陳偉森,俞 龍,孫道宗
(1. 廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院信息工程系,廣州 510075,2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院,廣州 510642)
合適的灌溉方式可以提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量,節(jié)約水資源[1,2]。在水資源貧乏地區(qū),為了增加灌溉面積并控制成本,果園灌溉系統(tǒng)通常采用分區(qū)輪灌的工作方式。在輪灌自動(dòng)控制系統(tǒng)中,支管的開閉通常由電磁閥的通斷來控制。目前,支管電磁閥的通斷控制主要有電源線直接控制、RS-485總線以及無線網(wǎng)絡(luò)控制等幾種控制通信方式。電源線直接控制是將每個(gè)電磁閥電源線引入控制室實(shí)行單獨(dú)控制,控制方式比較簡單,主要適用于控制點(diǎn)比較集中的場合,電源線布線多和成本較高。RS-485等有線的通信方式需要單獨(dú)鋪設(shè)通信線路,雖然通信距離可達(dá)幾公里,但是布線多導(dǎo)致難以維護(hù)、成本較高[3]。無線通信安裝方便,布線少,但是通信可靠性易受周圍環(huán)境如樹木、丘陵山地以及其他無線電和天氣等影響。
電力線載波通信是用電力線作為信號(hào)的傳輸載體,以載波方式將數(shù)字或模擬信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù),具有信息傳輸可靠穩(wěn)定、成本低、無需重新布線等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于電力網(wǎng)智能化改造系統(tǒng)及遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中[4,5]。果園輪灌系統(tǒng)中的電磁閥都需要供電,相比于無線通信而言,電力線載波通信既有效利用了電力線,又避免了野外復(fù)雜環(huán)境對無線通信的影響,相比有線通信,節(jié)約大量通信電纜[6,7]。
本文首先介紹了基于PLCC技術(shù)的果園輪灌控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并進(jìn)行了PLCC節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì);其次,構(gòu)建了果園輪灌系統(tǒng)低壓電力線的電參數(shù)等效模型;最后,進(jìn)行了多種通信距離下,PLCC節(jié)點(diǎn)通信可靠性測試。
果園果樹通常成行成列整齊排列,輪灌系統(tǒng)通過干管將水從水源引到灌溉地區(qū),再通過支管按行或列將水引至各灌溉位置。安裝在各灌溉支路中的電磁閥通常位于主管和支管的結(jié)合處,因此輪灌系統(tǒng)的供電線路通常為沿著主管的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8],如圖1所示??紤]到果園供電的安全性以及各通信節(jié)點(diǎn)和電磁閥的供電需求,電力線供電電壓選用直流電壓24 V,由市電220 V交流電經(jīng)過變壓器降壓整流獲得。
圖1 輪灌控制系統(tǒng)方案框圖Fig.1 System diagram
輪灌控制系統(tǒng)分為主模塊和從模塊,通過24V直流電力線相連,采用主從式通信方式,主模塊定時(shí)發(fā)出控制或查詢指令,從模塊只在接收到主模塊命令后執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作或返回相關(guān)信息。系統(tǒng)組網(wǎng)時(shí),各模塊均位于一個(gè)變壓器二次側(cè)內(nèi)。主模塊位于控制室內(nèi),其主機(jī)是一個(gè)PC機(jī),或者是一個(gè)觸控屏,和PLCC節(jié)點(diǎn)通過串口線相連。從模塊位于各支管電磁閥附近,控制器為一個(gè)單片機(jī),與PLCC節(jié)點(diǎn)通過串口線連接[9]。
PLCC節(jié)點(diǎn)主要是實(shí)現(xiàn)串口信號(hào)到電力線載波調(diào)制信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換,構(gòu)建輪灌系統(tǒng)中主機(jī)和從機(jī)之間的信息傳遞渠道。PLCC節(jié)點(diǎn)主要由電源,芯片和耦合濾波電路三部分組成。
選用 ST7540作為載波通信芯片。ST7540是半雙工同步/異步FSK調(diào)制解調(diào)器,采用7.5~12.5 V單電源工作,內(nèi)部含有線路驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)線性電源調(diào)整器,通過內(nèi)部寄存器來控制ST7540的工作狀態(tài)。ST7540還具有超時(shí)輸出、看門狗定時(shí)器、輸出電流和電壓控制、載波檢測等功能。ST7540具有8個(gè)可編程發(fā)送頻率,接收靈敏度可達(dá)500 μV (rms),其可編程波特率最高為4 800 bps,并帶有UART/SPI接口[10]。
ST7540載波通信芯片的通信環(huán)境為220VDC以下,空載導(dǎo)線同樣適用。本文果園輪灌系統(tǒng)的電力線電壓為直流24 V,直接驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作。電力線電壓經(jīng)過2次降壓分別得到12 V和5 V的電源供給節(jié)點(diǎn)中的通信芯片和從機(jī)單片機(jī)。
PLCC節(jié)點(diǎn)的耦合濾波接口電路主要由3個(gè)濾波電路組成: 發(fā)送有源濾波電路、發(fā)送無源濾波電路、接收無源濾波電路,如圖2所示。PLCC節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)時(shí),信號(hào)經(jīng)接收無源濾波器濾波后,將從RX_IN被讀入到ST7540進(jìn)行處理;發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),信號(hào)經(jīng)ST7540調(diào)制后通過發(fā)送有源濾波器和集成功率放大器,再經(jīng)發(fā)送無源濾波器耦合選頻到電力線上進(jìn)行信號(hào)傳輸。
圖2 ST7540耦合濾波電路圖Fig.2 Coupling filter circuit
接收無源帶通濾波器由電阻R12串聯(lián)一個(gè)L2C13并聯(lián)諧振回路組成,數(shù)據(jù)通過耦合進(jìn)入該諧振回路選頻,濾除帶外噪聲進(jìn)入ST7540內(nèi)部功率放大然后解調(diào)。諧振回路中心頻率為110 kHz,濾波電路的中心頻率(fc)和品質(zhì)因數(shù)(Q)表達(dá)式為:
(1)
(2)
式中:RL為電感L2的直流內(nèi)阻,大約等于 0.7 Ω。
由式(1)可得:
簡化電路的傳遞函數(shù)R(s)在中心頻率點(diǎn)fc的表達(dá)式來分析電阻RL與接收信號(hào)損耗之間的關(guān)系[11]:
(3)
實(shí)驗(yàn)選取Q=3.2,要得到較高的Q值,需要盡可能大的L2值和C13值,也可以從傳遞函數(shù)的模的表達(dá)式發(fā)現(xiàn)C13/L2的值越小信號(hào)損耗越小,因此應(yīng)選擇盡可能大的L2值。可取L2=220 μH,從而可得到相應(yīng)的C13=9.51 nF,實(shí)際取10 nF。根據(jù)以上公式,Q=3.2,L2=220 μH,C13=10 nF,中心頻率為110 kHz,計(jì)算得R12=463 Ω,實(shí)際取精度為1%的貼片電阻470 Ω。
發(fā)送有源濾波器是利用芯片ST7540內(nèi)部集成的放大器組成一個(gè)三階發(fā)送濾波器,電路由一個(gè)R11C11低通濾波電路和一個(gè)二階薩倫和凱低通濾波電路組成。參考ST7540數(shù)據(jù)手冊,本文選取C10=120 pF,R10=4.7 K,R13=13 K,R6=1 K,R8=1.8 K。
電力線主要是用來傳輸電能的,載波調(diào)制信號(hào)在電力線上傳輸,為非理想的隨機(jī)參數(shù)通信信道,電力線信道的各個(gè)電氣參數(shù)是影響通信質(zhì)量的關(guān)鍵因素,因而有必要對電力線通信傳輸線的阻抗特性參數(shù)進(jìn)行理論分析和實(shí)際測試研究。
現(xiàn)階段,國內(nèi)主流的低壓窄帶載波通信中心頻率范圍為80~500 kHz,波長為600~3 000 m,通常認(rèn)為傳輸線長度大于1/10波長,即可認(rèn)為是“長線”。低壓配電線路長度通常小于300 m,與信號(hào)波長的1/10相當(dāng)或達(dá)到多個(gè)波長,此時(shí),沿線電流、電壓幅度變化以及相位的滯后不能忽略,需要建立信號(hào)傳輸線的分布參數(shù)模型[10]。如果不考慮線路的集膚效應(yīng)與分布參數(shù),將一定長度的電力線等效為一個(gè)電感、電阻、電容及電導(dǎo)等4個(gè)電參數(shù)的電路,且沿線路全長均勻分布,等效傳輸模型如圖3所示。均勻傳輸線分布參數(shù)模型設(shè)想由一系列集總元件構(gòu)成,也就是設(shè)想其是由許多無窮小的長度元組成。每一長度單元具有電阻和電感,而兩導(dǎo)線間具有電容和電導(dǎo),其中R0、L0、G0、C0稱為傳輸線的原參數(shù)。R0為單位長度線段上的電阻;L0為單位長度線段上的電感;G0為單位長度線段的兩個(gè)導(dǎo)體間的漏電導(dǎo);C0為單位長度線段兩導(dǎo)體間的電容;i為電力線上的電流[12,13]。
圖3 電力線均勻傳輸線模型Fig.3 Model of power line uniform transmission
根據(jù)經(jīng)典的均勻傳輸線理論[14,15],可得:
(4)
(5)
式中:α為衰減常數(shù),Np/m或dB/m;β為相位常數(shù),rad/m;Z0、Y0為單位長度的阻抗和導(dǎo)納;γ為傳輸線的副參數(shù);Zc為傳輸線的副參數(shù)特征阻抗。
根據(jù)經(jīng)典傳輸線理論,負(fù)載為ZL、長度為l傳輸線,距終端點(diǎn)L處的輸入阻抗大小為:
(6)
如果負(fù)載終端短路,即ZL=0,則:
Zis=Zctanh(γl)
(7)
如果負(fù)載終端斷路,即ZL->∞,則:
Zio=Zccoth(γl)
(8)
式(6)和式(7)中:Zis為終端短路時(shí),起端輸入阻抗;Zio為終端開路時(shí),起端輸入阻抗。由式(6)和式(7)可得:
(9)
(10)
在實(shí)際測量中,測量傳輸線終端開路、短路的輸入阻抗Zio和Zis,通過式(9)和式(10)計(jì)算得到傳輸線的副參數(shù)特性阻抗和傳播常數(shù)的實(shí)驗(yàn)值Zc,γ。代入公式(11)和(12),進(jìn)而可以求得傳輸線的原參數(shù)R0,L0,G0,C0。
Zcγ=R0+jωL0
(11)
(12)
實(shí)驗(yàn)采用果園輪灌系統(tǒng)中常用的聚氯乙烯絕緣雙絞線作為測試電力線,線長100 m,單根線內(nèi)徑為0.5 mm,絕緣厚度為0.8 mm,額定電流3 A。測量原理如圖4所示,終端開路時(shí)的輸入阻抗和終端短路時(shí)的輸入阻抗可以通過式(13)進(jìn)行計(jì)算[16,17]。
(13)
式中:k=u1/u2。
圖4 電力線傳輸參數(shù)測量原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of measurement principle of power line transmission parameters
測量過程分為兩步:①在相同測量電阻R的情況下測量終端開路、短路時(shí)的始端電壓和電流,直接測得k的幅值和相角;②換不同測量電阻重復(fù)以上過程。
實(shí)驗(yàn)測量采用的載波頻率f=110 kHz時(shí),R0,L0,C0,G0的值如表1所示。
根據(jù)電力線傳輸模型理論由式(14)和(15)可計(jì)算出等效阻抗Z和導(dǎo)納Y,其中:l為線長,n為節(jié)點(diǎn)數(shù)。
表1 電力線傳輸參數(shù)Tab.1 Power line transmission parameters
(14)
(15)
本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用100 m的雙絞線作為模擬單元線,故取1/n=100即每100 m為一個(gè)節(jié)點(diǎn),對實(shí)驗(yàn)測數(shù)據(jù)取平均值得傳輸參數(shù)R0=0.122 4 Ω,L0=0.918 7 μH,G0=2.420 3 μS,C0=0.040 3 nF。代入公式可得:Z=6.12+j31.748 0;Y=2.420 3×10-4+j2.785 3×10-3。
實(shí)際100 m聚氯乙烯絕緣雙絞線等效模型如圖5所示。
圖5 實(shí)際電力線等效模型Fig.5 Equivalent model of actual power line
其中電阻R取6.12 Ω,電感L取31.75 μH,電容C取4.03 nF,電導(dǎo)可以忽略不計(jì)。在實(shí)際的電力線載波通信測試中可以每100 m采集一次數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸可靠性的測試。
試驗(yàn)在24 V直流的模型線上,根據(jù)圖3不斷改變電力線的傳輸參數(shù)來模擬電力線的距離來測試ST7540的通信成功率,波特率設(shè)為4 800 bps,發(fā)送速度為24 bit/s,測試結(jié)果見表2。
表2 電力載波通信的模擬傳輸通信成功率測試Tab.2 Measurement results of communication success rate
由表2可知,在負(fù)載相同的情況下,隨著傳輸距離的增加,通信傳輸?shù)某晒β蕰?huì)逐漸降低,輸出信號(hào)的幅度大小會(huì)隨著傳輸距離衰減,同時(shí)可知,ST7540載波通信模塊在2 000 m內(nèi)的通信成功率變化幅度不大,可以滿足果園分區(qū)輪灌電磁閥控制節(jié)點(diǎn)通信距離的需求。
但是長距離通信,電力線自身的阻值使得在電力線上的壓降很大。實(shí)驗(yàn)中選用的24 V常閉電磁閥內(nèi)阻為30 Ω,啟動(dòng)電流為0.45 A,內(nèi)徑為0.5 mm雙絞線通過傳輸線模型理論計(jì)算得每百米電阻為7 Ω,所以在滿足電磁閥啟動(dòng)電流的要求下,實(shí)際應(yīng)用中通信距離只能達(dá)到300 m。如果需要更遠(yuǎn)距離的傳輸,需要選取內(nèi)徑更粗的雙絞線,內(nèi)阻更小的電磁閥。
常用的果園分區(qū)輪灌通信方式有多種,本文設(shè)計(jì)了以ST7540為核心的PLCC通信節(jié)點(diǎn),將電力線載波通信技術(shù)應(yīng)用于果園分區(qū)輪灌節(jié)水控制系統(tǒng)中。
根據(jù)電力線模型理論,計(jì)算出果園輪灌系統(tǒng)中常用的聚氯乙烯絕緣雙絞線在直流24V低壓工況下的電力線參數(shù),并依據(jù)電力線參數(shù)進(jìn)行了不同通信距離下通信可靠性測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,ST7540在直流24V電壓工況下,信道通信環(huán)境良好,理論上通信距離可以達(dá)到2 000 m。
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