电力线载波油井通信系统

摘要 以现代低压电力线载波技术为背景，围绕油井的井下与地面通信进行研究。采用扩频通信以解决电力线噪声干扰，并针对重频干扰，设计改进了耦合电路，尤其是耦合器前端滤波器，消除了噪声。具体实现时，采用SSCP485扩频通信芯片，结合SSCP111放大芯片和PIC18单片机，搭建了油井通信的发射接收系统，实现了高速准确的数据通信。实验证明，扩频通信对电力线噪声具有良好的对抗能力，同时，验证了本系统在数据发送、接收、处理等方面的可靠性与稳定性。
关键词 电力线载波；扩频通信；油井；电力线耦合技术；SSCP485

    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。