基于G3-PLC的核电领域报警器运行状态监测系统

何 丰，刁碧悦，王 礼

(重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065)

0 引言

由于核电产业的特殊性，为了能及时对险情进行快速的反应，核电站厂房各处都有报警器，并且必须保证每台报警器都能正常工作，需要进行定期的故障检修。但目前的检修方式主要为人工巡检，采用人工巡检的方式存在弊端。因此，需要设计出既不改变原有报警器架设线路，又具备在复杂环境中对报警器的运行状态进行监测和数据汇聚功能的监测系统。

在不改变原有线路的前提下，现应用比较广泛的监测技术主要包括无线通信技术和电力线载波通信技术(power line communications，PLC)。文献[1]提出了一种通过无线通信技术实现的应急监控平台，由于核电站厂房内具有没有网络覆盖，并且墙壁设施较厚等环境因素，无线穿透能力有限的缺陷限制了其在本系统中的应用，电力线载波通信技术更能满足需求。文献[2]通过实验对电力线载波技术的PRIME标准和G3标准进行对比分析，其中PRIME标准的优势在于通信速率快，G3标准更注重系统通信的可靠性。

综合以上分析，为了保证整个系统运行的可靠性，本文提出一种基于G3-PLC实现的报警器运行状态监测系统。整个系统需满足不改变原有报警器的架设线路以外，还应满足有足够长的通信距离，以及检测时间在1 min以内的硬性指标。

1 系统总体设计

基于G3-PLC的核电领域报警器运行状态监测系统主要包括能直观显示报警器运行状态的上位机、数据汇集器和检测模块，系统总体架构图如图1所示。

图1 系统总体架构图

检测模块由一个声音传感器和电力线载波模块构成，电力线载波模块将声音传感器检测到的报警器运行状态情况进行处理后经电力线发送到数据汇集器，数据汇集器通过网线将从电力线上接收到的数据直接发送到上位机，上位机根据所收到的数据进行判断，可直观显示所检测到的报警器运行状态。

系统的通信信道包含电力线和网线。数据集中器与上位机通过以太网接口进行数据通信，以太网通信帧主要包括目的MAC地址、源MAC地址、数据类型和所需发送的数据。具体帧格式如图2所示。

6字节目的MAC地址6字节源MAC地址2字节数据类型数据

图2 以太网通信协议帧格式

由于从数据集中器发送出的数据包含数据集中器的IPv6地址、检测模块的IPv6地址、检测模块的扩展地址和监测结果数据，数据的类型为IPv6类型，以太网的数据类型应为0x86DD。

2 系统硬件设计

系统硬件主要由数据汇集模块和检测模块构成。其中数据汇集模块包括耦合电路、模拟前端(analog front end，AFE)、微控制器(microcontroller unit，MCU)TMS320F28PLC84和协控制器TM4C1294模块。检测模块包括耦合电路、模拟前端、主控制器TMS320F28PLC84、协控制器CC1310模块和声音传感器。TM4C1294和CC1310均通过UART与PLC主控制器进行连接，协助PLC主芯片进行G3参数和网络的配置，以及对数据的处理。

系统的供电电源主要包括两个部分，为PLC模块供电的220 V转15 V AC-DC变换器，以及为协控制器和声音传感器供电的15 V转3.3 V DC-DC转换器。整个系统的硬件框图如图3所示。

图3 系统硬件框图

2.1 耦合电路

由于电力线载波通信技术能量和信号的传输都在相同的电力线上进行[3]，为实现能量和信号的传输，耦合电路是PLC通信的必要组成部分。变压器和电容是耦合电路的基础部分[4]，其中变压器起到隔离工频强电和耦合载波信号的作用；电容和电阻构成RC一阶高通滤波电路，一定程度上减小了电源纹波。

2.2 模拟前端

模拟前端采用低成本、具有过热和短路保护的AFE031器件。接收的载波信号先经过模拟前端的带通滤波器，然后通过可编程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)将信号进行放大后，进入PLC微控制器的模数转换(analog to digital convert，ADC)。模拟前端对PLC模块发送的数据先进行数模转换(digital to analog convert，DAC)，然后将经过带通滤波器后的信号通过功率放大器(power amplifier，PA)进行放大，最后将信号发送到耦合电路。模拟前端的框图如图4所示。

图4 模拟前端框图

2.3 声音传感模块

声音传感模块可以通过一个微型的麦克风检测周围环境的声音强度，并以数字开关量的形式输出。声音模块对特定频率的环境声音强度最敏感，而报警器正常工作时的频率为1.5 kHz，若将声音传感模块的阈值调节到1.5 kHz，在报警器工作时便能检测到报警器是否处于正常运行状态。

声音传感器模块使用2个LM358运算放大器将声音信号进行两级放大，放大后的信号经过LM567鉴频芯片对信号进行频率的识别，调节模块上的一个滑动变阻器便可对信号频率的阈值进行设定。当LM567所鉴得信号与所设定的信号频率相同时，输出一个开关量信号，以达到对固定音频信号识别的目的。

3 系统软件设计

系统的软件编译环境是Code Composer Studio集成开发环境，利用实时操作系统TI-RTOS来实现多线程的任务的调度。TI-RTOS是一款单核的实时操作系统，每个内核都有自己的TI-RTOS实例，并且只执行由该实例管理的线程[5]。

3.1 数据汇集器软件设计

数据汇集器软件设计中主要有5个任务线程，按优先级高低次序依次为：以太网中断任务、UART接收任务、PLC状态控制任务、PLC发送任务和以太网数据发送任务。以太网中断任务主要执行以太网物理层的配置、以太网数据接收和发送初始化、以太网的连接等；UART接收任务与PLC状态控制任务共同实现PLC G3网络的配置与建立，G3的配置主要包括PLC端口的配置、G3物理层的配置和扩展地址的配置；PLC发送任务和以太网数据发送任务主要执行对数据的转发功能。

GPIO初始化、UART初始化、时钟初始化以及各个线程初始化等和各个线程间的调度都在主函数中进行。数据汇集器的具体软件流程图如图5所示。

图5 数据汇集器软件流程图

由图5可以看出，PLC网络采用IPv6协议，IPv6协议在地址空间、移动性、安全性等方面优于IPv4协议[6]。IPv6地址类型分为单播地址、组播地址和任意播地址[7]，本系统采用的是单播地址。IPv6地址共有128位，其中前64位为子网前缀，后64位为伪地址。PLC网络的建立过程会设置一个独有的个域网地址(personal area network ID，PAN ID)。不同的检测模块被随机分配到的短地址各不相同，但共用同一个PAN ID，本系统设置的PAN ID为0x5fff。具体的IPv6地址格式如图6所示。

图6 IPv6地址格式图

3.2 检测模块软件设计

检测模块软件设计中主要有4个任务线程，按优先级高低顺序包括UART接收任务、PLC状态控制任务、PLC发送任务和数据监测任务。UART接收任务与PLC状态控制任务共同实现PLC G3网络的配置与连接，G3的配置过程包含一个扩展地址的配置，由于IPv6的128位地址为随机分配，不具备标志性，因此，通过各个检测模块特有的扩展地址来对不同的检测模块进行辨识；数据监测任务执行对声音传感模块输出数据的收集与整理，然后触发PLC发送任务；PLC发送任务执行将监测到的数据发送到电力线上的功能。检测模块的具体软件实现流程图如图7所示。

图7 检测模块软件流程图

4 测试

由于条件的限制，只针对距离不同的4台报警器进行测试，测试内容主要包括数据汇集器建立PLC网络能力、检测节点网络接入以及数据收集的测试。一共进行10次PLC网络建立的测试和50次节点测试，其中每次完整节点的测试包含2个时间段(规定时间为1 min)，每个时间段里会有一次网络接入和数据回传的测试，综合两次测试的结果做最终的判定。每个时间段检测所用时间均在40 s以内，测试结果如表1所示。

表1 报警器运行监测表

从检测结果可以看出，整个监测系统具有较高的可靠性和稳定性。并且，监测距离可达750 m甚至更长，4台报警器总共的检测时间小于40 s，均满足所提指标要求。

5 结束语

本系统利用基于G3标准的电力线载波通信技术和声音传感器实现了对安装于核电领域报警器运行状态的监测。报警器架设线路为专用线路，线路上存在的干扰较小，没有配电变压器对载波信号产生阻隔作用。因此，本系统能充分利用电力线载波技术的优势，使得整个系统具有较高的稳定性和可靠性。