基于寬帶電力線載波的工控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

徐 肅，王 飛，劉永勝，史迪康，沈東亮，王 斌，李志浩

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司包頭供電分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

近年來(lái)，隨著“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略的實(shí)施，信息化和工業(yè)化正在深度融合，極大提升了工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化、智能化水平。目前，我國(guó)制造業(yè)正處在由大變強(qiáng)的關(guān)鍵時(shí)期，只有充分發(fā)揮“工業(yè)4.0”新引擎優(yōu)勢(shì)，才能在新的一輪數(shù)字化生產(chǎn)變革中脫穎而出。低壓配用電網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)覆蓋面最廣、傳輸節(jié)點(diǎn)最多的網(wǎng)絡(luò)，將成為下一代工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的代表。智慧工廠工控系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)面向工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景的典型案例。寬帶電力線載波具有寬頻譜、高載頻以及抗噪聲、抗衰減能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)公司用電信息采集系統(tǒng)，且易施工、成本低、不受環(huán)境條件限制，能夠勝任對(duì)工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)（如設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、帶載狀態(tài)等）的管理和監(jiān)控。為此，通過(guò)寬帶電力線載波通信技術(shù)，將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)通過(guò)中低壓電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸至本地工控中心和遠(yuǎn)端云平臺(tái)，便于智慧工廠管理者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息的及時(shí)掌控和集中調(diào)度。

1 智慧工廠工控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需求

智慧工廠為了掌握管控工業(yè)園區(qū)車間的工業(yè)設(shè)備，計(jì)量表計(jì)，安防監(jiān)控的狀態(tài)信息、示數(shù)和動(dòng)向，需要在現(xiàn)有工業(yè)園區(qū)低壓配電網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建立一套工控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)以下需求。

（1）通過(guò)手機(jī)、iPad等手持終端上的APP經(jīng)Internet，通過(guò)交換機(jī)向工控上位機(jī)或直接操控工控上位機(jī)向主信息采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送TCP/IP 協(xié)議封裝過(guò)的控制指令。

（2）主信息采集節(jié)點(diǎn)一方面接收來(lái)自工控上位機(jī)經(jīng)TCP/IP協(xié)議封裝過(guò)的控制指令，對(duì)其解封裝和解碼；另一方面需要將控制指令轉(zhuǎn)換為支持DL/T 645—2007《多功能電能表通信協(xié)議》的報(bào)文格式[1]，并將其發(fā)送到低壓電力線信道中，傳送至多個(gè)從信息采集節(jié)點(diǎn)。因此，主信息采集節(jié)點(diǎn)充當(dāng)著TCP/IP協(xié)議與DL/T 645—2007 協(xié)議的轉(zhuǎn)換器，需對(duì)協(xié)議轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行研究和解析。

（3）DL/T 645—2007協(xié)議報(bào)文在低壓電力線信道中傳輸，容易受工業(yè)用電環(huán)境中的線路傳輸衰減、噪聲干擾和工業(yè)設(shè)備負(fù)載阻抗變化的影響，因此對(duì)工業(yè)用電環(huán)境中的電力線信道特性分析至關(guān)重要，該分析結(jié)果將直接決定主信息采集節(jié)點(diǎn)和從信息采集節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

（4）根據(jù)信道特性，研究設(shè)計(jì)主信息采集節(jié)點(diǎn)與從信息采集節(jié)點(diǎn)硬件電路，要求二者可以實(shí)現(xiàn)即插即用。從信息采集節(jié)點(diǎn)需要配置與主信息采集節(jié)點(diǎn)一樣的寬帶電力線載波通信芯片，通過(guò)載波信號(hào)調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)二者的無(wú)礙交互。另外，由于從信息采集節(jié)點(diǎn)連接著各種類型的工業(yè)設(shè)備、計(jì)量表計(jì)和安防監(jiān)控等設(shè)施，在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)須預(yù)留多種接口。

（5）主信息采集節(jié)點(diǎn)需要配備路由芯片，以實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和路由匯聚等功能。在與多個(gè)從信息采集節(jié)點(diǎn)形成局域網(wǎng)絡(luò)后，主信息采集節(jié)點(diǎn)向從信息采集節(jié)點(diǎn)廣播和散發(fā)控制命令，實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的智能化管理。為了保證局域網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，需要優(yōu)化主信息采集節(jié)點(diǎn)與從信息采集節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)路由算法，要求該算法能夠在不依賴網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和歷史數(shù)據(jù)下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)。

2 智慧工廠通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在智慧工廠的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，有大量的計(jì)量設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)備。根據(jù)“工業(yè)4.0”和智能制造的要求，原孤立的工業(yè)設(shè)備會(huì)通過(guò)聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)。要實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的有序組網(wǎng)和動(dòng)態(tài)控制，在不改造工廠現(xiàn)有電路布局的前提下，依賴園區(qū)現(xiàn)有的低壓電力線作為寬帶載波通信的主干通信網(wǎng)絡(luò)線纜，結(jié)合連接工業(yè)設(shè)備的分布式傳感器作為網(wǎng)絡(luò)末梢，即可組建工控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 工控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Communication network of industrial control system

圖中，網(wǎng)絡(luò)中的從信息采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)USART、ModBus、RS-485 等有線通信與生產(chǎn)環(huán)境的工業(yè)設(shè)備相連，通過(guò)DL/T 645—2007 協(xié)議報(bào)文將收集的信息匯聚至主信息采集節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)RJ45 接口以TCP/IP協(xié)議傳輸至工控上位機(jī)進(jìn)行本地處理，同時(shí)將匯聚的信息上傳至云端進(jìn)行計(jì)算、顯示、監(jiān)控。根據(jù)收集到的能源消耗/產(chǎn)能對(duì)比數(shù)據(jù)，對(duì)企業(yè)運(yùn)營(yíng)和生產(chǎn)過(guò)程的能源消耗狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析和評(píng)估，優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的能耗流程，降低能源消耗成本，提高生產(chǎn)效率[2]。

3 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換

DL/T 645—2007協(xié)議作為主信息采集節(jié)點(diǎn)下行通信鏈路的報(bào)文協(xié)議，在低壓電網(wǎng)配用電側(cè)用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、在線拉合閘、防竊電等場(chǎng)景中已廣泛應(yīng)用。在DL/T 645—2007 協(xié)議報(bào)文數(shù)據(jù)幀的基礎(chǔ)上擴(kuò)展數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，即根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際監(jiān)測(cè)需求編制具體的設(shè)備控制指令，可額外實(shí)現(xiàn)智慧工廠室內(nèi)溫濕度、煙霧濃度、有害氣體濃度、門禁安防狀態(tài)、工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息的采集。設(shè)備控制指令如表1所示。

表1 設(shè)備控制指令Tab.1 Equipment control instructions

主信息采集節(jié)點(diǎn)的上行通信協(xié)議為TCP/IP 協(xié)議。根據(jù)DL/T 645—2007 協(xié)議與TCP/IP 協(xié)議報(bào)文格式的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)二者轉(zhuǎn)換模型如圖2所示。

圖2 DL/T 645—2007協(xié)議與TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換模型圖Fig.2 DL/T 645—2007 protocol to TCP/IP protocol conversion model diagram

由圖2 可知，通過(guò)工控上位機(jī)獲取工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)，需先由從信息采集節(jié)點(diǎn)將從工業(yè)設(shè)備、計(jì)量表計(jì)、安防設(shè)施、溫濕度傳感器等終端上獲取的數(shù)據(jù)按照DL/T 645—2007 協(xié)議的報(bào)文格式進(jìn)行封裝，再通過(guò)低壓電力線傳輸至主信息采集節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)卡上進(jìn)行解封裝。解封后的報(bào)文數(shù)據(jù)由信息采集節(jié)點(diǎn)上的信號(hào)調(diào)制解調(diào)芯片進(jìn)行解調(diào)和解碼，得到源數(shù)據(jù)，然后再將源數(shù)據(jù)按照規(guī)定的應(yīng)用層格式進(jìn)行封裝，存入以太網(wǎng)接口的發(fā)送緩沖區(qū)。在發(fā)送緩沖區(qū)形成以太網(wǎng)幀，再通過(guò)主信息采集節(jié)點(diǎn)的RJ45接口發(fā)往工控上位機(jī)。

反之，當(dāng)工控上位機(jī)向工控系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)中的工業(yè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)采集或控制指令時(shí)，則需按照上述的路徑逐步返回。在經(jīng)過(guò)主信息采集節(jié)點(diǎn)時(shí)，將數(shù)據(jù)按照DL/T 645—2007 協(xié)議的報(bào)文格式封裝好，經(jīng)信息采集節(jié)點(diǎn)上的信號(hào)調(diào)制解調(diào)芯片編碼、調(diào)制后存入寄存器并發(fā)送至緩沖區(qū)，再經(jīng)低壓電力線傳輸至局域網(wǎng)絡(luò)中的工業(yè)設(shè)備。

4 工業(yè)用電環(huán)境電力信道特性分析

要在低壓電力線上實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，需獲知低壓電力線信道特性，建立對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)模型以便分析。由于低壓配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、分支眾多且各供配電臺(tái)區(qū)的等效阻抗難以實(shí)現(xiàn)相互匹配，這就決定了信號(hào)在網(wǎng)內(nèi)傳輸?shù)摹岸鄰叫?yīng)”，如圖3所示。

圖3 多徑效應(yīng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of multipath effect

由圖3可知，時(shí)域信號(hào)S(t)從發(fā)送端到接收端經(jīng)歷了N 條路徑，每條路徑由特定的時(shí)延參數(shù)τi和損耗系數(shù)Ci（i=1…N）構(gòu)成[3]。經(jīng)過(guò)路徑分流和電力熱噪聲干擾后，信號(hào)衰減為r(t)。在此模型中，信道特性可以由離散的沖激響應(yīng)h(t)來(lái)描述：

式中：δ為脈沖沖擊響應(yīng)。

h(t)對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)H(f)為：

式中：f為信號(hào)頻率。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法可以求得Ci的表達(dá)式為：

式中：li為信道分支長(zhǎng)度；g（f）為信號(hào)在頻率f處的信道響應(yīng)；gi（f）為信號(hào)在第i 個(gè)信道的頻率響應(yīng)；α（f）為衰減因子；di為第i個(gè)信道的傳輸距離。

引入電磁波信號(hào)在電力線中的傳播速度Vp，經(jīng)過(guò)公式變換，得到傳遞函數(shù)H（f）的表達(dá)式為：

其中，衰減因子α(f)的表達(dá)式為：

式中：α0、α1、k是衰減因子。

結(jié)合公式（4）和公式（5）可以得到：

該模型可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

式中：gi為信道i 的加權(quán)因子；衰減因子k 一般取值0.5～1。公式（7）是描述低壓電力線信道增益的基礎(chǔ)。

在低壓供配電臺(tái)區(qū)中，延伸至每個(gè)用電單位的電力線纜是組成低壓電力網(wǎng)絡(luò)的微小單元。在該單元內(nèi)，電力電纜布線結(jié)構(gòu)迥異，用電設(shè)備的阻抗特性也互不相同。圖4是某工廠車間內(nèi)部低壓電力電纜布線的一般結(jié)構(gòu)圖，其中電力線規(guī)格為直徑1.6 mm，2芯。從圖中可以看出，低壓電力線分支眾多，終端用電設(shè)備無(wú)規(guī)律地接入和斷出，動(dòng)態(tài)影響著低壓電力線的輸入阻抗。當(dāng)?shù)蛪弘娏€輸入阻抗與載波信號(hào)發(fā)射機(jī)的輸出阻抗不匹配時(shí)，載波信號(hào)在低壓電力線的傳輸過(guò)程中會(huì)遭遇反射、折射等一系列的物理過(guò)程，該過(guò)程會(huì)衰減、分散載波信號(hào)的能量，造成數(shù)據(jù)丟失。

圖4 某工廠內(nèi)部電力線布線一般結(jié)構(gòu)圖Fig.4 General structure diagram of internal power line wiring in a certain factory

按照統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，根據(jù)文獻(xiàn)[3]在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下載波通信測(cè)試的結(jié)果，對(duì)公式（7）進(jìn)行擬合，可以量化為信號(hào)衰減模型：

式中：x 為信號(hào)衰減值；衰減因子k 對(duì)于中低壓電力線路一般取值12.2×10-3；L 為電力電纜長(zhǎng)度；λ為電力電纜的分支數(shù)；ac為電力電纜每千米的衰減；Ic為兩端高頻電纜的總長(zhǎng)度。通過(guò)實(shí)測(cè)，信號(hào)衰減通常在50 dB以上[3]。

從公式（8）可以看出，信號(hào)的衰減特性與電力電纜的長(zhǎng)度、信號(hào)頻率、電力電纜的分支數(shù)都成正比例關(guān)系[4]。通過(guò)分析低壓電力線信道特性可知，工控系統(tǒng)的主從信息采集節(jié)點(diǎn)之間要實(shí)現(xiàn)正常通信，就必須建立在這些信息采集節(jié)點(diǎn)能夠有效抵抗低壓電力線信道信號(hào)衰減特性的基礎(chǔ)之上。

采用可靠性高、通信速度快、抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉的寬帶電力線載波芯片是組建低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。性能優(yōu)越的寬帶電力線載波芯片發(fā)射的高頻載波信號(hào)在低壓電力線上傳輸時(shí)會(huì)具備較強(qiáng)的應(yīng)變能力?？紤]到工業(yè)生產(chǎn)中各個(gè)環(huán)節(jié)需要交互的數(shù)據(jù)量較大，實(shí)時(shí)性要求也較高，因此在設(shè)計(jì)主從信息采集節(jié)點(diǎn)時(shí)均采用了基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplesion，OFDM）多載波技術(shù)的寬帶電力線載波芯片[5-6]，這類芯片的信號(hào)載頻為2～30 MHz，子載波數(shù)量可達(dá)1200 個(gè)，能自動(dòng)規(guī)避家用電器產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲，最大程度抵抗“多徑效應(yīng)”和噪聲干擾，保證數(shù)據(jù)即時(shí)、高速傳輸。

5 信息采集節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

考慮到工業(yè)通信基礎(chǔ)設(shè)施多采用RS-232、RS-485、USB、ModBus、ProfiBus、CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在設(shè)計(jì)信息采集節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以為這些通信方式預(yù)留接口，以實(shí)現(xiàn)與多樣化工業(yè)設(shè)備互通，并結(jié)合多類型傳感器或嵌入式數(shù)采裝置，實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備信息數(shù)據(jù)的直接采集。在芯片選型上，經(jīng)市場(chǎng)對(duì)比，采用高通QCA6411芯片作為主從信息采集節(jié)點(diǎn)的硬件電路核心，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的封裝、解封、調(diào)制、解調(diào)和發(fā)射、接收等。

5.1 主信息采集節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的主信息采集節(jié)點(diǎn)包括電力線載波通信芯片QCA6411、接收濾波電路、載波驅(qū)動(dòng)電路、載波耦合電路、以太網(wǎng)接口Ethernet、UART 串口、SPI 串口、GPIO 串口、A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路等，其電路示意圖如圖5所示。

圖5 主信息采集節(jié)點(diǎn)電路Fig.5 Main information collection node circuit

主信息采集節(jié)點(diǎn)具備組建、管理網(wǎng)絡(luò)等功能，能夠快速處理從信息采集節(jié)點(diǎn)返回的信息，以獲得有效數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)，這些有效數(shù)據(jù)包括工控系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系表、網(wǎng)絡(luò)地址和物理地址對(duì)照表等。主信息采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)以太網(wǎng)接口與工控中心PC機(jī)或網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接完成海量數(shù)據(jù)交互，利用耦合電路實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)在低壓電力線中的有效提取和控制信息的注入。

5.2 從信息采集節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

在工控系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)中，從信息采集節(jié)點(diǎn)分散在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)管理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，為生產(chǎn)的安全高效進(jìn)行提供保障。由于現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)設(shè)備眾多，需要借助大量的從信息采集節(jié)點(diǎn)將設(shè)備接入到本地局域網(wǎng)絡(luò)中。通常情況下，每個(gè)設(shè)備都要配備一個(gè)從信息采集節(jié)點(diǎn)，而主信息采集節(jié)點(diǎn)作為信息匯聚網(wǎng)關(guān)，一般在單個(gè)生產(chǎn)車間內(nèi)只需安裝一個(gè)[7]。因此從信息采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要遵循簡(jiǎn)單、高效、可靠的準(zhǔn)則。從信息采集節(jié)點(diǎn)的電路示意圖如圖6所示。

圖6 從信息采集節(jié)點(diǎn)電路Fig.6 Slave information collection node circuit

在電路設(shè)計(jì)上，從信息采集節(jié)點(diǎn)與主信息采集節(jié)點(diǎn)的電力線載波調(diào)制解調(diào)芯片、驅(qū)動(dòng)電路、接收濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、載波耦合電路相同，差異主要體現(xiàn)在從信息采集節(jié)點(diǎn)增設(shè)了STM32 嵌入式控制芯片，用于采集現(xiàn)場(chǎng)信息并通過(guò)擴(kuò)展外圍接口如GPIO、I2C、SPI、CAN接口以及以太網(wǎng)接口Ethernet、UART 串口和USART 串口，來(lái)實(shí)現(xiàn)各類能耗計(jì)量設(shè)備的數(shù)據(jù)接入和控制功能，從而極大地提升了從信息采集節(jié)點(diǎn)的兼容性和控制能力。

5.3 接口電路設(shè)計(jì)

接口電路能夠完成寬帶電力線載波通信信號(hào)的發(fā)射和接收，為主信息采集節(jié)點(diǎn)與從信息采集節(jié)點(diǎn)的通信交互提供透明傳輸渠道[7]。設(shè)計(jì)接口電路如圖7所示，主要由耦合電路、接收電路、發(fā)送電路3部分組成[5]。

圖7 接口電路圖Fig.7 Interface circuit diagram

5.3.1 接收電路

接收電路的主要任務(wù)是濾除寬帶電力線載波通信信號(hào)中摻雜的電力諧波、電網(wǎng)熱噪聲等干擾因素。帶通濾波器的通帶范圍為1.78～31 MHz，保證了接收電路接收的信號(hào)滿足2～30 MHz 載頻使用范圍。相比于巴特沃斯濾波器，切比雪夫?yàn)V波器在通帶或阻帶內(nèi)的衰減是等紋波的，且成本更低，所以選擇切比雪夫Ⅰ型帶通濾波器來(lái)設(shè)計(jì)接收電路。該濾波器由圖7的電阻R3、R4、R5、電容C1、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C11和電感L2、L3、L4、L5、L6、L7等元件構(gòu)成，工作電壓Vcc為3.3 V。在圖7 中，R4、R5是等效的電力線輸出阻抗，取值50 Ω以匹配線路阻抗。在帶通濾波網(wǎng)絡(luò)右側(cè)，穩(wěn)壓二極管D1—D4構(gòu)成雙向限幅電路，防止信號(hào)幅度太大損壞后續(xù)的信號(hào)解碼電路。

5.3.2 發(fā)送電路

發(fā)送電路能以最高的效率將寬帶電力線載波通信信號(hào)注入至220 V 低壓電力線上，并能有效防止低壓電力線上的背景噪聲反撲進(jìn)入主電路中干擾其性能。QCA6411芯片在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制、濾波和差分放大等處理后，由引腳TXOUT_P、TXOUT_N輸出調(diào)制后的高頻信號(hào)，再通過(guò)分布式電容C2、C12、C13、C14、C15 組成的整形電路對(duì)寬帶電力線載波通信信號(hào)進(jìn)行整形和二次濾波，最后由耦合電路耦合至低壓電力線上。QCA6411 芯片內(nèi)部集成了信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路。由穩(wěn)壓二極管D5—D8構(gòu)成的雙向限幅電路能有效防止浪涌、信號(hào)幅度太大等因素對(duì)QCA6411芯片內(nèi)核電路的損壞。

5.3.3 耦合電路

耦合電路能實(shí)現(xiàn)寬帶電力線載波通信信號(hào)在低壓電力線上的注入和提取。圖7 中，隔離變壓器T1的輸出端串聯(lián)電阻R2后接在220 V交流電源V1的零線上，另一端串聯(lián)安規(guī)電容C10和電阻R1后接在火線L 上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)50 Hz 工頻信號(hào)的隔離。QCA6411 芯片通過(guò)耦合電路提取低壓電力線上傳輸?shù)膶拵щ娏€載波通信信號(hào)，然后由模擬前端（Analog Front End，AFE）的RXIN_P、RXIN_N 管腳進(jìn)入QCA6411芯片內(nèi)部完成濾波、解調(diào)等操作以恢復(fù)原始的數(shù)字信號(hào)。雙向瞬態(tài)抑制二極管TVS（型號(hào)P6KE200A）可防止接口電路被電力線路中突發(fā)的尖峰信號(hào)損毀，起到保護(hù)電路和元器件的作用。

6 組網(wǎng)路由算法

智慧工廠工控系統(tǒng)的局域網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主信息采集節(jié)點(diǎn)和N 個(gè)從信息采集節(jié)點(diǎn)組成，是以低壓電力線信道為主干通信網(wǎng)絡(luò)的小型本地通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由n（n≥N）條點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信鏈路通過(guò)特定的路由算法組合而成[8-17]。根據(jù)低壓電力線信道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為保障主從信息采集節(jié)點(diǎn)組建網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性，基于載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（Carrier Sense Mulgiple Access/Collision Detection，CSMA）技術(shù)，以洪泛算法為基礎(chǔ)框架，設(shè)計(jì)了一種不依賴網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)算法，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)示意圖如圖8所示。

圖8 動(dòng)態(tài)組網(wǎng)示意圖Fig.8 Dynamic networking diagram

動(dòng)態(tài)組網(wǎng)算法在源節(jié)點(diǎn)發(fā)出指令的瞬間開(kāi)始組網(wǎng)，不依賴于歷史數(shù)據(jù)，在CSMA 技術(shù)的基礎(chǔ)上，能夠有效避讓沖突，實(shí)現(xiàn)有序的路由中繼、全網(wǎng)設(shè)備協(xié)調(diào)互動(dòng)，以最快的速度找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)步驟如下。

（1）主信息采集節(jié)點(diǎn)根據(jù)洪泛算法機(jī)制建立中心路由表，由源節(jié)點(diǎn)發(fā)出分組數(shù)據(jù)信號(hào)至工控系統(tǒng)的局域網(wǎng)絡(luò)中，其余從信息采集節(jié)點(diǎn)接收分組數(shù)據(jù)并監(jiān)聽(tīng)。

（2）從信息采集節(jié)點(diǎn)計(jì)算出相對(duì)電氣距離值，然后對(duì)電氣距離值進(jìn)行排序，形成一張電氣距離表。源節(jié)點(diǎn)不斷發(fā)出分組數(shù)據(jù)信號(hào)，電氣距離值也會(huì)動(dòng)態(tài)變化，且電氣距離表也隨之動(dòng)態(tài)更新。

（3）主信息采集節(jié)點(diǎn)開(kāi)始組網(wǎng)時(shí)，到達(dá)每個(gè)從信息采集節(jié)點(diǎn)的路徑上都會(huì)有相等的“信息素”，下發(fā)的數(shù)據(jù)幀攜帶分組數(shù)據(jù)信息向目標(biāo)從信息采集節(jié)點(diǎn)前進(jìn)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)從信息采集節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)幀會(huì)按照“信息素”的轉(zhuǎn)移規(guī)則更新該中繼路徑上“信息素”的強(qiáng)度。

（4）充當(dāng)中繼器的從信息采集節(jié)點(diǎn)在收到相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀時(shí)，會(huì)更新路由線路的跳數(shù)信息。如果源節(jié)點(diǎn)下發(fā)的數(shù)據(jù)幀未到達(dá)目的從信息采集節(jié)點(diǎn)，則轉(zhuǎn)入下一跳，否則丟棄該數(shù)據(jù)幀。

（5）源節(jié)點(diǎn)下發(fā)的數(shù)據(jù)幀最終到達(dá)目的從信息采集節(jié)點(diǎn)時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)隨即發(fā)出回應(yīng)幀，并沿下發(fā)路由線路的反向路由表回到源節(jié)點(diǎn)。在應(yīng)答幀向源節(jié)點(diǎn)應(yīng)答的過(guò)程中，中間子節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，也會(huì)將臨近的“信息素”強(qiáng)度重新更新，并建立到達(dá)目的從信息采集節(jié)點(diǎn)的路由表。同時(shí)，應(yīng)答幀按原路徑返回至主信息采集節(jié)點(diǎn)后，對(duì)經(jīng)過(guò)路徑的信道質(zhì)量進(jìn)行特性評(píng)估，并采用全局更新規(guī)則更新全局最優(yōu)路徑上的“信息素”濃度。

（6）通過(guò)某從信息采集節(jié)點(diǎn)的通信成功率越高，該從信息采集節(jié)點(diǎn)附近的“信息素”的濃度就會(huì)越大，當(dāng)主信息采集節(jié)點(diǎn)再次下發(fā)數(shù)據(jù)幀時(shí)，載波信號(hào)選擇該線路傳輸?shù)母怕示蜁?huì)增大，通信的成功率也會(huì)上升，這樣就形成了一個(gè)負(fù)反饋機(jī)制的閉環(huán)通信管理模式。

動(dòng)態(tài)組網(wǎng)算法不依賴于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)由寬帶電力線載波通信設(shè)備自動(dòng)完成，不受中繼級(jí)數(shù)的限制，可實(shí)現(xiàn)即裝即用、故障信息的主動(dòng)上報(bào)，即便是更換故障節(jié)點(diǎn)也不會(huì)影響通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性[18-31]。網(wǎng)絡(luò)中的從信息采集節(jié)點(diǎn)采用多包數(shù)據(jù)并聯(lián)轉(zhuǎn)發(fā)模式，這種模式在設(shè)備物理層性能一定的情況下，可以有效提高組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的抗衰減和抗噪聲能力。

7 性能測(cè)試

7.1 信息采集節(jié)點(diǎn)載頻帶寬測(cè)試

隨機(jī)選取智慧工廠某車間帶電插排，接入主從信息采集節(jié)點(diǎn)，待其上電后，通過(guò)耦合裝置將寬帶載波信號(hào)捕捉至頻譜分析儀，其頻譜特性圖如圖9所示。

圖9 寬帶載波信號(hào)頻譜特性圖Fig.9 Spectrum characteristic diagram of broadband carrier signal

從圖9 可以看出，信息采集節(jié)點(diǎn)的信號(hào)載頻帶寬為1.8～28.02 MHz，與設(shè)計(jì)的接收電路工作頻段基本一致。在該頻段內(nèi)，即便是經(jīng)過(guò)40 dB 的信道模擬衰減，信號(hào)的電平峰值仍為15.55 dBm，對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)為5.92 MHz。

7.2 組網(wǎng)能力測(cè)試

以智慧工廠某正在作業(yè)的車間為獨(dú)立試驗(yàn)環(huán)境，待主從信息采集節(jié)點(diǎn)全部上電后，通過(guò)網(wǎng)線將測(cè)試電腦與主信息采集節(jié)點(diǎn)相連，刷新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，得到在網(wǎng)設(shè)備信息如圖10所示。

圖10 在網(wǎng)設(shè)備信息Fig.10 On-line device information

從圖10可以看出，工控中心成功采集在網(wǎng)從信息采集節(jié)點(diǎn)的信息僅耗時(shí)1 s。點(diǎn)擊圖10功能界面上的“拓?fù)湟晥D”按鈕，呈現(xiàn)出的路由結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11。

圖11 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.11 Topology structure

從圖11可以看出，試驗(yàn)環(huán)境的主從信息采集節(jié)點(diǎn)形成了堅(jiān)強(qiáng)的5 級(jí)級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且有5 個(gè)從信息采集節(jié)點(diǎn)充當(dāng)著中繼器的作用。

8 結(jié)語(yǔ)

本文基于智慧工廠管理需求，設(shè)計(jì)了以信息采集節(jié)點(diǎn)為終端通信設(shè)備的工控系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)。該局域網(wǎng)絡(luò)依托工業(yè)園區(qū)低壓電力線為主干通信網(wǎng)絡(luò)，以短距離有線傳輸方式作為設(shè)備接入接口，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)園區(qū)生產(chǎn)車間的全區(qū)域、無(wú)盲區(qū)覆蓋。在某智慧工程工業(yè)園區(qū)進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果可知，運(yùn)用動(dòng)態(tài)組網(wǎng)算法，主從信息采集節(jié)點(diǎn)之間可形成5級(jí)深度的穩(wěn)定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。事實(shí)證明，以低壓電力線作為主干通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工控系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化是可行的，具備在生產(chǎn)環(huán)境應(yīng)用的條件。