陈 浩，程武山，刘义勇，张鹏举

(1.上海工程技术大学机械工程学院，上海 201620；2.中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东深圳 518000；3.美钻能源科技(上海)有限公司，上海 201900)



基于电力载波技术的水下生产数据采集系统

陈 浩1，程武山1，刘义勇2，张鹏举3

(1.上海工程技术大学机械工程学院，上海 201620；2.中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东深圳 518000；3.美钻能源科技(上海)有限公司，上海 201900)

针对深水生产系统的工作特点，采用基于脐带缆的电力线载波通信传输技术，不仅解决水上与水下的长距离数据传输问题，同时降低海底布线的复杂度与生产成本。文中利用Mi200e载波芯片，采用QPSK扩频调相调制方式，设计了水下生产系统数据采集硬件模块。实验测试表明，该模块能够高效稳定地采集采油树管汇上的各路传感信号与反馈数据，保证水下控制系统的稳定工作。

水下控制系统；电力载波；Mi200e；QPSK扩频调相

0 引言

鉴于陆上及浅水油气资源的日渐减少，深海油气资源已经成为世界能源开发领域未来发展的趋势。水下生产控制系统是整个深水油气田采集系统的指挥中枢和运行保障，对保证生产过程中油气的安全平稳流动和提高开采效率起到重要的作用[1]。油气田的开采过程常需要对采油树管汇中的温度、压力、流量以及沙粒冲蚀等各类数据进行实时的监控，以充分了解水下的即时开采状态，以便对采油过程进行实时检测和控制。实现水上与水下数据的稳定传输尤为重要[2]。

电力线载波通信是将数据信息调制到一定频率的高频载波并耦合至电力线上传输发送。因此，采用基于脐带缆的电力通信传输技术能很好地适应深水生产系统的工作特点，利用水上与水下的电力线路作为介质，经耦合电路提取高频载波信号，放大并滤去外干扰和噪声，最后经解调电路还原成数字信息。不仅解决了长距离传输的问题，也降低了海底布线的复杂度，节约了生产成本[3]。

本文首先介绍了水下生产控制系统，在此基础上，利用专用QPSK扩频调相电力载波芯片Mi200e，设计了电力载波的硬件电路，并通过波形采集、串口调试以及不同距离下误码率的测试，验证了载波信号传输的可行性与可靠性。

1 深水油气田水下生产控制系统

深海采油系统包含水上平台和水下生产系统，水上平台由主控站(MCS)、液压动力单元(HPU)、化学药剂和稳压供电站组成，而为了实现对水下生产设备的监测与控制，现阶段水下控制系统采用的是电液复合控制[4]。水下生产控制系统如1图所示，其中采用基于脐带缆的电力通信传输技术能很好地适应深水生产系统的工作特点[5]。电力传输与控制信号的传输采用混合传输，其本质就是通过电力线路加载测控信号的电力载波技术，即在原有的提供电能的电力线路上叠加控制指令信号，到达水下控制模块(SCM)后实现电力供应与水下设备的控制，同时将水下变送器所测得压力、温度、流量、液位等过程参量通过电力载波通信技术上传到主控制系统。

水下控制模块(SCM)的核心是水下电子模块(SEM)，主要负责采集信号处理与系统控制。水下电子模块将采油树管汇中的压力、温度以及流量等传感信号采集后，调制编码成适合电力信道传输的高频信号，经滤波、信号放大后，耦合到脐带缆中的电力线上，传输到水上控制终端，实现对水下生产过程的实时监控[6]。

同时，水上平台可以根据生产需要，给水下发送控制指令信号，信号通过电力线传输耦合至水下电子模块的接收端，再经主控单元解调解码，从而完成对水下电液换向阀的操作。同时，当水下生产系统发生故障或信号传输中断等意外状况时，自主向水上控制终端发送报警信号[7-8]。

图1 水下生产控制系统示意图

2 水下电力载波模块硬件设计原理

2.1 载波芯片Mi200e介绍

水下生产控制系统是水下生产系统的核心部分，其中电子载波技术决定了整个水下生产系统的测量和控制水平。本文采用了一款专门针对低压电力线窄带通信设计的电力线载波通讯芯片Mi200e，其具有高集成度、高可靠性。Mi200e调制方式为QPSK扩频调相，采用过零同步传输技术，内部集成了高性能数字功率放大器、扩频解扩、调制解调、输入信号整形放大、市电检测、高性能带通滤波器、数模转换接口以及与单片机(MCU)串口通信等功能。

2.2 水下电力载波模块设计

水下电力载波模块主要由微处理器、载波芯片、外围耦合滤波电路以及接口电路组成，其硬件结构如图2所示。微处理器采用UPD78F0526A单片机芯片。UPD78F0526A与载波芯片之间通过SPI串口进行数据交互，发送时，Mi200e对从微处理器接收到的信号进行扩频调相调制，经过内部信号处理后送入耦合保护电路；接收时，电力线路中调制的信号被耦合电路捕捉后，传输至Mi200e进行解调。

图2 电力载波模块硬件结构原理图

3 耦合保护窄带发送/接收滤波器电路

3.1 耦合保护电路

由于Mi200e内部自带调制、滤波、数字功放电路，所以外围电路简洁，Mi200e的发送、接收均采用差分方式，通过信号耦合变压器，在电力线上接收或发送信号。

耦合器在电路中主要有3个作用：电容C14和耦合器初级线圈构成高通滤波器，阻断了电网工频信号，保证导通传输的高频信号；次级线圈跟外围电路同时构成带通滤波器，方便调制信号的选择；内部的高频耦合线圈实现强电侧和弱电侧的物理分离，同时实现阻抗匹配。

3.2 发送滤波电路

数据发送过程是将单片机采集的信号通过SPI接口进行数据交互，传输到载波芯片Mi200e内进行编码调制，再经过功率放大滤波耦合到电力线上，发送滤波电路如图3所示。PA、PB是Mi200e的数字功放半桥输出端，输出信号通过L3、C14构成的一阶LC无源带通滤波器滤波处理后送入信号耦合变压器，再通过变压器耦合到220 V电力线路中进行传输。

图3 发送滤波电路

3.3 接收滤波电路

接收滤波器负责将电力线路上的调制信号提取出来，然后送入Mi200e的RA+和RA-两端进行解调。由于信号耦合部分跟发送部分是共用的，只需要加上简单的LC带通滤波就可以送入Mi200e了。具体的接收滤波器电路连接如图4所示。由信号耦合变压器送来信号，经过C17、L2构成的带通滤波器后直接送入Mi200e的模拟信号输入RA+和RA-两端进入芯片解调。其中，电感、电容及电阻的具体参数，可根据所选的载波频率的不同做调整。

图4 接收滤波电路

其中，压敏电阻R35在电力线出现瞬间高压的情况下，吸收电流，保护后级小信号电路。瞬变抑制二极管TVS1、TVS2分别采用SMBJ6.8CA和P6KE10CA，起到限幅作用，防止浪涌冲击。

4 实验仿真与结论

4.1 波形采集与分析

在微处理器中烧写控制与数据处理程序，同时配置载波芯片Mi200e寄存器初始化。由于电力载波为半双工的通信方式，Mi200e采用中断方式来进行数据的收发，设定一个3～5 ms的中断对MI200E的内部寄存器进行查询。

利用Agilent 33220A信号发生器产生幅值为1 V的正弦信号，送入微处理器的输入端，然后，在电力载波模块耦合器的输出端用Tektronix TDS2022示波器接收传输的波形。图5为示波器的接收端在不同时刻采集的信号波形。对比图5中6幅图可以看出，信号的幅度波动很小，峰-峰值的偏差在±2.0%之间，说明载波芯片的模拟前端的性能稳定；同时，传输的载波信号频率在改变，这是为了躲避信道中的噪声干扰，模块自适应的选择载波频率，由于载波芯片Mi200e采用的调制方式为QPSK，信号的解调只与载波信号相位有关与载波幅值频率无关。

4.2 串口数据测试与分析

实验系统测试软件采用串口助手发送、接收、显示及保存接收的数据，并且实现不同波特率通信以及定时数据发送功能。利用USB转换串口将2个载波模块分别与2台装有XP系统PC相连，打开串口软件选择合适的串口，试验平台如图6所示。其中，一台串口选择COM1口，另一台为COM2口，然后在输入框输入要发送的数据。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

图6 搭建的测试实验平台

其中，设置波特率为9600，校验位无，数据位8位，停止位1位。载波模块为半双工通信，接收发送异步进行，发送接收的模式有“自动”和“手动”两种，验证电力通信的稳定性与可靠性，分别进行如下实验。

模式1：利用串口助手的自动模式，在输入框中输入发送的信息，发送的时间可以在“自动发送周期”中进行设置，单位是ms。当勾选“十六进制发送时”，系统将自动发送所输数据的16进制数，如图7(a)中发送的内容是 “yes!”，而图7(b)内容是 “I am a student.”；在信息发送的同时，接收另一台发送的信息。

模式2：手动模式如图7(c)、图7(d)所示，自动模式的选择框悬空后，选择“手动发送”，在输入框中输入发送的信息，而另一台机器也可以手动点击发送。在两种模式，数据的传输误码率低，稳定性好。

(a)

(b)

(c)

(d)

4.3 不同距离下误码率的测试

误码率是衡量通信系统传输可靠性的一种统计指标，反映了系统设计的优劣。为了使测试更具有一般性，测试地点选择了电力线环境处于中等水平的实验室，采集对象是国家重大专项中的采油树管汇上的传感信号和上位机平台发送的控制指令，测试在不同距离下的误码情况。测试结果如表1 所示。

由表1数据可以看出，误码率随着距离的增大而增加。此外，实验过程中发现，误码率会在某段时间内突然增大，然后再变低。测试时若一个字节中有1位数据错误，即按1个字节处理，这样就放大了误码率，实际上误码率比这个要低。

表1 不同测试距离下误码率的测试

5 结论

本文针对深水生产系统的工作特点，采用基于脐带缆的电力载波通信传输技术，不仅解决水上与水下的长距离数据传输问题，同时，降低海底布线的复杂度与生产成本。利用专用QPSK 调相扩频载波芯片Mi200e，设计了水下生产系统的数据传输模块。通过采集模块输出端信号波形，分析了幅度与频率的变化特点，同时搭建串口通信试验平台，测试不同距离情况下的误码率随着距离的增大而增加，且误码情况具有时间集中性。该模块的设计解决了水下控制系统远距离通信问题，具有普遍适用性。

[1] 王立忠.论我国海洋石油工程技术的现状与发展.中国海洋平台,2006,21(4):9-11;18.

[2] 周美珍,张维庆,程寒生.水下生产控制系统的比较与选择.中国海洋平台,2007,22(3):47-51.

[3] 范亚民．水下生产控制系统的发展．石油机械，2012，40(7)：45-49.

[4] 易平波,朱良学,刘志英,等.低压电力线载波通信技术的发展现状分析.电子工程,2008(4):41-45.

[5] 姜国.井下仪器高温电路设计方法研究.石油仪器，2005(6):58-60.

[6] 齐军. 井下工况状态监测系统研究：[学位论文].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2007.

[7] 杜鹏. 井下多状态参数监测系统的研究：[学位论文].沈阳：沈阳工业大学,2013.

[8] 张超,冯玉峰,孙字军.基于电力线载波通信的油井通信系统.电子电路,2012(3):93-96.

Subsea Production Data Acquisition System Based on Power Line Carrier Technology

CHEN Hao1, CHENG Wu-shan1, LIU Yi-yong2, ZHANG Peng-ju3

(1. School of Mechanical Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China;2. Cnooc (China) Co.. Ltd. Shenzhen Rranch, Shenzhen 518000,China;3.Msp/Drilex(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)

According to the characteristics of subsea production systems, using the umbilical cable communication transmission technology based on power line carrier, the problems of long distance data transmission between on and under water were solved, and wiring complexity and the cost of production were reduced. In this paper, the Mi200e carrier chip and modulation mode of the QPSK were adopted. The data acquisition hardware module of subsea production system was designed. As tested by experiments, the module can acquire highly efficient and stable sensing signal and feedback data on each manifold of tree, so as to ensure the stable work of subsea control system.

subsea control system ; power line carrier (PLC);Mi200e ;QPSK spread spectrum phase-modulated

“十二五”国家科技重大专项(2011ZX05056-002-02)

2014-10-14 收修改稿日期：2015-06-28

TP273

A

1002-1841(2015)09-0087-04

陈浩(1988—)，硕士研究生，主要研究方向为智能控制与数据通信。E-mail:tongxinxinxi@163.com