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        水下生產(chǎn)系統(tǒng)遠距離BPSK電力線載波通信分析

        2020-05-15 04:57:18張海磊
        化工設(shè)計通訊 2020年3期
        關(guān)鍵詞:解調(diào)器調(diào)制器臍帶

        張海磊

        (中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

        1 電力載波通訊系統(tǒng)的應(yīng)用需求

        電力線載波不需要額外增加通訊電纜,能顯著降低造價,而光纖通訊成本高,30km 以內(nèi)的距離上不具有成本優(yōu)勢。BPSK 是電力線載波通訊方式之一,國外在深水油氣開發(fā)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用,國內(nèi)在礦井井下通訊、中高壓遠距離輸電通訊系統(tǒng)、低壓電網(wǎng)自動抄表系統(tǒng)、地鐵、高速公路等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。隨著國內(nèi)深水油氣開發(fā)的興起也開始應(yīng)用于海油工程領(lǐng)域,深入掌握其分析設(shè)計方法對水下控制系統(tǒng)的工程設(shè)計有著重要意義。

        2 BPSK通訊原理概述

        BPSK(BinarypHase Shift Keying)二進制相移鍵控技術(shù)是一種調(diào)制解調(diào)技術(shù),是在調(diào)制端將數(shù)字信號調(diào)制到高頻載波信號的一種通訊方式,廣泛應(yīng)用于礦井井下通訊、中高壓遠距離輸電通訊系統(tǒng)、低壓電網(wǎng)自動抄表系統(tǒng)、地鐵、高速公路等領(lǐng)域通訊中。其特點是調(diào)制原理和調(diào)制解調(diào)器的結(jié)構(gòu)簡單,可用的載波頻率范圍寬,低頻頻段的通訊距離遠,特別適用于低速率需求下的工業(yè)通訊應(yīng)用。

        BPSK 的調(diào)制解調(diào)原理示意如下。(1)輸入端的調(diào)制如下:

        其中y(t)=x(t)cos(ωt+θ),x(t)為輸入信號,ω為載波角頻率,θ為載波的初相角。

        (2)輸出端的調(diào)制如下:

        a)如果是同步解調(diào),則w(t)=y(t)cos(ωt+θ)=x(t)cos2(ωt+θ)=x(t)/2+x(t)cos(2ωt+2θ)/2,再采用低通濾波器過濾掉w(t)的2(ωt+θ)高頻信號,即可的到輸入信號x(t)的解析式。

        b)如果解調(diào)器與調(diào)制器存在相位差時,用θ1表示調(diào)制器載波的相位,θ2表示解調(diào)器載波的相位,則調(diào)制和解調(diào)的表達式變?yōu)椋?/p>

        這樣,如果θ1=θ2,則使用低通濾波器過濾掉w(t)的2ωt+θ1+θ2高頻信號后,可直接得到x(t)的解析式,這就要求調(diào)制器和解調(diào)器中的振蕩器應(yīng)嚴(yán)格地保持相位同步。若解調(diào)器不能與調(diào)制器端同步,則可能導(dǎo)致相位0和п 發(fā)生顛倒,從而錯誤輸出的0和1的值。而且信道會因外界干擾存在不穩(wěn)定性,造成同樣的相位顛倒發(fā)生錯誤。

        3 通訊衰減分析

        水下拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,EPU 布置位于平臺,水上的BPSK 調(diào)制器(Modulation)設(shè)置在EPU 中,解調(diào)器位于采油樹的SCM 中,主臍帶纜中的電纜長度為30km。

        圖1 水下拓撲結(jié)構(gòu)圖

        臍帶纜中的電纜數(shù)據(jù)如下表1所示,電纜截面積為16mm2TSP 0.6/1KV,長度為30km。

        表1 臍帶纜中的電纜數(shù)據(jù)明細

        調(diào)制解調(diào)器的參數(shù):

        發(fā)送電阻:Rs=44Ω

        接收電阻:Rr=124/311/99/969Ω*(該阻值能從MCS 遠程調(diào)節(jié))

        水下調(diào)制解調(diào)器的標(biāo)稱最大衰減值:amodem=35dB(包含10dB 安全余量)

        最大輸出電壓:60V(peak/peak)

        分析計算步驟(1):

        載波頻率為15kHz,則衰減為0.89dB/km,30km 衰減合計為26.7dB

        已知電力Modem 輸出電壓為60V(peak/peak),則根據(jù)衰減公式:

        通過以上公式可計算出U2=2.77V

        又根據(jù)接收端解調(diào)器的負載電阻為99Ω,則I2=0.28A。

        接收端的解調(diào)器的最小檢出電壓值為1.1V,而輸出端電壓為2.77V,所以接收端可以檢測出信號。

        但通常廠家提供的載波衰減值不能覆蓋所有的載波頻點,這就需要對電纜的衰減進行曲線擬合以獲得頻點的衰減值,擬合曲線如圖2所示。

        圖2 16mm2 TSP 電纜的最大許用衰減曲線

        (X-Axis:4-30kHz;Y-Axis:0.0-1.2dB/km)

        分析計算步驟(2):

        可以根據(jù)長線傳輸方程或電報方程進一步建模仿真。

        通訊系統(tǒng)方框圖建模如圖3所示。

        圖3 通訊系統(tǒng)方框圖

        其中:

        Z0=為傳輸線的特性阻抗U(Z)公 式 中:A1e-(α+jβ)z為 入 射 波,A2e(α+jβ)z為 反 射 波??梢姽街邪朔瓷洳ā?/p>

        利用以上公式采用Matlab 仿真得到的信號衰減波形如下圖4,圖中所示波形為疊加后的波形。

        圖4 信號衰減波形圖

        4 結(jié)論

        以上分析的參數(shù)來源于國外某水下廠家的產(chǎn)品,公式采用長線傳輸方程,但也可以使用電報方程計算,此方程在電纜線載波信號分析中廣泛被采用,仿真軟件采用的是Matlab。通過模擬仿真計算可以進一了解臍帶纜中電纜的參數(shù)對衰減的影響,進而對臍帶纜的參數(shù)做出明確要求。

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