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為背景，圍繞油井的井下與地面通信進行研究。采用擴頻通信以解決電力線噪聲干擾，并針對重頻干擾，設計改進了耦合電路，尤其是耦合器前端濾波器，消除了噪聲。具體實現(xiàn)時，采用SSCP485擴頻通信芯片，結合SSCP111放大芯片和PIC18單片機，搭建了油井通信的發(fā)射接收系統(tǒng)，實現(xiàn)了高速準確的數(shù)據(jù)通信。實驗證明，擴頻通信對電力線噪聲具有良好的對抗能力，同時，驗證了本系統(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。
關鍵詞 電力線載波；擴頻通信；油井；電力線耦合技術；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)有資源進行通訊等方向的利用，將會對多領域包括銀行、企業(yè)、大眾生活帶來便利。同時，由于電力線載波技術具有良好的穩(wěn)定性，還具有支持多種載波形式，可以靈活應對復雜噪聲干擾的優(yōu)點。在國外，電力線通信監(jiān)控系統(tǒng)被應用在中等距離大規(guī)模的通信系統(tǒng)中。在我國，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構中，如果能夠利用電力線實現(xiàn)油井上下的控制與通信，將會對現(xiàn)有油井監(jiān)測與控制帶來便利與效益。目前多家采油廠已進行了電力線油井監(jiān)控試點工作。文中利用該技術，設計出數(shù)據(jù)傳輸模塊，負責油井上下的監(jiān)測、控制信號傳輸；對信號進行擴頻處理，增加通訊的可靠性，減少誤碼率；同時，在與電力線耦合的過程中，加入針對性的濾波電路設計，進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，通過控制直線電機的轉速，達到控制抽油速度的目的。這不僅保證了油管內液面高度的相對穩(wěn)定，使直流電機在穩(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，交流噪聲對數(shù)據(jù)的影響造成信號衰減，使得信噪比降低，造成數(shù)據(jù)傳輸錯誤。選擇擴頻通訊方式可以較好地排除電力線上的隨機干擾，因為擴頻載波信號的帶寬通常較大，所以受干擾頻率范圍所占比例相對較少。系統(tǒng)采用Intellon公司，基于擴頻通信原理專用網(wǎng)絡接口芯片SSCP485，功率放大器SSCP111和單片機PIC18，實現(xiàn)油井上下的擴頻載波通信。此外，通過針對性地加入耦合電路，濾除幾種與擴頻信號重頻的噪聲干擾，取得了較好的效果。在實際1 200 m電力線載波實驗中，數(shù)據(jù)信號可以準確地發(fā)送接收，誤碼率低于10e-5。證明擴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)在信號傳輸、A／D轉換、單片機與PC的串口通信等方面優(yōu)良的性能。

1 系統(tǒng)結構介紹
系統(tǒng)的組成如圖1所示。

系統(tǒng)包括井下監(jiān)測系統(tǒng)和地面監(jiān)測控制系統(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)送信號時，井下的電機壓力溫度檢測探頭，將油管內的液面情況通過傳感器傳輸給PIC18控制模塊，進而通過電力線載波模塊向油管內的交流電纜發(fā)送通訊信號。信號通過耦合器同電力線耦合。到達地面后，耦合器前端的耦合電路會對接收的信號進行濾波。數(shù)據(jù)通過電力線載波模塊被從模擬信號轉化為數(shù)字信號，并交給PIC18處理。井上的PIC18系統(tǒng)和工控計算機通過RS232端口實現(xiàn)通信，PIC18解調、解碼信號，將之交由工控計算機顯示，同時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)制定井下電機的運行方式。從井上向井下發(fā)送信號的流程則是上述過程的逆向運作。

2 PIC18控制模塊與載波通信模塊
2．1 擴頻通信芯片
擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所占的頻帶寬度遠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)男盘枺蠖鄶?shù)信號都能完整、正確地到達目的地，所以對各種類型的干擾具有較強的抵抗性。此外，此種Chirp波形還具有很強的自相關特性，其模糊邏輯的相關性決定了所有連接在網(wǎng)絡上的設備，可以同時識別從網(wǎng)上任意設備發(fā)出的這種獨特波形，并且不需要在發(fā)送和接收設備間進行同步，從而避免使用復雜的同步設備，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Chirp一般持續(xù)100μs，它代表了最基本的通信符號時間，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頻率結束。該芯片是一種高度集成的擴頻通信芯片，損耗低，是一種理想的通信收發(fā)器。其包括擴頻載波通信模塊(SSC)、信號調節(jié)模塊和簡單的主機接口等部件。需要簡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。