基于寬帶電力線載波的工業智能控制節點設計*

文世杰，湯翎藝，唐賢敏，鐘雯倩

(貴州電網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智能控制節點設計*

文世杰，湯翎藝，唐賢敏，鐘雯倩

(貴州電網有限責任公司貴陽供電局，貴州貴陽550001)

針對傳統工業通信方式傳輸速率低、網絡建設復雜、維護困難等缺點，提出了一種基于寬帶電力線載波的工業智能控制節點設計方案。該方案由工業智能控制主節點、若干工業智能控制從節點以及低壓電力線通信網絡組成。主節點采用美國高通公司的QCA6411芯片，可集中、匯聚、中繼轉發從節點采集的工業環境、設備狀態等信息，具有工業信息網關的作用，可實現200 Mbps的吞吐量。從節點以QCA7000芯片為MCU，以電力線載波通信模塊為載體，結合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、設備信息、工作狀態等數據，在接收到上位機管控命令時，從節點將采集的實時數據經主節點集中匯聚后，上傳至工業控制上位機存儲、分析和管理。介紹了主節點、從節點的硬件設計方法、組網結構和軟件程序流程圖，為工業智能控制系統的實時交互、在線管理和安全監測點明了一種新的思路。

寬帶載波 控制節點 信息網關 通信模塊 智慧工業

0 引言

隨著大數據、云計算、物聯網和移動互聯網等技術的飛速發展，新一輪智能工廠的建設大潮來臨，工業智能化生產模式將成為制造行業的主旋律。2013年在漢諾威召開的工業博覽會上，德國聯邦提出了“工業4.0”[1]的概念，描繪了未來制造業的前景，提出繼蒸汽機的應用、批量生產模式和電子信息技術等三次工業革命后，將迎來以信息物理融合系統(CPS)為基礎，以智能感知、分析、挖掘、態勢預測等核心技術為主體，以生產高度數字化、網絡化、機器智能化為標志的第四次工業革命。使制造業在最大程度上脫離勞動力，降低成本和污染排放、提高產品質量和效率，實現“工業4.0”技術在智能制造中的運用，推動傳統制造業向智能化和服務化轉型升級[2-3]。智能制造行業應率先在網絡化、智能化、系統化、服務化等方面突破，在大數據時代下，探索適應我國工業發展的新技術、新理論和新模式。

目前工業領域使用的通信網絡具有傳輸速率低、網絡建設復雜、維護困難等缺點，不能滿足生產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要求。依托電力線進行信號傳輸的電力線載波通信技術不需要線路維護和重新架設通信網絡，具有經濟可靠、即插即用等特點，可大幅提升工業生產效率，節約建設成本。針對現有通信網絡的缺陷以及電力線載波通信技術的優勢，將電力載波通信技術(Power-line communication，簡稱PLC)應用于工業控制系統。把無處不在的電力傳輸介質電纜、架空線作為智能工廠高速數據傳輸的骨干通信網絡，對工廠中生產設備的運行狀態數據及控制信息進行實時、可靠、有效的傳輸，以期實現工業生產的智能化。核心技術采用遵循Homeplug AV與Homeplug Green PHY的寬帶電力線載波通信技術，使用OFDM自適應調制解調和自動偵聽中繼技術，可有效提高載波信號的抗干擾能力、數據傳輸速率和路由組網能力，實現智慧工業通信網絡的穩定、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鍵技術，可以向用戶提供高速的互聯網接入服務。近年來，隨著該技術的飛速發展，其傳輸可靠性、穩定性、安全性和速率都在不斷提高。寬帶電力線載波通信技術的應用主要分布在歐洲(UPA)、美國(HPA)和亞太地區(CEPCA)。在2000年，CISICO、INTEL、HP、SHARP等13家公司宣布成立“家庭插電聯盟”(Home Plug Alliance，簡稱HPA)，意在規范國際電力線通信標準。之后HPA相繼發布了多個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，國內也展開了寬帶電力載波通信技術的研究。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產品。2010年，國家電網公司通過自主研發，推出了國內首款BPLC芯片SG5000/SG3000，MAC層采用了正交頻分復用(OFDM)調制解調技術，物理層最大通信速率10 Mbps，主要應用于用電信息采集、智能家居等領域，取得了良好的表現。借助寬帶電力線載波通信網絡的優勢，可助推工業生產、環境監控、在線管理工作效率的大幅提升。

2 工業智能控制系統

工業智能控制系統[6]由具有監控管理功能的上位機(應用層)、工業智能控制主節點(Host節點)、工業智能控制從節點(Slave節點)(傳輸層)和數據采集模塊(物理層)三部分組成，系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 工業智能控制系統結構圖

在應用層，上位機可以監控整個工廠設備的工作狀況和工廠環境的溫濕度、安防等信息，對采集的現場數據進行實時分析計算，下發相應的控制命令。

在傳輸層，分別采用美國高通公司的QCA6411、QCA7000芯片來設計Host節點和Slave節點[7]。Slave節點分布在智能工廠的每一臺運轉設備以及現場環境監控裝置上，實現設備狀態信息、工廠環境信息的在線采集和轉發；Host節點可容納、管理250個Slave節點，在寬帶電力線載波主干通信網絡中起網關路由的作用，以匯聚Slave節點采集的各類數據，上報給上位機。

在物理層，各類運轉設備主要為工廠現場機床、傳感器、儀表以及控制器件，根據運轉設備通信接口的類型(如RS485、RS232、紅外、藍牙、Zigbee、Modbus)配置不同采集方式的Slave節點，經歸一化處理后，統一數據幀格式，上報給Host節點。

2.1 Host節點設計

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

圖2 Host節點結構框圖

MCU QCA6411芯片采用了基于Homeplug AV和IEEE 1901電力線網絡協議的EoC技術，具備200 Mbps的通信容量。片內同時整合了內存/閃存(16 MB/1 MB)、10/100以太網PHY、模擬前端/線路驅動器、電源管理單元和基于TCP/IP協議的路由網關算法。通過保障帶寬、控制時延和消除抖動，能夠在惡劣的工業用電環境下實現Slave節點的數據集中、匯聚、中繼轉發。

Host節點通過Ethernet接口和上位機連接，可轉發上位機向Slave節點下發的控制命令。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，以提高其抗環境衰減能力，再經耦合電路將放大后的載波信號發送至電力線信道。耦合電路實現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，提高通信節點的可靠性。

2.2 Slave節點設計

Slave節點采用基于Homeplug Green PHY規范的EoC技術，信號調制解調僅使用QPSK方式，是一種小成本、低功耗的電力線載波通信方案。Slave節點的結構框圖如圖3所示。

圖3 Slave節點結構框圖

由圖3可以看出，Slave節點與Host節點的載波信號接收濾波電路、載波信號放大發射電路以及耦合電路是對應且一致的。不同的是，MCU QCA7000芯片配備了電源管理單元、模擬前端，支持SPI串行外設接口、UART通用異步收發傳輸接口、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芯片內部的Bridge，由Bridge和內部主機總線(Internal Host Bus)進行數據交換。根據智能工廠各類運轉設備自帶通信接口類型的不同，有選擇性的對Slave節點上的數據接口進行配置，比如對在線監測工廠環境的Slave節點，僅配置GPIO接口，接收傳感器接口傳遞的實時數據。

3 軟件設計

圖4 Host節點程序流程圖

Host節點、Slave節點的軟件設計分別為MCU QCA6411和QCA7000芯片的程序設計，根據工業智能控制節點所具備的邏輯功能設計主、從節點的控制算法。Host節點和Slave節點的通信部分參照國網的DTL645-2007多功能電能表通信協議，使用C語言編寫程序代碼，實現主、從節點之間的相互通信。Host節點與Slave節點是實現以低壓電力線為主干通信網絡進行數據在線傳輸的核心部件，由Host節點從電力線上匯聚、提取Slave節點的載波信號并還原數據，最終反應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據進行一定的邏輯運算，得到對應的控制策略，將其下發至Host節點。Host節點對上位機控制命令進行OFDM調制后注入到電力線上，廣播至各Slave節點。圖4為 Host節點程序流程圖。

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送函數、幀處理函數、主函數、調制解調函數、數模轉換和模數轉換函數等處理子程序。主要通過中斷方式接收數據，以查詢方式發送數據。只要低壓電力線通信網絡中存在高頻載波信號，Host節點就會提取該信號利用子函數進行處理，最終傳送到相應的Slave節點位置。

圖5 Slave節點程序流程圖

Slave節點芯片QCA7000的軟件程序采用模塊化結構設計，主要包括系統初始化、現場數據的采集、工廠設備控制和與Host節點之間的數據通信等幾個部分，如圖5所示。

4 結語

本文結合“工業 4.0” 和 “中國制造2025”的建設目標， 提出了一種基于寬帶電力線載波的工業智能控制節點設計方案。采用美國高通公司的QCA6411和QCA7000芯片，分別設計了具有現場設備控制、數據采集和網絡通信等功能的工業智能控制主、從節點，并制作了樣機，現場試驗表明：本文設計的工業智能控制主節點單只可容納控制200只從節點，能夠有效搜集工廠溫濕度、氣壓、煙霧等環境信息，以及工控設備的電壓、電流、工作狀態等實時數據，實現了設備的智能化控制。由于采用了寬帶電力線載波通信技術，主節點與分布的從節點之間建立通信網絡僅需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，實現了現代工業的智能化管理。

[1] 李金華．德國“工業4.0”與“中國制造2025”的比較及啟示[J].中國地質大學學報 (社會科學版)，2015，15(5)：71-79．

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

[3] 鄧建玲，王飛躍，等．從工業4.0到能源5.0：智能能源系統的概念、內涵及體系框架[J].自動化學報，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在用電信息采集系統中的應用[J].華北電力技術，2016(4)：16-19．

[6] 鮑金鵬，梁光明，劉偉．一種工業控制系統應用層數據安全防護方法[J].現代電子技術，2016，39(8)：14-17．

[7] 王平．基于LonWorks 技術的LED智能照明控制節點設計[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

貴州電網科技項目GZ2014-2-0006。

文世杰(1977-)，男，漢族，貴州大學電力系統專業畢業，現從事計量自動化方面的工作。

2016-05-17