基于宽带电力线载波的工控系统通信网络设计

徐 肃，王 飞，刘永胜，史迪康，沈东亮，王 斌，李志浩

（内蒙古电力（集团）有限责任公司包头供电分公司，内蒙古 包头 014030）

0 引言

近年来，随着“中国制造2025”“互联网+”等重大战略的实施，信息化和工业化正在深度融合，极大提升了工业生产设备的自动化、智能化水平。目前，我国制造业正处在由大变强的关键时期，只有充分发挥“工业4.0”新引擎优势，才能在新的一轮数字化生产变革中脱颖而出。低压配用电网络作为一个覆盖面最广、传输节点最多的网络，将成为下一代工业通信网络介质的代表。智慧工厂工控系统是物联网面向工业领域应用场景的典型案例。宽带电力线载波具有宽频谱、高载频以及抗噪声、抗衰减能力强等特点，广泛应用于电网公司用电信息采集系统，且易施工、成本低、不受环境条件限制，能够胜任对工业设备运行状态（如设备的开关状态、带载状态等）的管理和监控。为此，通过宽带电力线载波通信技术，将工业现场的数据通过中低压电力线网络传输至本地工控中心和远端云平台，便于智慧工厂管理者对现场信息的及时掌控和集中调度。

1 智慧工厂工控系统通信网络设计需求

智慧工厂为了掌握管控工业园区车间的工业设备，计量表计，安防监控的状态信息、示数和动向，需要在现有工业园区低压配电网络的基础上建立一套工控系统通信网络，并实现以下需求。

（1）通过手机、iPad等手持终端上的APP经Internet，通过交换机向工控上位机或直接操控工控上位机向主信息采集节点发送TCP/IP 协议封装过的控制指令。

（2）主信息采集节点一方面接收来自工控上位机经TCP/IP协议封装过的控制指令，对其解封装和解码；另一方面需要将控制指令转换为支持DL/T 645—2007《多功能电能表通信协议》的报文格式[1]，并将其发送到低压电力线信道中，传送至多个从信息采集节点。因此，主信息采集节点充当着TCP/IP协议与DL/T 645—2007 协议的转换器，需对协议转换模型进行研究和解析。

（3）DL/T 645—2007协议报文在低压电力线信道中传输，容易受工业用电环境中的线路传输衰减、噪声干扰和工业设备负载阻抗变化的影响，因此对工业用电环境中的电力线信道特性分析至关重要，该分析结果将直接决定主信息采集节点和从信息采集节点的产品设计质量。

（4）根据信道特性，研究设计主信息采集节点与从信息采集节点硬件电路，要求二者可以实现即插即用。从信息采集节点需要配置与主信息采集节点一样的宽带电力线载波通信芯片，通过载波信号调制解调实现二者的无碍交互。另外，由于从信息采集节点连接着各种类型的工业设备、计量表计和安防监控等设施，在硬件电路设计时须预留多种接口。

（5）主信息采集节点需要配备路由芯片，以实现组网和路由汇聚等功能。在与多个从信息采集节点形成局域网络后，主信息采集节点向从信息采集节点广播和散发控制命令，实现工业设备的智能化管理。为了保证局域网络的稳定，需要优化主信息采集节点与从信息采集节点的组网路由算法，要求该算法能够在不依赖网络拓扑结构和历史数据下实现动态组网。

2 智慧工厂通信网络设计

在智慧工厂的生产现场，有大量的计量设备、监控设备和生产设备。根据“工业4.0”和智能制造的要求，原孤立的工业设备会通过联网通信实现系统升级。要实现工业设备的有序组网和动态控制，在不改造工厂现有电路布局的前提下，依赖园区现有的低压电力线作为宽带载波通信的主干通信网络线缆，结合连接工业设备的分布式传感器作为网络末梢，即可组建工控系统通信网络，如图1所示。

图1 工控系统通信网络Fig.1 Communication network of industrial control system

图中，网络中的从信息采集节点通过USART、ModBus、RS-485 等有线通信与生产环境的工业设备相连，通过DL/T 645—2007 协议报文将收集的信息汇聚至主信息采集节点，然后通过RJ45 接口以TCP/IP协议传输至工控上位机进行本地处理，同时将汇聚的信息上传至云端进行计算、显示、监控。根据收集到的能源消耗/产能对比数据，对企业运营和生产过程的能源消耗状况进行监测、分析和评估，优化企业生产过程的能耗流程，降低能源消耗成本，提高生产效率[2]。

3 通信协议转换

DL/T 645—2007协议作为主信息采集节点下行通信链路的报文协议，在低压电网配用电侧用电信息采集系统数据采集、在线拉合闸、防窃电等场景中已广泛应用。在DL/T 645—2007 协议报文数据帧的基础上扩展数据标识，即根据工业现场的实际监测需求编制具体的设备控制指令，可额外实现智慧工厂室内温湿度、烟雾浓度、有害气体浓度、门禁安防状态、工业设备运行状态等信息的采集。设备控制指令如表1所示。

表1 设备控制指令Tab.1 Equipment control instructions

主信息采集节点的上行通信协议为TCP/IP 协议。根据DL/T 645—2007 协议与TCP/IP 协议报文格式的特点，设计二者转换模型如图2所示。

图2 DL/T 645—2007协议与TCP/IP协议转换模型图Fig.2 DL/T 645—2007 protocol to TCP/IP protocol conversion model diagram

由图2 可知，通过工控上位机获取工业设备数据时，需先由从信息采集节点将从工业设备、计量表计、安防设施、温湿度传感器等终端上获取的数据按照DL/T 645—2007 协议的报文格式进行封装，再通过低压电力线传输至主信息采集节点的网卡上进行解封装。解封后的报文数据由信息采集节点上的信号调制解调芯片进行解调和解码，得到源数据，然后再将源数据按照规定的应用层格式进行封装，存入以太网接口的发送缓冲区。在发送缓冲区形成以太网帧，再通过主信息采集节点的RJ45接口发往工控上位机。

反之，当工控上位机向工控系统局域网络中的工业设备发送数据采集或控制指令时，则需按照上述的路径逐步返回。在经过主信息采集节点时，将数据按照DL/T 645—2007 协议的报文格式封装好，经信息采集节点上的信号调制解调芯片编码、调制后存入寄存器并发送至缓冲区，再经低压电力线传输至局域网络中的工业设备。

4 工业用电环境电力信道特性分析

要在低压电力线上实现信号的传输，需获知低压电力线信道特性，建立对应数学模型以便分析。由于低压配电网络拓扑结构复杂、分支众多且各供配电台区的等效阻抗难以实现相互匹配，这就决定了信号在网内传输的“多径效应”，如图3所示。

图3 多径效应示意图Fig.3 Schematic diagram of multipath effect

由图3可知，时域信号S(t)从发送端到接收端经历了N 条路径，每条路径由特定的时延参数τi和损耗系数Ci（i=1…N）构成[3]。经过路径分流和电力热噪声干扰后，信号衰减为r(t)。在此模型中，信道特性可以由离散的冲激响应h(t)来描述：

式中：δ为脉冲冲击响应。

h(t)对应的传递函数H(f)为：

式中：f为信号频率。

经过实际测量，应用统计学方法可以求得Ci的表达式为：

式中：li为信道分支长度；g（f）为信号在频率f处的信道响应；gi（f）为信号在第i 个信道的频率响应；α（f）为衰减因子；di为第i个信道的传输距离。

引入电磁波信号在电力线中的传播速度Vp，经过公式变换，得到传递函数H（f）的表达式为：

其中，衰减因子α(f)的表达式为：

式中：α0、α1、k是衰减因子。

结合公式（4）和公式（5）可以得到：

该模型可以进一步简化为：

式中：gi为信道i 的加权因子；衰减因子k 一般取值0.5～1。公式（7）是描述低压电力线信道增益的基础。

在低压供配电台区中，延伸至每个用电单位的电力线缆是组成低压电力网络的微小单元。在该单元内，电力电缆布线结构迥异，用电设备的阻抗特性也互不相同。图4是某工厂车间内部低压电力电缆布线的一般结构图，其中电力线规格为直径1.6 mm，2芯。从图中可以看出，低压电力线分支众多，终端用电设备无规律地接入和断出，动态影响着低压电力线的输入阻抗。当低压电力线输入阻抗与载波信号发射机的输出阻抗不匹配时，载波信号在低压电力线的传输过程中会遭遇反射、折射等一系列的物理过程，该过程会衰减、分散载波信号的能量，造成数据丢失。

图4 某工厂内部电力线布线一般结构图Fig.4 General structure diagram of internal power line wiring in a certain factory

按照统计学原理，根据文献[3]在实验环境下载波通信测试的结果，对公式（7）进行拟合，可以量化为信号衰减模型：

式中：x 为信号衰减值；衰减因子k 对于中低压电力线路一般取值12.2×10-3；L 为电力电缆长度；λ为电力电缆的分支数；ac为电力电缆每千米的衰减；Ic为两端高频电缆的总长度。通过实测，信号衰减通常在50 dB以上[3]。

从公式（8）可以看出，信号的衰减特性与电力电缆的长度、信号频率、电力电缆的分支数都成正比例关系[4]。通过分析低压电力线信道特性可知，工控系统的主从信息采集节点之间要实现正常通信，就必须建立在这些信息采集节点能够有效抵抗低压电力线信道信号衰减特性的基础之上。

采用可靠性高、通信速度快、抗干扰能力强、成本低廉的宽带电力线载波芯片是组建低压电力线通信网络的关键。性能优越的宽带电力线载波芯片发射的高频载波信号在低压电力线上传输时会具备较强的应变能力。考虑到工业生产中各个环节需要交互的数据量较大，实时性要求也较高，因此在设计主从信息采集节点时均采用了基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplesion，OFDM）多载波技术的宽带电力线载波芯片[5-6]，这类芯片的信号载频为2～30 MHz，子载波数量可达1200 个，能自动规避家用电器产生的随机噪声，最大程度抵抗“多径效应”和噪声干扰，保证数据即时、高速传输。

5 信息采集节点电路设计

考虑到工业通信基础设施多采用RS-232、RS-485、USB、ModBus、ProfiBus、CAN 现场总线等方式进行数据传输，在设计信息采集节点时，可以为这些通信方式预留接口，以实现与多样化工业设备互通，并结合多类型传感器或嵌入式数采装置，实现工业设备信息数据的直接采集。在芯片选型上，经市场对比，采用高通QCA6411芯片作为主从信息采集节点的硬件电路核心，以实现数据的封装、解封、调制、解调和发射、接收等。

5.1 主信息采集节点电路设计

一个完整的主信息采集节点包括电力线载波通信芯片QCA6411、接收滤波电路、载波驱动电路、载波耦合电路、以太网接口Ethernet、UART 串口、SPI 串口、GPIO 串口、A/D 模数转换电路和D/A 数模转换电路等，其电路示意图如图5所示。

图5 主信息采集节点电路Fig.5 Main information collection node circuit

主信息采集节点具备组建、管理网络等功能，能够快速处理从信息采集节点返回的信息，以获得有效数据并进行存储，这些有效数据包括工控系统局域网络的拓扑结构关系表、网络地址和物理地址对照表等。主信息采集节点通过以太网接口与工控中心PC机或网络交换机连接完成海量数据交互，利用耦合电路实现现场生产数据在低压电力线中的有效提取和控制信息的注入。

5.2 从信息采集节点电路设计

在工控系统局域网络中，从信息采集节点分散在工业生产现场的各个环节，负责管理现场设备、监测现场环境，为生产的安全高效进行提供保障。由于现场工业设备众多，需要借助大量的从信息采集节点将设备接入到本地局域网络中。通常情况下，每个设备都要配备一个从信息采集节点，而主信息采集节点作为信息汇聚网关，一般在单个生产车间内只需安装一个[7]。因此从信息采集节点的设计要遵循简单、高效、可靠的准则。从信息采集节点的电路示意图如图6所示。

图6 从信息采集节点电路Fig.6 Slave information collection node circuit

在电路设计上，从信息采集节点与主信息采集节点的电力线载波调制解调芯片、驱动电路、接收滤波电路、模数转换电路、数模转换电路、载波耦合电路相同，差异主要体现在从信息采集节点增设了STM32 嵌入式控制芯片，用于采集现场信息并通过扩展外围接口如GPIO、I2C、SPI、CAN接口以及以太网接口Ethernet、UART 串口和USART 串口，来实现各类能耗计量设备的数据接入和控制功能，从而极大地提升了从信息采集节点的兼容性和控制能力。

5.3 接口电路设计

接口电路能够完成宽带电力线载波通信信号的发射和接收，为主信息采集节点与从信息采集节点的通信交互提供透明传输渠道[7]。设计接口电路如图7所示，主要由耦合电路、接收电路、发送电路3部分组成[5]。

图7 接口电路图Fig.7 Interface circuit diagram

5.3.1 接收电路

接收电路的主要任务是滤除宽带电力线载波通信信号中掺杂的电力谐波、电网热噪声等干扰因素。带通滤波器的通带范围为1.78～31 MHz，保证了接收电路接收的信号满足2～30 MHz 载频使用范围。相比于巴特沃斯滤波器，切比雪夫滤波器在通带或阻带内的衰减是等纹波的，且成本更低，所以选择切比雪夫Ⅰ型带通滤波器来设计接收电路。该滤波器由图7的电阻R3、R4、R5、电容C1、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C11和电感L2、L3、L4、L5、L6、L7等元件构成，工作电压Vcc为3.3 V。在图7 中，R4、R5是等效的电力线输出阻抗，取值50 Ω以匹配线路阻抗。在带通滤波网络右侧，稳压二极管D1—D4构成双向限幅电路，防止信号幅度太大损坏后续的信号解码电路。

5.3.2 发送电路

发送电路能以最高的效率将宽带电力线载波通信信号注入至220 V 低压电力线上，并能有效防止低压电力线上的背景噪声反扑进入主电路中干扰其性能。QCA6411芯片在对数据进行调制、滤波和差分放大等处理后，由引脚TXOUT_P、TXOUT_N输出调制后的高频信号，再通过分布式电容C2、C12、C13、C14、C15 组成的整形电路对宽带电力线载波通信信号进行整形和二次滤波，最后由耦合电路耦合至低压电力线上。QCA6411 芯片内部集成了信号驱动电路。由稳压二极管D5—D8构成的双向限幅电路能有效防止浪涌、信号幅度太大等因素对QCA6411芯片内核电路的损坏。

5.3.3 耦合电路

耦合电路能实现宽带电力线载波通信信号在低压电力线上的注入和提取。图7 中，隔离变压器T1的输出端串联电阻R2后接在220 V交流电源V1的零线上，另一端串联安规电容C10和电阻R1后接在火线L 上，可以实现对50 Hz 工频信号的隔离。QCA6411 芯片通过耦合电路提取低压电力线上传输的宽带电力线载波通信信号，然后由模拟前端（Analog Front End，AFE）的RXIN_P、RXIN_N 管脚进入QCA6411芯片内部完成滤波、解调等操作以恢复原始的数字信号。双向瞬态抑制二极管TVS（型号P6KE200A）可防止接口电路被电力线路中突发的尖峰信号损毁，起到保护电路和元器件的作用。

6 组网路由算法

智慧工厂工控系统的局域网络由一个主信息采集节点和N 个从信息采集节点组成，是以低压电力线信道为主干通信网络的小型本地通信网络，该网络由n（n≥N）条点对点通信链路通过特定的路由算法组合而成[8-17]。根据低压电力线信道的结构特点，为保障主从信息采集节点组建网络的稳健性，基于载波侦听多路访问（Carrier Sense Mulgiple Access/Collision Detection，CSMA）技术，以洪泛算法为基础框架，设计了一种不依赖网络拓扑结构的动态组网算法，动态组网示意图如图8所示。

图8 动态组网示意图Fig.8 Dynamic networking diagram

动态组网算法在源节点发出指令的瞬间开始组网，不依赖于历史数据，在CSMA 技术的基础上，能够有效避让冲突，实现有序的路由中继、全网设备协调互动，以最快的速度找到目标节点，实现步骤如下。

（1）主信息采集节点根据洪泛算法机制建立中心路由表，由源节点发出分组数据信号至工控系统的局域网络中，其余从信息采集节点接收分组数据并监听。

（2）从信息采集节点计算出相对电气距离值，然后对电气距离值进行排序，形成一张电气距离表。源节点不断发出分组数据信号，电气距离值也会动态变化，且电气距离表也随之动态更新。

（3）主信息采集节点开始组网时，到达每个从信息采集节点的路径上都会有相等的“信息素”，下发的数据帧携带分组数据信息向目标从信息采集节点前进，每经过一个从信息采集节点，数据帧会按照“信息素”的转移规则更新该中继路径上“信息素”的强度。

（4）充当中继器的从信息采集节点在收到相邻节点的数据帧时，会更新路由线路的跳数信息。如果源节点下发的数据帧未到达目的从信息采集节点，则转入下一跳，否则丢弃该数据帧。

（5）源节点下发的数据帧最终到达目的从信息采集节点时，目的节点随即发出回应帧，并沿下发路由线路的反向路由表回到源节点。在应答帧向源节点应答的过程中，中间子节点收到数据包时，也会将临近的“信息素”强度重新更新，并建立到达目的从信息采集节点的路由表。同时，应答帧按原路径返回至主信息采集节点后，对经过路径的信道质量进行特性评估，并采用全局更新规则更新全局最优路径上的“信息素”浓度。

（6）通过某从信息采集节点的通信成功率越高，该从信息采集节点附近的“信息素”的浓度就会越大，当主信息采集节点再次下发数据帧时，载波信号选择该线路传输的概率就会增大，通信的成功率也会上升，这样就形成了一个负反馈机制的闭环通信管理模式。

动态组网算法不依赖于网络拓扑结构，动态组网由宽带电力线载波通信设备自动完成，不受中继级数的限制，可实现即装即用、故障信息的主动上报，即便是更换故障节点也不会影响通信网络的稳定性[18-31]。网络中的从信息采集节点采用多包数据并联转发模式，这种模式在设备物理层性能一定的情况下，可以有效提高组网网络的抗衰减和抗噪声能力。

7 性能测试

7.1 信息采集节点载频带宽测试

随机选取智慧工厂某车间带电插排，接入主从信息采集节点，待其上电后，通过耦合装置将宽带载波信号捕捉至频谱分析仪，其频谱特性图如图9所示。

图9 宽带载波信号频谱特性图Fig.9 Spectrum characteristic diagram of broadband carrier signal

从图9 可以看出，信息采集节点的信号载频带宽为1.8～28.02 MHz，与设计的接收电路工作频段基本一致。在该频段内，即便是经过40 dB 的信道模拟衰减，信号的电平峰值仍为15.55 dBm，对应的频点为5.92 MHz。

7.2 组网能力测试

以智慧工厂某正在作业的车间为独立试验环境，待主从信息采集节点全部上电后，通过网线将测试电脑与主信息采集节点相连，刷新网络拓扑，得到在网设备信息如图10所示。

图10 在网设备信息Fig.10 On-line device information

从图10可以看出，工控中心成功采集在网从信息采集节点的信息仅耗时1 s。点击图10功能界面上的“拓扑视图”按钮，呈现出的路由结构见图11。

图11 拓扑结构Fig.11 Topology structure

从图11可以看出，试验环境的主从信息采集节点形成了坚强的5 级级联拓扑结构，并且有5 个从信息采集节点充当着中继器的作用。

8 结语

本文基于智慧工厂管理需求，设计了以信息采集节点为终端通信设备的工控系统局域网络。该局域网络依托工业园区低压电力线为主干通信网络，以短距离有线传输方式作为设备接入接口，实现了工业园区生产车间的全区域、无盲区覆盖。在某智慧工程工业园区进行性能测试，结果可知，运用动态组网算法，主从信息采集节点之间可形成5级深度的稳定拓扑结构。事实证明，以低压电力线作为主干通信网络实现工控系统的自动化和智能化是可行的，具备在生产环境应用的条件。