基于電力線載波通信的空調控制系統設計與實現

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，簡稱PLCC）是一種通過電力線進行數據傳輸的通訊技術[1]，該通訊方式無需專用通訊線，可大幅降低設備成本、布線成本、人工安裝成本以及現場施工難度，同時又具備信號可穿墻、遠距離衰減小、抗干擾能力強的特點。

多聯機空調控制系統網絡，由室外機、室內機、線控器等數百個系統節點構成，通訊距離長達上千米，控制系統復雜，通訊數據量大，工程現場電磁環境多變。在此條件下，控制可靠性、實時性要求高。電力線載波通信的低成本、高帶寬的特點，非常適合應用于多聯機控制系統通訊。在多聯機空調控制系統通訊方式中，采用電力線載波通信的工程機組愈來愈多。

由于多聯機機組和電力線載波通訊技術的一些固有特點，控制系統需要解決以下兩個問題：便捷工程調試技術、高效數據傳輸技術。方能最大程度地發揮電力線載波通訊技術優點，滿足多聯機機組工程調試、使用、維護中的可靠性要求。

1 便捷工程調試技術

1.1 多聯機室內側工程調試必要性

由于多聯機工程冷媒系統和控制系統復雜，需要由專業工程人員進行工程調試后方能交付用戶使用。多聯機控制系統節點主要由外機、內機和線控器等終端設備構成，內機和終端設備均安裝在室內側，外機基本都安裝在室外側，其中側出風外機大多安裝在外墻。根據控制功能要求，多聯機的控制系統網絡均以外機作為主控節點，作為中央協調器（Central Coordinator，CCO）的角色，負責內外機控制系統網絡的組建、地址分配、權限管理、工程調試邏輯運行等內容，其余設備節點作為站點（Station，STA）。如果在外機進行工程調試，則面臨著環境惡劣和人身安全問題。因此需要實現在室內側進行工程調試，實現多聯機控制系統網絡的組建和網關管理功能，達到機組便捷調試及維護的目的。

1.2 多聯機室內側工程調試實現方法

在多聯機控制系統網絡中，由中央協調器發起通訊網絡組建、地址分配、節點權限管理等功能，在機組運行過程中，通常由主控外機擔任中央協調器的角色，但由于1.1節所述的原因，在工程調試階段見圖1，中央協調器的角色需由室內側的設備擔任。

圖1 多聯機工程調試階段示意圖

在工程調試現場，工程調試人員可根據實際需求，將外機、內機或線控器等終端設備手動或自動切換為中央協調器角色，提高多聯機通工程調試的便捷性。

當工程現場確定某設備需要作為中央協調器的角色時，由調試終端設備向通訊網絡廣播發送特殊的控制數據幀，當目標站點收到該數據幀后，自動將角色切換為中央協調器角色，并發送廣播命令控制其他節點切換至站點角色。然后由當前中央協調器發起組網標識數據幀，各站點收到允許組網標志后請求入網，入網時公布自身屬性信息，包括設備屬性、MAC地址等信息。此處的調試終端設備是一種符合多聯機控制系統通訊協議，具備人機交互功能，用于多聯機工程調試的設備。

中央協調器收到站點的入網請求后，根據站點的屬性信息分配通訊地址，根據站點的設備類型分配通訊權限，各站點接收到中央協調器分配的地址和權限設置信息后，保存至自身存儲器，并反饋入網成功標志，中央協調器收到所有站點入網成功標志后，結束組網。

工程調試結束之后，可以通過調試終端設備，設定機組運行時如圖2的中央協調器角色設備。

圖2 多聯機運行時示意圖

以上技術可以實現在室內側任意通訊節點設備實現多聯機工程調試，有效解決了多聯機室外機工程調試的諸多問題。

2 高效通訊傳輸技術

2.1 多聯機機組通訊特點

多聯機空調由于系統龐大，內外機數量眾多，進而導致通訊數據量大，同時在使用中，用戶需要可以快速對機組進行機組控制、參數設置、參數查詢等功能，因此對通訊效率和實時性要求很高。采用電力線載波通信的多聯機空調網絡如圖3所示。

圖3 多聯機網絡示意圖

為了保證對機組進行控制、設置、查詢等操作，同時確保內外機狀態數據的同步，通常耗費大量的通訊帶寬資源來傳輸內外機的狀態數據，而這些狀態數據在大多情況下是緩慢變化的，冗余程度很高。周期性地發送大量冗余數據到通訊總線上，不僅占用帶寬資源，導致緊急狀態數據發送實時性降低，同時也增大了通訊系統的功耗，整個多聯機通訊系統的效率大大降低。

為了解決多聯機系統存在的通訊實時性與通訊數據量的矛盾，需要設計一種無線多聯機高效數據傳輸的方法，經過大量理論分析與實際通訊調試，確定通過采用通訊信標幀和數據映射表結合的方式，達到在滿足實時刷新狀態數據，進行機組控制、參數設置等用戶操作的同時，減少通訊數據發送量，降低通訊總線負載，以實現提高實時性、降低功耗，提高通訊效率的目的[2]。

2.2 多聯機高效數據傳輸技術

多聯機機組完成工程調試后，在實際運行時，將外機作為中央協調器設備角色，由中央協調器建立如表1所示數據映射表，數據映射表是一種具備數據格式的表示網絡中站點設備數據的數據文件。該數據映射表存儲當前網絡內所有內外機的狀態數據。作為狀態數據發送方，通常情況下，只有當狀態數據改變后，才會發送狀態數據，同時為了維護狀態數據的完整性，避免后接入設備可能無法收到完整的狀態數據，則不管狀態數據是否有更新，則每隔一段時間，狀態數據發送方需將自身所有狀態數據發送到總線上，為了保證總線通訊負載的穩定性，各狀態數據發送設備節點將錯峰均勻發送，避免總線負載數據劇烈變化。作為狀態數接收維護方，當外機接收到內外機狀態數據有變化時，更新數據映射表中對應內外機的狀態數據。

表1 數據映射表示意圖

外機利用通訊信標數據幀來維持內外機的通訊鏈接，取消常規通訊中周期性的冗余狀態發送，增大通訊系統中控制幀和高優先級數據幀的可利用帶寬。

中央協調器與站點之間的通訊數據幀主要包括：普通信標幀、普通狀態幀、普通控制幀、特殊標幀。分別介紹如表2[3]。

表2 通訊數據幀示意圖

通訊數據幀組成如圖4，可通過不同的功能碼用于區分不同的通訊數據幀，不同的通訊數據幀構成不同；幀數據區中不同數據類別表示站點設備不同參數類型如屬性信息、參數狀態、設置參數等，并可根據數據為bit、byte、word等特征進一步細分，簡化數據解析與后續擴展。

普通信標幀：在中央協調器與站點的通訊鏈接中，不包含映射表信息，由中央協調器周期性發送。該數據幀由幀控制區和幀數據區構成。信標幀的數據區長度可變，且信標幀通訊時間占用信標周期時間很短。

特殊信標幀：該類數據幀，包括站點設備的數據映射表信息，只有當站點設備有需求時，才會發送此類數據幀。

普通狀態幀：當站點設備的狀態數據發生改變后，站點設備將會通過發送普通狀態幀給中央協調器，中央協調器將會更新該站點的數據映射表的對應狀態信息。

普通控制幀：當站點設備需要獲取完整的狀態信息時，例如集中控制器類顯示設備，需要顯示某內機狀態參數信息時，需要發送普通狀態幀，用于請求對應設備的完整狀態信息。中央協調器收到此數據幀后，根據普通控制幀的請求信息，讀取相應站點設備的數據映射表狀態數據，通過特殊信標幀發送給請求設備，由此完成數據請求及數據發送服務。

通訊網絡的數據由以上通訊數據幀組成，除信標幀外的通訊空閑為普通控制幀和普通狀態幀傳輸時間。

多聯機組通訊網絡傳輸過程如圖4所示。

圖4 通訊數據傳輸流程圖

多聯機機組上電運行后，由外機作為中央協調設備角色，機組內機或其他設備作為站點角色將會加入到通訊網絡中。中央協調器將根據當前網絡中站點數量、屬性等，建立數據映射表。站點由內機、線控器、集中控制器等設備擔任，具有自身特性狀態信息，當自身特性發生變化時，站點負責將變化的狀態信息發送給中央協調器。站點首次上電后將會把自身所有狀態數據發送給中央協調器，后者將維護所有站點的完整狀態數據。

中央協調器在信標周期內周期性地發送信標幀，維持通訊鏈接。

當站點設備的狀態發生變化時，站點將發送普通狀態幀，用于通知中央協調器準備刷新該站點設備的狀態數據，中央協調器收到站點設備普通狀態幀后，將會刷新該數據映射表中該站點設備對應的狀態數據。

當站點設備需要完整的狀態數據時，主動向中央協調器請求數據，中央協調器收到站點設備請求后，通過特殊信標幀發送數據，此時信標幀中數據區所攜帶狀態數據為中央協調器數據映射表數據。

通過以上設計，可以減少多聯機機組通訊網絡數據量，同時通過信標幀、普通狀態幀、普通控制幀的發送方式，可以確保在信標周期內，站點設備更新數據和獲取完整狀態數據，保證了通訊數據實時性要求。

3 系統測試與驗證

在采用PLCC技術的無通訊線多聯機中，通過便捷工程調試技術，可以實現在室內側任意設備節點進行工程調試，具備安全便捷的特點，有效解決了人身安全問題，大大提升了多聯機工程調試效率。

在通訊數據傳輸方面，當機組網絡包括100個站點時，經測試，總線負載率不超過30%。

通訊可靠性測試結果如表3所示。網絡系統運行穩定，通訊成功率滿足多聯機產品需求。

表3 通訊可靠性測試

4 結束語

本文基于PLCC技術特點，結合多聯機空調控制技術，實現了多聯機通訊網絡的便捷工程調試以及復雜電磁環境干擾下的高效通訊數據傳輸。本系統抗干擾能力和通信可靠性滿足多聯機產品。