基于电力线载波通信的空调控制系统设计与实现

张光旭 杨 都 刘泉洲 叶铁英 赖东锋

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

电力线载波通信（Power Line Carrier Communication，简称PLCC）是一种通过电力线进行数据传输的通讯技术[1]，该通讯方式无需专用通讯线，可大幅降低设备成本、布线成本、人工安装成本以及现场施工难度，同时又具备信号可穿墙、远距离衰减小、抗干扰能力强的特点。

多联机空调控制系统网络，由室外机、室内机、线控器等数百个系统节点构成，通讯距离长达上千米，控制系统复杂，通讯数据量大，工程现场电磁环境多变。在此条件下，控制可靠性、实时性要求高。电力线载波通信的低成本、高带宽的特点，非常适合应用于多联机控制系统通讯。在多联机空调控制系统通讯方式中，采用电力线载波通信的工程机组愈来愈多。

由于多联机机组和电力线载波通讯技术的一些固有特点，控制系统需要解决以下两个问题：便捷工程调试技术、高效数据传输技术。方能最大程度地发挥电力线载波通讯技术优点，满足多联机机组工程调试、使用、维护中的可靠性要求。

1 便捷工程调试技术

1.1 多联机室内侧工程调试必要性

由于多联机工程冷媒系统和控制系统复杂，需要由专业工程人员进行工程调试后方能交付用户使用。多联机控制系统节点主要由外机、内机和线控器等终端设备构成，内机和终端设备均安装在室内侧，外机基本都安装在室外侧，其中侧出风外机大多安装在外墙。根据控制功能要求，多联机的控制系统网络均以外机作为主控节点，作为中央协调器（Central Coordinator，CCO）的角色，负责内外机控制系统网络的组建、地址分配、权限管理、工程调试逻辑运行等内容，其余设备节点作为站点（Station，STA）。如果在外机进行工程调试，则面临着环境恶劣和人身安全问题。因此需要实现在室内侧进行工程调试，实现多联机控制系统网络的组建和网关管理功能，达到机组便捷调试及维护的目的。

1.2 多联机室内侧工程调试实现方法

在多联机控制系统网络中，由中央协调器发起通讯网络组建、地址分配、节点权限管理等功能，在机组运行过程中，通常由主控外机担任中央协调器的角色，但由于1.1节所述的原因，在工程调试阶段见图1，中央协调器的角色需由室内侧的设备担任。

图1 多联机工程调试阶段示意图

在工程调试现场，工程调试人员可根据实际需求，将外机、内机或线控器等终端设备手动或自动切换为中央协调器角色，提高多联机通工程调试的便捷性。

当工程现场确定某设备需要作为中央协调器的角色时，由调试终端设备向通讯网络广播发送特殊的控制数据帧，当目标站点收到该数据帧后，自动将角色切换为中央协调器角色，并发送广播命令控制其他节点切换至站点角色。然后由当前中央协调器发起组网标识数据帧，各站点收到允许组网标志后请求入网，入网时公布自身属性信息，包括设备属性、MAC地址等信息。此处的调试终端设备是一种符合多联机控制系统通讯协议，具备人机交互功能，用于多联机工程调试的设备。

中央协调器收到站点的入网请求后，根据站点的属性信息分配通讯地址，根据站点的设备类型分配通讯权限，各站点接收到中央协调器分配的地址和权限设置信息后，保存至自身存储器，并反馈入网成功标志，中央协调器收到所有站点入网成功标志后，结束组网。

工程调试结束之后，可以通过调试终端设备，设定机组运行时如图2的中央协调器角色设备。

图2 多联机运行时示意图

以上技术可以实现在室内侧任意通讯节点设备实现多联机工程调试，有效解决了多联机室外机工程调试的诸多问题。

2 高效通讯传输技术

2.1 多联机机组通讯特点

多联机空调由于系统庞大，内外机数量众多，进而导致通讯数据量大，同时在使用中，用户需要可以快速对机组进行机组控制、参数设置、参数查询等功能，因此对通讯效率和实时性要求很高。采用电力线载波通信的多联机空调网络如图3所示。

图3 多联机网络示意图

为了保证对机组进行控制、设置、查询等操作，同时确保内外机状态数据的同步，通常耗费大量的通讯带宽资源来传输内外机的状态数据，而这些状态数据在大多情况下是缓慢变化的，冗余程度很高。周期性地发送大量冗余数据到通讯总线上，不仅占用带宽资源，导致紧急状态数据发送实时性降低，同时也增大了通讯系统的功耗，整个多联机通讯系统的效率大大降低。

为了解决多联机系统存在的通讯实时性与通讯数据量的矛盾，需要设计一种无线多联机高效数据传输的方法，经过大量理论分析与实际通讯调试，确定通过采用通讯信标帧和数据映射表结合的方式，达到在满足实时刷新状态数据，进行机组控制、参数设置等用户操作的同时，减少通讯数据发送量，降低通讯总线负载，以实现提高实时性、降低功耗，提高通讯效率的目的[2]。

2.2 多联机高效数据传输技术

多联机机组完成工程调试后，在实际运行时，将外机作为中央协调器设备角色，由中央协调器建立如表1所示数据映射表，数据映射表是一种具备数据格式的表示网络中站点设备数据的数据文件。该数据映射表存储当前网络内所有内外机的状态数据。作为状态数据发送方，通常情况下，只有当状态数据改变后，才会发送状态数据，同时为了维护状态数据的完整性，避免后接入设备可能无法收到完整的状态数据，则不管状态数据是否有更新，则每隔一段时间，状态数据发送方需将自身所有状态数据发送到总线上，为了保证总线通讯负载的稳定性，各状态数据发送设备节点将错峰均匀发送，避免总线负载数据剧烈变化。作为状态数接收维护方，当外机接收到内外机状态数据有变化时，更新数据映射表中对应内外机的状态数据。

表1 数据映射表示意图

外机利用通讯信标数据帧来维持内外机的通讯链接，取消常规通讯中周期性的冗余状态发送，增大通讯系统中控制帧和高优先级数据帧的可利用带宽。

中央协调器与站点之间的通讯数据帧主要包括：普通信标帧、普通状态帧、普通控制帧、特殊标帧。分别介绍如表2[3]。

表2 通讯数据帧示意图

通讯数据帧组成如图4，可通过不同的功能码用于区分不同的通讯数据帧，不同的通讯数据帧构成不同；帧数据区中不同数据类别表示站点设备不同参数类型如属性信息、参数状态、设置参数等，并可根据数据为bit、byte、word等特征进一步细分，简化数据解析与后续扩展。

普通信标帧：在中央协调器与站点的通讯链接中，不包含映射表信息，由中央协调器周期性发送。该数据帧由帧控制区和帧数据区构成。信标帧的数据区长度可变，且信标帧通讯时间占用信标周期时间很短。

特殊信标帧：该类数据帧，包括站点设备的数据映射表信息，只有当站点设备有需求时，才会发送此类数据帧。

普通状态帧：当站点设备的状态数据发生改变后，站点设备将会通过发送普通状态帧给中央协调器，中央协调器将会更新该站点的数据映射表的对应状态信息。

普通控制帧：当站点设备需要获取完整的状态信息时，例如集中控制器类显示设备，需要显示某内机状态参数信息时，需要发送普通状态帧，用于请求对应设备的完整状态信息。中央协调器收到此数据帧后，根据普通控制帧的请求信息，读取相应站点设备的数据映射表状态数据，通过特殊信标帧发送给请求设备，由此完成数据请求及数据发送服务。

通讯网络的数据由以上通讯数据帧组成，除信标帧外的通讯空闲为普通控制帧和普通状态帧传输时间。

多联机组通讯网络传输过程如图4所示。

图4 通讯数据传输流程图

多联机机组上电运行后，由外机作为中央协调设备角色，机组内机或其他设备作为站点角色将会加入到通讯网络中。中央协调器将根据当前网络中站点数量、属性等，建立数据映射表。站点由内机、线控器、集中控制器等设备担任，具有自身特性状态信息，当自身特性发生变化时，站点负责将变化的状态信息发送给中央协调器。站点首次上电后将会把自身所有状态数据发送给中央协调器，后者将维护所有站点的完整状态数据。

中央协调器在信标周期内周期性地发送信标帧，维持通讯链接。

当站点设备的状态发生变化时，站点将发送普通状态帧，用于通知中央协调器准备刷新该站点设备的状态数据，中央协调器收到站点设备普通状态帧后，将会刷新该数据映射表中该站点设备对应的状态数据。

当站点设备需要完整的状态数据时，主动向中央协调器请求数据，中央协调器收到站点设备请求后，通过特殊信标帧发送数据，此时信标帧中数据区所携带状态数据为中央协调器数据映射表数据。

通过以上设计，可以减少多联机机组通讯网络数据量，同时通过信标帧、普通状态帧、普通控制帧的发送方式，可以确保在信标周期内，站点设备更新数据和获取完整状态数据，保证了通讯数据实时性要求。

3 系统测试与验证

在采用PLCC技术的无通讯线多联机中，通过便捷工程调试技术，可以实现在室内侧任意设备节点进行工程调试，具备安全便捷的特点，有效解决了人身安全问题，大大提升了多联机工程调试效率。

在通讯数据传输方面，当机组网络包括100个站点时，经测试，总线负载率不超过30%。

通讯可靠性测试结果如表3所示。网络系统运行稳定，通讯成功率满足多联机产品需求。

表3 通讯可靠性测试

4 结束语

本文基于PLCC技术特点，结合多联机空调控制技术，实现了多联机通讯网络的便捷工程调试以及复杂电磁环境干扰下的高效通讯数据传输。本系统抗干扰能力和通信可靠性满足多联机产品。