文世杰，湯翎藝，唐賢敏，鐘雯倩

(貴州電網(wǎng)有限責任公司貴陽供電局，貴州貴陽550001)

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基于寬帶電力線載波的工業(yè)智能控制節(jié)點設(shè)計*

文世杰，湯翎藝，唐賢敏，鐘雯倩

(貴州電網(wǎng)有限責任公司貴陽供電局，貴州貴陽550001)

針對傳統(tǒng)工業(yè)通信方式傳輸速率低、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)復(fù)雜、維護困難等缺點，提出了一種基于寬帶電力線載波的工業(yè)智能控制節(jié)點設(shè)計方案。該方案由工業(yè)智能控制主節(jié)點、若干工業(yè)智能控制從節(jié)點以及低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)組成。主節(jié)點采用美國高通公司的QCA6411芯片，可集中、匯聚、中繼轉(zhuǎn)發(fā)從節(jié)點采集的工業(yè)環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等信息，具有工業(yè)信息網(wǎng)關(guān)的作用，可實現(xiàn)200 Mbps的吞吐量。從節(jié)點以QCA7000芯片為MCU，以電力線載波通信模塊為載體，結(jié)合RS485、RS232、Zigbee、紅外、藍牙以及各類傳感器等通信方式，可采集工廠溫濕度、氣壓、熱量、設(shè)備信息、工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，在接收到上位機管控命令時，從節(jié)點將采集的實時數(shù)據(jù)經(jīng)主節(jié)點集中匯聚后，上傳至工業(yè)控制上位機存儲、分析和管理。介紹了主節(jié)點、從節(jié)點的硬件設(shè)計方法、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和軟件程序流程圖，為工業(yè)智能控制系統(tǒng)的實時交互、在線管理和安全監(jiān)測點明了一種新的思路。

寬帶載波 控制節(jié)點 信息網(wǎng)關(guān) 通信模塊 智慧工業(yè)

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的飛速發(fā)展，新一輪智能工廠的建設(shè)大潮來臨，工業(yè)智能化生產(chǎn)模式將成為制造行業(yè)的主旋律。2013年在漢諾威召開的工業(yè)博覽會上，德國聯(lián)邦提出了“工業(yè)4.0”[1]的概念，描繪了未來制造業(yè)的前景，提出繼蒸汽機的應(yīng)用、批量生產(chǎn)模式和電子信息技術(shù)等三次工業(yè)革命后，將迎來以信息物理融合系統(tǒng)(CPS)為基礎(chǔ)，以智能感知、分析、挖掘、態(tài)勢預(yù)測等核心技術(shù)為主體，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機器智能化為標志的第四次工業(yè)革命。使制造業(yè)在最大程度上脫離勞動力，降低成本和污染排放、提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率，實現(xiàn)“工業(yè)4.0”技術(shù)在智能制造中的運用，推動傳統(tǒng)制造業(yè)向智能化和服務(wù)化轉(zhuǎn)型升級[2-3]。智能制造行業(yè)應(yīng)率先在網(wǎng)絡(luò)化、智能化、系統(tǒng)化、服務(wù)化等方面突破，在大數(shù)據(jù)時代下，探索適應(yīng)我國工業(yè)發(fā)展的新技術(shù)、新理論和新模式。

目前工業(yè)領(lǐng)域使用的通信網(wǎng)絡(luò)具有傳輸速率低、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)復(fù)雜、維護困難等缺點，不能滿足生產(chǎn)過程中的巨量信息傳輸，保證信息的完整性與實時性等技術(shù)要求。依托電力線進行信號傳輸?shù)碾娏€載波通信技術(shù)不需要線路維護和重新架設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，具有經(jīng)濟可靠、即插即用等特點，可大幅提升工業(yè)生產(chǎn)效率，節(jié)約建設(shè)成本。針對現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的缺陷以及電力線載波通信技術(shù)的優(yōu)勢，將電力載波通信技術(shù)(Power-line communication，簡稱PLC)應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)。把無處不在的電力傳輸介質(zhì)電纜、架空線作為智能工廠高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓歉赏ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，對工廠中生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及控制信息進行實時、可靠、有效的傳輸，以期實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的智能化。核心技術(shù)采用遵循Homeplug AV與Homeplug Green PHY的寬帶電力線載波通信技術(shù)，使用OFDM自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)和自動偵聽中繼技術(shù)，可有效提高載波信號的抗干擾能力、數(shù)據(jù)傳輸速率和路由組網(wǎng)能力，實現(xiàn)智慧工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定、可靠和實時。

1 寬帶電力線載波通信

寬帶電力線載波通信[4-5](BPLC)，一種致力于解決最后一公里接入問題的關(guān)鍵技術(shù)，可以向用戶提供高速的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。近年來，隨著該技術(shù)的飛速發(fā)展，其傳輸可靠性、穩(wěn)定性、安全性和速率都在不斷提高。寬帶電力線載波通信技術(shù)的應(yīng)用主要分布在歐洲(UPA)、美國(HPA)和亞太地區(qū)(CEPCA)。在2000年，CISICO、INTEL、HP、SHARP等13家公司宣布成立“家庭插電聯(lián)盟”(Home Plug Alliance，簡稱HPA)，意在規(guī)范國際電力線通信標準。之后HPA相繼發(fā)布了多個Home Plug標準，信號傳輸速率從最初的14 Mbps(Homeplug1.0)提升至85 Mbps(Homeplug Turbo)，再到后來的1.5 Gbps(Homeplug AV2)。目前，國際市場上主流的寬帶電力線載波通信芯片廠商有美國高通、因特龍、美滿等公司，芯片的物理層通信速率一般在500 Mbps左右。

從2000年開始，國內(nèi)也展開了寬帶電力載波通信技術(shù)的研究。2004年，深圳國電科技公司利用DS2公司的載波芯片推出了速率200 Mbps的PLC產(chǎn)品。2010年，國家電網(wǎng)公司通過自主研發(fā)，推出了國內(nèi)首款BPLC芯片SG5000/SG3000，MAC層采用了正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，物理層最大通信速率10 Mbps，主要應(yīng)用于用電信息采集、智能家居等領(lǐng)域，取得了良好的表現(xiàn)。借助寬帶電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，可助推工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)控、在線管理工作效率的大幅提升。

2 工業(yè)智能控制系統(tǒng)

工業(yè)智能控制系統(tǒng)[6]由具有監(jiān)控管理功能的上位機(應(yīng)用層)、工業(yè)智能控制主節(jié)點(Host節(jié)點)、工業(yè)智能控制從節(jié)點(Slave節(jié)點)(傳輸層)和數(shù)據(jù)采集模塊(物理層)三部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 工業(yè)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在應(yīng)用層，上位機可以監(jiān)控整個工廠設(shè)備的工作狀況和工廠環(huán)境的溫濕度、安防等信息，對采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行實時分析計算，下發(fā)相應(yīng)的控制命令。

在傳輸層，分別采用美國高通公司的QCA6411、QCA7000芯片來設(shè)計Host節(jié)點和Slave節(jié)點[7]。Slave節(jié)點分布在智能工廠的每一臺運轉(zhuǎn)設(shè)備以及現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控裝置上，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息、工廠環(huán)境信息的在線采集和轉(zhuǎn)發(fā)；Host節(jié)點可容納、管理250個Slave節(jié)點，在寬帶電力線載波主干通信網(wǎng)絡(luò)中起網(wǎng)關(guān)路由的作用，以匯聚Slave節(jié)點采集的各類數(shù)據(jù)，上報給上位機。

在物理層，各類運轉(zhuǎn)設(shè)備主要為工廠現(xiàn)場機床、傳感器、儀表以及控制器件，根據(jù)運轉(zhuǎn)設(shè)備通信接口的類型(如RS485、RS232、紅外、藍牙、Zigbee、Modbus)配置不同采集方式的Slave節(jié)點，經(jīng)歸一化處理后，統(tǒng)一數(shù)據(jù)幀格式，上報給Host節(jié)點。

2.1 Host節(jié)點設(shè)計

Host節(jié)點主要由4部分組成：MCU QCA6411芯片、載波信號接收濾波電路、載波信號放大發(fā)射電路以及耦合電路，如圖2所示。

圖2 Host節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

MCU QCA6411芯片采用了基于Homeplug AV和IEEE 1901電力線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的EoC技術(shù)，具備200 Mbps的通信容量。片內(nèi)同時整合了內(nèi)存/閃存(16 MB/1 MB)、10/100以太網(wǎng)PHY、模擬前端/線路驅(qū)動器、電源管理單元和基于TCP/IP協(xié)議的路由網(wǎng)關(guān)算法。通過保障帶寬、控制時延和消除抖動，能夠在惡劣的工業(yè)用電環(huán)境下實現(xiàn)Slave節(jié)點的數(shù)據(jù)集中、匯聚、中繼轉(zhuǎn)發(fā)。

Host節(jié)點通過Ethernet接口和上位機連接，可轉(zhuǎn)發(fā)上位機向Slave節(jié)點下發(fā)的控制命令。載波信號接收濾波電路一端連接耦合電路，另一端與MCU QCA6411芯片的A/D模塊連接，實現(xiàn)載頻2 MHz～30 MHz載波信號的濾波和提取，阻絕干擾信號。載波信號放大發(fā)射電路對MCU輸出的小功率載波信號進行層級放大，以提高其抗環(huán)境衰減能力，再經(jīng)耦合電路將放大后的載波信號發(fā)送至電力線信道。耦合電路實現(xiàn)高頻載波信號在電力線信道上的提取和注入，能夠有效地抑制浪涌沖擊、防護電壓瞬變，提高通信節(jié)點的可靠性。

2.2 Slave節(jié)點設(shè)計

Slave節(jié)點采用基于Homeplug Green PHY規(guī)范的EoC技術(shù)，信號調(diào)制解調(diào)僅使用QPSK方式，是一種小成本、低功耗的電力線載波通信方案。Slave節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 Slave節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

由圖3可以看出，Slave節(jié)點與Host節(jié)點的載波信號接收濾波電路、載波信號放大發(fā)射電路以及耦合電路是對應(yīng)且一致的。不同的是，MCU QCA7000芯片配備了電源管理單元、模擬前端，支持SPI串行外設(shè)接口、UART通用異步收發(fā)傳輸接口、GPIO通用輸入/輸出總線和擴展的Flash閃存接口。這四類接口連接QCA7000芯片內(nèi)部的Bridge，由Bridge和內(nèi)部主機總線(Internal Host Bus)進行數(shù)據(jù)交換。根據(jù)智能工廠各類運轉(zhuǎn)設(shè)備自帶通信接口類型的不同，有選擇性的對Slave節(jié)點上的數(shù)據(jù)接口進行配置，比如對在線監(jiān)測工廠環(huán)境的Slave節(jié)點，僅配置GPIO接口，接收傳感器接口傳遞的實時數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計

圖4 Host節(jié)點程序流程圖

Host節(jié)點、Slave節(jié)點的軟件設(shè)計分別為MCU QCA6411和QCA7000芯片的程序設(shè)計，根據(jù)工業(yè)智能控制節(jié)點所具備的邏輯功能設(shè)計主、從節(jié)點的控制算法。Host節(jié)點和Slave節(jié)點的通信部分參照國網(wǎng)的DTL645-2007多功能電能表通信協(xié)議，使用C語言編寫程序代碼，實現(xiàn)主、從節(jié)點之間的相互通信。Host節(jié)點與Slave節(jié)點是實現(xiàn)以低壓電力線為主干通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)在線傳輸?shù)暮诵牟考?，由Host節(jié)點從電力線上匯聚、提取Slave節(jié)點的載波信號并還原數(shù)據(jù)，最終反應(yīng)在上位機智能管理終端上。上位機智能管理終端對獲取的各類數(shù)據(jù)進行一定的邏輯運算，得到對應(yīng)的控制策略，將其下發(fā)至Host節(jié)點。Host節(jié)點對上位機控制命令進行OFDM調(diào)制后注入到電力線上，廣播至各Slave節(jié)點。圖4為 Host節(jié)點程序流程圖。

MCU QCA6411和QCA7000芯片之間的通信是在固件的控制下完成的，軟件代碼中包含了串口接收和發(fā)送函數(shù)、幀處理函數(shù)、主函數(shù)、調(diào)制解調(diào)函數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)等處理子程序。主要通過中斷方式接收數(shù)據(jù)，以查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)。只要低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)中存在高頻載波信號，Host節(jié)點就會提取該信號利用子函數(shù)進行處理，最終傳送到相應(yīng)的Slave節(jié)點位置。

圖5 Slave節(jié)點程序流程圖

Slave節(jié)點芯片QCA7000的軟件程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括系統(tǒng)初始化、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、工廠設(shè)備控制和與Host節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信等幾個部分，如圖5所示。

4 結(jié)語

本文結(jié)合“工業(yè) 4.0” 和 “中國制造2025”的建設(shè)目標， 提出了一種基于寬帶電力線載波的工業(yè)智能控制節(jié)點設(shè)計方案。采用美國高通公司的QCA6411和QCA7000芯片，分別設(shè)計了具有現(xiàn)場設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信等功能的工業(yè)智能控制主、從節(jié)點，并制作了樣機，現(xiàn)場試驗表明：本文設(shè)計的工業(yè)智能控制主節(jié)點單只可容納控制200只從節(jié)點，能夠有效搜集工廠溫濕度、氣壓、煙霧等環(huán)境信息，以及工控設(shè)備的電壓、電流、工作狀態(tài)等實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了設(shè)備的智能化控制。由于采用了寬帶電力線載波通信技術(shù)，主節(jié)點與分布的從節(jié)點之間建立通信網(wǎng)絡(luò)僅需3 min，控制命令的傳達和信號采集也限定在了秒級，可以為工廠建立高速、雙向、實時的通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)的智能化管理。

[1] 李金華．德國“工業(yè)4.0”與“中國制造2025”的比較及啟示[J].中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報 (社會科學(xué)版)，2015，15(5)：71-79．

[2] 李光正．基于“工業(yè) 4.0”的智能船舶系統(tǒng)探討[J]. 船舶工程，2015，37(11)：58-71．

[3] 鄧建玲，王飛躍，等．從工業(yè)4.0到能源5.0：智能能源系統(tǒng)的概念、內(nèi)涵及體系框架[J].自動化學(xué)報，2015，41(12)： 2003-2016．

[4] 孫增友，凌霞，等．寬帶電力線載波OFDM信道估計[J]. 中國電力，2014，47(9)：122-125．

[5] 妙紅英，高寅，等．寬帶電力線載波通信技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].華北電力技術(shù)，2016(4)：16-19．

[6] 鮑金鵬，梁光明，劉偉．一種工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用層數(shù)據(jù)安全防護方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39(8)：14-17．

[7] 王平．基于LonWorks 技術(shù)的LED智能照明控制節(jié)點設(shè)計[J].光機電信息，2011，28(10)：67-70．

Design of industrial intelligent control node based on broadband power line carrier

WEN Shijie, TANG Lingyi, TANG Xianmin, ZHONG Wenqian

A design scheme of industrial intelligent control node based on broadband power line carrier is proposed aiming at these shortcomings such as low transmission rate, complex network and difficult maintenance in traditional industrial communication. This scheme consists of an industrial intelligent host control node, some slave control nodes and low voltage power line communication network. QCA6411 chip is used in the host node which can centralize, converge, relay information collected by slave nodes. It acts as an industrial information gateway which can achieve 200 Mbps throughput. QCA7000 chip is the MCU of the slave node which collects temperature and humidity, air pressure, heat, equipment information and other data of factory. Slave nodes transmit the collected data to the host node when receiving the control orders from the upper computer to store, analysis and manage. Hardware design method, network structure and software program flow chart of the host node and the slave nodes are described. The scheme provides a new idea for real-time interaction, management online and safe monitoring in the industrial intelligent control system.

broadband carrier, control node, information gateway, communication module, intellectual industry

TP23

A

1002-6886(2016)06-0070-04

貴州電網(wǎng)科技項目GZ2014-2-0006。

文世杰(1977-)，男，漢族，貴州大學(xué)電力系統(tǒng)專業(yè)畢業(yè)，現(xiàn)從事計量自動化方面的工作。

2016-05-17