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海底观测网络水下接驳盒原型系统技术研究

卢汉良  
【摘要】:海底观测网络水下接驳技术是海洋科学与技术领域的前沿课题。将多个海底观测设备在水下连接,实现对各种海底观测设备所需电能和信息集中控制和管理的技术,称为水下接驳技术。应用水下接驳技术对电能和信息实施控制和管理的装置,称为接驳盒。传统的海洋观测技术受到电能长期供给和信息实时传送的限制。基于水下接驳技术的海底观测网络能够提供持续电能供给和实时高带宽数据传输,实现了对海底的长期连续实时原位观测。 在国家985工程2期浙江大学机电系统创新平台项目“海底观测网络试验平台”的资助下,本文在理论分析和实验测试的基础上,对海底观测网络水下接驳盒原型系统技术进行了较为系统的研究,并初步建成ZERO系统。主要研究内容与结论有: 1.提出了一种模块化的接驳盒原型系统结构。采用主控电路腔、高压转换腔和低压转换腔3个耐压密封腔体,实现了接驳盒原型系统的机电集成封装。基于第一强度理论,完成了接驳盒耐压腔体的强度设计计算和稳定性校核,并利用ANSYS软件对耐压腔体和端盖进行了仿真分析,保证了接驳盒能够用于深海高压环境。接驳盒耐压腔体使用双层O形密封圈实现了可靠的轴向密封。采用腔体内部充油散热和端盖散热相结合的方法,保证了接驳盒系统的稳定运行。 2.提出了一种由监控中心层、主干网层和子网层构成的海底观测网络系统结构。参照OSI/RM模型,设计了一种基于TCP/IP协议的主干网通信协议分层模型。针对信息传输的实时性要求,采用了基于TCP/IP协议的光以太网技术、Modbus协议、RS485协议和应用层自定义协议相结合的方法,实现了海底观测网络的数据采集及相应的通信控制。采用SNTP服务器对时和指令帧对时相结合的组合授时方法,实现了系统的精确时间同步。 3.通过对高压直流输电和交流输电的对比分析,确定ZERO系统采用金属导线回路方式实现高压直流输电。分析了PWM控制、双管正激变换和ISOP组合系统的输入侧均压和输出侧均流技术,提出了将功率MOSFET以输入串联输出并联的方式连接,采用基于PWM电流型反馈控制的双管正激电路的方法,实现了接驳盒的2kV/400V DC/DC变换器的2kV DC高压直流电能到400V DC中压直流电能的转换。 4.设计了基于MSP430F149单片机的接驳盒电能管理系统,采用霍尔电流传感器测量海底观测设备的电流,采用分压的方法测量电压,使用热敏电阻测量接驳盒内部的温度,并通过机械继电器开关的远程分合控制,实现了海底观测设备的电能分配控制。 5.开展了ZERO接驳盒系统的实验室高压舱和水池实验研究,实验结果表明了所设计的水下接驳盒原型系统能够应用于海底的高压环境,验证了水下接驳技术的有效性和可靠性。 本文的研究成果为我国实际的海底观测网络的建设进行了先期的理论研究,提供了重要的理论基础和关键技术支撑。所研制的水下接驳盒原型系统在海洋环境监测、海啸灾害监测和海底资源勘探等领域都具有广阔的应用前景。


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