Интегрални схеми за комуникации по електрозахранващата мрежа

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2015 • 06.07.2015

Стефан Куцаров

Hа особеностите на този тип комуникации (Powerline Communication, PLC), все още приемани за развиваща се област, бе посветена статията „Телекомуникации по електрозахранващата мрежа” в бр. 7/2011 г. на списание Инженеринг ревю. За мястото им в съвременните електрозахранващи мрежи е достатъчно да се спомене, че през 2013 г. в глобален мащаб са продадени 39 млн. прибори с PLC, а за 2018 г. се очаква този брой да се увеличи на 420 млн.

Една от причините за това е нарастващият брой малки източници на електроенергия, главно от ВЕИ. Ползването им обуславя двупосочен обмен (генерация и консумация) на електроенергия по мрежата, чието измерване и контрол заедно с тяхното управление и това на товарите значително се улеснява от PLC. От друга страна, нарастващата им популярност се дължи на по-голямото разнообразие на адаптери, повишаването на скоростта на обмен на данни и значително по-големия брой специализирани интегрални схеми (ИС).

Съществена особеност е, че през последните години бързо се увеличи относителният дял на ИС за теснолентови комуникации (Narrowband PLC) NBPLC както поради разширяване на приложенията им в класическите области на измерване на показанията на прибори, контрол на работата на изпълнителни механизми и различни видове управления, така и в резултат на развитието на нови области като „интелигентните” електрозахранващи мрежи (Smart Grid) SG.

По принцип за тях е предвиден честотният обхват 3-500 kHz при скорост на обмен на данните до 128 kbps и максимално разстояние, надхвърлящо 1 km. По-рядко срещани са свръхтеснолентовите PLC (Ultra Narrow Band) UNBPLC, използващи честотния обхват 0,3-3 kHz (поради това наричани и Very Low Frequency PLC) и обменящи данни със скорост до няколко стотици bps на разстояние до 150 km.

Пример е системата TWACS, която изпраща по 2b за всеки период на мрежовата честота. От друга страна, широколентовите мрежи (Wideband PLC) WBPLC вече позволяват скорости на обмен на данни до 1200 Mbps, което разширява приложенията им. Те основно са за сградни мрежи с долна граница на честотния обхват 1,8 или 2 MHz и горна между 30 и 85 MHz при максимално разстояние под 300 m в зависимост от използвания стандарт. За опростяване на връзките между бързо нарастващото количество електронни прибори в автомобилите също могат да се използват PLC, за което вече се произвежда ИС (DCB500) на приемо-предавател.

Нови разновидности на PLC
Първата е PRIME (от PoweRline Intelligent Metering Evolution) PLC Technology, разработена от Iberdrola, предназначена за NBPLC и използваща усъвършенствана ортогонална многочестотна модулация (OFDM). Основната област на приложенията й са за автоматично отчитане на показанията на измервателни прибори (Automatic Meter Reading, Smart Metering) AMR и изграждане на съответните мрежи (Automated Meter Infrastructure) AMI.

Чрез нея се осъществяват двупосочни връзки първоначално със скорост 21-128 kbps в частта 42-89 kHz на обхвата CENELEC-A и след това (PRIME version 1.4) 40 kbps - 1 Mbps в FCC/ARIB обхвата (3-490 kHz). Използват се 97 подносещи честоти с интервал 488 Hz между тях.

Създадени са приложения за ползване в мрежите IPv4 и IPv6 без необходимост от допълнителни рутери. Други съществени особености са кодирането на данните според AES-128 и осигуряването от предавателите на напрежение 1 V (средноквадратична стойност) по линия с импеданс 2 ома.

Втората разновидност е G3, създадена от G3 Alliance също за NBPLC с OFDM и скорости 20-40 kbps в честотен обхват 3-95 kHz за Европа и скорости 200-400 kbps за САЩ и някои други страни в съответствие с изискванията на FCC.

Споменатата максимална скорост от 1200 Mbps е на стандарта HomePlug AV2 и осигурява обмен на HD и 3D видеоизображения. Неговите основни различия от HomePlug AV са честотната лента 2-85 MHz, използването и на 4096-QAM (обмен на 12 b числа) и установяването на връзки от типа МIMO (Multiple-Input Multiple-Output).

Последните реално са 2x2, т. е. чрез използване на всяка двойка проводници от 3-проводна електрозахранваща мрежа се свързват независимо един от друг 4 обекта. При работа на устройствата към мрежа само с фаза и нула те я разпознават автоматично.

За изграждане на PLC в дома е G.hn-Home Networking Standard на ITU, в чиято препоръка G.9960 е дадена структурата и изискванията на приемо-предавателите за изграждане на „интелигентно” жилище чрез едновременно използване на електрозахранващата мрежа, телефонните линии и коаксиални кабели. Целта на стандарта е да осигури едновременното свързване на устройства от битовата електроника компютърни конфигурации, вкл. рутери и терминали на оптични мрежи, телефони и различни прибори на SG, дори зареждане на електромобили.

Също към сградно приложение на PLC е ориентиран стандартът HomePlug Green PHY, известен като HomePlug GP. Той е съвместим с HomePlug AV и HomePlug AV2, т. е. възможен е обмен на данни между устройства, съответстващи на тези стандарти. Според публикувания през 2012 г. вариант 1.1 честотната лента (2-30 MHz), броят на каналите (1155), разстоянието между тях (24.414 kHz) и използването на OFDM са същите, както в HomePlug AV.

Основните разлики са ползването само на QPSK за модулиране на носещите честоти на всеки от каналите и максималната скорост на обмен на данните от 10 Mbps, която надхвърля типичното изискване до 250 kHz за „интелигентно” жилище. Важно предимство на стандарта е предвиденото пестене на енергия чрез ограничаване на времето за предаване на данните и задължителното наличие на интервали от време с режим “Очакване” (Sleep Mode) на устройствата. При това сумата от двете времена може да се програмира с 1024 стойности между 40 ms и 41 s.

Технологията HD-PLC на Panasonic е предназначена за обмен на данни със скорост до 210 Mbps чрез ИС с малки размери, постояннотокова консумация до 2 W и възможност за работа с Ethernet 10/100 на разстояния до 200 m. Освен това технологията позволява 16 модула да работят съвместно в една мрежа.

Други новости са изследователската работа за създаване на Broadband PLC с честотна лента 1,8-250 MHz и на хибридни системи, обединяващи PLC и оптични комуникации във видимия спектър.

Входни блокове
Мястото на тези блокове (Analog Front-End) AFE се вижда от опростената структура на устройство за PLC на фиг. 1. Филтърът F осигурява връзката с електрозахранващата мрежа, има различни функции в зависимост от конкретното устройство и обикновено съдържа полупроводников прибор за предпазване от импулсни смущения (Surge Protector).

Две са основните предназначения на AFE - да усили постъпващите от линията сигнали и не само да осигури достатъчна амплитуда на предаваните, но и необходимия ток поради малкия импеданс ZL на мрежата. Функциите и структурата на приемо-предавателя Tx/Rx не са еднозначно определени и също зависят от устройството.

Задължително е той да обработва сигналите в съответствие с ползвания за PLC стандарт, което налага да съдържа подходящ процесор с програмно осигуряване. Блокът Interface не е задължителен, например не се поставя в масово използваните адаптери за свързване на устройства в домашни мрежи.

Използва се за връзки на локални PLC мрежи или отделни устройства към други проводникови локални мрежи (LAN) и/или безжични (WN), включително интернет (последните разработки в тази област са свързани с IoT). Все повече са PLC устройствата за обмен на данни чрез USB, а за визуализация на работата им са необходими съответните драйвери (LEDDr).

Идея за структурата на AFE e дадена на фиг. 2, като на горния и долния ред са съответно приемната и предавателната част. Постъпващият на входа IN сигнал се усилва от програмируемия усилвател PGA, преминава през приемния филтър RxF и се превръща в цифров от аналоговоцифровия преобразувател ADC.

В някои AFE (напр. този на ред 1 в табл. 1) преди ADC има стъпало за адаптивно регулиране на усилването (Adaptive Gain Control, ACG). Извеждането на сигнала към Tx/Rx на фиг. 1 става чрез входно-изходния блок I/O и шината I/O Bus. Същевременно I/O получава данните за предаване и преди да бъдат превърнати в аналогов сигнал от DAC преминават през подходящ цифров филтър.

Използваните ADC и DAC обикновено са 10- и по-рядко 12-b. От предавателния филтър TxF сигналите постъпват в усилвателя на мощност РА за формиране на необходимите модулация и изходна мощност. В някои AFE (напр. даденият на ред 1 в табл. 1) РА се означава като Line Driver.

На фиг. 2 не е означен блокът за управление, който регулира коефициента на усилване на PGA, програмира граничната честота на RxF и TxF, изходната мощност на РА и работната честотна лента в зависимост от избрания стандарт за работа. Управлението може да се осъществява и чрез проводников интерфейс, за който на предвидени изводи на I/O Bus.

Съществена особеност е използването в немалко случаи на галванично разделяне на AFE от електрозахранващата мрежа. То може да се осъществи чрез трансформатор, пример за какъвто е MID-PLC Coupling Transformator на Wuеrth Electronik. Той е предназначен за AFE на редове 3 и 4 от табл. 1, има изолационно напрежение 4 kV и размери 19,7x13,7x10,2 mm. Използват се и ИС за галванична изолация, каквато е HCPL-800J на Avago Technologies с изолационно напрежение 3750 V и размери 10,8x7,5x3,5 mm.

Първият от основните параметри на AFE в табл. 1 е работният честотен обхват Df, по-често даван чрез стандартите, с които те работят. Параметърът SRx е чувствителността при приемане (средноквадратичната стойност на минималното входно напрежение за нормална работа) и ARx са границите, в които може да се програмира коефициентът на усилване на РА.

Максималното изходно напрежение от връх до връх на РА е Vout, максималният му изходен ток е Iout и ZLmin е минимално допустимият импеданс на електрозахранващата мрежа за нормална работа. Необходимото захранващото напрежение на AFE е VDC, а действието му се управлява чрез означения интерфейс. В последната колона на табл. 1 са останалите два основни параметъра.

Специфична разновидност са ИС на AFE за доставяне на данни с галванична изолация (Isolated Powerline Data Access Arrangement) и видоизменени част от параметрите, пример за какъвто е HCPL-800J на Avago Technologies. Тя допуска напрежения между изолираните вериги до 3750 kV и е с размери на корпуса 10,8x7,5x3,5 mm.

Примери за приложенията на AFE (без тези за стандартите HomePlug) са за вентилатори и климатици, системи за автоматизация в индустрията, административни и жилищни сгради, такива за охрана, в осветлението, за дистанционен контрол и управление и интелигентни ел. захранващи мрежи.

Модеми (Powerline Modem, PLM)
Най-простият начин за изясняване на тяхната същност е, че те обединяват блоковете AFE и Tx/Rx на фиг. 1 в една ИС, която допълнително съдържа специализиран процесор за управление на работата. Същността на действието на модемите са изяснява чрез опростената блокова схема на фиг. 3.

В блок Demod сигналът най-напред се усилва и преобразува в цифров вид, след което се демодулира и подава на процесора Proc за обработка. Чрез входно-изходната шина Interface на този блок модемът се свързва към външен микроконтролер, обикновено чрез някой от масово използваните интерфейси.

Паралелната шина Data служи за подаване на обработените данни към свързваното чрез PLC устройство, от което по същата шина постъпват данните за приемане, обработват се от Proc и се подават на блока Mod. Той ги преобразува в аналогов сигнал и ги модулира, като в някои ИС усилвателят на мощност РА е вграден, а в други е външна ИС.

Блокът Clock (обикновено с външно свързван кварцов резонатор) осигурява тактовите импулси за нормална работа на ИС. Блокът Mem включва RAM и ROM. Полезно е да се има предвид, че при честоти на обмен на данни до десетина kbps модемите ползват тясна честотна лента и се наричат теснолентови (Narrow-Band PLC Modem) или модеми за сградни приложения (Home Automation Modem) – дадените на редове 3-6 от табл. 2.

Широколентовите модеми (Broadband Powerline Modem) обикновено са с честотния обхват на някоя от разновидностите на Homeplug (ред 2). Поради твърде сложната структура на част от ИС и на двете разновидности вместо модеми за тях вече се използва и терминът PLC System-On-Chip. (SoC). Друга особеност е, че в приложенията за отчитане на показанията на измервателни прибори (основно електромери) част от модемите могат да бъдат адресирани. При ползването на каталози трябва да се има предвид, че понякога ИС на приемо-предаватели се наричат модеми.

На редове 1-7 от табл. 2 са основните параметри на модеми, като техните цифрови и аналогови блокове обикновено се захранват с различни напрежения (по-малки на цифровите) и по-рядко (ред 7) има трето за усилвателя на мощност. С PDD е означена консумираната мощност от ИС в режим на предаване, но без товар в изхода на предавателя.

Необходимостта от съвместна работа на модемите с микроконтролер е довела до създаването на ИС, представляващи микроконтролер с вграден модем, каквито са дадените на редове 8 и 9 от табл. 2. Характерна тяхна особеност е ползването на мощни микроконтролери, което разширява и прави по-ефективни приложенията – например даденият на ред 8 има вграден контролер за 46x5 LCD.

Разработването на устройства с модеми се улеснява чрез използването на развойни платки, пример за каквато е Consumer-Band BPSK 7,2kbps PLM PICtail Plus Daughter Board на Microchip, работеща на честота 129,6 kHz и ползваща за управление dsPIC33F на същия производител.
Типичните приложения на модемите са подобни на тези на AFE, но вече включват фотоволтаични системи, станции за зареждане на хибридни автомобили и електромобили, пожароизвестителни системи, газсигнализаторни системи и др. Предлагат се и разновидности на модемите според изискванията на AEC-Q100 (ред 3 на табл. 2).

ИС за измерване, контрол и управление
Тази категория ИС също съдържат модеми и AFE, поради което разликата им от вече разгледаните не е принципна, а в допълнителни съществени детайли на тяхната структура в зависимост от конкретната област на приложения.

ИС за измерване. Първото използване на електрозахранващата мрежа за подаване по нея на сигнали към електромери е описана в английски патент от 1897 г. Днес най-масовите приложения на PLC са за AMR и AMI, като работата на съответните измервателни уреди е популярна като Smart Metering, а те са практически неизменна част от SG.

Идея за структурата на мрежа PRIME е дадена на фиг. 4. Концентраторът на данни DCU, понякога наричан основен възел (Base Node, BN) на мрежата, е самостоятелно устройство за събиране на данни от няколко електромера, тяхното запомняне и предаване към други проводникови, безжични или оптични мрежи.

Връзката между тях и електромерите е двупосочна, като има и за работа с GSM мрежа. Използват се две разновидности на електромерите - работещите само като такива (Service Node) SN и комутатори (Switch Node) SW за допълнително събиране на данни от няколко електромера.

По своята същност SN са сложни ИС от типа SoC с немалки различия в структурата и възможностите им в зависимост от производителя. Обикновено могат да се използват и за реализация на концентратори. На фиг. 5 а е дадено свързването на SAM4SP32A на Atmel Corp., предназначена за PRIME. Всички нейни блокове са вградени в електромера, като връзката му с електрозахранващата мрежа (Line) се осъществява чрез драйвера за линия Driver, който осигурява необходимите напрежение и ток, и блока PLC Coupling. Сигналите от измерваните величини постъпват от блока ЕМ, а блокът Display е този на електромера.

Опростената структура на самата ИС е на фиг. 5б. Тя е в корпус със 128 извода, размери 14x14x1,4mm и работи със захранване между 3 и 3,6 V. Величините от ЕМ се обработват от блока Modem, който обменя данните със скорост между 21,4 и 128,6 kbps и като модулации използва BPSK, QPSK и 8-PSK. Съдържа кодиращ блок в съответствие с AES-128.

Модемът е свързан чрез бързата шина АНВ към паметта Mem и процесора Proc (реално той е мощен микроконтролер). В Mem има ROM с обем 16 КВ за програмите на работа на ИС, две бързи Flash памети по 1 МВ и една оперативна (SRAM) от 160 КВ. Процесорът е 32-разредeн Cortex.М4 с тактова честота 120 MHz, за чиято работа е необходим външен кварцов или керамичен резонатор с честота между 3 и 20 MHz.

Останалите три основни блока са свързани помежду си с втора шина Bus. Сред възлите на блока Peripherials са приемо-предавателят за обмен на данни с Driver от фиг. 5а, часовник за реално време (RTC) и RC-генератор с честота 32 768 Hz. Многобройни са интерфейсите на ИС – USB 2.0 със скорост 12 Mbps, по два UART, I2C и USART, по един RS485 и SSC и един IrDA. Входно-изходните изводи на I/O са 38.

Микроконтролерите SAM4, SAM4C и SAM4CP образуват SAM4CM серията на същия производител, предназначена за реализация на електромери с точност според Class 0,2 и динамичен обхват (макс/мин. измервани напрежения и ток) 3000:1. Те имат множество различни от описаните възможности, например 7 вградени сигма-делта АЦП за едновременно измерване на 3 напрежения и 4 тока и контролер за LCD. Например при ползването на SAM4 схемата на фиг. 5а изисква външни модем ATPL210A и памети SRAM и Flash.

Друга ИС е STCOMET на STMicroelectronics в корпус с 176 извода, работеща с две захранващи напрежения (стабилизирано 3,3 V и нестабилизирано 8-18 V). Обменяните по електрозахранващата мрежа сигнали могат да са с честота до 500 kHz, а вграденият драйвер да се използва с несиметричен и симетричен изход, при което осигурява по мрежата напрежение съответно 5 и 10 V при максимален ток 1 А.

Кодирането на данните се прави с AES128, AES192 и AES256, а вграденият AFE измерва напрежения от 3 източника в честотна лента до 3,6 kHz (до 72-рия хармоник), като ги превръща в числа чрез 24 b АЦП. Друга специфична особеност е наличието на 86 извода I/O, по пет интерфейса SPI и USART и три I2C.

Отново с предназначение за PRIME е MB87S2080 на Fujitsu Semiconductors, която ИС работи с DBPSK, DQPSK и D8PSK в честотен обхват 42-88 kHz и скорости на обмен на данните между 20 и 128 kbps. Кодирането им също е с AES128.

За еднофазни електромери с основно предназначение измерване на активна мощност с точност 0,1% и реактивна мощност с 0,2% е ИС М90Е26 на Atmel. Тя има динамичен обхват 5000:1, като допълнително позволява измерване на привидна мощност, честота, cosj и фазовия ъгъл между напрежението и тока. Работи с интерфейсите UART и SPI, захранва се с 2,8-3,6 V, а корпусът й е с 28 извода. Производителите на всички описани ИС предлагат развойни комплекти за улесняване на разработката на електромери.

ИС за контрол и управление (IC for Monitoring and Control). Независимо от основното им предназначение значителна част от тях могат да се използват и за измерване (AMR, AMI, концентратори), без да предлагат богатите възможности на специализираните за целта ИС. Съществуват две основни групи – приемо-предаватели и модеми, като идея за структурата и типичното свързване на първата е дадена на фиг. 6.

Самият Tx/Rx (заграден с прекъсната линия) преобразува сигналите от AFE в числа чрез ADC, те се обработват от Proc (в някои ИС той е цифров сигнален процесор, DSP) и предоставят на контролираното или управляваното устройство (Host). Данните от него отново чрез Proc се преобразуват в аналогови от DAC и усилват от Driver. Блокът Mem има ROM за работа на ИС и евентуално памети за запис на необходимата програма за управляваното или контролираното устройство. В някои ИС блокът Interfaces съдържа и група В/И изводи, чийто начин на работа може да се програмира.

На ред 1 от табл. 3 са дадени основните параметри на приемо-предавател, който позволява обмен на IPv6 пакети и е предвиден да работи съвместно с ИС на ред 1 от табл. 1. Съществуват и ИС за галванично разделяне на приемо-предавателите от електрозахранващата мрежа, например спомената HCPL-800J.

Структурата на модемите за контрол и управление не се различава по същество от дадената на фиг. 3, а два примера са представени на редове 2 и 3 на табл. 3. Този на ред 2 изисква на изхода на предавателя да се свърже драйверът NCS5651, който осигурява ток по електрическата мрежа 1,4 А. Особеност на модема на ред 3 е работата му и по нисковолтови (12 и 24 V) постоянно- и променливотокови мрежи, а параметърът Df са двете честоти на модулацията. Възможностите му за адресиране позволяват работа с 28, 216 и 264 потребителя.

Основните приложения на приемо-предавателите и модемите са за сградна автоматизация, контрол на консумацията на ел. енергия в жилища, на работата на фотоволтаици и ВЕИ, автоматично управление на улично осветление, охранителни системи, индустриални системи за сигнализация и контрол. Специфичен пример е системата TLACS за осветление на тунели, използваща ИС от ред 1 на табл. 3 и захранваща до 1022 осветителни тела на разстояние 3 km от блока за управление, свързан към 2G/3G GSM мрежа.

За управление на осветлението съществуват и специално разработени за целта ИС. Пример е тази на ред 4 в табл. 3 с вграден драйвер за LED, която осигурява независимо регулиране на интензитета на светлината (димиране) на 16 източника и адресиране като ИС на ред 3.

ИС за широколентови връзки
Те са известни като Broadband Powerline Communication SoC и очакваният обем на производството им през 2018 г. е 175 млн. Осъществяването на връзките обикновено се извършва с една ИС (табл. 4), ползваща две или повече постоянни захранващи напрежения. Специфична ИС на приемо-предавател е AR7400 на Qualcomm Atheros, която ползва Homeplug AV PHY и освен PLC осигурява обмен на данни по коаксиален кабел с максимални скорости съответно 500 и 700 Mbps.

Тя работи съвместно с ИС AR1500 на същия производител, която има функциите на AFE и драйвер за линия. Ползва Df=2-68 MHz, управлява се чрез интерфейсите SPI, UART и I2C и е в корпус с размери 15x15 mm.

За реализация на прибори за HomePlug AV2 понякога се използват и специфични ИС, пример за каквато е диференциалният драйвер за линия ISL15100 на Intersil. На неговия вход се свързва AFE, а изходът му чрез трансформатор осигурява върху 100 W мощност 15,5 dBm (т.е. U=1,88 V) при входно напрежение с амплитуда 250 mV. Скоростта на обмен на данни е 100 Mbps, постояннотоковото захранване на ИС е ±6 V, а корпусът е с размери 4x4x0,9 mm.

Освен едно от основните си предназначения за връзка между HomePlug и Ethernet тези ИС се използват и за изграждане на домашни мрежи от телевизионни и аудио устройства. Специфични приложения на дадените на редове 1 и 2 са за свързване на електрически уреди, а основното предназначение на ИС на ред 1 са индустриалните приложения - автоматизация, управление на електродвигатели, дистанционен контрол и управление, докато използването на HomePlug 1.0 е допълнение.

Новият Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0/2018

Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top