黃旭才

(南京鋼鐵聯(lián)合有限公司， 江蘇 南京　210035)

?

載波通訊在智能潤滑系統(tǒng)中的應用*

黃旭才

(南京鋼鐵聯(lián)合有限公司， 江蘇 南京210035)

分析了對大型干油集中潤滑系統(tǒng)進行監(jiān)控存在的問題，并提出了通過應用電力線載波技術進行解決的方案。方案涉及潤滑系統(tǒng)結構設計和具體的技術方法，是一個載波技術應用于油脂集中潤滑系統(tǒng)中的成套方案。

油脂集中潤滑； 集中監(jiān)控； 電力線載波通訊； 技術方案

引言

依托材料、電控、機械加工等領域的技術進步，油脂潤滑行業(yè)正在迎來一個全面技術革新的新時代，先后有 “定時定量潤滑[1]、單點供油的干油集中潤滑方式[2]、計算機系統(tǒng)管理潤滑系統(tǒng)[3]、順序潤滑[4]、智能監(jiān)控潤滑[5]”等多種新的潤滑理念和技術方法被提出和應用。

近年來，在大型礦山、冶金設備上，正在逐步推廣智能型干油(油脂)集中潤滑系統(tǒng)，這種新型潤滑對所有的潤滑點都進行檢測和控制。一條冶金生產(chǎn)線，比如連鑄、熱軋等，需要潤滑的點數(shù)可達幾千個之多，如此大量的監(jiān)控點數(shù)，采用電力線載波通訊技術，將會極大減少通訊線路、通訊器材，減少維護維修費用，產(chǎn)生很好的經(jīng)濟效益。本文主要介紹將載波通訊技術應用到智能潤滑系統(tǒng)的方式方法。

1　系統(tǒng)結構設計思路

1.1系統(tǒng)設計原理

智能干油集中潤滑的中心思想就是：系統(tǒng)可以單獨打開任何一個潤滑點進行油脂補加，并在加脂潤滑過程中，檢測加脂量、加脂壓力等差數(shù)，判斷是否有堵塞或泄漏現(xiàn)象。為了以經(jīng)濟有效的方式達成目標，潤滑系統(tǒng)設計采用如下結構：每個潤滑油站，均采用西門子S7-200 PLC和西門子觸摸屏構成主控制柜，主控制柜通過上位載波通訊板、電力線、下位載波通訊板卡，實現(xiàn)對所有潤滑點的控制和潤滑參數(shù)的檢測，同時設上位計算機，通過以太網(wǎng)絡連接各油站主控制柜，在監(jiān)控中心完成對整個分廠或車間設備潤滑情況的監(jiān)督管理，并根據(jù)需要統(tǒng)計各種潤滑數(shù)據(jù)。載波通訊潤滑系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1中的(a)和(b)是采用載波通訊監(jiān)控的兩種情況：

(a)適用于皮帶運輸設備等潤滑點分布比較分散的情況:油站及每個分油箱各自采用一個載波通訊解碼器進行單獨通訊，上位計算機直接通過電力線載波通訊，監(jiān)控每個潤滑點的情況。

(b)適用于燒結高爐軋機等潤滑點分布很集中的情況:油站與所有分油箱共用一個電力線載波通訊解碼器，油站下的各個分油箱通過485串行通訊線接受油站的監(jiān)控，并通過油站接受上位機的監(jiān)控。設計思想是：在潤滑點密集的油站內部，采用電力線和485總線相結合的方式完成系統(tǒng)監(jiān)控，減少電力載波芯片的使用，降低成本；在各油站與主控制柜之間、以及潤滑點分布松散的油站內部，采用電力載波形式進行監(jiān)控，減少電纜用量、克服長距離直流供電線損，降低線路的復雜性，提高系統(tǒng)可靠性。

1.2系統(tǒng)結構

該系統(tǒng)控制、通訊包括三個層次。

第一層由一臺計算機和監(jiān)控軟件組成(上位機)，其主要作用是：以畫面的形式分頁顯示整個潤滑系統(tǒng)中各個油站的運行狀況及油站內各點狀態(tài)、參數(shù)，并按要求形成各種數(shù)據(jù)報表；對下位機進行組態(tài)控制；將潤滑系統(tǒng)連入internet或以太網(wǎng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)視系統(tǒng)。

圖1　系統(tǒng)簡要結構框圖

第二層為主控柜，由西門子可編程控制器S7-200和控制程序組成(下位機)，其主要作用是：給各個帶有載波通訊芯片的油站(包括給帶有載波通訊芯片的電器執(zhí)行機構)發(fā)出控制指令；查詢各油站內(包括給帶有載波通訊芯片的電器檢測器件)各項工作檢測數(shù)據(jù)；在顯示柜內顯示系統(tǒng)信息；將系統(tǒng)信息上傳上位機。

第三層包括兩類部件：

(1) 帶有載波通訊芯片的多個干油站，它們均由分油站控制器、油泵、及多個點譯碼器組成。其監(jiān)控過程是，載波通訊芯片將主控柜傳來的指令接收，下傳給分油站控制器，分油站控制器按照存儲在分油站控制器內的程序相應主控柜指令，控制分油站內部油泵和點譯碼器協(xié)同工作，完成各油站工作任務；分油站控制器檢測油站各種運行參數(shù)，并通過載波通訊芯片上傳主控柜。

(2) 帶有載波通訊芯片的點譯碼器及其電器執(zhí)行機構和電器檢測器件。其監(jiān)控過程是，載波通訊芯片將主控柜傳來的指令接收，經(jīng)過點譯碼器，控制相應的閥門開關，完成各潤滑點的供油；供油過程中的各種參數(shù)也由點譯碼器通過載波通訊芯片上傳主控柜。

系統(tǒng)第一層用于網(wǎng)絡的連接，采用網(wǎng)絡電纜或者光纖，第一層與第二層的連接，采用工業(yè)數(shù)據(jù)總線，第二層與第三層的連接，設計通過采用電力載波技術，僅以電力線連通。

1.3系統(tǒng)操作控制執(zhí)行過程

PLC通過光纜或無線方式來接收計算機(上位機)的指令，并通過電力線載波的串行通信方式來對各個潤滑油站(包括給帶有載波通訊芯片的電器執(zhí)行機構和電器檢測器件)進行監(jiān)控。一個通信數(shù)據(jù)包由8字節(jié)數(shù)據(jù)組成，第一、二字節(jié)是PLC站標識，第三字節(jié)是命令，第四、五字節(jié)是潤滑點地址，第六至第八字節(jié)為控制數(shù)據(jù)。從理論上講，一個PLC站最多可控制6萬個潤滑點。PLC站采用廣播方式發(fā)送命令數(shù)據(jù)，各潤滑的站收到通信包后進行數(shù)據(jù)分析，分析的內容：一是識別主機是否是自己的上級PLC站，二是識別從機地址是否是自己的地址，只有在全部確認無誤后，主控站才執(zhí)行命令和相應的操作。

每個潤滑點譯碼器可控制、檢測一到六個潤滑點，它通過電力載波接收電路來接收PLC站的指令，并執(zhí)行相應的操作，完成對油流的采樣及處理，判斷各點是否工作正常，以便采取合理的措施；同時，它可以對現(xiàn)場工作溫度進行采樣處理，以便在溫度超出正常工作范圍時采取保護措施，同時將相關信息返送回PLC站中。

2　電力線載波通信的硬件電路

2.1通信系統(tǒng)結構

如圖2所示，電力線載波通信系統(tǒng)由載波耦合電路、信號發(fā)送電路(信號功率放大電路和輸出功率控制電路)、濾波接收單元(接收濾波電路和解調電路)、電力線載波擴頻通信芯片SH99F01 等組成。

圖2　電力線載波通信模塊框圖

2.1.1電力線載波擴頻通信芯片SH99F01

載波通信是SH99F01的核心模塊。包括數(shù)字調制解調和模擬前端的單片解決方案，采用全數(shù)字結構實現(xiàn)了擴頻載波(SSC)和窄帶相位調制解調，具有極強的抗噪聲性能。SH99F01支持雙載波，雙模式，過零傳輸?shù)仍鰪妭鬏斈Ｊ?，具有極大的靈活性和適用性，并可有效提高應對各種復雜電力線環(huán)境的穩(wěn)健性。

2.1.2SH99F01芯片特性

1)接收靈敏度：0.1 mVpp；

2)幀長：0～31字節(jié)；

3)擴頻載波調制數(shù)據(jù)速率：300 bps～1.6 kbps；

4)窄帶相位調制(normal)數(shù)據(jù)速率：1.2 kbps～7.5 kbps；

5)窄帶相位調制(high speed)數(shù)據(jù)速率：2.4 kbps～15 kbps；

6)帶8051內核的片上系統(tǒng)(SOC)；

7)集成模擬前端電路；

8)半雙工突發(fā)傳輸；

9)63位擴頻碼的擴頻載波調制技術；

10)三組擴頻碼序列，支持128個碼分信道；

11)窄帶相位調制技術；

12)首創(chuàng)擴頻和窄帶雙模通信方式；

13)集成前向糾錯編解碼；

14)集成RS碼和交織，抗脈沖干擾強；

15)硬件16位循環(huán)冗余校驗；

16)載波頻率可調，調整范圍覆蓋9～525 kHz(依賴于硬件)；

17)接收雙通道，支持雙載波傳輸；

18)提供超短幀功能，支持過零傳輸(依賴于硬件)；

19)集成10位高速DAC，輸出正弦波和方波脈沖可選；

20)內建發(fā)送端預放大器，帶三態(tài)控制和4級增益可調；

21)支持外部驅動電路的直接關斷；

22)接收端低噪聲放大器，總增益達90 dB；

23)提供接收信號強度指示(RSSI)，動態(tài)范圍達70 dB；

24)兼容世界范圍頻譜規(guī)范，包括CENELEC EN-50065-1和FCC規(guī)范。

2.1.3SH99F01芯片功能

SH99F01芯片功能框圖如圖3所示。

圖3　SH99F01功能框圖

2.2電路設計

2.2.1載波耦合電路

2.2.1.1耦合電路作用

1)隔離載波模塊低壓端和AC高壓端；

2)加載載波信號到電力線；

3)從電力線上提取載波信號；

4)過濾50 Hz/60 Hz 工頻信號及其諧波；

5) 抑制瞬時電壓沖擊(如：雷擊造成的過電壓、電網(wǎng)電壓的浪涌和尖峰電壓、及靜電放電電壓等)；

6)最大限度地抑制來自電力線上的噪聲干擾，具有高通濾波的功能。

2.2.1.2隔離型耦合電路

耦合電路分隔離型如圖4所示,由圖4可以看出，線圈與0.22 μF 電容構成了LC 高通濾波，可過濾AC 電壓，并保證高頻載波無衰減通過。隔離型耦合電路能夠保證高低壓電氣隔離，安全性高。耦和線圈是耦合電路的核心器件，要求緊密耦合，漏感小，導線電阻小，寄生電容小，采用高磁通的鐵氧體磁環(huán)來制作，匝數(shù)比選擇3:2，繞制方式可采用匝間并繞。耦合線圈的基本要求是：(1)電感量在 400～1000 μH；(2)漏感不高于 10 μH；(3)直流阻抗小于1 Ω，通流不小于1 A；(4)耐高溫(視應用環(huán)境，不低于120 ℃)，原副邊絕緣，直流耐壓高(視應用環(huán)境，不低于5000 V)。

在圖4中，除耦合線圈T 外，0.22 μF/275 V 電容C 必須是具有短路保護的X2 型電容；PTC 1用于過流保護；壓敏電阻RAV1抑制瞬時電壓沖擊。瞬時電壓沖擊(如：括雷擊造成的過電壓沖擊、電網(wǎng)電壓的浪涌和尖峰電壓、某些用電設備所產(chǎn)生的尖峰干擾脈沖、工業(yè)火花，及靜電放電電壓等)會對電路系統(tǒng)起到破壞和干擾作用。所以，要采取相應的措施進行防護和抑制。壓敏電阻的標稱電壓應按下式選擇：VACrms= 1.4×2×220 V×110%≈480 V ；電阻R10在本方案中取1 M，也可以取值更大一些。R10在本方案中的作用是在離線時使電容C15放電，防止出現(xiàn)瞬間的高壓；P6KE22CA是瞬變抑制二極管，它可以有效地避免后面電路被高壓擊穿。

圖4　隔離型耦合電路

2.2.2驅動電路

電力線阻抗一般在0.1～100 Ω之間，并且具有時變特性，驅動電路設計目標是提供在低負載阻抗條件下的足夠驅動能力，而阻抗匹配則不作嚴格要求。另外，為滿足各地區(qū)對電力線頻譜規(guī)范要求，驅動輸出的諧波指標也是個考慮因素。

SH99F01 典型驅動電路是一個輸入緩沖的推挽輸出功放電路，使用三個晶體管，結構簡單,如圖5所示。該電路可實現(xiàn)三態(tài)輸出與靜態(tài)關閉，在非發(fā)送狀態(tài)，驅動管關閉，可使驅動電路靜態(tài)電流降低到200 μA以下，同時接口呈現(xiàn)高阻狀態(tài)注，不會對線路阻抗造成影響。

驅動管可根據(jù)驅動要求選擇多種對管，如2SA1020/2SC2655，PBSS4250X/PBSS5250X或BD137/BD138 等。典型電路中，VHH 取12 V，輸出幅度可達到近10Vpp(LISN 負載)。SH99F01 默認為DAC 輸出，具有良好的諧波指標。也可通過置位PULSE_OP (UMR1.3)設置為PWM 輸出，后者主要為配合某些特殊的驅動電路(如D 類驅動)。

內部預驅動電路(Pre-Amp)提供4 級輸出增益：0，-3，-6 和-9 dB。

除了典型晶體管驅動電路外，SH99F01 也支持使用集成功放作為電力線驅動。

注：高阻狀態(tài)有助于保證在大量節(jié)點并接在總線上時不致影響總線的阻抗。

圖5　驅動電路

2.2.3選頻電路

SH99F01 內置AFE 完成濾波放大，在接收前端只需設計前端選頻電路，對選頻的基本要求為阻抗匹配，插入損耗小，選擇性好，一般選擇LC 諧振電路。擴頻技術與 DBPSK 兩種載波調制格式對選頻電路的要求不同，前者帶寬較寬，選頻電路主要完成阻抗匹配，后者帶寬較窄，濾波對性能具有較大影響。對選頻電路，有以下幾點需要注意：

1)Q 值并非越高越好，Q值太高，對器件精度要求高，器件一致性要求高，增加系統(tǒng)成本，增加生產(chǎn)測試成本；

2)濾波器失真越小越好，如低失真的巴特沃斯濾波器；

3)選頻電路一般并非系統(tǒng)性能的制約點，性能優(yōu)化更多著眼于系統(tǒng)層面設計。

由于信道的多樣性及時變性，典型電路在某些開放線路環(huán)境中無法達到期望的性能注，此時需進行優(yōu)化。一種是從載波模塊本身進行優(yōu)化，另一種是從系統(tǒng)層面進行優(yōu)化。載波模塊的優(yōu)化主要有以下幾點：

1)增強驅動能力，選擇更大的輸出功率以應對極低的負載阻抗；

2)分析干擾頻段范圍，調整載波通信頻率以避開干擾，特殊情況下可采用雙載波通信以增強可靠性；

3)使用窄帶調制方式以避開干擾區(qū)域；

4)使用過零傳輸方式以避開周期性脈沖干擾。

電路選擇LC 參數(shù)如圖6所示，是2 階LC 帶通濾波電路，Q值較低，中心頻點290 kHz，3 dB帶寬100 kHz，適用于典型擴頻調制格式(包括“過零雙模”等擴頻增強格式)。

圖6　選頻電路295 kHz

2.2.4過零檢測電路

過零檢測電路僅在使用到過零傳輸模式時需要，選擇一種自供電光耦隔離電路,如圖7所示。輸出方波脈沖的下降沿與實際市電零點時刻偏差在100 μs 以內，滿足過零傳輸要求注。典型電路檢測方波周期是20 ms，即每個工頻上升過零時刻送出檢測脈沖。

檢測脈沖可連接到芯片INT1 引腳，采用下降沿觸發(fā)中斷，載波發(fā)送時按照檢測時刻在零點間隙中發(fā)送窄帶超短幀,如圖8所示。

圖7　自供電光耦隔離過零檢測電路

圖8　過零檢測電路波形關系圖

3　載波通信模式

3.1基本模式

SH99F01基本通信模式如表1所示。

表1SHF9901基本通信模式

3.2增強模式

SH99F01 典型情況使用過零雙模TM 調制方式。如圖9所示，過零雙模的基本思路是整合擴頻載波與窄帶過零傳輸格式，克服單一調制格式對抗不同干擾類型的不足。

圖9　過零雙模示意圖

由圖9可以看出，同一包數(shù)據(jù)，先使用擴頻調制，再使用窄帶過零調制，接收端收到任何一種調制數(shù)據(jù)即正確傳輸。具體參數(shù)為：(1)有效數(shù)據(jù)幀長：20 bytes；(2)耗時：發(fā)送時不超過310 ms，接收時不超過320 ms(發(fā)送持續(xù)時間再加10 ms 保護時間)。

4　 軟件設計

載波通信基本流程如圖10所示。

圖10　載波通信基本流程

5　結　論

(1) 本文所述通訊技術在油脂集中潤滑系統(tǒng)的應用，是在對現(xiàn)有多種技術的整合集成基礎上,提出的一種全新的油脂供給監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)可以有效解決對眾多參數(shù)進行監(jiān)控時的數(shù)據(jù)通訊傳輸問題；

(2) 采用該技術方案的背景是載波通訊芯片已經(jīng)能夠很好地適應目前國內大部分的電力線路，對于干擾很大的電力線路，建議增加隔離變壓器。

(3)在潤滑點密集的油站內部，采用電力線和485總線相結合的方式完成系統(tǒng)監(jiān)控；在各油站與主控制柜之間、以及潤滑點分布松散的油站內部，采用電力載波形式進行監(jiān)控。因此，潤滑系統(tǒng)的構成方案，需要依據(jù)現(xiàn)場實際進行調節(jié)，唯此，才能真正做到有效監(jiān)控、降低成本、方便維護的目標。

[1]湯效軍．電力線載波通信技術的發(fā)展及特點[J]．電力系統(tǒng)通信，2003,(1)：47—51．

[2]劉振亞．電力線載波頻率分配中有關問題的探討[J]．電力系統(tǒng)通信，1995,(1)：32—35．

[3]我國電力通信的發(fā)展和現(xiàn)狀[OL]．http://market.c114.net/181/a166482.html，2000-9-15．

[4]舒輝．低壓電力線載波通信技術綜述[J]．電力生產(chǎn)與管理(湘電培訓與教學) ，2006,(3)：17—19．

[5]宋祖順，宋曉勤．現(xiàn)代通信原理[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007．

[6]Mark G.Demange, Schaumburg．Frequency Selection Method and Apparatus[P]．United States Patent．1994．

[7]Anton Salfelner．Frequency Modulator and Frequency Modulation Method[P]．United States Patent．2008．

[8]王軍選，張曉燕，張燕燕．無線通信調制與編碼[M]．北京．人民郵電出版社，2008．13—15．

[9]王福昌，熊兆飛，黃本雄．通信原理[M]．北京：清華大學出版社，2006．

[10]蔣青．現(xiàn)代通信技術基礎[M]．北京：高等教育出版社，2008．

[11]Georg Frank, Mathlas Pauli．Frequency Correction for a Multicarrier System．United States Patent．2008．

[12]青松，程岱松，武建華．數(shù)字通信系統(tǒng)的System View 仿真與分析[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2001．

[13]田日才．擴頻通信[M]．北京：清華大學出版社，2007．

2016-03-25

黃旭才(1969—)，男，高級工程師。電話：13951669115

TH117; TN919.2