唐鵬輝 張?jiān)瀑F 王麗娜

(中國鋼研冶金自動化研究設(shè)計(jì)院混合流程工業(yè)自動化系統(tǒng)及裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100071)

0 引言

電力載波通信是指將信號加載到工頻上，將電力線作為信息傳輸媒介的一種通信方式。電力載波通信的最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，可節(jié)約大量成本。采用電力線通信具有實(shí)現(xiàn)成本低、數(shù)據(jù)傳輸速率高、永遠(yuǎn)在線、通信范圍廣等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。

電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)［3］。雙向可控硅為無觸點(diǎn)式開關(guān)，無火花、壽命長、體積小、無噪聲。其控制回路為弱電控制，耗電小且更新方便;具有良好的開關(guān)特性，操作者只需接觸安全的低壓直流電源。

隨著時(shí)代的進(jìn)步，如何進(jìn)一步提高人防工程等控制系統(tǒng)的智能化，如何在降低成本的同時(shí)簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和維護(hù)過程，已成為一個(gè)至關(guān)重要的問題［4-5］。與此同時(shí)，在傳統(tǒng)的接觸器正反控制電路中，接觸器存在主觸頭拉弧和火花問題，容易造成主回路相間的短路，造成電動機(jī)斷相運(yùn)行而破壞電機(jī)，更為嚴(yán)重的是引起火災(zāi)。

為有效解決以上兩個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)了一款新型閥門控制器。本控制器將主要應(yīng)用在人防工程中。

1 控制器的組成及工作原理

1.1 硬件設(shè)計(jì)

控制器主要由通信部分和用戶電路兩部分組成。通信部分主要由神經(jīng)元芯片PL3120核心板、電源和耦合電路等組成，負(fù)責(zé)電力載波通信、檢測數(shù)據(jù)處理和控制輸出。用戶電路部分主要由閥門正反轉(zhuǎn)控制電路、電流檢測電路、數(shù)字量狀態(tài)采集電路和狀態(tài)輸出電路等組成，負(fù)責(zé)執(zhí)行通信板的控制命令、采集控制器本身和控制負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)、提供報(bào)警顯示和故障處理等功能?？刂破饔布娐房驁D如圖1所示。

圖1 控制器硬件電路框圖Fig.1 Hardware circuit of the controller

1.1.1 電力載波芯片PL3120核心板

電力載波芯片PL3120核心板由PL3120芯片、晶振和電阻電容等器件組成。PL3120采用ANSI/EIA 709.1協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過LonWorks網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)之間的通信，主要應(yīng)用于電力載波領(lǐng)域。PL3120芯片輸入時(shí)鐘頻率可設(shè)置為 10 MHz，工作于 C波段，通信速度為5.4 kbit/s［6］。PL3120芯片具有以下特點(diǎn):①采用窄帶BPSK電力線信號調(diào)制;②雙載波頻率通信方式;③通過前向糾錯(cuò)算法(FEC)加循環(huán)冗余校驗(yàn)，克服數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤問題;④具有1 Ω輸出阻抗，能實(shí)現(xiàn)低阻抗電路高電平信號傳輸，同時(shí)保持極其微弱的輸出信號失真;⑤能適應(yīng)全球范圍內(nèi)多種通信標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.2 電源部分

控制器需要直流電壓VA和直流電壓VDD5兩個(gè)直流電壓。本設(shè)計(jì)中采用兩級電源轉(zhuǎn)換，由交流220 V轉(zhuǎn)換到直流電壓VA，然后由VA轉(zhuǎn)換成直流電壓VDD5。電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路Fig.2 Circuit of power supply

220V交流電壓通過變壓器T1轉(zhuǎn)換成低壓交流電壓，整流橋D1將低壓交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。C1為儲能電容，C2、C3為濾波電容;穩(wěn)壓芯片LM317T將整流橋輸出的不穩(wěn)定直流電源轉(zhuǎn)換成VA輸出，VA=1.25(1+R2/R1)+ⅠR2;D2、D3為保護(hù)二極管，防止電壓反向破壞穩(wěn)壓芯片。電源變換芯片78L05將VA電壓轉(zhuǎn)換成VDD5電壓;C12、C13為濾波電容，C14作為旁路電容，起穩(wěn)定電源電壓的作用。

1.1.3 耦合電路

耦合電路的目的是從電力線上提取載波信號，并將其送入放大電路，然后將輸出信號耦合到電力線上。耦合電路設(shè)計(jì)是否合理將直接關(guān)系到電力載波效率［7-8］。耦合電路設(shè)計(jì)必須做到輸出阻抗盡可能小，這樣信號才不會被輸出阻抗消耗;同時(shí)輸入阻抗必須足夠大，以保證信號基本不會被線路阻抗分掉［9］。耦合電路設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 耦合電路Fig.3 Coupling circuit

圖3中，T1為通信耦合變壓器，它將電力網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)部電路隔離。同時(shí)，它也是耦合電路輸入阻抗的一部分，起到提高輸入阻抗、減少信號由于分壓而導(dǎo)致?lián)p失等作用。TXOUT、RXIN為PL3120上的發(fā)送接收管腳，發(fā)送信號經(jīng)T1通過C3發(fā)送出去。D5、D6兩個(gè)二極管起鉗壓作用，以抑制電路浪涌電壓，C2的作用是防止TXOUT的直流偏置電壓加載到RXIN管腳上。

1.1.4 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路

對閥門正反轉(zhuǎn)的控制主要通過換相來實(shí)現(xiàn)。正反控制電路如圖4所示。

當(dāng)PL3120收到手動或遠(yuǎn)程開關(guān)命令，命令經(jīng)過處理后，PL3120芯片通過I/O口DIO1(DIO2)控制三極管T1(T2)的通斷，驅(qū)動光耦MOC3063的發(fā)光二極管，并間接驅(qū)動雙向可控硅通斷，以達(dá)到控制閥門的正反轉(zhuǎn)和停止操作。

圖4 正反控制電路Fig.4 Bi-directional control circuit

1.1.5 電流檢測電路

電流檢測電路的原理為:電機(jī)供電線穿過精密電流互感器T63的初級端，在T63次級端產(chǎn)生感應(yīng)電流;經(jīng)整流和電容儲能等轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號輸入到ADC芯片的Vin3端，ADC芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后輸入3120控制器。電流檢測電路如圖5所示。

圖5 電流檢測電路Fig.5 Current detection circuit

1.2 軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件的作用主要是配合硬件實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。控制器可以通過數(shù)字開關(guān)量輸入選擇工作模式。工作模式分為遠(yuǎn)程自動模式和手動模式兩種。在遠(yuǎn)程自動模式下，控制器通過電力載波方式與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)命令，但不接收物理開關(guān)輸入;在手動模式下，控制器接收手動物理開關(guān)輸入。此時(shí)控制器只向上位機(jī)報(bào)告運(yùn)行狀態(tài)，但不接受上位機(jī)控制。其工作過程如下。

當(dāng)控制器接收到控制命令時(shí)，先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理結(jié)果通過I/O口向外輸出控制信號，并通過檢測負(fù)載狀態(tài)等信息來判斷控制目的是否實(shí)現(xiàn)。若達(dá)到控制目的，軟件將不斷檢測運(yùn)行狀態(tài)，并通過網(wǎng)絡(luò)將運(yùn)行狀態(tài)上傳給上位機(jī);如果沒有達(dá)到控制目的，將作為故障進(jìn)行相應(yīng)處理，并上傳相應(yīng)故障信息。

2 現(xiàn)場測試

為驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)控制器的實(shí)用性和可靠性，在石景山區(qū)人防工程指揮所進(jìn)行了現(xiàn)場測試。測試分為通信質(zhì)量測試和功能測試。

2.1 通信質(zhì)量測試

現(xiàn)場測試主要是在不同條件下，通過Lonscaner軟件測試新型閥門控制器的通信可靠性和適應(yīng)性。測試數(shù)據(jù)主要有:平均帶寬利用率、最高帶寬利用率、通信平均錯(cuò)誤率、平均通信數(shù)據(jù)包率、最大包數(shù)率、正確數(shù)據(jù)包總數(shù)、正確數(shù)據(jù)包比例、詢問數(shù)據(jù)包比例和應(yīng)答數(shù)據(jù)包比例［10］。現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)Tab.1 Field test data

通過以上現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)可知，在有一定干擾的環(huán)境下，通信數(shù)據(jù)包的正確率仍能達(dá)到99.89%以上，帶寬占用率低于80%，詢問包與應(yīng)答包的比例差小于3%。

2.2 功能測試

測試現(xiàn)場中的功能測試項(xiàng)目包括:手動開閥控制、手動關(guān)閥控制、上位機(jī)遠(yuǎn)程開閥控制、上位機(jī)遠(yuǎn)程關(guān)閥控制、電流檢測、報(bào)警輸出、故障處理、開到位檢測、關(guān)到位檢測、手動故障清除和遠(yuǎn)程故障清除等。

通過功能測試可知，控制器和負(fù)載的各項(xiàng)狀態(tài)檢測、狀態(tài)顯示及輸出控制實(shí)時(shí)準(zhǔn)確。

3 結(jié)束語

通信的智能閥門控制器［11-15］，在人防電力環(huán)境下的通信穩(wěn)定可靠，達(dá)到了良好的通信指標(biāo);該裝置在功能上滿足所要求的閥門控制功能，滿足人防應(yīng)用的智能監(jiān)控要求;能夠達(dá)到降低成本的目的;能有效避免交流接觸器存在主觸頭拉弧和火花的問題，實(shí)現(xiàn)了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

［1］湯效軍.“十一五”期間電力線載波通信的發(fā)展對策［J］.電力系統(tǒng)通信，2006，27(10):75-79.

［2］Wang Qinruo，Gong Shiwei.Communication reliability design of lowvoltage power line communication system ［J］.IEEE International Conference on Systems，2003(4):3030-4044.

［3］王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)［M］.5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版通過測試，得出如下結(jié)論:本文設(shè)計(jì)的基于電力載波社，2009.

［4］吳起飛.人防工程智能技術(shù)應(yīng)用研究(研究報(bào)告)［R］.北京:總參工程兵國防工程研究設(shè)計(jì)所，2004.

［5］李研.現(xiàn)場總線技術(shù)在防護(hù)工程中的應(yīng)用研究(研究報(bào)告)［R］.北京:總參工程兵國防工程研究設(shè)計(jì)所，2003.

［6］張?jiān)瀑F，王麗娜，張聲勇.LonWorks總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2010:30-31.

［7］高峰，董亞波.低壓電力線載波通信中信號傳輸特性分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2000，24(7):36-40.

［8］Radford D.Spread spectrum data leap through AC power wiring［J］.IEEE Spectrum，1996，7(5):456-469.

［9］梁秀敏，于鵬.基于低壓電力線載波通信的耦合技術(shù)電路研究［J］.裝備制造技術(shù)，2009(8):35-37.

［10］袁新明，毛根海，張土喬.閥門流道流場的數(shù)值模擬及阻力特性研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1999(4):60-66.

［11］沈新榮，李江莉，李增珍.一種新型電動蝶閥調(diào)節(jié)特性的數(shù)值計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究［J］.液壓與氣動，2006(5):47-49.

［12］杜建華，張認(rèn)成.基于低壓電力載波通信的溫度采集系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007(5):31-34.

［13］陳鳳，鄭文剛，申長軍，等.低壓電力線載波通信技術(shù)及應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(22):188-195.

［14］李建岐，李祥珍.配電網(wǎng)載波通信耦合方式的探討［J］.電力系統(tǒng)通信，2007，28(4):34-38.

［15］胡威.電力載波高頻阻波器自動測試系統(tǒng)［J］.中國電力，2003，36(2):63-66.