一种深海钻机地质取样电子监控系统的制作方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种深海钻机地质取样电子监控系统，包括甲板控制系统和钻机水下控制仓，甲板控制系统主要包括图像监控计算机、甲板操作台、甲板通信机、视频服务器和集线器，水下控制仓主要包括光纤通信机和控制板，控制板的输入端连接温度传感器，到位传感器，转速传感器，电压互感器，电流互感器，位移传感器，压力传感器，深海水听器，新型姿态检测的输出端，控制板的输出端连接摄像头，照明灯，液压阀组和移动螺旋桨的控制输入端。本发明通过设置用于参数实时监控海底探测视频及进行控制指令发送的甲板控制系统和用于采集多路数据的钻机水下控制系统，从而实现对深海地质钻机取样的稳定准确进行。
【专利说明】一种深海钻机地质取样电子监控系统
【技术领域】
[0001]本发明属于海洋信息【技术领域】，特别地涉及一种深海钻机地质取样电子监控系统。
【背景技术】
[0002]20世纪60年代以来，全球人口步入爆炸式增长，地球陆地资源不断递减，陆地上主要矿产资源可采年限大多在30年?80年内，伴随着人类对矿物资源、能源需求量的不断增加，人类开始大规模地开发和探索海洋。海洋占据着地球总面积的七成左右，海洋中除盐、镁、金、铀、溴化物外，海滩中的砂矿、浅海底部的石油、磷钙石和海绿石，深海底部的锰结核和重金属软泥及其基岩中的矿脉都十分丰富，开发前景巨大。因此，进军海洋、开发海洋已成为世界海洋【技术领域】的一大主题。我国拥有狭长的海岸线，丰富的海洋资源，海洋对于国家的长远利益事关重要。为适应当代海洋经济发展的新形势，进一步减轻环境和资源的压力，增强国际竞争力和综合国力，我国提出了建设创新型海洋经济强国的目标。近年来相继发展起来的海洋高科技开发技术有海水淡化技术、深海探测与深潜技术、大洋钻探技术、海洋遥感技术、海洋导航技术等。
[0003]钻机是工程勘察的重要设备，在深海地质探测中的作用尤其重要。深海岩芯取样钻机工作时钻头会重复地回到同一个钻孔中，进入循环钻探取样作业周期。同时深海探测由于对装备稳定性及海底地质环境参数的多样性，稳定准确地监测钻进参数，实时有效的调节参数，控制钻机的运行状态才能保证深海探测作业顺利高效的进行。
【发明内容】
[0004]为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种深海钻机地质取样电子监控系统，通过设置用于参数实时监控海底探测视频及进行控制指令发送的甲板控制系统和用于采集多路数据的钻机水下控制系统，从而实现对深海地质钻机取样的稳定准确进行。
[0005]为实现上述目的，本发明的技术方案为:
[0006]一种深海钻机地质取样电子监控系统，包括甲板控制系统和钻机水下控制仓，甲板控制系统主要包括图像监控计算机、甲板操作台、甲板通信机、视频服务器和集线器，水下控制仓主要包括光纤通信机和控制板，光纤通信机和甲板通信机通过铠装光缆进行甲板控制系统和水下控制仓数据的传输，控制板的输入端连接温度传感器，到位传感器，转速传感器，电压互感器，电流互感器，位移传感器，压力传感器，深海水听器，新型姿态检测的输出端，控制板的输出端连接摄像头，照明灯，液压阀组和移动螺旋桨的控制输入端，所述图像监控计算机用于接收并显示水下高度计数据、GPS数据及多波速水深，实现视频的解码并显示，所述甲板操作台用于显示水下钻机的当前动作与工作状态、显示液压阀状态与传感器数据，发送手动、自动以及半自动操作命令请求，所述视频服务器用于编码摄像信号，所述集线器用于将多路视频信号发送至图像监控计算机。
[0007]优选地，其中控制板进一步包括主控板系统、数据采集板以及至少一块扩展板卡系统，不同的检测量输入由不同的输入转换电路进行采集与相应处理后采用中断方式通知主控板系统，主控板系统从数据采集板中读取输入信号，对输入信号进行一定的运算判决后得到需要输出的控制信号，再利用负责输出的通用I/O 口输出这些控制信号，并利用输出驱动和继电器电路对高压、强电设备进行控制，主控板系统根据总线通信方式进行运算处理和高层判决，然后输出控制指令给扩展板系统，由扩展板系统完成深钻水下液压阀组的复杂控制。
[0008]优选地，所述水下控制系统进一步包括液压泵站电机噪声采集模块。
[0009]优选地，所述水下控制系统进一步包括卸扣器电机噪声采集模块。
[0010]优选地，所述数据采集板包括经过光耦隔离由单片机I/O 口采集的8路数字信号采集，10路AD采集，2路隔离电压信号输出，I路隔离电流采集，I路隔离电压采集，I路485通信接口，I路RS-232接口，I路CAN通信接口和4路单触点继电器。
[0011]优选地，所述主控板系统进一步包括I路深度计，I路液压系统压力，I路冲洗液压力，4路关键点液压压力，I路动力头位移，2路姿态传感器2路工作噪声的12路模拟信号输入端。
[0012]优选地，所述主控板进一步包括I路离底高度计，4路动力头关键位置霍尔传感器，I路控制仓温升，I路控制仓芯片温升，I路液压系统油温，I路电机温升，I路新型姿态检测接口的10路数字信号输入端。
[0013]优选地，所述主控板系统采用STM32芯片。
[0014]优选地，所述主控板系统的控制芯片型号为STM32F107VCT6，STM32F107VCT6的10脚、19脚、20脚、27脚、37脚、49脚、74脚、94脚、99脚接地，11脚、28脚、50脚、75脚和100脚并联后跨接电容第八电容，第九电容，第十电容，第i^一电容，第十二电容到地与3.3V电压输出端连接，21脚跨接电容第十四电容到地，同时VREF输出端连接，22脚跨接电容第十三电容到地，同时与3.3V电压输出端连接。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:
[0016](I)通过对多路传感器参数的采集和钻机视频信号的实时观测，可实时掌握钻机的工作状态，准确，稳定，高效；
[0017](2)设置液压泵站电机噪声采集模块，实现了一种新型液压泵站电机噪声电子听诊器结构；
[0018](3)设置卸扣器电机噪声采集模块，实现了一种新型卸扣器电机噪声电子听诊器结构。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明实施例一的深海钻机地质取样电子监控系统的结构框图；
[0020]图2为本发明实施例一的深海钻机地质取样电子监控系统中主控板的结构框图；
[0021]图3为本发明实施例二的深海钻机地质取样电子监控系统中液压泵站电机噪声采集模块的结构示意图；
[0022]图4为本发明实施例三的深海钻机地质取样电子监控系统中卸扣器电机噪声采集模块的结构示意图；
[0023]图5为本发明实施例四的深海钻机地质取样电子监控系统中主控板的主控芯片的电路结构图。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025]相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0026]实施例1
[0027]参见图1，所示为本发明实施例一的一种深海钻机地质取样电子监控系统，其包括甲板控制系统10和钻机水下控制仓20，甲板控制系统10主要包括图像监控计算机105、甲板操作台101、甲板通信机102、视频服务器103和集线器104，水下控制仓主要包括光纤通信机201和控制板202，光纤通信机201和甲板通信机102通过铠装光缆进行甲板控制系统10和水下控制仓20数据的传输，控制板202的输入端连接温度传感器，到位传感器，转速传感器，电压互感器，电流互感器，位移传感器，压力传感器，深海水听器，新型姿态检测的输出端，控制板的输出端连接摄像头，照明灯，液压阀组和移动螺旋桨的控制输入端，图像监控计算机105用于接收并显示水下高度计数据、GPS数据及多波速水深，实现视频的解码并显示，甲板操作台101用于显示水下钻机的当前动作与工作状态、显示液压阀状态与传感器数据，发送手动、自动以及半自动操作命令请求，视频服务器103用于编码摄像信号，集线器104用于将多路视频信号发送至图像监控计算机。通过甲板操作台，把操作者的意图转换成电信号，经通讯光缆传输至钻机水下控制仓，然后分送至(控制)不同的执行机构(如阀箱、灯、摄像机等)。同时，把水下执行机构的反馈(传感器信号、图像等)返送至甲板操作台，供操作者查看。甲板控制系统实时显示6路模拟摄像机捕捉到的图像，包括两路寻址监视摄像机和4路水下工作过程监视摄像机的图像，协助钻机在复杂的环境中完成寻址、钻进等工作的进行。并对摄像机电源和辅助摄像工作的探照灯电源进行启停控制。设置视像控制菜单对摄像系统进行控制，包括摄像机启停、图像监视、甲板硬盘录像等功能。同时还可以在视频图像播放中叠加当前经纬度，作业时间等字幕，以便同步保存信息。输入至控制板的多路传感器参数数据包括如水深，距离高度，船上供电电压和电流，系统绝缘的环境参数，包括液压系统压力、关键部件液压工作压力，冲洗液供给压力，水下设备工作温度等工作参数，如动力头位移和关键位置点的工作机构参数。
[0028]在一具体应用实例中，参见图2，控制板进一步包括主控板系统2021、数据采集板2022以及扩展板卡系统，扩展板系统可以为至少一块，例如图示中包括N块扩展板系统，第一扩展板系统2023-1，第二扩展板系统2023-2，......，以及第N扩展板系统2023-N，不同的检测量输入由不同的输入转换电路进行采集与相应处理后采用中断方式通知主控板系统，主控板系统从数据采集板中读取输入信号，对输入信号进行一定的运算判决后得到需要输出的控制信号，再利用负责输出的通用I/O 口输出这些控制信号，并利用输出驱动和继电器电路对高压、强电设备进行控制，主控板系统根据总线通信方式进行运算处理和高层判决，然后输出控制指令给扩展板系统，由扩展板系统完成深钻水下液压阀组的复杂控制。在具体应用实例中，主控板的数据采集接口如下:标清图像传输信号6路(水下寻址监2路；水下工作过程4路)；模拟量采集信号12路(深度计I路；液压系统压力I路；冲洗液压力I路；关键点液压压力4路；动力头位移I路；姿态传感器2路；工作噪声2路)；数字量采集信号10路(离底高度计I路；动力头关键位置霍尔传感器4路；控制仓温升I路；控制仓芯片温升I路；液压系统油温I路；电机温升I路；新型姿态检测接口 I路)；数字量控制点80路(离底高度计电源控制I路；水下照明灯电源控制6路；水下摄像机电源控制6路；液压系统加载(换向阀)I路；动力头控制:31路；钻具库控制10路；钻杆库控制10路；支腿伸、缩控制8路；冲洗液控制4路；寻址摄像机伸缩控制2路；高、低压电源控制I路)；甲板监控量(高压在线绝缘监测；电机运行参数(相电压、电流、功率等))。控制板各模块的要求如下:
[0029]A、主控板系统2021
[0030]主控板系统作为主控板的核心部件，担当了系统通信的桥梁，复杂各种指令的高效解析，实时执行。主控板系统的稳定性很大一部分就是决定了整体系统的安全，稳定，增加系统的可拓展性，提升系统搭载传感器的兼容性。在实施时，对主控板系统作如下设置:
[0031](I)预留多路RS-232接口、作为外挂工业传感器接口，兼容目前主流高度计数据格式。
[0032](2)继电器接口:设计3路1A大功率继电器，满足液压系统中大功率阀(如卸荷阀、抛弃、回位阀-功率:24V/5A)的控制；8路5A中小功率继电器，用于控制水下强电接触器、摄像头、灯、高度计等设计。
[0033](3)数字量接口:一种为脉冲数据测量，另外一种为一般电平高低测量端口。脉冲数字信号也分为两种，电流型和电压型。主控板脉冲信号测量为兼容性电路设计，用户可以根据实际传感器的型号功能来考虑电路的焊接。
[0034]B、扩展板系统
[0035]扩展板系统采用CAN总线设计，CAN具有实时性好，开发方便，不会长时间占用总线，链接简单，抗干扰能力强等优势。扩展原理为RAM映射扩展，主控板基本配置为3个32位1扩展，每块主控板固定总线地址。通过内存映射就实现了软硬件操控的隔离，对于编程人员而言，操控继电器相当于改变主控板单片机内存中的一个数据，无需考虑扩展板卡的任何指令、动作，使得主控板和扩展板成为一个整体。
[0036]C、数据采集板2022
[0037]数据采集板由24V供电，设置如下:
[0038](I)数字信号采集8路，数字信号经过光耦隔离由单片机I/O 口采集。
[0039](2) AD采集10路，其中AD1-AD5采集电压信号，AD6-AD10可以采集电流量(经过采样电阻转换)。每路AD接口可以向外提供24V电源。
[0040](3)隔离电压信号输出2路。MCU的DAC输出经过运放的变换，实现可以输出-5V-+5V电压，然后经过隔离运放输出。
[0041](4)隔离电流采集I路，采集范围-20A?+20A。由电流检测芯片转换为电压信号，然后MCU的ADC采集。
[0042](5)隔离电压采集I路。经过分压、隔离运放隔离后，由MCU的ADC采集。
[0043](6)高精度差分信号2路，或者4路高精度电压信号采集。
[0044](7)标准485通信接口 I路。
[0045](8)标准 RS-232 接口 I 路。
[0046](9)标准CAN通信接口 I路。
[0047](10)可外扩MPU传感器板。
[0048](11)单触点继电器4路，MCU控制开关，继电器关闭输出口可输出24V电压。
[0049]D、光纤通信机201
[0050]光纤通信机提供了多路RS-232接口、RS-485/RS-422接口、6路模拟摄像机接口、2路音频接口等，因此可以满足水下系统的多种接口接入方式。水下主控板与水下光纤通信机的连接采用RS-232接口，水下摄像机与水下光纤通信机的连接采用模拟视频接口。
[0051]通过以上设置的深海钻机地质取样电子监控系统，通过对多路传感器参数的采集和钻机视频信号的实时观测，可实时掌握钻机的工作状态，准确，稳定，高效。
[0052]在机械噪声由机器固有噪声和异常造成组成，它是由于机械轴承转动、液压流动以及挡块碰撞和阀组启停所产生的震动形成的。机械噪声是诊断机械异常及执行与否的重要依据。因此接下来将通过实施例2和实施利率3对本发明实施例的深海钻机地质取样电子监控系统增加噪声采集模块。
[0053]实施例2
[0054]其设置包括了实施例1中的所有结构和部件，参见图3，并在水下控制系统中进一步设置液压泵站电机噪声采集模块204。利用驻极体式声音传感器实现的液压泵电机噪音数据采集，并通过信号调理放大电路进行放大，利用现有光纤通信将数据传送至甲板工放，实现了一种新型液压泵站电机噪声电子听诊器结构。
[0055]实施例3
[0056]其设置包括了实施例1中的所有结构和部件，参见图3，并在水下控制系统中进一步设置卸扣器电机噪声采集模块205。利用驻极体式声音传感器实现的液压泵电机噪音数据采集，并通过信号调理放大电路进行放大，利用现有光纤通信将数据传送至甲板工放，实现了一种新型卸扣器电机噪声电子听诊器结构。
[0057]实施例4
[0058]在一具体应用实例中，参见图5，主控板系统的控制芯片型号为STM32F107VCT6，STM32F107VCT6 的 10 脚、19 脚、20 脚、27 脚、37 脚、49 脚、74 脚、94 脚、99 脚接地，11 脚、28脚、50脚、75脚和100脚并联后跨接电容第八电容C8，第九电容C9，第十电容C10，第i^一电容C11，第十二电容C12到地与3.3V电压输出端连接，21脚跨接电容第十四电容C14到地，同时与VREF输出端连接，22脚跨接电容第十三电容C13到地，同时与3.3V电压输出端连接。通过选用以上的主控芯片，使得主控板系统具有高速的数据处理能力和丰富的外设接口，扩展性良好。
[0059]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种深海钻机地质取样电子监控系统，包括甲板控制系统和钻机水下控制仓，其特征在于，甲板控制系统主要包括图像监控计算机、甲板操作台、甲板通信机、视频服务器和集线器，水下控制仓主要包括光纤通信机和控制板，光纤通信机和甲板通信机通过铠装光缆进行甲板控制系统和水下控制仓数据的传输，控制板的输入端连接温度传感器，到位传感器，转速传感器，电压互感器，电流互感器，位移传感器，压力传感器，深海水听器，新型姿态检测的输出端，控制板的输出端连接摄像头，照明灯，液压阀组和移动螺旋桨的控制输入端，所述图像监控计算机用于接收并显示水下高度计数据、GPS数据及多波速水深，实现视频的解码并显示，所述甲板操作台用于显示水下钻机的当前动作与工作状态、显示液压阀状态与传感器数据，发送手动、自动以及半自动操作命令请求，所述视频服务器用于编码摄像信号，所述集线器用于将多路视频信号发送至图像监控计算机。
2.根据权利要求1所述的深海钻机地质取样电子监控系统，其特征在于，其中控制板进一步包括主控板系统、数据采集板以及至少一块扩展板卡系统，不同的检测量输入由不同的输入转换电路进行采集与相应处理后采用中断方式通知主控板系统，主控板系统从数据采集板中读取输入信号，对输入信号进行一定的运算判决后得到需要输出的控制信号，再利用负责输出的通用I/O 口输出这些控制信号，并利用输出驱动和继电器电路对高压、强电设备进行控制，主控板系统根据总线通信方式进行运算处理和高层判决，然后输出控制指令给扩展板系统，由扩展板系统完成深钻水下液压阀组的复杂控制。
3.根据权利要求1所述的深海钻机地质取样电子监控系统，其特征在于，所述水下控制系统进一步包括液压泵站电机噪声采集模块。
4.根据权利要求1所述的深海钻机地质取样电子监控系统，其特征在于，所述水下控制系统进一步包括卸扣器电机噪声采集模块。
5.根据权利要求1至4任一所述的深海钻机地质取样电子监控系统，其特征在于，所述数据采集板包括经过光耦隔离由单片机I/o 口采集的8路数字信号采集，10路AD采集，2路隔离电压信号输出，I路隔离电流采集，I路隔离电压采集，I路485通信接口，I路RS-232接口，I路CAN通信接口和4路单触点继电器。
6.根据权利要求1至4任一所述的深海钻机地质取样电子监控系统，其特征在于，所述主控板系统进一步包括I路深度计，I路液压系统压力，I路冲洗液压力，4路关键点液压压力，I路动力头位移，2路姿态传感器2路工作噪声的12路模拟信号输入端。
7.根据权利要求1至4任一所述的深海钻机地质取样电子监控系统，其特征在于，所述主控板进一步包括I路离底高度计，4路动力头关键位置霍尔传感器，I路控制仓温升，I路控制仓芯片温升，I路液压系统油温，I路电机温升，I路新型姿态检测接口的10路数字信号输入端。
8.根据权利要求1至4任一所述的深海钻机地质取样电子监控系统，其特征在于，所述主控板系统采用STM32芯片。
9.根据权利要求8所述的深海钻机地质取样电子监控系统，其特征在于，所述主控板系统的控制芯片型号为STM32F107VCT6，STM32F107VCT6的10脚、19脚、20脚、27脚、37脚、49脚、74脚、94脚、99脚接地，11脚、28脚、50脚、75脚和100脚并联后跨接电容第八电容，第九电容，第十电容，第i^一电容，第十二电容到地与3.3V电压输出端连接，21脚跨接电容第十四电容到地，同时VREF输出端连接，22脚跨接电容第十三电容到地，同时与3.3V电压输出端连接。
【文档编号】G05B19/042GK104166362SQ201410428843
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】刘文方, 何淑飞, 严海玉, 孙启梁 申请人:杭州墨锐机电科技有限公司