一種深海鉆機水下控制倉的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例公開了一種深海鉆機水下控制倉，包括光纖通信機和控制板，所述控制板的輸入端連接溫度傳感器，到位傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器，電壓互感器，電流互感器，位移傳感器，壓力傳感器，深海水聽器，新型姿態(tài)檢測的輸出端，控制板的輸出端連接攝像頭，照明燈，液壓閥組和移動螺旋槳的控制輸入端，所述光纖通信機用于通過鎧裝光纜與甲板控制系統(tǒng)通信。本發(fā)明通過設(shè)置用于采集多路數(shù)據(jù)的控制板，從而實現(xiàn)對深海地質(zhì)鉆機取樣的穩(wěn)定準確進行。
【專利說明】一種深海鉆機水下控制倉

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于海洋信息【技術(shù)領(lǐng)域】，特別地涉及一種深海鉆機水下控制倉。

【背景技術(shù)】
[0002]20世紀60年代以來，全球人口步入爆炸式增長，地球陸地資源不斷遞減，陸地上主要礦產(chǎn)資源可采年限大多在30年?80年內(nèi)，伴隨著人類對礦物資源、能源需求量的不斷增加，人類開始大規(guī)模地開發(fā)和探索海洋。海洋占據(jù)著地球總面積的七成左右，海洋中除鹽、鎂、金、鈾、溴化物外，海灘中的砂礦、淺海底部的石油、磷鈣石和海綠石，深海底部的錳結(jié)核和重金屬軟泥及其基巖中的礦脈都十分豐富，開發(fā)前景巨大。因此，進軍海洋、開發(fā)海洋已成為世界海洋【技術(shù)領(lǐng)域】的一大主題。我國擁有狹長的海岸線，豐富的海洋資源，海洋對于國家的長遠利益事關(guān)重要。為適應(yīng)當代海洋經(jīng)濟發(fā)展的新形勢，進一步減輕環(huán)境和資源的壓力，增強國際競爭力和綜合國力，我國提出了建設(shè)創(chuàng)新型海洋經(jīng)濟強國的目標。近年來相繼發(fā)展起來的海洋高科技開發(fā)技術(shù)有海水淡化技術(shù)、深海探測與深潛技術(shù)、大洋鉆探技術(shù)、海洋遙感技術(shù)、海洋導(dǎo)航技術(shù)等。
[0003]鉆機是工程勘察的重要設(shè)備，在深海地質(zhì)探測中的作用尤其重要。深海巖芯取樣鉆機工作時鉆頭會重復(fù)地回到同一個鉆孔中，進入循環(huán)鉆探取樣作業(yè)周期。同時深海探測由于對裝備穩(wěn)定性及海底地質(zhì)環(huán)境參數(shù)的多樣性，穩(wěn)定準確地監(jiān)測鉆進參數(shù)，實時有效的調(diào)節(jié)參數(shù)，控制鉆機的運行狀態(tài)才能保證深海探測作業(yè)順利高效的進行。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種深海鉆機水下控制倉，通過設(shè)置用于采集多路數(shù)據(jù)的控制板，從而實現(xiàn)對深海地質(zhì)鉆機取樣的穩(wěn)定準確進行。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]一種深海鉆機水下控制倉，包括光纖通信機和控制板，所述控制板的輸入端連接溫度傳感器，到位傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器，電壓互感器，電流互感器，位移傳感器，壓力傳感器，深海水聽器，新型姿態(tài)檢測的輸出端，控制板的輸出端連接攝像頭，照明燈，液壓閥組和移動螺旋槳的控制輸入端，所述光纖通信機用于通過鎧裝光纜與甲板控制系統(tǒng)通信。
[0007]優(yōu)選地，其中控制板進一步包括主控板系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集板以及至少一塊擴展板卡系統(tǒng)，不同的檢測量輸入由不同的輸入轉(zhuǎn)換電路進行采集與相應(yīng)處理后采用中斷方式通知主控板系統(tǒng)，主控板系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集板中讀取輸入信號，對輸入信號進行一定的運算判決后得到需要輸出的控制信號，再利用負責輸出的通用I/O 口輸出這些控制信號，并利用輸出驅(qū)動和繼電器電路對高壓、強電設(shè)備進行控制，主控板系統(tǒng)根據(jù)總線通信方式進行運算處理和高層判決，然后輸出控制指令給擴展板系統(tǒng)，由擴展板系統(tǒng)完成深鉆水下液壓閥組的復(fù)雜控制。
[0008]優(yōu)選地，所述深海鉆機水下控制倉進一步包括液壓泵站電機噪聲采集模塊。
[0009]優(yōu)選地，所述深海鉆機水下控制倉進一步包括卸扣器電機噪聲采集模塊。
[0010]優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集板包括經(jīng)過光耦隔離由單片機I/O 口采集的8路數(shù)字信號采集，10路AD采集，2路隔離電壓信號輸出，I路隔離電流采集，I路隔離電壓采集，I路485通信接口，I路RS-232接口，I路CAN通信接口和4路單觸點繼電器。
[0011]優(yōu)選地，所述主控板系統(tǒng)進一步包括I路深度計，I路液壓系統(tǒng)壓力，I路沖洗液壓力，4路關(guān)鍵點液壓壓力，I路動力頭位移，2路姿態(tài)傳感器2路工作噪聲的12路模擬信號輸入端。
[0012]優(yōu)選地，所述主控板進一步包括I路離底高度計，4路動力頭關(guān)鍵位置霍爾傳感器，I路控制倉溫升，I路控制倉芯片溫升，I路液壓系統(tǒng)油溫，I路電機溫升，I路新型姿態(tài)檢測接口的10路數(shù)字信號輸入端。
[0013]優(yōu)選地，所述主控板系統(tǒng)采用STM32芯片。
[0014]優(yōu)選地，所述主控板系統(tǒng)的控制芯片型號為STM32F107VCT6，STM32F107VCT6的10腳、19腳、20腳、27腳、37腳、49腳、74腳、94腳、99腳接地，11腳、28腳、50腳、75腳和100腳并聯(lián)后跨接電容第八電容，第九電容，第十電容，第i^一電容，第十二電容到地與3.3V電壓輸出端連接，21腳跨接電容第十四電容到地，同時VREF輸出端連接，22腳跨接電容第十三電容到地，同時與3.3V電壓輸出端連接。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
[0016](I)通過對多路傳感器參數(shù)的采集和鉆機視頻信號的實時觀測，可實時掌握鉆機的工作狀態(tài)，準確，穩(wěn)定，高效；
[0017](2)設(shè)置液壓泵站電機噪聲采集模塊，實現(xiàn)了一種新型液壓泵站電機噪聲電子聽診器結(jié)構(gòu)；
[0018](3)設(shè)置卸扣器電機噪聲采集模塊，實現(xiàn)了一種新型卸扣器電機噪聲電子聽診器結(jié)構(gòu)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明實施例一的深海鉆機水下控制倉的結(jié)構(gòu)框圖；
[0020]圖2為本發(fā)明實施例一的深海鉆機水下控制倉中主控板的結(jié)構(gòu)框圖；
[0021]圖3為本發(fā)明實施例二的深海鉆機水下控制倉中液壓泵站電機噪聲采集模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明實施例三的深海鉆機水下控制倉中卸扣器電機噪聲采集模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖5為本發(fā)明實施例四的深海鉆機水下控制倉中主控板的主控芯片的電路結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0025]相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本發(fā)明有更好的了解，在下文對本發(fā)明的細節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。
[0026]實施例1
[0027]參見圖1，所示為本發(fā)明實施例一的深海鉆機水下控制倉的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括光纖通信機201和控制板202，光纖通信機201和甲板控制系統(tǒng)10通過鎧裝光纜30進行深海鉆機水下控制倉20的數(shù)據(jù)傳輸，控制板202的輸入端連接溫度傳感器，到位傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器，電壓互感器，電流互感器，位移傳感器，壓力傳感器，深海水聽器，新型姿態(tài)檢測的輸出端，控制板的輸出端連接攝像頭，照明燈，液壓閥組和移動螺旋槳的控制輸入端。參見圖2，控制板202進一步包括主控板系統(tǒng)2021、數(shù)據(jù)采集板2022以及擴展板卡系統(tǒng)，擴展板系統(tǒng)可以為至少一塊，例如圖示中包括N塊擴展板系統(tǒng)，第一擴展板系統(tǒng)2023-1，第二擴展板系統(tǒng)2023-2，......，以及第N擴展板系統(tǒng)2023-N，不同的檢測量輸入由不同的輸入轉(zhuǎn)換電路進行采集與相應(yīng)處理后采用中斷方式通知主控板系統(tǒng)，主控板系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集板中讀取輸入信號，對輸入信號進行一定的運算判決后得到需要輸出的控制信號，再利用負責輸出的通用I/O 口輸出這些控制信號，并利用輸出驅(qū)動和繼電器電路對高壓、強電設(shè)備進行控制，主控板系統(tǒng)根據(jù)總線通信方式進行運算處理和高層判決，然后輸出控制指令給擴展板系統(tǒng)，由擴展板系統(tǒng)完成深鉆水下液壓閥組的復(fù)雜控制?？刂瓢甯髂K的要求如下:
[0028]主控板系統(tǒng)2021
[0029]主控板系統(tǒng)作為主控板的核心部件，擔當了系統(tǒng)通信的橋梁，復(fù)雜各種指令的高效解析，實時執(zhí)行。主控板系統(tǒng)的穩(wěn)定性很大一部分就是決定了整體系統(tǒng)的安全，穩(wěn)定，增加系統(tǒng)的可拓展性，提升系統(tǒng)搭載傳感器的兼容性。在實施時，對主控板系統(tǒng)作如下設(shè)置:
[0030](I)預(yù)留多路RS-232接口、作為外掛工業(yè)傳感器接口，兼容目前主流高度計數(shù)據(jù)格式。
[0031](2)繼電器接口:設(shè)計3路1A大功率繼電器，滿足液壓系統(tǒng)中大功率閥(如卸荷閥、拋棄、回位閥-功率:24V/5A)的控制；8路5A中小功率繼電器，用于控制水下強電接觸器、攝像頭、燈、高度計等設(shè)計。
[0032](3)數(shù)字量接口:一種為脈沖數(shù)據(jù)測量，另外一種為一般電平高低測量端口。脈沖數(shù)字信號也分為兩種，電流型和電壓型。主控板脈沖信號測量為兼容性電路設(shè)計，用戶可以根據(jù)實際傳感器的型號功能來考慮電路的焊接。
[0033]擴展板系統(tǒng)
[0034]擴展板系統(tǒng)采用CAN總線設(shè)計，CAN具有實時性好，開發(fā)方便，不會長時間占用總線，鏈接簡單，抗干擾能力強等優(yōu)勢。擴展原理為RAM映射擴展，主控板基本配置為3個32位1擴展，每塊主控板固定總線地址。通過內(nèi)存映射就實現(xiàn)了軟硬件操控的隔離，對于編程人員而言，操控繼電器相當于改變主控板單片機內(nèi)存中的一個數(shù)據(jù)，無需考慮擴展板卡的任何指令、動作，使得主控板和擴展板成為一個整體。
[0035]數(shù)據(jù)采集板2022
[0036]數(shù)據(jù)采集板由24V供電，設(shè)置如下:
[0037](I)數(shù)字信號采集8路，數(shù)字信號經(jīng)過光耦隔離由單片機I/O 口采集。
[0038](2) AD采集10路，其中AD1-AD5采集電壓信號，AD6-AD10可以采集電流量(經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換)。每路AD接口可以向外提供24V電源。
[0039](3)隔離電壓信號輸出2路。MCU的DAC輸出經(jīng)過運放的變換，實現(xiàn)可以輸出-5V-+5V電壓，然后經(jīng)過隔離運放輸出。
[0040](4)隔離電流采集I路，采集范圍-20A?+20A。由電流檢測芯片轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后MCU的ADC采集。
[0041](5)隔離電壓采集I路。經(jīng)過分壓、隔離運放隔離后，由MCU的ADC采集。
[0042](6)高精度差分信號2路，或者4路高精度電壓信號采集。
[0043](7)標準485通信接口 I路。
[0044](8)標準 RS-232 接口 I 路。
[0045](9)標準CAN通信接口 I路。
[0046](10)可外擴MPU傳感器板。
[0047](11)單觸點繼電器4路，MCU控制開關(guān)，繼電器關(guān)閉輸出口可輸出24V電壓。
[0048]光纖通信機201
[0049]光纖通信機提供了多路RS-232接口、RS-485/RS-422接口、6路模擬攝像機接口、2路音頻接口等，因此可以滿足水下系統(tǒng)的多種接口接入方式。水下主控板與水下光纖通信機的連接采用RS-232接口，水下攝像機與水下光纖通信機的連接采用模擬視頻接口。
[0050]在具體應(yīng)用實例中，主控板的數(shù)據(jù)采集接口如下:標清圖像傳輸信號6路(水下尋址監(jiān)2路；水下工作過程4路)；模擬量采集信號12路(深度計I路；液壓系統(tǒng)壓力I路；沖洗液壓力I路；關(guān)鍵點液壓壓力4路；動力頭位移I路；姿態(tài)傳感器2路；工作噪聲2路)；數(shù)字量采集信號10路(離底高度計I路；動力頭關(guān)鍵位置霍爾傳感器4路；控制倉溫升I路；控制倉芯片溫升I路；液壓系統(tǒng)油溫I路；電機溫升I路；新型姿態(tài)檢測接口 I路)；數(shù)字量控制點80路(離底高度計電源控制I路；水下照明燈電源控制6路；水下攝像機電源控制6路；液壓系統(tǒng)加載(換向閥)I路；動力頭控制:31路；鉆具庫控制10路；鉆桿庫控制10路；支腿伸、縮控制8路；沖洗液控制4路；尋址攝像機伸縮控制2路；高、低壓電源控制I路)；甲板監(jiān)控量(高壓在線絕緣監(jiān)測；電機運行參數(shù)(相電壓、電流、功率等))。
[0051]通過以上設(shè)置的深海鉆機水下控制倉，通過對多路傳感器參數(shù)的采集和鉆機視頻信號的實時觀測，可實時掌握鉆機的工作狀態(tài)，準確，穩(wěn)定，高效。
[0052]在機械噪聲由機器固有噪聲和異常造成組成，它是由于機械軸承轉(zhuǎn)動、液壓流動以及擋塊碰撞和閥組啟停所產(chǎn)生的震動形成的。機械噪聲是診斷機械異常及執(zhí)行與否的重要依據(jù)。因此接下來將通過實施例2和實施利率3對本發(fā)明實施例的深海鉆機地質(zhì)取樣電子控制系統(tǒng)增加噪聲采集模塊。
[0053]實施例2
[0054]其設(shè)置包括了實施例1中的所有結(jié)構(gòu)和部件，參見圖3，并在水下控制系統(tǒng)中進一步設(shè)置液壓泵站電機噪聲采集模塊204。利用駐極體式聲音傳感器實現(xiàn)的液壓泵電機噪音數(shù)據(jù)采集，并通過信號調(diào)理放大電路進行放大，利用現(xiàn)有光纖通信將數(shù)據(jù)傳送至甲板工放，實現(xiàn)了一種新型液壓泵站電機噪聲電子聽診器結(jié)構(gòu)。
[0055]實施例3
[0056]其設(shè)置包括了實施例1中的所有結(jié)構(gòu)和部件，參見圖3，并在水下控制系統(tǒng)中進一步設(shè)置卸扣器電機噪聲采集模塊205。利用駐極體式聲音傳感器實現(xiàn)的液壓泵電機噪音數(shù)據(jù)采集，并通過信號調(diào)理放大電路進行放大，利用現(xiàn)有光纖通信將數(shù)據(jù)傳送至甲板工放，實現(xiàn)了一種新型卸扣器電機噪聲電子聽診器結(jié)構(gòu)。
[0057]實施例4
[0058]在一具體應(yīng)用實例中，參見圖5，主控板系統(tǒng)的控制芯片型號為STM32F107VCT6，STM32F107VCT6 的 10 腳、19 腳、20 腳、27 腳、37 腳、49 腳、74 腳、94 腳、99 腳接地，11 腳、28腳、50腳、75腳和100腳并聯(lián)后跨接電容第八電容C8，第九電容C9，第十電容C10，第i^一電容C11，第十二電容C12到地與3.3V電壓輸出端連接，21腳跨接電容第十四電容C14到地，同時與VREF輸出端連接，22腳跨接電容第十三電容C13到地，同時與3.3V電壓輸出端連接。通過選用以上的主控芯片，使得主控板系統(tǒng)具有高速的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設(shè)接口，擴展性良好。
[0059]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種深海鉆機水下控制倉，其特征在于，包括光纖通信機和控制板，所述控制板的輸入端連接溫度傳感器，到位傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器，電壓互感器，電流互感器，位移傳感器，壓力傳感器，深海水聽器，新型姿態(tài)檢測的輸出端，控制板的輸出端連接攝像頭，照明燈，液壓閥組和移動螺旋槳的控制輸入端，所述光纖通信機用于通過鎧裝光纜與甲板控制系統(tǒng)通?目。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深海鉆機水下控制倉，其特征在于，其中控制板進一步包括主控板系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集板以及至少一塊擴展板卡系統(tǒng)，不同的檢測量輸入由不同的輸入轉(zhuǎn)換電路進行采集與相應(yīng)處理后采用中斷方式通知主控板系統(tǒng)，主控板系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集板中讀取輸入信號，對輸入信號進行一定的運算判決后得到需要輸出的控制信號，再利用負責輸出的通用I/O 口輸出這些控制信號，并利用輸出驅(qū)動和繼電器電路對高壓、強電設(shè)備進行控制，主控板系統(tǒng)根據(jù)總線通信方式進行運算處理和高層判決，然后輸出控制指令給擴展板系統(tǒng)，由擴展板系統(tǒng)完成深鉆水下液壓閥組的復(fù)雜控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深海鉆機水下控制倉，其特征在于，所述深海鉆機水下控制倉進一步包括液壓泵站電機噪聲采集模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深海鉆機水下控制倉，其特征在于，所述深海鉆機水下控制倉進一步包括卸扣器電機噪聲米集模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的深海鉆機水下控制倉，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集板包括經(jīng)過光耦隔離由單片機I/o 口采集的8路數(shù)字信號采集，10路AD采集，2路隔離電壓信號輸出，I路隔離電流采集，I路隔離電壓采集，I路485通信接口，I路RS-232接口，I路CAN通信接口和4路單觸點繼電器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的深海鉆機水下控制倉，其特征在于，所述主控板系統(tǒng)進一步包括I路深度計，I路液壓系統(tǒng)壓力，I路沖洗液壓力，4路關(guān)鍵點液壓壓力，I路動力頭位移，2路姿態(tài)傳感器2路工作噪聲的12路模擬信號輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的深海鉆機水下控制倉，其特征在于，所述主控板進一步包括I路離底高度計，4路動力頭關(guān)鍵位置霍爾傳感器，I路控制倉溫升，I路控制倉芯片溫升，I路液壓系統(tǒng)油溫，I路電機溫升，I路新型姿態(tài)檢測接口的10路數(shù)字信號輸入端。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的深海鉆機水下控制倉，其特征在于，所述主控板系統(tǒng)采用STM32芯片。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的深海鉆機水下控制倉，其特征在于，所述主控板系統(tǒng)的控制芯片型號為 STM32F107VCT6，STM32F107VCT6 的 10 腳、19 腳、20 腳、27 腳、37 腳、49 腳、74 腳、94腳、99腳接地，11腳、28腳、50腳、75腳和100腳并聯(lián)后跨接電容第八電容，第九電容，第十電容，第i^一電容，第十二電容到地與3.3V電壓輸出端連接，21腳跨接電容第十四電容到地，同時VREF輸出端連接，22腳跨接電容第十三電容到地，同時與3.3V電壓輸出端連接。
【文檔編號】E21B44/00GK104265263SQ201410430531
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月28日
【發(fā)明者】劉文方, 何淑飛, 嚴海玉, 孫啟梁 申請人:杭州墨銳機電科技有限公司