西门子6ES7322-1CF00-0AA0参数详细

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电力线通信(PLC)可以利用现有基础设施提供低成本的网络。数字信号控制器为PLC网络提供维持稳健信号所需的处理性能，其运行开销和片上外设可进一步降低系统成本。下文将对此作进行详细介绍。

在环境非常恶劣的工厂或室外经常能见到照明、测量和其他控制应用，但在这些地方的网络通信若不采取常规方法则变得异常困难。因为恶劣的环境不仅对信号有相当大的干扰，而且在许多情况下，如果还没有专用通信布线的话，安装费用也非常昂贵。因此，建立控制网络通信的佳介质将是无处不在的电力线。

PLC是各种网络工业、公共事业和商业应用中的监控网络的理想解决方案。然而为了达到较高的效率，PLC必须具备成本效益和稳健性。而要实现这些性能，系统开发人员可以借助于数字信号控制器所提供的强大性能和集成度。

与使用专用传输线的传统网络不同，PLC网络可以通过现有的低压、中压和高压电力线在数公里范围内收发数据。基于高性能数字信号处理器(DSP)技术的数字信号控制器可在恶劣环境中的全规模网络上实现可靠的PLC吞吐量，使其能够监控所有的网络节点。

高度集成的控制器还能降低系统成本和易于适应不断变化的网络需求。在工厂、公共事业分布系统、办公建筑群、矿山、海底电缆和其他恶劣环境中，数字信号控制器都可以在实时监控所需速率下支持高效的PLC传输。

单芯片modem和应用软件

在许多监控应用中，成本是首要考虑因素，因此这时系统的集成度越高越好。PLC系统功能可以被分成三部分：模拟前端(AFE)、调制解调器(modem)以及测量或控制应用软件。AFE主要用于接收和驱动信号，并将信号从电力信号中分离出来；modem则使用特定的频率和键控技术对通信信号进行调制和解调。虽然很多设计方案中的modem和应用软件采用不同的控制器，但数字信号控制器带给PLC设计的一个重要好处是其可以在单个器件中集成modem和应用软件。

位于数字信号控制器核心的DSP可提供比价格相当的RISC MCU强得多的运算性能，这些性能足以用来执行modem和应用软件。另外，片上外设是针对控制需求特别选取的，其提供的是一种系统解决方案。数字信号控制器的性能和集成度可以减少元件使用数量和电路板空间，这对诸如可调光照明镇流器、电子表和电机驱动器等成本敏感的应用非常有利。另外，DSP的可编程性使得系统能更好地适应环境干扰，从而提高传输的可靠性，而DSP的额外MIPS性能还可以用来增加功率因数补偿等功能，从而使终端产品具有更高的能效。

稳健的通信

由于典型的PLC使用环境比较恶劣，因此传输必须高度稳健。在多种能传送位的物理层调制方案中，有两种特别适合工业监视和控制的方案，即频移键控(FSK)和二元相移键控(BPSK)。由于该两种方案都不依赖电力信号作为载波，因此可以用在任何频率、任何电压值的AC和DC电力线上。而当节点的供电中断时，只要控制通信电路的独立供电不间断，FSK和BPSK还能照常工作。

FSK采用两个不同的频率发送信号，电平“1”时用74kHz，电平“0”时用63.3kHz；而BPSK则采用相同频率发送“1”和“0”，其相位差为180度。监控通信常用标准是CEA179，其指定BPSK发送频率为131.5kHz，波特率是5.5kbps或每个码元24个周期。虽然CEA-179没有对FSK加以规范，但它完全兼容该标准的协议栈，因此也可以使用CEA-179进行传输。在满足系统限制的前提下，数字信号控制器可以通过改变传输频率来避开干扰，从而提高通信性能。

图1是专为可靠性进行设计的CEA-179数据包格式。该数据包和位的边界是用于位同步的24位向量，后面是指示数据起始位的11位字同步信号。发送器将每8位指令编码成一个11位的字，在接收器侧再将其解码并移位至存储器缓存。在PLC中，指令数据还增加了16位的循环冗余校验码(CRC)，EOP则使用重复的11位字进行识别。因此，CEA-179协议与BPSK和FSK的结合可确保稳健的PLC传输，并能为多节点的实时控制提供足够的带宽。

图1：CEA-179数据包格式。

PLC设计

下面给出了使用数字信号控制器直接实现PLC的设计实例。图2是用于诸如可调光镇流器等应用的AC环境下的PLC通信与控制系统框图。AFE接收器-发送器位于图的左边，modem和应用软件算法运行在中间的控制器上，右边则包含了应用电路。例如在一个电流解决方案中，一个测量芯片与C2000相连。测量芯片执行测量功能，C2000使用PLC发送测量数据。虽然本文重点放在FSK调制方面，但相同设计经过AFE和控制算法方面的少许修改也可以用于BPSK。

图2：PLC系统框图。

上述设计中使用的数字信号控制器是一个带DSP内核的器件，该内核工作在100MHz时可提供100MIPS的性能。在一个普通应用中，约45MIPS用于modem，余下约55MIPS可用来运行应用软件。在34KB片上闪存和一次性可编程存储器中，12KB用于modem代码；12KB的数据存储器中的5KB用于modem；其余的存储器空间则全部用于应用软件。控制器还提供6个带独立定时器的脉宽调制(PWM)输出，可用于modem和应用软件的信令传输。12位ADC使用单通道对所接收的信号进行采样，剩余的15个通道则处于空闲状态。数字信号控制器还提供了SPI和SCI接口用于本地通信，另外还有30多个通用I/O通道。

用3个节点电压表示了6个支路电压。进一步减少了方程数。

1、节点电压方程

根据KCL，可得图3.2-1电路的节点电压方程

 节点电压方程的一般形式
自电导×本节点电压－Σ（互电导×相邻节点电压）= 流入本节点的所有电流源的电流的代数和
自电导（self conductance）是指与每个节点相连的所有电导之和，互电导（mutual conductance）是指连接两个节点之间的支路电导。

节点电压法分析电路的一般步骤
确定参考节点，并给其他独立节点编号。列写节点电压方程，并求解方程，求得各节点电压。由求得的节点电压，再求其他的电路变量，如支路电流、电压等。

例3.2-1 图3.2-1所示电路中，G1=G2=G3=2S，G4=G5=G6=1S， ，，求各支路电流。
解：1. 电路共有4个节点，选取d为参考点，。其他三个独立节点的节点电压分别为。
 

2. 列写节点电压方程
节点a： 
节点b： 
节点c： 
代入参数，并整理，得到

解方程，得

 

3. 求各支路电流

特 别 注 意：节点电压方程的本质是KCL，即Σ(流出电流) =Σ(流入电流)，在节点电压方程中，方程的左边是与节点相连的电导上流出的电流之和，方程的右边则是与节点相连的电流源流入该节点的电流之和。如果某个电流源上还串联有一个电导，那么该电导就不应再计入自电导和互电导之中，因为该电导上的电流（与它串联的电流源的电流）已经计入方程右边了。

例3.2-2 图3.2-2所示电路，试列出它的节点电压方程。

 解：对于节点a，流入的电流源的支路上还串联了一个电阻R1，在计算a点的自电导时，不应再把R1计算进去，所以a点的节点电压方程为

b点的节点电压方程为

2、弥尔曼定理

当电路只有两个节点时，这种电路称为单节偶电路（single node-pair circuit）。对于单节偶电路，有弥尔曼定理。
 

弥尔曼定理：对于只有两个节点的单节偶电路，节偶电压等于流入独立节点的所有电流源电流的代数和除以节偶中所有电导之和。

二、含有电压源的电路
 

1、有伴电压源
结 论：如果电路中的电压源是有伴电压源，将有伴电压源等效成有伴电流源。

方法一 把电压源当电流源处理
把电压源当作电流源看待，并设定电压源的电流，列写节点电压方程。利用“电压源的电压等于其跨接的两个独立节点的节点电压之差"这个关系，再补充一个方程式，联立求解。

2、无伴电压源
 

电压源的一端与参考点相连

结 论
电压源一端与参考点相连，另一端的节点电压就是电压源的电压，节点电压方程减少一个。

方法二 超节点（super node）方法
 

虚线框当作一个超节点处理，列写节点电压方程。
注 意：列写这个超节点的方程时，其中的“自电导×本节点电压"这一项应包括两个部分，即组成该超节点的每个节点的电压与其相应的自电导的乘积

西门子CPU模块6ES7317-2EK14-0AB0

支路电流法

一、独立的KCL和KVL方程

n个节点，b条支路的网络
（n—1）个独立节点→（n—1）个独立KCL方程
（b－n＋1）个网孔→（b－n＋1）个独立KVL方程

二、2b法

存在问题
2b个方程，方程数太多

三、支路电流法
出发点
利用支路VAR关系，将b个支路电压表示为b个支路电流，减少了b个方程。只需列写b个方程。

用支路电流法分析电路的一般步骤
确定电路的节点数和网孔数，以便确定独立的KCL和KVL方程数。设定各支路电流的符号和参考方向。选取参考点，列写（n－1）个KCL方程。选取（b－n＋1）个网孔并设定网孔方向，列写各网孔的KVL方程，这些方程中支路电压都用支路电流表示。联立求解方程，求出b个支路电流。根据每条支路的伏安关系，求出b个支路电压。

如有必要，再根据已求得的支路电流或支路电压，求电路中的其他电路变量，如功率等。

例 3.1-1 图3.1-1所示电路，求各支路电流，并求支路电压Uab及ab支路发出的功率。

解：1. 电路共有2个节点，3条支路，即n=2，b=3
2．选取节点b为参考点，列出节点a的KCL方程：
 （1）
3．电路的网孔数为
b－n＋1=3－2＋1=2
列出2个网孔的KVL方程
网孔①：  （2）
网孔②：  （3）
4．联立求解由（1）、（2）、（3）式构成的方程组，求得各支路电流为

5．支路电压为

ab支路发出的功率为


注 意：如果电路中含有受控源，将受控源当独立源处理，按上述方法列写电路方程，但是要补充一个受控源的受控关系方程，再联立求解