基于宽带电力线载波的工业智能控制节点设计*

文世杰，汤翎艺，唐贤敏，钟雯倩

(贵州电网有限责任公司贵阳供电局，贵州贵阳550001)



基于宽带电力线载波的工业智能控制节点设计*

文世杰，汤翎艺，唐贤敏，钟雯倩

(贵州电网有限责任公司贵阳供电局，贵州贵阳550001)

针对传统工业通信方式传输速率低、网络建设复杂、维护困难等缺点，提出了一种基于宽带电力线载波的工业智能控制节点设计方案。该方案由工业智能控制主节点、若干工业智能控制从节点以及低压电力线通信网络组成。主节点采用美国高通公司的QCA6411芯片，可集中、汇聚、中继转发从节点采集的工业环境、设备状态等信息，具有工业信息网关的作用，可实现200 Mbps的吞吐量。从节点以QCA7000芯片为MCU，以电力线载波通信模块为载体，结合RS485、RS232、Zigbee、红外、蓝牙以及各类传感器等通信方式，可采集工厂温湿度、气压、热量、设备信息、工作状态等数据，在接收到上位机管控命令时，从节点将采集的实时数据经主节点集中汇聚后，上传至工业控制上位机存储、分析和管理。介绍了主节点、从节点的硬件设计方法、组网结构和软件程序流程图，为工业智能控制系统的实时交互、在线管理和安全监测点明了一种新的思路。

宽带载波 控制节点 信息网关 通信模块 智慧工业

0 引言

随着大数据、云计算、物联网和移动互联网等技术的飞速发展，新一轮智能工厂的建设大潮来临，工业智能化生产模式将成为制造行业的主旋律。2013年在汉诺威召开的工业博览会上，德国联邦提出了“工业4.0”[1]的概念，描绘了未来制造业的前景，提出继蒸汽机的应用、批量生产模式和电子信息技术等三次工业革命后，将迎来以信息物理融合系统(CPS)为基础，以智能感知、分析、挖掘、态势预测等核心技术为主体，以生产高度数字化、网络化、机器智能化为标志的第四次工业革命。使制造业在最大程度上脱离劳动力，降低成本和污染排放、提高产品质量和效率，实现“工业4.0”技术在智能制造中的运用，推动传统制造业向智能化和服务化转型升级[2-3]。智能制造行业应率先在网络化、智能化、系统化、服务化等方面突破，在大数据时代下，探索适应我国工业发展的新技术、新理论和新模式。

目前工业领域使用的通信网络具有传输速率低、网络建设复杂、维护困难等缺点，不能满足生产过程中的巨量信息传输，保证信息的完整性与实时性等技术要求。依托电力线进行信号传输的电力线载波通信技术不需要线路维护和重新架设通信网络，具有经济可靠、即插即用等特点，可大幅提升工业生产效率，节约建设成本。针对现有通信网络的缺陷以及电力线载波通信技术的优势，将电力载波通信技术(Power-line communication，简称PLC)应用于工业控制系统。把无处不在的电力传输介质电缆、架空线作为智能工厂高速数据传输的骨干通信网络，对工厂中生产设备的运行状态数据及控制信息进行实时、可靠、有效的传输，以期实现工业生产的智能化。核心技术采用遵循Homeplug AV与Homeplug Green PHY的宽带电力线载波通信技术，使用OFDM自适应调制解调和自动侦听中继技术，可有效提高载波信号的抗干扰能力、数据传输速率和路由组网能力，实现智慧工业通信网络的稳定、可靠和实时。

1 宽带电力线载波通信

宽带电力线载波通信[4-5](BPLC)，一种致力于解决最后一公里接入问题的关键技术，可以向用户提供高速的互联网接入服务。近年来，随着该技术的飞速发展，其传输可靠性、稳定性、安全性和速率都在不断提高。宽带电力线载波通信技术的应用主要分布在欧洲(UPA)、美国(HPA)和亚太地区(CEPCA)。在2000年，CISICO、INTEL、HP、SHARP等13家公司宣布成立“家庭插电联盟”(Home Plug Alliance，简称HPA)，意在规范国际电力线通信标准。之后HPA相继发布了多个Home Plug标准，信号传输速率从最初的14 Mbps(Homeplug1.0)提升至85 Mbps(Homeplug Turbo)，再到后来的1.5 Gbps(Homeplug AV2)。目前，国际市场上主流的宽带电力线载波通信芯片厂商有美国高通、因特龙、美满等公司，芯片的物理层通信速率一般在500 Mbps左右。

从2000年开始，国内也展开了宽带电力载波通信技术的研究。2004年，深圳国电科技公司利用DS2公司的载波芯片推出了速率200 Mbps的PLC产品。2010年，国家电网公司通过自主研发，推出了国内首款BPLC芯片SG5000/SG3000，MAC层采用了正交频分复用(OFDM)调制解调技术，物理层最大通信速率10 Mbps，主要应用于用电信息采集、智能家居等领域，取得了良好的表现。借助宽带电力线载波通信网络的优势，可助推工业生产、环境监控、在线管理工作效率的大幅提升。

2 工业智能控制系统

工业智能控制系统[6]由具有监控管理功能的上位机(应用层)、工业智能控制主节点(Host节点)、工业智能控制从节点(Slave节点)(传输层)和数据采集模块(物理层)三部分组成，系统总体结构图如图1所示。

图1 工业智能控制系统结构图

在应用层，上位机可以监控整个工厂设备的工作状况和工厂环境的温湿度、安防等信息，对采集的现场数据进行实时分析计算，下发相应的控制命令。

在传输层，分别采用美国高通公司的QCA6411、QCA7000芯片来设计Host节点和Slave节点[7]。Slave节点分布在智能工厂的每一台运转设备以及现场环境监控装置上，实现设备状态信息、工厂环境信息的在线采集和转发；Host节点可容纳、管理250个Slave节点，在宽带电力线载波主干通信网络中起网关路由的作用，以汇聚Slave节点采集的各类数据，上报给上位机。

在物理层，各类运转设备主要为工厂现场机床、传感器、仪表以及控制器件，根据运转设备通信接口的类型(如RS485、RS232、红外、蓝牙、Zigbee、Modbus)配置不同采集方式的Slave节点，经归一化处理后，统一数据帧格式，上报给Host节点。

2.1 Host节点设计

Host节点主要由4部分组成：MCU QCA6411芯片、载波信号接收滤波电路、载波信号放大发射电路以及耦合电路，如图2所示。

图2 Host节点结构框图

MCU QCA6411芯片采用了基于Homeplug AV和IEEE 1901电力线网络协议的EoC技术，具备200 Mbps的通信容量。片内同时整合了内存/闪存(16 MB/1 MB)、10/100以太网PHY、模拟前端/线路驱动器、电源管理单元和基于TCP/IP协议的路由网关算法。通过保障带宽、控制时延和消除抖动，能够在恶劣的工业用电环境下实现Slave节点的数据集中、汇聚、中继转发。

Host节点通过Ethernet接口和上位机连接，可转发上位机向Slave节点下发的控制命令。载波信号接收滤波电路一端连接耦合电路，另一端与MCU QCA6411芯片的A/D模块连接，实现载频2 MHz～30 MHz载波信号的滤波和提取，阻绝干扰信号。载波信号放大发射电路对MCU输出的小功率载波信号进行层级放大，以提高其抗环境衰减能力，再经耦合电路将放大后的载波信号发送至电力线信道。耦合电路实现高频载波信号在电力线信道上的提取和注入，能够有效地抑制浪涌冲击、防护电压瞬变，提高通信节点的可靠性。

2.2 Slave节点设计

Slave节点采用基于Homeplug Green PHY规范的EoC技术，信号调制解调仅使用QPSK方式，是一种小成本、低功耗的电力线载波通信方案。Slave节点的结构框图如图3所示。

图3 Slave节点结构框图

由图3可以看出，Slave节点与Host节点的载波信号接收滤波电路、载波信号放大发射电路以及耦合电路是对应且一致的。不同的是，MCU QCA7000芯片配备了电源管理单元、模拟前端，支持SPI串行外设接口、UART通用异步收发传输接口、GPIO通用输入/输出总线和扩展的Flash闪存接口。这四类接口连接QCA7000芯片内部的Bridge，由Bridge和内部主机总线(Internal Host Bus)进行数据交换。根据智能工厂各类运转设备自带通信接口类型的不同，有选择性的对Slave节点上的数据接口进行配置，比如对在线监测工厂环境的Slave节点，仅配置GPIO接口，接收传感器接口传递的实时数据。

3 软件设计

图4 Host节点程序流程图

Host节点、Slave节点的软件设计分别为MCU QCA6411和QCA7000芯片的程序设计，根据工业智能控制节点所具备的逻辑功能设计主、从节点的控制算法。Host节点和Slave节点的通信部分参照国网的DTL645-2007多功能电能表通信协议，使用C语言编写程序代码，实现主、从节点之间的相互通信。Host节点与Slave节点是实现以低压电力线为主干通信网络进行数据在线传输的核心部件，由Host节点从电力线上汇聚、提取Slave节点的载波信号并还原数据，最终反应在上位机智能管理终端上。上位机智能管理终端对获取的各类数据进行一定的逻辑运算，得到对应的控制策略，将其下发至Host节点。Host节点对上位机控制命令进行OFDM调制后注入到电力线上，广播至各Slave节点。图4为 Host节点程序流程图。

MCU QCA6411和QCA7000芯片之间的通信是在固件的控制下完成的，软件代码中包含了串口接收和发送函数、帧处理函数、主函数、调制解调函数、数模转换和模数转换函数等处理子程序。主要通过中断方式接收数据，以查询方式发送数据。只要低压电力线通信网络中存在高频载波信号，Host节点就会提取该信号利用子函数进行处理，最终传送到相应的Slave节点位置。

图5 Slave节点程序流程图

Slave节点芯片QCA7000的软件程序采用模块化结构设计，主要包括系统初始化、现场数据的采集、工厂设备控制和与Host节点之间的数据通信等几个部分，如图5所示。

4 结语

本文结合“工业 4.0” 和 “中国制造2025”的建设目标， 提出了一种基于宽带电力线载波的工业智能控制节点设计方案。采用美国高通公司的QCA6411和QCA7000芯片，分别设计了具有现场设备控制、数据采集和网络通信等功能的工业智能控制主、从节点，并制作了样机，现场试验表明：本文设计的工业智能控制主节点单只可容纳控制200只从节点，能够有效搜集工厂温湿度、气压、烟雾等环境信息，以及工控设备的电压、电流、工作状态等实时数据，实现了设备的智能化控制。由于采用了宽带电力线载波通信技术，主节点与分布的从节点之间建立通信网络仅需3 min，控制命令的传达和信号采集也限定在了秒级，可以为工厂建立高速、双向、实时的通信系统，实现了现代工业的智能化管理。

[1] 李金华．德国“工业4.0”与“中国制造2025”的比较及启示[J].中国地质大学学报 (社会科学版)，2015，15(5)：71-79．

[2] 李光正．基于“工业 4.0”的智能船舶系统探讨[J]. 船舶工程，2015，37(11)：58-71．

[3] 邓建玲，王飞跃，等．从工业4.0到能源5.0：智能能源系统的概念、内涵及体系框架[J].自动化学报，2015，41(12)： 2003-2016．

[4] 孙增友，凌霞，等．宽带电力线载波OFDM信道估计[J]. 中国电力，2014，47(9)：122-125．

[5] 妙红英，高寅，等．宽带电力线载波通信技术在用电信息采集系统中的应用[J].华北电力技术，2016(4)：16-19．

[6] 鲍金鹏，梁光明，刘伟．一种工业控制系统应用层数据安全防护方法[J].现代电子技术，2016，39(8)：14-17．

[7] 王平．基于LonWorks 技术的LED智能照明控制节点设计[J].光机电信息，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

贵州电网科技项目GZ2014-2-0006。

文世杰(1977-)，男，汉族，贵州大学电力系统专业毕业，现从事计量自动化方面的工作。

2016-05-17