地面監控系統的開發環境為Visual C++，軟件設計包括通信模塊和視頻模塊的上位機界面設計和程序編寫，其上位機界面如圖8所示。

通訊模塊與視頻模塊采用MFC與VFW技術完成上位機的界面設計[11-12]。通信模塊包括串口設置和電池電量、電池溫度、航向角檢測功能[13]，通過上位機可以向地下監測系統發送參數采集命令并接收下位機發回的數據，最終顯示在上位機界面中。視頻模塊使用VFW技術，可實現圖像和視頻的捕獲功能，按鈕間設置了互鎖功能，防止錯誤操作。

圖7 程序流程圖Fig.7 Program flow chart

圖8 監控系統上位機界面Fig.8 Host computer interface of monitoring system

3 系統實驗與分析

在水平鹽穴探測器的監控系統設計中，運動控制以及控制器的功能測試是設計的重要內容。

電機調速控制對探測器的姿態調整和運動控制尤為重要。系統采用C8051F020單片機產生3路PWM，分別控制驅動電機0，右轉電機1和左轉電機2，不同占空比對應不同的電機轉速，實現探測器的前進與轉向。實驗中使用示波器完成了對PWM的檢測，PWM輸出波形占空比見表1。

表1 PWM輸出波形占空比Table 1 PWM output waveform duty ratio

經實驗測量，PWM輸出波形占空比誤差均小于3%，可以完成電機轉速的精確控制。

控制器的功能測試包含電子羅盤、輔助攝像頭、溫度檢測、通信等功能模塊的測試。

電子羅盤用于探測器航向角的檢測。通過惠斯通電橋的輸出電壓，計算得到航向角，其角度測量數據見表2.

表2 電子羅盤角度測量數據Table 2 Electronic compass angle measurement data

經實驗測試，誤差小于3%，滿足探測器航向角控制的要求。

輔助攝像頭采用TC411HD攝像頭，像素1 920×1 080，幀頻30 Hz，接口類型USB2.0 High Speed，具備紅外夜視功能，輔助探測器在行進過程中避免碰撞，捕獲了物體的形狀圖像，圖像清晰，可完成鹽穴內部圖像和視頻的采集。

溫度測試誤差為±0.5 ℃，滿足電池溫度檢測精度的要求。

水平鹽穴形態探測器的現場實驗環境為太原理工大學游泳館，泳池長度50 m，寬度25 m，深度為1.3～1.9 m.水平鹽穴形態探測器現場實驗如圖9所示。

圖9 現場實驗圖Fig.9 Field experiment diagram

經現場實驗表明，水平鹽穴形態探測器在水面運行時控制器工作正常，行進平穩，航向角轉向良好，達到預期目標。

4 結束語

本文提出了一種新的水平鹽穴形態的測量方法，并對水平鹽穴形態探測器監控系統進行了軟硬件設計。系統采用了三電機驅動方式，通過控制器實現電機的自動調控和遠程檢測，系統結構簡單，性能優越。經過實驗測量，監控系統能夠滿足水平鹽穴形態探測器在鹽穴測量過程中的工作需求，證明該系統的可行性，具有一定的工程應用價值。