PLC通信在智能鉆柱系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

賴 欣，胡 澤，汪春浦

（1. 西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610500；2. 川慶地質(zhì)勘探開(kāi)發(fā)研究院，成都 610051）

0 引言

電力線載波通信是利用電力線作為傳輸載體，通過(guò)載波方式進(jìn)行模擬或數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)囊环N傳輸方式。它以電力線路為傳輸通道，不用額外布線，具有通道可靠性高、投資少、見(jiàn)效快、與電網(wǎng)建設(shè)同步等得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，所以具有較廣闊的應(yīng)用前景[1]。正是電力線載波通信的這些優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于井下智能鉆柱系統(tǒng)中。智能鉆柱是智能鉆井的必要構(gòu)件也是智能鉆井的關(guān)鍵技術(shù)之一，研發(fā)智能鉆柱及其構(gòu)件意義重大。智能鉆柱可以從地面向井下輸送動(dòng)力電能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)地面與井下之間測(cè)控信號(hào)的隨鉆閉環(huán)幾乎零時(shí)差的有線雙向通信，從根本上解決無(wú)線傳輸?shù)娜毕菁爸萍s“瓶頸”。許多油氣田需要鉆水平井、多分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，并且較多使用氣體鉆井和欠平衡鉆井，不能使用泥漿脈沖的MWD，必須使用有線傳輸，才能使用引進(jìn)的地質(zhì)導(dǎo)向的Geolink和滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井、測(cè)井等先進(jìn)技術(shù)的需要[2]。利用電力線載波技術(shù)，通過(guò)智能鉆柱在地面和井下建立雙向數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)電力和信息同步同線傳輸。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力線載波通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)屬于分布式測(cè)控系統(tǒng)，主機(jī)設(shè)在地面，從機(jī)設(shè)在井下。MCU作為控制單元用來(lái)控制調(diào)制解調(diào)模塊工作，耦合電路將載波信號(hào)加載到電力線上并起到強(qiáng)電隔離和阻抗匹配的作用。待傳輸?shù)男盘?hào)采用BPSK調(diào)制技術(shù)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后經(jīng)載波發(fā)送電路放大濾波后，耦合到低壓電力線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)電網(wǎng)傳輸?shù)街付ń邮斩?；在接收端，先?jīng)過(guò)耦合、濾波，將調(diào)制信號(hào)從電力線路上濾出，再經(jīng)過(guò)解調(diào)還原成原信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)需傳送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)MCU隔一定時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，并完成自動(dòng)更新。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)主控單元

單片機(jī)作為PLC電路中的一個(gè)核心部件，一方面MCU控制調(diào)制解調(diào)模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)正常工作；另一方面MCU作為電力線載波調(diào)制解調(diào)模塊和PC機(jī)（或存儲(chǔ)器）之間的數(shù)據(jù)通道，完成兩者數(shù)據(jù)的傳遞。單片機(jī)采用STC89LE516，STC89系列單片機(jī)擁有RISC型8051內(nèi)核，處理速度是8051的12倍，它是STC公司推出的一款性價(jià)比很高的單片機(jī)。

2.2 電力線載波通信主芯片

電力線載波通信主芯片采用瑞斯康威公司智能控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)芯片 RISE3000 系列芯片，根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要選用RISE3401實(shí)現(xiàn)。RISE3401是一款結(jié)構(gòu)緊湊的智能控制網(wǎng)芯片，RISE3401 為32 引腳 LQFP 封裝。RISE3401是一款物理層設(shè)計(jì)上符合EIA709.2、EN50065-1等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，采用BPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)。數(shù)據(jù)的調(diào)制發(fā)送和接收解調(diào)由其內(nèi)部的Transmit DSP Block和Receive DSP Block完成。本系統(tǒng)選用嵌入式工作模式，此時(shí)SPI模塊成為RISE3401與MCU的通訊接口。

2.3 電力線載波通信接口電路設(shè)計(jì)

2.3.1 耦合及接收電路

圖2是載波耦合及接收電路。

耦合電路是載波信號(hào)的輸入和輸出通路，既可將向電力線發(fā)送的信號(hào)耦合到電力線上，又可將從電力線上接收的信號(hào)耦合到通信板，同時(shí)起著隔離 220V/50Hz 工頻的作用。耦合電路中，在電力線的L線串有一個(gè) 0.22pF/275V聚酯電容，用來(lái)隔離50Hz交流電和通過(guò)有用的高頻載波信號(hào)。并有一個(gè)1:1耦合線圈以傳輸有用的載波信號(hào)，同時(shí)起到隔離高壓作用。TVS-8.5V(瞬變二極管)防止快速?zèng)_擊，保護(hù)后端電路。

載波接收電路中，載波信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合電路從電力線上分離出來(lái)，從X_0UT進(jìn)入，通過(guò)帶通濾波器和衰減控制電路進(jìn)入RISE3401的載波接收信號(hào)輸入端PGC_VIN。在接收電路中，為區(qū)分工頻信號(hào)與所需的數(shù)字信號(hào)，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，帶通濾波器以分離電力信號(hào)(標(biāo)準(zhǔn)工頻50Hz)和載波數(shù)字信號(hào)(幾百KHz)，達(dá)到提取高頻數(shù)字信號(hào)的目的[3]。

圖2 載波耦合及接收電路

圖3 發(fā)送放大電路

2.3.2 發(fā)送放大電路

載波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路后，通過(guò)耦合電路直接被發(fā)送到電力線上。RISE3401 的 DAC 輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)外部的硬件驅(qū)動(dòng)電路放大后，才能加載到電力線上。發(fā)送放大電路如圖3 所示，當(dāng) MCU 向電力線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MCU 將數(shù)據(jù)傳到 RISE3401 進(jìn)行調(diào)制處理，放大后的載波信號(hào)經(jīng)RISE3401的TX_OUT送入耦合電路發(fā)送到電力線。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括主程序模塊、中斷處理模塊、載波通信收發(fā)模塊和RISE3401與上位機(jī)的串口通信模塊。本設(shè)計(jì)為提高CPU效率，接收和發(fā)送采用中斷方式處理，保證通信的實(shí)時(shí)性。軟件設(shè)計(jì)是在Keil開(kāi)發(fā)環(huán)境下采用C51語(yǔ)言編寫(xiě)，主流程如圖4所示。

系統(tǒng)在上電后進(jìn)入主程序，延時(shí)等待電源穩(wěn)定，進(jìn)行復(fù)位操作；隨后進(jìn)行初始化操作，對(duì)寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置，如各寄存器、串口緩沖區(qū)的清零等。如有載波數(shù)據(jù)，則進(jìn)入載波接收中斷；如有串口數(shù)據(jù)，則按照協(xié)議格式將數(shù)據(jù)取出，存入串口數(shù)據(jù)緩存數(shù)組，待數(shù)據(jù)接收完整后，進(jìn)入載波發(fā)送中斷發(fā)送數(shù)據(jù)，主程序?qū)⒃俅窝h(huán)檢測(cè)載波中斷或串口中斷。

圖4 主流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

電力線作為信息傳輸載體時(shí)的特殊性使得PLC在不同的通信環(huán)境中的通信質(zhì)量也不相同，對(duì)地面與井下雙向高速通信及電力傳輸環(huán)節(jié)進(jìn)行地面模擬實(shí)驗(yàn)。利用系統(tǒng)板在西南石油大學(xué)實(shí)驗(yàn)樓電力線環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)通信性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)分別在不同時(shí)間段和不同通信距離進(jìn)行了測(cè)試，具體的測(cè)試結(jié)果如表 1 所示。

表1 系統(tǒng)通信性能測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)，通信距離為10m時(shí)具有良好的穩(wěn)定性，由于收發(fā)模塊較近，通信成功率達(dá)100%。隨著距離的增大，誤碼率隨之增加。在相同通信距離條件下，不同時(shí)刻的通信誤碼率也不相同，原因是在某些時(shí)段實(shí)驗(yàn)室內(nèi)連接在電力線上的電器大部分都在工作，插拔電器所產(chǎn)生的脈沖噪聲和由此造成的多徑傳輸造成了誤碼率的急劇上升，而在午休或其他時(shí)段，誤碼率相對(duì)較低。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，注意到通信出現(xiàn)失敗并不是連續(xù)的，軟件設(shè)計(jì)上采用自動(dòng)請(qǐng)求重傳可以解決通信失敗的問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于電力線載波技術(shù)的智能鉆柱信息通信系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試。該系統(tǒng)具有較高的接收靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力，在實(shí)際應(yīng)用中是可行的。但井下環(huán)境惡劣，干擾嚴(yán)重，低壓電力線載波信道的可靠通信不但取決于通信模塊的性能，還會(huì)隨著電力系統(tǒng)的運(yùn)行工況而發(fā)生波動(dòng)。因而，為提高系統(tǒng)通信的綜合可靠性，應(yīng)采取增大發(fā)射功率、信道編碼和糾錯(cuò)控制等措施。

[1] 李文江, 張文超. 基于擴(kuò)頻通信技術(shù)的煤礦井下綜合自動(dòng)化系統(tǒng)研究[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2010, 09.

[2] 肖仕紅, 梁政. 智能鉆井電纜信號(hào)傳輸?shù)难芯楷F(xiàn)狀及難點(diǎn)[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械, 2007, 02.

[3] 韋惠民, 殷曉虎, 暴宇. 擴(kuò)頻通信技術(shù)及應(yīng)用[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 2007: 48-127.