Новости при компонентите за комуникация по електрозахранващата мрежа

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 6/2018 • 19.09.2018

Новости при компонентите за комуникация по електрозахранващата мрежа
Новости при компонентите за комуникация по електрозахранващата мрежа

 

Стефан Куцаров

Комуникацията по електрозахранващата мрежа (Powerline Communication – PLC) продължава да се развива независимо от някои опасения, че постепенно ще бъде “засенчена” от безжичните комуникации. Продължава развитието на двете класически области на PLC, като новостите в теснолентовата комуникация (Narrowband PLC) NB-PLC са значително повече от тези в широколентовата комуникация (Broadband PLC) BB-PLC.

И двете почти изцяло използват променливотоковите електрозахранващи мрежи (PLC over AC Power Lines), но постепенно (може би по-бавно от очакванията) се развива комуникацията по постояннотокови мрежи (PLC over DC Power Lines). На пазара са вече и първите компоненти, осигуряващи едновременно PLC по променливотокова мрежа и безжична комуникация (PLC+Wi-Fi), които могат да бъдат наричани комбинирани PLC. Според една от съществуващите прогнози през 2023 г. в света ще бъдат произведени компоненти за PLC на стойност около 10 млрд. USD.

В статията са дадени сведения основно за интегралните схеми (ИС), пуснати на пазара след 01.01.2015 г., но многобройните модели отпреди тази дата продължават да са актуални – техен обзор има в бр.5/2015 г. на сп. Инженеринг ревю, където са дадени и подробности за разновидностите на PLC.

Теснолентова PLC
Наименованието се базира на използваната честотна лента, която за Европа е от 3 kHz до 148,5 kHz в съответствие със стандарта EN50065-1:2011. За управление само на консуматори на енергия е предназначена частта й CENELEC-A между 3 kHz и 95 kHz, която има 36 канала с носещи честоти от 35,9375 kHz до 90,625 kHz. За всякакви приложения е предназначена частта CENELEC-B с 16 канала между 95 kHz и 125 kHz. В двете обменът на данни е основно в съответствие със стандартите ITU-T G.9904 и ITU-T G.9903, известни съответно като PRIME и ERDF G3-PLC. Ползват се и ITU-T G.9902 и IEEE1901.2-2013, като в каталозите на ИС и PLC модулите се отбелязва за кой или кои те са предназначени. Максималната скорост на обмен на данните е 500 kbps, а реалната рядко надхвърля 100 kbps, докато долната може да е дори под 1 kbps.

Сред характерните приложения на NB-PLC са управлението на измервателни прибори с автоматично отчитане (Automatic Meter Reading, AMR, Smart Meter), осветителни системи, системи за управление на транспортни потоци, климатични системи, фотоволтаици, зарядни станции за хибридни електромобили и др. Вече има страни, където броят на инсталираните “умни” измервателни прибори достига 30% от този на жителите. Сред актуалните приложения е и IoT.

Основната структура на устройство за NB-PLC е показана на фиг. 1. Свързващият блок СС (Coupling Circuit) осигурява трансформаторна връзка с електрическата мрежа, към която в някои модели се прибавя капацитивна, и обикновено съдържа защити срещу недопустими напрежения и токове. Типичен пример за трансформатор е моделът 750510505 на Wuerth Elektronik с преводно отношение 1:1, изолационно напрежение между намотките 4 kV и размери 20,5x13,7x10,2 mm. Към класическите СС за работа на устройства за PLC с променливи напрежения 110-220 V се прибавиха такива за променливи и за постоянни напрежения 12-24 V.

Такива се препоръчват за работа на ИС на редове 1 и 2 в табл. 2. Входният блок (Input Stage) IS осигурява обмена на сигнали с останалата част на устройството, като някои от параметрите му в част от моделите се задават чрез управляващия блок Contr. Модемът Modem е модулатор на сигналите за предаването им по мрежата и демодулатор на приеманите, като обикновено се използват OFDM, FSK и S-FSK. Той също може да се управлява от Contr. Работата му изисква подходящ процесор Proc, а връзката с други устройства, обикновено чрез интерфейс или интерфейси, се осигурява от микроконтролера mС. Накрая е входно-изходното устройство In/Out.

Входен блок. Неговата основна разновидност, на която съответства терминът Analog Front End (AFE), е предназначена за двупосочна връзка и има две основни функции – усилване на постъпващите от електрическата мрежа сигнали и осигуряване на достатъчна амплитуда и мощност на подаваните по нея. Тъй като мрежата е нискоомна, вграденият в AFE предавателен усилвател трябва да има изходен ток Io до няколко ампера и съответно да е с малък изходен импеданс Zo.

Изискване към него е и да внася пренебрежимо малки изменения във формата на предаваните синусоидални сигнали, което се оценява чрез коефициента на нелинейни изкривявания (Total Harmonic Distortion) THD, но вместо него по-често се дават интермодулационните изкривявания от трети ред (3rd Order Intermodulation Distortion).

В интегралната схема NJM45001 на New Japan Radio първата функция се осъществява чрез приемен усилвател с коефициент на усилване G, установяван чрез външно управление на една от стойностите -18 dB, -6 dB, 0 dB и +12 dB. Необходимият за втората функция предавателен усилвател е с максимален Io=3 A, типичен Zo от 0,05 W и съвкупност на THD и собствен шум не повече от 0,09%. Захранващото напрежение VDD е 8-22 V при работен температурен обхват -40ё+125°С и размери 7,8x4,4x0,85 mm.

Нарастващите приложения на устройства, чието функциониране изисква само изпращане на сигнали, т. е. имат еднопосочна връзка с приемащото ги устройство, доведоха до нов тип входни блокове с наименование PLC драйвери за линии (Line Driver for PLC, High Current Line Driver for PLC). Те нямат приемен усилвател, изискванията към предавателния са както в AFE и също се свързват в съответствие с фиг. 1.

В табл. 1 са дадени основните параметри на типични драйвери с диференциален вход, като неспоменатите дотук са коефициент на широколентност GBP, максимално изходно напрежение Uomax, входно съпротивление RIN, захранващо напрежение VDD, консумиран от него ток IDD и околна температура ТА. Драйверът на ред 1 е и с диференциален изход, неговият G се задава с 2b двоично число и стойността на Uomax е от връх до връх.

Също с диференциален изход на двата еднакви усилвателя е двойният драйвер на ред 2 с прието наименование за този тип Multi Input Multi Output PLC (MIMO PLC). Пример за двоен драйвер с несиметрични входове е даденият на ред 3, като G на всеки от усилвателите се установява чрез външни резистори подобно на операционните усилватели. Той има вграден термистор за изключване при температура във вътрешността на ИС над определена стойност. При ползването на драйверите трябва да се имат предвид обикновено даваните в каталозите им допустими стойности на импеданса на електрическата мрежа (например 5-100 W за този на ред 3) и типични схеми на свързване.

ИС на модеми. Съвременните ИС на модеми освен модулатор Mod и демодулатор Demod съдържат и други блокове от фиг. 1 независимо от традиционното си наименование Modem. Това е отразено в колона 4 на табл. 2, а следващата колона 5 съдържа някои от основните параметри. Изходното напрежение на предавателя UTX е прието да се дава със стойността си от връх до връх като в зависимост от модела може да е с фиксирана стойност или да се програмира, а с fCLK е означена честотата на външно свързвания към ИС генератор или кварцов резонатор. Нежеланите изменения на формата на синусоидата на UTX не винаги се дават в каталозите, а когато това се прави оценката е по различни начини, например чрез амплитудата на втория и третия хармоник или чрез сумата на шума и хармониците.

Дадената на ред 1 в табл. 2 ИС на Cypress Semiconductor е предназначена за двупосочна полудуплексна връзка със скорост на обмен 2400 bps в обхвата CENELEC-B и е с вграден 8-битов код за откриване на грешки. Предаването на лог. 0 и лог. 1 става чрез синусоиди със 133,3 kHz и 130,8 kHz, а вграденият интерфейс I2C може да работи с честоти 50 kHz, 100 kHz и 400 kHz.

Тези параметри са запазени в ИС от ред 2, която е на същия производител. По-сложната й структура осигурява множество допълнителни възможности, сред които са реализация на мрежи от типа master-slave, вкл. с няколко управляващи възела и мрежи peer-to-peer с до 256 възела и увеличаване на броя им чрез адресиране с 16b и 64b числа. По електрозахранващата мрежа освен обменяните данни могат да се подават и управляващи сигнали (Remote Commands) от даден възел към други. Съществени предимства на ИС са и 8-те извода GPIO за свързване на външни цифрови и аналогови източници на сигнали и товари и работата с интерфейсите SPI и UART.

На ред 3 в таблицата е МАХ73356 на Maxim Integrated, предназначена за работа в обхватите CENELEC-A (36 канала) и CENELEC-B (16 канала) с OFDM. Сред характерните й особености са двата 32-битови процесора с голям обем памет и гарантираната сигурност на обмена на данни от вградения блок за кодиране и идентификация според стандарта AES-CCM, както и доброто отношение сигнал/шум на приемника благодарение на автоматичното променяне на коефициента му на усилване.

От типа PRIME Modem е SAM4CP16B на Microchip Technology, даден на ред 4, с основно предназначение за “интелигентни” измервателни прибори и мрежи. Независимо от богатите му възможности (каталогът е над 1000 страници) реално това е устройство с размерите на ИС. Ползваните модулации са OFDM, DBPSK, DQPSK и D8PSK, каналите са 8 в обхвата 42 kHz – 472 kHz и скоростта на обмен може да се избира чрез управлението между 5,4 kbps и 128,6 kbps.

Процесорът е 32-битов с няколко памети (например Flash 1024kB), а допълнителният копроцесор е за осъществяване на комуникациите и за реализация на метрологични приложения. Специфична особеност е вграденият контролер за течнокристални дисплеи (LCD), а към интерфейсите е прибавен ползваният в индустрията стандарт JTAG.

Като G3-PLC е означен намиращият се на другия полюс по сложност модем на Microchip - ATPL250A (ред 5 на таблицата), който е сред сравнително малкото без вграден микропроцесор, а ползва външен микроконтролер при връзка с него чрез SPI. Работи в обхвата CENELEC-A и при нужда могат да му се добавят външни приемен и предавателен усилвател.

С наименование програмируем модем (Programmable Modem) е PL360 (ред 6) отново на Microchip, което е поради възможността за въвеждане не само на програми за идентификация и криптиране с 128, 192 и 256-битови числа, но и на такива от произволен тип. Ползват се всички обхвати на CENELEC с допълнително отчитане на изискванията на IoT. Полезни специфични особености на AFE са програмируемият му усилвател за осигуряване на АРУ (автоматично регулиране на усилването) на приеманите сигнали и възможността за добавяне на външен усилвател към вградения предавателен.

За полудуплексна връзка в четирите обхвата на CENELEC е NCN49597 (ред 7) на ON Semiconductor. Ползва модулация S-FSK и обменът на данни може да се извършва със скорости 300, 600, 1200, 2400 и 4800 bps. По програмен път могат да се задават стойности на коефициента на предаване на изходния усилвател между 0 dB и -21 dB през 3 dB, но това изисква осигуряване на необходимата амплитуда на предаваните сигнали чрез допълнителния външен усилвател NCS5651. Приложенията на модема изискват и външен микроконтролер, а в някои случаи и външна EEPROM. Подобен е модемът NCN49599 на същия производител, но той не изисква допълнителен външен предавателен усилвател.

Системата върху чип STCOMET (ред 8) на STMicroelectronics работи във всички CENELEC обхвати и е предназначена за “интелигентни” измервания и IoT, поради което има няколко специфични особености. Една от тях е наличието освен на AFE и на двоен PLC-LD с Io=1A за усилване на сигналите от AFE и от източници извън PLC. Нов е блокът за настройка в реално време (Real-time engine) RTE, правещ ИС по-гъвкава, като осигурява ползването на някои специфични особености на OFDM и на други стандарти за PLC, вкл. бъдещи.

Нови са часовникът в реално време RTC и цифровият входен блок (Digital front-end) DFE за настройка на ИС за работа с различни видове модулации и въвеждане на полезни автоматични регулировки. Метрологичната подсистема (Metrology sub-system) MSS, съдържаща и специфичен метрологичен AFE, позволява измерване на мощността и енергията в електрическата мрежа, а сензорът за температура предпазва ИС от прегряване.

Програмируемата система върху чип ST8500 (последен ред на табл. 2) на STMicroelectronics е с аналогично предназначение и същите нови блокове, но RTE е изцяло програмируем, към което са прибавени възможности за програмиране чрез Proc на горните слоеве на протокола на PLC и на свързваните към ИС периферни устройства. Еднократно програмируемата памет ОТР е за въвеждане на ключ за работа на ИС и друга информация от потребителя, а на 24-те GPIO могат програмно да бъдат присвоявани различни функции. В техническата документация на ИС има подробни данни за хармониците в изходния сигнал, които липсват в каталозите на част от произвежданите ИС за PLC.

Модули (Module for PLC). Броят им е сравнително ограничен и се предлагат под формата на печатни платки, чиито размери позволяват непосредствено свързване в устройства с основна цел намаляване на времето за разработка. Включват всички блокове на фиг. 1, а първият пример е DRM170 на NXP Semiconductors. Предназначен е за обхват 30 – 95 kHz на CENELEC и електрическа мрежа 220 V, по която осигурява Io=2 A (амплитудна стойност).

Работи с интерфейсите I2C, SPI, UART и USB, ползва външно постояннотоково захранване 12V/3А и в документацията му са дадени схемите и параметрите наблоковете. С вграден токоизправител при размери 48,3x38,1 mm е SOMPLC-F28PLC84 на Texas Instruments. Ползва четирите обхвата на CENELEC и през реактивен товар осигурява ток 1,9 А. Работи с интерфейсите I2C, SPI и UART и с мрежата CAN, а в документацията му са дадени подробни сведения за програмирането и тестването на нов модул.

Концентратори (Concentrator). Разрастването на мрежите с NB-PLC логично доведе до появата на концентратори с принцип на действие, заимстван от комуникационните мрежи – обменяне на данни между множество работещи с малка скорост устройства и устройство с голяма скорост. Те навлизат в „интелигентните” PLC мрежи под формата на модули или печатни платки. Типичен пример е G3-PLC Data Concentrator на Тexas Instruments. Той осъществява обмен в обхвата 36-91 kHz с възможност за свързване на над 1000 „интелигентни” измервателни прибора, вкл. от трифазни мрежи. Реализира безжични връзки в обхвата под 1 GHz и този за 2,4 GHz и такива чрез интерфейсите RS-232, RS-485 и USB. Може да се захранва непосредствено от електрическата мрежа или външно постоянно напрежение 12 V.

Примери за приложения. Един от характерните и с перспективи за бързо развитие е управление на осветлението в сгради, идея за чиято структура е дадена на фиг. 2а. В управляващия блок Contr има капацитивни ключове CapSW и модул за NB-PLC за всяка от лампите Lamp с една или повече от функциите: вкл/изкл, димиране и регулиране на цветната температура. Данните за осъществяването им се изпращат по електрическата мрежа Powerline и се приемат от вградените в лампите модули, също съдържащи NB-PLC. На фиг. 2б е показана система за отчитане на консумацията на енергия. Всеки от консуматорите Appi е снабден със сензор Si за измерване на енергията му, данните се изпращат по мрежата, събират се в приемния блок Recev и се виждат на дисплея D.

Широколентова PLC
Споменатото в началото наименование и Broadband over Power Line (BPL, BPLC) произлиза от използването на честотния обхват 1,8 – 86 MHz (според някои автори до 250 MHz) при честота на обмен на данните в сградни мрежи до 1 Gbps. За тези PLC са стандартите ITU-T G.9960 и IEEE 1901-2010, а специално за обмен на видео- и аудиосигнали са HomePlug 1.0, HomePlug AV, HomePlug AV2 и HomePlug GreenPHY за обхвата 2 - 30 MHz. През последните години BB-PLC навлиза и в управлението на транспортни средства – влакове, самолети и автомобили, тъй като намалява сложността на връзките, теглото и цената.

Структура на мрежите. При обмен на данни в градове, квартали и индустриални райони се ползват мрежите средно напрежение (MV) подземни мрежи с напрежение до около 20 kV, като последният комуникационен участък са мрежите ниско напрежение (LV). Идея за структурата е дадена на фиг. 3, обобщаваща трите разновидности – реално определена мрежа ползва една от тях и рядко две.

Данните постъпват в MV мрежата от инжектора (Injector) Inj, който обикновено ги получава от интернет магистрала (Internet backbone). Поради затихването на сигналите по мрежата тя съдържа един или повече повторителя (Repeater) Rep в зависимост от дължината и характеристиките й. Първият начин за доставяне на BB-PLC до жилище е показан на фиг. 3 след точка А. Свързващият блок (Coupler) Coup шунтира понижаващия трансформатор MV/LV за PLC сигналите и през екстрактора (Extractor) Extr ги подава в жилището.

Тази част от веригата се нарича access BB-PLC, докато частта в жилищата е in-house BB-PLC. Втората разновидност започва от точка В и прехвърлянето на данните става по безжичен път чрез двата блока Wi-Fi, докато при третата (след точка С) един свързващ блок (MV Coupler) MVCoup отнема сигнала от МV мрежата и го подава на друг блок (LV Coupler) LVCoup за въвеждане в жилището.

BB-PLC за мрежи ниско напрежение. Те са предвидени основно за обхвата 1,8 - 30 MHz с OFDM, от чиито 1155 носещи честоти се използват 917 с разстояние между две съседни 24,41 kHz. За стандартите HomePlug 1.0, HomePlug AV и HomePlug GreenPHY е предназначена ST2100 на STMicroelectronics с програмируем AFE, 32-битов микропроцесор с мощно програмно осигуряване и копроцесор за криптографски цели (например AES c 128, 192 и 256b ключ), вградени интерфейси I2C, JTAG, I2S и USB 2.0 и с Ethernet 10/100. Към тези възможности, позволяващи вграждане с разнообразни устройства, се прибавят 32-та GPIO, от които 8 са за PWM сигнали. Не трябва да се приема като недостатък необходимостта от 5 захранващи напрежения, а безспорно постижение е корпусът с две групи изводи (324 и 49) с размери 12x12x1mm.

Приемо-предавателят QCA7520 на Qualcomm Atheros е от групата SoC за обмен на данни между BB-PLC и други мрежи, като той ги осъществява между HomePlug 1.0 и HomePlug AV от една страна и Ethernet 802.3 от друга. Използва се основно за телевизия с висока разрешаваща способност (HDTV), но има приложения и в други цифрови мултимедии. Частта му за BB-PLC включва ползване на честотната лента 2 MHz – 67,5 MHz, конфигурациите SISO (Single Input Single Output) и MIMO и работи с Ethernet 10/100 с максимална скорост 1 Gbps при корпус с размери както при предната ИС.

Основното за QCA7500 на Qualcomm Atheros е увеличението на скоростта на 1,3 Gbps и работата в ленти 1,8 MHz - 30MHz и 2MHz – 67,5MHz с Ethernet 10/100/1000, но само HomePlug AV2. Характерна за QCA7450 е скоростта 600 Mbps и само за лента 2 MHz - 67,5 MHz е, но Ethernet скоростите са запазени и се работи с HomePlug 1.0, HomePlug AV и HomePlug AV2.

В BB-PLC мрежи се използват и драйвери за линии, какъвто е THS6212 на Texas Instruments. Драйверът е с диференциален вход и изход, в обхвата до 30 MHz има изходна мощност 14,5 dBm и при захранващо напрежение ±12 V осигурява напрежение 43,2 Vр-р върху товар 100 W. Работи в температурен обхват -40ё+85°С и е реализиран в корпус 5x4 mm.

Комбинирани PLC
Това са модеми, чиито английски наименования PLC+RF и Hybrid RF and PLC изясняват комбинирането на функциите на PLC и безжична комуникация. Те се предлагат от няколко години насам, като според специалистите на разстояние до около 15 m безжичната връзка е за предпочитане, докато на по-големи предимството е на PLC. Основните предлагани засега модели са на прибори, а ИС са твърде малко. Пример е ЕV8600 на Semtech, предназначена за NB-PLC, същността на чиято структура е на фиг. 4а.

Горните й блокове са за PLC и реално повтарят тези от фиг.1 като СС е извън ИС, ползва се S-FSK, работата е във всички обхвати на CENELEC (честоти 10 kHz - 500 kHz) и в съответствие със стандартите ITU-T G.9903, ITU-T G.9904 и IEEE P1901.2. Безжичната връзка се осигурява от блока RF AFE в обхвата 137 MHz - 1020 MHz и в съответствие със стандартите LoRa, IEEE 802.15.4g и европейския ЕN13757-4, известен като Wireless M-Bus. Присъствието на последния показва, че едно от основните предназначения на ИС е за автоматични измервателни уреди, към което се прибавят автоматизацията на жилища и сгради, управление в индустрията и “екзотичният” контрол на приходите в улични будки и автомати.

За вграждане в устройства се произвеждат платки PLC+RF, каквато е TIDC-HYBRID-RF-PLC на Texas Instruments. Тя включва AFE тип AFE031, 32-битов процесор C2000 и микроконтролер СС1350 за безжична връзка в обхвата 2,4 GHz. Независимо, че е извън тематиката на статията, ще бъде споменат приборът HP210W на Qualcomm Atheros с размери 70x60x35 mm, предназначен за BB-PLC в съответствие с HomePlug AV със скорост на обмен 200 Mbps и безжична връзка чрез IEEE 802.11n със скорост 150 Mbps.

PLC в постояннотокови мрежи
Електрониката в устройствата за PLC се захранва от ниски постоянни напрежения, което означава принципната възможност те да се осигуряват от нисковолтови постояннотокови мрежи, вкл. тези в автомобили и други превозни средства. Тези мрежи могат да се използват за PLC, като едно от вече утвърждаващите се понятия е DC Powerline Communications (DC PLC). Единствената принципна разлика на устройствата за тях е в блока СС на фиг.1, който не трябва да съдържа трансформатор, а само предпазни елементи и евентуално филтри.

Така например в документацията на моделите от редове 1 и 2 в табл. 2 е отбелязано, че те могат да се използват за 12- и 24-волтови постояннотокови и променливотокови мрежи с NB-PLC. Логично очакваното използване на PLC в автомобили (например управление на сигнализацията, контрол на акумулатори и двигателя), където те биха намалили съществуващите проводници, теглото и цената, засега се бави.

Сред причините са смущенията от ключовите стабилизатори, осигуряващи захранващото напрежение по мрежата, и наличните електромагнитни смущения от нежелани индуктивни и капацитивни връзки в нея, които най-малко биха ограничили скоростта на обмен на данни, а в много случаи ще доведат и до грешки в него. В световен мащаб се води сериозна развойна дейност за намаляване на смущенията до нива, позволяващи работата на NB-PLC и BB-PLC.

Немалка част от светодиодното осветление се осигурява от нисковолтови постояннотокови мрежи, които могат да бъдат използвани и за управление на осветителните тела чрез NB-PLC вместо с класическите методи (например DALI и DMX), изискващи допълнителни проводници. Идея за структурата на осветителна мрежа с DC PLC е дадена на фиг.5.

Токозахранващият блок PS осигурява желаните напрежение и ток (например 48V/50А) за постояннотоковата мрежа, всяко от осветителните тела (LED Fixture) в която има Modem за управлението му. Чрез управляващия блок Contr се задава режимът на работа (например вкл/изкл и димиране) на всяко от телата, което се наблюдава на монитора Monit. Чрез допълнителни елементи и подходящо програмно осигуряване в Contr системата може да се разшири, например за контрол на температурата и влажността в помещенията и за охраната им.

Практически не съществуват специализирани ИС за DC PLC, но се предлагат изделия под формата на модули и печатни платки. Типичен пример за модул е TIDU160 на Texas Instruments, предназначен за мрежи с напрежение 18-35 V, съдържащ AFE тип AFE031 и процесора С2000, като обменът на данни с външен управляващ блок става чрез UART. Модулът е кръгъл с диаметър 29,2 mm. Някои производители на автомобили сами разработват DC PLC за новите си модели, най-вече за електрическите.



ЕКСКЛУЗИВНО

Top