無線與PLC通信技術在FFU群控系統中的應用

汪義旺 宋 佳 張 波 潘 輝

(蘇州市職業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，FFU)組成群控系統［1－2］。目前，FFU 群控系統的組網多為有線方式。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)技術的發展，將無線與 PLC技術相結合，發揮兩者的優勢，組成新型的FFU群控系統，能夠有效克服常規組網方式的弊端和不足，提高FFU群控技術的網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群控系統的設計方案和實現方法，給出了系統的軟硬件設計思路，并對所開發的系統進行了試驗驗證。

1 無線與電力載波通信技術

隨著通信及網絡技術的發展，人們對無線通信技術有了更多的需求，尤其是近年來“物聯網”概念的提出，極大地推動了短距離無線通信技術的發展［3］。同時，隨著無線通信技術的快速發展，采用無線通信的方式進行各種物理參數的監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據或語音等傳輸的一種特殊通信方式［5－6］。由于供電網絡本身是一種方便、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［7－8］。目前，PLC技術已在各種控制系統中得到廣泛的應用。將無線和PLC技術相結合，充分發揮各自的優勢，并將其應用于FFU群控系統，可以減少系統布線、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 系統整體結構

基于無線與電力線載波通信技術的FFU群控系統由監控管理中心、數據集中采集器、無線數據收發節點和若干FFU測控單元組成，系統整體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖Fig.1 Overall structure of the system

在同一凈化車間供電線路上，各個FFU測控單元與無線數據收發節點間采用PLC技術組網，電力線路既可以作為電能傳輸通道，也可以作為數據信息傳輸的路徑，大大簡化了系統布線和安裝設計。無線數據收發節點將接收采集到的數據通過無線通信網絡傳送到數據集中采集器，并接收來自數據集中采集器的指令數據。數據集中采集器與監控管理中心之間采用USB進行數據交換。

3 硬件系統設計

3.1 數據集中采集器

數據集中采集器主要完成無線通信數據和USB通信間的數據收發轉換，采用Nordic最新研發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器等功能高度集成的無線收發芯片。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］。數據集中采集器電路［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 數據集中采集器電路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惡劣的環境研制開發的、專用于低壓電力線通信網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。當控制器處于發射狀態時，主控單片機控制PL2102開始發送數據，數據經過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。發送數據時，信號經過功率放大濾波后傳送至耦合電路，再經耦合電路耦合到電力線上。接收數據時，電力線上擴頻調制信號經耦合電路進入濾波限幅電路。

濾波限幅部分主要由并聯二極管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 無線數據收發節點

無線數據收發節點主要完成電力載波通信數據與無線通信數據間的轉發，實現供電線上測控單元的數據與監控管理中心間的組網通信。收發節點采用Nordic公司的 nRF24LE1 無線 SoC 單片機［13－14］。nRF24LE1 內嵌了無線收發內核nRF2401和增強型8051 MCU，具有豐富的外設資源，設計開發簡便。nRF24LE1與PLC間采用I2C接口進行數據交換通信。無線數據收發節點電路包括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 無線數據收發節點電路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，完成數據通信組網;并通過片上的10位模數轉換器(ADC)完成電參數的信號采集;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、轉速風量等信息通過PLC通信網絡上傳到無線數據收發節點，再通過無線網絡上傳到監控管理中心，并接收指令進行相應的動作，組成多FFU網絡化遠程群控系統。

4 軟件系統設計

4.1 監控管理中心軟件設計

監控管理中心是FFU群控系統的監控管理系統，其軟件采用基于Visual Studio開發平臺進行開發設計。整個監控系統是集用戶管理、系統運行實時監控、變頻調速控制、事件日志管理、通信管理模塊、數據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，可以實時監控系統中每臺FFU的運行狀態信息，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。本文基于Microchip的集成環境MPLAB IDE開發環境，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、智能算法閉環控制模塊、人機接口處理模塊和PLC通信模塊等。控制軟件主程序流程圖如圖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，讀取指令和信息數據進行分析判斷;再調用相應的子程序，配合監控管理中心完成對所連接FFU的就地控制和數據采集。

5 試驗測試和工程應用

根據上述設計方案，開發設計了新型的基于無線與PLC的FFU群控系統并進行試驗驗證。試驗FFU臺數為5000臺，無線數據收發節點為25個，無線節點與數據集中采集器最遠距離為150 m。大量運行測試試驗結果表明，該套群控系統通信數據實時準確、系統工作穩定。系統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，較傳統的控制系統而言，該系統具有可控性好、設計成本低、組網簡便和布線少等優點，達到了預期的設計參數目標要求，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

針對傳統的FFU群控系統存在的組網布線難、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。該系統通過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據收發控制節點，再利用無線通信網絡與監控管理中心進行組網。對系統的原理和硬軟件設計進行了詳細的闡述和介紹，并對系統進行了開發。試驗結果表明，系統可擴展性強、可控性好、組網靈活、設計成本低，具有較高的應用和市場推廣價值。

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