何 豐，刁碧悅，王 禮

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引言

由于核電產(chǎn)業(yè)的特殊性，為了能及時對險情進(jìn)行快速的反應(yīng)，核電站廠房各處都有報警器，并且必須保證每臺報警器都能正常工作，需要進(jìn)行定期的故障檢修。但目前的檢修方式主要為人工巡檢，采用人工巡檢的方式存在弊端。因此，需要設(shè)計出既不改變原有報警器架設(shè)線路，又具備在復(fù)雜環(huán)境中對報警器的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和數(shù)據(jù)匯聚功能的監(jiān)測系統(tǒng)。

在不改變原有線路的前提下，現(xiàn)應(yīng)用比較廣泛的監(jiān)測技術(shù)主要包括無線通信技術(shù)和電力線載波通信技術(shù)(power line communications，PLC)。文獻(xiàn)[1]提出了一種通過無線通信技術(shù)實現(xiàn)的應(yīng)急監(jiān)控平臺，由于核電站廠房內(nèi)具有沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并且墻壁設(shè)施較厚等環(huán)境因素，無線穿透能力有限的缺陷限制了其在本系統(tǒng)中的應(yīng)用，電力線載波通信技術(shù)更能滿足需求。文獻(xiàn)[2]通過實驗對電力線載波技術(shù)的PRIME標(biāo)準(zhǔn)和G3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，其中PRIME標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢在于通信速率快，G3標(biāo)準(zhǔn)更注重系統(tǒng)通信的可靠性。

綜合以上分析，為了保證整個系統(tǒng)運行的可靠性，本文提出一種基于G3-PLC實現(xiàn)的報警器運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。整個系統(tǒng)需滿足不改變原有報警器的架設(shè)線路以外，還應(yīng)滿足有足夠長的通信距離，以及檢測時間在1 min以內(nèi)的硬性指標(biāo)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于G3-PLC的核電領(lǐng)域報警器運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括能直觀顯示報警器運行狀態(tài)的上位機(jī)、數(shù)據(jù)匯集器和檢測模塊，系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

檢測模塊由一個聲音傳感器和電力線載波模塊構(gòu)成，電力線載波模塊將聲音傳感器檢測到的報警器運行狀態(tài)情況進(jìn)行處理后經(jīng)電力線發(fā)送到數(shù)據(jù)匯集器，數(shù)據(jù)匯集器通過網(wǎng)線將從電力線上接收到的數(shù)據(jù)直接發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)所收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，可直觀顯示所檢測到的報警器運行狀態(tài)。

系統(tǒng)的通信信道包含電力線和網(wǎng)線。數(shù)據(jù)集中器與上位機(jī)通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以太網(wǎng)通信幀主要包括目的MAC地址、源MAC地址、數(shù)據(jù)類型和所需發(fā)送的數(shù)據(jù)。具體幀格式如圖2所示。

6字節(jié)目的MAC地址6字節(jié)源MAC地址2字節(jié)數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)

圖2 以太網(wǎng)通信協(xié)議幀格式

由于從數(shù)據(jù)集中器發(fā)送出的數(shù)據(jù)包含數(shù)據(jù)集中器的IPv6地址、檢測模塊的IPv6地址、檢測模塊的擴(kuò)展地址和監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的類型為IPv6類型，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)類型應(yīng)為0x86DD。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由數(shù)據(jù)匯集模塊和檢測模塊構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)匯集模塊包括耦合電路、模擬前端(analog front end，AFE)、微控制器(microcontroller unit，MCU)TMS320F28PLC84和協(xié)控制器TM4C1294模塊。檢測模塊包括耦合電路、模擬前端、主控制器TMS320F28PLC84、協(xié)控制器CC1310模塊和聲音傳感器。TM4C1294和CC1310均通過UART與PLC主控制器進(jìn)行連接，協(xié)助PLC主芯片進(jìn)行G3參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)的配置，以及對數(shù)據(jù)的處理。

系統(tǒng)的供電電源主要包括兩個部分，為PLC模塊供電的220 V轉(zhuǎn)15 V AC-DC變換器，以及為協(xié)控制器和聲音傳感器供電的15 V轉(zhuǎn)3.3 V DC-DC轉(zhuǎn)換器。整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 耦合電路

由于電力線載波通信技術(shù)能量和信號的傳輸都在相同的電力線上進(jìn)行[3]，為實現(xiàn)能量和信號的傳輸，耦合電路是PLC通信的必要組成部分。變壓器和電容是耦合電路的基礎(chǔ)部分[4]，其中變壓器起到隔離工頻強電和耦合載波信號的作用；電容和電阻構(gòu)成RC一階高通濾波電路，一定程度上減小了電源紋波。

2.2 模擬前端

模擬前端采用低成本、具有過熱和短路保護(hù)的AFE031器件。接收的載波信號先經(jīng)過模擬前端的帶通濾波器，然后通過可編程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)將信號進(jìn)行放大后，進(jìn)入PLC微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital convert，ADC)。模擬前端對PLC模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)先進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換(digital to analog convert，DAC)，然后將經(jīng)過帶通濾波器后的信號通過功率放大器(power amplifier，PA)進(jìn)行放大，最后將信號發(fā)送到耦合電路。模擬前端的框圖如圖4所示。

圖4 模擬前端框圖

2.3 聲音傳感模塊

聲音傳感模塊可以通過一個微型的麥克風(fēng)檢測周圍環(huán)境的聲音強度，并以數(shù)字開關(guān)量的形式輸出。聲音模塊對特定頻率的環(huán)境聲音強度最敏感，而報警器正常工作時的頻率為1.5 kHz，若將聲音傳感模塊的閾值調(diào)節(jié)到1.5 kHz，在報警器工作時便能檢測到報警器是否處于正常運行狀態(tài)。

聲音傳感器模塊使用2個LM358運算放大器將聲音信號進(jìn)行兩級放大，放大后的信號經(jīng)過LM567鑒頻芯片對信號進(jìn)行頻率的識別，調(diào)節(jié)模塊上的一個滑動變阻器便可對信號頻率的閾值進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)LM567所鑒得信號與所設(shè)定的信號頻率相同時，輸出一個開關(guān)量信號，以達(dá)到對固定音頻信號識別的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件編譯環(huán)境是Code Composer Studio集成開發(fā)環(huán)境，利用實時操作系統(tǒng)TI-RTOS來實現(xiàn)多線程的任務(wù)的調(diào)度。TI-RTOS是一款單核的實時操作系統(tǒng)，每個內(nèi)核都有自己的TI-RTOS實例，并且只執(zhí)行由該實例管理的線程[5]。

3.1 數(shù)據(jù)匯集器軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)匯集器軟件設(shè)計中主要有5個任務(wù)線程，按優(yōu)先級高低次序依次為：以太網(wǎng)中斷任務(wù)、UART接收任務(wù)、PLC狀態(tài)控制任務(wù)、PLC發(fā)送任務(wù)和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)。以太網(wǎng)中斷任務(wù)主要執(zhí)行以太網(wǎng)物理層的配置、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送初始化、以太網(wǎng)的連接等；UART接收任務(wù)與PLC狀態(tài)控制任務(wù)共同實現(xiàn)PLC G3網(wǎng)絡(luò)的配置與建立，G3的配置主要包括PLC端口的配置、G3物理層的配置和擴(kuò)展地址的配置；PLC發(fā)送任務(wù)和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)主要執(zhí)行對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。

GPIO初始化、UART初始化、時鐘初始化以及各個線程初始化等和各個線程間的調(diào)度都在主函數(shù)中進(jìn)行。數(shù)據(jù)匯集器的具體軟件流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)匯集器軟件流程圖

由圖5可以看出，PLC網(wǎng)絡(luò)采用IPv6協(xié)議，IPv6協(xié)議在地址空間、移動性、安全性等方面優(yōu)于IPv4協(xié)議[6]。IPv6地址類型分為單播地址、組播地址和任意播地址[7]，本系統(tǒng)采用的是單播地址。IPv6地址共有128位，其中前64位為子網(wǎng)前綴，后64位為偽地址。PLC網(wǎng)絡(luò)的建立過程會設(shè)置一個獨有的個域網(wǎng)地址(personal area network ID，PAN ID)。不同的檢測模塊被隨機(jī)分配到的短地址各不相同，但共用同一個PAN ID，本系統(tǒng)設(shè)置的PAN ID為0x5fff。具體的IPv6地址格式如圖6所示。

圖6 IPv6地址格式圖

3.2 檢測模塊軟件設(shè)計

檢測模塊軟件設(shè)計中主要有4個任務(wù)線程，按優(yōu)先級高低順序包括UART接收任務(wù)、PLC狀態(tài)控制任務(wù)、PLC發(fā)送任務(wù)和數(shù)據(jù)監(jiān)測任務(wù)。UART接收任務(wù)與PLC狀態(tài)控制任務(wù)共同實現(xiàn)PLC G3網(wǎng)絡(luò)的配置與連接，G3的配置過程包含一個擴(kuò)展地址的配置，由于IPv6的128位地址為隨機(jī)分配，不具備標(biāo)志性，因此，通過各個檢測模塊特有的擴(kuò)展地址來對不同的檢測模塊進(jìn)行辨識；數(shù)據(jù)監(jiān)測任務(wù)執(zhí)行對聲音傳感模塊輸出數(shù)據(jù)的收集與整理，然后觸發(fā)PLC發(fā)送任務(wù)；PLC發(fā)送任務(wù)執(zhí)行將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到電力線上的功能。檢測模塊的具體軟件實現(xiàn)流程圖如圖7所示。

圖7 檢測模塊軟件流程圖

4 測試

由于條件的限制，只針對距離不同的4臺報警器進(jìn)行測試，測試內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)匯集器建立PLC網(wǎng)絡(luò)能力、檢測節(jié)點網(wǎng)絡(luò)接入以及數(shù)據(jù)收集的測試。一共進(jìn)行10次PLC網(wǎng)絡(luò)建立的測試和50次節(jié)點測試，其中每次完整節(jié)點的測試包含2個時間段(規(guī)定時間為1 min)，每個時間段里會有一次網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)回傳的測試，綜合兩次測試的結(jié)果做最終的判定。每個時間段檢測所用時間均在40 s以內(nèi)，測試結(jié)果如表1所示。

表1 報警器運行監(jiān)測表

從檢測結(jié)果可以看出，整個監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。并且，監(jiān)測距離可達(dá)750 m甚至更長，4臺報警器總共的檢測時間小于40 s，均滿足所提指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用基于G3標(biāo)準(zhǔn)的電力線載波通信技術(shù)和聲音傳感器實現(xiàn)了對安裝于核電領(lǐng)域報警器運行狀態(tài)的監(jiān)測。報警器架設(shè)線路為專用線路，線路上存在的干擾較小，沒有配電變壓器對載波信號產(chǎn)生阻隔作用。因此，本系統(tǒng)能充分利用電力線載波技術(shù)的優(yōu)勢，使得整個系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。