Технология PLC (Power Line Communication). Реализация «умных» сетей на базе компонентов PLC от Texas Instruments

Суть технологии.

Теоретические основы технологии Powerline
Основой технологии Powerline является использование частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбивается на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в один сигнал (рис.1).

При использовании обычного частотного мультиплексирования (FDM - Frequency-Division Multiplexing) защитные интервалы (Guard Band) между поднесущими, необходимые для предотвращения взаимного влияния сигналов, довольно велики (рис.2), поэтому доступный спектр используется не очень эффективно.

В случае же ортогонального частотно-разделенного мультиплексирования (OFDM), центры поднесущих частот размещены так, что пик каждого последующего сигнала совпадает с нулевым значением предыдущих (рис.3). Такое размещение позволяет более эффективно использовать доступную полосу частот.

Перед тем как отдельные поднесущие частоты будут объединены в один сигнал, они претерпевают фазовую модуляцию (рис.4), каждая -- своей последовательностью бит.

После этого все они проходят через PowerPacket engine и собираются в единый информационный пакет, который еще называют OFDM-symbol. На рисунке 5 приведен пример относительной квадратурной фазовой манипуляции (DQPSK - Differential Quadrature Phase Shift Keying) на каждой из 4-х поднесущих частот в диапазоне 4-5 МГц.

Реально в технологии Powerline используются 84 поднесущие частоты в диапазоне 4-21 МГц (рис.6).

Теоретическая скорость передачи данных при использовании параллельных потоков с одновременным фазовым модулированием сигналов составляет более 100 Мб/с.
Адаптация к физической среде, устранение ошибок и разрешение конфликтов.
При передаче сигналов по бытовой сети электропитания могут возникать большие затухания в передающей функции на определенных частотах, что приведет к потере данных (рис. 7).]

В технологии Powerline предусмотрен специальный метод решения этой проблемы -- динамическое выключение и включение передачи сигнала (dynamically turning off and on data-carrying signals). Суть данного метода заключается в том, что устройство осуществляет постоянный мониторинг канала передачи с целью выявления участка спектра с превышением определенного порогового значения затухания. В случае обнаружения данного факта использование этих частот на время прекращается до восстановления нормального значения затухания (рис.8).

Данный метод делает технологию Powerline максимально гибкой при использовании в различных условиях. Например, в разных странах существуют различные регулирующие правила, согласно которых часть диапазона частот не может быть использована. При этом, в случае Powerline, в этом диапазоне просто не будут передаваться данные. Еще одним примером является случай, когда некое приложение уже использует часть диапазона. Аналогично первому случаю, в этом также выключается передача данных на определенных частотах, и два приложения могут спокойно сосуществовать в одной физической среде.
Другой серьезной проблемой при передаче данных по бытовой электросети являются импульсные помехи (до 1 микросекунды), источниками которых могут быть галогеновые лампы (ри.9), включение и выключение различных электроприборов и т.д.

При использовании предыдущего метода система может не успеть адаптироваться к быстро изменившимся условиям, в результате часть битов будет разрушена и утеряна. Для решения этой проблемы используется двухступенчатое (каскадное) помехоустойчивое кодирование битовых потоков перед тем, как они будут промодулированы и поступят в канал передачи данных. Суть помехоустойчивого кодирования состоит в добавлении в исходный информационный поток по определенным алгоритмам избыточных ("защитных") битов, которые используются декодером на приемном конце для обнаружения и исправления ошибок. Каскадирование блочного кода Рида-Соломона и простого сверточного кода, декодируемого по алгоритму Витерби, позволяет исправлять не только одиночные ошибки, но и пакеты ошибок, обеспечивая тем самым практически 100% гарантию целостности передаваемых данных. Кроме того, помехоустойчивое кодирование является и способом технического закрытия, обеспечивающего относительную безопасность передаваемой информации в общей среде передачи.
Ещё одним проблемным моментом является то, что сеть бытового электропитания служит общей средой передачи данных, то есть в один момент времени передачу могут осуществлять сразу несколько устройств. В такой ситуации для разрешения конфликтов столкновения трафика необходим регулирующий механизм - протокол доступа к среде. В качестве такого протокола был выбран хорошо известный Ethernet, который в технологии Powerline был расширен путем добавления дополнительных полей приоритезации. Такая модификация вызвана необходимостью гарантированной полосы пропускания для передачи голоса и видео через IP, когда величина задержки является критичным параметром. Пакеты, содержащие голос или видео в этом случае помечаются как "timing critical", т. е. имеют самый высокий приоритет при обработке и доступе к среде передачи.

Практическая реализация и использование PowerLine
Итак, мы рассмотрели основные принципы технологии Powerline. К сожалению, доступ к полной версии стандарта HomePlug 1.0 specification ограничен (только члены HomePlug Alliance), и за кадром остались такие интересные вопросы как требования к электропроводке, дальности передачи и структура построения. Приблизительно оценить отдельные параметры можно на примере некоторых производителей. Так фирма Phonex предлагает устройство Phonex Broadband QX-201 NeverWire 14 (рис.10) с максимальной скоростью до 14 Мб/с.

Расстояние между отдельными точками небольшое, несколько десятков метров. Как видно из рисунка, объединение пользователей в доме можно осуществлять через сеть электропитания, а в качестве доступа к магистральной сети использовать один или несколько модемов (кабельных или DSL).

На данный момент в России предлагается большой выбор оборудования для создания локальных сетей по технологии PLC . Например, производства компании PLANET " s powerline communication , которое работает с PLC стандартом HomePlug1.0 specification, в котором определена скорость передачи данных до 14 Мб/сек. Продукт носит название PL -401 E и представляет собой мост с одним PLC -портом, и свитч с четырьмя LAN -портами. Его стоимость в среднем составляет $82.

Или PLC адаптер, позволяющий соединять от 2 до 16 компьютеров в единую локальную сеть через электропроводку 220 Вольт.

Дальность передачи сигнала - до 200 м. (по электропроводке);

Скорость передачи данных - до 14 Mb/сек.;

Защита данных DES 56 bit;

Переключатель PC/HUB;

Не требует установки дополнительного программного обеспечения.

Проблемы развития технологии PLC .

Однако, какими бы оптимистичными ни были результаты работы экспериментальных PLC-сетей за рубежом, в нашей стране эта технология может столкнуться с рядом трудностей. Наша электрическая проводка сделана в основном из алюминия, а не из меди, которая используется в большинстве стран мира. Алюминиевые провода обладают худшей электропроводностью, что приводит к более быстрому затуханию сигнала. Другая проблема заключается в том, что у нас до сих пор не решены основные вопросы нормативно-правового регулирования использования таких технологий. Впрочем, последняя проблема актуальна и для Запада. Основным фактором, сдерживающим быстрое развитие высокоскоростных систем PLC, является отсутствие стандартов на широкополосные PLC-системы, и, как следствие, большой риск несовместимости с другими службами, использующими те же или близкие диапазоны частот. В 2001 году международный консорциум HomePlug Powerline Alliance принял отраслевой стандарт для построения домашних сетей через линии бытовой электропроводки - спецификацию HomePlug 1.0. Но этот стандарт регламентирует построение «домашних» сетей, то есть сетей в пределах одной квартиры (коттеджа). Полноценный же стандарт для широкополосных PLC пока не разработан.

LON - это локальная операционная сеть. Для реализации сетей умного дома используются появившиеся в 1998 году сетевые технологии, такие как LonWorks, HomeRF и Bluetooth.
Домашняя радиосеть HomeRF выполнена на базе открытого промышленного протокола коллективного беспроводного доступа (Shared Wireless Acess Protocol – SWAP), разработанного рабочей группой фирм-производителей домашних ВЧ-систем (Home Radio Frequency Working Group – HomeRF). Группа, образованная в марте 1998 года, объединила более 90 производителей (в том числе и Intel). Используется полоса частот 2,4 ГГц с возможностью перескока частоты. Сеть работает с шумоподобным сигналом (ШПС) и поддерживает скорость передачи данных 2 Мбит/с на расстояние до 50 м. На рынке представлены такие изделия, как сетевые средства серии AnyPoint фирмы Intel и HomeLINE компании Farallon. В AnyPoint входят адаптер для подключения нескольких ПК через USB-порт к ближайшей телефонной розетке.
Популярная платформа Bluetooth рассчитана на полосу 2,45 ГГц. Она предусматривает применение трансивера с перескоком частоты (1600 перескоков/с) и работу в режиме временного уплотнения. В диапазоне от 10 см до 10 м скорость передачи данных составляет 1 Мбит/с. Дальность действия невелика, но может быть увеличена до 100 м за счет наращивания мощности передаваемого сигнала

Разберем, прежде всего, что представляет собой современная силовая сеть, обеспечивающая доставку электроэнергии потребителям (рис. 3.1). Имеется линия электропередачи ЛЭП 110 кВ, которая подходит к понижающей подстанции. Далее напряжение 110 кВ трансформируется в напряжение 10 кВ, затем на подстанции  в трехфазное напряжение 220 В. Это фазное напряжение, и таких фаз три  Ф1, Ф2, Ф3, линейное напряжение  380 В.

По готовой проводке можно легко организовать связь в любом сечении сети (см. рис. 3.1). В энергосистемах России это и делается, хотя неудовлетворительное состояние сети и алюминиевые провода весьма ограничивают этот процесс. Однако поскольку мы говорим о «последней миле», нас будет интересовать технология в относительно низковольтовой части, а именно в трехфазных бытовых сетях напряжением 220 В.

Суть понятна – не надо «тянуть» сеть, а цели следующие: низкоскоростная передача данных (управление, учет); высокоскоростная передача данных (Интернет); телефония; домашняя автоматика, сервис «умный дом».

По этой технологии связи идет вторжение в чужую сеть, и в России существует ГОСТ Р51317.3.8-99  «Передача сигналов по низковольтовым электрическим сетям», регламентирующий такое вторжение (стандартом определена полоса частот в диапазоне 3 – 525 кГц) .

В соответствии с ГОСТ Р51317.3.8-99 связь по силовой сети может быть организована в следующих диапазонах частот:

1) 3 – 9 кГц – может использоваться по согласованию с потребителями электрической энергии;

2) 9 – 95 кГц – запрещен для использования;

3) более 95 кГц – разрешен без ограничений (любой вид кодировки, модуляции).

Наиболее современной и распространенной является технология Powerline, ориентированная на цифровую обработку микропроцессором (DSP). В настоящее время с помощью этой технологии возможна передача информации со скоростью до 85 Мбит/с на расстояние 200 м.

Особенности технологии PLC:

связь возможна, если все терминалы подключены к одной фазе (см. рис. 3.1);

значительные затухания в линии;

существенные помехи кондуктивного характера (кондуктивные помехи представляют собой токи, текущие по проводящим конструкциям и по земле);

нестабильность линии связи.

Все это накладывает существенные ограничения на использование описанной технологии. Рассмотрим методы, применяемые в настоящее время.

Проблемы помехоустойчивости решаются при кодировании и модуляции. Заметим, что такие системы строятся по адаптивному принципу. В начале передачи устанавливается пробный режим «Вкл./выкл.» и идет мониторинг линии (прежде всего по затуханию). В зависимости от состояния меняются частоты и скорость работы, т. е. идет адаптированная передача.

Импульсные помехи, возникшие при коммутациях, могут быть столь короткими (менее 1 мкс), что система может не успеть адаптироваться. Для этого применяют избыточные коды  сверточные (см. разд. 1), коды Рида – Соломона с декодированием по алгоритму Витерби.

Процедуры декодирования подробно рассматриваются в теории кодирования , мы же остановимся на сути декодирования по алгоритму Витерби (алгоритм получил название декодирования по максиму правдоподобия). Допустим, имеется множество передаваемых кодовых комбинаций U i и одна из них передается. При декодировании известны возможные кодовые комбинации R j . В декодере производится вычисление условных вероятностей P(R j /U i), естественно, все они разные. Из множества этих вероятностей выбирается максимальная и принимается соответствующее ей решение  R j .

Декодирование кода Хемминга предполагает регулярное правило решения, а алгоритм Витерби – статис-тическое.

Модуляция. Высокоскоростной поток разбивается на несколько низкоскоростных, по каждому из которых передаются биты исходного слова. Эти низкоскоростные потоки подаются на частотный модулятор с несколькими несущими (поднесущими) (рис. 3.2).

При обычной FDM (частотной модуляции) между несущими вводится большой частотный интервал для лучшего разделения сигналов в приемнике, но использование спектра неэффективно, так как сигнал в целом занимает большую полосу.

Предположим, сигнал низкоскоростного потока (бит)  прямоугольный простейший импульс. По теореме о переносе спектра его спектр переносится в область поднесущей в виде двух боковых полос. И так будет у каждой поднесущей (рис. 3.3). Весь этот набор формирует полосу частот сигнала.

ВPLC-технологии применяют ортогональное частотное разделение, т. е. спектры при ортогональных несущих (рис. 3.4). Эта модуляция называется OFDM. Нетрудно заметить, что несущие частоты выбраны при значении других спектров, равных нулю. Ортогональность спектров позволила уменьшить полосу частот всего сигнала (см. рис. 3.4).

0 5 10 15 20 25 30 35 40 рад/с 50

Рис. 3.3. Спектр сигнала FDM

0 3 6 9 12 15 18 21 24 рад/с 30

Рис. 3.4. Спектр сигнала при OFDM

На этом процесс модуляции не заканчивается. Каждая несущая модулируется по какому-либо закону. Это может быть, например, квадратурная амплитудная модуляция (КАМ), фазовая относительная модуляция (ОФМ) и др., но в любом случае это должна быть многопозиционная система сигналов, позволяющая повысить пропускную способность канала.

При многопозиционной ОФМ-модуляции в каждой поднесущей кодируется сразу два бита (дибит) по следующему принципу: Δφ = 0, биты 00; Δφ = = 90, биты 01; Δφ = 180, биты 10; Δφ = 270, биты 11.

Четыре поднесущие, с помощью каждой из которых реализуется ОФМ-2, приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Кодирование поднесущих

После кодирования все поднесущие собираются в один пакет, несущий информацию (рис. 3.5). Таким образом передается последовательность 00100111.

В итоге сборки сформирован сигнал DQPSK – дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции.

ВтехнологииPowerline используется 84 поднесущих с шагом в 0,2 МГц в полосе частот 4 – 21 МГц (полоса разрешена стандартом), и по каждой поднесущей передается два бита.

Вернемся к адаптации системы к переменным условиям среды. Затухание линии не постоянно, так как это бытовая сеть энергоснабжения, во время тестирования может быть обнаружено большое затухание на частотах некоторых поднесущих. В технологии предусмотрен специальный метод решения этой проблемы – динамическое включение и выключение передачи сигналов на пораженных поднесущих (рис. 3.6). Естественно, что скорость передачи при этом меняется.

Благодаря данному методу теоретическая скорость технологии Powerline может достигать 100 Мбит/с.

Обработка сигнала OFDM производится сигнальным микропроцессором, а формирование линейного сигнала – специальным модемом, для которого разработаны микросхемы. Например, на основе микросхемы К1446ХК1 разработан трансивер для клиентского модема со следующими параметрами: скорость  до 200 Мбит/с, модуляция OFDM с 1530 поднесущими (компания TelLink).

Бытовая сеть электропитания служит общей средой передачи для нескольких терминалов, и в одно время на связь могут выходить несколько устройств. Для предотвращения конфликтов и столкновения трафика необходимо придерживаться протокола доступа к среде. В данной технологии принят известный протокол Ethernet (CSMA/CD) с некоторыми добавлениями приоритета – пакеты голоса и видео передаются с максимальным приоритетом, так как для этих данных задержка недопустима.

ТехнологияPowerline не единственная в этой области. Есть технология стандарта Х.10, которая применяется при компьютеризации жилой квартиры («умный дом») . Суть этой технологии проста. Передача сигнала осуществляется на частоте 50 Гц. В момент времени перехода синусоиды через ноль вводится временное окно, через которое и происходит передача (рис. 3.7). В окно помещается радиоимпульс частотой 120 кГц, а помехи создаются «кусочком» вырезанной синусоиды . Скорость работы невелика – до 50 бит/с, но этого достаточно для управления бытовыми приборами.

Примерный состав сети, построенной на основе PLC-технологии, показан на рис. 3.8.

4. Атмосферные оптические линии

Атмосферная оптическая линия – это линия с открытым оптическим каналом через атмосферу (рис. 4.1). На рис. 4.1 приняты следующие обозначения: ФД  фотодетектор; мультиплексор  цифровое устройство, объединяющее стандартные цифровые потоки Е1; демультиплексор выполняет обратную операцию.

Поток Е1 состоит из 30 цифровых каналов, по которым информация поступает к терминалам. Так что можно считать, что система участвует в решении проблемы «последней мили».

Можно назвать следующие преимущества оптического канала:

как и в любом оптическом канале, большая пропускная способность;

отсутствие помех электромагнитного характера;

информационная безопасность. Оптический луч сфокусирован в узкий пучок и злоумышленнику невозможно «включиться» в него;

возможность быстрого развертывания системы, что особенно важно в условиях плотной городской застройки;

не требуется получения разрешения у органов надзора на использование рабочих частот.

Существенный недостаток атмосферного канала – зависимость связи от состояния атмосферы. Именно по этой причине система может перекрыть только незначительное расстояние – до 3 км. Что же представляет собой атмосферный канал? Атмосфера состоит из атомов различных веществ, и они влияют на ее прозрачность в оптическом диапазоне. Прозрачность зависит от массы воздуха, от содержания водяного пара и пыли. Затухание определяет длина волны излучения. Атмосфера прозрачна в диапазоне от 0,3 до 2 мкм. На участке видимого спектра от 0,6935 до 0,6943 мкм имеется несколько микроокон прозрачности .

На среду передачи влияют фон, естественная освещенность окружающей среды, ослабление, турбулентность, хаотические изменения скорости, температуры, давления атмосферы, что приводит к случайным замираниям сигнала.

Наиболее известны в настоящее время технологии FSO, LaserLink. Остановимся на их особенностях.

Излучатели. Работают в диапазоне 0,75 – 0,9 мкм. В качестве излучателей применяют как полупроводниковые лазеры, так и светодиоды. Отметим следующие особенности излучателей:

применяется автоматическая установка угла излучения (диаграмма направленности) в зависимости от длины трассы. Чем длиннее трасса, тем уже диаграмма, и на приемник попадает более сконцентрированная мощность. Для реализации установки используются два лазера с двумя объективами (антеннами). Один лазер имеет большой угол излучения, другой  узкий. Переключение лазеров идет автоматически;

при узком луче излучения имеется автоматическая система юстировки, точного совпадения луча с приемной антенной. Иначе принимаемый луч может потеряться;

скорость передачи зависит от затухания и меняется автоматически. При большом затухании сигнала скорость падает и наоборот;

в некоторых технических решениях приемопередающего модуля зависимость от прозрачности атмосферы исключается переходом на другую длину волны в другом окне прозрачности (резервный канал).

Приемник. Используются фотодиоды со структурой PIN (структура типа P-I-N-полупроводника) и лавинные фотодиоды (рис. 4.2). Такие структуры имеют повышенный коэффициент чувствительности, малоинерционные.

Специфика названных фотодиодов следующая. В P-I-N-полупроводнике имеется один слой чистого полупроводника I с хорошей оптической прозрачностью. Оптическая волна проникает на значительную глубину, и возбуждение электронов идет в большом объеме. В лавинном фотодиоде идут лавинные процессы размножения носителей тока. Указанные процессы способствуют увеличению чувствительности приемника.

Приемник и излучатель объединены в приемопередающий модуль (ППМ), в котором находится и кодек (рис. 4.3). Апертура  это способность оптического объектива собирать свет, обычно она характеризуется угловыми размерами. Двух- и трехапертурные системы позволяют решить перечисленные выше задачи, а именно:

переход на резервную длину волны в случае большого затухания на основной;

изменение диаграммы направленности в зависимости от расстояния меж-ду точками приема и передачи;

возможность отслеживать положение оптической оси атмосферной линии и корректировать ее. Это особенно важно при работе в условиях города, так как вибрации зданий, ветровые нагрузки и другие причины могут привести к потере связи.

Интересно решение приема сигналов в технологии FSO. В передатчике излучаются два когерентных, пространственно разнесенных луча с одинаковой амплитудой. Один луч опорный, а другой несет информацию, т. е. модулируется по фазе. Конечно, оба луча одинаково поражаются вредными воздействиями и возмущениями среды. Эти лучи попадают на фотоприемник, который выполнен в виде матрицы из фотодиодов (рис. 4.4). Пришедшие лучи создают на поверхности матрицы интерференционную картину. В некоторых точках матрицы произойдет усиление суммарной электромагнитной волны, а в других  ослабление, т. е. образуются темные и светлые места.

Соответственно поведут себя и сигналы, снятые с фотодиодов. При смене фазы в информационном луче на 180 положение темных и светлых областей поменяется, поменяются и сигналы. Матрица имеет большую площадь, и поэтому проблем с вводом излучения в приемник нет.

У данного метода есть еще одна особенность. Известны два метода приема оптических сигналов – прямого преобразования и гетеродинный (термин пришел из радиотехники). Прямой метод прост в реализации: на фотодиод падает луч и снимается напряжение, обратное для P-N-перехода. Этот метод нашел применение в кабельной оптике.

Второй метод, гетеродинный, более сложен и требует наличия маломощного источника в самом приемнике. Итак, на вход приемника пришел информационный сигнал, он складывается с сигналом гетеродина. Оптические сигналы  это электромагнитные волны. Запишем их так:  напряженность электрического поля информационной волны и
 напряженность поля гетеродина. Попав на площадку матрицы ФД, сигналы складываются: . Фотодиод выдает ток (или напряжение), пропорциональный падающей мощности (квадрату напряженности поля):

Если раскрыть произведение косинусов, то в приведенном выражении можно выделить члены, содержащие информацию о фазе информационного луча φ. Их будет несколько, и в том числе
, который значительно увеличит уровень полезного сигнала. Напомним, что в атмосферном канале (см. рис. 4.1) присутствует фон. По сути это помеха для связи, и за счет члена
, входящего в приведенное выше выражение, возрастает сигнал, увеличивается соотношение «сигнал/помеха». Таким образом, в какой-то мере решается проблема помехоустойчивости.

Кодирование информации идет в канальном кодере Рида – Соломона.

Цифровые потоки Е1 объединяются по плезиохронному принципуPDH. Для объединения используется код HDB3. Это трехуровневый код, в котором исключаются длинные последовательности нулей. Эта мера необходима для сохранения синхронизации системы. Принцип образования такого кода и его отличие от кода AMI показаны на рис. 4.5. В коде AMI длинные последовательности нулей фактически означают потерю сигнала. Выделить из этого кода синхронизирующую последовательность невозможно.

Если в коде HDB3 более четырех нулей, в информационную последовательность вставляется служебный сигнал (V-сигнал) и синхронизация сохраняется.

На основании приведенного материала можно сделать следующие выводы:

1)в приемнике используются свойства интерференционной картины на матричной мишени фотодиодов, т. е. применяется гетеродинный способ приема. В качестве гетеродина используется сигнал второго лазера;

2) для передачи используется трехпозиционный код HDB3, допускающий синхронизацию системы;

3) для организации тракта передачи применяются светодиоды, полупроводниковые лазеры и средства корректировки;

4) в основе принимающей матрицы используются специальные фотодиоды.

Сети Smart Power представляют собой интеллектуальные сети питания завтрашнего дня, которые стали основой технологии «Smart Grid» в промышленности. Концепция основана на интеллектуальном управлении системами подачи питания и обмена данными между оборудованием предприятия, что требует разработки новых принципов администрирования энергетических сетей. Идея компании HARTING: каждое устройство становится абонентом сети вне зависимости от того, подключен ли к нему кабель данных или только кабель питания.

ЗАО «ХАРТИНГ», г. Москва

В рамках управления предприятием разрабатывается общая концепция развития коммерческих и производственных зданий, которая позволяет добиться постоянного снижения производственных и эксплуатационных расходов и обеспечить готовность оборудования к техническому обслуживанию. Главная цель – получить «экологически чистое» производство, а также увеличить производительность и соответственно рентабельность всего предприятия путем снижения расходов на энергоснабжение, увеличения эффективности распределения энергии, оптимизации пиковых нагрузок или оптимизации энергопотребления с помощью программных средств, а также путем использования современной концепции распределения энергии в составе системы управления энергетическими ресурсами предприятия по стандарту DIN EN 16001. Для достижения поставленной цели требуется единая и универсальная система связи, объединяющая сети питания и сети передачи данных. Для крупных потребителей электроэнергии будет создана система энергетического мониторинга, которая объединит функции управления процессами подачи электроэнергии, управления энергопотреблением и предоставления пользователям полной информации. Качественная связь – основа эффективности. Обмен данными между промышленными устройствами до сих пор считается всего лишь вспомогательной функ­цией. Однако если промышленные устройства работают изолировано, вне системы обмена данными, дальнейшее развитие и повышение эффективности промышленных процессов невозможно. Отсутствие диагностики отрицательно влияет на готовность оборудования к техническому обслуживанию, а повышение энергоэффективности при эксплуатации оборудования невозможно без эффективной системы идентификации потребителей электроэнергии. Обе задачи решаются только при использовании сети передачи данных, которая позволяет «увидеть» каждое работающее устройство и управлять им.

Энергоснабжение в промышленности и типы сигналов связи

Работа промышленных уст­ройств связана с тремя жизненно важными «артериями» – это линии подачи питания, линии передачи данных и линии передачи сигналов управления. Устройства, потребляющие большую мощность, постоянно подключены к силовой линии 400 В, однако менее 50 % из них способны передавать и принимать информацию. Для эффективного администрирования подобных устройств каждое из них должно быть интегрировано в сеть питания в качестве оконечного устройства.

Отсюда вытекают требования к сетям питания. Когда устройство подключается к сети питания, должно немедленно распознаваться само устройство и значение потребляемой им мощности, а также должна быть возможность отключения нагрузки в соответствии с выбранным алгоритмом. Для реализации перечисленных функций требуется канал с достаточно узкой полосой пропускания.

Автоматизация, напротив, требует линий связи, способных передавать данные на высокой скорости в режиме реального времени. Например, оптические линии автоматической диагностики работают в достаточно широком частотном диапазоне.

Организация линий передачи данных в сети питания

Чтобы снизить затраты на монтаж, а также для реализации базовых функций управления сетью питания, компания HARTING выбрала технологию передачи данных по кабелям электропитания. Однако, несмотря на то что сети объединены, они должны работать так, как работали бы сети, организованные с помощью отдельных кабелей. Поэтому в качестве основы для сети питания был выбран стандарт Ethernet, позволяющий добавлять в сеть новые функции в зависимости от требований пользователей. Если в традиционную сеть питания интегрировать функцию интеллектуального управления, она становится сетью smartPowerNet. В этом случае объединенные в сеть устройства начинают играть ключевую роль, поскольку именно они определяют требуемую для промышленности топологию сети. Следовательно, элементы сети smartPowerNet формируют основу сетевой структуры: компания HARTING сделала соответствующие выводы и стала первым предприятием, разработавшим устройства для сетей электропитания с функцией передачи данных.

Использование стандартной сети Ethernet

Управление сетью Ethernet осуществляется через управляемые компоненты сети.

Вполне логично, что функции управляемых коммутаторов могут взять на себя устройства сети smartPowerNet. Одна из основных функций управления сетью – это визуализация топологии и подключенных к сети оконечных устройств. Если для сети питания с функцией передачи данных выбран стандарт Ethernet, топология сети передачи данных повторяет топологию сети питания, так как для передачи данных и питания используется один и тот же кабель. Следовательно, для администрирования такой комплексной сети можно использовать стандартные функции Ethernet, выбор которых достаточно широк. На основе такой концепции возможно создать универсальное решение. Система открыта и масштабируема, поскольку подключение дополнительных линий связи расширяет частотный диапазон системы, не накладывая никаких ограничений на совместимость.

Функции управления комплексной сетью

В настоящий момент востребованы решения, которые поддерживают топологии, предусматривающие использование линий передачи данных и питания в различных комбинациях и позволяющие передавать данные об энергопотреблении, например, в диспетчерскую, без прокладки дополнительных кабелей данных, а также осуществлять непрерывный контроль состояния системы без установки и конфигурирования дополнительных устройств. В такой сети очень важна функция автоматического распознавания топологии сети в момент первого включения и во время работы сети, а также отображение данных о системе распределения питания. Устройства, распределяющие и потребляющие электроэнергию, распознаются при включении сети и отображаются на дисплее промышленного ПК или главной рабочей диспетчерской станции вместе с текущими показателями энергопотребления. Интеграция системы управления нагрузкой позволяет избежать перегрузок, система срабатывает при превышении пиковых значений, предварительно установленных для нагрузки. Поэтому целесообразно заранее определить потребителей, которых можно безболезненно отключить при общей перегрузке сети.

Контроль состояния системы

Функция контроля состояния нагрузки в системе распределения электроэнергии, а также нагрузки, подключенной к станку или другому оборудованию, основана на регулярном считывании и последующем анализе соответствующих данных. Она служит для обеспечения безопасности и эффективности работы системы. В дополнение к измерению сигнала на выходах Т-образных отводов производится непрерывный контроль состояния всей распределительной сети и каждого отдельного элемента smartPowerNet.

Любое изменение параметров сети и показателей качества работы регистрируется и анализируется. Так, например, можно мгновенно определить такие неисправности, как падение напряжения, обрыв кабеля или неправильное подключение до отказа всей системы.

Рис. Применение технологии «Smart Grid» в промышленности значительно повысит эффективность

Энергопотребление

Для снижения расходов на электроэнергию нужны данные обо всех потребителях. Для этого в каждый элемент сети smartPowerNet, в каждое распределительное устройство или электрошкаф встроена измерительная интегральная схема, которая считывает и записывает данные, используемые для расчета энергопотребления. Самым простым средством снижения энергопотребления является отключение потребителей. Стандартные входы/выходы администрируемых распределительных устройств позволяют отключать лишние устройства с помощью ПЛК без использования дополнительных сетевых протоколов.

Отображение данных

Обработка всех результатов измерений производится на промышленном ПК. Данные сети smartPowerNet считываются через стандартные коммуникационные интерфейсы, затем обрабатываются и архивируются.

Существенные отклонения результатов измерений от нормальных значений регистрируются, анализируются, записываются и отображаются на промышленном ПК или в диспетчерской в соответствии со степенью важности. Рассчитывается, например, энергия, потребленная всей системой или каждой выходной цепью. Отображается значение потребленной электро­энергии относительно номинального значения и выдается предупреждение при перегрузке. Также возможен графический анализ потребления электроэнергии и составление графиков энергопотребления на достаточно долгий срок.

При современном уровне развития компьютерной техники и сетевых технологий, к сетям предъявляются жесткие требования. Компьютерная сеть должна обеспечивать требуемую для конкретных условий скорость передачи; так же она должна быть мобильной, с большим количеством точек доступа, при этом не должна требоваться прокладки кабеля; сеть должна иметь простое администрирование; она должна обеспечивать высокую надежность при простых технических решениях; сеть должна поддерживать все возможные типы сетевого оборудования и при всем этом она должна быть дешевой.

При всеобщей глобальной компьютеризации, как простого населения, так и предприятий, организаций и спецслужб появилась необходимость организации компьютерных сетей

Одним из вариантов организации сетей является система передачи данных по энергосетям

В дипломной работе будет показана схема организации сети передачи данных по энергосетям на примере п. Алхан-Чурт с применением технологии PLC

Раздел БЖД выполняется с целью создания безопасных условий труда при работе с сетями энергопитания

В экономической части диплома будет произведен расчет себестоимости проектируемой сети и экономическая целесообразность построения сети на основе PLC технологии

Технология PLC - это, в первую очередь, решение проблемы "последней мили". Потому что в этом решении используется внутридомовая электросеть. Сама услуга предоставляется по принципу Plug&Play. То есть адаптер или абонентский модем, приобретенный потребителем в магазине, не требует никаких настроек: при включении в розетку автоматически идет связь с головным устройством, которое в каждом доме одно; происходит автоматическая настройка конфигурации и присвоение IP-адреса. Преимуществом технологии является также и то, что для подключения к Интернету нет нужды ждать монтеров и пускать их к себе домой. Другой дополнительный плюс - роуминг: модем работает во всех домах, где есть PLC-покрытие. Он не прописан жестко к конкретному адресу и работает и внутри района, и внутри города, и в другом городе тоже. Сейчас строятся сети одновременно в пяти городах, и в стадии подготовки проектов находятся еще минимум 5-6 городов России.

При всех достоинствах этой технологии рынок Интернет-доступа уже насыщен, и мы буквально на себе чувствуем, как медленно идет нарастание абонентской базы. Если клиент уже подключился к провайдеру и сделал проводку, то привлекать его низкой ценой уже нет смысла, тем более что опуская цены оператор ставит сам себя в тяжелое положение. Средний платеж за широкополосный доступ уже и так небольшой. Поэтому для развития необходимо вводить новые сервисы и услуги. Например, так называемый "конструктор". К базовому PLC-модему "пристегиваются" разные модули: Ethernet-розетка; Wi-Fi-точка доступа; телефонный модуль, к которому можно подключить и обычный аналоговый городской телефон, и внутренний аппарат, и VoIP-устройство. С помощью последнего можно организовать внутреннюю телефонную сеть внутри города (например, прямые каналы телефонной связи с родственниками).

Еще один подключаемый модуль -видеокамера, с помощью которой можно организовать у себя дома систему видеонаблюдения, даже не подсоединяя ее к компьютеру. Весь трафик она передает по электросети на сервер провайдера. И пользователь в любой точке мира может, выйдя в Интернет, зайти в свой личный кабинет на клиентском интерфейсе и проверить обстановку дома. Подобное решение идеально подходит для контроля за детьми, приходящими нянями и домработницами. Кроме того, через Web-интерфейс можно настроить различные дополнительные функции -такие, например, как система motion detection (контроль движения), которая позволит камере выполнять функции объемного датчика движения: когда картинка сменилась, пошел сигнал на сервер, высылается SMS на мобильный телефон пользователя - он подключается к Интернету и проверяет, все ли в порядке.

Технология PLC (Power Line Communications - коммуникации по силовым линиям), также называемая PLT (Power Line Telecoms), является проводной технологией, направленной на использование кабельной инфраструктуры силовых электросетей для организации высокоскоростной передачи данных и голоса. В зависимости от скорости передачи делится на широкополосную (ВPL) со скоростью более 1 Мбит/с и узкополосную (NPL).

Тестирование службы широкополосного доступа в Интернет через электросеть было запущено в Шотландии. Эта инициатива принадлежит электроэнергетической компании Scottish Hydro Electrics. Как сообщает британское издание PC Advisor, в тестировании "Интернета через розетку" было задействовано около 150 пользователей. Каждый абонент получил доступ в Интернет на скорости 2 Мбит/с. По цене это было более чем в два раза выгоднее предложения другого провайдера Интернета. Интерес к новой службе проявили уже несколько энергетических компаний страны. Кроме того, динамично внедряет PLC ведущий поставщик электроэнергии в Германии компания RWE. Например, в Германии люди даже квитанции за электроэнергию не заполняют: информация со счетчиков приходит напрямую к поставщику электричества по электропроводке. Аналогичные проекты запущены в Италии и Швеции.

В России первый этап строительства сети на базе PLC-технологии выполнялся компанией "Спарк" и завершился в октябре 2005 г. На тот момент сеть включала в себя более 750 узлов доступа, расположенных в жилых домах. Все узлы доступа объединены магистральной оптической сетью Gigabit Ethernet. В 2006 г. стартовал пилотный проект по вводу в эксплуатацию технологии PLC в районе Южное Тушино, а в 2007 г. началось активное строительство сети и подключение абонентов.

Невысокая плата за доступ в Интернет обеспечивает хорошую конкурентоспособность, но качество порой вызывает нарекания потенциальных и настоящих абонентов (если судить по многочисленным дискуссиям на форумах). Например, пользователи сетуют на проблему возможности подключения к Сети только через определенную розетку в квартире, что не всегда бывает удобно абоненту, а также на снижение скорости при включении электроприборов. Это обусловлено общим состоянием электропроводки квартиры, но такие проблемы решаются специалистами провайдера. К тому же во избежание каких-либо проблем рекомендуется включать пользовательское устройство в отдельную розетку. Тем не менее эксперты телекоммуникационной отрасли придерживаются невысокой оценки потенциала развития PLC-сетей. Причиной этого является сама технология. Для передачи данных от компьютера к компьютеру специально разрабатывалась технология Ethernet, в результате при ее использовании стоимость оконечного оборудования самая низкая, да и скоростные характеристики наилучшие. Любые же попытки приспособить для передачи данных среду, изначально к тому не предназначенную, приводят к более высокой стоимости оборудования и к худшим техническим характеристикам. Это относится и к телефонному медному проводу (коммутируемые модемы или ADSL), и к силовым сетям (технология PLC).

Так называемая "проблема последней мили", о которой так много говорят последнее время, породила множество решений. Однако у большей части таких решений есть один общий недостаток – все они требуют прокладки проводов и кабелей. Наверное, нет смысла говорить о том, какие сложности и трудности это подчас вызывает – очень часто стоимость прокладки кабеля составляет большую часть стоимости наладки сети. Более того, существует ряд случаев, при которых прокладка новых кабелей невозможна или крайне нежелательна – ярким примером такой неприятной ситуации является недавно законченный ремонт, сразу после которого неожиданно выясняется, что необходимо прокладывать дополнительные провода для компьютерных сетей.

Поэтому особый интерес всегда вызывали те технологии, которые позволяли обойтись без прокладки новых кабелей. На данный момент существует два успешных подхода к этой проблеме – это беспроводные сети Wi-Fi и технологии PLC. Если про беспроводные сети сейчас написано достаточно много, то про технологии PLC доступно гораздо меньше информации.

Технологии PLC позволяют построить компьютерные локальные сети на основе существующих линий электропередач. Так, применяя технологии PLC, вы можете построить небольшую домашнюю локальную сеть, используя ту электрическую проводку, которая уже проложена.

На самом деле, способы передачи информации при помощи электрической проводки существовали давно. Одним из них являются всем известные советские репродукторы (которые также часто неверно называют радиоточками). В основе различных технологий лежит достаточно простая идея разделения сигнала – если бы каким-то образом можно было бы одновременно передавать несколько сигналов по одному физическому каналу, то таким образом можно было бы увеличить общую скорость передачи данных. Этого можно добиться при помощи модуляции (к тому же, модулированный сигнал устойчив к помехам), и при разных способах модуляции на одних и тех же физических каналах передачи данных можно добиться разной скорости передачи данных.

На первый взгляд, рецепт удачной технологии PLC может показаться простым – достаточно выбрать такой способ модуляции, который мог бы обеспечить наиболее скоростную передачу данных, и современное средство связи готово. Однако те способы модуляции, которые обеспечивают наиболее плотную упаковку сигнала, требуют сложных математических операций, и для того, чтобы их можно было применять в технологиях PLC, необходимо применение быстрых сигнальных (DSP) процессоров.

Процессор цифровой обработки сигналов (digital signal processor - DSP) - это специализированный программируемый микропроцессор, предназначенный для манипулирования в реальном масштабе времени потоком цифровых данных. DSP-процессоры широко используются для обработки потоков графической информации, аудио- и видеосигналов.