PLC - technologia komunikacyjna dla domu

Liczba liczników energii zainstalowanych w Europie już niedługo przekroczy 200 milionów sztuk, z czego większość daje możliwość instalacji dwukierunkowej komunikacji z centrum rozliczeniowym oraz sprzętem elektronicznym znajdującym się w domach. Z tego powodu coraz częściej uwaga projektantów zwraca się ku komunikacji za pomocą przewodów energetycznych, jaką zapewniają modemy PLC.

Dla Europy, w około 50% przypadków, gdzie transmisja danych z liczników energii elektrycznej dotyczyć będzie urządzeń zasilanych niskim i średnim napięciem, medium komunikacyjnym będzie PLC (Power Line Communication). Znaczenie tej technologii jest także duże w innych rejonach świata, takich jak Azja i Ameryka Południowa, mimo że szczegóły techniczne stosowanych tam rozwiązań się różnią. Ważne jest również to, że inteligentne mierniki zużycia mediów są aplikacją masową i taką, która w dużym zakresie podatna jest na interakcje z innymi urządzeniami elektronicznymi.

Duża skala oddziaływania z rynkiem jest silną siłą napędową dla prac naukowo-badawczych w zakresie komunikacji PLC, których w ostatnim okresie realizowanych jest wiele. Niestety nie ma jednego wspólnego rozwiązania komunikacji PLC na potrzeby inteligentnych mierników zużycia energii elektrycznej. Co gorsza, w każdym kraju lub grupie aplikacyjnej daje się znaleźć wiele wymagań i unikalnych opcji, jakie trzeba zapewnić, oferując produkt na rynku.

Najważniejsze różnice kryją się w stosowanej modulacji, protokołach, szybkości transmisji danych, niezawodności i podobnych ważnych czynnikach technicznych. Integratorzy systemów związanych z inteligentną siecią energetyczną są więc zainteresowani rozwiązaniami układowymi zapewniającymi dużą elastyczność po to, aby mieć uniwersalne produkty zdolne sprostać tym wyzwaniom. Te wymagania spotykają się ze zrozumieniem producentów układów półprzewodnikowych, którzy sporo wysiłku poświęcają zapewnieniu elastyczności układów komunikacyjnych.

Przykładem może być tutaj zaangażowanie Texas Instruments, którego układy do komunikacji PLC pozwalają na używanie wielu rodzajów modulacji sygnału, takich jak OFDM lub PSK, w tym też specyficznych odmian jak S-PSK lub wąskopasmowej niskoczęstotliwościowej modulacji ODFM (Low Frequency Narrow Band OFDM), a nawet obsługują standardy takie jak G3 lub Prime. Zapewnienie elastyczności rozwiązania układowego jest możliwe poprzez podział funkcjonalny modemu na szereg kompatybilnych i hierarchicznych bloków sprzętowych.

Na najwyższym poziomie znajduje się zwykle mikrokontroler, dalej programowalny układ wejściowy AFE (Analog Front End) oraz oprogramowanie. Wydajna 32-bitowa jednostka zapewnia wystarczającą moc obliczeniową do przetwarzania skomplikowanych algorytmów tworzących schematy modulacji sygnału. Układ wejściowy jest z kolei interfejsem do określonego standardu częstotliwości nośnych wymaganych w danej lokalizacji geograficznej.

W końcu, oprogramowanie zawiera szereg bibliotek procedur, interfejsu programowego do realizacji niezbędnych funkcji nakładanych przez protokół komunikacyjny. Texas Instruments ma w ofercie szeroki wybór 32-bitowych mikrokontrolerów, układów analogowych oraz oferuje niezbędne bloki oprogramowania konieczne do realizacji takich projektów. Biorąc pod uwagę dużą liczbę standardów, TI opracował warstwę sprzętową i programową dla takich aplikacji pozwalające na realizację obu najpopularniejszych implementacji, a więc Low Frequency Narrowband OFDM i S-FSK.

Od strony układowej modem bazuje na mikrokontrolerze 32-bitowym z rodziny C2000, a bloki funkcjonalne związane z obwodami wejściowymi zrealizowane zostały na układach analogowych takich, jak PGA112 i wzmacniaczu OPA564, co zapewnia wysoką jakość produktu. Na bazie tych układów TI proponuje konstruktorom zestawy projektowe oparte na procesorze TMS320F28335. Został on umieszczony na wydzielonej płytce, co pozwala na jego wymianę na inny model wchodzący w skład rodziny C2000 o wymaganych zasobach sprzętowych w zakresie pamięci, układów peryferyjnych i wydajności.

Podobnie, blok AFE został wydzielony do osobnego modułu, co pozwala na jego zmianę, gdy zajdą takie wymagania dotyczące parametrów transmisji. Wraz z platformą sprzętową firma dostarcza biblioteki programowe "PC Suite" za pomocą, których użytkownik ma możliwość implementacji standardu Prime wraz z pełną obsługą API niezbędną do zapewnienia dostępu do wszystkich warstw protokołu. Dostarczane oprogramowanie pozwala też na komunikację pomiędzy poszczególnymi elementami interfejsu komunikacyjnego PHY, MAC, a jego modułowa budowa daje możliwość dodawania i usuwania poszczególnych części funkcjonalnych po to, aby zrealizować specyficzne wymagania bez wielkich narzutów na potrzebną pamięć (patrz rysunek).

Komunikacja PLC w aplikacjach domowych i przemysłowych Prawidłowo wdrożona inteligentna sieć energetyczna zapewni: Oszczędność energii Wytwarzanie blisko miejsca odbioru Niezawodność i zdolność do samonaprawy Możliwość konwergencji z innymi usługami

Aplikacja przemysłowa

Jak wspomniano wcześniej, technologia komunikacji PLC jest implementowana wewnątrz inteligentnych mierników mediów i należy oczekiwać, że z czasem inne urządzenia współpracujące z miernikami będą zawierać w sobie modemy PLC. W ten sposób można będzie rozliczać energię za tankowanie elektrycznych pojazdów i balansować koszty energii dostarczanej przez baterie słoneczne. Wymienione dwie aplikacje mają szansę stać się pierwszymi przemysłowymi zastosowaniami, gdzie wykorzystana zostanie komunikacja poprzez sieć zasilającą.

Oprócz rozliczania opłaty za ładowanie, wymieniane komunikaty poprzez łącze PLC mogą zawierać informacje przydatne do inicjacji procedury ładowania oraz ustalenia maksymalnej wielkości pobieranego prądu z sieci. W Europie do zastosowań komunikacji PLC z miernikami mediów przyznane zostało wydzielone pasmo Cenelec A (9-95 kHz) w ramach szerszej grupy częstotliwości nośnych wchodzących w zakres sygnałów używanych do tej komunikacji.

Zastosowania dodatkowe, takie jak ładowanie akumulatora w pojazdach elektrycznych, mogą być realizowane w innych pasmach (B i C) wchodzących w zakresie dopuszczonym do tego celu. Standaryzacja częstotliwości i modulacji pozwala na realizację w szerszym zakresie niż tylko pomiędzy dwoma ustalonymi urządzeniami, co powinno zaowocować wieloma nowościami. Takie aplikacje mogą być również projektowane za pomocą opisanej platformy projektowej.

Zastosowana rodzina mikrokontrolerów 32-bitowych C2000 daje możliwość tworzenia aplikacji w europejskich pasmach A, B, C oraz pokrywa całe pasmo FCC. Dodatkowo rodzina mikrokontrolerów C2000 charakteryzuje się bardzo dużą popularnością w aplikacjach związanych z konwersją mocy i wielu inżynierów ma spore doświadczenie zawodowe w ich wykorzystaniu. W takim wypadku praca nad komunikacją PLC pozwala na skorzystanie z tego dorobki i posiadanych narzędzi.

Założenia techniczne aplikacji związanych z domowymi sieciami bazującymi na komunikacji PLC nie zostały jeszcze dobrze sprecyzowane, z pewnością jednak technologia ta nie ograniczy się do pojazdów elektrycznych i paneli słonecznych. Obiecujące jest połączenie komunikacji PLC z technologią bezprzewodową i sieciami kratowymi bazującymi na ZigBee. Od strony układowej może to zostać zrobione w ramach układu SoC, który połączy modem PLC z popularnym transceiverem CC430 pracującym w zakresie do 1 GHz lub CC2530 przy większych wymaganiach w zakresie połączenia bezprzewodowego.

Rozwiązania komunikacji za pośrednictwem sieci energetycznej przygotowane przez TI dają inżynierom szansę szybkiego stworzenia skalowalnego i uniwersalnego rozwiązania. Wykorzystanie popularnych i typowych układów scalonych jest też szansą na niskie koszty całości projektu oraz na możliwość powiązania go z komunikacją bezprzewodową w ramach sieci HAN (sieć domowa - Home Area Network).

Więcej informacji na temat komunikacji i automatyki domowej można znaleźć na: www.element-14.com - portalu technologicznym i wspólnocie online dla inżynierów. Szeroki zakres produktów firmy Texas Instruments, w tym również opisany w tym artykule zestaw TMS320F28335 (numer w katalogu Farnella 1748914), można znaleźć na www.farnell.com/pl.