電力線通信技術(shù)在船舶行業(yè)的應(yīng)用

趙振杰，左敬民，張萬期，李艷杰

(天津修船技術(shù)研究所，天津 300456)

電力線通信技術(shù)在船舶行業(yè)的應(yīng)用

趙振杰，左敬民，張萬期，李艷杰

(天津修船技術(shù)研究所，天津 300456)

文章針對(duì)船舶和浮船塢二次布線困難的問題，提出一種采用電力線通信增加數(shù)據(jù)處理的方法。通過電力線調(diào)制解調(diào)器可在已經(jīng)布好的電力線任意部位輸入經(jīng)調(diào)制的通信信號(hào)，并在接收端將該信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、分離來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。該方法適用于船舶和浮船塢的改造和修理中需要增加數(shù)據(jù)通信處理的場(chǎng)合。

電力線；載波通信；數(shù)據(jù)傳輸

電力線通信全稱是電力線載波(PLC,Power Line Carrier)通信，是指利用高壓電力線(在電力載波領(lǐng)域通常指35 kV及以上電壓等級(jí))、中壓電力線(指10 kV電壓等級(jí))或低壓配電線(380/220 V用戶線)作為信息傳輸媒介進(jìn)行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。PLC把載有信息的高頻信號(hào)加載于電流中，然后用電力線傳輸，接收信息的適配器再把高頻信號(hào)從電流中分離出來，并傳送到計(jì)算機(jī)或電話以實(shí)現(xiàn)信息傳遞。該技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是不需要重新布線，在現(xiàn)有電線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)語音和視頻等多業(yè)務(wù)。在船舶行業(yè)中，由于船舶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦布線改動(dòng)是困難的，無線信息傳播又受船舶鋼結(jié)構(gòu)的屏蔽制約，所以已建船舶后來的技術(shù)升級(jí)和改裝對(duì)電力線通信技術(shù)非常期待。

1 背景

天津新港船舶重工有限責(zé)任公司前些年建了1座簡(jiǎn)易浮船塢，浮船塢建成后發(fā)現(xiàn)有些設(shè)備如閥門開關(guān)位置和柴油機(jī)等的報(bào)警不能在集中控制臺(tái)處得到顯示和報(bào)警。浮船塢管理人員必須時(shí)常到狹窄的現(xiàn)場(chǎng)去觀察設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

如果重新布線把這些信號(hào)傳送到集控臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一處理，必將對(duì)浮船塢結(jié)構(gòu)造成影響，施工起來也很復(fù)雜。能否將智能電網(wǎng)中的電力線通信技術(shù)用于浮船塢監(jiān)視系統(tǒng)呢，此文在這方面做了一些嘗試。

2 浮船塢電力線通信集中監(jiān)視系統(tǒng)需改造的任務(wù)點(diǎn)

2.1主控臺(tái)

1)主控臺(tái)閥位顯示。共有4個(gè)電動(dòng)閥，每個(gè)閥使用2個(gè)LED(紅、綠)燈顯示其開、閉位置。

2)主控臺(tái)柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示。每臺(tái)柴油機(jī)有12個(gè)雙色的狀態(tài)指示燈，共有3臺(tái)同樣的柴油機(jī)，同時(shí)在主控臺(tái)顯示其運(yùn)行狀態(tài)，共36個(gè)狀態(tài)指示燈。

3)主控臺(tái)內(nèi)加裝1塊單片機(jī)通訊板和1個(gè)電力調(diào)制解調(diào)器，接收倉內(nèi)5個(gè)信號(hào)采集單元發(fā)送過來的狀態(tài)信息并顯示。共44個(gè)LED 顯示，其中 32 個(gè)為雙色LED。

2.2柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示

1)主控臺(tái)柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示。每臺(tái)柴油機(jī)有12個(gè)雙色的狀態(tài)指示燈，共有3臺(tái)同樣的柴油機(jī)，同時(shí)在主控臺(tái)顯示其運(yùn)行狀態(tài)，共36個(gè)狀態(tài)指示燈。

2)柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)測(cè)量。每臺(tái)柴油機(jī)的控制器內(nèi)加裝1塊單片機(jī)通訊板和1個(gè)電力線貓從74LS06引腳上采集信號(hào)，得到其運(yùn)行狀態(tài)并發(fā)送。

3 功能實(shí)現(xiàn)

基于現(xiàn)有的問題我們?cè)O(shè)計(jì)出了一款小型高性能通用電力線通信調(diào)制解調(diào)器，這款調(diào)制解調(diào)器基于電力線載波芯片LME2200C(見圖1)而設(shè)計(jì)，由電力線調(diào)制/解調(diào)、功率放大、藕合及濾波、電源、單片機(jī)及協(xié)議固件等組成，可直接連接到電力線上。該模塊嵌入了完整的電力線通信固件和協(xié)議，通過其串口接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在電力線上傳輸。采用了多載波快速跳頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)，有效對(duì)付電力線干擾和噪聲，內(nèi)置自動(dòng)糾錯(cuò)編碼和解碼，自動(dòng)CRC-16校驗(yàn)及檢錯(cuò)，嵌入了電力線通信固件和協(xié)議,使用RS232串行數(shù)據(jù)接口通信，載波通道通信模式為半雙工雙向。

模塊電力線傳輸?shù)?個(gè)頻率分別為115.2 kHz、120 kHz、124.8 kHz、129.6 kHz。數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為18 byte，信道速率為2 400 bit/s。

3.1所使用功能模塊

如圖1，通過PA和LPF構(gòu)成簡(jiǎn)單的模擬前端發(fā)送電路，再由BPF、AMP以及LPF構(gòu)成接收電路。二者與LME2200C結(jié)合可構(gòu)成高性能的電力線調(diào)制解調(diào)器，LME2200C內(nèi)置UART口直接接單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的控制和數(shù)據(jù)單元的處理。

1)發(fā)送通路。發(fā)送通路由LPF和PA構(gòu)成。LPF可以濾除高頻雜波信號(hào)并使有用的DAC低頻信號(hào)成分平滑輸出，再由PA放大后經(jīng)過鐵氧體耦合變壓器輸送到電力線上，LPF的帶寬取決于使用的載波頻率。經(jīng)以上電路處理后即可在所輸出的電力線上獲得1～2 V的中信號(hào)電平。輸出電力線的阻抗一般不超過100 Ω。若電力線阻抗過大使信號(hào)電平過低，則需考慮增加中繼器。

2)過零檢測(cè)電路。過零監(jiān)控電路輸出方波信號(hào)，其上升沿在電力線輸送的工頻電力信號(hào)的過零處，用于給LME2200C芯片發(fā)送同步校準(zhǔn)信號(hào)作為收發(fā)同步的基準(zhǔn)。

3)功率放大控制。LME2200C芯片支持半雙工工作模式。發(fā)送信號(hào)時(shí)，TX_BUSY低電平信號(hào)可打開PA，接收時(shí)TX_BUSY的高電平信號(hào)可關(guān)閉PA以提高接收阻抗。

3.2信號(hào)處理控制原理

1)在閥門位置信號(hào)收發(fā)傳輸中，信號(hào)通過閥門軸邊的光電開關(guān)送給單片機(jī)通信板，單片機(jī)將信號(hào)傳輸給發(fā)送調(diào)制解調(diào)器，發(fā)送調(diào)制解調(diào)器將信號(hào)經(jīng)電力線發(fā)送到接收調(diào)制解調(diào)器中，將閥門開啟關(guān)閉顯示出來，見圖2。

圖1 LME2200C構(gòu)成的調(diào)制解調(diào)器的結(jié)構(gòu)框圖

圖2 閥門位置信號(hào)傳輸時(shí)所需部件圖

2)在柴油機(jī)報(bào)警信號(hào)發(fā)收傳輸中，報(bào)警信號(hào)取自柴油機(jī)旁報(bào)警箱面板(圖3)內(nèi)的報(bào)警邏輯電路74LS06，見圖4。報(bào)警信號(hào)通過邏輯電路74LS06傳輸給單片機(jī)通信板，單片機(jī)將信號(hào)傳輸給發(fā)送調(diào)制解調(diào)器，發(fā)送調(diào)制解調(diào)器將信號(hào)經(jīng)電力線發(fā)送到接收調(diào)制解調(diào)器中，將柴油機(jī)報(bào)警信號(hào)顯示出來。

圖3 柴油機(jī)機(jī)旁報(bào)警箱面板圖

圖4 柴油機(jī)箱內(nèi)報(bào)警板邏輯電路74LS06

3)為保證報(bào)警信號(hào)準(zhǔn)確率，以及隨時(shí)監(jiān)控各狀態(tài)量在線和退出情況，在軟件中采取了巡回檢測(cè)技術(shù)，重復(fù)采樣技術(shù)，以及報(bào)警優(yōu)先中斷技術(shù)，應(yīng)答校驗(yàn)技術(shù)等。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)在不改變?cè)芯€路的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了通過電力線對(duì)信號(hào)的傳送和接收，節(jié)省了大量的人力物力。在船塢內(nèi)的多點(diǎn)電力線上與集控室內(nèi)的計(jì)算機(jī)做了大量的多工況、強(qiáng)干擾下的電力線通信實(shí)驗(yàn)。實(shí)際運(yùn)行表明，信號(hào)處理的正確率達(dá)到了100%，報(bào)警信號(hào)的延遲時(shí)間最長(zhǎng)為1 s左右，完全能夠滿足實(shí)際使用要求。

Against the difficulty of twice wiring on board and on floating dock,a way of data communication is introduced with use power line as the media.A modulated modem by power-line can put a modulated communicative signal into the power-line at any free point and receive the data by demodulating and separating the signal at the accepting end,which applies to the transformation of ships and docks,increasing data communicating and processing during maintenance.

power-line;carrier communication;data transfering

U673

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.06.012

趙振杰(1980-)，男，天津人，工程師，大學(xué)本科，主要從事海洋工程設(shè)計(jì)和船舶配套產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

2014-07-16