基于PLCC的果園輪灌控制系統(tǒng)設(shè)計及試驗

陳偉森，俞　龍，孫道宗

(1. 廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院信息工程系，廣州 510075，2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院，廣州 510642)

合適的灌溉方式可以提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量，節(jié)約水資源[1,2]。在水資源貧乏地區(qū)，為了增加灌溉面積并控制成本，果園灌溉系統(tǒng)通常采用分區(qū)輪灌的工作方式。在輪灌自動控制系統(tǒng)中，支管的開閉通常由電磁閥的通斷來控制。目前，支管電磁閥的通斷控制主要有電源線直接控制、RS-485總線以及無線網(wǎng)絡(luò)控制等幾種控制通信方式。電源線直接控制是將每個電磁閥電源線引入控制室實行單獨控制，控制方式比較簡單，主要適用于控制點比較集中的場合，電源線布線多和成本較高。RS-485等有線的通信方式需要單獨鋪設(shè)通信線路，雖然通信距離可達(dá)幾公里，但是布線多導(dǎo)致難以維護(hù)、成本較高[3]。無線通信安裝方便，布線少，但是通信可靠性易受周圍環(huán)境如樹木、丘陵山地以及其他無線電和天氣等影響。

電力線載波通信是用電力線作為信號的傳輸載體，以載波方式將數(shù)字或模擬信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)，具有信息傳輸可靠穩(wěn)定、成本低、無需重新布線等特點，廣泛應(yīng)用于電力網(wǎng)智能化改造系統(tǒng)及遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中[4,5]。果園輪灌系統(tǒng)中的電磁閥都需要供電，相比于無線通信而言，電力線載波通信既有效利用了電力線，又避免了野外復(fù)雜環(huán)境對無線通信的影響，相比有線通信，節(jié)約大量通信電纜[6,7]。

本文首先介紹了基于PLCC技術(shù)的果園輪灌控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了PLCC節(jié)點設(shè)計；其次，構(gòu)建了果園輪灌系統(tǒng)低壓電力線的電參數(shù)等效模型；最后，進(jìn)行了多種通信距離下，PLCC節(jié)點通信可靠性測試。

1　果園輪灌系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

果園果樹通常成行成列整齊排列，輪灌系統(tǒng)通過干管將水從水源引到灌溉地區(qū)，再通過支管按行或列將水引至各灌溉位置。安裝在各灌溉支路中的電磁閥通常位于主管和支管的結(jié)合處，因此輪灌系統(tǒng)的供電線路通常為沿著主管的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]，如圖1所示?？紤]到果園供電的安全性以及各通信節(jié)點和電磁閥的供電需求，電力線供電電壓選用直流電壓24 V，由市電220 V交流電經(jīng)過變壓器降壓整流獲得。

圖1　輪灌控制系統(tǒng)方案框圖Fig.1 System diagram

輪灌控制系統(tǒng)分為主模塊和從模塊，通過24V直流電力線相連，采用主從式通信方式，主模塊定時發(fā)出控制或查詢指令，從模塊只在接收到主模塊命令后執(zhí)行相應(yīng)動作或返回相關(guān)信息。系統(tǒng)組網(wǎng)時，各模塊均位于一個變壓器二次側(cè)內(nèi)。主模塊位于控制室內(nèi)，其主機(jī)是一個PC機(jī)，或者是一個觸控屏，和PLCC節(jié)點通過串口線相連。從模塊位于各支管電磁閥附近，控制器為一個單片機(jī)，與PLCC節(jié)點通過串口線連接[9]。

2　PLCC節(jié)點設(shè)計

PLCC節(jié)點主要是實現(xiàn)串口信號到電力線載波調(diào)制信號的相互轉(zhuǎn)換，構(gòu)建輪灌系統(tǒng)中主機(jī)和從機(jī)之間的信息傳遞渠道。PLCC節(jié)點主要由電源，芯片和耦合濾波電路三部分組成。

2.1　芯片介紹及電源電路

選用 ST7540作為載波通信芯片。ST7540是半雙工同步/異步FSK調(diào)制解調(diào)器，采用7.5～12.5 V單電源工作，內(nèi)部含有線路驅(qū)動器和兩個線性電源調(diào)整器，通過內(nèi)部寄存器來控制ST7540的工作狀態(tài)。ST7540還具有超時輸出、看門狗定時器、輸出電流和電壓控制、載波檢測等功能。ST7540具有8個可編程發(fā)送頻率，接收靈敏度可達(dá)500 μV (rms)，其可編程波特率最高為4 800 bps，并帶有UART/SPI接口[10]。

ST7540載波通信芯片的通信環(huán)境為220VDC以下，空載導(dǎo)線同樣適用。本文果園輪灌系統(tǒng)的電力線電壓為直流24 V，直接驅(qū)動電磁閥動作。電力線電壓經(jīng)過2次降壓分別得到12 V和5 V的電源供給節(jié)點中的通信芯片和從機(jī)單片機(jī)。

2.2　耦合濾波接口電路

PLCC節(jié)點的耦合濾波接口電路主要由3個濾波電路組成: 發(fā)送有源濾波電路、發(fā)送無源濾波電路、接收無源濾波電路，如圖2所示。PLCC節(jié)點在接收數(shù)據(jù)時，信號經(jīng)接收無源濾波器濾波后，將從RX_IN被讀入到ST7540進(jìn)行處理；發(fā)送數(shù)據(jù)時，信號經(jīng)ST7540調(diào)制后通過發(fā)送有源濾波器和集成功率放大器，再經(jīng)發(fā)送無源濾波器耦合選頻到電力線上進(jìn)行信號傳輸。

圖2　ST7540耦合濾波電路圖Fig.2 Coupling filter circuit

接收無源帶通濾波器由電阻R12串聯(lián)一個L2C13并聯(lián)諧振回路組成，數(shù)據(jù)通過耦合進(jìn)入該諧振回路選頻，濾除帶外噪聲進(jìn)入ST7540內(nèi)部功率放大然后解調(diào)。諧振回路中心頻率為110 kHz，濾波電路的中心頻率(fc)和品質(zhì)因數(shù)(Q)表達(dá)式為：

(1)

(2)

式中：RL為電感L2的直流內(nèi)阻，大約等于 0.7 Ω。

由式(1)可得：

簡化電路的傳遞函數(shù)R(s)在中心頻率點fc的表達(dá)式來分析電阻RL與接收信號損耗之間的關(guān)系[11]：

(3)

實驗選取Q=3.2，要得到較高的Q值，需要盡可能大的L2值和C13值，也可以從傳遞函數(shù)的模的表達(dá)式發(fā)現(xiàn)C13/L2的值越小信號損耗越小，因此應(yīng)選擇盡可能大的L2值。可取L2=220 μH，從而可得到相應(yīng)的C13=9.51 nF，實際取10 nF。根據(jù)以上公式，Q=3.2，L2=220 μH，C13=10 nF，中心頻率為110 kHz，計算得R12=463 Ω，實際取精度為1%的貼片電阻470 Ω。

發(fā)送有源濾波器是利用芯片ST7540內(nèi)部集成的放大器組成一個三階發(fā)送濾波器，電路由一個R11C11低通濾波電路和一個二階薩倫和凱低通濾波電路組成。參考ST7540數(shù)據(jù)手冊，本文選取C10=120 pF，R10=4.7 K，R13=13 K，R6=1 K，R8=1.8 K。

3　電力線模型及電參數(shù)計算

電力線主要是用來傳輸電能的，載波調(diào)制信號在電力線上傳輸，為非理想的隨機(jī)參數(shù)通信信道，電力線信道的各個電氣參數(shù)是影響通信質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因而有必要對電力線通信傳輸線的阻抗特性參數(shù)進(jìn)行理論分析和實際測試研究。

3.1　電力線模型

現(xiàn)階段，國內(nèi)主流的低壓窄帶載波通信中心頻率范圍為80～500 kHz，波長為600～3 000 m，通常認(rèn)為傳輸線長度大于1/10波長，即可認(rèn)為是“長線”。低壓配電線路長度通常小于300 m，與信號波長的1/10相當(dāng)或達(dá)到多個波長，此時，沿線電流、電壓幅度變化以及相位的滯后不能忽略，需要建立信號傳輸線的分布參數(shù)模型[10]。如果不考慮線路的集膚效應(yīng)與分布參數(shù)，將一定長度的電力線等效為一個電感、電阻、電容及電導(dǎo)等4個電參數(shù)的電路，且沿線路全長均勻分布，等效傳輸模型如圖3所示。均勻傳輸線分布參數(shù)模型設(shè)想由一系列集總元件構(gòu)成，也就是設(shè)想其是由許多無窮小的長度元組成。每一長度單元具有電阻和電感，而兩導(dǎo)線間具有電容和電導(dǎo)，其中R0、L0、G0、C0稱為傳輸線的原參數(shù)。R0為單位長度線段上的電阻；L0為單位長度線段上的電感；G0為單位長度線段的兩個導(dǎo)體間的漏電導(dǎo)；C0為單位長度線段兩導(dǎo)體間的電容；i為電力線上的電流[12,13]。

圖3　電力線均勻傳輸線模型Fig.3 Model of power line uniform transmission

3.2　電力線電參數(shù)計算

根據(jù)經(jīng)典的均勻傳輸線理論[14,15]，可得：

(4)

(5)

式中：α為衰減常數(shù),Np/m或dB/m；β為相位常數(shù),rad/m；Z0、Y0為單位長度的阻抗和導(dǎo)納；γ為傳輸線的副參數(shù)；Zc為傳輸線的副參數(shù)特征阻抗。

根據(jù)經(jīng)典傳輸線理論，負(fù)載為ZL、長度為l傳輸線，距終端點L處的輸入阻抗大小為：

(6)

如果負(fù)載終端短路，即ZL=0，則：

Zis=Zctanh(γl)

(7)

如果負(fù)載終端斷路，即ZL->∞，則：

Zio=Zccoth(γl)

(8)

式(6)和式(7)中：Zis為終端短路時，起端輸入阻抗；Zio為終端開路時，起端輸入阻抗。由式(6)和式(7)可得：

(9)

(10)

在實際測量中，測量傳輸線終端開路、短路的輸入阻抗Zio和Zis，通過式(9)和式(10)計算得到傳輸線的副參數(shù)特性阻抗和傳播常數(shù)的實驗值Zc，γ。代入公式(11)和(12)，進(jìn)而可以求得傳輸線的原參數(shù)R0，L0，G0，C0。

Zcγ=R0+jωL0

(11)

(12)

4　測試與試驗分析

4.1　電力線電參數(shù)測量與等效模型

實驗采用果園輪灌系統(tǒng)中常用的聚氯乙烯絕緣雙絞線作為測試電力線，線長100 m，單根線內(nèi)徑為0.5 mm，絕緣厚度為0.8 mm，額定電流3 A。測量原理如圖4所示，終端開路時的輸入阻抗和終端短路時的輸入阻抗可以通過式(13)進(jìn)行計算[16,17]。

(13)

式中：k=u1/u2。

圖4　電力線傳輸參數(shù)測量原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of measurement principle of power line transmission parameters

測量過程分為兩步：①在相同測量電阻R的情況下測量終端開路、短路時的始端電壓和電流，直接測得k的幅值和相角；②換不同測量電阻重復(fù)以上過程。

實驗測量采用的載波頻率f=110 kHz時，R0，L0，C0，G0的值如表1所示。

根據(jù)電力線傳輸模型理論由式(14)和(15)可計算出等效阻抗Z和導(dǎo)納Y，其中：l為線長，n為節(jié)點數(shù)。

表1　電力線傳輸參數(shù)Tab.1 Power line transmission parameters

(14)

(15)

本實驗系統(tǒng)中采用100 m的雙絞線作為模擬單元線，故取1/n=100即每100 m為一個節(jié)點，對實驗測數(shù)據(jù)取平均值得傳輸參數(shù)R0=0.122 4 Ω，L0=0.918 7 μH，G0=2.420 3 μS，C0=0.040 3 nF。代入公式可得：Z=6.12+j31.748 0；Y=2.420 3×10-4+j2.785 3×10-3。

實際100 m聚氯乙烯絕緣雙絞線等效模型如圖5所示。

圖5　實際電力線等效模型Fig.5 Equivalent model of actual power line

其中電阻R取6.12 Ω，電感L取31.75 μH，電容C取4.03 nF，電導(dǎo)可以忽略不計。在實際的電力線載波通信測試中可以每100 m采集一次數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸可靠性的測試。

4.2　通信距離與通信可靠性測試

試驗在24 V直流的模型線上，根據(jù)圖3不斷改變電力線的傳輸參數(shù)來模擬電力線的距離來測試ST7540的通信成功率，波特率設(shè)為4 800 bps，發(fā)送速度為24 bit/s，測試結(jié)果見表2。

表2　電力載波通信的模擬傳輸通信成功率測試Tab.2 Measurement results of communication success rate

由表2可知，在負(fù)載相同的情況下，隨著傳輸距離的增加，通信傳輸?shù)某晒β蕰饾u降低，輸出信號的幅度大小會隨著傳輸距離衰減，同時可知，ST7540載波通信模塊在2 000 m內(nèi)的通信成功率變化幅度不大，可以滿足果園分區(qū)輪灌電磁閥控制節(jié)點通信距離的需求。

但是長距離通信，電力線自身的阻值使得在電力線上的壓降很大。實驗中選用的24 V常閉電磁閥內(nèi)阻為30 Ω，啟動電流為0.45 A，內(nèi)徑為0.5 mm雙絞線通過傳輸線模型理論計算得每百米電阻為7 Ω，所以在滿足電磁閥啟動電流的要求下，實際應(yīng)用中通信距離只能達(dá)到300 m。如果需要更遠(yuǎn)距離的傳輸，需要選取內(nèi)徑更粗的雙絞線，內(nèi)阻更小的電磁閥。

5　結(jié)　語

常用的果園分區(qū)輪灌通信方式有多種，本文設(shè)計了以ST7540為核心的PLCC通信節(jié)點，將電力線載波通信技術(shù)應(yīng)用于果園分區(qū)輪灌節(jié)水控制系統(tǒng)中。

根據(jù)電力線模型理論，計算出果園輪灌系統(tǒng)中常用的聚氯乙烯絕緣雙絞線在直流24V低壓工況下的電力線參數(shù)，并依據(jù)電力線參數(shù)進(jìn)行了不同通信距離下通信可靠性測試，實驗結(jié)果表明，ST7540在直流24V電壓工況下，信道通信環(huán)境良好，理論上通信距離可以達(dá)到2 000 m。

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