(LonWorks技術應用領域拓展分析)
核心提示：分布在偏遠地區的風力發電場、油田抽油機監控系統常存在數據遠程傳輸困難，無線通訊方式可靠性較低，而布線施工又較為困難。基于LonWorks電力線載波通信的系統方案較為有利。可利用現場已有電力線為載體，系統可實現現場數據的采集、傳輸以及遠程監控。
一、引言
當前，風力發電場、油田采油機作業區通常采用人工定期巡檢的監測方式。部分油井作業區使用了電臺、衛星通信與GPRS傳輸方式。以上方法存在地理位置受限、成本高和可靠性低等缺點。而進口風力發電設備大多采用的是LON控制網絡技術，其它現場情況與油田類似。這兩種現場設備的監控系統建設十分相似，因此其解決方案也具有相似性。研發基于電力線載波通信的監控系統具有重要意義。
基于電力線載波通信的LON控制網絡技術構建數據監控系統，不僅能夠實時監測現場設備的運行狀態，控制設備的工作狀態，而且具有自動報警和處理突然事件的功能。
二、監控系統方案設計
1、構建分布式現場網絡結構
下面以油田監控系統建設為例，分析系統建設可行性方案。
抽油機供配電由6 KV電力線、配電變壓器、380 V電力線等變配電網組成，抽油機通常分布在半徑為1O km的區域內，監控中心一般設立在作業區的中心位置處。6kV電力線主要用于電能遠距離傳輸，經過配電變壓器降壓為380V，為抽油機供電，1個配電變壓器常為1個抽油機供電。載波通訊方式采用將傳輸數據跨過配電變壓器直接注入6KV電力線，避免變壓器對載波信號的隔離，中高壓電力線具有阻抗低、可靠性高等優點，確保了電力線載波長距離傳輸的可行性。
2、 LonWorks網絡技術
LonWorks現場總線的核心技術是神經元芯片和LonTalk網絡協議，神經元芯片不僅可作為LonTalk協議的通信處理器，也可以用作通用處理器，通過NeuronC語言即可實現對I／O、定時器和網絡變量的操作。各節點的數據傳輸只需在應用層設定和改變網絡變量即可，減少了網絡的構建和程序的設計難度。該總線在電力線載波通信方面更具有明顯的技術優勢和優越的可靠性與穩定性。
3、監控系統總體方案探索
監控系統主要由遠程監控終端、通訊管理機、監控中心應用軟件等組成。
油井現場參數經遠程終端采集，RTU具備唯一的設備ID號，標示了所在油井信息及地理位置。RTU之間具有中繼功能，保證了電力線載波的遠距離傳輸。電力線將RTU采集到的現場數據傳送到監控中心的通訊管理機，通訊管理機將收集到各節點RTU的數據匯總至監控中心。監控中心軟件可以查看油井的數據報表，根據現場數據分析油井的生產運行狀態，也可控制電機的運行、停止和緊急情況的處理。
三、硬件電路方案
整個系統的硬件設計分為RTU和通訊管理機的硬件設計，通訊管理機向下管理現場子網、采集LON節點數據并上傳到監管中心數據庫，并接收及下達中心對現場LON節點設備的控制指令。通訊管理機選用美國埃施朗公司的i.LON SmartServer,性能極佳。以下僅討論RTU的硬件電路設計，RTU的硬件電路包括處理器模塊、電源模塊、信號調理模塊、控制模塊、通信模塊與耦合電路。
1、選用高性能的CPU電路
CPU采用高性能ARM920T系列的S3C2410芯片，作為處理單元，該芯片具有低成本、低功耗、高性能等優點。豐富的內部資源減小了RTU的體積，方便了系統設計，常用的外設接口便于系統與其他儀器或與傳感器擴展連接。其主要任務是采集、處理并分析油井現場參數；完成與PL3120的數據通信；根據現場數據判斷是否有過壓、欠壓、短路等故障并及時報警處理；分析監控中心的控制命令，根據命令對現場設備進行控制。
2、神經元芯片PL3120電路
電力線神經元芯片采用PL3120，該芯片本質上是具有高可靠性的窄帶電力線收發片上系統，內含4K字節的EEPROM和2K字節的RAM。
該芯片內部具有3個處理器。MAC處理器是介質訪問控制處理器，執行介質訪問邏輯和驅動通信子系統硬件；網絡處理器負責網絡變量的實現、尋址和傳遞等功能；應用層處理器負責執行用戶編寫的應用代碼。各處理器彼此依靠共享存儲空間的方式來傳輸數據。PL3120電力線智能收發器使用+8.5 -+18V直流電源和+5 V直流電源供電，在接收模式時電流消耗很小，寬電源電壓輸入范圍和功率低等特點使其可以使用低價的電力系統直接供電。此外，內部電源管理系統實時不斷監視設備的電源狀態，確保了系統穩定可靠運行。
3、信號發送放大電路分析
載波通信頻帶的信息具有較高的信噪比，能有效可靠地通過電力線進行遠距離傳輸。PL3120的載波信號發送端提供了7V的信號輸出，對比電力線上的干擾噪聲很難具有較高的信噪比。文中采用離散元件設計了組合放大電路，將輸出電壓提高為12V，增加了輸出功率與信噪比。
4、電源模塊應用分析
設計可靠的電源是電力線載波通信的關鍵，電源的輸入直接與載波信道相連，其噪聲必然會引起通信頻率信號的衰減。文中采用了VIPer20A開關電源芯片為系統供電，避開了載波通信頻率，同時也避免了開關頻率的諧波對通信造成負面影響。經過78L05線性電源為通信芯片供電，進一步降低了開關噪聲對通信芯片的影響。系統應具備掉電監測功能，待交流電突然斷電，PL3120會立刻響應，依靠電容等儲能元件中的電能存儲需要保存的數據。
5、藕合電路設計
電力線的耦合方式主要有相一相耦合與相一地耦合，系統采用一種常用的單相耦合電路。電力線載波通信需要將信號耦合到電力線上，其主要依靠耦合電容完成，并與相應的電感或者變壓器在接收信號時構成高通濾波器，用于衰減工頻對載波頻段的干擾。具體的電路圖如圖6所示。C27可避免發送端直流偏置電壓經過變壓器造成短路，C27為載波信號的耦合電容，針對中壓或者高壓電力線，只需提高耦合電路部分被動元件耐壓值即可。
6、現場信號調理電路
油井現場安裝有相應的壓力表和溫度計，監測油壓、套壓、回壓和油井溫度等參數，抽油機的工作電壓，電流和功率等電機參數同樣需要監控。文中使用485總線擴展連接現場已有壓力表等現場儀器，使用電流互感器精確測量電流，計算功率。對環境惡劣的沙漠地帶，采用了高精度、低溫漂的信號調理電路，保證了信號監測的準確性與可靠性。
7、軟件主要功能設計
系統軟件包括RTU底層軟件、通訊管理機軟件與應用軟件。RTU軟件分為主處理器S3C2410軟件與PL3120固件。S3C2410是RTU的核心，其軟件要監控各參數規律，針對安全故障要及時處理并報警。集中器主要收集各節點數據并發送給PC機軟件，工作站應用軟件能處理數據報表，分析數據特性并應具有良好的人機交互界面。
