摘 要：油田抽油井电机控制装置是强电、高压装置，人工操作不仅成本高、效率低，而且存在安全隐患。针对上述问题，本文基于电力线载波技术，以STC15W204S为微控制器，使用电力载波modem芯片SC1128，采用多种抗干扰技术，设计并实现了用于油田1 140 V电力线的抽油井电机远程控制系统。经过测试，该系统抗干扰性和可靠性高，达到了精确可靠控制抽油井电机的目的。
关键词：电力线载波；STC15W204S单片机；远程控制；抽油井
电力线载波PLC（power-line carrier）通信是以电力线为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种通信方式[1-2]。电力线网覆盖范围广，可充分利用现有电力线基础设施，无需重新架设线路，避免了因布线对公共设施和建筑物的损坏，节省了物力和人力[3-6]。
参考文献[7]提出了基于电力载波远程通信原理，设计实现了一种基于电力载波的远程控制系统，该远程控制系统性能指标和控制效果能够满足实际控制需求。参考文献[8]提出应用扩频理论实现低压电力线载波远程抄表网络系统的解决方案，具有成本低、集成度高、组网方便等优点。参考文献[9]提出了基于GPRS的集中抄表系统在油田电网的应用，采集的电量数据准确率达到100%。本课题基于以上方案，采用多种抗干扰技术，将电力载波技术应用到油田1 140 V电力线上，设计并实现抽油井电机远程控制系统，并对系统进行了测试。
1 系统硬件设计
抽油井为发送端，油田控制中心为接收端。本系统是多对一的系统架构，多个发送端，一个接收端，系统通信架构图如图1所示。
我国电网比较独特，直接利用国外先进技术和产品并不能取得令人满意的效果[10-11]。电力载波modem芯片SC1128是针对中国电网的特点开发研制的专用扩频调制/解调芯片。本系统选用该芯片，在通信方面具有较强的抗干扰及抗衰减性能。
控制抽油井的继电器位于油田控制中心，当巡井人员巡井时，若发现异常情况需要控制抽油井，按下启动或停止按钮，STC15W204S单片机根据按键值，将相应的命令信号通过载波芯片SC1128耦合到电力线上。控制中心处的载波芯片一直处于接收状态。当接收到有效信号时，SC1128将信号解调成数字信号，发送给STC15W204S单片机。单片机解析信号，并根据内容控制相应的继电器，从而控制抽油机的启动或停止。电力载波通信原理图如图2所示。
2 系统软件设计
2.1 通信协议设计
发送端设备与接收端设备要能协同工作实现信息交换，两者之间必须遵循某种互相都能接受的规则，即通信协议。本文采用的通信协议为：以连续的3个5AH为同步码，紧接着是1 B的地址码，之后是10 B的数据，最后为1 B的校验码。本文采用CRC校验法[12]，即发送方在发送完地址码和数据之后，再发出校验码。接收端在接收到地址码和数据后进行CRC校验。若校验正确，说明通信成功，接收到的数据有效，对数据进行处理；若校验失败，则置出错标志，并丢弃接收到的数据。本文采用的通信协议如图3所示。
2.3 接收端程序设计
接收端经过初始化后，进入循环等待状态。当接收到数据时触发接收中断，系统进入中断服务程序。当数据有效，同步码匹配，并且接收到的地址码是本设备的地址时，就执行该命令，控制相应继电器动作；否则拒绝执行该命令。接收端流程图如图5所示。
3 系统抗干扰性和可靠性设计
电力线上信号复杂，尤其是电机等设备使载波信号的衰减严重，对系统通信的抗干扰性和可靠性影响很大，因此如何保证系统通信的抗干扰性和可靠性非常关键。本系统采用以下方法来提高系统的抗干扰性和可靠性。
（1）采用过零点载波技术。通过检测电路检测正弦电源每个周期内的两个零点时刻，在该时刻对信号以FSK方式载波到电力线上。
（2）发送端使用移动电源给系统供电。抽油机远程控制系统的发送端在油田抽油井，处于郊外，仅有的电源为电力线上的1 140 V电压源，不能直接给系统供电。此外，发送端仅在启动电机设备时使用，平均功耗很小。本系统采用移动电源给系统供电，移动电源携带方便，供电稳定，减少了因电压源不稳定带来的干扰。
（3）降低通信速率。经过测试，系统最高可在9 600 b/s的波特率下进行正常通信。本系统在保证控制系统在规定时间内控制抽油井电机的前提下，通过使用较低的2 400 b/s波特率进行通信，来提高系统的抗干扰性和可靠性。
（4）使用软件陷阱和使用冗余指令等技术。对于未使用的中断源，在对应的中断服务地址入口处设置软件陷阱，使其跳转到异常处理程序入口。对于程序区，在整个程序中设置了若干软件陷阱，当程序进入陷阱后，让其强制进入一个指定地址执行一段专门对程序出错进行处理的程序。例如将未使用的程序区都填成LJMP 0000H等。在对程序流向起决定作用的指令和某些对系统状态起决定作用的指令后面可重复写这些指令，以确保这些指令的正确执行。
通过使用以上抗干扰技术，该系统有较高的抗干扰性和可靠性。
4 系统测试
在1 140 V电力线上，波特率为2 400 b/s，通信距离为1 000 m的条件下进行50次测试，系统通信准确率达100%。
图6为发送端信号图，图7为接收端信号图。通过对比图6和图7可知，图7中虽然含有少量噪声，但是通过上述抗干扰技术的应用，这些少量噪声不影响系统的正常可靠通信，说明该系统具有较高的抗干扰性和可靠性。
该系统已经应用于河南某油田，其应用情况表明，该系统具有较高的抗干扰性和可靠性，能够达到精确可靠控制抽油井电机的目的。电力载波技术可利用现有的电力线网络构建电力载波通信系统，从而有效节约成本。随着电力载波技术的不断完善，其优势日益显著，适合在矿井、农田设备控制、智能家居、智能城市等其他地方进行推广，具有广泛的应用前景。
参考文献
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