(LonWorks技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展分析)
核心提示：分布在偏遠(yuǎn)地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)、油田抽油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)常存在數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸困難，無線通訊方式可靠性較低，而布線施工又較為困難。基于LonWorks電力線載波通信的系統(tǒng)方案較為有利。可利用現(xiàn)場(chǎng)已有電力線為載體，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。
一、引言
當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)、油田采油機(jī)作業(yè)區(qū)通常采用人工定期巡檢的監(jiān)測(cè)方式。部分油井作業(yè)區(qū)使用了電臺(tái)、衛(wèi)星通信與GPRS傳輸方式。以上方法存在地理位置受限、成本高和可靠性低等缺點(diǎn)。而進(jìn)口風(fēng)力發(fā)電設(shè)備大多采用的是LON控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其它現(xiàn)場(chǎng)情況與油田類似。這兩種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)十分相似，因此其解決方案也具有相似性。研發(fā)基于電力線載波通信的監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。
基于電力線載波通信的LON控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，控制設(shè)備的工作狀態(tài)，而且具有自動(dòng)報(bào)警和處理突然事件的功能。
二、監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
1、構(gòu)建分布式現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
下面以油田監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)為例，分析系統(tǒng)建設(shè)可行性方案。
抽油機(jī)供配電由6 KV電力線、配電變壓器、380 V電力線等變配電網(wǎng)組成，抽油機(jī)通常分布在半徑為1O km的區(qū)域內(nèi)，監(jiān)控中心一般設(shè)立在作業(yè)區(qū)的中心位置處。6kV電力線主要用于電能遠(yuǎn)距離傳輸，經(jīng)過配電變壓器降壓為380V，為抽油機(jī)供電，1個(gè)配電變壓器常為1個(gè)抽油機(jī)供電。載波通訊方式采用將傳輸數(shù)據(jù)跨過配電變壓器直接注入6KV電力線，避免變壓器對(duì)載波信號(hào)的隔離，中高壓電力線具有阻抗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，確保了電力線載波長距離傳輸?shù)目尚行浴?/SPAN>
2、 LonWorks網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的核心技術(shù)是神經(jīng)元芯片和LonTalk網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，神經(jīng)元芯片不僅可作為LonTalk協(xié)議的通信處理器，也可以用作通用處理器，通過NeuronC語言即可實(shí)現(xiàn)對(duì)I／O、定時(shí)器和網(wǎng)絡(luò)變量的操作。各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸只需在應(yīng)用層設(shè)定和改變網(wǎng)絡(luò)變量即可，減少了網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和程序的設(shè)計(jì)難度。該總線在電力線載波通信方面更具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和優(yōu)越的可靠性與穩(wěn)定性。
3、監(jiān)控系統(tǒng)總體方案探索
監(jiān)控系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、通訊管理機(jī)、監(jiān)控中心應(yīng)用軟件等組成。
油井現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)經(jīng)遠(yuǎn)程終端采集，RTU具備唯一的設(shè)備ID號(hào)，標(biāo)示了所在油井信息及地理位置。RTU之間具有中繼功能，保證了電力線載波的遠(yuǎn)距離傳輸。電力線將RTU采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心的通訊管理機(jī)，通訊管理機(jī)將收集到各節(jié)點(diǎn)RTU的數(shù)據(jù)匯總至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心軟件可以查看油井的數(shù)據(jù)報(bào)表，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析油井的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，也可控制電機(jī)的運(yùn)行、停止和緊急情況的處理。
三、硬件電路方案
整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為RTU和通訊管理機(jī)的硬件設(shè)計(jì)，通訊管理機(jī)向下管理現(xiàn)場(chǎng)子網(wǎng)、采集LON節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并上傳到監(jiān)管中心數(shù)據(jù)庫，并接收及下達(dá)中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)LON節(jié)點(diǎn)設(shè)備的控制指令。通訊管理機(jī)選用美國埃施朗公司的i.LON SmartServer,性能極佳。以下僅討論RTU的硬件電路設(shè)計(jì)，RTU的硬件電路包括處理器模塊、電源模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、控制模塊、通信模塊與耦合電路。
1、選用高性能的CPU電路
CPU采用高性能ARM920T系列的S3C2410芯片，作為處理單元，該芯片具有低成本、低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)。豐富的內(nèi)部資源減小了RTU的體積，方便了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，常用的外設(shè)接口便于系統(tǒng)與其他儀器或與傳感器擴(kuò)展連接。其主要任務(wù)是采集、處理并分析油井現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)；完成與PL3120的數(shù)據(jù)通信；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)判斷是否有過壓、欠壓、短路等故障并及時(shí)報(bào)警處理；分析監(jiān)控中心的控制命令，根據(jù)命令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。
2、神經(jīng)元芯片PL3120電路
電力線神經(jīng)元芯片采用PL3120，該芯片本質(zhì)上是具有高可靠性的窄帶電力線收發(fā)片上系統(tǒng)，內(nèi)含4K字節(jié)的EEPROM和2K字節(jié)的RAM。
該芯片內(nèi)部具有3個(gè)處理器。MAC處理器是介質(zhì)訪問控制處理器，執(zhí)行介質(zhì)訪問邏輯和驅(qū)動(dòng)通信子系統(tǒng)硬件；網(wǎng)絡(luò)處理器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)變量的實(shí)現(xiàn)、尋址和傳遞等功能；應(yīng)用層處理器負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶編寫的應(yīng)用代碼。各處理器彼此依靠共享存儲(chǔ)空間的方式來傳輸數(shù)據(jù)。PL3120電力線智能收發(fā)器使用+8.5 -+18V直流電源和+5 V直流電源供電，在接收模式時(shí)電流消耗很小，寬電源電壓輸入范圍和功率低等特點(diǎn)使其可以使用低價(jià)的電力系統(tǒng)直接供電。此外，內(nèi)部電源管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)不斷監(jiān)視設(shè)備的電源狀態(tài)，確保了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。
3、信號(hào)發(fā)送放大電路分析
載波通信頻帶的信息具有較高的信噪比，能有效可靠地通過電力線進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。PL3120的載波信號(hào)發(fā)送端提供了7V的信號(hào)輸出，對(duì)比電力線上的干擾噪聲很難具有較高的信噪比。文中采用離散元件設(shè)計(jì)了組合放大電路，將輸出電壓提高為12V，增加了輸出功率與信噪比。
4、電源模塊應(yīng)用分析
設(shè)計(jì)可靠的電源是電力線載波通信的關(guān)鍵，電源的輸入直接與載波信道相連，其噪聲必然會(huì)引起通信頻率信號(hào)的衰減。文中采用了VIPer20A開關(guān)電源芯片為系統(tǒng)供電，避開了載波通信頻率，同時(shí)也避免了開關(guān)頻率的諧波對(duì)通信造成負(fù)面影響。經(jīng)過78L05線性電源為通信芯片供電，進(jìn)一步降低了開關(guān)噪聲對(duì)通信芯片的影響。系統(tǒng)應(yīng)具備掉電監(jiān)測(cè)功能，待交流電突然斷電，PL3120會(huì)立刻響應(yīng)，依靠電容等儲(chǔ)能元件中的電能存儲(chǔ)需要保存的數(shù)據(jù)。
5、藕合電路設(shè)計(jì)
電力線的耦合方式主要有相一相耦合與相一地耦合，系統(tǒng)采用一種常用的單相耦合電路。電力線載波通信需要將信號(hào)耦合到電力線上，其主要依靠耦合電容完成，并與相應(yīng)的電感或者變壓器在接收信號(hào)時(shí)構(gòu)成高通濾波器，用于衰減工頻對(duì)載波頻段的干擾。具體的電路圖如圖6所示。C27可避免發(fā)送端直流偏置電壓經(jīng)過變壓器造成短路，C27為載波信號(hào)的耦合電容，針對(duì)中壓或者高壓電力線，只需提高耦合電路部分被動(dòng)元件耐壓值即可。
6、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)調(diào)理電路
油井現(xiàn)場(chǎng)安裝有相應(yīng)的壓力表和溫度計(jì)，監(jiān)測(cè)油壓、套壓、回壓和油井溫度等參數(shù)，抽油機(jī)的工作電壓，電流和功率等電機(jī)參數(shù)同樣需要監(jiān)控。文中使用485總線擴(kuò)展連接現(xiàn)場(chǎng)已有壓力表等現(xiàn)場(chǎng)儀器，使用電流互感器精確測(cè)量電流，計(jì)算功率。對(duì)環(huán)境惡劣的沙漠地帶，采用了高精度、低溫漂的信號(hào)調(diào)理電路，保證了信號(hào)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性。
7、軟件主要功能設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件包括RTU底層軟件、通訊管理機(jī)軟件與應(yīng)用軟件。RTU軟件分為主處理器S3C2410軟件與PL3120固件。S3C2410是RTU的核心，其軟件要監(jiān)控各參數(shù)規(guī)律，針對(duì)安全故障要及時(shí)處理并報(bào)警。集中器主要收集各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并發(fā)送給PC機(jī)軟件，工作站應(yīng)用軟件能處理數(shù)據(jù)報(bào)表，分析數(shù)據(jù)特性并應(yīng)具有良好的人機(jī)交互界面。
