Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 12 ноября
 
 


Это интересно!

Ранее

Современная технология пользовательского интерфейса для критичных к безопасности приложений

В критичных к безопасности приложениях требуются более надежные, протестированные и унифицированные пользовательские интерфейсы. Чтобы обеспечить надежность их функционирования, требуется исключить подверженный ошибкам этап перевода интерфейса, разработанного с помощью инструментов высокого уровня, в стандартную графическую технологию. Вместо того чтобы применять два и более метода проектирования, создания прототипа и реализации интерфейса, разработчики имеют возможность воспользоваться одной стандартной технологией — Adobe Flash.

Безопасность сетей Industrial Ethernet

Несмотря на главные преимущества технологии Industrial Ethernet, заключающиеся в ее связности, простоте использования и эффективности, по мере роста подключаемых устройств возникает настоятельная потребность обеспечить безопасность использования этой технологии. Для создания распределенной архитектуры безопасности используется сетевое оборудование и управляющее программное обеспечение.

Wi-Fi и U-SNAP: умные электросети в домах

Развитие промышленных беспроводных сетей и умных электросетей идет рука об руку, или, точнее, от одного устройства к другому. Технология Wi-Fi, уже реализованная во многих домах и смартфонах, позволяет быстро и эффективно установить связь в новом формате U-SNAP.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

17 мая

Узкополосная PLC-технология. Часть 2

В настоящее время во многих приложениях, в т.ч. в автоматизированных системах контроля и учета энергоресурсов, передача данных осуществляется по проводам силовой электросети. В статье дан обзор PLC-спецификаций, продвигаемых европейскими и региональными промышленными группами, альянсами и ассоциациями (OPEN Meter, PRIME, HomePlug, ECHONET и др.), а также рассмотрены особенности некоторых технологий.



ВВЕДЕНИЕ

Европейская Комиссия (исполнительный орган Европейского Союза), приняла декрет о том, что к 2020 г. 80% потребителей электричества в Европе должны быть снабжены интеллектуальными электронными электросчетчиками. Изобретенные более ста лет назад традиционные электромеханические счетчики исчерпали потенциал своих возможностей. По сравнению с ними, электронные счетчики имеют много неоспоримых преимуществ, выгодных как для энергетических компаний, так и для потребителей. К этим преимуществам относятся повышение точности измерений, снижение затрат на производство, калибровку и техническое обслуживание счетчиков и, что не менее важно, возможность предоставлять потребителю и производителю подробную информацию об уровне расходуемой мощности в здании, доме или квартире. В итоге выигрывают все. Потребители могут более точно отслеживать и контролировать расход электроэнергии (например, включать стиральную машину в период действия ночного тарифа), а поставщики могут генерировать и распределять электроэнергию более эффективно [1—7].

Для удаленного сбора показаний разного рода счетчиков учета расхода (воды, газа, тепла, электричества и т.д.), управления потреблением энергоресурсов, а также оказания услуг потребителям служат автоматизированные системы управления/контроля. На рисунке 1 приведены некоторые стандарты и протоколы, используемые в автоматизированных системах считывания показаний датчиков, в т.ч. в сетях с использованием линий электропередач в качестве физической среды. Наиболее естественная среда передачи данных в таких системах — линии электропередач среднего и низкого напряжения.

Рис. 1. Стандарты и протоколы, используемые в автоматизированных системах считывания показаний датчиков

Во многом благодаря необходимости повсеместного внедрения и широкому распространению автоматизированных систем одновременно с их развитием усовершенствовалась узкополосная технология передачи данных по электросети (Power Line Communication — PLC), а также активные и пассивные PLC-компоненты. Кроме того, узкополосная PLC-технология ориентирована на использование в устройствах управления уличным освещением, системах сигнализации, вентиляции и кондиционирования. Ее применение позволяет достаточно просто решать задачи объединения приборов и устройств в рамках концепции «умного дома» с возможностью централизованного управления ими. Широкое распространение PLC-технологии, особенно в последние годы, обусловлено еще и тем, что автоматизированные сети управления/контроля должны дотянуться до каждого счетчика на предприятии, в доме или квартире. Во многих случаях единственная и наиболее естественная среда связи, удовлетворяющая этому требованию, — электрический сетевой провод. Сравнительные характеристики технологий передачи данных по электросетям даны в таблице 1 [2, 3].

Таблица 1. Основные характеристики технологий передачи данных по электросети

Наименование

PLC-технология

Узкополосная

Широкополосная

Низкая скорость

Высокая скорость

Высокая скорость

Диапазон частот, кГц

9…148,5

9…500 (FCC),

9…95 (CENELEC A),

95…125 (CENELEC B),

95…148,5 (CENELEC B, C, D)

1500-50000

Скорость передачи, Кбит/с

<10

50–1000

>2000

Модуляция

FSK, S-FSK, BPSK, FFH, DCSK

OFDM, MCM

OFDM, MCM

Помехоустойчивое кодирование (FEC)

Нет или поддерживается

на низком уровне

Поддерживается на высоком уровне для обеспечения высокой достоверности данных

Поддерживается на среднем уровне для обеспечения высокой пропускной способности

Применение

Системы автоматизированного дистанционного считывания показаний счетчиков (датчиков)

Автоматизированные распределенные сети
управления/контроля

VoIP, HDTV,

интернет («последняя миля»)

Производители компонентов и оборудования,

ассоциации и

альянсы

(www.ipcf.org/company)

Yitran, Renesas, STMicroelectronics,

ONSemiconductor,

Busch Jaeger, Echelon, Görlitz, AMI Solution, Landis&Gyr и др.

STMicroelectronics, ECHONET Freescale, iAd, Maxim, ADD Grup, PRIME (ADD, Current Group, Landis&Gyr, uSySCom, ZIV и др.)

DS2, Intellon, Spidcom, Panasonic, Amperion, Current Communications, Mitsubishi, Homeplug,

OPERA

Альянсы и стандарты

Большой вклад в разработку технических спецификаций передачи данных по электросети и их продвижению на рынок вносят компании-производители электротехнического оборудования, которые зачастую объединяются в ассоциации, альянсы и промышленные группы. Во многих случаях вначале происходит захват рынка, а затем на базе спецификаций, которым уже соответствует большой объем выпущенного оборудования, создаются полноценные международные стандарты. Таким образом формируются стандарты де-факто.

В настоящее время наиболее активную роль в разработке и продвижении спецификаций для узкополосной PLC-технологии на европейском континенте играют консорциум OPEN Meter (Open Public Extended Network Metering), альянс PRIME (Powerline Related Intelligent Metering Evolution), испанские компании IBERDROLA, ENDESA и итальянская энергораспределяющая корпорация ENEL. Следует также отметить альянс HomePlug. Основным производителем компонентов на базе спецификаций HomePlug С&C является израильская компания Yitran и компания Renesas. Существенный вклад в решение проблем передачи данных по электросети и выработку принципов организации распределенных сетей управления/контроля внесли участники европейского проекта REMPLI (Real-time Energy Management via Powerlines and Internet) [6]. Этот проект, основанный и профинансированный Европейским Союзом, проходил под девизом: «Энергия, окружающая среда и экология».

Под эгидой образованного в 1997 г. консорциума ECHONET Consortium (Energy Conservation and Homecare NET), объединившего ведущие японские компании-производители, разработан ряд PLC-спецификаций для узкополосной передачи данных в полосе частот 10…450 кГц. Эти спецификации широко используются региональными производителями PLC-оборудования.

OPEN Meter

Большой вклад в стандартизацию автоматизированных систем контроля и учета вносит консорциум OPEN Meter, созданный под эгидой Европейского Союза. В консорциум входит 19 крупных европейских компаний-производителей электротехнического оборудования и университетов (www.openmeter.com). Среди них IBERDROLA (Испания), CURRENT Technologies International GmbH (Швейцария), University of Karlsruhe (Германия), DLMS User Association (Швейцария), ENDESA (Испания), ELSTER (Германия), ENEL (Италия), EdF (Франция), STMicroelectronics (Швейцария) и др. Координация работ в рамках этого проекта осуществляется корпорацией IBERDROLA. Цель одноименного открытого проекта, стартовавшего в январе 2009 г., — произвести выбор открытых и общедоступных стандартов для создания комплексных AMI/AMM-систем, поддерживающих автоматизированное измерение расхода газа, воды, тепла, электроэнергии и т.д. Чтобы обеспечить выполнение стандартов и рекомендаций при их разработке принимаются во внимание реальные условия работы существующих сервисных автоматизированных сетей. Предполагается, что данный проект позволит устранить существующие барьеры для широкого распространения автоматизированных систем в Европе на базе открытых стандартов, и это будет гарантировать совместимость оборудования разных производителей. Проект согласуется с требованиями европейских организаций стандартизации CENELEC, ETSI (European Telecommunications Standards Institute — Европейский институт стандартизации электросвязи) и др. Планируется, что финансируемый Европейской комиссией проект OPEN Meter продлится до июня 2011 г. [1, 4]. После завершения работ предполагается представить ряд проектов как базирующихся на уже принятых стандартах, так и новых, основанных на инновационных решениях, выработанных в процессе осуществления проекта. Это стандарты семейства IEC 61334 (системы автоматики с распределенными каналами связи), IEC 62056 (электрические измерения), а также ряд стандартов семейства EN 13757 (измерения с использованием шины М-bus и др.).

PRIME

Альянс PRIME (www.prime-alliance.org), в который входят, главным образом, ведущие европейские производители электротехнического и PLC-оборудования — Advanced Digital Design Semiconductor (ADD), CURRENT Group, IBERDROLA, ITRON, LANDIS+GYR, STM, ZIV GROUP, а также компания Texas Instruments, — фокусирует свою деятельность на разработке открытых спецификаций для узкополосной PLC-технологии с пропускной способностью до 128 Кбит/с. Инициатором разработки спецификаций выступила крупнейшая испанская энергетическая компания IBERDROLA со штаб-квартирой в Бильбао. Предполагается, что такая скорость передачи обеспечит создание разветвленных интеллектуальных AMM-сетей. Поскольку для полноценного обмена данными в автоматизированных системах требуется повышенная скорость, а использование модуляции видов FSK, S-FSK, BPSK, DCSK не позволяло это осуществить, в предложенных в настоящее время PRIME-спецификациях регламентируется модуляция OFDM, что и позволило увеличить скорость передачи до 128 Кбит/с. Кроме того, в спецификациях описан способ кодирования данных и изменения скорости передачи в зависимости от вида модуляции поднесущих. Для передачи данных используется полоса частот 41,9…88,8 кГц (CENELEC A). Кроме спецификаций уровня PHY, имеются также спецификации MAC-уровня. От одного из участников альянса — компании STMicroelectronics (ведущего европейского производителя интегральных схем) — ожидается поддержка производства электронных компонентов, удовлетворяющих требованиям PRIME-спецификаций.

HOMEPLUG

Образованный в 2000 г. альянс HomePlug (www.homeplug.org) для низкоскоростной передачи данных по электрическим сетям в 2007 г. предложил использовать спецификации HomePlug Command and Control (HomePlug C&C), обеспечивающие скорость передачи данных до 7,5 Кбит/с. В основу спецификаций HomePlug C&C положена предложенная израильской компанией Yitran узкополосная технология передачи данных по электросети. Использование этих спецификаций позволит обеспечить низкую стоимость PLC-оборудования. Спецификации HomePlug C&C включают три уровня сетевой модели OSI: PHY, MAC и NL (Network Layer). На физическом уровне используется предложенная компанией Yitran модуляция сигнала типа DCSK (Differential Code Shift Keying — дифференциальная кодовая манипуляция) с расширением спектра. Этот вид модуляции был запатентован компанией Yitran в 2000 г. В зависимости от используемого рабочего диапазона частот в соответствии с действующими региональными стандартами, предусмотрены следующие скорости передачи данных: 7,5/5,0/1,25 (FCC) и 2,5/0,625 Кбит/с (CENELEC) [5].

REMPLI

Главная цель проекта REMPLI (www.rempli.org) — проектирование и внедрение сетевой распределенной инфраструктуры для сбора показаний разного рода счетчиков и дистанционного управления в реальном времени с использованием в качестве физической среды передачи данных электросети среднего и низкого напряжения. Среди участников проекта венский институт ICT (Institute of Computer Technology), а также компании iAd (Германия), ISEP/IPP, ADENE (Португалия), TOP (Болгария) и др. В результате выполнения проекта были созданы и протестированы две сетевые инфраструктуры в Португалии и Болгарии. В части оборудования был использован набор микросхем PLC-модемов DLC-2C, DLC-2CA производства компании iAd. Это одни из первых микросхем PLC-модемов с использованием модуляции вида OFDM. C топологией сети, результатами выполнения проекта и другими материалами можно ознакомиться в [6].

ENDESA, ENEL И ДРУГИЕ

В середине 2009 г. испанская компания ENDESA объявила о намерении заменить в период 2010—2015 гг. около 13 млн электрических счетчиков на новые счетчики Enel Smart, которые являются ключевым звеном в концепции удаленного управления энергопотреблением. Счетчики будут поставляться итальянской корпорацией ENEL — основным акционером компании ENDESA, являющейся также автором SITRED — открытого протокола обмена данными по силовым электросетям. На физическом уровне в протоколе SITRED используется модуляция вида FSK (спецификации IEC 61334-5-2) [1, 4]. Поставщиком компонентов для проекта выбрана компания STMicroelectronics, разработавшая новую серию микросхем PLC-модемов ST75xx. Кроме того, в оборудовании предполагается использовать 32-разрядный микроконтроллер STM32, высококачественные MOSFET-транзисторы и другие компоненты, производимые этой компанией. Компания ENEL объявила о том, что протокол обмена по линиям электропередач SITRED будет открытым. Это по-настоящему серьезный шаг в процессе стандартизации, начатом Европейским Сообществом и нацеленном на развитие интеллектуальных систем и сетей (smart grid) управления/контроля энергоснабжения.

Ранее в 2001—2006 г.г. в рамках проекта Telegestore компания ENEL уже установила в Италии почти 32 млн интеллектуальных электронных электросчетчиков. Связь с центральным диспетчерским пунктом в системе Telegestore осуществляется с использованием открытых телекоммуникационных сетей (GSM/GPRS, PSTN, а также спутниковой связи). Концентраторы, установленные на подстанциях среднего напряжения (один концентратор на один трансформатор), используются для связи между центральным диспетчерским пунктом и электронными электросчетчиками. Концентраторы являются ключевым звеном развернутой AMM-сети. При связи с диспетчерским пунктом используется протокол TCP/IP. В PLC-сети для связи используется полоса частот CENELEC A, скорость передачи данных 2400 бит/с. Концентратор в низковольтной PLC-сети работает в режиме главного устройства. Если ему не удается установить непосредственную связь со счетчиком (из-за наличия помех или большого затухания сигнала), специально встроенные процедуры позволяют использовать для этого другие счетчики сети, которые выступают в этом случае как ретрансляторы сигнала. Иными словами, концентратор выполняет также логические функции сервера.

Можно ожидать, что развертывание в Европе широкомасштабной автоматизированной сети, включающей почти 50 млн интеллектуальных устройств, ускорит завершение затянувшихся дебатов по выбору общих открытых европейских стандартов для автоматизированных измерительных систем.

Тем временем, французская энергетическая компания EdF (Electricite de France) готовит к реализации во Франции собственный широкомасштабный проект развертывания автоматизированной сети контроля и учета электроэнергии, который предусматривает установку 35 млн интеллектуальных электросчетчиков на территории Франции. В настоящее время осуществляется тестирование одной из систем, развернутой в Лионе. Установку счетчиков предполагается завершить в 2016 г. Битва стандартов продолжается…

ECHONET

В консорциум ECHONET входят ведущие японские компании, среди которых Hitachi, Ltd., Panasonic Corporation, Mitsubishi Electric Corp., Sharp Corp., Tokyo Electric Power Company, Inc., Toshiba Corp., NEC Corp., NIPPON TELEGRAPH AND TELEPHONE CORPORATION, Sanyo Electric Co., Ltd. и другие (www.echonet.gr.jp/english/index.htm). Консорциум был образован в 1997 г. Цель его создания — повысить безопасность, надежность и эффективность устройств домашней автоматики (и тем самым улучшить условия проживания людей в домашних условиях), что позволит, в конечном счете, обеспечить более высокий уровень жизни в XXI в. Основной акцент сделан на воплощении идеи жить в гармонии с окружающей средой. Консорциум ECHONET занимается разработкой аппаратного и программного обеспечения для технологий, объединяющих домашние приборы в единую сеть с целью снизить потребление энергоресурсов, оградить человека от вредных воздействий на его здоровье, обеспечить удаленный контроль/управление домашним оборудованием и т.д. Спецификации ECHONET регламентируют универсальные протоколы передачи различных информационных услуг в домашней сети, включающей приборы разных производителей, с использованием в качестве физической среды передачи уже существующие.

Для передачи данных в полосе частот 10…450 кГц по двух- и трехпроводным однофазным сетям напряжением 100/200 В разработаны PLC-спецификации двух типов: power line A и power line В [7].

В спецификациях power line A применяется метод формирования широкополосного сигнала, при котором исходная двоичная последовательность преобразуется с помощью SS-кода (Spread Spectrum) в псевдослучайную последовательность, используемую для модуляции несущей. Этот метод преобразования получил название DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum — расширение спектра методом прямой последовательности). Суть метода в том, что каждому символу передаваемого сообщения ставится в соответствие некоторая псевдослучайная последовательность. Введение избыточности приводит к повышению тактовой частоты и, соответственно, расширению спектра сигнала. Аналогичный метод преобразования данных используется, например, в системах связи стандарта IEEE 802.11.

Поскольку параметры линий электропередачи как среды передачи данных в большой степени зависят от многих факторов, структуры систем модуляции/демодуляции не специфицированы, и допускается выбор схемы их построения. С точки зрения возможности обеспечения надежного соединения, приемлемы различные структуры систем модуляции/демодуляции [7].

Основные характеристики физического уровня (power line A) приведены ниже:

– метод преобразования данных DSSS (вид SS-кода не специфицирован);

– скорость передачи данных 9600 Кбит/с;

– мощность выходного сигнала передатчика не более 10 мВт/10 кГц;

– чувствительность приемника не хуже 0,1 мВт;

– помехи в линии на расстоянии 30 м от передатчика в полосе частот 10…450 кГц не более 100 мкВ/м; в полосе 526,5…1606,5 кГц — 30 мкВ/м;

– интенсивность паразитных излучений в полосе частот 0,45…5 МГц — не более 56 дБмкВ; в полосе 5…30 МГц — 60 дБмкВ.

В качестве примера в [7] приведены возможные варианты структур модулятора и демодулятора (см. рис. 2).

Рис. 2. Варианты возможных структур модулятора (а) и демодулятора (б)

В спецификациях power line В передача данных осуществляется с использованием метода модуляции с несколькими несущими (multiple carriers). В спецификациях физического уровня (power line В) для модуляции несущих оговаривается использование модуляции типа DQPSK (Differential Quaternary Phase-Shift Keying — дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция) и ее разновидностей — DBPSK и D8PSK. Частоты несущих выбираются из соотношения N ∙ 4,3125 кГц, где N = 32, 48, 64, 80, 96. Как правило, используются три (см. рис. 3) базовых несущих частотой 207, 276 и 345  кГц (N = 48, 64, 80). Выбор конкретных значений частот несущих производится в зависимости от характеристик PLC-канала. Скорость передачи данных 4,06/8,12/12,2/24,4/36,5 Кбит/с (скорость 8,12 Кбит/с должна поддерживаться во всех системах). Мощность выходного сигнала передатчика не более 75 мВт (примерно 25 мВт/несущую), чувствительность приемника не хуже 0,1 мВт.

Рис. 3. Принцип модуляции с несколькими несущими

Заключение

В настоящее время в производимом множеством фирм электротехническом оборудовании для автоматизированных систем управления/контроля в большинстве случаев используются PLC-модемы, в которых для передачи данных применяется модуляция сигнала типа S-FSK (стандарт IEC 61334-5-1), FSK, DSSS, BPSK или DCSK. Возрастающие требования к автоматизированным системам, большая разветвленность сетей, а также насущная потребность в обмене данными в реальном времени послужили мощным стимулом разработки новых спецификаций узкополосной технологии передачи данных по электросетям. В предложенных альянсом PRIME спецификациях скорость передачи увеличена до 128 кбит/с.

Более полную информацию об узкополосной PLC-технологии, существующих стандартах и PLC-оборудовании см. в [1—7].

Литература

1. State-of-the-art Technologies & Protocols.D2.1/part 4. — OPEN Meter, 2009 (www.openmeter.com).

2. H. Hrasnica, A. Haidine, R. Lehnert. Broadband Power-line Communications Networks. — John Willey & Sons. 2004.

3. PRIME. Technology Whitepaper. PHY, MAC and Convergence layers. 2008//www.prime-alliance.org.

4. Description of the state-of-the-art PLC-based access technology. D2.1/part 2. — OPEN Meter. 2009//www. openmeter.com.

5. HomePlug Command & Control (C&C). Overview. White Paper. — HomePlug Powerline Alliance. 2008//www.homeplug.org.

6. REMPLI. Publishable Final Project Report. — REMPLI. 2006//www.rempli.org.

7. ECHONET Specification. Part III. Transmission Media and Lower-Layer Communication Software Specification. V.1.0. — ECHONET Consortium//www.echonet.gr.jp.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Виктор Охрименко, техн. консультант, НПФ VDMAIS



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты