基于低压电力线载波技术的油井通信系统

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 低压电力线载波通信,是近年发展起来的以低压电力线作为媒介的通信方式,如果能通过这种现有资源进行通讯等方向的利用,将会对多领域包括银行、企业、大众生活带来便利。同时,由于电力线载波技术具有良好的稳定性,还具有支持多种载波形式,可以灵活应对复杂噪声干扰的优点。在国外,电力线通信监控系统被应用在中等距离大规模的通信系统中。在我国,目前已具备一定规模和水平。

电力线同样存在于石油探井结构中,如果能够利用电力线实现油井上下的控制与通信,将会对现有油井监测与控制带来便利与效益。目前多家采油厂已进行了电力线油井监控试点工作。文中利用该技术,设计出数据传输模块,负责油井上下的监测、控制信号传输;对信号进行扩频处理,增加通讯的可靠性,减少误码率;同时,在与电力线耦合的过程中,加入针对性的滤波电路设计,进一步降低了噪声干扰;并借助专家处理系统给出控制信号,通过控制直线电机的转速,达到控制抽油速度的目的。这不仅保证了油管内液面高度的相对稳定,使直流电机在稳定的工作环境中能够经久耐用,还可以使油井达到稳产定量、平稳生产的目的。

工程中的主要困难:用交流供电线作为通讯载体时,交流噪声对数据的影响造成信号衰减,使得信噪比降低,造成数据传输错误。选择扩频通讯方式可以较好地排除电力线上的随机干扰,因为扩频载波信号的带宽通常较大,所以受干扰频率范围所占比例相对较少。系统采用Intellon公司,基于扩频通信原理专用网络接口芯片SSCP485,功率放大器SSCP111和单片机PIC18,实现油井上下的扩频载波通信。此外,通过针对性地加入耦合电路,滤除几种与扩频信号重频的噪声干扰,取得了较好的效果。在实际1 200 m电力线载波实验中,数据信号可以准确地发送接收,误码率低于10e-5。证明扩频通信可以很好地解决电力线载波中的噪声干扰问题,以及本系统在信号传输、A/D转换、单片机与PC的串口通信等方面优良的性能。

1 系统结构介绍

系统的组成如图1所示。

系统包括井下监测系统和地面监测控制系统两部分。电力线载波以半双工方式工作,因此地面和井下的两个电力线载波通讯模块,需要分别与PIC18控制模块和电力线载波模块相连。从井下向井上发送信号时,井下的电机压力温度检测探头,将油管内的液面情况通过传感器传输给PIC18控制模块,进而通过电力线载波模块向油管内的交流电缆发送通讯信号。信号通过耦合器同电力线耦合。到达地面后,耦合器前端的耦合电路会对接收的信号进行滤波。数据通过电力线载波模块被从模拟信号转化为数字信号,并交给PIC18处理。井上的PIC18系统和工控计算机通过RS232端口实现通信,PIC18解调、解码信号,将之交由工控计算机显示,同时打包给专家处理模块。专家处理模块将根据传递的参数制定井下电机的运行方式。从井上向井下发送信号的流程则是上述过程的逆向运作。

2 PIC18控制模块与载波通信模块

2.1 扩频通信芯片

扩频通信技术是一种信息传输方式,其信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽,所以其受干扰的频率范围所占比例相对减小,换而言之,就是各种噪声仅能影响小部分所要传输的信号,而大多数信号都能完整、正确地到达目的地,所以对各种类型的干扰具有较强的抵抗性。此外,此种Chirp波形还具有很强的自相关特性,其模糊逻辑的相关性决定了所有连接在网络上的设备,可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形,并且不需要在发送和接收设备间进行同步,从而避免使用复杂的同步设备,也降低了系统成本。
系统选用Intellon公司的SSCP485芯片作为扩频通信模块。该芯片利用一系列短促的、可自同步的扫描频率Chirp波作为载体,每个Chirp一般持续100μs,它代表了最基本的通信符号时间,如图6所示。其中,Chirp覆盖了100~400 kHz的频带,并总是以200~400 kHz频率开始,以100~200 kHz频率结束。该芯片是一种高度集成的扩频通信芯片,损耗低,是一种理想的通信收发器。其包括扩频载波通信模块(SSC)、信号调节模块和简单的主机接口等部件。需要简单的外部线路将其连接到直流电源。与MCU通过串口线路相连接,与SSCP111通过发送回路相连接。

2.2 PIC18控制模块与载波模块电路设计

如图2所示,该电路由6个部分组成,它们集中在一块电路板上。单片机与SSCP485之间的通信,通过单片机串口和某些IO端口实现,SSC P485的4 MHz时钟输出提供单片机的时钟。在接收模式下,模拟信号通过电力线耦合,经过接收回路将信号传输到SSCP485,并将模拟信号转换成数字信号让单片机读取;在发送模式下,单片机将所要发送的数字信号通过写命令将数据写入SSCP485,在下个时钟脉冲到来时,SSCP4 85将数字信号调制为模拟信号,以Chirp波形输出,通过输入带通滤波将干扰滤除后,再通过信号放大电路将信号幅值放大,最后由耦合器耦合到电力线上。

井下通信模块的MCU程序完成以下主要功能:
(1)采用单片机的ADC数字化采集系统,对各类传感器进行信号采集、处理、监测。
(2)对发送信号进行纠错编码,编码类型选择BCH。
(3)向扩频载波芯片传送数据。
(4)控制通信模块SCCP485工作和系统的工作。
(5)井上通信模块MCU程序完成:接收信息数据包、对接收进行解码、恢复各传感器数据。
(6)对井下传感器的采集数据处理计算,将压力和温度转换为液面高度,并且进行记录。
(7)将液面高度和井下传感器状态数据打包,传送到上位机。

3 耦合电路

3.1 低压电力线网络噪声

低压电力线系统上的噪声较为复杂,不仅因为它是一个时变系统,而且会因接入不同的电器对系统的信号产生回波、驻波、谐振等影响。低压电力线上的噪声可分为以下几类:

(1)有色背景噪声。是由电力线上许多小功率噪声源叠加而产生的干扰,是一种随时间缓慢变化的随机干扰,其功率谱密度(PSD)随频率的增加而降低。

(2)窄带噪声。是一种频带很窄的噪声,多为调幅的正弦信号,主要由中短波广播信号的干扰而产生,其强度在24h内变化。

(3)与工频异步的周期脉冲噪声。这种噪声主要由开关电源产生,大部分按50~200 kHz频率重复,在频域上是一些离散谱,而这些频率上的噪声与Chirp波形同处于一个频带内。在实验初期,通过电力线传送的数据经常产生误码,主要就是第3种类型的干扰导致。通过FFT分析发现,这种高频噪声分布在100~400 kHz之间,而且幅度较大,使信噪比低于0.5。

如图3所示,有剧烈抖动的曲线信号为从1:1耦合器次级测得的市电干扰。试验中,将市电经过简单的高通滤波器,滤除50 Hz及其谐波的干扰,发现仍有高频噪声,此即周期脉冲干扰。下侧图像为其FFT,两根粗垂线之间代表100~400 kHz频带,可见,周期脉冲噪声与Chirp信号处于同一频带范围内,所以该噪声会使信号产生乱码。

3.2 耦合电路设计

为消除周期脉冲的干扰,针对其频率设计了专门的耦合电路,如图4所示,由两部分组成,分别是预滤波电路和高通滤波电路。

首先介绍RC电路:C2为1μf电容,耐压为270 V;R3为1 MΩ;功率为100 W。在加市电信号后,电容将50 Hz及其谐波等低频部分保留到RC网络上,将高频部分传递至变压器原级。但RC电路不能完全消除高频噪声,所以需要加入预滤波电路。

预滤波电路在市电接入前放置,也就是电力线与通信系统接触前,通过一个RC低通滤波网络,这可在市电作为通信信号载体之前,将其固有的周期脉冲噪声滤除,而且对后续的系统工作不会产生负面影响,低通滤波器的频域分析如图5所示。


4 结果与分析

结合扩频通信技术和耦合器前端滤波设计,进行了400 m,600 m,1 000 m,1 200 m的数据发送接收实验,符合预期结果,截取的数据信号如图6所示。

实验在1 200 m时,一串数字信号通过电力线传递的验证试验。信号在单片机与电力线载波模块之间以数字形式传递,在电力线上表现为模拟信号即Chirp波形。如前文所述,Chirp波形用两种相位表示0和1,在信号发送前会传送消息头,待确定消息头正确发送后停止等待,开始发送信号。

具体,发送数字信号为0011223344556677,由电脑传递给单片机,进而通过电力线传送井上系统。井上系统再通过串口将信号交由计算机显示。接收信号证明,如图7所示,电力线噪声没有对数字信号造成干扰,信号被正确接收,误码率低于10e-5。

尽管如此,发现耦合器次级的接收信号仍有一些微弱噪声,这是耦合器在市电复杂噪声的激励下产生的毛刺和干扰。这些干扰会使数据传输结果产生一定的误码情况。所以对耦合器的选择需要满足一定的参数,系统中耦合器选择0.25 mH电感,12匝绕线的订制变压器。

5 结束语

介绍了电力线载波技术的特点和应用。对实际中电力线噪声干扰,设计了扩频通信系统并加以耦合电路以辅助,从而良好地消除了复杂噪声,实现远距离的油井通信。系统在电力线数据通信、与工控计算机通信、传感器采样控制等方面均表现可靠、性能稳定。

 

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