汪義旺 宋 佳 張 波 潘 輝

(蘇州市職業(yè)大學電子信息工程系1，江蘇 蘇州 215104;浙江大學電氣工程學院2，浙江 杭州 310027;蘇州市漢達工業(yè)自動化有限公司3，江蘇 蘇州 215129)

0 引言

大型的凈化工程常需采用多臺風機過濾單元(fan filter unit，F(xiàn)FU)組成群控系統(tǒng)［1－2］。目前，F(xiàn)FU 群控系統(tǒng)的組網(wǎng)多為有線方式。該方式存在布線復雜、成本和故障率高、抗干擾能力差、工作不穩(wěn)定、維護困難等問題。隨著無線和電力線載波通信(power line communication，PLC)技術的發(fā)展，將無線與 PLC技術相結合，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，組成新型的FFU群控系統(tǒng)，能夠有效克服常規(guī)組網(wǎng)方式的弊端和不足，提高FFU群控技術的網(wǎng)絡信息化和自動化水平。

本文提出了一種基于無線和電力載波通信技術的新型FFU群控系統(tǒng)的設計方案和實現(xiàn)方法，給出了系統(tǒng)的軟硬件設計思路，并對所開發(fā)的系統(tǒng)進行了試驗驗證。

1 無線與電力載波通信技術

隨著通信及網(wǎng)絡技術的發(fā)展，人們對無線通信技術有了更多的需求，尤其是近年來“物聯(lián)網(wǎng)”概念的提出，極大地推動了短距離無線通信技術的發(fā)展［3］。同時，隨著無線通信技術的快速發(fā)展，采用無線通信的方式進行各種物理參數(shù)的監(jiān)測也越來越引起人們的關注［4］。

PLC技術則是以低壓配電線作為信息傳輸媒介進行數(shù)據(jù)或語音等傳輸?shù)囊环N特殊通信方式［5－6］。由于供電網(wǎng)絡本身是一種方便、低成本、高可靠性的通信媒介，從而使得電力載波通信使用方便、成本低、易實現(xiàn)［7－8］。目前，PLC技術已在各種控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用。將無線和PLC技術相結合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，并將其應用于FFU群控系統(tǒng)，可以減少系統(tǒng)布線、提高靈活性和可擴展性，適用于跨車間的多FFU設備群控的大型凈化工程應用。

2 系統(tǒng)整體結構

基于無線與電力線載波通信技術的FFU群控系統(tǒng)由監(jiān)控管理中心、數(shù)據(jù)集中采集器、無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點和若干FFU測控單元組成，系統(tǒng)整體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖Fig.1 Overall structure of the system

在同一凈化車間供電線路上，各個FFU測控單元與無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點間采用PLC技術組網(wǎng)，電力線路既可以作為電能傳輸通道，也可以作為數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)穆窂剑蟠蠛喕讼到y(tǒng)布線和安裝設計。無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點將接收采集到的數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡傳送到數(shù)據(jù)集中采集器，并接收來自數(shù)據(jù)集中采集器的指令數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集中采集器與監(jiān)控管理中心之間采用USB進行數(shù)據(jù)交換。

3 硬件系統(tǒng)設計

3.1 數(shù)據(jù)集中采集器

數(shù)據(jù)集中采集器主要完成無線通信數(shù)據(jù)和USB通信間的數(shù)據(jù)收發(fā)轉換，采用Nordic最新研發(fā)的超低功耗無線技術以及USB2.0技術nRF24LU1進行設計。nRF24LU1是Nordic公司推出的一款將高性能的射頻收發(fā)器等功能高度集成的無線收發(fā)芯片。nRF24LU1內含無線傳輸模塊、增強型51Flask高速單片機和USB2.0接口等，同時集成了電壓轉換模塊，直接由USB總線供電，無需再加電壓轉換芯片［9－11］。數(shù)據(jù)集中采集器電路［9］由主芯片、外圍電路、天線和 USB接口電路等組成，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)集中采集器電路Fig.2 Circuitry of the centralized data collector

3.2 PLC 通信電路

電力通信電路采用北京福星曉程電子科技股份有限公司的PL2102芯片設計。PL2102是特別針對中國電力網(wǎng)惡劣的環(huán)境研制開發(fā)的、專用于低壓電力線通信網(wǎng)絡設計的半雙工異步調制解調器。

功率放大電路是由晶體管2SC1015與三極管9015組成的兩級互補功放電路。當控制器處于發(fā)射狀態(tài)時，主控單片機控制PL2102開始發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過PL2102擴頻后由PSKOUT腳輸出給功率放大電路進行功率放大;然后經(jīng)過一個LC帶通濾波器使信號達到電力線載波通信的諧波要求;最后通過耦合電路將調制信號加載到電力線上。

在信號濾波限幅耦合電路中，耦合電路由耦合線圈和電容組成。電容用于濾除工頻信號和低頻干擾。發(fā)送數(shù)據(jù)時，信號經(jīng)過功率放大濾波后傳送至耦合電路，再經(jīng)耦合電路耦合到電力線上。接收數(shù)據(jù)時，電力線上擴頻調制信號經(jīng)耦合電路進入濾波限幅電路。

濾波限幅部分主要由并聯(lián)二極管IN4148與雙向瞬變電壓抑制二極管組成。由電感與電容組成并聯(lián)諧振回路，能對有效信號進行帶通濾波。信號最后通過模擬信號輸入SIGIN腳進入PL2102芯片，進行混頻解擴處理［8］。

PL2102的功率放大電路與信號濾波限幅耦合電路如圖3 所示［12］。

圖3 功率放大與信號濾波限幅耦合電路Fig.3 Power amplification and signal filtering limiting coupling circuit

3.3 無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點

無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點主要完成電力載波通信數(shù)據(jù)與無線通信數(shù)據(jù)間的轉發(fā)，實現(xiàn)供電線上測控單元的數(shù)據(jù)與監(jiān)控管理中心間的組網(wǎng)通信。收發(fā)節(jié)點采用Nordic公司的 nRF24LE1 無線 SoC 單片機［13－14］。nRF24LE1 內嵌了無線收發(fā)內核nRF2401和增強型8051 MCU，具有豐富的外設資源，設計開發(fā)簡便。nRF24LE1與PLC間采用I2C接口進行數(shù)據(jù)交換通信。無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點電路包括PLC接口電路、顯示和人機接口電路等，其電路原理圖如圖4所示。

圖4 無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點電路Fig.4 Wireless data transceiver node circuit

3.4 測控終端單元

測控終端單元主要完成PLC、FFU變頻調速控制及信號采集的功能，其硬件組成框圖如圖5所示。測控單元以Microchip公司的16位數(shù)字信號控制器dsPIC30F2010為核心，利用dsPIC30F2010片上的電機控制PWM控制專用模塊，結合主電路可完成FFU風機的智能變頻調速控制［15－16］。測控單元采用 I2C接口與PL2102電力載波通信模塊連接，完成數(shù)據(jù)通信組網(wǎng);并通過片上的10位模數(shù)轉換器(ADC)完成電參數(shù)的信號采集;通過正交編碼器接口采集電機轉速并計算輸出風量。

圖5 測控終端單元硬件組成圖Fig.5 The hardware components of control terminal unit

通過對主電路的變換和控制，將輸入的交流電能變成電壓和頻率可調的交流電輸出，供給FFU風機，從而根據(jù)需要改變風機的轉速，以達到風量精確控制的目標［17］。測控終端模塊可將采集的電參數(shù)、轉速風量等信息通過PLC通信網(wǎng)絡上傳到無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點，再通過無線網(wǎng)絡上傳到監(jiān)控管理中心，并接收指令進行相應的動作，組成多FFU網(wǎng)絡化遠程群控系統(tǒng)。

4 軟件系統(tǒng)設計

4.1 監(jiān)控管理中心軟件設計

監(jiān)控管理中心是FFU群控系統(tǒng)的監(jiān)控管理系統(tǒng)，其軟件采用基于Visual Studio開發(fā)平臺進行開發(fā)設計。整個監(jiān)控系統(tǒng)是集用戶管理、系統(tǒng)運行實時監(jiān)控、變頻調速控制、事件日志管理、通信管理模塊、數(shù)據(jù)庫管理等于一體的綜合管理信息平臺。通過對平臺的管理和操作，可以實時監(jiān)控系統(tǒng)中每臺FFU的運行狀態(tài)信息，實施遠程調度控制，并可打印查詢運行日志和事件記錄等［18－19］。

4.2 測控單元軟件設計

測控終端單元控制軟件主要是對dsPIC30F2010控制軟件的設計和開發(fā)。本文基于Microchip的集成環(huán)境MPLAB IDE開發(fā)環(huán)境，利用C語言編程語言編寫控制程序，并采用模塊化設計思想設計軟件。測控單元的控制軟件設計主要包括:主程序模塊、工作模式處理模塊、智能算法閉環(huán)控制模塊、人機接口處理模塊和PLC通信模塊等?？刂栖浖鞒绦蛄鞒虉D如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flowchart of the main program

控制單元上電開始工作時，先對寄存器和變量等參數(shù)進行初始化配置，并調用PLC通信和人機接口等子程序，讀取指令和信息數(shù)據(jù)進行分析判斷;再調用相應的子程序，配合監(jiān)控管理中心完成對所連接FFU的就地控制和數(shù)據(jù)采集。

5 試驗測試和工程應用

根據(jù)上述設計方案，開發(fā)設計了新型的基于無線與PLC的FFU群控系統(tǒng)并進行試驗驗證。試驗FFU臺數(shù)為5000臺，無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點為25個，無線節(jié)點與數(shù)據(jù)集中采集器最遠距離為150 m。大量運行測試試驗結果表明，該套群控系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)實時準確、系統(tǒng)工作穩(wěn)定。系統(tǒng)成功應用于某電子廠超凈工作車間的潔凈工程。從長期工作運行結果看，較傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)具有可控性好、設計成本低、組網(wǎng)簡便和布線少等優(yōu)點，達到了預期的設計參數(shù)目標要求，滿足了工廠潔凈工程的實際需求，受到了用戶的好評。

6 結束語

針對傳統(tǒng)的FFU群控系統(tǒng)存在的組網(wǎng)布線難、可擴展性差和可靠性低等問題，本文提出了一種基于無線和PLC技術的新型FFU群控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過PLC技術把同一車間供電線路上的各個測控單元匯集到無線數(shù)據(jù)收發(fā)控制節(jié)點，再利用無線通信網(wǎng)絡與監(jiān)控管理中心進行組網(wǎng)。對系統(tǒng)的原理和硬軟件設計進行了詳細的闡述和介紹，并對系統(tǒng)進行了開發(fā)。試驗結果表明，系統(tǒng)可擴展性強、可控性好、組網(wǎng)靈活、設計成本低，具有較高的應用和市場推廣價值。

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