基于電力線載波通信的空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張光旭 楊 都 劉泉洲 葉鐵英 賴東鋒

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

電力線載波通信（Power Line Carrier Communication，簡(jiǎn)稱PLCC）是一種通過電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵓夹g(shù)[1]，該通訊方式無需專用通訊線，可大幅降低設(shè)備成本、布線成本、人工安裝成本以及現(xiàn)場(chǎng)施工難度，同時(shí)又具備信號(hào)可穿墻、遠(yuǎn)距離衰減小、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

多聯(lián)機(jī)空調(diào)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，由室外機(jī)、室內(nèi)機(jī)、線控器等數(shù)百個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，通訊距離長(zhǎng)達(dá)上千米，控制系統(tǒng)復(fù)雜，通訊數(shù)據(jù)量大，工程現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境多變。在此條件下，控制可靠性、實(shí)時(shí)性要求高。電力線載波通信的低成本、高帶寬的特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于多聯(lián)機(jī)控制系統(tǒng)通訊。在多聯(lián)機(jī)空調(diào)控制系統(tǒng)通訊方式中，采用電力線載波通信的工程機(jī)組愈來愈多。

由于多聯(lián)機(jī)機(jī)組和電力線載波通訊技術(shù)的一些固有特點(diǎn)，控制系統(tǒng)需要解決以下兩個(gè)問題：便捷工程調(diào)試技術(shù)、高效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。方能最大程度地發(fā)揮電力線載波通訊技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，滿足多聯(lián)機(jī)機(jī)組工程調(diào)試、使用、維護(hù)中的可靠性要求。

1 便捷工程調(diào)試技術(shù)

1.1 多聯(lián)機(jī)室內(nèi)側(cè)工程調(diào)試必要性

由于多聯(lián)機(jī)工程冷媒系統(tǒng)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，需要由專業(yè)工程人員進(jìn)行工程調(diào)試后方能交付用戶使用。多聯(lián)機(jī)控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)主要由外機(jī)、內(nèi)機(jī)和線控器等終端設(shè)備構(gòu)成，內(nèi)機(jī)和終端設(shè)備均安裝在室內(nèi)側(cè)，外機(jī)基本都安裝在室外側(cè)，其中側(cè)出風(fēng)外機(jī)大多安裝在外墻。根據(jù)控制功能要求，多聯(lián)機(jī)的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)均以外機(jī)作為主控節(jié)點(diǎn)，作為中央?yún)f(xié)調(diào)器（Central Coordinator，CCO）的角色，負(fù)責(zé)內(nèi)外機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組建、地址分配、權(quán)限管理、工程調(diào)試邏輯運(yùn)行等內(nèi)容，其余設(shè)備節(jié)點(diǎn)作為站點(diǎn)（Station，STA）。如果在外機(jī)進(jìn)行工程調(diào)試，則面臨著環(huán)境惡劣和人身安全問題。因此需要實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)側(cè)進(jìn)行工程調(diào)試，實(shí)現(xiàn)多聯(lián)機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組建和網(wǎng)關(guān)管理功能，達(dá)到機(jī)組便捷調(diào)試及維護(hù)的目的。

1.2 多聯(lián)機(jī)室內(nèi)側(cè)工程調(diào)試實(shí)現(xiàn)方法

在多聯(lián)機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，由中央?yún)f(xié)調(diào)器發(fā)起通訊網(wǎng)絡(luò)組建、地址分配、節(jié)點(diǎn)權(quán)限管理等功能，在機(jī)組運(yùn)行過程中，通常由主控外機(jī)擔(dān)任中央?yún)f(xié)調(diào)器的角色，但由于1.1節(jié)所述的原因，在工程調(diào)試階段見圖1，中央?yún)f(xié)調(diào)器的角色需由室內(nèi)側(cè)的設(shè)備擔(dān)任。

圖1 多聯(lián)機(jī)工程調(diào)試階段示意圖

在工程調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)，工程調(diào)試人員可根據(jù)實(shí)際需求，將外機(jī)、內(nèi)機(jī)或線控器等終端設(shè)備手動(dòng)或自動(dòng)切換為中央?yún)f(xié)調(diào)器角色，提高多聯(lián)機(jī)通工程調(diào)試的便捷性。

當(dāng)工程現(xiàn)場(chǎng)確定某設(shè)備需要作為中央?yún)f(xié)調(diào)器的角色時(shí)，由調(diào)試終端設(shè)備向通訊網(wǎng)絡(luò)廣播發(fā)送特殊的控制數(shù)據(jù)幀，當(dāng)目標(biāo)站點(diǎn)收到該數(shù)據(jù)幀后，自動(dòng)將角色切換為中央?yún)f(xié)調(diào)器角色，并發(fā)送廣播命令控制其他節(jié)點(diǎn)切換至站點(diǎn)角色。然后由當(dāng)前中央?yún)f(xié)調(diào)器發(fā)起組網(wǎng)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀，各站點(diǎn)收到允許組網(wǎng)標(biāo)志后請(qǐng)求入網(wǎng)，入網(wǎng)時(shí)公布自身屬性信息，包括設(shè)備屬性、MAC地址等信息。此處的調(diào)試終端設(shè)備是一種符合多聯(lián)機(jī)控制系統(tǒng)通訊協(xié)議，具備人機(jī)交互功能，用于多聯(lián)機(jī)工程調(diào)試的設(shè)備。

中央?yún)f(xié)調(diào)器收到站點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求后，根據(jù)站點(diǎn)的屬性信息分配通訊地址，根據(jù)站點(diǎn)的設(shè)備類型分配通訊權(quán)限，各站點(diǎn)接收到中央?yún)f(xié)調(diào)器分配的地址和權(quán)限設(shè)置信息后，保存至自身存儲(chǔ)器，并反饋入網(wǎng)成功標(biāo)志，中央?yún)f(xié)調(diào)器收到所有站點(diǎn)入網(wǎng)成功標(biāo)志后，結(jié)束組網(wǎng)。

工程調(diào)試結(jié)束之后，可以通過調(diào)試終端設(shè)備，設(shè)定機(jī)組運(yùn)行時(shí)如圖2的中央?yún)f(xié)調(diào)器角色設(shè)備。

圖2 多聯(lián)機(jī)運(yùn)行時(shí)示意圖

以上技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)側(cè)任意通訊節(jié)點(diǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)多聯(lián)機(jī)工程調(diào)試，有效解決了多聯(lián)機(jī)室外機(jī)工程調(diào)試的諸多問題。

2 高效通訊傳輸技術(shù)

2.1 多聯(lián)機(jī)機(jī)組通訊特點(diǎn)

多聯(lián)機(jī)空調(diào)由于系統(tǒng)龐大，內(nèi)外機(jī)數(shù)量眾多，進(jìn)而導(dǎo)致通訊數(shù)據(jù)量大，同時(shí)在使用中，用戶需要可以快速對(duì)機(jī)組進(jìn)行機(jī)組控制、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)查詢等功能，因此對(duì)通訊效率和實(shí)時(shí)性要求很高。采用電力線載波通信的多聯(lián)機(jī)空調(diào)網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 多聯(lián)機(jī)網(wǎng)絡(luò)示意圖

為了保證對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制、設(shè)置、查詢等操作，同時(shí)確保內(nèi)外機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的同步，通常耗費(fèi)大量的通訊帶寬資源來傳輸內(nèi)外機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，而這些狀態(tài)數(shù)據(jù)在大多情況下是緩慢變化的，冗余程度很高。周期性地發(fā)送大量冗余數(shù)據(jù)到通訊總線上，不僅占用帶寬資源，導(dǎo)致緊急狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送實(shí)時(shí)性降低，同時(shí)也增大了通訊系統(tǒng)的功耗，整個(gè)多聯(lián)機(jī)通訊系統(tǒng)的效率大大降低。

為了解決多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)存在的通訊實(shí)時(shí)性與通訊數(shù)據(jù)量的矛盾，需要設(shè)計(jì)一種無線多聯(lián)機(jī)高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，?jīng)過大量理論分析與實(shí)際通訊調(diào)試，確定通過采用通訊信標(biāo)幀和數(shù)據(jù)映射表結(jié)合的方式，達(dá)到在滿足實(shí)時(shí)刷新狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行機(jī)組控制、參數(shù)設(shè)置等用戶操作的同時(shí)，減少通訊數(shù)據(jù)發(fā)送量，降低通訊總線負(fù)載，以實(shí)現(xiàn)提高實(shí)時(shí)性、降低功耗，提高通訊效率的目的[2]。

2.2 多聯(lián)機(jī)高效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

多聯(lián)機(jī)機(jī)組完成工程調(diào)試后，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，將外機(jī)作為中央?yún)f(xié)調(diào)器設(shè)備角色，由中央?yún)f(xié)調(diào)器建立如表1所示數(shù)據(jù)映射表，數(shù)據(jù)映射表是一種具備數(shù)據(jù)格式的表示網(wǎng)絡(luò)中站點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)文件。該數(shù)據(jù)映射表存儲(chǔ)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有內(nèi)外機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。作為狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送方，通常情況下，只有當(dāng)狀態(tài)數(shù)據(jù)改變后，才會(huì)發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)為了維護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)的完整性，避免后接入設(shè)備可能無法收到完整的狀態(tài)數(shù)據(jù)，則不管狀態(tài)數(shù)據(jù)是否有更新，則每隔一段時(shí)間，狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送方需將自身所有狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上，為了保證總線通訊負(fù)載的穩(wěn)定性，各狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備節(jié)點(diǎn)將錯(cuò)峰均勻發(fā)送，避免總線負(fù)載數(shù)據(jù)劇烈變化。作為狀態(tài)數(shù)接收維護(hù)方，當(dāng)外機(jī)接收到內(nèi)外機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)有變化時(shí)，更新數(shù)據(jù)映射表中對(duì)應(yīng)內(nèi)外機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

表1 數(shù)據(jù)映射表示意圖

外機(jī)利用通訊信標(biāo)數(shù)據(jù)幀來維持內(nèi)外機(jī)的通訊鏈接，取消常規(guī)通訊中周期性的冗余狀態(tài)發(fā)送，增大通訊系統(tǒng)中控制幀和高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)幀的可利用帶寬。

中央?yún)f(xié)調(diào)器與站點(diǎn)之間的通訊數(shù)據(jù)幀主要包括：普通信標(biāo)幀、普通狀態(tài)幀、普通控制幀、特殊標(biāo)幀。分別介紹如表2[3]。

表2 通訊數(shù)據(jù)幀示意圖

通訊數(shù)據(jù)幀組成如圖4，可通過不同的功能碼用于區(qū)分不同的通訊數(shù)據(jù)幀，不同的通訊數(shù)據(jù)幀構(gòu)成不同；幀數(shù)據(jù)區(qū)中不同數(shù)據(jù)類別表示站點(diǎn)設(shè)備不同參數(shù)類型如屬性信息、參數(shù)狀態(tài)、設(shè)置參數(shù)等，并可根據(jù)數(shù)據(jù)為bit、byte、word等特征進(jìn)一步細(xì)分，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)解析與后續(xù)擴(kuò)展。

普通信標(biāo)幀：在中央?yún)f(xié)調(diào)器與站點(diǎn)的通訊鏈接中，不包含映射表信息，由中央?yún)f(xié)調(diào)器周期性發(fā)送。該數(shù)據(jù)幀由幀控制區(qū)和幀數(shù)據(jù)區(qū)構(gòu)成。信標(biāo)幀的數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度可變，且信標(biāo)幀通訊時(shí)間占用信標(biāo)周期時(shí)間很短。

特殊信標(biāo)幀：該類數(shù)據(jù)幀，包括站點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)映射表信息，只有當(dāng)站點(diǎn)設(shè)備有需求時(shí)，才會(huì)發(fā)送此類數(shù)據(jù)幀。

普通狀態(tài)幀：當(dāng)站點(diǎn)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生改變后，站點(diǎn)設(shè)備將會(huì)通過發(fā)送普通狀態(tài)幀給中央?yún)f(xié)調(diào)器，中央?yún)f(xié)調(diào)器將會(huì)更新該站點(diǎn)的數(shù)據(jù)映射表的對(duì)應(yīng)狀態(tài)信息。

普通控制幀：當(dāng)站點(diǎn)設(shè)備需要獲取完整的狀態(tài)信息時(shí)，例如集中控制器類顯示設(shè)備，需要顯示某內(nèi)機(jī)狀態(tài)參數(shù)信息時(shí)，需要發(fā)送普通狀態(tài)幀，用于請(qǐng)求對(duì)應(yīng)設(shè)備的完整狀態(tài)信息。中央?yún)f(xié)調(diào)器收到此數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)普通控制幀的請(qǐng)求信息，讀取相應(yīng)站點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)映射表狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過特殊信標(biāo)幀發(fā)送給請(qǐng)求設(shè)備，由此完成數(shù)據(jù)請(qǐng)求及數(shù)據(jù)發(fā)送服務(wù)。

通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)由以上通訊數(shù)據(jù)幀組成，除信標(biāo)幀外的通訊空閑為普通控制幀和普通狀態(tài)幀傳輸時(shí)間。

多聯(lián)機(jī)組通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸過程如圖4所示。

圖4 通訊數(shù)據(jù)傳輸流程圖

多聯(lián)機(jī)機(jī)組上電運(yùn)行后，由外機(jī)作為中央?yún)f(xié)調(diào)設(shè)備角色，機(jī)組內(nèi)機(jī)或其他設(shè)備作為站點(diǎn)角色將會(huì)加入到通訊網(wǎng)絡(luò)中。中央?yún)f(xié)調(diào)器將根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中站點(diǎn)數(shù)量、屬性等，建立數(shù)據(jù)映射表。站點(diǎn)由內(nèi)機(jī)、線控器、集中控制器等設(shè)備擔(dān)任，具有自身特性狀態(tài)信息，當(dāng)自身特性發(fā)生變化時(shí)，站點(diǎn)負(fù)責(zé)將變化的狀態(tài)信息發(fā)送給中央?yún)f(xié)調(diào)器。站點(diǎn)首次上電后將會(huì)把自身所有狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給中央?yún)f(xié)調(diào)器，后者將維護(hù)所有站點(diǎn)的完整狀態(tài)數(shù)據(jù)。

中央?yún)f(xié)調(diào)器在信標(biāo)周期內(nèi)周期性地發(fā)送信標(biāo)幀，維持通訊鏈接。

當(dāng)站點(diǎn)設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，站點(diǎn)將發(fā)送普通狀態(tài)幀，用于通知中央?yún)f(xié)調(diào)器準(zhǔn)備刷新該站點(diǎn)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，中央?yún)f(xié)調(diào)器收到站點(diǎn)設(shè)備普通狀態(tài)幀后，將會(huì)刷新該數(shù)據(jù)映射表中該站點(diǎn)設(shè)備對(duì)應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

當(dāng)站點(diǎn)設(shè)備需要完整的狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，主動(dòng)向中央?yún)f(xié)調(diào)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)，中央?yún)f(xié)調(diào)器收到站點(diǎn)設(shè)備請(qǐng)求后，通過特殊信標(biāo)幀發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)信標(biāo)幀中數(shù)據(jù)區(qū)所攜帶狀態(tài)數(shù)據(jù)為中央?yún)f(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)映射表數(shù)據(jù)。

通過以上設(shè)計(jì)，可以減少多聯(lián)機(jī)機(jī)組通訊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量，同時(shí)通過信標(biāo)幀、普通狀態(tài)幀、普通控制幀的發(fā)送方式，可以確保在信標(biāo)周期內(nèi)，站點(diǎn)設(shè)備更新數(shù)據(jù)和獲取完整狀態(tài)數(shù)據(jù)，保證了通訊數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求。

3 系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

在采用PLCC技術(shù)的無通訊線多聯(lián)機(jī)中，通過便捷工程調(diào)試技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)側(cè)任意設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工程調(diào)試，具備安全便捷的特點(diǎn)，有效解決了人身安全問題，大大提升了多聯(lián)機(jī)工程調(diào)試效率。

在通訊數(shù)據(jù)傳輸方面，當(dāng)機(jī)組網(wǎng)絡(luò)包括100個(gè)站點(diǎn)時(shí)，經(jīng)測(cè)試，總線負(fù)載率不超過30%。

通訊可靠性測(cè)試結(jié)果如表3所示。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，通訊成功率滿足多聯(lián)機(jī)產(chǎn)品需求。

表3 通訊可靠性測(cè)試

4 結(jié)束語

本文基于PLCC技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合多聯(lián)機(jī)空調(diào)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多聯(lián)機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)的便捷工程調(diào)試以及復(fù)雜電磁環(huán)境干擾下的高效通訊數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)抗干擾能力和通信可靠性滿足多聯(lián)機(jī)產(chǎn)品。