徐 肅，王 飛，劉永勝，史迪康，沈東亮，王 斌，李志浩

（內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司包頭供電分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

近年來，隨著“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略的實施，信息化和工業(yè)化正在深度融合，極大提升了工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的自動化、智能化水平。目前，我國制造業(yè)正處在由大變強的關(guān)鍵時期，只有充分發(fā)揮“工業(yè)4.0”新引擎優(yōu)勢，才能在新的一輪數(shù)字化生產(chǎn)變革中脫穎而出。低壓配用電網(wǎng)絡(luò)作為一個覆蓋面最廣、傳輸節(jié)點最多的網(wǎng)絡(luò)，將成為下一代工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的代表。智慧工廠工控系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)面向工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用場景的典型案例。寬帶電力線載波具有寬頻譜、高載頻以及抗噪聲、抗衰減能力強等特點，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)公司用電信息采集系統(tǒng)，且易施工、成本低、不受環(huán)境條件限制，能夠勝任對工業(yè)設(shè)備運行狀態(tài)（如設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)、帶載狀態(tài)等）的管理和監(jiān)控。為此，通過寬帶電力線載波通信技術(shù)，將工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通過中低壓電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸至本地工控中心和遠端云平臺，便于智慧工廠管理者對現(xiàn)場信息的及時掌控和集中調(diào)度。

1 智慧工廠工控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計需求

智慧工廠為了掌握管控工業(yè)園區(qū)車間的工業(yè)設(shè)備，計量表計，安防監(jiān)控的狀態(tài)信息、示數(shù)和動向，需要在現(xiàn)有工業(yè)園區(qū)低壓配電網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建立一套工控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)以下需求。

（1）通過手機、iPad等手持終端上的APP經(jīng)Internet，通過交換機向工控上位機或直接操控工控上位機向主信息采集節(jié)點發(fā)送TCP/IP 協(xié)議封裝過的控制指令。

（2）主信息采集節(jié)點一方面接收來自工控上位機經(jīng)TCP/IP協(xié)議封裝過的控制指令，對其解封裝和解碼；另一方面需要將控制指令轉(zhuǎn)換為支持DL/T 645—2007《多功能電能表通信協(xié)議》的報文格式[1]，并將其發(fā)送到低壓電力線信道中，傳送至多個從信息采集節(jié)點。因此，主信息采集節(jié)點充當(dāng)著TCP/IP協(xié)議與DL/T 645—2007 協(xié)議的轉(zhuǎn)換器，需對協(xié)議轉(zhuǎn)換模型進行研究和解析。

（3）DL/T 645—2007協(xié)議報文在低壓電力線信道中傳輸，容易受工業(yè)用電環(huán)境中的線路傳輸衰減、噪聲干擾和工業(yè)設(shè)備負載阻抗變化的影響，因此對工業(yè)用電環(huán)境中的電力線信道特性分析至關(guān)重要，該分析結(jié)果將直接決定主信息采集節(jié)點和從信息采集節(jié)點的產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。

（4）根據(jù)信道特性，研究設(shè)計主信息采集節(jié)點與從信息采集節(jié)點硬件電路，要求二者可以實現(xiàn)即插即用。從信息采集節(jié)點需要配置與主信息采集節(jié)點一樣的寬帶電力線載波通信芯片，通過載波信號調(diào)制解調(diào)實現(xiàn)二者的無礙交互。另外，由于從信息采集節(jié)點連接著各種類型的工業(yè)設(shè)備、計量表計和安防監(jiān)控等設(shè)施，在硬件電路設(shè)計時須預(yù)留多種接口。

（5）主信息采集節(jié)點需要配備路由芯片，以實現(xiàn)組網(wǎng)和路由匯聚等功能。在與多個從信息采集節(jié)點形成局域網(wǎng)絡(luò)后，主信息采集節(jié)點向從信息采集節(jié)點廣播和散發(fā)控制命令，實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的智能化管理。為了保證局域網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，需要優(yōu)化主信息采集節(jié)點與從信息采集節(jié)點的組網(wǎng)路由算法，要求該算法能夠在不依賴網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和歷史數(shù)據(jù)下實現(xiàn)動態(tài)組網(wǎng)。

2 智慧工廠通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

在智慧工廠的生產(chǎn)現(xiàn)場，有大量的計量設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)備。根據(jù)“工業(yè)4.0”和智能制造的要求，原孤立的工業(yè)設(shè)備會通過聯(lián)網(wǎng)通信實現(xiàn)系統(tǒng)升級。要實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的有序組網(wǎng)和動態(tài)控制，在不改造工廠現(xiàn)有電路布局的前提下，依賴園區(qū)現(xiàn)有的低壓電力線作為寬帶載波通信的主干通信網(wǎng)絡(luò)線纜，結(jié)合連接工業(yè)設(shè)備的分布式傳感器作為網(wǎng)絡(luò)末梢，即可組建工控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 工控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Communication network of industrial control system

圖中，網(wǎng)絡(luò)中的從信息采集節(jié)點通過USART、ModBus、RS-485 等有線通信與生產(chǎn)環(huán)境的工業(yè)設(shè)備相連，通過DL/T 645—2007 協(xié)議報文將收集的信息匯聚至主信息采集節(jié)點，然后通過RJ45 接口以TCP/IP協(xié)議傳輸至工控上位機進行本地處理，同時將匯聚的信息上傳至云端進行計算、顯示、監(jiān)控。根據(jù)收集到的能源消耗/產(chǎn)能對比數(shù)據(jù)，對企業(yè)運營和生產(chǎn)過程的能源消耗狀況進行監(jiān)測、分析和評估，優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)過程的能耗流程，降低能源消耗成本，提高生產(chǎn)效率[2]。

3 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換

DL/T 645—2007協(xié)議作為主信息采集節(jié)點下行通信鏈路的報文協(xié)議，在低壓電網(wǎng)配用電側(cè)用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、在線拉合閘、防竊電等場景中已廣泛應(yīng)用。在DL/T 645—2007 協(xié)議報文數(shù)據(jù)幀的基礎(chǔ)上擴展數(shù)據(jù)標(biāo)識，即根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際監(jiān)測需求編制具體的設(shè)備控制指令，可額外實現(xiàn)智慧工廠室內(nèi)溫濕度、煙霧濃度、有害氣體濃度、門禁安防狀態(tài)、工業(yè)設(shè)備運行狀態(tài)等信息的采集。設(shè)備控制指令如表1所示。

表1 設(shè)備控制指令Tab.1 Equipment control instructions

主信息采集節(jié)點的上行通信協(xié)議為TCP/IP 協(xié)議。根據(jù)DL/T 645—2007 協(xié)議與TCP/IP 協(xié)議報文格式的特點，設(shè)計二者轉(zhuǎn)換模型如圖2所示。

圖2 DL/T 645—2007協(xié)議與TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換模型圖Fig.2 DL/T 645—2007 protocol to TCP/IP protocol conversion model diagram

由圖2 可知，通過工控上位機獲取工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)時，需先由從信息采集節(jié)點將從工業(yè)設(shè)備、計量表計、安防設(shè)施、溫濕度傳感器等終端上獲取的數(shù)據(jù)按照DL/T 645—2007 協(xié)議的報文格式進行封裝，再通過低壓電力線傳輸至主信息采集節(jié)點的網(wǎng)卡上進行解封裝。解封后的報文數(shù)據(jù)由信息采集節(jié)點上的信號調(diào)制解調(diào)芯片進行解調(diào)和解碼，得到源數(shù)據(jù)，然后再將源數(shù)據(jù)按照規(guī)定的應(yīng)用層格式進行封裝，存入以太網(wǎng)接口的發(fā)送緩沖區(qū)。在發(fā)送緩沖區(qū)形成以太網(wǎng)幀，再通過主信息采集節(jié)點的RJ45接口發(fā)往工控上位機。

反之，當(dāng)工控上位機向工控系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)中的工業(yè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)采集或控制指令時，則需按照上述的路徑逐步返回。在經(jīng)過主信息采集節(jié)點時，將數(shù)據(jù)按照DL/T 645—2007 協(xié)議的報文格式封裝好，經(jīng)信息采集節(jié)點上的信號調(diào)制解調(diào)芯片編碼、調(diào)制后存入寄存器并發(fā)送至緩沖區(qū)，再經(jīng)低壓電力線傳輸至局域網(wǎng)絡(luò)中的工業(yè)設(shè)備。

4 工業(yè)用電環(huán)境電力信道特性分析

要在低壓電力線上實現(xiàn)信號的傳輸，需獲知低壓電力線信道特性，建立對應(yīng)數(shù)學(xué)模型以便分析。由于低壓配電網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分支眾多且各供配電臺區(qū)的等效阻抗難以實現(xiàn)相互匹配，這就決定了信號在網(wǎng)內(nèi)傳輸?shù)摹岸鄰叫?yīng)”，如圖3所示。

圖3 多徑效應(yīng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of multipath effect

由圖3可知，時域信號S(t)從發(fā)送端到接收端經(jīng)歷了N 條路徑，每條路徑由特定的時延參數(shù)τi和損耗系數(shù)Ci（i=1…N）構(gòu)成[3]。經(jīng)過路徑分流和電力熱噪聲干擾后，信號衰減為r(t)。在此模型中，信道特性可以由離散的沖激響應(yīng)h(t)來描述：

式中：δ為脈沖沖擊響應(yīng)。

h(t)對應(yīng)的傳遞函數(shù)H(f)為：

式中：f為信號頻率。

經(jīng)過實際測量，應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法可以求得Ci的表達式為：

式中：li為信道分支長度；g（f）為信號在頻率f處的信道響應(yīng)；gi（f）為信號在第i 個信道的頻率響應(yīng)；α（f）為衰減因子；di為第i個信道的傳輸距離。

引入電磁波信號在電力線中的傳播速度Vp，經(jīng)過公式變換，得到傳遞函數(shù)H（f）的表達式為：

其中，衰減因子α(f)的表達式為：

式中：α0、α1、k是衰減因子。

結(jié)合公式（4）和公式（5）可以得到：

該模型可以進一步簡化為：

式中：gi為信道i 的加權(quán)因子；衰減因子k 一般取值0.5～1。公式（7）是描述低壓電力線信道增益的基礎(chǔ)。

在低壓供配電臺區(qū)中，延伸至每個用電單位的電力線纜是組成低壓電力網(wǎng)絡(luò)的微小單元。在該單元內(nèi)，電力電纜布線結(jié)構(gòu)迥異，用電設(shè)備的阻抗特性也互不相同。圖4是某工廠車間內(nèi)部低壓電力電纜布線的一般結(jié)構(gòu)圖，其中電力線規(guī)格為直徑1.6 mm，2芯。從圖中可以看出，低壓電力線分支眾多，終端用電設(shè)備無規(guī)律地接入和斷出，動態(tài)影響著低壓電力線的輸入阻抗。當(dāng)?shù)蛪弘娏€輸入阻抗與載波信號發(fā)射機的輸出阻抗不匹配時，載波信號在低壓電力線的傳輸過程中會遭遇反射、折射等一系列的物理過程，該過程會衰減、分散載波信號的能量，造成數(shù)據(jù)丟失。

圖4 某工廠內(nèi)部電力線布線一般結(jié)構(gòu)圖Fig.4 General structure diagram of internal power line wiring in a certain factory

按照統(tǒng)計學(xué)原理，根據(jù)文獻[3]在實驗環(huán)境下載波通信測試的結(jié)果，對公式（7）進行擬合，可以量化為信號衰減模型：

式中：x 為信號衰減值；衰減因子k 對于中低壓電力線路一般取值12.2×10-3；L 為電力電纜長度；λ為電力電纜的分支數(shù)；ac為電力電纜每千米的衰減；Ic為兩端高頻電纜的總長度。通過實測，信號衰減通常在50 dB以上[3]。

從公式（8）可以看出，信號的衰減特性與電力電纜的長度、信號頻率、電力電纜的分支數(shù)都成正比例關(guān)系[4]。通過分析低壓電力線信道特性可知，工控系統(tǒng)的主從信息采集節(jié)點之間要實現(xiàn)正常通信，就必須建立在這些信息采集節(jié)點能夠有效抵抗低壓電力線信道信號衰減特性的基礎(chǔ)之上。

采用可靠性高、通信速度快、抗干擾能力強、成本低廉的寬帶電力線載波芯片是組建低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。性能優(yōu)越的寬帶電力線載波芯片發(fā)射的高頻載波信號在低壓電力線上傳輸時會具備較強的應(yīng)變能力?？紤]到工業(yè)生產(chǎn)中各個環(huán)節(jié)需要交互的數(shù)據(jù)量較大，實時性要求也較高，因此在設(shè)計主從信息采集節(jié)點時均采用了基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplesion，OFDM）多載波技術(shù)的寬帶電力線載波芯片[5-6]，這類芯片的信號載頻為2～30 MHz，子載波數(shù)量可達1200 個，能自動規(guī)避家用電器產(chǎn)生的隨機噪聲，最大程度抵抗“多徑效應(yīng)”和噪聲干擾，保證數(shù)據(jù)即時、高速傳輸。

5 信息采集節(jié)點電路設(shè)計

考慮到工業(yè)通信基礎(chǔ)設(shè)施多采用RS-232、RS-485、USB、ModBus、ProfiBus、CAN 現(xiàn)場總線等方式進行數(shù)據(jù)傳輸，在設(shè)計信息采集節(jié)點時，可以為這些通信方式預(yù)留接口，以實現(xiàn)與多樣化工業(yè)設(shè)備互通，并結(jié)合多類型傳感器或嵌入式數(shù)采裝置，實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備信息數(shù)據(jù)的直接采集。在芯片選型上，經(jīng)市場對比，采用高通QCA6411芯片作為主從信息采集節(jié)點的硬件電路核心，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的封裝、解封、調(diào)制、解調(diào)和發(fā)射、接收等。

5.1 主信息采集節(jié)點電路設(shè)計

一個完整的主信息采集節(jié)點包括電力線載波通信芯片QCA6411、接收濾波電路、載波驅(qū)動電路、載波耦合電路、以太網(wǎng)接口Ethernet、UART 串口、SPI 串口、GPIO 串口、A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路等，其電路示意圖如圖5所示。

圖5 主信息采集節(jié)點電路Fig.5 Main information collection node circuit

主信息采集節(jié)點具備組建、管理網(wǎng)絡(luò)等功能，能夠快速處理從信息采集節(jié)點返回的信息，以獲得有效數(shù)據(jù)并進行存儲，這些有效數(shù)據(jù)包括工控系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)系表、網(wǎng)絡(luò)地址和物理地址對照表等。主信息采集節(jié)點通過以太網(wǎng)接口與工控中心PC機或網(wǎng)絡(luò)交換機連接完成海量數(shù)據(jù)交互，利用耦合電路實現(xiàn)現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)在低壓電力線中的有效提取和控制信息的注入。

5.2 從信息采集節(jié)點電路設(shè)計

在工控系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)中，從信息采集節(jié)點分散在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各個環(huán)節(jié)，負責(zé)管理現(xiàn)場設(shè)備、監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境，為生產(chǎn)的安全高效進行提供保障。由于現(xiàn)場工業(yè)設(shè)備眾多，需要借助大量的從信息采集節(jié)點將設(shè)備接入到本地局域網(wǎng)絡(luò)中。通常情況下，每個設(shè)備都要配備一個從信息采集節(jié)點，而主信息采集節(jié)點作為信息匯聚網(wǎng)關(guān)，一般在單個生產(chǎn)車間內(nèi)只需安裝一個[7]。因此從信息采集節(jié)點的設(shè)計要遵循簡單、高效、可靠的準(zhǔn)則。從信息采集節(jié)點的電路示意圖如圖6所示。

圖6 從信息采集節(jié)點電路Fig.6 Slave information collection node circuit

在電路設(shè)計上，從信息采集節(jié)點與主信息采集節(jié)點的電力線載波調(diào)制解調(diào)芯片、驅(qū)動電路、接收濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、載波耦合電路相同，差異主要體現(xiàn)在從信息采集節(jié)點增設(shè)了STM32 嵌入式控制芯片，用于采集現(xiàn)場信息并通過擴展外圍接口如GPIO、I2C、SPI、CAN接口以及以太網(wǎng)接口Ethernet、UART 串口和USART 串口，來實現(xiàn)各類能耗計量設(shè)備的數(shù)據(jù)接入和控制功能，從而極大地提升了從信息采集節(jié)點的兼容性和控制能力。

5.3 接口電路設(shè)計

接口電路能夠完成寬帶電力線載波通信信號的發(fā)射和接收，為主信息采集節(jié)點與從信息采集節(jié)點的通信交互提供透明傳輸渠道[7]。設(shè)計接口電路如圖7所示，主要由耦合電路、接收電路、發(fā)送電路3部分組成[5]。

圖7 接口電路圖Fig.7 Interface circuit diagram

5.3.1 接收電路

接收電路的主要任務(wù)是濾除寬帶電力線載波通信信號中摻雜的電力諧波、電網(wǎng)熱噪聲等干擾因素。帶通濾波器的通帶范圍為1.78～31 MHz，保證了接收電路接收的信號滿足2～30 MHz 載頻使用范圍。相比于巴特沃斯濾波器，切比雪夫濾波器在通帶或阻帶內(nèi)的衰減是等紋波的，且成本更低，所以選擇切比雪夫Ⅰ型帶通濾波器來設(shè)計接收電路。該濾波器由圖7的電阻R3、R4、R5、電容C1、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C11和電感L2、L3、L4、L5、L6、L7等元件構(gòu)成，工作電壓Vcc為3.3 V。在圖7 中，R4、R5是等效的電力線輸出阻抗，取值50 Ω以匹配線路阻抗。在帶通濾波網(wǎng)絡(luò)右側(cè)，穩(wěn)壓二極管D1—D4構(gòu)成雙向限幅電路，防止信號幅度太大損壞后續(xù)的信號解碼電路。

5.3.2 發(fā)送電路

發(fā)送電路能以最高的效率將寬帶電力線載波通信信號注入至220 V 低壓電力線上，并能有效防止低壓電力線上的背景噪聲反撲進入主電路中干擾其性能。QCA6411芯片在對數(shù)據(jù)進行調(diào)制、濾波和差分放大等處理后，由引腳TXOUT_P、TXOUT_N輸出調(diào)制后的高頻信號，再通過分布式電容C2、C12、C13、C14、C15 組成的整形電路對寬帶電力線載波通信信號進行整形和二次濾波，最后由耦合電路耦合至低壓電力線上。QCA6411 芯片內(nèi)部集成了信號驅(qū)動電路。由穩(wěn)壓二極管D5—D8構(gòu)成的雙向限幅電路能有效防止浪涌、信號幅度太大等因素對QCA6411芯片內(nèi)核電路的損壞。

5.3.3 耦合電路

耦合電路能實現(xiàn)寬帶電力線載波通信信號在低壓電力線上的注入和提取。圖7 中，隔離變壓器T1的輸出端串聯(lián)電阻R2后接在220 V交流電源V1的零線上，另一端串聯(lián)安規(guī)電容C10和電阻R1后接在火線L 上，可以實現(xiàn)對50 Hz 工頻信號的隔離。QCA6411 芯片通過耦合電路提取低壓電力線上傳輸?shù)膶拵щ娏€載波通信信號，然后由模擬前端（Analog Front End，AFE）的RXIN_P、RXIN_N 管腳進入QCA6411芯片內(nèi)部完成濾波、解調(diào)等操作以恢復(fù)原始的數(shù)字信號。雙向瞬態(tài)抑制二極管TVS（型號P6KE200A）可防止接口電路被電力線路中突發(fā)的尖峰信號損毀，起到保護電路和元器件的作用。

6 組網(wǎng)路由算法

智慧工廠工控系統(tǒng)的局域網(wǎng)絡(luò)由一個主信息采集節(jié)點和N 個從信息采集節(jié)點組成，是以低壓電力線信道為主干通信網(wǎng)絡(luò)的小型本地通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由n（n≥N）條點對點通信鏈路通過特定的路由算法組合而成[8-17]。根據(jù)低壓電力線信道的結(jié)構(gòu)特點，為保障主從信息采集節(jié)點組建網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性，基于載波偵聽多路訪問（Carrier Sense Mulgiple Access/Collision Detection，CSMA）技術(shù)，以洪泛算法為基礎(chǔ)框架，設(shè)計了一種不依賴網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)組網(wǎng)算法，動態(tài)組網(wǎng)示意圖如圖8所示。

圖8 動態(tài)組網(wǎng)示意圖Fig.8 Dynamic networking diagram

動態(tài)組網(wǎng)算法在源節(jié)點發(fā)出指令的瞬間開始組網(wǎng)，不依賴于歷史數(shù)據(jù)，在CSMA 技術(shù)的基礎(chǔ)上，能夠有效避讓沖突，實現(xiàn)有序的路由中繼、全網(wǎng)設(shè)備協(xié)調(diào)互動，以最快的速度找到目標(biāo)節(jié)點，實現(xiàn)步驟如下。

（1）主信息采集節(jié)點根據(jù)洪泛算法機制建立中心路由表，由源節(jié)點發(fā)出分組數(shù)據(jù)信號至工控系統(tǒng)的局域網(wǎng)絡(luò)中，其余從信息采集節(jié)點接收分組數(shù)據(jù)并監(jiān)聽。

（2）從信息采集節(jié)點計算出相對電氣距離值，然后對電氣距離值進行排序，形成一張電氣距離表。源節(jié)點不斷發(fā)出分組數(shù)據(jù)信號，電氣距離值也會動態(tài)變化，且電氣距離表也隨之動態(tài)更新。

（3）主信息采集節(jié)點開始組網(wǎng)時，到達每個從信息采集節(jié)點的路徑上都會有相等的“信息素”，下發(fā)的數(shù)據(jù)幀攜帶分組數(shù)據(jù)信息向目標(biāo)從信息采集節(jié)點前進，每經(jīng)過一個從信息采集節(jié)點，數(shù)據(jù)幀會按照“信息素”的轉(zhuǎn)移規(guī)則更新該中繼路徑上“信息素”的強度。

（4）充當(dāng)中繼器的從信息采集節(jié)點在收到相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)幀時，會更新路由線路的跳數(shù)信息。如果源節(jié)點下發(fā)的數(shù)據(jù)幀未到達目的從信息采集節(jié)點，則轉(zhuǎn)入下一跳，否則丟棄該數(shù)據(jù)幀。

（5）源節(jié)點下發(fā)的數(shù)據(jù)幀最終到達目的從信息采集節(jié)點時，目的節(jié)點隨即發(fā)出回應(yīng)幀，并沿下發(fā)路由線路的反向路由表回到源節(jié)點。在應(yīng)答幀向源節(jié)點應(yīng)答的過程中，中間子節(jié)點收到數(shù)據(jù)包時，也會將臨近的“信息素”強度重新更新，并建立到達目的從信息采集節(jié)點的路由表。同時，應(yīng)答幀按原路徑返回至主信息采集節(jié)點后，對經(jīng)過路徑的信道質(zhì)量進行特性評估，并采用全局更新規(guī)則更新全局最優(yōu)路徑上的“信息素”濃度。

（6）通過某從信息采集節(jié)點的通信成功率越高，該從信息采集節(jié)點附近的“信息素”的濃度就會越大，當(dāng)主信息采集節(jié)點再次下發(fā)數(shù)據(jù)幀時，載波信號選擇該線路傳輸?shù)母怕示蜁龃?，通信的成功率也會上升，這樣就形成了一個負反饋機制的閉環(huán)通信管理模式。

動態(tài)組網(wǎng)算法不依賴于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，動態(tài)組網(wǎng)由寬帶電力線載波通信設(shè)備自動完成，不受中繼級數(shù)的限制，可實現(xiàn)即裝即用、故障信息的主動上報，即便是更換故障節(jié)點也不會影響通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性[18-31]。網(wǎng)絡(luò)中的從信息采集節(jié)點采用多包數(shù)據(jù)并聯(lián)轉(zhuǎn)發(fā)模式，這種模式在設(shè)備物理層性能一定的情況下，可以有效提高組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的抗衰減和抗噪聲能力。

7 性能測試

7.1 信息采集節(jié)點載頻帶寬測試

隨機選取智慧工廠某車間帶電插排，接入主從信息采集節(jié)點，待其上電后，通過耦合裝置將寬帶載波信號捕捉至頻譜分析儀，其頻譜特性圖如圖9所示。

圖9 寬帶載波信號頻譜特性圖Fig.9 Spectrum characteristic diagram of broadband carrier signal

從圖9 可以看出，信息采集節(jié)點的信號載頻帶寬為1.8～28.02 MHz，與設(shè)計的接收電路工作頻段基本一致。在該頻段內(nèi)，即便是經(jīng)過40 dB 的信道模擬衰減，信號的電平峰值仍為15.55 dBm，對應(yīng)的頻點為5.92 MHz。

7.2 組網(wǎng)能力測試

以智慧工廠某正在作業(yè)的車間為獨立試驗環(huán)境，待主從信息采集節(jié)點全部上電后，通過網(wǎng)線將測試電腦與主信息采集節(jié)點相連，刷新網(wǎng)絡(luò)拓撲，得到在網(wǎng)設(shè)備信息如圖10所示。

圖10 在網(wǎng)設(shè)備信息Fig.10 On-line device information

從圖10可以看出，工控中心成功采集在網(wǎng)從信息采集節(jié)點的信息僅耗時1 s。點擊圖10功能界面上的“拓撲視圖”按鈕，呈現(xiàn)出的路由結(jié)構(gòu)見圖11。

圖11 拓撲結(jié)構(gòu)Fig.11 Topology structure

從圖11可以看出，試驗環(huán)境的主從信息采集節(jié)點形成了堅強的5 級級聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)，并且有5 個從信息采集節(jié)點充當(dāng)著中繼器的作用。

8 結(jié)語

本文基于智慧工廠管理需求，設(shè)計了以信息采集節(jié)點為終端通信設(shè)備的工控系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)。該局域網(wǎng)絡(luò)依托工業(yè)園區(qū)低壓電力線為主干通信網(wǎng)絡(luò)，以短距離有線傳輸方式作為設(shè)備接入接口，實現(xiàn)了工業(yè)園區(qū)生產(chǎn)車間的全區(qū)域、無盲區(qū)覆蓋。在某智慧工程工業(yè)園區(qū)進行性能測試，結(jié)果可知，運用動態(tài)組網(wǎng)算法，主從信息采集節(jié)點之間可形成5級深度的穩(wěn)定拓撲結(jié)構(gòu)。事實證明，以低壓電力線作為主干通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工控系統(tǒng)的自動化和智能化是可行的，具備在生產(chǎn)環(huán)境應(yīng)用的條件。