plc通信在智能钻柱系统中设计

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学兔兔www.xuetutu.coml匐似PLC通信在智能钻柱系统中的设计DesignofPLCcommunicationfortheintelligentdrilIstringsystem赖欣’。胡泽’，汪春浦i_AIXin‘，HUZe。。WANGChun-pu(1．西南石油大学电气信息学院，成都610500；2．川庆地质勘探开发研究院，成都610051)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(PLC)的智能钻柱信息通信系统。详细阐述了以RISE3401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：PLC；智能钻柱；RISE3401中国分类号：TP274文献标识码：A文章编号：1009-0134(2012)1(下)一0095—04Doi：1O．3969／J．issn．1009-0134．2012．1(下)．290引言实现电力和信息同步同线传输。电力线载波通信是利用电力线作为传输载体，1系统设计通过载波方式进行模拟或数字信号传输的一种传电力线载波通信系统结构框图如图1所示。输方式。它以电力线路为传输通道，不用额外布系统属于分布式测控系统，主机设在地面，从机线，具有通道可靠性高、投资少、见效快、与电设在井下。MCU作为控制单元用来控制调制解网建设同步等得天独厚的优点，所以具有较广阔调模块工作，耦合电路将载波信号加载到电力线的应用前景n】。正是电力线载波通信的这些优点，上并起到强电隔离和阻抗匹配的作用。待传输的将其应用于井下智能钻柱系统中。智能钻柱是智信号采用BPSK调制技术进行调制，调制后经载能钻井的必要构件也是智能钻井的关键技术之一，波发送电路放大滤波后，耦合到低压电力线网络，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电力线下输送动力电能，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耦合电路耦合电路信，从根本上解决无线传输的缺陷及制约“瓶颈”。许多油接收发送放大气田需要钻水平井、多分支井电路发誉鏊大l地面电路l蓓电路通信l⋯等复杂结构井，并且较多使用}模块模块L一气体钻井和欠平衡钻井，不能ⅪsE3401电力线SE3401电力线使用泥浆脉冲的MWD，必须载波芯片载波芯片使用有线传输，才能使用引进二的地质导向的Geolink和满足MCUMCU旋转导向钻井、测井等先进技术的需要。利用电力线载波地面PC井下存储器／控制设备技术，通过智能钻柱在地面和井下建立双向数据传输通道，图1硬件结构框图收稿日期：2011-10-13基金项目：国家“863”计划子课题(2007AA090801---03)；西南石油大学科技基金资助项目(2010XJZ201)作者简介：赖欣(1981一)，女，南充人，讲师，硕士，研究方向为智能仪器及自动化技术。第34卷第1期2012—1(下)【95l 学兔兔www.xuetutu.com务llI》化经过电网传输到指定接收端；在接收端，先经过调由其内部的TransmitDSPBlock和ReceiveDSP耦合、滤波，将调制信号从电力线路上滤出，再Block完成。本系统选用嵌入式工作模式，此时经过解调还原成原信号。当系统需传送数据时，SPI模块成为RISE3401与MCU的通讯接口。通过MCU隔一定时间进行数据传送，并完成自动2．3电力线载波通信接口电路设计更新。2．3．1耦合及接收电路2硬件设计图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2．1单片机主控单元可将向电力线发送的信号耦合到电力线上，又可单片机作为PLC电路中的一个核心部件，一方面MCU控制调制解调模块发送和接收数据，将从电力线上接收的信号耦合到通信板，同时起着隔离220V／50Hz工频的作用。耦合电路中，在保证系统正常工作；另一方面MCU作为电力线载波调制解调模块和PC机(或存储器)之间的电力线的L线串有一个0．22pF／275V聚酯电容，用数据通道，完成两者数据的传递。单片机采用来隔离50Hz交流电和通过有用的高频载波信号。STC89LE516，STC89系列单片机拥有RISC型并有一个1：1耦合线圈以传输有用的载波信号，同8051内核，处理速度是8051的12倍，它是STC时起到隔离高压作用。TVS一8．5V(瞬变二极管)防公司推出的一款性价比很高的单片机。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2．2电力线载波通信主芯片电力线上分离出来，从X_0UT进入，通过带通滤电力线载波通信主芯片采用瑞斯康威公司智波器和衰减控制电路进入RISE3401的载波接收信能控制网络系统芯片RJSE300o系列芯片，根据号输入端PGC_VIN。在接收电路中，为区分工频设计的实际需要选用SE340l实现。SE3401信号与所需的数字信号，必须对信号进行滤波处是一款结构紧凑的智能控制网芯片，SE3401为32引脚LQFP封装。RISE3401是一款物理层设计理，带通滤波器以分离电力信号(标准工频50Hz)上符合EIA709．2、EN50065—1等国际标准，采用和载波数字信号(几百KHz)，达到提取高频数字BPSK调制解调技术。数据的调制发送和接收解信号的目的J。I]VSI力线"IVS-8．5v4耦合电路I6L722rI王{2-2nit0708C40R33lXOUTl，一一l，．I，⋯一．1，]c稍RISE3401{％DRX一一0c图2载波耦合及接收电路【96】第34卷第1期2012—1(下) 学兔兔www.xuetutu.com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。RISE3401的DAC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MCU向电力线发送数据时，MCu将数据传到RISE3401进行调制处理，放大后的载波信号经RISE3401的TX_OUT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RISE3401与上位机的串口通信模块。本设计为提高CPU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Keil开发环境下采用C51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、串口缓冲区图4主流程图的清零等。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4系统测试入串口数据缓存数组，待数据接收完整后，进入电力线作为信息传输载体时的特殊性使得载波发送中断发送数据，主程序将再次循环检测PLC在不同的通信环境中的通信质量也不相同，载波中断或串口中断。对地面与井下双向高速通信及电力传输环节进行第34卷第1期2012—1(下)[971 学兔兔www.xuetutu.com务l泣訇化表1系统通信性能测试结果了误码率的急剧上升，而在午休或其他时段，误序号时间通信距离发送总比误码率码率相对较低。在实验过程中，注意到通信出现(m)特数失败并不是连续的，软件设计上采用自动请求重l9：00~10：3010628Oo00传可以解决通信失败的问题。212：00~13：30106280o0039：00~10：30506280o0《10—65结束语412：00~13：30506280oO《1O一6本文设计实现了一种基于电力线载波技术的59：00~10：3010o6280oO4．78×1O。5智能钻柱信息通信系统，并对其进行了性能测试。612：00~13：30100628ooO1_59×1O一5该系统具有较高的接收灵敏度和较强的抗干扰能79：00~10：3030o628ooO7．968X10—5力，在实际应用中是可行的。但井下环境恶劣，812：00~13：303o0628ooO4．78×1O一5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地面模拟实验。利用系统板在西南石油大学实验行工况而发生波动。因而，为提高系统通信的综楼电力线环境下进行现场通信性能测试。实验分合可靠性，应采取增大发射功率、信道编码和纠别在不同时间段和不同通信距离进行了测试，具错控制等措施。体的测试结果如表1所示。参考文献：测试结果表明，在实验室范围内，通信距离【1]李文江，张文超．基于扩频通信技术的煤矿井下综合自为10m时具有良好的稳定性，由于收发模块较近，动化系统研究[J]．仪表技术与传感器，2010，09．通信成功率达100％。随着距离的增大，误码率随[2]肖仕红，梁政．智能钻井电缆信号传输的研究现状及难之增加。在相同通信距离条件下，不同时刻的通点[J]．石油矿场机械，2007，02．信误码率也不相同，原因是在某些时段实验室内【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，2007：48．127．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童‘童‘矗‘童‘{盘‘{岛‘{重●童●量I{蠡●．‘{矗●j＆●{矗●{鑫●盘‘＆‘{鱼‘{^●．{＆‘{^I童‘【上接第94页】通过预测结果分析可知，组合法对未来三个参考文献：时刻的预测值，与实测值最接近，比单一方法的[1】郭秀英．预测决策的理论与方法【M】．化学工业出版社，均方误差都小，提高了预测性能。2010．[2]LIJunliang，LiaoRuiquan．[A】．2010International5结束语ConferenceonElectricalandControlEngineering．本文提出基于GM(1，1)和指数平滑法的组合mEE[C]．2010：1088—1091．故障预测方法。该方法采用拟合值均方误差的分【3】孙博，康锐，张叔农．基于特征参数趋势进化的故障诊断配原则确定加权系数，充分吸收单一方法的优点，和预测方法[J】．航空学报，2008，29(2)：393—398．【4】范爱锋，张宏伟．基于动态新息模型的雷达装备故障预提高了预测系统的综合性能。该方法主要针对具测趋势预测【J】．计算机测量与控制，2007，15(11)：1566—有耗损型的缓变故障进行的，本文以某航空设备1568．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。[o81第34卷第1期2012—1(下)