電力線(xiàn)載波油井通信系統

摘要 以現代低壓電力線(xiàn)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。采用擴頻通信以解決電力線(xiàn)噪聲干擾，并針對重頻干擾，設計改進(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)現時(shí)，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，實(shí)現了高速準確的數據通信。實(shí)驗證明，擴頻通信對電力線(xiàn)噪聲具有良好的對抗能力，同時(shí)，驗證了本系統在數據發(fā)送、接收、處理等方面的可靠性與穩定性。
關(guān)鍵詞 電力線(xiàn)載波；擴頻通信；油井；電力線(xiàn)耦合技術(shù)；SSCP485

低壓電力線(xiàn)載波通信，是近年發(fā)展起來(lái)的以低壓電力線(xiàn)作為媒介的通信方式，如果能通過(guò)這種現有資源進(jìn)行通訊等方向的利用，將會(huì )對多領(lǐng)域包括銀行、企業(yè)、大眾生活帶來(lái)便利。同時(shí)，由于電力線(xiàn)載波技術(shù)具有良好的穩定性，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(diǎn)。在國外，電力線(xiàn)通信監控系統被應用在中等距離大規模的通信系統中。在我國，目前已具備一定規模和水平。
電力線(xiàn)同樣存在于石油探井結構中，如果能夠利用電力線(xiàn)實(shí)現油井上下的控制與通信，將會(huì )對現有油井監測與控制帶來(lái)便利與效益。目前多家采油廠(chǎng)已進(jìn)行了電力線(xiàn)油井監控試點(diǎn)工作。文中利用該技術(shù)，設計出數據傳輸模塊，負責油井上下的監測、控制信號傳輸；對信號進(jìn)行擴頻處理，增加通訊的可靠性，減少誤碼率；同時(shí)，在與電力線(xiàn)耦合的過(guò)程中，加入針對性的濾波電路設計，進(jìn)一步降低了噪聲干擾；并借助專(zhuān)家處理系統給出控制信號，通過(guò)控制直線(xiàn)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定，使直流電機在穩定的工作環(huán)境中能夠經(jīng)久耐用，還可以使油井達到穩產(chǎn)定量、平穩生產(chǎn)的目的。
工程中的主要困難：用交流供電線(xiàn)作為通訊載體時(shí)，交流噪聲對數據的影響造成信號衰減，使得信噪比降低，造成數據傳輸錯誤。選擇擴頻通訊方式可以較好地排除電力線(xiàn)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。系統采用Intellon公司，基于擴頻通信原理專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )接口芯片SSCP485，功率放大器SSCP111和單片機PIC18，實(shí)現油井上下的擴頻載波通信。此外，通過(guò)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(shí)際1 200 m電力線(xiàn)載波實(shí)驗中，數據信號可以準確地發(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(xiàn)載波中的噪聲干擾問(wèn)題，以及本系統在信號傳輸、A／D轉換、單片機與PC的串口通信等方面優(yōu)良的性能。

1 系統結構介紹
系統的組成如圖1所示。

系統包括井下監測系統和地面監測控制系統兩部分。電力線(xiàn)載波以半雙工方式工作，因此地面和井下的兩個(gè)電力線(xiàn)載波通訊模塊，需要分別與PIC18控制模塊和電力線(xiàn)載波模塊相連。從井下向井上發(fā)送信號時(shí)，井下的電機壓力溫度檢測探頭，將油管內的液面情況通過(guò)傳感器傳輸給PIC18控制模塊，進(jìn)而通過(guò)電力線(xiàn)載波模塊向油管內的交流電纜發(fā)送通訊信號。信號通過(guò)耦合器同電力線(xiàn)耦合。到達地面后，耦合器前端的耦合電路會(huì )對接收的信號進(jìn)行濾波。數據通過(guò)電力線(xiàn)載波模塊被從模擬信號轉化為數字信號，并交給PIC18處理。井上的PIC18系統和工控計算機通過(guò)RS232端口實(shí)現通信，PIC18解調、解碼信號，將之交由工控計算機顯示，同時(shí)打包給專(zhuān)家處理模塊。專(zhuān)家處理模塊將根據傳遞的參數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(guò)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(shù)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的信號，而大多數信號都能完整、正確地到達目的地，所以對各種類(lèi)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(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 )上的設備，可以同時(shí)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(jìn)行同步，從而避免使用復雜的同步設備，也降低了系統成本。
系統選用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(gè)Chirp一般持續100μs，它代表了最基本的通信符號時(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(kāi)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)、信號調節模塊和簡(jiǎn)單的主機接口等部件。需要簡(jiǎn)單的外部線(xiàn)路將其連接到直流電源。與MCU通過(guò)串口線(xiàn)路相連接，與SSCP111通過(guò)發(fā)送回路相連接。