摘 要： 油田抽油井電機控制裝置是強電、高壓裝置，人工操作不僅成本高、效率低，而且存在安全隱患。針對上述問題，本文基于電力線載波技術，以STC15W204S為微控制器，使用電力載波modem芯片SC1128，采用多種抗干擾技術，設計并實現(xiàn)了用于油田1 140 V電力線的抽油井電機遠程控制系統(tǒng)。經過測試，該系統(tǒng)抗干擾性和可靠性高，達到了精確可靠控制抽油井電機的目的。
關鍵詞： 電力線載波；STC15W204S單片機；遠程控制；抽油井
電力線載波PLC（power-line carrier）通信是以電力線為信息傳輸媒介進行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信方式[1-2]。電力線網覆蓋范圍廣，可充分利用現(xiàn)有電力線基礎設施，無需重新架設線路，避免了因布線對公共設施和建筑物的損壞，節(jié)省了物力和人力[3-6]。
參考文獻[7]提出了基于電力載波遠程通信原理，設計實現(xiàn)了一種基于電力載波的遠程控制系統(tǒng)，該遠程控制系統(tǒng)性能指標和控制效果能夠滿足實際控制需求。參考文獻[8]提出應用擴頻理論實現(xiàn)低壓電力線載波遠程抄表網絡系統(tǒng)的解決方案，具有成本低、集成度高、組網方便等優(yōu)點。參考文獻[9]提出了基于GPRS的集中抄表系統(tǒng)在油田電網的應用，采集的電量數(shù)據(jù)準確率達到100%。本課題基于以上方案，采用多種抗干擾技術，將電力載波技術應用到油田1 140 V電力線上，設計并實現(xiàn)抽油井電機遠程控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行了測試。
1 系統(tǒng)硬件設計
抽油井為發(fā)送端，油田控制中心為接收端。本系統(tǒng)是多對一的系統(tǒng)架構，多個發(fā)送端，一個接收端，系統(tǒng)通信架構圖如圖1所示。
我國電網比較獨特，直接利用國外先進技術和產品并不能取得令人滿意的效果[10-11]。電力載波modem芯片SC1128是針對中國電網的特點開發(fā)研制的專用擴頻調制/解調芯片。本系統(tǒng)選用該芯片，在通信方面具有較強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，當巡井人員巡井時，若發(fā)現(xiàn)異常情況需要控制抽油井，按下啟動或停止按鈕，STC15W204S單片機根據(jù)按鍵值，將相應的命令信號通過載波芯片SC1128耦合到電力線上。控制中心處的載波芯片一直處于接收狀態(tài)。當接收到有效信號時，SC1128將信號解調成數(shù)字信號，發(fā)送給STC15W204S單片機。單片機解析信號，并根據(jù)內容控制相應的繼電器，從而控制抽油機的啟動或停止。電力載波通信原理圖如圖2所示。
2 系統(tǒng)軟件設計
2.1 通信協(xié)議設計
發(fā)送端設備與接收端設備要能協(xié)同工作實現(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的校驗碼。本文采用CRC校驗法[12]，即發(fā)送方在發(fā)送完地址碼和數(shù)據(jù)之后，再發(fā)出校驗碼。接收端在接收到地址碼和數(shù)據(jù)后進行CRC校驗。若校驗正確，說明通信成功，接收到的數(shù)據(jù)有效，對數(shù)據(jù)進行處理；若校驗失敗，則置出錯標志，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。
2.3 接收端程序設計
接收端經過初始化后，進入循環(huán)等待狀態(tài)。當接收到數(shù)據(jù)時觸發(fā)接收中斷，系統(tǒng)進入中斷服務程序。當數(shù)據(jù)有效，同步碼匹配，并且接收到的地址碼是本設備的地址時，就執(zhí)行該命令，控制相應繼電器動作；否則拒絕執(zhí)行該命令。接收端流程圖如圖5所示。
3 系統(tǒng)抗干擾性和可靠性設計
電力線上信號復雜，尤其是電機等設備使載波信號的衰減嚴重，對系統(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）采用過零點載波技術。通過檢測電路檢測正弦電源每個周期內的兩個零點時刻，在該時刻對信號以FSK方式載波到電力線上。
（2）發(fā)送端使用移動電源給系統(tǒng)供電。抽油機遠程控制系統(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)送端僅在啟動電機設備時使用，平均功耗很小。本系統(tǒng)采用移動電源給系統(tǒng)供電，移動電源攜帶方便，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。經過測試，系統(tǒng)最高可在9 600 b/s的波特率下進行正常通信。本系統(tǒng)在保證控制系統(tǒng)在規(guī)定時間內控制抽油井電機的前提下，通過使用較低的2 400 b/s波特率進行通信，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。對于未使用的中斷源，在對應的中斷服務地址入口處設置軟件陷阱，使其跳轉到異常處理程序入口。對于程序區(qū)，在整個程序中設置了若干軟件陷阱，當程序進入陷阱后，讓其強制進入一個指定地址執(zhí)行一段專門對程序出錯進行處理的程序。例如將未使用的程序區(qū)都填成LJMP 0000H等。在對程序流向起決定作用的指令和某些對系統(tǒng)狀態(tài)起決定作用的指令后面可重復寫這些指令，以確保這些指令的正確執(zhí)行。
通過使用以上抗干擾技術，該系統(tǒng)有較高的抗干擾性和可靠性。
4 系統(tǒng)測試
在1 140 V電力線上，波特率為2 400 b/s，通信距離為1 000 m的條件下進行50次測試，系統(tǒng)通信準確率達100%。
圖6為發(fā)送端信號圖，圖7為接收端信號圖。通過對比圖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的應用，這些少量噪聲不影響系統(tǒng)的正常可靠通信，說明該系統(tǒng)具有較高的抗干擾性和可靠性。
該系統(tǒng)已經應用于河南某油田，其應用情況表明，該系統(tǒng)具有較高的抗干擾性和可靠性，能夠達到精確可靠控制抽油井電機的目的。電力載波技術可利用現(xiàn)有的電力線網絡構建電力載波通信系統(tǒng)，從而有效節(jié)約成本。隨著電力載波技術的不斷完善，其優(yōu)勢日益顯著，適合在礦井、農田設備控制、智能家居、智能城市等其他地方進行推廣，具有廣泛的應用前景。
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