赵振杰，左敬民，张万期，李艳杰

(天津修船技术研究所，天津 300456)

电力线通信技术在船舶行业的应用

赵振杰，左敬民，张万期，李艳杰

(天津修船技术研究所，天津 300456)

文章针对船舶和浮船坞二次布线困难的问题，提出一种采用电力线通信增加数据处理的方法。通过电力线调制解调器可在已经布好的电力线任意部位输入经调制的通信信号，并在接收端将该信号进行解调、分离来实现数据的接收。该方法适用于船舶和浮船坞的改造和修理中需要增加数据通信处理的场合。

电力线；载波通信；数据传输

电力线通信全称是电力线载波(PLC,Power Line Carrier)通信，是指利用高压电力线(在电力载波领域通常指35 kV及以上电压等级)、中压电力线(指10 kV电压等级)或低压配电线(380/220 V用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。PLC把载有信息的高频信号加载于电流中，然后用电力线传输，接收信息的适配器再把高频信号从电流中分离出来，并传送到计算机或电话以实现信息传递。该技术最大的优势是不需要重新布线，在现有电线上实现数据语音和视频等多业务。在船舶行业中，由于船舶结构复杂，一旦布线改动是困难的，无线信息传播又受船舶钢结构的屏蔽制约，所以已建船舶后来的技术升级和改装对电力线通信技术非常期待。

1 背景

天津新港船舶重工有限责任公司前些年建了1座简易浮船坞，浮船坞建成后发现有些设备如阀门开关位置和柴油机等的报警不能在集中控制台处得到显示和报警。浮船坞管理人员必须时常到狭窄的现场去观察设备运转情况。

如果重新布线把这些信号传送到集控台进行统一处理，必将对浮船坞结构造成影响，施工起来也很复杂。能否将智能电网中的电力线通信技术用于浮船坞监视系统呢，此文在这方面做了一些尝试。

2 浮船坞电力线通信集中监视系统需改造的任务点

2.1主控台

1)主控台阀位显示。共有4个电动阀，每个阀使用2个LED(红、绿)灯显示其开、闭位置。

2)主控台柴油机运行状态显示。每台柴油机有12个双色的状态指示灯，共有3台同样的柴油机，同时在主控台显示其运行状态，共36个状态指示灯。

3)主控台内加装1块单片机通讯板和1个电力调制解调器，接收仓内5个信号采集单元发送过来的状态信息并显示。共44个LED 显示，其中 32 个为双色LED。

2.2柴油机运行状态显示

1)主控台柴油机运行状态显示。每台柴油机有12个双色的状态指示灯，共有3台同样的柴油机，同时在主控台显示其运行状态，共36个状态指示灯。

2)柴油机运行状态测量。每台柴油机的控制器内加装1块单片机通讯板和1个电力线猫从74LS06引脚上采集信号，得到其运行状态并发送。

3 功能实现

基于现有的问题我们设计出了一款小型高性能通用电力线通信调制解调器，这款调制解调器基于电力线载波芯片LME2200C(见图1)而设计，由电力线调制/解调、功率放大、藕合及滤波、电源、单片机及协议固件等组成，可直接连接到电力线上。该模块嵌入了完整的电力线通信固件和协议，通过其串口接口实现数据在电力线上传输。采用了多载波快速跳频调制解调技术，有效对付电力线干扰和噪声，内置自动纠错编码和解码，自动CRC-16校验及检错，嵌入了电力线通信固件和协议,使用RS232串行数据接口通信，载波通道通信模式为半双工双向。

模块电力线传输的4个频率分别为115.2 kHz、120 kHz、124.8 kHz、129.6 kHz。数据包长度为18 byte，信道速率为2 400 bit/s。

3.1所使用功能模块

如图1，通过PA和LPF构成简单的模拟前端发送电路，再由BPF、AMP以及LPF构成接收电路。二者与LME2200C结合可构成高性能的电力线调制解调器，LME2200C内置UART口直接接单片机，以实现对芯片的控制和数据单元的处理。

1)发送通路。发送通路由LPF和PA构成。LPF可以滤除高频杂波信号并使有用的DAC低频信号成分平滑输出，再由PA放大后经过铁氧体耦合变压器输送到电力线上，LPF的带宽取决于使用的载波频率。经以上电路处理后即可在所输出的电力线上获得1～2 V的中信号电平。输出电力线的阻抗一般不超过100 Ω。若电力线阻抗过大使信号电平过低，则需考虑增加中继器。

2)过零检测电路。过零监控电路输出方波信号，其上升沿在电力线输送的工频电力信号的过零处，用于给LME2200C芯片发送同步校准信号作为收发同步的基准。

3)功率放大控制。LME2200C芯片支持半双工工作模式。发送信号时，TX_BUSY低电平信号可打开PA，接收时TX_BUSY的高电平信号可关闭PA以提高接收阻抗。

3.2信号处理控制原理

1)在阀门位置信号收发传输中，信号通过阀门轴边的光电开关送给单片机通信板，单片机将信号传输给发送调制解调器，发送调制解调器将信号经电力线发送到接收调制解调器中，将阀门开启关闭显示出来，见图2。

图1 LME2200C构成的调制解调器的结构框图

图2 阀门位置信号传输时所需部件图

2)在柴油机报警信号发收传输中，报警信号取自柴油机旁报警箱面板(图3)内的报警逻辑电路74LS06，见图4。报警信号通过逻辑电路74LS06传输给单片机通信板，单片机将信号传输给发送调制解调器，发送调制解调器将信号经电力线发送到接收调制解调器中，将柴油机报警信号显示出来。

图3 柴油机机旁报警箱面板图

图4 柴油机箱内报警板逻辑电路74LS06

3)为保证报警信号准确率，以及随时监控各状态量在线和退出情况，在软件中采取了巡回检测技术，重复采样技术，以及报警优先中断技术，应答校验技术等。

4 结束语

该系统在不改变原有线路的基础上，实现了通过电力线对信号的传送和接收，节省了大量的人力物力。在船坞内的多点电力线上与集控室内的计算机做了大量的多工况、强干扰下的电力线通信实验。实际运行表明，信号处理的正确率达到了100%，报警信号的延迟时间最长为1 s左右，完全能够满足实际使用要求。

Against the difficulty of twice wiring on board and on floating dock,a way of data communication is introduced with use power line as the media.A modulated modem by power-line can put a modulated communicative signal into the power-line at any free point and receive the data by demodulating and separating the signal at the accepting end,which applies to the transformation of ships and docks,increasing data communicating and processing during maintenance.

power-line;carrier communication;data transfering

U673

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.06.012

赵振杰(1980-)，男，天津人，工程师，大学本科，主要从事海洋工程设计和船舶配套产品的设计研发工作。

2014-07-16