(LonWorks技术应用领域拓展分析)
核心提示：分布在偏远地区的风力发电场、油田抽油机监控系统常存在数据远程传输困难，无线通讯方式可靠性较低，而布线施工又较为困难。基于LonWorks电力线载波通信的系统方案较为有利。可利用现场已有电力线为载体，系统可实现现场数据的采集、传输以及远程监控。
一、引言
当前，风力发电场、油田采油机作业区通常采用人工定期巡检的监测方式。部分油井作业区使用了电台、卫星通信与GPRS传输方式。以上方法存在地理位置受限、成本高和可靠性低等缺点。而进口风力发电设备大多采用的是LON控制网络技术，其它现场情况与油田类似。这两种现场设备的监控系统建设十分相似，因此其解决方案也具有相似性。研发基于电力线载波通信的监控系统具有重要意义。
基于电力线载波通信的LON控制网络技术构建数据监控系统，不仅能够实时监测现场设备的运行状态，控制设备的工作状态，而且具有自动报警和处理突然事件的功能。
二、监控系统方案设计
1、构建分布式现场网络结构
下面以油田监控系统建设为例，分析系统建设可行性方案。
抽油机供配电由6 KV电力线、配电变压器、380 V电力线等变配电网组成，抽油机通常分布在半径为1O km的区域内，监控中心一般设立在作业区的中心位置处。6kV电力线主要用于电能远距离传输，经过配电变压器降压为380V，为抽油机供电，1个配电变压器常为1个抽油机供电。载波通讯方式采用将传输数据跨过配电变压器直接注入6KV电力线，避免变压器对载波信号的隔离，中高压电力线具有阻抗低、可靠性高等优点，确保了电力线载波长距离传输的可行性。
2、 LonWorks网络技术
LonWorks现场总线的核心技术是神经元芯片和LonTalk网络协议，神经元芯片不仅可作为LonTalk协议的通信处理器，也可以用作通用处理器，通过NeuronC语言即可实现对I／O、定时器和网络变量的操作。各节点的数据传输只需在应用层设定和改变网络变量即可，减少了网络的构建和程序的设计难度。该总线在电力线载波通信方面更具有明显的技术优势和优越的可靠性与稳定性。
3、监控系统总体方案探索
监控系统主要由远程监控终端、通讯管理机、监控中心应用软件等组成。
油井现场参数经远程终端采集，RTU具备唯一的设备ID号，标示了所在油井信息及地理位置。RTU之间具有中继功能，保证了电力线载波的远距离传输。电力线将RTU采集到的现场数据传送到监控中心的通讯管理机，通讯管理机将收集到各节点RTU的数据汇总至监控中心。监控中心软件可以查看油井的数据报表，根据现场数据分析油井的生产运行状态，也可控制电机的运行、停止和紧急情况的处理。
三、硬件电路方案
整个系统的硬件设计分为RTU和通讯管理机的硬件设计，通讯管理机向下管理现场子网、采集LON节点数据并上传到监管中心数据库，并接收及下达中心对现场LON节点设备的控制指令。通讯管理机选用美国埃施朗公司的i.LON SmartServer,性能极佳。以下仅讨论RTU的硬件电路设计，RTU的硬件电路包括处理器模块、电源模块、信号调理模块、控制模块、通信模块与耦合电路。
1、选用高性能的CPU电路
CPU采用高性能ARM920T系列的S3C2410芯片，作为处理单元，该芯片具有低成本、低功耗、高性能等优点。丰富的内部资源减小了RTU的体积，方便了系统设计，常用的外设接口便于系统与其他仪器或与传感器扩展连接。其主要任务是采集、处理并分析油井现场参数；完成与PL3120的数据通信；根据现场数据判断是否有过压、欠压、短路等故障并及时报警处理；分析监控中心的控制命令，根据命令对现场设备进行控制。
2、神经元芯片PL3120电路
电力线神经元芯片采用PL3120，该芯片本质上是具有高可靠性的窄带电力线收发片上系统，内含4K字节的EEPROM和2K字节的RAM。
该芯片内部具有3个处理器。MAC处理器是介质访问控制处理器，执行介质访问逻辑和驱动通信子系统硬件；网络处理器负责网络变量的实现、寻址和传递等功能；应用层处理器负责执行用户编写的应用代码。各处理器彼此依靠共享存储空间的方式来传输数据。PL3120电力线智能收发器使用+8.5 -+18V直流电源和+5 V直流电源供电，在接收模式时电流消耗很小，宽电源电压输入范围和功率低等特点使其可以使用低价的电力系统直接供电。此外，内部电源管理系统实时不断监视设备的电源状态，确保了系统稳定可靠运行。
3、信号发送放大电路分析
载波通信频带的信息具有较高的信噪比，能有效可靠地通过电力线进行远距离传输。PL3120的载波信号发送端提供了7V的信号输出，对比电力线上的干扰噪声很难具有较高的信噪比。文中采用离散元件设计了组合放大电路，将输出电压提高为12V，增加了输出功率与信噪比。
4、电源模块应用分析
设计可靠的电源是电力线载波通信的关键，电源的输入直接与载波信道相连，其噪声必然会引起通信频率信号的衰减。文中采用了VIPer20A开关电源芯片为系统供电，避开了载波通信频率，同时也避免了开关频率的谐波对通信造成负面影响。经过78L05线性电源为通信芯片供电，进一步降低了开关噪声对通信芯片的影响。系统应具备掉电监测功能，待交流电突然断电，PL3120会立刻响应，依靠电容等储能元件中的电能存储需要保存的数据。
5、藕合电路设计
电力线的耦合方式主要有相一相耦合与相一地耦合，系统采用一种常用的单相耦合电路。电力线载波通信需要将信号耦合到电力线上，其主要依靠耦合电容完成，并与相应的电感或者变压器在接收信号时构成高通滤波器，用于衰减工频对载波频段的干扰。具体的电路图如图6所示。C27可避免发送端直流偏置电压经过变压器造成短路，C27为载波信号的耦合电容，针对中压或者高压电力线，只需提高耦合电路部分被动元件耐压值即可。
6、现场信号调理电路
油井现场安装有相应的压力表和温度计，监测油压、套压、回压和油井温度等参数，抽油机的工作电压，电流和功率等电机参数同样需要监控。文中使用485总线扩展连接现场已有压力表等现场仪器，使用电流互感器精确测量电流，计算功率。对环境恶劣的沙漠地带，采用了高精度、低温漂的信号调理电路，保证了信号监测的准确性与可靠性。
7、软件主要功能设计
系统软件包括RTU底层软件、通讯管理机软件与应用软件。RTU软件分为主处理器S3C2410软件与PL3120固件。S3C2410是RTU的核心，其软件要监控各参数规律，针对安全故障要及时处理并报警。集中器主要收集各节点数据并发送给PC机软件，工作站应用软件能处理数据报表，分析数据特性并应具有良好的人机交互界面。
