汪義旺 宋 佳 張 波 潘 輝

(蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程系1，江蘇 蘇州 215104;浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院2，浙江 杭州 310027;蘇州市漢達(dá)工業(yè)自動(dòng)化有限公司3，江蘇 蘇州 215129)

0 引言

大型的凈化工程常需采用多臺(tái)風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元(fan filter unit，F(xiàn)FU)組成群控系統(tǒng)［1－2］。目前，F(xiàn)FU 群控系統(tǒng)的組網(wǎng)多為有線方式。該方式存在布線復(fù)雜、成本和故障率高、抗干擾能力差、工作不穩(wěn)定、維護(hù)困難等問(wèn)題。隨著無(wú)線和電力線載波通信(power line communication，PLC)技術(shù)的發(fā)展，將無(wú)線與 PLC技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，組成新型的FFU群控系統(tǒng)，能夠有效克服常規(guī)組網(wǎng)方式的弊端和不足，提高FFU群控技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)信息化和自動(dòng)化水平。

本文提出了一種基于無(wú)線和電力載波通信技術(shù)的新型FFU群控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法，給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)思路，并對(duì)所開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 無(wú)線與電力載波通信技術(shù)

隨著通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線通信技術(shù)有了更多的需求，尤其是近年來(lái)“物聯(lián)網(wǎng)”概念的提出，極大地推動(dòng)了短距離無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展［3］。同時(shí)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，采用無(wú)線通信的方式進(jìn)行各種物理參數(shù)的監(jiān)測(cè)也越來(lái)越引起人們的關(guān)注［4］。

PLC技術(shù)則是以低壓配電線作為信息傳輸媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)或語(yǔ)音等傳輸?shù)囊环N特殊通信方式［5－6］。由于供電網(wǎng)絡(luò)本身是一種方便、低成本、高可靠性的通信媒介，從而使得電力載波通信使用方便、成本低、易實(shí)現(xiàn)［7－8］。目前，PLC技術(shù)已在各種控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。將無(wú)線和PLC技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，并將其應(yīng)用于FFU群控系統(tǒng)，可以減少系統(tǒng)布線、提高靈活性和可擴(kuò)展性，適用于跨車間的多FFU設(shè)備群控的大型凈化工程應(yīng)用。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于無(wú)線與電力線載波通信技術(shù)的FFU群控系統(tǒng)由監(jiān)控管理中心、數(shù)據(jù)集中采集器、無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)和若干FFU測(cè)控單元組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the system

在同一凈化車間供電線路上，各個(gè)FFU測(cè)控單元與無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)間采用PLC技術(shù)組網(wǎng)，電力線路既可以作為電能傳輸通道，也可以作為數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)穆窂剑蟠蠛?jiǎn)化了系統(tǒng)布線和安裝設(shè)計(jì)。無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)將接收采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)集中采集器，并接收來(lái)自數(shù)據(jù)集中采集器的指令數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集中采集器與監(jiān)控管理中心之間采用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)集中采集器

數(shù)據(jù)集中采集器主要完成無(wú)線通信數(shù)據(jù)和USB通信間的數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換，采用Nordic最新研發(fā)的超低功耗無(wú)線技術(shù)以及USB2.0技術(shù)nRF24LU1進(jìn)行設(shè)計(jì)。nRF24LU1是Nordic公司推出的一款將高性能的射頻收發(fā)器等功能高度集成的無(wú)線收發(fā)芯片。nRF24LU1內(nèi)含無(wú)線傳輸模塊、增強(qiáng)型51Flask高速單片機(jī)和USB2.0接口等，同時(shí)集成了電壓轉(zhuǎn)換模塊，直接由USB總線供電，無(wú)需再加電壓轉(zhuǎn)換芯片［9－11］。數(shù)據(jù)集中采集器電路［9］由主芯片、外圍電路、天線和 USB接口電路等組成，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)集中采集器電路Fig.2 Circuitry of the centralized data collector

3.2 PLC 通信電路

電力通信電路采用北京福星曉程電子科技股份有限公司的PL2102芯片設(shè)計(jì)。PL2102是特別針對(duì)中國(guó)電力網(wǎng)惡劣的環(huán)境研制開發(fā)的、專用于低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器。

功率放大電路是由晶體管2SC1015與三極管9015組成的兩級(jí)互補(bǔ)功放電路。當(dāng)控制器處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，主控單片機(jī)控制PL2102開始發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PL2102擴(kuò)頻后由PSKOUT腳輸出給功率放大電路進(jìn)行功率放大;然后經(jīng)過(guò)一個(gè)LC帶通濾波器使信號(hào)達(dá)到電力線載波通信的諧波要求;最后通過(guò)耦合電路將調(diào)制信號(hào)加載到電力線上。

在信號(hào)濾波限幅耦合電路中，耦合電路由耦合線圈和電容組成。電容用于濾除工頻信號(hào)和低頻干擾。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大濾波后傳送至耦合電路，再經(jīng)耦合電路耦合到電力線上。接收數(shù)據(jù)時(shí)，電力線上擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)經(jīng)耦合電路進(jìn)入濾波限幅電路。

濾波限幅部分主要由并聯(lián)二極管IN4148與雙向瞬變電壓抑制二極管組成。由電感與電容組成并聯(lián)諧振回路，能對(duì)有效信號(hào)進(jìn)行帶通濾波。信號(hào)最后通過(guò)模擬信號(hào)輸入SIGIN腳進(jìn)入PL2102芯片，進(jìn)行混頻解擴(kuò)處理［8］。

PL2102的功率放大電路與信號(hào)濾波限幅耦合電路如圖3 所示［12］。

圖3 功率放大與信號(hào)濾波限幅耦合電路Fig.3 Power amplification and signal filtering limiting coupling circuit

3.3 無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)

無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)主要完成電力載波通信數(shù)據(jù)與無(wú)線通信數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)供電線上測(cè)控單元的數(shù)據(jù)與監(jiān)控管理中心間的組網(wǎng)通信。收發(fā)節(jié)點(diǎn)采用Nordic公司的 nRF24LE1 無(wú)線 SoC 單片機(jī)［13－14］。nRF24LE1 內(nèi)嵌了無(wú)線收發(fā)內(nèi)核nRF2401和增強(qiáng)型8051 MCU，具有豐富的外設(shè)資源，設(shè)計(jì)開發(fā)簡(jiǎn)便。nRF24LE1與PLC間采用I2C接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換通信。無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)電路包括PLC接口電路、顯示和人機(jī)接口電路等，其電路原理圖如圖4所示。

圖4 無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)電路Fig.4 Wireless data transceiver node circuit

3.4 測(cè)控終端單元

測(cè)控終端單元主要完成PLC、FFU變頻調(diào)速控制及信號(hào)采集的功能，其硬件組成框圖如圖5所示。測(cè)控單元以Microchip公司的16位數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F2010為核心，利用dsPIC30F2010片上的電機(jī)控制PWM控制專用模塊，結(jié)合主電路可完成FFU風(fēng)機(jī)的智能變頻調(diào)速控制［15－16］。測(cè)控單元采用 I2C接口與PL2102電力載波通信模塊連接，完成數(shù)據(jù)通信組網(wǎng);并通過(guò)片上的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)完成電參數(shù)的信號(hào)采集;通過(guò)正交編碼器接口采集電機(jī)轉(zhuǎn)速并計(jì)算輸出風(fēng)量。

圖5 測(cè)控終端單元硬件組成圖Fig.5 The hardware components of control terminal unit

通過(guò)對(duì)主電路的變換和控制，將輸入的交流電能變成電壓和頻率可調(diào)的交流電輸出，供給FFU風(fēng)機(jī)，從而根據(jù)需要改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到風(fēng)量精確控制的目標(biāo)［17］。測(cè)控終端模塊可將采集的電參數(shù)、轉(zhuǎn)速風(fēng)量等信息通過(guò)PLC通信網(wǎng)絡(luò)上傳到無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控管理中心，并接收指令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，組成多FFU網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程群控系統(tǒng)。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 監(jiān)控管理中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控管理中心是FFU群控系統(tǒng)的監(jiān)控管理系統(tǒng)，其軟件采用基于Visual Studio開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)是集用戶管理、系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、變頻調(diào)速控制、事件日志管理、通信管理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等于一體的綜合管理信息平臺(tái)。通過(guò)對(duì)平臺(tái)的管理和操作，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中每臺(tái)FFU的運(yùn)行狀態(tài)信息，實(shí)施遠(yuǎn)程調(diào)度控制，并可打印查詢運(yùn)行日志和事件記錄等［18－19］。

4.2 測(cè)控單元軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控終端單元控制軟件主要是對(duì)dsPIC30F2010控制軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)。本文基于Microchip的集成環(huán)境MPLAB IDE開發(fā)環(huán)境，利用C語(yǔ)言編程語(yǔ)言編寫控制程序，并采用模塊化設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)軟件。測(cè)控單元的控制軟件設(shè)計(jì)主要包括:主程序模塊、工作模式處理模塊、智能算法閉環(huán)控制模塊、人機(jī)接口處理模塊和PLC通信模塊等?？刂栖浖鞒绦蛄鞒虉D如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flowchart of the main program

控制單元上電開始工作時(shí)，先對(duì)寄存器和變量等參數(shù)進(jìn)行初始化配置，并調(diào)用PLC通信和人機(jī)接口等子程序，讀取指令和信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷;再調(diào)用相應(yīng)的子程序，配合監(jiān)控管理中心完成對(duì)所連接FFU的就地控制和數(shù)據(jù)采集。

5 試驗(yàn)測(cè)試和工程應(yīng)用

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，開發(fā)設(shè)計(jì)了新型的基于無(wú)線與PLC的FFU群控系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)FFU臺(tái)數(shù)為5000臺(tái)，無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)為25個(gè)，無(wú)線節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)集中采集器最遠(yuǎn)距離為150 m。大量運(yùn)行測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明，該套群控系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確、系統(tǒng)工作穩(wěn)定。系統(tǒng)成功應(yīng)用于某電子廠超凈工作車間的潔凈工程。從長(zhǎng)期工作運(yùn)行結(jié)果看，較傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)具有可控性好、設(shè)計(jì)成本低、組網(wǎng)簡(jiǎn)便和布線少等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)參數(shù)目標(biāo)要求，滿足了工廠潔凈工程的實(shí)際需求，受到了用戶的好評(píng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的FFU群控系統(tǒng)存在的組網(wǎng)布線難、可擴(kuò)展性差和可靠性低等問(wèn)題，本文提出了一種基于無(wú)線和PLC技術(shù)的新型FFU群控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)PLC技術(shù)把同一車間供電線路上的各個(gè)測(cè)控單元匯集到無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)控制節(jié)點(diǎn)，再利用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控管理中心進(jìn)行組網(wǎng)。對(duì)系統(tǒng)的原理和硬軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和介紹，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)、可控性好、組網(wǎng)靈活、設(shè)計(jì)成本低，具有較高的應(yīng)用和市場(chǎng)推廣價(jià)值。

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