载波通讯在智能润滑系统中的应用*

黄旭才

(南京钢铁联合有限公司， 江苏 南京　210035)



载波通讯在智能润滑系统中的应用*

黄旭才

(南京钢铁联合有限公司， 江苏 南京210035)

分析了对大型干油集中润滑系统进行监控存在的问题，并提出了通过应用电力线载波技术进行解决的方案。方案涉及润滑系统结构设计和具体的技术方法，是一个载波技术应用于油脂集中润滑系统中的成套方案。

油脂集中润滑； 集中监控； 电力线载波通讯； 技术方案

引言

依托材料、电控、机械加工等领域的技术进步，油脂润滑行业正在迎来一个全面技术革新的新时代，先后有 “定时定量润滑[1]、单点供油的干油集中润滑方式[2]、计算机系统管理润滑系统[3]、顺序润滑[4]、智能监控润滑[5]”等多种新的润滑理念和技术方法被提出和应用。

近年来，在大型矿山、冶金设备上，正在逐步推广智能型干油(油脂)集中润滑系统，这种新型润滑对所有的润滑点都进行检测和控制。一条冶金生产线，比如连铸、热轧等，需要润滑的点数可达几千个之多，如此大量的监控点数，采用电力线载波通讯技术，将会极大减少通讯线路、通讯器材，减少维护维修费用，产生很好的经济效益。本文主要介绍将载波通讯技术应用到智能润滑系统的方式方法。

1　系统结构设计思路

1.1系统设计原理

智能干油集中润滑的中心思想就是：系统可以单独打开任何一个润滑点进行油脂补加，并在加脂润滑过程中，检测加脂量、加脂压力等差数，判断是否有堵塞或泄漏现象。为了以经济有效的方式达成目标，润滑系统设计采用如下结构：每个润滑油站，均采用西门子S7-200 PLC和西门子触摸屏构成主控制柜，主控制柜通过上位载波通讯板、电力线、下位载波通讯板卡，实现对所有润滑点的控制和润滑参数的检测，同时设上位计算机，通过以太网络连接各油站主控制柜，在监控中心完成对整个分厂或车间设备润滑情况的监督管理，并根据需要统计各种润滑数据。载波通讯润滑系统的结构如图1所示。

图1中的(a)和(b)是采用载波通讯监控的两种情况：

(a)适用于皮带运输设备等润滑点分布比较分散的情况:油站及每个分油箱各自采用一个载波通讯解码器进行单独通讯，上位计算机直接通过电力线载波通讯，监控每个润滑点的情况。

(b)适用于烧结高炉轧机等润滑点分布很集中的情况:油站与所有分油箱共用一个电力线载波通讯解码器，油站下的各个分油箱通过485串行通讯线接受油站的监控，并通过油站接受上位机的监控。设计思想是：在润滑点密集的油站内部，采用电力线和485总线相结合的方式完成系统监控，减少电力载波芯片的使用，降低成本；在各油站与主控制柜之间、以及润滑点分布松散的油站内部，采用电力载波形式进行监控，减少电缆用量、克服长距离直流供电线损，降低线路的复杂性，提高系统可靠性。

1.2系统结构

该系统控制、通讯包括三个层次。

第一层由一台计算机和监控软件组成(上位机)，其主要作用是：以画面的形式分页显示整个润滑系统中各个油站的运行状况及油站内各点状态、参数，并按要求形成各种数据报表；对下位机进行组态控制；将润滑系统连入internet或以太网，实现远程监视系统。

图1　系统简要结构框图

第二层为主控柜，由西门子可编程控制器S7-200和控制程序组成(下位机)，其主要作用是：给各个带有载波通讯芯片的油站(包括给带有载波通讯芯片的电器执行机构)发出控制指令；查询各油站内(包括给带有载波通讯芯片的电器检测器件)各项工作检测数据；在显示柜内显示系统信息；将系统信息上传上位机。

第三层包括两类部件：

(1) 带有载波通讯芯片的多个干油站，它们均由分油站控制器、油泵、及多个点译码器组成。其监控过程是，载波通讯芯片将主控柜传来的指令接收，下传给分油站控制器，分油站控制器按照存储在分油站控制器内的程序相应主控柜指令，控制分油站内部油泵和点译码器协同工作，完成各油站工作任务；分油站控制器检测油站各种运行参数，并通过载波通讯芯片上传主控柜。

(2) 带有载波通讯芯片的点译码器及其电器执行机构和电器检测器件。其监控过程是，载波通讯芯片将主控柜传来的指令接收，经过点译码器，控制相应的阀门开关，完成各润滑点的供油；供油过程中的各种参数也由点译码器通过载波通讯芯片上传主控柜。

系统第一层用于网络的连接，采用网络电缆或者光纤，第一层与第二层的连接，采用工业数据总线，第二层与第三层的连接，设计通过采用电力载波技术，仅以电力线连通。

1.3系统操作控制执行过程

PLC通过光缆或无线方式来接收计算机(上位机)的指令，并通过电力线载波的串行通信方式来对各个润滑油站(包括给带有载波通讯芯片的电器执行机构和电器检测器件)进行监控。一个通信数据包由8字节数据组成，第一、二字节是PLC站标识，第三字节是命令，第四、五字节是润滑点地址，第六至第八字节为控制数据。从理论上讲，一个PLC站最多可控制6万个润滑点。PLC站采用广播方式发送命令数据，各润滑的站收到通信包后进行数据分析，分析的内容：一是识别主机是否是自己的上级PLC站，二是识别从机地址是否是自己的地址，只有在全部确认无误后，主控站才执行命令和相应的操作。

每个润滑点译码器可控制、检测一到六个润滑点，它通过电力载波接收电路来接收PLC站的指令，并执行相应的操作，完成对油流的采样及处理，判断各点是否工作正常，以便采取合理的措施；同时，它可以对现场工作温度进行采样处理，以便在温度超出正常工作范围时采取保护措施，同时将相关信息返送回PLC站中。

2　电力线载波通信的硬件电路

2.1通信系统结构

如图2所示，电力线载波通信系统由载波耦合电路、信号发送电路(信号功率放大电路和输出功率控制电路)、滤波接收单元(接收滤波电路和解调电路)、电力线载波扩频通信芯片SH99F01 等组成。

图2　电力线载波通信模块框图

2.1.1电力线载波扩频通信芯片SH99F01

载波通信是SH99F01的核心模块。包括数字调制解调和模拟前端的单片解决方案，采用全数字结构实现了扩频载波(SSC)和窄带相位调制解调，具有极强的抗噪声性能。SH99F01支持双载波，双模式，过零传输等增强传输模式，具有极大的灵活性和适用性，并可有效提高应对各种复杂电力线环境的稳健性。

2.1.2SH99F01芯片特性

1)接收灵敏度：0.1 mVpp；

2)帧长：0～31字节；

3)扩频载波调制数据速率：300 bps～1.6 kbps；

4)窄带相位调制(normal)数据速率：1.2 kbps～7.5 kbps；

5)窄带相位调制(high speed)数据速率：2.4 kbps～15 kbps；

6)带8051内核的片上系统(SOC)；

7)集成模拟前端电路；

8)半双工突发传输；

9)63位扩频码的扩频载波调制技术；

10)三组扩频码序列，支持128个码分信道；

11)窄带相位调制技术；

12)首创扩频和窄带双模通信方式；

13)集成前向纠错编解码；

14)集成RS码和交织，抗脉冲干扰强；

15)硬件16位循环冗余校验；

16)载波频率可调，调整范围覆盖9～525 kHz(依赖于硬件)；

17)接收双通道，支持双载波传输；

18)提供超短帧功能，支持过零传输(依赖于硬件)；

19)集成10位高速DAC，输出正弦波和方波脉冲可选；

20)内建发送端预放大器，带三态控制和4级增益可调；

21)支持外部驱动电路的直接关断；

22)接收端低噪声放大器，总增益达90 dB；

23)提供接收信号强度指示(RSSI)，动态范围达70 dB；

24)兼容世界范围频谱规范，包括CENELEC EN-50065-1和FCC规范。

2.1.3SH99F01芯片功能

SH99F01芯片功能框图如图3所示。

图3　SH99F01功能框图

2.2电路设计

2.2.1载波耦合电路

2.2.1.1耦合电路作用

1)隔离载波模块低压端和AC高压端；

2)加载载波信号到电力线；

3)从电力线上提取载波信号；

4)过滤50 Hz/60 Hz 工频信号及其谐波；

5) 抑制瞬时电压冲击(如：雷击造成的过电压、电网电压的浪涌和尖峰电压、及静电放电电压等)；

6)最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰，具有高通滤波的功能。

2.2.1.2隔离型耦合电路

耦合电路分隔离型如图4所示,由图4可以看出，线圈与0.22 μF 电容构成了LC 高通滤波，可过滤AC 电压，并保证高频载波无衰减通过。隔离型耦合电路能够保证高低压电气隔离，安全性高。耦和线圈是耦合电路的核心器件，要求紧密耦合，漏感小，导线电阻小，寄生电容小，采用高磁通的铁氧体磁环来制作，匝数比选择3:2，绕制方式可采用匝间并绕。耦合线圈的基本要求是：(1)电感量在 400～1000 μH；(2)漏感不高于 10 μH；(3)直流阻抗小于1 Ω，通流不小于1 A；(4)耐高温(视应用环境，不低于120 ℃)，原副边绝缘，直流耐压高(视应用环境，不低于5000 V)。

在图4中，除耦合线圈T 外，0.22 μF/275 V 电容C 必须是具有短路保护的X2 型电容；PTC 1用于过流保护；压敏电阻RAV1抑制瞬时电压冲击。瞬时电压冲击(如：括雷击造成的过电压冲击、电网电压的浪涌和尖峰电压、某些用电设备所产生的尖峰干扰脉冲、工业火花，及静电放电电压等)会对电路系统起到破坏和干扰作用。所以，要采取相应的措施进行防护和抑制。压敏电阻的标称电压应按下式选择：VACrms= 1.4×2×220 V×110%≈480 V ；电阻R10在本方案中取1 M，也可以取值更大一些。R10在本方案中的作用是在离线时使电容C15放电，防止出现瞬间的高压；P6KE22CA是瞬变抑制二极管，它可以有效地避免后面电路被高压击穿。

图4　隔离型耦合电路

2.2.2驱动电路

电力线阻抗一般在0.1～100 Ω之间，并且具有时变特性，驱动电路设计目标是提供在低负载阻抗条件下的足够驱动能力，而阻抗匹配则不作严格要求。另外，为满足各地区对电力线频谱规范要求，驱动输出的谐波指标也是个考虑因素。

SH99F01 典型驱动电路是一个输入缓冲的推挽输出功放电路，使用三个晶体管，结构简单,如图5所示。该电路可实现三态输出与静态关闭，在非发送状态，驱动管关闭，可使驱动电路静态电流降低到200 μA以下，同时接口呈现高阻状态注，不会对线路阻抗造成影响。

驱动管可根据驱动要求选择多种对管，如2SA1020/2SC2655，PBSS4250X/PBSS5250X或BD137/BD138 等。典型电路中，VHH 取12 V，输出幅度可达到近10Vpp(LISN 负载)。SH99F01 默认为DAC 输出，具有良好的谐波指标。也可通过置位PULSE_OP (UMR1.3)设置为PWM 输出，后者主要为配合某些特殊的驱动电路(如D 类驱动)。

内部预驱动电路(Pre-Amp)提供4 级输出增益：0，-3，-6 和-9 dB。

除了典型晶体管驱动电路外，SH99F01 也支持使用集成功放作为电力线驱动。

注：高阻状态有助于保证在大量节点并接在总线上时不致影响总线的阻抗。

图5　驱动电路

2.2.3选频电路

SH99F01 内置AFE 完成滤波放大，在接收前端只需设计前端选频电路，对选频的基本要求为阻抗匹配，插入损耗小，选择性好，一般选择LC 谐振电路。扩频技术与 DBPSK 两种载波调制格式对选频电路的要求不同，前者带宽较宽，选频电路主要完成阻抗匹配，后者带宽较窄，滤波对性能具有较大影响。对选频电路，有以下几点需要注意：

1)Q 值并非越高越好，Q值太高，对器件精度要求高，器件一致性要求高，增加系统成本，增加生产测试成本；

2)滤波器失真越小越好，如低失真的巴特沃斯滤波器；

3)选频电路一般并非系统性能的制约点，性能优化更多着眼于系统层面设计。

由于信道的多样性及时变性，典型电路在某些开放线路环境中无法达到期望的性能注，此时需进行优化。一种是从载波模块本身进行优化，另一种是从系统层面进行优化。载波模块的优化主要有以下几点：

1)增强驱动能力，选择更大的输出功率以应对极低的负载阻抗；

2)分析干扰频段范围，调整载波通信频率以避开干扰，特殊情况下可采用双载波通信以增强可靠性；

3)使用窄带调制方式以避开干扰区域；

4)使用过零传输方式以避开周期性脉冲干扰。

电路选择LC 参数如图6所示，是2 阶LC 带通滤波电路，Q值较低，中心频点290 kHz，3 dB带宽100 kHz，适用于典型扩频调制格式(包括“过零双模”等扩频增强格式)。

图6　选频电路295 kHz

2.2.4过零检测电路

过零检测电路仅在使用到过零传输模式时需要，选择一种自供电光耦隔离电路,如图7所示。输出方波脉冲的下降沿与实际市电零点时刻偏差在100 μs 以内，满足过零传输要求注。典型电路检测方波周期是20 ms，即每个工频上升过零时刻送出检测脉冲。

检测脉冲可连接到芯片INT1 引脚，采用下降沿触发中断，载波发送时按照检测时刻在零点间隙中发送窄带超短帧,如图8所示。

图7　自供电光耦隔离过零检测电路

图8　过零检测电路波形关系图

3　载波通信模式

3.1基本模式

SH99F01基本通信模式如表1所示。

表1SHF9901基本通信模式

3.2增强模式

SH99F01 典型情况使用过零双模TM 调制方式。如图9所示，过零双模的基本思路是整合扩频载波与窄带过零传输格式，克服单一调制格式对抗不同干扰类型的不足。

图9　过零双模示意图

由图9可以看出，同一包数据，先使用扩频调制，再使用窄带过零调制，接收端收到任何一种调制数据即正确传输。具体参数为：(1)有效数据帧长：20 bytes；(2)耗时：发送时不超过310 ms，接收时不超过320 ms(发送持续时间再加10 ms 保护时间)。

4　 软件设计

载波通信基本流程如图10所示。

图10　载波通信基本流程

5　结　论

(1) 本文所述通讯技术在油脂集中润滑系统的应用，是在对现有多种技术的整合集成基础上,提出的一种全新的油脂供给监控系统,该系统可以有效解决对众多参数进行监控时的数据通讯传输问题；

(2) 采用该技术方案的背景是载波通讯芯片已经能够很好地适应目前国内大部分的电力线路，对于干扰很大的电力线路，建议增加隔离变压器。

(3)在润滑点密集的油站内部，采用电力线和485总线相结合的方式完成系统监控；在各油站与主控制柜之间、以及润滑点分布松散的油站内部，采用电力载波形式进行监控。因此，润滑系统的构成方案，需要依据现场实际进行调节，唯此，才能真正做到有效监控、降低成本、方便维护的目标。

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2016-03-25

黄旭才(1969—)，男，高级工程师。电话：13951669115

TH117; TN919.2