基于G3-PLC的核電領域報警器運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

何 豐，刁碧悅，王 禮

(重慶郵電大學光電工程學院，重慶 400065)

0 引言

由于核電產業(yè)的特殊性，為了能及時對險情進行快速的反應，核電站廠房各處都有報警器，并且必須保證每臺報警器都能正常工作，需要進行定期的故障檢修。但目前的檢修方式主要為人工巡檢，采用人工巡檢的方式存在弊端。因此，需要設計出既不改變原有報警器架設線路，又具備在復雜環(huán)境中對報警器的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和數據匯聚功能的監(jiān)測系統(tǒng)。

在不改變原有線路的前提下，現應用比較廣泛的監(jiān)測技術主要包括無線通信技術和電力線載波通信技術(power line communications，PLC)。文獻[1]提出了一種通過無線通信技術實現的應急監(jiān)控平臺，由于核電站廠房內具有沒有網絡覆蓋，并且墻壁設施較厚等環(huán)境因素，無線穿透能力有限的缺陷限制了其在本系統(tǒng)中的應用，電力線載波通信技術更能滿足需求。文獻[2]通過實驗對電力線載波技術的PRIME標準和G3標準進行對比分析，其中PRIME標準的優(yōu)勢在于通信速率快，G3標準更注重系統(tǒng)通信的可靠性。

綜合以上分析，為了保證整個系統(tǒng)運行的可靠性，本文提出一種基于G3-PLC實現的報警器運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。整個系統(tǒng)需滿足不改變原有報警器的架設線路以外，還應滿足有足夠長的通信距離，以及檢測時間在1 min以內的硬性指標。

1 系統(tǒng)總體設計

基于G3-PLC的核電領域報警器運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括能直觀顯示報警器運行狀態(tài)的上位機、數據匯集器和檢測模塊，系統(tǒng)總體架構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

檢測模塊由一個聲音傳感器和電力線載波模塊構成，電力線載波模塊將聲音傳感器檢測到的報警器運行狀態(tài)情況進行處理后經電力線發(fā)送到數據匯集器，數據匯集器通過網線將從電力線上接收到的數據直接發(fā)送到上位機，上位機根據所收到的數據進行判斷，可直觀顯示所檢測到的報警器運行狀態(tài)。

系統(tǒng)的通信信道包含電力線和網線。數據集中器與上位機通過以太網接口進行數據通信，以太網通信幀主要包括目的MAC地址、源MAC地址、數據類型和所需發(fā)送的數據。具體幀格式如圖2所示。

6字節(jié)目的MAC地址6字節(jié)源MAC地址2字節(jié)數據類型數據

圖2 以太網通信協(xié)議幀格式

由于從數據集中器發(fā)送出的數據包含數據集中器的IPv6地址、檢測模塊的IPv6地址、檢測模塊的擴展地址和監(jiān)測結果數據，數據的類型為IPv6類型，以太網的數據類型應為0x86DD。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要由數據匯集模塊和檢測模塊構成。其中數據匯集模塊包括耦合電路、模擬前端(analog front end，AFE)、微控制器(microcontroller unit，MCU)TMS320F28PLC84和協(xié)控制器TM4C1294模塊。檢測模塊包括耦合電路、模擬前端、主控制器TMS320F28PLC84、協(xié)控制器CC1310模塊和聲音傳感器。TM4C1294和CC1310均通過UART與PLC主控制器進行連接，協(xié)助PLC主芯片進行G3參數和網絡的配置，以及對數據的處理。

系統(tǒng)的供電電源主要包括兩個部分，為PLC模塊供電的220 V轉15 V AC-DC變換器，以及為協(xié)控制器和聲音傳感器供電的15 V轉3.3 V DC-DC轉換器。整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 耦合電路

由于電力線載波通信技術能量和信號的傳輸都在相同的電力線上進行[3]，為實現能量和信號的傳輸，耦合電路是PLC通信的必要組成部分。變壓器和電容是耦合電路的基礎部分[4]，其中變壓器起到隔離工頻強電和耦合載波信號的作用；電容和電阻構成RC一階高通濾波電路，一定程度上減小了電源紋波。

2.2 模擬前端

模擬前端采用低成本、具有過熱和短路保護的AFE031器件。接收的載波信號先經過模擬前端的帶通濾波器，然后通過可編程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)將信號進行放大后，進入PLC微控制器的模數轉換(analog to digital convert，ADC)。模擬前端對PLC模塊發(fā)送的數據先進行數模轉換(digital to analog convert，DAC)，然后將經過帶通濾波器后的信號通過功率放大器(power amplifier，PA)進行放大，最后將信號發(fā)送到耦合電路。模擬前端的框圖如圖4所示。

圖4 模擬前端框圖

2.3 聲音傳感模塊

聲音傳感模塊可以通過一個微型的麥克風檢測周圍環(huán)境的聲音強度，并以數字開關量的形式輸出。聲音模塊對特定頻率的環(huán)境聲音強度最敏感，而報警器正常工作時的頻率為1.5 kHz，若將聲音傳感模塊的閾值調節(jié)到1.5 kHz，在報警器工作時便能檢測到報警器是否處于正常運行狀態(tài)。

聲音傳感器模塊使用2個LM358運算放大器將聲音信號進行兩級放大，放大后的信號經過LM567鑒頻芯片對信號進行頻率的識別，調節(jié)模塊上的一個滑動變阻器便可對信號頻率的閾值進行設定。當LM567所鑒得信號與所設定的信號頻率相同時，輸出一個開關量信號，以達到對固定音頻信號識別的目的。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件編譯環(huán)境是Code Composer Studio集成開發(fā)環(huán)境，利用實時操作系統(tǒng)TI-RTOS來實現多線程的任務的調度。TI-RTOS是一款單核的實時操作系統(tǒng)，每個內核都有自己的TI-RTOS實例，并且只執(zhí)行由該實例管理的線程[5]。

3.1 數據匯集器軟件設計

數據匯集器軟件設計中主要有5個任務線程，按優(yōu)先級高低次序依次為：以太網中斷任務、UART接收任務、PLC狀態(tài)控制任務、PLC發(fā)送任務和以太網數據發(fā)送任務。以太網中斷任務主要執(zhí)行以太網物理層的配置、以太網數據接收和發(fā)送初始化、以太網的連接等；UART接收任務與PLC狀態(tài)控制任務共同實現PLC G3網絡的配置與建立，G3的配置主要包括PLC端口的配置、G3物理層的配置和擴展地址的配置；PLC發(fā)送任務和以太網數據發(fā)送任務主要執(zhí)行對數據的轉發(fā)功能。

GPIO初始化、UART初始化、時鐘初始化以及各個線程初始化等和各個線程間的調度都在主函數中進行。數據匯集器的具體軟件流程圖如圖5所示。

圖5 數據匯集器軟件流程圖

由圖5可以看出，PLC網絡采用IPv6協(xié)議，IPv6協(xié)議在地址空間、移動性、安全性等方面優(yōu)于IPv4協(xié)議[6]。IPv6地址類型分為單播地址、組播地址和任意播地址[7]，本系統(tǒng)采用的是單播地址。IPv6地址共有128位，其中前64位為子網前綴，后64位為偽地址。PLC網絡的建立過程會設置一個獨有的個域網地址(personal area network ID，PAN ID)。不同的檢測模塊被隨機分配到的短地址各不相同，但共用同一個PAN ID，本系統(tǒng)設置的PAN ID為0x5fff。具體的IPv6地址格式如圖6所示。

圖6 IPv6地址格式圖

3.2 檢測模塊軟件設計

檢測模塊軟件設計中主要有4個任務線程，按優(yōu)先級高低順序包括UART接收任務、PLC狀態(tài)控制任務、PLC發(fā)送任務和數據監(jiān)測任務。UART接收任務與PLC狀態(tài)控制任務共同實現PLC G3網絡的配置與連接，G3的配置過程包含一個擴展地址的配置，由于IPv6的128位地址為隨機分配，不具備標志性，因此，通過各個檢測模塊特有的擴展地址來對不同的檢測模塊進行辨識；數據監(jiān)測任務執(zhí)行對聲音傳感模塊輸出數據的收集與整理，然后觸發(fā)PLC發(fā)送任務；PLC發(fā)送任務執(zhí)行將監(jiān)測到的數據發(fā)送到電力線上的功能。檢測模塊的具體軟件實現流程圖如圖7所示。

圖7 檢測模塊軟件流程圖

4 測試

由于條件的限制，只針對距離不同的4臺報警器進行測試，測試內容主要包括數據匯集器建立PLC網絡能力、檢測節(jié)點網絡接入以及數據收集的測試。一共進行10次PLC網絡建立的測試和50次節(jié)點測試，其中每次完整節(jié)點的測試包含2個時間段(規(guī)定時間為1 min)，每個時間段里會有一次網絡接入和數據回傳的測試，綜合兩次測試的結果做最終的判定。每個時間段檢測所用時間均在40 s以內，測試結果如表1所示。

表1 報警器運行監(jiān)測表

從檢測結果可以看出，整個監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。并且，監(jiān)測距離可達750 m甚至更長，4臺報警器總共的檢測時間小于40 s，均滿足所提指標要求。

5 結束語

本系統(tǒng)利用基于G3標準的電力線載波通信技術和聲音傳感器實現了對安裝于核電領域報警器運行狀態(tài)的監(jiān)測。報警器架設線路為專用線路，線路上存在的干擾較小，沒有配電變壓器對載波信號產生阻隔作用。因此，本系統(tǒng)能充分利用電力線載波技術的優(yōu)勢，使得整個系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。