低壓電力線載波通信，是近年發(fā)展起來的以低壓電力線作為媒介的通信方式，如果能通過這種現(xiàn)有資源進(jìn)行通訊等方向的利用，將會(huì)對(duì)多領(lǐng)域包括銀行、企業(yè)、大眾生活帶來便利。同時(shí)，由于電力線載波技術(shù)具有良好的穩(wěn)定性，還具有支持多種載波形式，可以靈活應(yīng)對(duì)復(fù)雜噪聲干擾的優(yōu)點(diǎn)。在國(guó)外，電力線通信監(jiān)控系統(tǒng)被應(yīng)用在中等距離大規(guī)模的通信系統(tǒng)中。在我國(guó)，目前已具備一定規(guī)模和水平。
電力線同樣存在于石油探井結(jié)構(gòu)中，如果能夠利用電力線實(shí)現(xiàn)油井上下的控制與通信，將會(huì)對(duì)現(xiàn)有油井監(jiān)測(cè)與控制帶來便利與效益。目前多家采油廠已進(jìn)行了電力線油井監(jiān)控試點(diǎn)工作。文中利用該技術(shù)，設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)傳輸模塊，負(fù)責(zé)油井上下的監(jiān)測(cè)、控制信號(hào)傳輸；對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻處理，增加通訊的可靠性，減少誤碼率；同時(shí)，在與電力線耦合的過程中，加入針對(duì)性的濾波電路設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低了噪聲干擾；并借助專家處理系統(tǒng)給出控制信號(hào)，通過控制直線電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制抽油速度的目的。這不僅保證了油管內(nèi)液面高度的相對(duì)穩(wěn)定，使直流電機(jī)在穩(wěn)定的工作環(huán)境中能夠經(jīng)久耐用，還可以使油井達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)定量、平穩(wěn)生產(chǎn)的目的。
工程中的主要困難：用交流供電線作為通訊載體時(shí)，交流噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的影響造成信號(hào)衰減，使得信噪比降低，造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。選擇擴(kuò)頻通訊方式可以較好地排除電力線上的隨機(jī)干擾，因?yàn)閿U(kuò)頻載波信號(hào)的帶寬通常較大，所以受干擾頻率范圍所占比例相對(duì)較少。系統(tǒng)采用Intellon公司，基于擴(kuò)頻通信原理專用網(wǎng)絡(luò)接口芯片SSCP485，功率放大器SSCP111和單片機(jī)PIC18，實(shí)現(xiàn)油井上下的擴(kuò)頻載波通信。此外，通過針對(duì)性地加入耦合電路，濾除幾種與擴(kuò)頻信號(hào)重頻的噪聲干擾，取得了較好的效果。在實(shí)際1 200 m電力線載波實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)信號(hào)可以準(zhǔn)確地發(fā)送接收，誤碼率低于10e-5。證明擴(kuò)頻通信可以很好地解決電力線載波中的噪聲干擾問題，以及本系統(tǒng)在信號(hào)傳輸、A／D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)與PC的串口通信等方面優(yōu)良的性能。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹
系統(tǒng)的組成如圖1所示。
系統(tǒng)包括井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地面監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)兩部分。電力線載波以半雙工方式工作，因此地面和井下的兩個(gè)電力線載波通訊模塊，需要分別與PIC18控制模塊和電力線載波模塊相連。從井下向井上發(fā)送信號(hào)時(shí)，井下的電機(jī)壓力溫度檢測(cè)探頭，將油管內(nèi)的液面情況通過傳感器傳輸給PIC18控制模塊，進(jìn)而通過電力線載波模塊向油管內(nèi)的交流電纜發(fā)送通訊信號(hào)。信號(hào)通過耦合器同電力線耦合。到達(dá)地面后，耦合器前端的耦合電路會(huì)對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行濾波。數(shù)據(jù)通過電力線載波模塊被從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并交給PIC18處理。井上的PIC18系統(tǒng)和工控計(jì)算機(jī)通過RS232端口實(shí)現(xiàn)通信，PIC18解調(diào)、解碼信號(hào)，將之交由工控計(jì)算機(jī)顯示，同時(shí)打包給專家處理模塊。專家處理模塊將根據(jù)傳遞的參數(shù)制定井下電機(jī)的運(yùn)行方式。從井上向井下發(fā)送信號(hào)的流程則是上述過程的逆向運(yùn)作。
2 PIC18控制模塊與載波通信模塊
2．1 擴(kuò)頻通信芯片
擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬，所以其受干擾的頻率范圍所占比例相對(duì)減小，換而言之，就是各種噪聲僅能影響小部分所要傳輸?shù)男盘?hào)，而大多數(shù)信號(hào)都能完整、正確地到達(dá)目的地，所以對(duì)各種類型的干擾具有較強(qiáng)的抵抗性。此外，此種Chirp波形還具有很強(qiáng)的自相關(guān)特性，其模糊邏輯的相關(guān)性決定了所有連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備，可以同時(shí)識(shí)別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種獨(dú)特波形，并且不需要在發(fā)送和接收設(shè)備間進(jìn)行同步，從而避免使用復(fù)雜的同步設(shè)備，也降低了系統(tǒng)成本。
系統(tǒng)選用Intellon公司的SSCP485芯片作為擴(kuò)頻通信模塊。該芯片利用一系列短促的、可自同步的掃描頻率Chirp波作為載體，每個(gè)Chirp一般持續(xù)100μs，它代表了最基本的通信符號(hào)時(shí)間，如圖6所示。其中，Chirp覆蓋了100～400 kHz的頻帶，并總是以200～400 kHz頻率開始，以100～200 kHz頻率結(jié)束。該芯片是一種高度集成的擴(kuò)頻通信芯片，損耗低，是一種理想的通信收發(fā)器。其包括擴(kuò)頻載波通信模塊(SSC)、信號(hào)調(diào)節(jié)模塊和簡(jiǎn)單的主機(jī)接口等部件。需要簡(jiǎn)單的外部線路將其連接到直流電源。與MCU通過串口線路相連接，與SSCP111通過發(fā)送回路相連接。
2．2 PIC18控制模塊與載波模塊電路設(shè)計(jì)
如圖2所示，該電路由6個(gè)部分組成，它們集中在一塊電路板上。單片機(jī)與SSCP485之間的通信，通過單片機(jī)串口和某些IO端口實(shí)現(xiàn)，SSC P485的4 MHz時(shí)鐘輸出提供單片機(jī)的時(shí)鐘。在接收模式下，模擬信號(hào)通過電力線耦合，經(jīng)過接收回路將信號(hào)傳輸?shù)絊SCP485，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)讓單片機(jī)讀取；在發(fā)送模式下，單片機(jī)將所要發(fā)送的數(shù)字信號(hào)通過寫命令將數(shù)據(jù)寫入SSCP485，在下個(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)，SSCP4 85將數(shù)字信號(hào)調(diào)制為模擬信號(hào)，以Chirp波形輸出，通過輸入帶通濾波將干擾濾除后，再通過信號(hào)放大電路將信號(hào)幅值放大，最后由耦合器耦合到電力線上。
井下通信模塊的MCU程序完成以下主要功能：
(1)采用單片機(jī)的ADC數(shù)字化采集系統(tǒng)，對(duì)各類傳感器進(jìn)行信號(hào)采集、處理、監(jiān)測(cè)。
(2)對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，編碼類型選擇BCH。
(3)向擴(kuò)頻載波芯片傳送數(shù)據(jù)。
(4)控制通信模塊SCCP485工作和系統(tǒng)的工作。
(5)井上通信模塊MCU程序完成：接收信息數(shù)據(jù)包、對(duì)接收進(jìn)行解碼、恢復(fù)各傳感器數(shù)據(jù)。
(6)對(duì)井下傳感器的采集數(shù)據(jù)處理計(jì)算，將壓力和溫度轉(zhuǎn)換為液面高度，并且進(jìn)行記錄。
(7)將液面高度和井下傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)打包，傳送到上位機(jī)。
3 耦合電路
3．1 低壓電力線網(wǎng)絡(luò)噪聲
低壓電力線系統(tǒng)上的噪聲較為復(fù)雜，不僅因?yàn)樗且粋€(gè)時(shí)變系統(tǒng)，而且會(huì)因接入不同的電器對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生回波、駐波、諧振等影響。低壓電力線上的噪聲可分為以下幾類：
(1)有色背景噪聲。是由電力線上許多小功率噪聲源疊加而產(chǎn)生的干擾，是一種隨時(shí)間緩慢變化的隨機(jī)干擾，其功率譜密度(PSD)隨頻率的增加而降低。
(2)窄帶噪聲。是一種頻帶很窄的噪聲，多為調(diào)幅的正弦信號(hào)，主要由中短波廣播信號(hào)的干擾而產(chǎn)生，其強(qiáng)度在24h內(nèi)變化。
(3)與工頻異步的周期脈沖噪聲。這種噪聲主要由開關(guān)電源產(chǎn)生，大部分按50～200 kHz頻率重復(fù)，在頻域上是一些離散譜，而這些頻率上的噪聲與Chirp波形同處于一個(gè)頻帶內(nèi)。在實(shí)驗(yàn)初期，通過電力線傳送的數(shù)據(jù)經(jīng)常產(chǎn)生誤碼，主要就是第3種類型的干擾導(dǎo)致。通過FFT分析發(fā)現(xiàn)，這種高頻噪聲分布在100～400 kHz之間，而且幅度較大，使信噪比低于0．5。
如圖3所示，有劇烈抖動(dòng)的曲線信號(hào)為從1：1耦合器次級(jí)測(cè)得的市電干擾。試驗(yàn)中，將市電經(jīng)過簡(jiǎn)單的高通濾波器，濾除50 Hz及其諧波的干擾，發(fā)現(xiàn)仍有高頻噪聲，此即周期脈沖干擾。下側(cè)圖像為其FFT，兩根粗垂線之間代表100～400 kHz頻帶，可見，周期脈沖噪聲與Chirp信號(hào)處于同一頻帶范圍內(nèi)，所以該噪聲會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生亂碼。
3．2 耦合電路設(shè)計(jì)
為消除周期脈沖的干擾，針對(duì)其頻率設(shè)計(jì)了專門的耦合電路，如圖4所示，由兩部分組成，分別是預(yù)濾波電路和高通濾波電路。
首先介紹RC電路：C2為1μf電容，耐壓為270 V；R3為1 MΩ；功率為100 W。在加市電信號(hào)后，電容將50 Hz及其諧波等低頻部分保留到RC網(wǎng)絡(luò)上，將高頻部分傳遞至變壓器原級(jí)。但RC電路不能完全消除高頻噪聲，所以需要加入預(yù)濾波電路。
預(yù)濾波電路在市電接入前放置，也就是電力線與通信系統(tǒng)接觸前，通過一個(gè)RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)，這可在市電作為通信信號(hào)載體之前，將其固有的周期脈沖噪聲濾除，而且對(duì)后續(xù)的系統(tǒng)工作不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，低通濾波器的頻域分析如圖5所示。
4 結(jié)果與分析
結(jié)合擴(kuò)頻通信技術(shù)和耦合器前端濾波設(shè)計(jì)，進(jìn)行了400 m，600 m，1 000 m，1 200 m的數(shù)據(jù)發(fā)送接收實(shí)驗(yàn)，符合預(yù)期結(jié)果，截取的數(shù)據(jù)信號(hào)如圖6所示。
實(shí)驗(yàn)在1 200 m時(shí)，一串?dāng)?shù)字信號(hào)通過電力線傳遞的驗(yàn)證試驗(yàn)。信號(hào)在單片機(jī)與電力線載波模塊之間以數(shù)字形式傳遞，在電力線上表現(xiàn)為模擬信號(hào)即Chirp波形。如前文所述，Chirp波形用兩種相位表示0和1，在信號(hào)發(fā)送前會(huì)傳送消息頭，待確定消息頭正確發(fā)送后停止等待，開始發(fā)送信號(hào)。
具體，發(fā)送數(shù)字信號(hào)為0011223344556677，由電腦傳遞給單片機(jī)，進(jìn)而通過電力線傳送井上系統(tǒng)。井上系統(tǒng)再通過串口將信號(hào)交由計(jì)算機(jī)顯示。接收信號(hào)證明，如圖7所示，電力線噪聲沒有對(duì)數(shù)字信號(hào)造成干擾，信號(hào)被正確接收，誤碼率低于10e-5。
盡管如此，發(fā)現(xiàn)耦合器次級(jí)的接收信號(hào)仍有一些微弱噪聲，這是耦合器在市電復(fù)雜噪聲的激勵(lì)下產(chǎn)生的毛刺和干擾。這些干擾會(huì)使數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果產(chǎn)生一定的誤碼情況。所以對(duì)耦合器的選擇需要滿足一定的參數(shù)，系統(tǒng)中耦合器選擇0．25 mH電感，12匝繞線的訂制變壓器。
5 結(jié)束語
介紹了電力線載波技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用。對(duì)實(shí)際中電力線噪聲干擾，設(shè)計(jì)了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)并加以耦合電路以輔助，從而良好地消除了復(fù)雜噪聲，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的油井通信。系統(tǒng)在電力線數(shù)據(jù)通信、與工控計(jì)算機(jī)通信、傳感器采樣控制等方面均表現(xiàn)可靠、性能穩(wěn)定。