Комуникации по електро-захранващата мрежа

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2007

 

Видове, стандарти, интегрални схеми

Стремежът към използване на електрозахранващата мрежа за предаване на съобщения не е нов. Още през 20-те години на миналия век се появява т.нар. високофреквентна телефония по линиите със средно и високо напрежение. Чрез модулирани сигнали с обхвата 15 kHz - 1,5 MHz е била осигурявана телефонна връзка между персонала на електроцентралите и диспечерите. Малко по-късно се правят опити в електрическите влакове да се инсталират телефони, използващи проводника за захранване на локомотива. Все още в сферата на предаването на аналогови сигнали са били създавани устройства за дистанционно включване и изключване на електродомакински уреди и дори разпространение на програмата на АМ предавател в рамките на една или няколко съседни сгради.

Тези идеи днес имат бурно развитие под наименованието комуникации по електрозахранващата мрежа (PowerLine Communications) - PLC. Те се използват за дистанционно измерване, за управление на електрически консуматори, за предаване на данни, на звукови и видеосигнали, за телефонни разговори. Могат да се разглеждат и като алтернатива на безжичните комуникации, тъй като не изискват прекарването на нови проводници и имат изключително широко “покритие”.

В статията се разглежда принципът на действие на PLC, съществуващите стандарти и специализираните интегрални схеми.

Особености
на предаването
на информация по електрическата мрежа

Условията за предаване на сравнително слабите комуникационни сигнали на значително разстояние са много тежки в сравнение с коаксиалните кабели и усуканата двойка проводници. Причините за това са няколко.

l Наличието на значителни импулсни смущения, особено в близост до колекторни електродвигатели, импулсни захранвания и др. В обикновените електронни устройства те не могат да преминат през захранващия блок, който реално представлява защита. При PLC е необходима верига за обмен на данните между мрежата и комуникационната част, по която смущенията преминават с лекота. Това налага използването на подходящи модулации, съпътствани понякога с коригиращи кодове и въвеждането на защита чрез ограничителни диоди или варистори.

l В голяма част от електронните устройства има кондензатор, свързан между двата проводника на мрежата, например на противосмутителния филтър или импулсното захранване. Той представлява много малък импеданс за комуникационните сигнали, понякога под 1 ом. Това налага подходящо съгласуване между електрическата мрежа и устройството за PLC, както и изходни блокове с достатъчно голям ток.

l Предавателната част на устройствата за PLC трябва да удовлетворява нормите за ниски проводникови (предавани по мрежата) и излъчвани смущения. Това е особено съществено, тъй като проводниците на електрозахранващата мрежа не са екранирани.

l Приемната част трябва да е устойчива към попадащите в нея смущения. За целта на входа й се поставя пасивен или активен филтър и се използват методи за корекция на грешката.

l Подобряването на устойчивостта към смущения чрез повишаване на амплитудата на сигналите се ограничава от малкия импеданс – например за получаване на амплитуда 5 V при импеданс 1 ом е необходимо устройството да осигури по линията ток 5 А.

l Амплитудата на приемания сигнал може да се променя в много широки граници, тъй като затихването по линията зависи от дължината й, нейното състояние и свързаните към нея товари. Стойностите му са от няколко dB до над 60 dB и силно зависят от честотата.

l Възможно е отражение на част от сигнала от свободните електрически контакти.

Индустриални PLC системи с малка скорост

Те се появяват през 80-те години на миналия век с основна задача предаване на данните от измервателни уреди (Automatic Meter Reading, AMR), управляването им (Automatic Meter Management, AMM) и осъществяване на различни регулировки, например на осветлението. В тях цифровите данни се предават чрез различни видове кодова модулация. Една от тях е двоичната честотнокодова модулация (Binary Frequency-Shift Keying) BFSK, FSK. При нея “0” се предава чрез синусоидално напрежение с фиксирана честота f0, а “1” - с напрежение с друга честота f1, като обикновено f0 > f1 (фиг. 1). Скоростите на предаване са между 600 bps и 9,6 kbps, а амплитудата на импулсите е до няколко V. Честотите f0 и f1 са много по-големи от мрежовата, поради което на входа на устройствата се поставя теснолентов филтър.

За PLC се използва и двоичната фазовокодова модулация (Binary Phase-Shift Keying), BPSK. При нея също се използват синусоидални напрежения, но с една честота, поради което устройствата се наричат Single-Frequency PLC. Фазите на напрежението за предаване на “0” и “1” се различават със 180°, пример за което е даден на фиг. 2. В него фазата на нулата е -90°, а на единицата +90°. Разновидност е диференциалната двоична фазовокодова модулация (Differential Binary Phase-Shift Keying) DBPSK. Освен използването на филтри с по-тясна лента, което намалява влиянието на смущенията от мрежата, тези модулации имат предимството, че грешка при детектирането се получава само при твърде големи промени в приемания сигнал.

Следващото по-сложно ниво на PSK е т.нар. или M-PSK. При нея синусоидалните колебания, отново с еднаква честота, са с различни фази, разположени на равни разстояния една от друга. Като пример на фиг. 3а е показано разположението на фазите при М=4 и наименование QPSK (Quad PSK), като ЦEs е амплитудата на напрежението. Тук на j = 0 съответства числото 00, на j = +90° - числото 01 и т.н. Разположението на фазите на диференциалната QPSK с означение DQPSK е на фиг. 3б. Аналогично 8PSK (фиг. 3в) се характеризира с М = 8 и чрез фазите се предават 3-разредни числа.

Широко приложение в PLC с малка скорост имат модулациите с разпръснат спектър. Сред тях е кодовата модулация с разпръсната честота (Spread-Frequency Shift Keying) S-FSK, при която в предавателя честотата на синусоидалното напрежение се променя по псевдослучаен закон и по същия начин приемникът непрекъснато се пренастройва. Използва се за предаване по електрически мрежи с ниско напрежение, като честотите са между 50 и 70 kHz, а скоростта на предаване – от 300 до 1000 bps. Подобна е кодовата модулация с разпръсната фаза (Spread-Phase Shift Keying) S-PSK, но промяната е на фазата. Тя се използва в електрически мрежи със средно напрежение (честота 12,5 kHz и скорост 76 bps) и ниско напрежение (честота 25 kHz и скорост 250 bps). Основното предимство на тези модулации е рапределянето на енергията на сигнала в по-широк честотен обхват, с което се намаляват създаваните смущения. Същевременно намалява уязвимостта към смущения на достигащия в приемника сигнал.

Високоскоростни битови PLC системи

Тяхното основно използване в жилищни и административни сгради определя наименованието Home Powerline Networking. Голямата скорост на предаване на данните същевременно означава, че то изисква широка честотна лента, откъдето е другият термин Broadcast over Powerline (BPL). Съществуват две разновидности на BPL. Едната е за нисковолтова мрежа с възможност за предаване по проводници с дължина до 300 m, известна като In-house BPL. Нейните приложения се ограничават в една или няколко съседни сгради, но все пак разстоянието е около 3 пъти по-голямо от това на един сегмент от Ethernet и десетина пъти повече безжичните мрежи WiFi и WiMax. Предаване на големи разстояния, включително по линиите със средно напрежение, се осъществява чрез разновидността Access BPL. Тя осигурява преминаването на данните през трансформаторите за връзка между линиите със средно и ниско напрежение.

На фиг. 4 е дадена идея за двете възможни свързвания на устройствата за BPL към електрическата мрежа, които е прието да се наричат мрежови адаптeри (Powerline Adaptor) PLA и които се свързват в контакт, както всеки домакински уред. Фиг. 4а показва, че обменът на данни се извършва през USB порта на РС, а фиг. 4б – чрез Ethernet порта. С прекъсната линия е показана възможността и за свързване към рутер. Самите PLA не се нуждаят от настройка – за работата им са достатъчни показаните на фиг. 4 връзки. Специфично изискване е PLA да не се свързва към контакт с вградена защита срещу отскоци на мрежовото напрежение, защото тя пречи на обмена на данни.

Предаването се извършва чрез ортогонална многочестотна модулация (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM. При нея различни части от данните се предават едновременно чрез много носещи честоти, всяка от които се модулира с малка скорост чрез BPSK, QPSK или някоя от разновидностите на квадратурната амплитудна модулация (Quadrature Amplitude Modulation) QAM. Последната представлява две амплитудно модулирани синусоидални напрежения с еднаква честота и фазова разлика 90°. Използват се и други разновидности на OFDM с N-QAM, където N=2n при n между 4 и 10. Смисълът от използването им е, че вместо 1 разред, както при QAM, се предават n-разредни числа. Основната причина за използването на OFDM е голямата устойчивост към смущения без използването на филтри, както и практически нулевото прислушване дори между две съседни честоти. Допълнително намаляване на грешката при обмена на данни се постига чрез използване и на системата за корекция на грешките FEC (Forward Error Correction), използваща известните кодове на Viterbi и Reed-Solomon.

Сигурността на предаването се повишава чрез технологията PowerPacket на Intellon. При нея връзките между устройствата са peer-to-peer, т.е. всяко от тях може непосредствено да обменя данни с друго. Устройство, което ще предава данни най-напред проверява за наличието на свободен канал и когато го намери има определено време за излъчване на един пакет. Приемащото устройство прочита кода на пакета и връща съобщение, че той е приет. При липса на такова, например поради големи смущения по канала, се подава заявка за повторение (ARQ) и в отговор на нея пакетът се предава отново с друга носеща честота. Дължината на пакетите е малка в сравнение с класическите комуникации, тъй като при по-дълъг пакет вероятността от грешка поради смущенията е по-голяма. Същевременно се следят промените в състоянието на мрежата (напр. включване и изключване на товари, създаващи смущения) и в зависимост от това се правят корекции в параметрите на предаването.

В зависимост от максималната скорост за обмен на данните съществуват три вида PLC, докато реалната скорост зависи от състоянието на електрическата мрежа. Тези скорости са предмет на съответни стандарти и са 14 Mbps, 85 Mbps и 200 Mbps, като последната позволява дори предаване на HDTV.

Специфична е технологията PowerStream на Adaptive Networks. Тя също използва много носещи честоти от обхвата 5-35 MHz за едновременно предаване на телефонни разговори, висококачествен звук и телевизия. Всеки приемник съдържа еквалайзер, който непрекъснато променя характеристиката си, за да компенсира промените на постъпващия сигнал (подобно на еквалайзерите в звуковъзпроизвеждащите системи, който чрез своята амплитудночестотна характеристика компенсират неравномерността на тази на помещението).

При създаването на една PLC мрежа във всички нейни устройства се записва една и съща парола, благодарение на която те могат да обменят данни само помежду си. Тя е 56- или 128-разредно двоично число, което осигурява и тайната на предаваните данни чрез подходящо кодиране в съответствие със стандарта DES (Data Encription Standard).

Стандарти

Вероятно един от първите стандарти е Х-10, използващ честота 120 kHz. Наличието на напрежение с тази честота, предавано в продължение на 1 ms след моментите на нулиране на мрежовото напрежение означава “1”, а липсата на напрежение е “0”. Това определя скорост на обмен 100 bps. Началото на предаването се определя чрез пускане по линията на числото 1110.

За индустриалните мрежи с малка скорост европейският комитет CENELEC е създал серия стандарти EN50065, отнасящи се за PLC в честотен обхват 9-148,5 kHz. В тях се фиксират максималните нива на изходния сигнал, електромагнитната съвместимост за индустриални предприятия, жилищни и търговски сгради, изискванията към разделителните филтри и импеданса на устройствата. Стандартите задължават операторите, използващи електрическата мрежа, да излъчват в честотни ленти 9-95 kHz и 140-148,5 kHz, а останалите две ленти са за битови системи, работещи без специален протокол.

За връзка с Интернет и обмен на звукови и видеосигнали са създадени два стандарта. Първият стандарт е Homeplug 1.0, който действа от юни 2001 г. и осигурява максимална скорост на обмен 14 Mbps. Той предвижда използването на 84 канала, чиито средни честоти се наричат подносещи и са в обхвата от 4,5 до 21 MHz. Модулирането на всяка подносеща се прави с една от трите предвидени разновидности на PSK. Един от начините за намаляване на влиянието на смущенията е временно премахване на носещата честота на каналите, в които те са над определено ниво. Част от стандарта определя формата на пакетите от данни (Frame). Друга част фиксира начина на достъп до даден канал. Както вече бе споменато, най-напред се прави проверка дали каналът е свободен, при това по два начина - по липсата на предавани данни в него и дали според програмното осигуряване той не е зает. След като се установи, че е свободен се задейства системата за приоритет, изчаква се определено време дали друго устройство с по-висок приоритет няма да го заеме и предаването започва. За да не се допусне едновременно предаване на повече от един пакет по мрежата, в стандарта са предвидени 4 нива на приоритет. Всеки тип данни принадлежат към определено ниво, например телефонните разговори са с най-висок приоритет, а предаването на звукови и видеосигнали е под него. Приоритетът се познава по съответните данни в началото на пакета.

Реалната скорост на обмен на данните е по-малка от 14 Mbps. Според някои изследвания в 14% от случаите скоростта е до 8,2 Mbps, в 77% - до 5 Mbps и в 98% - над 1,5 Mbps. Паролата на устройствата е 56-разредна.

Същият стандарт използват и серия ИС на Intellon, наречени Turbo IC, тъй като имат максимална скорост 85 Mbps.

През 2005 г. влезе в сила стандартът HomePlug AV (HPAV) за максимална скорост 200 Mbps, съвместим с HomePlug 1.0. Това позволява съвместната работа на устройства по двата стандарта в една мрежа, като тези с HomePlug 1.0 са с приоритет. Стандартът предвижда предаването на данни да се извършва с напрежения в честотен обхват от 1,8 до 30 MHz, съдържащ 1155 канала с носещи честоти на разстояние 24,4 kHz една от друга. Използва се OFDM реално с 917 канала, всеки от които работи с BPSK, QPSK, 8-QAM, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM и 1024-QAM. Именно избраната модулация определя скоростта на предаване на данни. Броят на числата, които могат да бъдат предадени по един канал за 1 s е 21500. Тъй като при използване на BPSK числата са 1-разредни, максималната скорост е 21,5 kbps. При 1024-QAM и съответно 10-разредни числа тя е 21500 x 917 = 215 kbps. И когато по всички канали едновременно се предава с такава модулация скоростта достига 215 kbps x 917 = 197 Mbps, но на практика максималната е 150 Mbps.

Значителна част от смущенията по електрическата мрежа са с период, равен или кратен на нейния. Поради това синхронизирането на обмена на данни по всеки канал с мрежовата честота намалява значително влиянието на смущенията.

Сигурността на предаваните данни се гарантира от използването на 128-разредно число за кодиране, което може да бъде променяно по време на работата. Така устройствата в дадена мрежа могат да обменят данни само помежду си. Същевременно те съдържат специален блок, който прави възможен обменът на данни между различни PLС мрежи.

Интегрални схеми

В зависимост от функциите си съществуващите ИС за PLC се разделят на 4 групи. Първата включва входни блокове (Analog Front End) AFE за усилване и първоначална обработка на сигналите и драйвери (Line Driver) LD, които осигуряват необходимите за предаването на данните стойности на тока и напрежението. Твърде често двете функции се съчетават в една ИС, също означавана като AFE. По принцип ИС от тази група са част от чипсет, включващ и приемопредаватели.

Пример за LD са ИС HCPL-0810 (HCPL-8100) на Avago Technologies. Те са предназначени за индустриални PLC с малка скорост и блоковата им схема е дадена на фиг. 5. Усилвателят Amp осигурява на изхода си Tx-out ток 1 А при честоти до 3,5 MHz и има изходен импеданс 0,5 ома. Напрежението на вход Tx-in може да е с FSK или BPSK, като се препоръчва да е 1,25 V (от връх до връх), а максималната му честота е 150 kHz. За работата на ИС трябва да се подаде TTL лог. 1 на вход Tx-en, а при лог. 0 усилвателят е изключен. Чрез резистор между извод Rref и маса се задава консумираният ток от ИС. При нормална работа на изход Status има лог. 0, а лог. 1 се получава при захранващо напрежение под 4 V, при влизащ ток в Tx-out и при недопустимо превишаване на температурата на ИС.

Друг LD е SSC P111 на Intellon, представлящ усилвател с MOS ключ в изхода си за преминаване в трето състояние.

На фиг. 6 е дадена структурата на МАХ2980 на MAXIM, която работи съвместно с приемопредавателя МАХ2986 и включва входен блок (долу) и драйвер (горе). Благодарение на стъпалото за автоматично регулиране на усилването AGC се осигурява работа на входния блок при промени на входното напрежение до 54 dB, а драйверът осигурява работата при импеданс на електрическата мрежа над 10 ома.

Освен чрез трансформатор галваничното разделяне от мрежата може да се извърши и чрез оптрони. Пример за това е ИС HCPL-800J на Avago Technologies (фиг. 7). В нейния корпус са поставени два чипа – управляващ (Control IC) за връзка с приемопредавател и линиен за връзка с мрежата (Line IC). Те са свързани с оптрони, които до 1 min издържат напрежение 3750 V и имат изолационно съпротивление над 1 гигаом. Типичният ток на вход Tx-in е 250 uA от (връх до връх), което гарантира работа с твърде слаби сигнали от мрежата. Същевременно токът на изход Tx-out може да е до 1 А. Основното предназначение на ИС е за работа в индустриални мрежи с малка скорост и FSK или BPSK.

Също AFE е INT1000 на Intellon, която съдържа 10-разредни DAC и ADC и е предназначена за евтини устройства по стандарта HomePlug 1.0. Тя работи съвместно с NT5130. За мрежи по същия стандарт, но със скорост до 85 Mbps е ИС INT1200.

Втората група ИС са приемопредавателите (Transceiver) TR, за които вече бе изяснено, че работят съвместно с AFE. На фиг. 8 е дадена структурата на SSC P485 на Intellon, работещ с SSC P111. Предаваните данни постъпват на вход DI и чрез блока DSP AND INTERFACE LOGIC се превръщат в S-FSK. Тъй като напреженията се генерират в този блок чрез стойностите им, записани в памет, необходим е DAC за преобразуване в синусоидални. Чрез буфера BUF те достигат до изхода SO. Приеманите данни на вход SI се усилват от Amp и чрез ADC се превръщат в цифрови. Демодулацията се извършва отново в блока DSP. Тази ИС е ориентирана към индустриални PLC, като скоростта на обмен на данните е 9,6 kbps.

Три са приемопредавателите за HomePlug 1.0. На фиг. 9 е дадена структурата на МАХ2986 на MAXIM, работеща с МАХ2980. Освен с интерфейсите USB 1.1 и Ethernet 10/100 тя може да обменя данни и чрез MII на стандарта IEEE 802.03, чрез неговата разновидност rMII, както и да записва данните в памет FIFO.

За същия стандарт е INT5130 на Intellon. Тя работи в съответствие с технологията PowerPacket и обменя данни чрез интерфейсите MII и GPSI. Необходимият драйвер за връзка с Ethernet може да се запише във външна EEPROM, свързвана към специални изводи на ИС. Приемопредавателят INT5500 на същата фирма е от серията Turbo IC и работи съвместно с AFE INT1200. Сред многото му възможности са допълнително прибавените модулации 16QAM, 64QAM и 256QAM, както и приложенията в устройства за обмен на данни между електрически и безжични мрежи.

Значително повече са TR за стандарта HomePlug AV. На първо място това е серията DSS9001-DSS9003 на компанията ds2. Първата от тях (DSS9001) е предназначена за приложения в дома и може да обменя данни само с 64 PLC устройства. Устройствата, с които може да работи DSS9002 са 1024, а с най-големи възможности е DSS9003, обменяща данни с 218 устройства, което определя приложенията й и в прибори за разпределяне на потоци данни към много потребители. Примери са обменът на данни между мрежи с ниско и средно напрежение и между електрическата и безжични мрежи. Съществена особеност на трите ИС е улесненото им програмиране чрез API.

За същия стандарт и за работа със същата AFE е DSS9010, но освен чрез Ethernet тя обменя данни и чрез интерфейсите SPI, UART и GPIO. Предназначена е за връзка на компютри и видеоустройства. Подобна е DSS9011, но тя е за обмен на всякакви звукови сигнали – от телефони и звуковъзпроизвеждащи устройства, например МР3 плейъри.

За същия стандарт е INT6000 на Intellon, която работи с INT7700. Тя подържа много интерфейси, което позволява да обменя данни с Wi-Fi, UWB, оптични мрежи, както и с безжичен USB.

Последната ИС от тази група е IPL0201 на Inari със специфична структура. Тя съдържа четири TR, микроконтролер тип 8051 и буферна RAM, в която временно се съхраняват обменяните данни. За AFE се използва фирмена разработка с означение PDAA. Данните се обменят чрез BPSK или QPSK, като скоростта предаване достига 2 Mbps.

Третата група условно могат да бъдат наречени комбинирани ИС, тъй като обединяват AFE и TR. ST7538 на STMicroelectronics е предназначена за индустриални PLC с малка скорост. В тях TR най-често работят в полудуплексен режим, при който в даден момент данни могат да се предават само в една посока. Тази ИС работи с FSK и скорости 600, 1200, 2400 и 4800 bps. Чрез програмиране се установява една от 8-те възможни стойности на т.нар. носеща честота fc (Carrier) между 60 и 132,5 kHz. С това се удовлетворяват изискванията на CENELEC стандарта. С честота fc+0,5DF се предава “0”, а с fc-0,5DF – “1”, като DF е равна или 2 пъти по-малка от скоростта на данните. Високата стабилност на fc се осигурява от кварцов генератор, а за намаляване на смущенията от мрежата на входа на приемника има теснолентов филтър, който автоматично се настройва при програмирането на fc.

Идея за свързването на ИС е дадена на фиг. 10. Режимът на предаване или приемане са определя от логическото ниво на вход RX/TX, като данните за предаване постъпват на вход TxD и приетите се получават на изход RxD. Необходимите тактови импулси постъпват на вход CLK. Обменът на данни с електрическата мрежа се прави през трансформатора, като те влизат в ИС през вход RAI и излизат между изводи ATO1 и АТО2. Блокът AC/CD е стабилизиран токоизправител. Подобни са ST7538Q и ST3840, а програмирането на трите ИС е улеснено от графичен потребителски интерфейс.

В съответствие със стандарта HomePlug 1.0 работи INT5200 на Intellon. Идея за нейната структура е дадена на фиг. 11. Виждат се трите интерфейса за обмен на данни и свързващият трансформатор към електрическата мрежа. По същия стандарт е и СХ90010 на Conexant. Тя обменя данните чрез интерфейса MII, поради което за свързване към Ethernet е необходима допълнителна ИС, например СХ82100. Обработката на сигналите се прави чрез патентован от фирмата метод. Основните приложения са за PLC в жилища и неголеми офиси.

Сред тези ИС специфично място заема INT5500CS на Intellon, която представлява обединяване в един корпус на чиповете на INT5500 и INT7700.

Последната група ИС са микроконтролери, които чрез подходящо програмиране осигуряват PLC. Например чрез PIC16F877A на Microchip могат да се реализират PLC в съответствие с протокола Х-10, което подробно е описано в AN236 на компанията. Цифровите сигнални контролери (DSC) също могат да се програмират за PLC. Пример е TMS320F2812 на Texas Instruments с допълнителна платка като AFE, съдържаща и интерфейса RS-232. Работната честота fc е 131,568 kHz, а скоростта на обмен на данни - 5482 bps. Напрежението с тази честота се генерира чрез блоковете PWM в ИС. Превръщането в синусоидално напрежение се осъществява чрез нискочестотен филтър. За формиране на един период са необходими 24 такта на fc, поради което скоростта на предаване е равна на fc /24.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top