PLC通信在智能钻柱系统中的设计.pdf

l 匐 似 P L C 通信在智能钻柱系统中的设计 Des i gn of PLC com m uni cat i on f or t he i nt el l i gent dr i l I s t r i ng s ys t em 赖欣’ 。胡泽’ ，汪春浦 i_ AI Xi n‘ ， HU Z e。 。 W ANG Ch u n - p u 1 ． 西南石油大学 电气信息学院，成都 6 1 0 5 0 0 ；2 ． 川庆地质勘探开发研究院，成都 6 1 0 0 5 1 摘要随着钻井领域和钻井技术的发展 ，传统测井方式的信息传输速度、效率已经无法满足需要。 针对目前智能钻柱系统设计方案的特点 ，文中介绍了一种基于电力线载波技术 P L C 的智 能钻柱信息通信系统。详细阐述了以R I S E 3 4 0 1 为核心的载波通信系统的原理、设计方案及 各主要组成模块的硬件设计和软件实现方法，实现了低压电力线上的数据传输。实验结果表 明，该系统工作稳定、误码率低、抗干扰性好，具有一定的实用价值。 关键词P L C；智能钻柱；R I S E 3 4 0 1 中国分类号T P 2 7 4 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 2 1 下 一0 0 9 5 0 4 D o i 1 O ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 1 下 ． 2 9 0 引言 电力线载波通信是利用 电力线作为传输载体 ， 通过载 波方式进行模拟或数字信号传输 的一种传 输方式 。它 以电力线路为传输通道 ，不用额外布 线 ，具有通道可靠性 高、投资 少、见效快 、与 电 网建设 同步等得天独 厚的优点，所 以具有较广 阔 的应用前景 n 】 。正是电力线载波通信的这些优点 ， 将其应 用于井下 智能 钻柱系统 中。智能钻柱是智 能钻井的必要构件也是智能钻井的关键技术之一， 研发智能钻柱及其构件意义重 大。智能钻柱可 以从地面向井 下输送动力电能 ，同时实现地 面与井下之间测控信号的随钻 闭环几乎零时差 的有线双向通 信 ，从根本上解决无线传输 的 缺 陷及制 约 “ 瓶颈” 。许多油 气 田需要钻水平井、多分支井 等复杂结构井，并且较多使用 气体钻井和欠平衡钻井 ，不能 使用泥浆脉冲的 MWD，必须 使用有线传输，才能使用引进 的地 质导 向的 G e o l i n k和满足 旋转导向钻井、测井等先进技 术 的需要 。利用电力线载波 技术 ，通过智能钻柱在地面和 井下建 立双 向数据传输 通道 ， 实现电力和信息 同步 同线传输。 1 系统设计 电力线 载波通 信 系统 结构 框 图如图 1 所示 。 系统 属于分布式 测控 系统 ，主机设 在地 面，从机 设 在井 下。MC U作 为控 制单 元用来控 制调制 解 调模块工作 ，耦合电路将载 波信号加载到 电力线 上并起到 强电隔离和阻抗匹配的作用。待传输的 信 号采用 B P S K调制技术进行调制 ，调制后经载 波发送电路放大滤波后，耦合到低压 电力线网络 ， 电 力 线 接收 电路 耦合 电路 发 誉 鏊 大l 地 面 电 路 l 蓓 } 模块 Ⅺ s E 3 4 0 1 电力 线 载 波芯片 M CU 地面P C 通信 l ⋯ 模块L一 图1 硬件结构框图 耦合电路 发送放大 电路 S E3 4 0 1 电力线 载波芯片 二 M CU 井下存储器／ 控制设备 收稿日期2 0 1 1 -1 0 -1 3 基金项目国家 “ 8 6 3 ”计划子课题 2 0 0 7 A A 0 9 0 8 0 1 - - -0 3 ；西南石油大学科技基金资助项 目 2 0 1 0 X J Z 2 0 1 作者简介 赖欣 1 9 8 1 一， 女 ， 南充人，讲师，硕士，研究方向为智能仪器及自动化技术。 第3 4 卷第1 期2 0 1 2 1 下 【 9 5 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l lI 化 经过电网传输到指定接收端 ；在接 收端 ，先经过 耦合、滤 波，将调制 信号从电力线 路上滤 出，再 经过 解调还原 成原信号。当系统需 传送数据 时， 通过 MC U隔一定时间进行数据传送，并完成自动 更新。 2 硬件设计 2 ． 1单片机主控单元 单片机作为 P L C电路 中的一个核心部件 ，一 方 面 MC U控 制调 制 解调模 块发 送和 接收 数据 ， 保证 系统 正常工作 ；另一方面 MC U作为 电力 线 载波调制解调模块和 P C机 或存储器 之 间的 数 据通 道 ，完成 两 者数 据 的传递 。单 片机 采 用 S T C 8 9 L E 5 1 6 ，S T C8 9系 列 单 片 机 拥 有 R I S C型 8 0 5 1内核，处理速度是 8 0 5 1 的 1 2倍 ，它是 S T C 公司推出的一款性价比很高的单片机 。 2 ．2 电力线载波通信主芯片 电力线载波通信 主芯 片采用瑞斯康威公司智 能控制 网络 系统 芯片 R J S E 3 0 0 o系列 芯片，根 据 设 计 的实 际需要 选 用 S E 3 4 0 l 实 现。 S E 3 4 0 1 是一款结构紧凑的智能控制网芯片， S E 3 4 0 1为 3 2引脚 L QF P封装。R I S E 3 4 0 1 是一款物理层设计 上 符合 E I A 7 0 9 ． 2 、E N5 0 0 6 5 1等 国际标 准，采 用 B P S K调制解调 技术。数 据的调制发送和接 收解 ] VS I I “ I VS - 8 ． 5v 4 调由其 内部的 T r a n s mi t DS P B l o c k和 R e c e i v e DS P B l o c k完 成。本 系统选用嵌 入式工作模 式 ，此时 S P I 模块成为 R I S E 3 4 0 1与 MC U的通讯接 口。 2 ．3 电力线载波通信接口电路设计 2 ． 3 ． 1耦合及接收电路 图 2是载波耦合及接收电路。 耦合 电路是载波信号的输 入和输 出通路 ，既 可将 向电力线发送的信号耦合到 电力线上 ，又可 将从 电力线上接收的信号耦合到通信板，同时起 着隔离 2 2 0 V／ 5 0 Hz工频 的作用。耦合电路中，在 电力线的 L线串有一个 0 ． 2 2 p F ／ 2 7 5 V聚酯电容，用 来隔离 5 0 Hz交流电和通过有用的高频载波信号。 并有一个 1 1 耦合线 圈以传输有用的载波信号 ，同 时起到隔离高压作用。T VS 一 8 ． 5 V 瞬变二极管 防 止快速冲击 ，保护后端电路。 载 波接收 电路 中，载波信号经过耦合电路从 电力线上分离出来 ，从 X _ 0 U T进入 ，通过带通滤 波器和衰减控制电路进入 R I S E 3 4 0 1的载波接收信 号输入端 P GC _ V I N。在接收电路 中，为区分工频 信号与所需的数字信号，必须对信号进行滤波处 理，带通滤波器以分离电力信号 标准工频 5 0 H z 和载波数字信号 几百 K Hz ，达到提取高频数字 信号的 目的 J 。 耦合电路 I 6 L 7 力线 22 r I 王 { 2- 2 n i t X OUT 0 7 0 8 ．C 40 R 3 3 l l ， 一 一 l ， I ， ⋯ 一 ． 1 ， ] c 稍 RI S E 3 4 0 1 { ％ 一一 D0RX c 【 9 6 】 第3 4 卷第1 期2 0 1 2 1 下 图2 载波耦合及接收电路 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 注 lI8 似 图3 发送放大 电路 2 ． 3 ． 2发送放大电路 载波信号经过放大电路后 ，通过耦合电路直接 被发送到电力线上。R I S E 3 4 0 1的 DA C输 出信号需 要经过外部的硬件驱动电路放大后 ，才能加载到电 力线上。发送放大电路如图 3所示，当 MC U 向电 力线发送数据时 ，MC u将数据传到 R I S E 3 4 0 1 进行 调制处理 ，放大后的载波信号经 R I S E 3 4 0 1的 T X_ O UT送入耦合电路发送到电力线。 3 软件设计 系统软件主 要包括主 程序模块、中断处理模 块、载波通信收发模块和 RI S E 3 4 0 1与上位机 的串 口通信模块 。本设计为提高 C P U效率 ，接收和发 送采用 中断方式处理 ，保证通信 的实时性。软件 设计是在 K e i l 开发环境下采用 C 5 1语言编写 ，主 流程如图 4所示。 系统在上 电后进入主程 序，延时 等待 电源稳 定，进行复位操作 ；随后进 行初始化操作 ，对寄 存器进行初始化设置 ，如各寄存器、串 口缓 冲区 的清零等。如有载波数据，则进入载波接收中断； 如有 串口数据 ，则按照协 议格 式将数据取 出，存 入串口数据缓存数组，待数据接收完整后，进入 载波发送中断发送数据，主程序将再次循环检测 载波中断或串口中断。 图4 主流程 图 4 系统测试 电力线作为信息传输载体时的特殊性使得 P L C在不同的通信环境中的通信质量也不相同， 对地 面与井下双 向高速通信及电力传输环节进行 第3 4 卷第1 期2 0 1 2 1 下 [ 9 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 泣 訇 化 表1 系统通信性能测试结果 通信距离 发送总比 序号 时 间 误码率 m 特数 l 90 01 03 0 1 0 6 2 8 O o0 0 2 1 2 0 01 3 3 0 1 0 6 2 8 0 o0 0 3 9 0 01 0 3 0 5 0 6 2 8 0 o0 1 0 6 4 1 2 0 0 1 3 3 0 5 0 6 2 8 0 oO 1 O 一 6 5 90 01 03 0 1 0 o 6 2 8 0 oO 4．7 81 O 。 5 6 1 20 0 1 33 0 1 0 0 6 2 8 o o O 1 _5 91 O 一 5 7 90 0 1 03 0 3 0 o 6 2 8 o o O 7．9 6 8X 1 0 5 8 1 2 0 0 1 3 3 0 3 o0 6 2 8 o o O 4 ． 7 8 1 O 一 5 地面模拟实验。利用系统板在西南石油大学实验 楼 电力线环境下进行现场通信性能测试。实验分 别在不 同时间段和不 同通信距离进行了测试 ，具 体的测试结果如表 1 所示 。 测试结果表 明，在实验室范 围内，通信距离 为 1 0 m 时具有良好的稳定性 ，由于收发模块较近 ， 通信成功率达 1 0 0 ％。随着距离的增大 ，误码率随 之增加。在相同通信距离条件下，不 同时刻的通 信误码率也不相同，原 因是在某些时段实验室 内 连接在 电力线上的电器 大部分都在工作 ，插拔电 器所产生的脉冲噪声和 由此造成的多径传输造成 了误码率的急剧上升 ，而在午休或其他时段 ，误 码率相对较低。在实验过程 中，注意到通 信出现 失败并不是连 续的，软件设计上采用 自动请求重 传可以解决通信失败的问题。 5 结束语 本文设计实现了一种基于 电力线载波技术的 智能钻柱信息通信系统，并对其进行 了性能测试 。 该 系统具有较高 的接收灵敏度和较强 的抗干扰能 力，在实 际应用 中是 可行 的。但井下环 境 恶劣， 干扰严重 ，低压 电力线载波信道 的可靠通信不但 取决于通信模块的性能 ，还会 随着电力 系统的运 行工况 而发生波动。因而 ，为提 高系统通信 的综 合可靠性 ，应采取增 大发射功率、信道编码和纠 错控制等措施。 参考文献 【 1 ]李文江 ， 张文 超． 基 于扩频通信技 术的煤矿井下 综合 自 动化系统研究[ J ] ． 仪表技术与传感器， 2 0 1 0 ， 0 9 ． [ 2 ]肖仕红， 梁政． 智能钻井电缆信号传输的研究现状及难 点[ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 0 7 ， 0 2 ． 【 3 】韦惠民， 殷晓虎， 暴宇． 扩频通信技术及应用【 M】 ． 西安 西安电子科技大学出版社， 2 0 0 7 4 8 ． 1 2 7 ． 童‘ 童‘ 矗‘ 童‘ {盘‘ {岛‘ {重● 童● 量I {蠡● ． ‘ {矗● j＆● {矗● {鑫● 盘‘ ＆‘ {鱼‘ {● ． {＆‘ {I 童‘ 【 上接第9 4 页】 通过预 测结果分析可知 ，组合法对未来三个 时刻 的预测值 ，与实 测值最接近 ，比单一方法的 均方误差都小，提高了预测性能。 5 结束语 本文提 出基 于 G M 1 ， 1 和指数平滑法的组合 故障预 测方法。该方法采用拟合值均方误差 的分 配原则确定加权系数 ，充分吸收单一方法的优点， 提高 了预测 系统的综合性能。该方法主要针对具 有耗损型的缓变故障进行的，本文以某航空设备 为例验证其是可行的，适用于中短期预测，对维 修决策的制定有一定的参考价值。 [ o 8 1 第3 4 卷第1 期2 0 1 2 1 下 参考文献 [ 1 】郭秀英． 预测决策的理论与方法【 M】 ． 化学工业出版社， 201 0． [ 2 ]L I J u n l i a n g ， Li a o R u i q u a n ． [ A】 ． 2 0 1 0 I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n El e c t r i c a l a n d Co n t r o l Eng i n e e r i n g． mE E [ C ] ． 2 0 1 0 1 0 8 8 1 0 9 1 ． 【 3 】孙博， 康锐， 张叔农． 基于特征参数趋势进化的故障诊断 和预 测方法[ J 】 ． 航空学报， 2 0 0 8 ， 2 9 2 3 9 3 3 9 8 ． 【 4 】范爱锋， 张宏伟． 基于动态新息模型的雷达装备故障预 测趋势预测【 J 】 ． 计算机测量与控制， 2 0 0 7 ， 1 5 1 1 1 5 6 6 1 5 6 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m