基于電力載波的抽油井電機遠程控制系統*

劉 慧，劉新平

（中國石油大學（華東）計算機與通信工程學院，山東 青島 266580）

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據傳輸的一種通信方式[1-2]。電力線網覆蓋范圍廣，可充分利用現有電力線基礎設施，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，節省了物力和人力[3-6]。

[7]提出了基于電力載波遠程通信原理，設計實現了一種基于電力載波的遠程控制系統，該遠程控制系統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低壓電力線載波遠程抄表網絡系統的解決方案，具有成本低、集成度高、組網方便等優點。參考文獻[9]提出了基于GPRS的集中抄表系統在油田電網的應用，采集的電量數據準確率達到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，設計并實現抽油井電機遠程控制系統，并對系統進行了測試。

1 系統硬件設計

抽油井為發送端，油田控制中心為接收端。本系統是多對一的系統架構，多個發送端，一個接收端，系統通信架構圖如圖1所示。

圖1 系統通信架構圖

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研制的專用擴頻調制/解調芯片。本系統選用該芯片，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，若發現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。當接收到有效信號時，SC1128將信號解調成數字信號，發送給STC15W204S單片機。單片機解析信號，并根據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。

圖2 電力載波通信原理圖

2 系統軟件設計

2.1 通信協議設計

發送端設備與接收端設備要能協同工作實現信息交換，兩者之間必須遵循某種互相都能接受的規則，即通信協議。本文采用的通信協議為：以連續的3個5AH為同步碼，緊接著是1 B的地址碼，之后是10 B的數據，最后為 1 B的校驗碼。本文采用 CRC校驗法[12]，即發送方在發送完地址碼和數據之后，再發出校驗碼。接收端在接收到地址碼和數據后進行CRC校驗。若校驗正確，說明通信成功，接收到的數據有效，對數據進行處理；若校驗失敗，則置出錯標志，并丟棄接收到的數據。本文采用的通信協議如圖3所示。

圖3 通信協議

2.2 發送端程序設計

發送端經過初始化后，進入循環等待狀態。當有按鍵按下時觸發外部中斷，系統進入中斷服務程序，對按鍵進行消抖處理后，向接收端發送相應的命令。發送端流程圖如圖4所示。

圖4 發送端流程圖

2.3 接收端程序設計

接收端經過初始化后，進入循環等待狀態。當接收到數據時觸發接收中斷，系統進入中斷服務程序。當數據有效，同步碼匹配，并且接收到的地址碼是本設備的地址時，就執行該命令，控制相應繼電器動作；否則拒絕執行該命令。接收端流程圖如圖5所示。

圖5 接收端流程圖

3 系統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，對系統通信的抗干擾性和可靠性影響很大，因此如何保證系統通信的抗干擾性和可靠性非常關鍵。本系統采用以下方法來提高系統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）發送端使用移動電源給系統供電。抽油機遠程控制系統的發送端在油田抽油井，處于郊外，僅有的電源為電力線上的1 140 V電壓源，不能直接給系統供電。此外，發送端僅在啟動電機設備時使用，平均功耗很小。本系統采用移動電源給系統供電，移動電源攜帶方便，供電穩定，減少了因電壓源不穩定帶來的干擾。

（3）降低通信速率。經過測試，系統最高可在9 600 b/s的波特率下進行正常通信。本系統在保證控制系統在規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，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狀態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行。

通過使用以上抗干擾技術，該系統有較高的抗干擾性和可靠性。

4 系統測試

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，系統通信準確率達100%。

圖6為發送端信號圖，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的正常可靠通信，說明該系統具有較高的抗干擾性和可靠性。

圖6 發送端信號

圖7 接收端信號

該系統已經應用于河南某油田，其應用情況表明，該系統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有的電力線網絡構建電力載波通信系統，從而有效節約成本。隨著電力載波技術的不斷完善，其優勢日益顯著，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。

參考文獻

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