无线与PLC通信技术在FFU群控系统中的应用

汪义旺 宋 佳 张 波 潘 辉

(苏州市职业大学电子信息工程系1，江苏 苏州 215104;浙江大学电气工程学院2，浙江 杭州 310027;苏州市汉达工业自动化有限公司3，江苏 苏州 215129)

0 引言

大型的净化工程常需采用多台风机过滤单元(fan filter unit，FFU)组成群控系统［1－2］。目前，FFU 群控系统的组网多为有线方式。该方式存在布线复杂、成本和故障率高、抗干扰能力差、工作不稳定、维护困难等问题。随着无线和电力线载波通信(power line communication，PLC)技术的发展，将无线与 PLC技术相结合，发挥两者的优势，组成新型的FFU群控系统，能够有效克服常规组网方式的弊端和不足，提高FFU群控技术的网络信息化和自动化水平。

本文提出了一种基于无线和电力载波通信技术的新型FFU群控系统的设计方案和实现方法，给出了系统的软硬件设计思路，并对所开发的系统进行了试验验证。

1 无线与电力载波通信技术

随着通信及网络技术的发展，人们对无线通信技术有了更多的需求，尤其是近年来“物联网”概念的提出，极大地推动了短距离无线通信技术的发展［3］。同时，随着无线通信技术的快速发展，采用无线通信的方式进行各种物理参数的监测也越来越引起人们的关注［4］。

PLC技术则是以低压配电线作为信息传输媒介进行数据或语音等传输的一种特殊通信方式［5－6］。由于供电网络本身是一种方便、低成本、高可靠性的通信媒介，从而使得电力载波通信使用方便、成本低、易实现［7－8］。目前，PLC技术已在各种控制系统中得到广泛的应用。将无线和PLC技术相结合，充分发挥各自的优势，并将其应用于FFU群控系统，可以减少系统布线、提高灵活性和可扩展性，适用于跨车间的多FFU设备群控的大型净化工程应用。

2 系统整体结构

基于无线与电力线载波通信技术的FFU群控系统由监控管理中心、数据集中采集器、无线数据收发节点和若干FFU测控单元组成，系统整体结构框图如图1所示。

图1 系统整体结构图Fig.1 Overall structure of the system

在同一净化车间供电线路上，各个FFU测控单元与无线数据收发节点间采用PLC技术组网，电力线路既可以作为电能传输通道，也可以作为数据信息传输的路径，大大简化了系统布线和安装设计。无线数据收发节点将接收采集到的数据通过无线通信网络传送到数据集中采集器，并接收来自数据集中采集器的指令数据。数据集中采集器与监控管理中心之间采用USB进行数据交换。

3 硬件系统设计

3.1 数据集中采集器

数据集中采集器主要完成无线通信数据和USB通信间的数据收发转换，采用Nordic最新研发的超低功耗无线技术以及USB2.0技术nRF24LU1进行设计。nRF24LU1是Nordic公司推出的一款将高性能的射频收发器等功能高度集成的无线收发芯片。nRF24LU1内含无线传输模块、增强型51Flask高速单片机和USB2.0接口等，同时集成了电压转换模块，直接由USB总线供电，无需再加电压转换芯片［9－11］。数据集中采集器电路［9］由主芯片、外围电路、天线和 USB接口电路等组成，如图2所示。

图2 数据集中采集器电路Fig.2 Circuitry of the centralized data collector

3.2 PLC 通信电路

电力通信电路采用北京福星晓程电子科技股份有限公司的PL2102芯片设计。PL2102是特别针对中国电力网恶劣的环境研制开发的、专用于低压电力线通信网络设计的半双工异步调制解调器。

功率放大电路是由晶体管2SC1015与三极管9015组成的两级互补功放电路。当控制器处于发射状态时，主控单片机控制PL2102开始发送数据，数据经过PL2102扩频后由PSKOUT脚输出给功率放大电路进行功率放大;然后经过一个LC带通滤波器使信号达到电力线载波通信的谐波要求;最后通过耦合电路将调制信号加载到电力线上。

在信号滤波限幅耦合电路中，耦合电路由耦合线圈和电容组成。电容用于滤除工频信号和低频干扰。发送数据时，信号经过功率放大滤波后传送至耦合电路，再经耦合电路耦合到电力线上。接收数据时，电力线上扩频调制信号经耦合电路进入滤波限幅电路。

滤波限幅部分主要由并联二极管IN4148与双向瞬变电压抑制二极管组成。由电感与电容组成并联谐振回路，能对有效信号进行带通滤波。信号最后通过模拟信号输入SIGIN脚进入PL2102芯片，进行混频解扩处理［8］。

PL2102的功率放大电路与信号滤波限幅耦合电路如图3 所示［12］。

图3 功率放大与信号滤波限幅耦合电路Fig.3 Power amplification and signal filtering limiting coupling circuit

3.3 无线数据收发节点

无线数据收发节点主要完成电力载波通信数据与无线通信数据间的转发，实现供电线上测控单元的数据与监控管理中心间的组网通信。收发节点采用Nordic公司的 nRF24LE1 无线 SoC 单片机［13－14］。nRF24LE1 内嵌了无线收发内核nRF2401和增强型8051 MCU，具有丰富的外设资源，设计开发简便。nRF24LE1与PLC间采用I2C接口进行数据交换通信。无线数据收发节点电路包括PLC接口电路、显示和人机接口电路等，其电路原理图如图4所示。

图4 无线数据收发节点电路Fig.4 Wireless data transceiver node circuit

3.4 测控终端单元

测控终端单元主要完成PLC、FFU变频调速控制及信号采集的功能，其硬件组成框图如图5所示。测控单元以Microchip公司的16位数字信号控制器dsPIC30F2010为核心，利用dsPIC30F2010片上的电机控制PWM控制专用模块，结合主电路可完成FFU风机的智能变频调速控制［15－16］。测控单元采用 I2C接口与PL2102电力载波通信模块连接，完成数据通信组网;并通过片上的10位模数转换器(ADC)完成电参数的信号采集;通过正交编码器接口采集电机转速并计算输出风量。

图5 测控终端单元硬件组成图Fig.5 The hardware components of control terminal unit

通过对主电路的变换和控制，将输入的交流电能变成电压和频率可调的交流电输出，供给FFU风机，从而根据需要改变风机的转速，以达到风量精确控制的目标［17］。测控终端模块可将采集的电参数、转速风量等信息通过PLC通信网络上传到无线数据收发节点，再通过无线网络上传到监控管理中心，并接收指令进行相应的动作，组成多FFU网络化远程群控系统。

4 软件系统设计

4.1 监控管理中心软件设计

监控管理中心是FFU群控系统的监控管理系统，其软件采用基于Visual Studio开发平台进行开发设计。整个监控系统是集用户管理、系统运行实时监控、变频调速控制、事件日志管理、通信管理模块、数据库管理等于一体的综合管理信息平台。通过对平台的管理和操作，可以实时监控系统中每台FFU的运行状态信息，实施远程调度控制，并可打印查询运行日志和事件记录等［18－19］。

4.2 测控单元软件设计

测控终端单元控制软件主要是对dsPIC30F2010控制软件的设计和开发。本文基于Microchip的集成环境MPLAB IDE开发环境，利用C语言编程语言编写控制程序，并采用模块化设计思想设计软件。测控单元的控制软件设计主要包括:主程序模块、工作模式处理模块、智能算法闭环控制模块、人机接口处理模块和PLC通信模块等。控制软件主程序流程图如图6所示。

图6 主程序流程图Fig.6 Flowchart of the main program

控制单元上电开始工作时，先对寄存器和变量等参数进行初始化配置，并调用PLC通信和人机接口等子程序，读取指令和信息数据进行分析判断;再调用相应的子程序，配合监控管理中心完成对所连接FFU的就地控制和数据采集。

5 试验测试和工程应用

根据上述设计方案，开发设计了新型的基于无线与PLC的FFU群控系统并进行试验验证。试验FFU台数为5000台，无线数据收发节点为25个，无线节点与数据集中采集器最远距离为150 m。大量运行测试试验结果表明，该套群控系统通信数据实时准确、系统工作稳定。系统成功应用于某电子厂超净工作车间的洁净工程。从长期工作运行结果看，较传统的控制系统而言，该系统具有可控性好、设计成本低、组网简便和布线少等优点，达到了预期的设计参数目标要求，满足了工厂洁净工程的实际需求，受到了用户的好评。

6 结束语

针对传统的FFU群控系统存在的组网布线难、可扩展性差和可靠性低等问题，本文提出了一种基于无线和PLC技术的新型FFU群控系统。该系统通过PLC技术把同一车间供电线路上的各个测控单元汇集到无线数据收发控制节点，再利用无线通信网络与监控管理中心进行组网。对系统的原理和硬软件设计进行了详细的阐述和介绍，并对系统进行了开发。试验结果表明，系统可扩展性强、可控性好、组网灵活、设计成本低，具有较高的应用和市场推广价值。

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