Plc передача данных по электрическим сетям. Интеллектуальные сети питания smartPowerNet

Технология передачи данных по сетям электропитания (PLC — power line communications) позволяет ввести автоматизированную систему управления в новую или уже существующую инфраструктуру, минимизируя затраты как при разработке проекта инфраструктуры, так и при прокладке дополнительных сетей передачи данных.

Идея PLC ведет начало с 1838 года, когда Эдвард Дэйви предложил использовать подобную технологию для дистанционного измерения уровней напряжения батарей на Ливерпульской телеграфной системе. Однако, лишь с появлением современных компонентов, позволяющих бюджетно реализовать необходимую вычислительную мощность (OFDM, о котором будет сказано ниже, достаточно долго «пылился на полке» из-за сложности реализации), технология PLC действительно стала актуальной и доступной в промышленном и в домашнем секторах, обеспечив необходимую надежность, скорость и простоту развертывания.

В настоящее время PLC используется, в основном, в системах энергоучета, простой автоматизации (освещение, приводы механизмов). Реже — это «последняя миля» в сетях передачи данных (Интернет), в голосовой связи. Развитие технологии сделало возможным использование не только в сетях переменного тока. Отсутствие дополнительных проводов оказалось настолько привлекательным, что сейчас осуществляется интеграция PLC даже в системы электропроводки автомобилей.

Технология

Основа PLC — модуляция фазы силовой линии, использование ее как несущей. Вариантов модуляции четыре: частотная (FSK — Frequency Shift Keying ), частотная с разнесенными частотами (S-FSK — Spread Frequency Shift Keying ), двоичная фазовая (BPSK — Binary Phase Shift Keying ) и ортогональное мультиплексирование с частотным разделением каналов (OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing ). Выбор варианта определяется двумя критериями — эффективностью использования полосы частот и сложностью реализации, что, в свою очередь, определяет скорость передачи данных и помехоустойчивость. OFDM — наиболее скоростной и помехоустойчивый, но сложен в реализации, так как требователен к вычислительным ресурсам, в то время как BPSK и FSK легко реализуются, но обеспечивают лишь низкие скорости. Для FSK требуется синхронизация при переходе фазы через ноль, что ограничивает его использование только сетями переменного тока.

Кроме того, PLC-системы реализуются с учетом требований стандартов (IEC 61334, PRIME, G3 и других) или местных регуляторных требований (CENELEC, FCC и т.д.).

В таблицах 1 и 2 показаны сравнительные характеристики основных вариантов модуляции, стандартов и требований.

Таблица 1. Основные стандарты для PLC, поддерживаемые компанией TI

Таблица 2. Регуляторные инструкции

PRIME

Альянс PRIME разработал стандарт с возможностью адаптации к параметрам физической среды передачи. Экспериментальным методом было обнаружено, что для достижения оптимальных результатов передачи данных необходимо 96 поднесущих. Топология сети — древовидная, с двумя типами узлов — базовым (корень дерева сети) и сервисными. Сервисные узлы способны работать в двух режимах — терминала и коммутатора, причем, переключение между режимами возможно в любой момент, в зависимости от требований сети, а режим коммутатора совмещает в себе режим терминала. Всего в сети может быть 1200 узлов, 32 из которых могут находится в режиме коммутатора, и осуществляется адресация до 3600 подсоединений.

Основное преимущество данного стандарта в открытости технологии, высокой скорости передачи данных и поддержке огромным числом производителей, что обеспечивает взаимозаменяемость оборудования, а также — возможность работы в режиме SFSK, обеспечивая совместимость с более старым оборудованием.

G3

В отличие от PRIME, изначально стандарт G3 разрабатывался компанией Maxim Integrated для французской компании ERDF, и лишь позже произошло объединение более десяти компаний в G3-PLC Alliance, что сделало G3 открытым.

G3 имеет более сложную систему кодирования (код Рида-Соломона), топологию ячеистой сети с максимальным количеством узлов — 1024. Стандарт более помехоустойчив, чем PRIME, но скорость передачи данных существенно ниже.

Помимо топологии и скорости, у G3 имеются два серьезных преимущества перед PRIME: первый — это возможность осуществлять связь через трансформаторы. Учитывая, что дальность связи без повторителей может достигать 10 км, данная особенность снижает количество концентраторов до максимально эффективного числа, что уменьшает общую стоимость проекта.

Вторая особенность — наличие 6LoWPAN-уровня, что позволяет осуществлять передачу IPv6-пакетов для интеграции с сетью Интернет.

G3 не поддерживает устройства SFSK, но допускает параллельную работу с ними на одной линии.

PLC-Lite

Помимо международных стандартов, существуют иные решения. Компания Texas Instruments предлагает собственный стандарт PLC-Lite.

Преимущество этого стандарта — более гибкий подход к реализации PLC, разработчики оборудования могут оптимизировать характеристики для улучшения передачи данных, и там, где G3 и PRIME испытывают затруднения из-за помех, PLC-Lite успешно справится. Кроме того, реализация PLC-Lite имеет низкую стоимость, что позволяет использовать его в недорогих проектах.

Существует еще одно важное свойство PLC-Lite: для небольших задач предусмотрено использование микроконтроллера PLC-модема, что позволяет обойтись от использования хост-контроллера. Это настолько упрощает разработку устройств и снижает стоимость, что становится экономически возможной интеграция PLC-модемов в сеть на бытовом уровне «выключатель — лампочка». Ниже будет описан один из проектов, показывающий эффективность такого решения.

Аппаратная реализация

Для реализации данной технологии используются PLC-модемы, которые условно можно разделить на три составляющие: согласующий модуль с силовой сетью, аналоговая и цифровая части. Реализация модемов разнообразна — существуют как одночиповые решения, так и многоэлементные. На рисунке 1 показана типичная схема PLC-модема для OFDM (для FSK и G3 дополнительно потребуется детектор перехода фазы через ноль (Zero-Cross detector).

Рис. 1.

Для обеспечения обработки аналогового сигнала компания TI предлагает микросхемы AFE030 , AFE031 и AFE032, которые отличаются величиной выходной токовой нагрузки передатчика, количеством детекторов перехода фазы через ноль (два — у AFE030 и AFE031, три — у AFE032) и возможностью программирования фильтра (AFE032). Эти микросхемы позволяют реализовать FSK-, SFSK- и OFDM-модуляцию в соответствии с требованиями CENELEC. Блок-схема микросхем на примере AFE031 представлена на рисунке 2, а подробная функциональность и особенности описаны в нашем журнале ранее: НЭ №10/2012: «Любой протокол — по проводам: решения Texas Instruments для PLC-систем передачи данных» и НЭ №7/2011: «Концерт для счетчика и сети: PLC-модемы компании Texas Instruments».

Рис. 2. Блок-схема AFE031 — аналоговой части PLC-модема

«Мозгом» модема является микроконтроллер семейства C2000 компании TI, оптимизированный для работы в PLC-модемах в качестве DSP. В настоящий момент компания TI предлагает несколько решений, базирующихся на региональных требованиях и стандартах и учитывающих оптимальность требуемых параметров. К примеру, если требуется разветвленная сеть системы сбора данных энергоучета в соответствии с CENELEC и стандартами G3 и/или PRIME, то идеальным решением будет PLC-модем, построенный на базе F28PLC83 в связке с аналоговым блоком AFE031 , это же решение с использованием FlexOFDM (PLC-Lite) позволит осуществить связь в условиях сильных помех. Если же требуется относительно простая система на уровне «точка-точка», то пара F28PLC35/ AFE030 стандарта PLC-Lite подойдет наилучшим образом. В частности, F28PLC35/AFE030 идеально подходит для построения связей внутри одного объекта, например, для управления/автоматизации освещения, водоснабжения и прочих систем.

Разумеется, решения можно использовать комплексно, например, недорогой F28PLC35/AFE030 может использоваться для передачи данных от энергосчетчика к домашнему дисплею и к коллектору данных, более мощный — от коллектора к дата-центру.

В таблице 3 приведены сравнительные характеристики вышеназванных решений.

Таблица 3. Решения PLC-модемов от TI

Практическое применение

Способность легкой интеграции технологии PLC практически везде, где есть силовые сети, открыла широкие возможности для энергосбытовых компаний, позволив реализовать управление потребителем и обратную связь с потребителем. Оснащение приборов учета PLC-модемами позволит:

• упростить фискальность;
• осуществлять сбор статистики по качеству и количеству энергоснабжения с очень точной привязкой ко времени;
• прогнозировать энергопоставки;
• оценивать состояние линий;
• оперативно вмешиваться в текущее состояние, например, осуществлять приоритетное подключение потребителей в аварийных ситуациях;
• снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций за счет «направленной превентивности» в обслуживании линий энергопередач.

На данный момент существует потребность в счетчиках для ЖКХ различного типа. Компания TI готова предложить различные варианты решений (в том числе — программно-отладочные средства), позволяющие построить «умную» сеть практически под любые требования (рисунок 3). Рассмотрим практический пример энергоучета на базе этих решений.

Рис. 3.

Обычно в домах присутствует как минимум три счетчика — счетчик электроэнергии и два счетчика водоснабжения. Однако, их может быть гораздо больше: существуют проекты домов, где есть газоснабжение, водоснабжение подводится дважды, что требует наличия уже четырех счетчиков. И, если с электросчетчиком особых проблем нет, то с остальными необходимо осуществить достоверную связь с помощью иного интерфейса. Да и существование в сети каждого счетчика индивидуально не представляется практичным. Добавим необходимость аварийного отключения систем энергоснабжения (а за рубежом — еще и отключение по окончанию оплаты) — это потребует дополнительных датчиков и исполнительных механизмов. Кроме того, конечному пользователю крайне любопытно, сколько, где, когда и чего потрачено, а возможности «умной» сети сообщить ему такую информацию гораздо выше, чем у простого счетчика. Значит, необходим модуль отображения информации. А теперь давайте умножим все это на некоторое число квартир в доме, районе…

Поэтому в автоматизированной измерительной инфраструктуре (AMI) присутствует важный элемент — концентратор данных (рисунок 4).

Рис. 4.

Условно модуль концентратора можно разделить на четыре части: основной процессор приложений, модуль связи c сервером данных (и с некоторыми счетчиками) на базе PLC-модема, блок питания и интерфейсные модули для связи со счетчиками и пользователями по множеству различных интерфейсов.

Основой концентратора служит процессор TI семейства Sitara AM335x (ARM Cortex-A8) или семейства Stellaris (Cortex-M4) или ARM-DSP, что позволяет разработчику выбрать оптимальное по стоимости решение в зависимости от технических условий.

Большое количество интерфейсов у концентратора данных позволит собрать данные со счетчиков или обеспечить связь с сервером там, где применение технологии PLC по каким-либо причинам оказалось невозможным.

Благодаря возможности процессора PLC-модема от TI выполнять пользовательские приложения, схема автоматизированной системы измерения становится достаточно проста, а ее построение весьма гибко: электросчетчик совместно с PLC-модемом и дополнительными интерфейсами способен осуществлять сбор данных с других счетчиков, управлять исполнительными механизмами и отображать информацию для пользователя. На рисунке 5 показано типовое решение электросчетчика, рассчитанного на широкую универсальность.

Рис. 5.

Типовые решения счетчиков газо- и водоснабжения выполнены на базе микроконтроллеров TI серии MSP430 , отличающихся низким потреблением тока, что делает возможным батарейное питание. На рисунке 6 и 7 видно, что, помимо основных систем измерения, отображения и связи, присутствует RFID-модуль. который обеспечивает режим авансовой оплаты услуг газо- и водоснабжения.

Рис. 6.

Рис. 7.

Помимо возможности контроля показаний непосредственно на счетчиках, в «умной» сети присутствует In-Home Display — центральный информационный дисплей (рисунок 8), благодаря которому нет необходимости проверять каждый счетчик по отдельности, все можно увидеть сразу. Это позволяет монтировать счетчики более удобно и/или не нарушать дизайн дома — как правило, в обычных случаях либо доступ к счетчику затруднен, и считывание показаний становится проблемой для пользователя, либо счетчик становится несимпатичной частью интерьера.

Рис. 8.

Оснащение ЖКХ системами такого рода позволяет получить множество положительных моментов:

• централизованный сбор информации о количестве потребленной энергии от всех пользователей сети позволяет своевременно выставлять счета с указанием точной суммы, вводить различные системы тарификации и осуществлять предупредительные и ограничительные меры при превышении лимита или нарушении правил энергопотребления;
• более грамотное распределение средств на модернизацию и ремонт систем на основе информации о сбоях в системах энергопотребления и потребностях на отдельных участках;
• возможность оперативно локализовывать и решать аварийные ситуации.

Кроме того, система настолько гибка, что позволяет вносить существенные дополнения без какого-либо глобального перестроения. Например, интеграция в систему датчиков утечек газа позволит внести превентивные меры по обеспечению безопасности.

К сожалению, для внедрения такой системы требуется решение серьезных организационных вопросов (и некоторые капиталовложения) со стороны энергосбытовых компаний и ЖКХ. Однако, такая система вполне оправдывает свое существование ради, удобства пользователя.

Автоматизация измерений — лишь одно из направлений применения технологии PLC. Немаловажная часть — возможность автоматизированного управления различными системами, такими как освещение, вентиляция, электроприводы ворот и жалюзи, системы альтернативного электропитания (рисунок 9).

Рис. 9.

Благодаря широким возможностями микроконтроллера концентратора данных TI осуществляется целый ряд удобных, а иногда и необходимых возможностей управления:

• контроль и управление всеми системами;
• удаленное подключение через интернет;
• автоматическое включение освещения по календарю или датчику;
• автоматическое подключение аварийного источника питания с «умным» подключением потребителей;
• выборочное или общее отключение систем при аварийных ситуациях;
• дистанционное управление с пульта (например, открывание ворот гаража).

Разумеется, существуют альтернативные решения: собственные решения производителей освещения, электроприводов ворот и проч. Преимущество же решения на базе PLC-компонентов от TI — в возможности интеграции в уже существующий объект без каких-либо значительных изменений, а также — в универсальности.

В конечном итоге, единое управление намного проще, надежнее и удобней (неплохим примером могут служить два варианта аудио-видео техники: одного производителя с единым пультом управления и нескольких разных, с соответствующим количеством пультов), и дает возможность легкого расширения системы.

В некоторых случаях использование PLC-модемов может вообще быть единственным простым и экономически выгодным решением. Рассмотрим следующий типовой пример: коттедж, гостиная с четырьмя точками входа (улица, двор, лестница на второй этаж, кухня). Включение освещения в гостиной становится проблематичным — дешевое решение (один выключатель) просто неудобно. Удобно наличие четырех перекрестных (проходных) выключателей, по одному в каждой точке входа. Это позволит управлять освещением с любой точки, не делая лишних движений (при выключении — в темноте). Но для реализации необходимо к двум выключателям провести три провода, а еще к двум — четыре.

И ведь это управление одной лампой. Если же в люстре две и более групп ламп, количество проводов резко возрастает. Стоимость двухклавишного перекрестного выключателя даже без учета стоимости проводов уже сравнима со стоимостью PLC-модема. Стоимость работ по монтажу такой системы также достаточно высока. Попробуем создать такую же систему с возможностью регулировки яркости, и придется интегрировать что-то дистанционное непосредственно в лампу.

Применение PLC-модема производства компании TI избавляет от необходимости прокладки дополнительных кабелей, более того, заставляет несколько по-иному взглянуть на классическую систему: PLC-модем в роли выключателя и регулятора может быть интегрирован не только в точку подключения выключателя, но и в линию розеток. Подключение ламп также упрощается (не требуется разводки с выключателями). Количество и характер управления лампами становится несущественным. Дизайн выключателей (регуляторов) получает безграничные возможности. Кроме того, объединение в общую «умную» сеть позволяет реализовать систему аварийного освещения, не прокладывая ни единого дополнительного кабеля.

Отладочные средства производства TI

Для разработки систем на базе технологии PLC компания TI предлагает следующее:

• MODEM DEVELOPER’S KIT
• TMDSDC3359

Набор TMDSPLCKIT-V3 включает в себя два PLC-модема, две управляющие карты на базе TMS320F28069 , имеет встроенный USB-JTAG-эмулятор и все необходимые кабели. Также прилагается программное обеспечение для PLC, поддерживающее стандарты OFDM (PRIME, G3 и FlexOFDM) и S-FSK, и среда разработки Code Composer Studio v4.x с ограничением размера исполняемого кода 32 кбайт. Используемая микросхема аналоговой обработки сигнала — AFE031 . Внешний вид одного из модемов показан на рисунке 10.

Рис. 10.

Data Concentrator Evaluation Module TMDSDC3359 (рис. 11). Этот продукт позволяет отладить системы на базе концентратора данных. Построен на процессоре AM335x семейства Sitara ARM Cortex-A8 с OC Linux BSP. Плата имеет широкую периферию:

• 2x USB;
• 2x Ethernet;
• 2x RS-232;
• 3x RS-485;
• инфракрасный приемопередатчик;
• температурный датчик;
• Sub-1ГГц и 2,4ГГц RF; AM335x.

Рис. 11.

Есть возможность подключения модуля для коммуникации по трехфазным сетям. Импульсный блок питания встроен.

Поддерживаемые стандарты — G3, PRIME.

Заключение

Использование технологии PLC для передачи данных обладает множеством преимуществ, позволяя в кратчайшие сроки и с минимальными затратами развернуть «умную» сеть, способную быстро адаптироваться под требуемые задачи, а благодаря возможностям стандартов G3 и PRIME — под среду передачи данных.

Компания Texas Instruments предоставляет комплексное решение, от микросхем до ПО, для реализации PLC-сетей в системах управления и сбора информации. Благодаря своей гибкости, такое решение позволяет реализовать систему для любого типа протокола и удовлетворяет возможные требования регуляторных инструкций.

Компания КОМПЭЛ является официальным дистрибьютором Texas Instruments и может обеспечить разработчиков как самими процессорами и аналоговыми микросхемами, так и средствами разработки для реализации собственных PLC-проектов.

Литература

4. Андрей Самоделов. Концерт для счетчика и сети: PLC-модемы компании Texas Instruments//Новости Электроники №7/2011.

5. Алексей Пазюк. Любой протокол — по проводам: решения Texas Instruments для PLC-систем передачи данных//Новости Электроники №10/2012.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

Приложение Bluetooth Smart SensorTag от TI облегчает разработку Bluetooth-приложений в устройствах на AndroidTM 4.3

Компания Texas Instruments объявила о выходе на рынок приложения для ОС Android под названием Bluetooth Smart SensorTag, последовавшем за интеграцией поддержки приложения Bluetooth Smart Ready в ОС Android 4.3 "Jelly Bean". Новый продукт, доступный для бесплатного скачивания по адресу www.ti.com/sensortag-app-android-eu, устраняет препятствия для разработчиков приложений, желающих воспользоваться преимуществами миллионов смартфонов и планшетов на ОС Android, которые вскоре будут оснащены Bluetooth Smart Ready. Разработка блока приложений Bluetooth Smart, поддерживаемых теперь ОС Android и iOS, стала проще и быстрее при помощи набора разработчика Sensor Tag на базе CC2541. В набор входят шесть датчиков широкого применения, размещенных на одной плате для быстрой оценки и демонстрации. Дополнительная информация о наборе Sensor Tag размещена по адресу www.ti.com/lprf-stdroid-pr-eu.

Набор Sensor Tag не требует знаний в области программного или аппаратного обеспечения, чтобы быстро запустить приложения Bluetooth Smart на смартфоне или планшете. Разработчики делятся своими достижениями, сделанными при помощи Sensor Tag, на странице Texas Wiki (http://processors.wiki.ti.com/index.php/Bluetooth_SensorTag?DCMP=lprf-stdroid-eu&HQS=lprf-stdroid-pr-wiki1-eu ) и в Твиттере по хештэгу #SensorTag.

Шесть встроенных датчиков набора Sensor Tag, включая бесконтактный инфракрасный температурный датчик TMP006 от TI, помогают разработать многочисленные приложения в таких областях, как здравоохранение и образование, а также создавать новые аксессуары для мобильных устройств. С набором работает бесплатное, обновляемое «по воздуху», ПО BLE-Stack TM от TI. Набор Sensor Tag на базе CC2541 служит дополнением к другим решениям от TI — двухрежимному Bluetooth на базе СС2564 и WiLink TM .

О компании Texas Instruments

Для высокоскоростного информационного обмена.

В этой технологии, основанной на частотном разделении сигнала, высокоскоростной поток данных разбивается на несколько низкоскоростных, каждый из которых передается на отдельной частоте с последующим их объединением в один сигнал.

При этом PLC-устройства могут «видеть» и декодировать информацию, хотя обычные электрические устройства - лампы накаливания, двигатели и т. п. - даже «не догадываются» о присутствии сигналов сетевого трафика и работают в обычном режиме.

В настоящий момент технология широко используется в Европе и Америке.

Технические основы технологии PLC

Основой технологии PowerLine является использование частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбирается на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в один сигнал. Реально в технологии PowerLine используются 84 поднесущие частоты в диапазоне 4-21 Мгц.

• Не требует настроек
• Более стабильная связь
• Большая безопасность информации
• Подходит для передачи Multicast-трафика, например, IPTV
• На качество связи не влияет материал и толщина стен в квартире
• В РФ не требуется регистрация оборудования в Роскомнадзоре

Недостатки

Альянс производителей

Несколько крупных лидеров на рынке телекоммуникаций объединились в альянсы, один из которых получил название HomePlug Powerline Alliance, а другой Universal Powerline Assosiation (UPA) с целью совместного проведения научных исследований и практических испытаний, а также принятия единого стандарта на передачу данных по системам электропитания.Прототипом PowerLine является технология PowerPacket фирмы Intellon, положенная в основу для создания единого стандарта HomePlug1.0 specification (принят альянсом HomePlug 26 июня 2001 г.), в котором определена скорость передачи данных до 14 Мб/сек.

Применение PLC технологии

Подключение к Интернет

PLC в Российской Федерации

Коммерческий проект предоставления услуг домашним пользователям с использованием PLC (стандарт UPA) стартовал в 2006 году. Компания «СПАРК» (торговая марка холдинга «Электро-ком») построила пилотную сеть в московском районе Тушино . В дальнейшем, компания начала работать в других районах Москвы и городах Калуга, Рязань, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону.

В сентябре 2008 года появились новости о продаже абонентской сети в Москве интернет-провайдеру 2КОМ, который планирует перевести подключение абонентов на технологию Ethernet .

Региональные компании-партнёры «СПАРК» при этом продолжили работу, предоставляя услуги на базе технологий как PLC, так и Ethernet .

Решения на основе PLC также предлагают компании "ВОКС Телеком" из Москвы, Tellink из Санкт-Петербурга и "Гиперком" из г.Волжский Волгоградской области.

Некоторые из моделей электронных электросчётчиков российского производства марки «Меркурий» имеют функцию передачи данных о собранной ими информации по технологии PLC.

Оборудование

Бытовые PLC-модемы можно приобрести в розничной торговой сети. Производители, PLC-модемов продаваемых в России: Гиперком DefiDev , TelLink, QLAN, D-Link , Q-tech, ZyXEL , TP-Link .

Ссылки

• Ответы на самые частые вопросы по широкополосным модемам 200Мбит
• Интернет через розетку , схема подключения
• Технология PLC - телекоммуникации по сетям электропитания. Журнал «Сети и системы связи», А. В. Никифоров, №5/2002 г.
• Часто задаваемые вопросы по оборудованию и технологии "интернет через электросеть"

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Power line communication" в других словарях:

Power line communication - or power line carrier (PLC), also known as power line digital subscriber line (PDSL), mains communication, power line telecom (PLT), power line networking (PLN), or broadband over power lines (BPL) are systems for carrying data on a conductor… … Wikipedia

power line communication - noun The distribution of data and other signals via electric power distribution wires … Wiktionary

Power line carrier communication - (PLCC) is mainly used for telecommunication, tele protection and tele monitoring between electrical substations through power lines at high voltages, such as 110kV, 220kV, 400kV.In a PLCC system the communication is established through the power… … Wikipedia

Power Line Carrier - Als Trägerfrequenzanlage (TFA) bezeichnet man Anlagen zur Sprach oder Datenübertragung über Kommunikations oder Stromnetze, indem die Signale auf eine oder mehrere Trägerfrequenzen moduliert werden. Ein Vorteil des Systems ist, dass vorhandene… … Deutsch Wikipedia

Overhead power line - This article is about power lines for general transmission of electrical power. For overhead lines used to power road and rail vehicles, see Overhead lines. Transmission lines in Lund, Sweden … Wikipedia

Power over Ethernet - or PoE technology describes a system to transfer electrical power, along with data, to remote devices over standard twisted pair cable in an Ethernet network. This technology is useful for powering IP telephones, wireless LAN access points,… … Wikipedia

Технологии связи по электросети (Power Line Communication, PLC) активно развиваются и становятся все более востребованными во всем мире. И Россия - не исключение. Их используют при автоматизации технологических процессов, организации систем видеонаблюдения и даже для управления «умным» домом.

Исследования в области передачи данных с использованием электросети ведутся достаточно давно. Когда-то применение PLC тормозила низкая скорость передачи данных и недостаточная защищенность от помех. Развитие микроэлектроники и создание современных, а главное более производительных процессоров (чипсетов), дали возможность использовать сложные способы модуляции для обработки сигнала, что позволило значительно продвинуться вперед в реализации PLC. Однако о реальных возможностях технологии связи по электросети до сих пор знают лишь немногие специалисты.

Технология PLC использует электрические сети для высокоскоростной передачи данных и основана на тех же принципах, что и ADSL, которая применяется для передачи данных в телефонной сети. Принцип работы следующий: сигнал высокой частоты (от 1 до 30 МГц) накладывается на обычный электрический сигнал (50 Гц) с применением различных модуляций, а сама передача сигнала происходит через электрические провода. Оборудование может принять и обработать такой сигнал на значительном расстоянии - до 200 м. Трансфер данных может осуществляться как по широкополосным (BPL), так и по узкополосным (NPL) линиям электропередачи. Только в первом случае передача данных будет идти со скоростью до 1000 Мбит/с, а во втором значительно медленнее — только до 1 Мбит/с.

На пределе скорости?

Сегодня пользователям доступны технологии PLC третьего поколения. Если в 2005 году, с появлением стандарта HomePlug AV, скорость передачи данных выросла с 14 до 200 Мбит/с (этого достаточно для предоставления так называемых «Triple Play» услуг, когда пользователям одновременно предоставляются высокоскоростной доступ в интернет, кабельное телевидение и телефонная связь), то последнее поколение PLC использует уже двойной физический уровень передачи данных — Dual Physical Layer. Вместе с FFT OFDM применяется Wavelet OFDM-модуляция, то есть ортогональное частотно-разделенное мультиплексирование, но с применением вейвлетов. Это позволяет в несколько раз поднять скорость передачи данных— до 1000 Мбит/c.

Однако важно понимать, что речь идет о физической скорости. Реальная скорость передачи данных зависит от многих факторов и может быть в разы меньше. Качество электропроводки в доме, скрутки в линии, ее неоднородность (например, в алюминиевой проводке затухание сигнала сильнее, чем в медной, что сокращает дальность связи примерно в два раза) — все это деструктивно влияет и на физическую скорость и качество передачи данных. Также PLC - все адаптеры должны находится на одной фазе в электрической сети, в электросети между адаптерами не должно быть гальванических развязок (трансформаторов, ИБП), пилоты, фильтры и УЗО снижают скорость передачи данных. Исключение - QPLA-200 v.2 и QPLA-200 v.2P, т.к. особенностью данных адаптеров является уникальная технология Clear Path. Используя технологию Clear Path, можно создать сеть даже тогда, когда PLC устройства подключены к разным фазам, т.е. эта технология динамически выбирает менее зашумленные каналы для передачи информации, тем самым увеличивая скорость передачи данных. В одной PLC -сети могут находиться до 8 устройств.

Говоря о PLC-технологии, за скорость принято брать полудуплексную или однонаправленную скорость. То есть, если указанная скорость равна 200 Мбит/c, то реальная будет составлять 70-80 Мбит/c. В реальной жизни физическую скорость с большой уверенностью можно делить пополам, и пропорционально уменьшать на 10% при подключении каждого мощного домашнего устройства -утюг, чайник, кондиционер, холодильник и пр.

В обычных бытовых условиях по проводам с помощью PLC сигнал может передаваться на расстояние около 200 м. Например, дом площадью 200 кв. м можно покрыть без проблем. Качество связи при этом будет зависеть от качества электрической сети. Преградой для прохождения сигнала может стать обыкновенный сетевой фильтр, который часто бывает встроен в удлинитель, источник бесперебойного питания или трансформатор. Следует помнить и то, что распространение сети по электропроводке ограничивается электрическим щитком с предохранителями. Так что создать сеть, например, с соседом по квартире не получится. Для этого лучше подойдет Wi-Fi.

Плюсы и минусы PLC

PLC-технологии, безусловно, заслуживают внимания, однако наряду с плюсами, у них есть и очевидные недостатки. Но обо всем по порядку. PLC помогает наладить качественное предоставление услуг Triple Play, не требует прокладки проводов для передачи данных, а, значит, и дополнительных затрат. Быстрый монтаж и возможность подключения к существующим сетям — тоже очко в пользу PLC. Кроме того, PLC-сеть можно легко разобрать и сконфигурировать, например, при переезде офиса в другое здание. Такая сеть легко масштабируется — можно организовать практически любую ее топологию с минимальными затратами (в зависимости от количества дополнительных PLC-адаптеров). В сложных условиях (железобетонные конструкции, высокий уровень электромагнитных помех) в отличие от беспроводных технологий Wi-Fi, WiMAX и LTE PLC-сеть будет работать без сбоев. При этом за счет применения самых современных алгоритмов шифрования обеспечена и безопасная передача данных по сети.

Недостатков у PLC меньше, но знать о них стоит. Во-первых, пропускная способность сети по электропроводке делится между всеми ее участниками. Например, если в одной PLC-сети две пары адаптеров активно обмениваются информацией, то скорость обмена для каждой пары будет составлять примерно по 50% от общей пропускной способности. Во-вторых, на стабильность и скорость работы PLC влияет качество выполнения электропроводки (например, медного и алюминиевого проводника). И в-третьих, PLC не работает через сетевые фильтры и источники бесперебойного питания, не оборудованные специальными розетками PLC Ready.

Применение PLC на практике

Сегодня PLC находит широкое практическое применение. В связи с тем, что технология использует существующую электросеть, она может быть использована в автоматизации технологических процессов для связки блоков автоматизации по электропроводам (например, городские электросчетчики).

Нередко PLC применяют при создании систем видеонаблюдения или локальной сети в небольших офисах (SOHO), где основными требованиями к сети являются простота реализации, мобильность устройств и легкая масштабируемость. При этом как вся офисная сеть, так и отдельные ее сегменты могут быть построены с помощью PLC-адаптеров. Часто в уже существующую офисную сеть необходимо включить удаленный компьютер или сетевой принтер, расположенный в другой комнате или даже в другом конце здания — c помощью PLC-адаптеров эту проблему можно решить за несколько минут.

Кроме того, PLC-технология открывает новые возможности для реализации идеи «умного» дома, в котором вся бытовая электроника должна быть завязана в единую информационную сеть с возможностью централизованного управления.

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.