電力線載波油井通信系統(tǒng)

摘要 以現(xiàn)代低壓電力線載波技術(shù)為背景，圍繞油井的井下與地面通信進(jìn)行研究。采用擴(kuò)頻通信以解決電力線噪聲干擾，并針對(duì)重頻干擾，設(shè)計(jì)改進(jìn)了耦合電路，尤其是耦合器前端濾波器，消除了噪聲。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用SSCP485擴(kuò)頻通信芯片，結(jié)合SSCP111放大芯片和PIC18單片機(jī)，搭建了油井通信的發(fā)射接收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)通信。實(shí)驗(yàn)證明，擴(kuò)頻通信對(duì)電力線噪聲具有良好的對(duì)抗能力，同時(shí)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、處理等方面的可靠性與穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞 電力線載波；擴(kuò)頻通信；油井；電力線耦合技術(shù)；SSCP485

低壓電力線載波通信，是近年發(fā)展起來的以低壓電力線作為媒介的通信方式，如果能通過這種現(xiàn)有資源進(jìn)行通訊等方向的利用，將會(huì)對(duì)多領(lǐng)域包括銀行、企業(yè)、大眾生活帶來便利。同時(shí)，由于電力線載波技術(shù)具有良好的穩(wěn)定性，還具有支持多種載波形式，可以靈活應(yīng)對(duì)復(fù)雜噪聲干擾的優(yōu)點(diǎn)。在國(guó)外，電力線通信監(jiān)控系統(tǒng)被應(yīng)用在中等距離大規(guī)模的通信系統(tǒng)中。在我國(guó)，目前已具備一定規(guī)模和水平。
電力線同樣存在于石油探井結(jié)構(gòu)中，如果能夠利用電力線實(shí)現(xiàn)油井上下的控制與通信，將會(huì)對(duì)現(xiàn)有油井監(jiān)測(cè)與控制帶來便利與效益。目前多家采油廠已進(jìn)行了電力線油井監(jiān)控試點(diǎn)工作。文中利用該技術(shù)，設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)傳輸模塊，負(fù)責(zé)油井上下的監(jiān)測(cè)、控制信號(hào)傳輸；對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻處理，增加通訊的可靠性，減少誤碼率；同時(shí)，在與電力線耦合的過程中，加入針對(duì)性的濾波電路設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低了噪聲干擾；并借助專家處理系統(tǒng)給出控制信號(hào)，通過控制直線電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制抽油速度的目的。這不僅保證了油管內(nèi)液面高度的相對(duì)穩(wěn)定，使直流電機(jī)在穩(wěn)定的工作環(huán)境中能夠經(jīng)久耐用，還可以使油井達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)定量、平穩(wěn)生產(chǎn)的目的。
工程中的主要困難：用交流供電線作為通訊載體時(shí)，交流噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的影響造成信號(hào)衰減，使得信噪比降低，造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。選擇擴(kuò)頻通訊方式可以較好地排除電力線上的隨機(jī)干擾，因?yàn)閿U(kuò)頻載波信號(hào)的帶寬通常較大，所以受干擾頻率范圍所占比例相對(duì)較少。系統(tǒng)采用Intellon公司，基于擴(kuò)頻通信原理專用網(wǎng)絡(luò)接口芯片SSCP485，功率放大器SSCP111和單片機(jī)PIC18，實(shí)現(xiàn)油井上下的擴(kuò)頻載波通信。此外，通過針對(duì)性地加入耦合電路，濾除幾種與擴(kuò)頻信號(hào)重頻的噪聲干擾，取得了較好的效果。在實(shí)際1 200 m電力線載波實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)信號(hào)可以準(zhǔn)確地發(fā)送接收，誤碼率低于10e-5。證明擴(kuò)頻通信可以很好地解決電力線載波中的噪聲干擾問題，以及本系統(tǒng)在信號(hào)傳輸、A／D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)與PC的串口通信等方面優(yōu)良的性能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹
系統(tǒng)的組成如圖1所示。

系統(tǒng)包括井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地面監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)兩部分。電力線載波以半雙工方式工作，因此地面和井下的兩個(gè)電力線載波通訊模塊，需要分別與PIC18控制模塊和電力線載波模塊相連。從井下向井上發(fā)送信號(hào)時(shí)，井下的電機(jī)壓力溫度檢測(cè)探頭，將油管內(nèi)的液面情況通過傳感器傳輸給PIC18控制模塊，進(jìn)而通過電力線載波模塊向油管內(nèi)的交流電纜發(fā)送通訊信號(hào)。信號(hào)通過耦合器同電力線耦合。到達(dá)地面后，耦合器前端的耦合電路會(huì)對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行濾波。數(shù)據(jù)通過電力線載波模塊被從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并交給PIC18處理。井上的PIC18系統(tǒng)和工控計(jì)算機(jī)通過RS232端口實(shí)現(xiàn)通信，PIC18解調(diào)、解碼信號(hào)，將之交由工控計(jì)算機(jī)顯示，同時(shí)打包給專家處理模塊。專家處理模塊將根據(jù)傳遞的參數(shù)制定井下電機(jī)的運(yùn)行方式。從井上向井下發(fā)送信號(hào)的流程則是上述過程的逆向運(yùn)作。

2 PIC18控制模塊與載波通信模塊
2．1 擴(kuò)頻通信芯片
擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬，所以其受干擾的頻率范圍所占比例相對(duì)減小，換而言之，就是各種噪聲僅能影響小部分所要傳輸?shù)男盘?hào)，而大多數(shù)信號(hào)都能完整、正確地到達(dá)目的地，所以對(duì)各種類型的干擾具有較強(qiáng)的抵抗性。此外，此種Chirp波形還具有很強(qiáng)的自相關(guān)特性，其模糊邏輯的相關(guān)性決定了所有連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備，可以同時(shí)識(shí)別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種獨(dú)特波形，并且不需要在發(fā)送和接收設(shè)備間進(jìn)行同步，從而避免使用復(fù)雜的同步設(shè)備，也降低了系統(tǒng)成本。
系統(tǒng)選用Intellon公司的SSCP485芯片作為擴(kuò)頻通信模塊。該芯片利用一系列短促的、可自同步的掃描頻率Chirp波作為載體，每個(gè)Chirp一般持續(xù)100μs，它代表了最基本的通信符號(hào)時(shí)間，如圖6所示。其中，Chirp覆蓋了100～400 kHz的頻帶，并總是以200～400 kHz頻率開始，以100～200 kHz頻率結(jié)束。該芯片是一種高度集成的擴(kuò)頻通信芯片，損耗低，是一種理想的通信收發(fā)器。其包括擴(kuò)頻載波通信模塊(SSC)、信號(hào)調(diào)節(jié)模塊和簡(jiǎn)單的主機(jī)接口等部件。需要簡(jiǎn)單的外部線路將其連接到直流電源。與MCU通過串口線路相連接，與SSCP111通過發(fā)送回路相連接。