Знакомство с PLC-системами

Общая информация

PLC — это недавно появившаяся технология в области передачи информации по электрическим сетям низкого напряжения, которая обеспечивает работу в частотном диапазоне от 1 до 30 МГц. Это должно обеспечить скорость передачи данных порядка нескольких Мбит в секунду и может использоваться телефонными службами, а также для выхода в Интернет, контроля различных устройств и так далее. Однако эта технология сталкивается с некоторыми значительными трудностями, связанными с ее характеристиками, особенно в том, что касается соответствию стандарту EMC. Одна из самых критичных проблем — это испускание ЭМ-полей, которое может нарушить радиотрансляцию в том же частотном диапазоне.

Четыре прикладных области могут быть покрыты с помощью PLC-технологии:

¾ внешняя, то есть в общественной сети обеспечения: автоматизация, мониторинг, функции удаленного снятия измерений, оперативная телефонная служба. Это может быть произведено с помощью существующих распределительных сетей, без проведения дополнительных линий.

¾ внутренняя, то есть внутри здания потребителя: контроль и мониторинг, включая функции сигнализации, внутренняя система коммуникации (так называемая, «домашняя»), легкое объединение в сеть оборудования, обрабатывающего данные. Все это реализуется с использованием существующей у потребителя проводки и не требует прокладывания дополнительных линий или использования радиооборудования.

¾ граничная, то есть соединяющая внутреннюю и внешнюю PLC-области: например, службы для потребителя находятся рядом с энергообеспечением.

· мониторинг работы систем с обеспечением соответствующей реакции

· удаленный контроль оборудования (такого как электрические нагреватели или кипятильники).

· удаленное чтение показаний ¾ сегодня уже достигнутое некоторыми коммунальными службами, относящимися к потребителям со специальными тарифами: измерение степени загруженности сети, так же как и мониторинг загруженности в системах потребителей, получение соответствующих данных, передаваемых с помощью PLC в контрольный центр коммунальных услуг и их дальнейшая обработка с целью оптимизации управления загруженностью.

¾ Обеспечение общественных телекоммуникационных служб, путем связи внешней PLC-системы с телекоммуникационной основой: например, высокоскоростного интернет-доступа, общественной телефонии, при необходимости видео.

Архитектура информационного взаимодействия на основе электросетей имеет эталонную семиуровневую модель OSI. Даже в рамках одной прикладной области конкретные ее реализации отличаются методами надежной доставки данных на различных уровнях иерархии. Повышение надежности передачи на физическом уровне связано с выбором способа модуляции и частотного диапазона, с использованием методов цифровой обработки сигналов и адаптивного управления. Здесь в первую очередь следует отметить перспективность алгоритмов широкополосной (Spread Spectrum) модуляции, существенно повышающей помехоустойчивость передачи. При использовании SS-модуляции мощность сигнала распределяется в широкой полосе частот, и сигнал становится незаметным на фоне помех. На принимающей стороне значимая информация выделяется из шумоподобного сигнала с использованием уникальной для данного сигнала псевдослучайной кодовой последовательности. С помощью различных кодов можно осуществлять передачу сразу нескольких сообщений в одной широкой полосе частот. Описанный принцип лежит в основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA). Технологии SS-модуляции и CDMA подробно рассмотрены в литературе (главным образом, на примерах использования в сотовых телефонных сетях). Отметим, что помимо помехоустойчивости SS-модуляция обеспечивает высокий уровень защиты информации. Еще одно большое достоинство широкополосных технологий - относительно низкая стоимость соответствующих устройств. Дело в том, что все преобразования сигнала осуществляются на уровне одной микросхемы (которая при массовом производстве оказывается очень дешевой).

Основные способы повышения надежности передачи на канальном уровне следующие:

¾ разбиение пакетов данных на кадры небольшой длины;

¾ спользование корректирующих кодов для выявления и исправления ошибок;

¾  применение низкоуровневых протоколов надежной передачи на основе

           подтверждений приема коротких кадров;

¾  использование эффективных методов управления доступом к среде передачи

данных.

Короткие пакеты позволяют увеличить не только вероятность достоверной передачи порции данных, но и эффективность адаптации передающей стороны к быстро меняющимся характеристикам сети. При использовании широкополосной модуляции это выражается в оптимальном перераспределении мощности сигнала в полосе частот с учетом фактического спектра помех.

Некоторые фирмы разработали оптимизированные протоколы доступа к среде, учитывающие особенности “электросетевых” приложений и зашумленность линий питания. Поскольку значительная часть таких приложений (автоматический учет, охранная сигнализация, домашняя автоматика) предполагает наличие в сети одного активного узла, для обеспечения доступа целесообразно использовать методы опроса или передачи маркера. Это снимает проблемы распознавания несущей в зашумленных сетях и необходимость выявления коллизий. В целях повышения надежности самого управления доступом используется принцип “трехкратного рукопожатия” при передаче маркера. Типовая функциональная схема и основные компоненты коммуникационного узла “электрической сети связи” представлены на рис. 1.

В сеть 220 В

Рис. 1 Функциональная схема коммутационного узла.

Ядром коммуникационного узла являются контроллеры сетевого, канального и физического уровней; последние часто называются также приемопередатчиками или трансиверами. Как правило, эти компоненты реализуются на базе универсальных либо специализированных микропроцессоров и выпускаются рядом фирм в виде наборов микросхем.

Изолирующий (соединительный) модуль в общем случае осуществляет две функции: изолирует аппаратуру коммуникационного узла от напряжения питания и выделяет информационный сигнал из силового напряжения. Обычно этот модуль выполняется из отдельных радиоэлектронных компонентов.

Некоторые фирмы изготавливают специальные микросхемы усилителей мощности, позволяющие передавать сигнал на большие расстояния. На основе этих компонентов может быть построен электромодем со стандартным или заказным интерфейсом пользователя.

Для обеспечения совместимости изделий различных производителей (в рамках одного класса приложений) предпринимаются усилия по стандартизации технологий передачи информации по линиям электропередачи.