基于電力載波的抽油井電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)*

劉 慧，劉新平

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，山東 青島 266580）

電力線載波 PLC（power-line carrier）通信是以電力線為信息傳輸媒介進(jìn)行語(yǔ)音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信方式[1-2]。電力線網(wǎng)覆蓋范圍廣，可充分利用現(xiàn)有電力線基礎(chǔ)設(shè)施，無(wú)需重新架設(shè)線路，避免了因布線對(duì)公共設(shè)施和建筑物的損壞，節(jié)省了物力和人力[3-6]。

[7]提出了基于電力載波遠(yuǎn)程通信原理，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于電力載波的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)性能指標(biāo)和控制效果能夠滿足實(shí)際控制需求。參考文獻(xiàn)[8]提出應(yīng)用擴(kuò)頻理論實(shí)現(xiàn)低壓電力線載波遠(yuǎn)程抄表網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的解決方案，具有成本低、集成度高、組網(wǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[9]提出了基于GPRS的集中抄表系統(tǒng)在油田電網(wǎng)的應(yīng)用，采集的電量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達(dá)到100%。本課題基于以上方案，采用多種抗干擾技術(shù)，將電力載波技術(shù)應(yīng)用到油田1 140 V電力線上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)抽油井電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

抽油井為發(fā)送端，油田控制中心為接收端。本系統(tǒng)是多對(duì)一的系統(tǒng)架構(gòu)，多個(gè)發(fā)送端，一個(gè)接收端，系統(tǒng)通信架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)通信架構(gòu)圖

我國(guó)電網(wǎng)比較獨(dú)特，直接利用國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品并不能取得令人滿意的效果[10-11]。電力載波modem芯片SC1128是針對(duì)中國(guó)電網(wǎng)的特點(diǎn)開發(fā)研制的專用擴(kuò)頻調(diào)制/解調(diào)芯片。本系統(tǒng)選用該芯片，在通信方面具有較強(qiáng)的抗干擾及抗衰減性能。

控制抽油井的繼電器位于油田控制中心，當(dāng)巡井人員巡井時(shí)，若發(fā)現(xiàn)異常情況需要控制抽油井，按下啟動(dòng)或停止按鈕，STC15W204S單片機(jī)根據(jù)按鍵值，將相應(yīng)的命令信號(hào)通過載波芯片SC1128耦合到電力線上?？刂浦行奶幍妮d波芯片一直處于接收狀態(tài)。當(dāng)接收到有效信號(hào)時(shí)，SC1128將信號(hào)解調(diào)成數(shù)字信號(hào)，發(fā)送給STC15W204S單片機(jī)。單片機(jī)解析信號(hào)，并根據(jù)內(nèi)容控制相應(yīng)的繼電器，從而控制抽油機(jī)的啟動(dòng)或停止。電力載波通信原理圖如圖2所示。

圖2 電力載波通信原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

發(fā)送端設(shè)備與接收端設(shè)備要能協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)信息交換，兩者之間必須遵循某種互相都能接受的規(guī)則，即通信協(xié)議。本文采用的通信協(xié)議為：以連續(xù)的3個(gè)5AH為同步碼，緊接著是1 B的地址碼，之后是10 B的數(shù)據(jù)，最后為 1 B的校驗(yàn)碼。本文采用 CRC校驗(yàn)法[12]，即發(fā)送方在發(fā)送完地址碼和數(shù)據(jù)之后，再發(fā)出校驗(yàn)碼。接收端在接收到地址碼和數(shù)據(jù)后進(jìn)行CRC校驗(yàn)。若校驗(yàn)正確，說明通信成功，接收到的數(shù)據(jù)有效，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；若校驗(yàn)失敗，則置出錯(cuò)標(biāo)志，并丟棄接收到的數(shù)據(jù)。本文采用的通信協(xié)議如圖3所示。

圖3 通信協(xié)議

2.2 發(fā)送端程序設(shè)計(jì)

發(fā)送端經(jīng)過初始化后，進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)。當(dāng)有按鍵按下時(shí)觸發(fā)外部中斷，系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，對(duì)按鍵進(jìn)行消抖處理后，向接收端發(fā)送相應(yīng)的命令。發(fā)送端流程圖如圖4所示。

圖4 發(fā)送端流程圖

2.3 接收端程序設(shè)計(jì)

接收端經(jīng)過初始化后，進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)觸發(fā)接收中斷，系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序。當(dāng)數(shù)據(jù)有效，同步碼匹配，并且接收到的地址碼是本設(shè)備的地址時(shí)，就執(zhí)行該命令，控制相應(yīng)繼電器動(dòng)作；否則拒絕執(zhí)行該命令。接收端流程圖如圖5所示。

圖5 接收端流程圖

3 系統(tǒng)抗干擾性和可靠性設(shè)計(jì)

電力線上信號(hào)復(fù)雜，尤其是電機(jī)等設(shè)備使載波信號(hào)的衰減嚴(yán)重，對(duì)系統(tǒng)通信的抗干擾性和可靠性影響很大，因此如何保證系統(tǒng)通信的抗干擾性和可靠性非常關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用以下方法來提高系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性。

（1）采用過零點(diǎn)載波技術(shù)。通過檢測(cè)電路檢測(cè)正弦電源每個(gè)周期內(nèi)的兩個(gè)零點(diǎn)時(shí)刻，在該時(shí)刻對(duì)信號(hào)以FSK方式載波到電力線上。

（2）發(fā)送端使用移動(dòng)電源給系統(tǒng)供電。抽油機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的發(fā)送端在油田抽油井，處于郊外，僅有的電源為電力線上的1 140 V電壓源，不能直接給系統(tǒng)供電。此外，發(fā)送端僅在啟動(dòng)電機(jī)設(shè)備時(shí)使用，平均功耗很小。本系統(tǒng)采用移動(dòng)電源給系統(tǒng)供電，移動(dòng)電源攜帶方便，供電穩(wěn)定，減少了因電壓源不穩(wěn)定帶來的干擾。

（3）降低通信速率。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)最高可在9 600 b/s的波特率下進(jìn)行正常通信。本系統(tǒng)在保證控制系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)控制抽油井電機(jī)的前提下，通過使用較低的2 400 b/s波特率進(jìn)行通信，來提高系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性。

（4）使用軟件陷阱和使用冗余指令等技術(shù)。對(duì)于未使用的中斷源，在對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)地址入口處設(shè)置軟件陷阱，使其跳轉(zhuǎn)到異常處理程序入口。對(duì)于程序區(qū)，在整個(gè)程序中設(shè)置了若干軟件陷阱，當(dāng)程序進(jìn)入陷阱后，讓其強(qiáng)制進(jìn)入一個(gè)指定地址執(zhí)行一段專門對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序。例如將未使用的程序區(qū)都填成LJMP 0000H等。在對(duì)程序流向起決定作用的指令和某些對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)起決定作用的指令后面可重復(fù)寫這些指令，以確保這些指令的正確執(zhí)行。

通過使用以上抗干擾技術(shù)，該系統(tǒng)有較高的抗干擾性和可靠性。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在1 140 V電力線上，波特率為 2 400 b/s，通信距離為1 000 m的條件下進(jìn)行50次測(cè)試，系統(tǒng)通信準(zhǔn)確率達(dá)100%。

圖6為發(fā)送端信號(hào)圖，圖7為接收端信號(hào)圖。通過對(duì)比圖6和圖7可知，圖7中雖然含有少量噪聲，但是通過上述抗干擾技術(shù)的應(yīng)用，這些少量噪聲不影響系統(tǒng)的正?？煽客ㄐ牛f明該系統(tǒng)具有較高的抗干擾性和可靠性。

圖6 發(fā)送端信號(hào)

圖7 接收端信號(hào)

該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于河南某油田，其應(yīng)用情況表明，該系統(tǒng)具有較高的抗干擾性和可靠性，能夠達(dá)到精確可靠控制抽油井電機(jī)的目的。電力載波技術(shù)可利用現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建電力載波通信系統(tǒng)，從而有效節(jié)約成本。隨著電力載波技術(shù)的不斷完善，其優(yōu)勢(shì)日益顯著，適合在礦井、農(nóng)田設(shè)備控制、智能家居、智能城市等其他地方進(jìn)行推廣，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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