PLC通信在智能鉆柱系統(tǒng)中的設(shè)計

賴 欣，胡 澤，汪春浦

（1. 西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610500；2. 川慶地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，成都 610051）

0 引言

電力線載波通信是利用電力線作為傳輸載體，通過載波方式進行模擬或數(shù)字信號傳輸?shù)囊环N傳輸方式。它以電力線路為傳輸通道，不用額外布線，具有通道可靠性高、投資少、見效快、與電網(wǎng)建設(shè)同步等得天獨厚的優(yōu)點，所以具有較廣闊的應(yīng)用前景[1]。正是電力線載波通信的這些優(yōu)點，將其應(yīng)用于井下智能鉆柱系統(tǒng)中。智能鉆柱是智能鉆井的必要構(gòu)件也是智能鉆井的關(guān)鍵技術(shù)之一，研發(fā)智能鉆柱及其構(gòu)件意義重大。智能鉆柱可以從地面向井下輸送動力電能，同時實現(xiàn)地面與井下之間測控信號的隨鉆閉環(huán)幾乎零時差的有線雙向通信，從根本上解決無線傳輸?shù)娜毕菁爸萍s“瓶頸”。許多油氣田需要鉆水平井、多分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，并且較多使用氣體鉆井和欠平衡鉆井，不能使用泥漿脈沖的MWD，必須使用有線傳輸，才能使用引進的地質(zhì)導(dǎo)向的Geolink和滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井、測井等先進技術(shù)的需要[2]。利用電力線載波技術(shù)，通過智能鉆柱在地面和井下建立雙向數(shù)據(jù)傳輸通道，實現(xiàn)電力和信息同步同線傳輸。

1 系統(tǒng)設(shè)計

電力線載波通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)屬于分布式測控系統(tǒng)，主機設(shè)在地面，從機設(shè)在井下。MCU作為控制單元用來控制調(diào)制解調(diào)模塊工作，耦合電路將載波信號加載到電力線上并起到強電隔離和阻抗匹配的作用。待傳輸?shù)男盘柌捎肂PSK調(diào)制技術(shù)進行調(diào)制，調(diào)制后經(jīng)載波發(fā)送電路放大濾波后，耦合到低壓電力線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過電網(wǎng)傳輸?shù)街付ń邮斩?；在接收端，先?jīng)過耦合、濾波，將調(diào)制信號從電力線路上濾出，再經(jīng)過解調(diào)還原成原信號。當系統(tǒng)需傳送數(shù)據(jù)時，通過MCU隔一定時間進行數(shù)據(jù)傳送，并完成自動更新。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機主控單元

單片機作為PLC電路中的一個核心部件，一方面MCU控制調(diào)制解調(diào)模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)正常工作；另一方面MCU作為電力線載波調(diào)制解調(diào)模塊和PC機（或存儲器）之間的數(shù)據(jù)通道，完成兩者數(shù)據(jù)的傳遞。單片機采用STC89LE516，STC89系列單片機擁有RISC型8051內(nèi)核，處理速度是8051的12倍，它是STC公司推出的一款性價比很高的單片機。

2.2 電力線載波通信主芯片

電力線載波通信主芯片采用瑞斯康威公司智能控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)芯片 RISE3000 系列芯片，根據(jù)設(shè)計的實際需要選用RISE3401實現(xiàn)。RISE3401是一款結(jié)構(gòu)緊湊的智能控制網(wǎng)芯片，RISE3401 為32 引腳 LQFP 封裝。RISE3401是一款物理層設(shè)計上符合EIA709.2、EN50065-1等國際標準，采用BPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)。數(shù)據(jù)的調(diào)制發(fā)送和接收解調(diào)由其內(nèi)部的Transmit DSP Block和Receive DSP Block完成。本系統(tǒng)選用嵌入式工作模式，此時SPI模塊成為RISE3401與MCU的通訊接口。

2.3 電力線載波通信接口電路設(shè)計

2.3.1 耦合及接收電路

圖2是載波耦合及接收電路。

耦合電路是載波信號的輸入和輸出通路，既可將向電力線發(fā)送的信號耦合到電力線上，又可將從電力線上接收的信號耦合到通信板，同時起著隔離 220V/50Hz 工頻的作用。耦合電路中，在電力線的L線串有一個 0.22pF/275V聚酯電容，用來隔離50Hz交流電和通過有用的高頻載波信號。并有一個1:1耦合線圈以傳輸有用的載波信號，同時起到隔離高壓作用。TVS-8.5V(瞬變二極管)防止快速沖擊，保護后端電路。

載波接收電路中，載波信號經(jīng)過耦合電路從電力線上分離出來，從X_0UT進入，通過帶通濾波器和衰減控制電路進入RISE3401的載波接收信號輸入端PGC_VIN。在接收電路中，為區(qū)分工頻信號與所需的數(shù)字信號，必須對信號進行濾波處理，帶通濾波器以分離電力信號(標準工頻50Hz)和載波數(shù)字信號(幾百KHz)，達到提取高頻數(shù)字信號的目的[3]。

圖2 載波耦合及接收電路

圖3 發(fā)送放大電路

2.3.2 發(fā)送放大電路

載波信號經(jīng)過放大電路后，通過耦合電路直接被發(fā)送到電力線上。RISE3401 的 DAC 輸出信號需要經(jīng)過外部的硬件驅(qū)動電路放大后，才能加載到電力線上。發(fā)送放大電路如圖3 所示，當 MCU 向電力線發(fā)送數(shù)據(jù)時，MCU 將數(shù)據(jù)傳到 RISE3401 進行調(diào)制處理，放大后的載波信號經(jīng)RISE3401的TX_OUT送入耦合電路發(fā)送到電力線。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括主程序模塊、中斷處理模塊、載波通信收發(fā)模塊和RISE3401與上位機的串口通信模塊。本設(shè)計為提高CPU效率，接收和發(fā)送采用中斷方式處理，保證通信的實時性。軟件設(shè)計是在Keil開發(fā)環(huán)境下采用C51語言編寫，主流程如圖4所示。

系統(tǒng)在上電后進入主程序，延時等待電源穩(wěn)定，進行復(fù)位操作；隨后進行初始化操作，對寄存器進行初始化設(shè)置，如各寄存器、串口緩沖區(qū)的清零等。如有載波數(shù)據(jù)，則進入載波接收中斷；如有串口數(shù)據(jù)，則按照協(xié)議格式將數(shù)據(jù)取出，存入串口數(shù)據(jù)緩存數(shù)組，待數(shù)據(jù)接收完整后，進入載波發(fā)送中斷發(fā)送數(shù)據(jù)，主程序?qū)⒃俅窝h(huán)檢測載波中斷或串口中斷。

圖4 主流程圖

4 系統(tǒng)測試

電力線作為信息傳輸載體時的特殊性使得PLC在不同的通信環(huán)境中的通信質(zhì)量也不相同，對地面與井下雙向高速通信及電力傳輸環(huán)節(jié)進行地面模擬實驗。利用系統(tǒng)板在西南石油大學(xué)實驗樓電力線環(huán)境下進行現(xiàn)場通信性能測試。實驗分別在不同時間段和不同通信距離進行了測試，具體的測試結(jié)果如表 1 所示。

表1 系統(tǒng)通信性能測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，在實驗室范圍內(nèi)，通信距離為10m時具有良好的穩(wěn)定性，由于收發(fā)模塊較近，通信成功率達100%。隨著距離的增大，誤碼率隨之增加。在相同通信距離條件下，不同時刻的通信誤碼率也不相同，原因是在某些時段實驗室內(nèi)連接在電力線上的電器大部分都在工作，插拔電器所產(chǎn)生的脈沖噪聲和由此造成的多徑傳輸造成了誤碼率的急劇上升，而在午休或其他時段，誤碼率相對較低。在實驗過程中，注意到通信出現(xiàn)失敗并不是連續(xù)的，軟件設(shè)計上采用自動請求重傳可以解決通信失敗的問題。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計實現(xiàn)了一種基于電力線載波技術(shù)的智能鉆柱信息通信系統(tǒng)，并對其進行了性能測試。該系統(tǒng)具有較高的接收靈敏度和較強的抗干擾能力，在實際應(yīng)用中是可行的。但井下環(huán)境惡劣，干擾嚴重，低壓電力線載波信道的可靠通信不但取決于通信模塊的性能，還會隨著電力系統(tǒng)的運行工況而發(fā)生波動。因而，為提高系統(tǒng)通信的綜合可靠性，應(yīng)采取增大發(fā)射功率、信道編碼和糾錯控制等措施。

[1] 李文江, 張文超. 基于擴頻通信技術(shù)的煤礦井下綜合自動化系統(tǒng)研究[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2010, 09.

[2] 肖仕紅, 梁政. 智能鉆井電纜信號傳輸?shù)难芯楷F(xiàn)狀及難點[J]. 石油礦場機械, 2007, 02.

[3] 韋惠民, 殷曉虎, 暴宇. 擴頻通信技術(shù)及應(yīng)用[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 2007: 48-127.