VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ
FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS
MODEL ÚZKOPÁSMOVÉ KOMUNIKACE PLC NARROWBAND PLC MODEL
DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER´S THESIS
AUTOR PRÁCE
Bc. KAREL SEKOT
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2009
doc. Ing. JIŘÍ MIŠUREC, CSc.
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací
Diplomová práce magisterský navazující studijní obor Telekomunikační a informační technika Student: Ročník:
Bc. Karel Sekot 2
ID: 83261 Akademický rok: 2008/2009
NÁZEV TÉMATU:
Model úzkopásmové komunikace PLC POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Rozeberte možná rušení v silových rozvodech nn a vn využitelných pro datovou komunikaci. Zameřte se především na úzkopásmové systémy vhodné pro dálkový sběr dat. Vytvořte a popište modely vedení z hlediska přenosu elektrické energie a vytvořte vhodné modely vedení pro datový přenos systémů PLC. Rozeberte vliv jednotlivých druhů rušení a stanovte hlavní parametry ovlivňující datový přenos. Proveďte měření na reálných silových rozvodech a porovnejte je s teoretickými závěry. DOPORUČENÁ LITERATURA: [1] Blažek, V., Skala, P.: Distribuce elektrické energie. Skriptum VUT v Brně, FEKT. [2] C.W. Gellings, K. George, "Broadband over Powerline 2004: Technology and Prospects", an EPRI White Papers. Termín zadání:
9.2.2009
Termín odevzdání:
Vedoucí práce:
doc. Ing. Jiří Mišurec, CSc.
26.5.2009
prof. Ing. Kamil Vrba, CSc. Předseda oborové rady
UPOZORNĚNÍ: Autor diplomové práce nesmí při vytváření diplomové práce porušit autorská práve třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb.
ABSTRAKT Tato práce pojednává o datové komunikaci v silových rozvodech nízkého napětí (PLC). Rozebírá rušení v úzkopásmových systémech, které se používají například pro dálkový sběr dat. Úvodem se práce zabývá rozborem zadání, principem PLC (injektováním signálu) a následně popisuje měřicí pracoviště, jeho zapojení, použití měřicích přístrojů apod. Následující kapitoly definují jednotlivé druhy rušení, možné zdroje rušení komunikace, provoz zařízení z hlediska EMC a další charakteristiku přenosové trasy. Práce také zahrnuje praktické ukázky rušení, určuje hlavní parametry, které ovlivňují datový přenos a porovnává teoretické a praktické závěry.
KLÍČOVÁ SLOVA PLC, rušení, EMC, datová komunikace, energetické rozvody, induktivní člen
ABSTRACT This thesis is focused on data communication utilizing low-voltage power distribution lines (PLC). It describes interference in narrowband systems commonly used for remote data collecting, for example. Preamble deals with basic priciples of PLC (signal injecting) and describes the measuring workplace, its wiring and used tools. Following sections define different types and possible sources of interference, operation of the equipment in terms of EMC and other characteristics of the transmission path. The text also analyzes practical interference tests, identifies main parameters affecting data transmision and compares teoretical and practical conclusions.
KEYWORDS PLC, interference, EMC, data communication, power grid, inductive coupler
SEKOT, K. Model úzkopásmové komunikace PLC. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2009. 58 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Jiří Mišurec, CSc.
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou diplomovou práci na téma „Model úzkopásmové komunikace PLC“ jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb.“
V Brně dne 20. 5. 2009
…………………... (podpis autora)
PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Jiřímu Mišurcovi, CSc. za velmi užitečnou metodickou pomoc a cenné rady při zpracování diplomové práce.
V Brně dne 20. 5. 2009
……..…………….. (podpis autora)
Obsah 1 2
3
4
5
Úvod..................................................................................................................................11 Rozbor zadání ...................................................................................................................12 2.1 Model vedení ............................................................................................................12 2.2 Rušení a parametry vedení........................................................................................12 2.3 Realizace...................................................................................................................12 2.4 Výstup.......................................................................................................................13 PLC technologie ...............................................................................................................14 3.1 Význam PLC.............................................................................................................14 3.2 Myšlenka PLC ..........................................................................................................14 3.3 Problémy PLC...........................................................................................................15 3.4 Standard PLC............................................................................................................15 3.5 Distribuční síť elektrické energie..............................................................................15 3.6 Topologie PLC..........................................................................................................15 3.6.1 Sběrnicová topologie .....................................................................................16 3.6.2 Hvězdicová topologie ....................................................................................16 3.6.3 Kruhová topologie .........................................................................................17 3.7 Princip přenosu dat po síti nn ...................................................................................18 3.8 Šířka pásma přenosového kanálu PLC .....................................................................18 3.9 Modulace ..................................................................................................................20 3.10 Impedance vedení .....................................................................................................21 3.11 Přechodové děje........................................................................................................21 3.12 Rušení PLC ...............................................................................................................22 Měřicí pracoviště ..............................................................................................................23 4.1 Osobní počítače.........................................................................................................23 4.2 PLC modemy ............................................................................................................23 4.3 Převodníky RS232 / LAN.........................................................................................25 4.4 Měřicí přístroje .........................................................................................................26 4.4.1 Agilent DSO3102A........................................................................................26 4.4.2 Tektronix DPO4032.......................................................................................26 4.4.3 Tektronix AFG3101.......................................................................................26 4.5 Vazební členy / rušičky.............................................................................................26 4.5.1 Induktivní vazba ............................................................................................27 4.5.2 Kapacitní vazba..............................................................................................27 4.6 LISN..........................................................................................................................28 4.7 Ostatní.......................................................................................................................29 Analýza přenosu PLC .......................................................................................................30 5.1 Použitý protokol........................................................................................................30
5.2 Nastavení PLC modemů ...........................................................................................30 5.3 Nastavení komunikace..............................................................................................32 5.4 Testování komunikace ..............................................................................................33 5.5 Průběh komunikace...................................................................................................35 5.6 Kmitočtová oblast .....................................................................................................37 6 Teorie zdrojů rušení ..........................................................................................................40 6.1.1 Šum na pozadí................................................................................................40 6.1.2 Úzkopásmové rušení......................................................................................41 6.1.3 Synchronní Impulzní rušení...........................................................................41 6.1.4 Asynchronní Impulzní rušení.........................................................................41 6.1.5 Ostatní rušení .................................................................................................42 6.2 Model energetického vedení.....................................................................................42 7 Zdroje rušení v praxi.........................................................................................................44 7.1 Základní požadavky měření......................................................................................44 7.2 Rušení samotnou komunikací...................................................................................44 7.3 Rušení vrtačky ..........................................................................................................45 7.4 Rušení spínaným zdrojem.........................................................................................46 7.5 Umělé rušení AFG ....................................................................................................47 7.5.1 Sinusový průběh ............................................................................................47 7.5.2 Ostatní průběhy..............................................................................................49 8 Parametry ovlivňující datový přenos ................................................................................50 8.1 Obecné parametry .....................................................................................................50 8.2 Vzdálenost ................................................................................................................50 8.3 Časová stálost ...........................................................................................................50 8.4 Rušení .......................................................................................................................51 8.5 Umělé rušení .............................................................................................................51 8.6 Normy EMC .............................................................................................................51 8.7 Celkové zhodnocení..................................................................................................51 9 Závěr .................................................................................................................................53 Seznam použité literatury .........................................................................................................54 Seznam zkratek .........................................................................................................................56
Seznam obrázků Obr. 3.1: Návrh bus topologie ........................................................................................ 16 Obr. 3.2: Návrh hvězdicové topologie............................................................................ 17 Obr. 3.3: Návrh kruhová technologie ............................................................................. 17 Obr. 3.4: Princip přenosu dat po nn ................................................................................ 18 Obr. 3.5: Rozdělení frekvenčního pásma 3 - 148.5kHz.................................................. 19 Obr. 3.6: Kombinace dvou bitů a přiřazení ke čtyřem stavům nosné............................. 20 Obr. 3.7: Příklad nepřizpůsobeného vedeni.................................................................... 21 Obr. 4.1: Napájecí zdroj MT21....................................................................................... 24 Obr. 4.2: Výsledné zapojeni modemu a zdroje napájení ................................................ 25 Obr. 4.3: Induktivní vazební člen ................................................................................... 27 Obr. 4.4: Kapacitní vazební člen .................................................................................... 27 Obr. 4.5: Jednofázová LISN pro měření v pásmu 9kHz – 30MHz [6]........................... 28 Obr. 4.6: Jednotka LISN ................................................................................................. 28 Obr. 4.7: Měřicí pracoviště v laboratoři č. 272............................................................... 29 Obr. 5.1: Transakce protokolu Modbus [13] .................................................................. 30 Obr. 5.2: Servisní konektor pro nastavení modemu ....................................................... 31 Obr. 5.3: Nastavení modemu v programu RSET............................................................ 32 Obr. 5.4: Vytvoření nového spojeni v programu Hyperterminál.................................... 32 Obr. 5.5: Vybereme komunikační port ........................................................................... 33 Obr. 5.6: Nastavení komunikačního portu...................................................................... 33 Obr. 5.7: Zapojení sériového portu pro funkci „maják“ ................................................. 34 Obr. 5.8: Výběr vhodného přenosového protokolu pro testování................................... 34 Obr. 5.9: Ukázka přenosu souboru pomocí PLC ............................................................ 35 Obr. 5.10: Základní zapojení měření rušení ................................................................... 35 Obr. 5.11: Detail průběhu jednoho paketu...................................................................... 36 Obr. 5.12: Komunikace při opakovaném zasílání znaku „?“.......................................... 37 Obr. 5.13: Kmitočtová oblast v lineárním měřítku......................................................... 38 Obr. 5.14: Kmitočtová oblast v logaritmickém měřítku................................................. 38 Obr. 6.1: Šum na pozadí ................................................................................................. 40 Obr. 6.2: Impulzní rušení................................................................................................ 41 Obr. 6.3: Zdroje rušení v PLC kanálu [9] ....................................................................... 43 Obr. 7.1: Nerušené prostředí........................................................................................... 44 Obr. 7.2: Vyšší harmonické ............................................................................................ 45 Obr. 7.3: Rušení ruční vrtačky........................................................................................ 46 Obr. 7.4: Injektování rušivého signálu............................................................................ 47
Obr. 7.5: Komunikace na 80kHz a rušivý signál na 100kHz ......................................... 47 Obr. 7.6: Amplituda na 2m a 200m ................................................................................ 48 Obr. 7.7: Měření minimální úrovně ................................................................................ 49
1
Úvod
V moderní komunikaci používáme různé realizace propojení dvou komunikujících systémů. Komunikační technologie můžeme z hlediska využití rozdělit na nekomerční oblast (osobní komunikace) a na oblast komerční (např. průmyslovou). Dnešní poměrně vysoké přenosové rychlosti nám dovolují se zaměřit na další důležité parametry služeb, to je například kvalita spojení, bezpečnost a také rychlost a ekonomická náročnost výstavby potřebné infrastruktury. Další dělení je podle použití přenosového prostředí na drátové (telefonní linky, strukturovaná kabeláž, optické vlákna, elektrická rozvodná síť) a na bezdrátové (wi-fi, satelitní a laserové spoje). Zde můžeme posuzovat parametry jako spolehlivost, dobu odpovědi na daný požadavek, bezpečnost použitého šifrování a další. Význam ve všech typech připojení má rušení, které nalezneme téměř všude a významně se podílí na použitelnosti dané technologie. Například venkovní wi-fi sítě 802.11 (původně určené do vnitřku budov), jsou díky velkému rušení téměř nepoužitelné na místech s velkou aglomerací. Pro popis rušení na daném systému jsem si vybral komunikaci po energetickém vedení nízkého napětí. Zde je značným problémem přenosové médium, které není přímo určené pro přenos dat. Na vybudovaném pracovišti, které simuluje dálkový sběr a přenos dat, se budu zabývat vlivy, které na přenos působí. Základem pracoviště jsou PLC modemy od firmy ModemTec, které mohou být použity jako měřicí bod pro určení spotřeby elektrické energie, plynu, vody a podobných průmyslových aplikací a dále pak generátor signálu, osciloskop a vazební člen jako rušička signálu. Rozeberu teoretické zdroje rušení a v závěru je porovnám s praktickým měřením.
11
2
Rozbor zadání
Základem mé práce má být vytvoření modelu úzkopásmové komunikace PLC a hlavně rozbor parametrů, které ovlivňují datový přenos. Fyzické spojení mezi zdrojem a spotřebičem zprávy tvoří energetické vedení, které není určeno pro přenos dat. Při první teoretické analýze jsem došel k závěru, že je velké množství vlivů, které působí na přenosovou trasu a které se nevyskytují v ostatních drátových technologiích přímo určených pro přenos dat. Příkladem může být připojování a odpojování spotřebičů, které se nepodílí na komunikaci a způsobují rušení a impedanční nepřizpůsobení sítě. 2.1
Model vedení
Jeden ze zadaných úkolů, měl být navrhnutí modelu vedení z hlediska přenosu elektrické energie. Při teoretickém rozboru jsem došel k výsledku, že obsáhlost tohoto tématu by byla na samostatnou práci. Po dohodě s vedoucím práce jsem se více zaměřil na praktickou část s využitím reálné rušičky PLC. Úvodem pro teoretický model vedení, by mohla posloužit dosavadní práce autorů Manfreda Zimmermanna a Klause Dosterta [14]. Jejich poznatky lze využít například pro prostředí Matlab / Simulink a vytvořit tak funkční testovací teoretický model. 2.2
Rušení a parametry vedení
Hlavní oblastí, kterou jsem se měl zabývat, je popsat možné zdroje rušení, měřením vše ověřit v reálném provozu a zhodnotit, který parametr nejvíce ovlivňuje datový přenos. Velmi podobná oblast, ze které lze také čerpat, je příbuznost technologie xDSL. Tato technologie využívá pro přenos dat telefonní infrastrukturu, která nebyla přímo určena pro datové služby, ale pro analogový přenos hovorů, podobně jako energetické sítě, jež jsou určeny hlavně pro přenos elektrické energie. 2.3
Realizace
Měření rušení a další analýzu provozu na PLC vedení budu zkoumat na komunikaci dvou modemů firmy Modemtec [8], které jsou určené pro sběr různých dat a jejich využití nalezneme především v průmyslovém prostředí. Při měření musím vyřešit, jak co nejvíce potlačit rušení z okolní energetické sítě, protože následně by nešlo jednoznačně určit, ze kterých zdrojů rušení pochází. Dalším úkolem bude nalézt způsob, kterým budu injektovat rušivý signál do přenosového
kanálu.
Jako
vhodný
zdroj
s programovatelným průběhem (AFG).
12
rušení
použiji
funkční
generátor
2.4
Výstup
Výstupem této práce bude porovnání jednotlivých zdrojů rušení, které se projevují na datové komunikaci v PLC a zhodnocení odolnosti komunikace v reálných podmínkách. Rozeberu návaznost zařízení na elektromagnetickou kompatibilitu a navrhnu další možnost pokračování v mé práci.
13
3 3.1
PLC technologie Význam PLC
Tato zkratka je pro Power Line Communication a překládáme ji jako „komunikaci po silových rozvodech“ nebo „komunikaci po síti elektrického vedení“. V praxi se setkáme se zkratkou BPL (Broadband over Power Lines) znamenající „širokopásmovou komunikaci po silových rozvodech“. Technologie širokopásmové komunikace je velmi zajímavá z pohledu koncového účastníka, kdy připojením komunikačního zařízení k síti, by získal přístup ke všem službám jako je internet, telefonie, přenos audio a video signálu po celém objektu apod. Velký problém je v přenosové rychlosti, kdy powerline modemy jsou konstruovány až na rychlost 200Mbps, ovšem reálná rychlost je až o 70% nižší. Pro dnešní datové přenosy je potřeba stálejší a rychlejší přenos dat, proto se zatím neočekává nějaké výrazné nasazení těchto modemů v praxi. O tvorbu standardizaci technologií pro datové přenosy na sítích elektrického vedení dohlíží HomePlug Powerline Aliance, která již zveřejnila standardy např. HomePlug 1.0, HomePlug AV, HomePlug BPL a HomePlug Command and Control. Sdružení HomePlug Powerline Aliance zastupují velké firmy jako například Cisco Systems, Hewlett-Packard, Motorola, Texes Instruments apod. Základním řešením byla technologie PowerPacket od firmy Intellon [3]. Širokopásmová technologie není předmětem této práce, proto ji již nebudu dále uvádět, snad jen v souvislosti s rušením modulace OFDM. Úzkopásmové systémy, stejně jako širokopásmové využívají energetické rozvody nízkého napětí. Rozvody tvoří potřebný komunikační kanál. Díky rychlému rozvoji v posledních letech se naskytla příležitost využívat tuto technologii v automatizačních systémech pro řízení a regulaci (ovládání oken či klimatizace) a v neposlední řadě pro telemetrické systémy k odečtu dat z měřičů různých veličin. Hlavní výhoda všech těchto systémů je ta, že využíváme komunikační infrastrukturu, která je již vybudovaná a tudíž odpadají veškeré náklady, které jsou s tím spojené. V praxi se můžeme setkat s aplikací hromadného dálkového ovládání (HDO), která slouží například k regulaci napájení pouličního (veřejného) osvětlení. 3.2
Myšlenka PLC
Každé zařízení, které potřebuje přijímat a odesílat data je většinou připojeno k elektrické síti, proto je velmi vhodné těmito rozvody komunikovat a odstranit nutnost budovat další kabeláž zejména určenou pro přenos dat. Využití nalezneme například k překlenutí poslední míle od trafostanice k elektroměrům pro přenos naměřených hodnot do datakoncentrátoru. 14
3.3
Problémy PLC
Hlavní nevýhodou PLC je ta, že k přenosu dat se využívá přenosová cesta, která není primárně určena k přenosu dat, podobně jako technologie xDSL u telefonních linek. Elektrické vedení je vyrobeno z mědi a není nijak stíněno. V Česku nalezneme i hliníkové rozvody, které jsou postupně nahrazovány měděnými. Veškeré rozvody tvoří pomyslnou anténu, která vysílá na pásmech využívajících PLC. Elektrické vedení má z pohledu přenosu dat velký útlum a přenosový kanál může být rušen přístroji, které jsou zapojené do sítě. Zdroje a druhy rušení jsou rozebrány v následujících kapitolách. Přenosu dat na větší vzdálenost také stojí v cestě elektroměry, trafostanice apod. Proto rozdělujeme řešení na vnitřní (část vedení za elektroměrem) a venkovní (vedení v rámci více budov, ulic). 3.4
Standard PLC
Aby se předešlo problémům v oblasti PLC, vznikla organizace OPERA (Open PLC European Research Alliance), která si klade za cíl vytvořit standard v oblasti PLC, který nahradí proprietární řešení jednotlivých firem. Projekt OPERA byl spuštěn 1. ledna 2004 a nyní je v druhé etapě nazvané OPERA Phase II [4]. OPERA si klade například tyto cíle: •
rozvoj a zlepšení vazebních členů,
•
emulátor PLC kanálu pro testování a vývoj PLC zařízení,
•
předvídání emisí způsobených PLC a postupy jak minimalizovat EMC.
V České republice se problematikou PLC zabývá sdružení Power-Com. 3.5
Distribuční síť elektrické energie
Elektrizační soustavu tvoří: •
výrobní část, produkující elektřinu v různých zdrojích,
•
přenosová soustava, vedení a zařízení (rozvodny, transformovny) pro 400 kV a 220 kV a vybraná vedení a zařízení pro 110 kV,
•
distribuční soustavy vysokého napětí 3 kV, 6 kV, 10 kV, 22 kV, 35kV a 110kV distribuční soustavy nízkého napětí 400 / 230 V,
• 3.6
technické dispečinky hierarchicky uspořádané k řízení soustavy. Topologie PLC
Podobně jako v sítích LAN, lze obdobně nahlížet i na distribuční rozvodnou síť. Vzájemným propojením vedení vysokého napětí, trafostanic a rozvodů jednotlivých budov, lze topologie rozdělit na tři druhy a to na sběrnicovou, hvězdicovou a kruhovou [1]. 15
3.6.1 Sběrnicová topologie Základem této topologie je jeden sdílený přenosový kanál, na který jsou připojeny všechna komunikující zařízení. Velký problém nastává, pokud dojde k porušení vedení v jakémkoliv místě, protože dojde k přerušení komunikace na celém úseku přenosového kanálu.
Obr. 3.1: Návrh bus topologie
3.6.2 Hvězdicová topologie V této topologii je základem uzel, ke kterému jsou paprskovitě připojena ostatní zařízení. Pokud dojde k výpadku jednoho propojení (paprsku), pak zbytek sítě funguje nadále. Problém může nastat při poruše uzlu, ale obvykle jsou tyto uzly lépe zabezpečeny.
16
Obr. 3.2: Návrh hvězdicové topologie
3.6.3 Kruhová topologie Zde jsou všechny segmenty sítě propojeny do kruhu, což znamená, že jsou napojené ze dvou stran. Při poruše části kruhu dojde k rekonfiguraci na jinou topologii a komunikace může pokračovat.
Obr. 3.3: Návrh kruhová technologie
17
3.7
Princip přenosu dat po síti nn
Energetické vedení nemusí být nutně použito pouze pro frekvenci 50Hz, ale lze jim přenášet i signály vyšších frekvencí. Tyto frekvence musí být vhodně modulovány a tím můžeme
po
vedení
posílat
binární
data.
Proces
přenosu
modulovaného
vysokofrekvenčního signálu z PLC modemu na vedení elektrické sítě se nazývá injektování. Injektuje se buďto kapacitní nebo induktivní vazbou. Existuje i tzv. přímá vazba, která se ovšem v praxi nepoužívá.
Obr. 3.4: Princip přenosu dat po nn 3.8
Šířka pásma přenosového kanálu PLC
Přenosový kanál, v našem případě energetické vedení, lze využít pouze v určitém rozmezí frekvencí. Rozdíl horní a dolní frekvence určuje šířku přenosového pásma. Obecně platí, že větší přenosovou rychlost můžeme dosáhnout větší šířkou pásma, za předpokladu využití vhodného přenosového kanálu, protože každý kanál má na různých frekvencích jiný útlum a je jinak zarušen. Energetické vedení využívá dvě různá pásma, které rozdělujeme na úzkopásmové a širokopásmové. Širokopásmové služby využívají přenosové pásmo od 1MHz do 30MHz a jsou určeny pro přenos dat rychlostí až 200Mbit/s. Pro úzkopásmové přenosy to jsou pak frekvence od 3kHz do 148,5kHz a dosahují rychlosti v řádu stovek kbit/s. Toto pásmo se dále dělí do dalších kategorií A,B,C,D [11].
18
Obr. 3.5: Rozdělení frekvenčního pásma 3 - 148.5kHz Využití jednotlivých kategorií: •
A - pro účely dodavatele elektrické energie,
•
B - pro privátní účely odběratelů,
•
C - pro privátní účely odběratelů (vyžadován protokol o přistoupení k dohodě),
•
D - pro privátní účely odběratelů.
Dané normy pro komunikaci po energetických rozvodech jsou tvořeny v rámci Evropského výboru pro normalizaci v elektrotechnice (CENELEC). V našich podmínkách vše spadá do normy ČSN EN 50065-2-3 (333435) s názvem: „Signalizace v instalacích nízkého napětí v kmitočtovém rozsahu 3 kHz až 148,5 kHz [10]. Všeobecné požadavky, kmitočtová pásma a elektromagnetická rušení“. Pokud je vyžadován protokol o přistoupení k dohodě, tak systém musí splňovat tyto podmínky : •
Všechny systémy musí použít kmitočet 132,5 kHz k upozornění, že vysílání pokračuje.
•
Žádný vysílač nesmí vysílat spojitě po dobu přesahující 1 s a po každém vysílání nesmí vysílat znovu po dobu alespoň 125 ms (pozn. vysílání je považováno za řadu signálů, ve kterých není mezera větší než 80 ms).
•
Každý vysílač musí být vybaven signálním detektorem, který detekuje, kdy je pásmo v použití (tj. stav, kdy je na hlavních vstupních svorkách přístroje přítomen jakýkoli signál v pásmu 131,5 - 133,5 kHz trvající alespoň 4 ms).
19
•
Přístroj může vysílat, jestliže pásmo není využito po dobu v každém případě náhodně zvolenou a rovnoměrně rozloženou mezi 85ms a 115ms s alespoň sedmi možnými hodnotami v tomto pásmu.
•
K umožnění detekce použitého pásma musí přístroj vysílat svůj signál se spektrálním rozložením v souladu s B přílohou této normy.
3.9
Modulace
Proces, při kterém se mění charakter nosného signálu příčinou užitečného signálu se nazývá modulace. Je to nelineární proces. Výsledkem potom je, že nosný signál v sobě nese užitečný signál (data). Tento proces vzniká vhodnou modulací na jedné straně (modulátor) a demodulací na straně druhé (demodulátor). Protože je zapotřebí oboustranné komunikace, modulátor i demodulátor je obsažen v jednom zařízení tzv. modemu. Obecně modemy používáme pro přenos digitálních dat analogovou cestou. Používané typy modulací: a) FSK – Frequency-Shift Keying je obdoba FM. Rozdíl je ten, že na nosný signál s harmonickým průběhem se u FSK moduluje digitální signál, kdežto u FM jde o signál analogový. Amplituda je u této modulace stejná, mění se úhlová frekvence nosného signálu v závislosti na změně modulačním signálem. b) QPSK - Quadrature Phase Shift Keying. Tato modulace se vytváří z dvoustavového fázového klíčování BPSK dvou nosných vln, které mají stejný kmitočet, ale jsou posunuty o 90°. Jedna ze čtyř možných kombinací dvou bitů (00,01,10,11) jsou přiřazeny ke čtyřem stavům nosné.
Obr. 3.6: Kombinace dvou bitů a přiřazení ke čtyřem stavům nosné c) DBPSK - Differential Binary Phase Shift Keying. Je podobná modulaci QPSK, ale využívá pouze dvou stavů, kdy pro binární 0 použijeme nezměněnou fázi tj. 0° a pro binární 1 použijeme změnu fáze o 180°. Navíc je zde zavedeno tzv. vztažné klíčování, kdy ke změně fáze dochází vždy, například při přenosu binární 1. Výhoda této techniky
20
je ta, že pokud dojde k chybě (nežádoucí změně fáze), nedojde k inverzi celého dalšího úseku, ale pouze k jedné chybě. d) OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing, v překladu je to ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením. Princip této modulace je ten, že rozsah frekvencí, které jsou energetické rozvody schopny přenášet, se rozdělí na větší počet kanálů s menší frekvencí. V každém tomto kanálu je pak přenášen samostatný signál. Díky tomuto řešení můžeme každý kanál samostatně sledovat, zda je použitelný pro přenos, zda není rušen a pokud splňuje podmínky pro spolehlivý přenos, tak je využit. Tímto jsou data multiplexně rozdělena mezi jednotlivé kanály a přenášena. Tyto tři modulace jsou použity pro přenos dat v energetických sítích s tím, že OFDM je použit pro širokopásmové systémy. 3.10 Impedance vedení Pokud využíváme komunikační kanál přímo určený pro přenos dat, má předem danou charakteristickou impedanci a všechny prvky jsou impedančně přizpůsobeny. Snažíme se tak dosáhnout homogenního prostředí, kde nedochází k odrazům apod. Energetické rozvody mají impedanci vedení proměnnou v čase, ale i v daném místě vedení. Na změnu impedance má vliv aktuální zatížení sítě, přídavné zařízení v síti jako jsou rozvaděče, pojistky, jističe a další, které způsobují vícecestné šíření signálu, podobně jako se tento jev projevuje u bezdrátových sítí. 5-25Ω vstup
výstup
50Ω
10Ω
15Ω
5Ω
Obr. 3.7: Příklad nepřizpůsobeného vedeni 3.11 Přechodové děje Při spínání a rozpínání elektrických či mechanických spínačů dochází v energetických sítích k řadě přechodových jevů. Vzniká vysokofrekvenční oscilace vlivem kapacity a indukčnosti při spínání. Toto rušení se snadno dostává do energetické sítě nízkého napětí.
21
3.12 Rušení PLC Problémy rušení, které se obecně týkají zařízení na bázi PLC komunikace, tvoří domácí přístroje a spotřebiče, tovární elektrická zařízení a další, které malou či velkou měrou ruší elektrické vedení. Rušení může být krátkodobé v rozmezí 200ms, například různé přechodové děje při zapínání / vypínání nebo trvalé, které by ovšem nemělo nastat, pokud zařízení splňuje normy pro provoz v síti elektrického napětí. Průmyslové zdroje rušení se mohou projevovat jako přepětí, podpětí, výpadek napětí, vznik harmonických složek a jehlových impulzů. Další rušení na vedení mohou způsobit jističe, přepěťové ochrany a proudové chrániče. Obecně řečeno, každá sériová indukčnost či paralelní kapacita v cestě signálu je překážka pro vysokofrekvenční signál. Rušení je předmětem této práce, proto bude více popsáno dále v samostatné kapitole.
22
4
Měřicí pracoviště
Pro účely krátkodobého i dlouhodobého testování a měření jsme v laboratoři č.272 vybudovali stálé pracoviště, které v základu propojuje dva počítače přes energetickou síť. Jednotlivé prvky pracoviště a technického vybavení jsou uvedeny v podkapitolách. 4.1
Osobní počítače
Základem komunikačního řetězce jsou dva osobní počítače v dostačující konfiguraci pro přenos dat zahrnující sériové porty, případně LAN. Potřebné softwarové vybavení je následující: •
Windows – základní operační systém,
•
RSET – nastavení PLC modemů,
•
Hyperterminál – grafický program pro připojení k jiným počítačů,
•
PortMon – monitorování sériových a paralelních portů,
•
DockLigh v1.8 – program pro testování a monitorování sériové komunikace.
4.2
PLC modemy
Na trhu je již řada dostupných PLC modemů jak pro širokopásmové PLC, tak pro úzkopásmové. Pro testování a měření jsem použil zařízení od firmy ModemTec [8]. Tato firma má dostupné různé moduly, které lze vzájemně kombinovat. Vybírat můžeme z následujících skupin: •
MT21 - napájecí zdroj,
•
MT22 - moduly pro analogové vstupy a výstupy,
•
MT23 - moduly pro jednofázovou komunikaci,
•
MT24 - moduly pro třífázovou komunikaci,
•
MT25 - moduly pro binární vstupy a výstupy,
•
MT29 - moduly pro odečty elektroměrů a podobných zařízení.
Nezabývám se komplexním sběrem a přenosem dat po PLC sítích, proto mi bude postačovat základní spojení MT21-10 s MT23-R, které je dostačující pro navázání komunikace například mezi dvěma počítači. Modemy této firmy jsou vybaveny vnitřní diagnostikou, která analyzuje chování modemu a analyzuje přenosovou trasu. MT21-10 je napájecí zdroj pro ostatní moduly PLC, který navíc plní funkci analogového vysílače a přijímače datových signálů do PLC sítě. Má výkon 10W a s MT23-R je spojen plochým šestnáctižilovým kabelem.
23
Obr. 4.1: Napájecí zdroj MT21 Základní parametry MT21-10: •
jmenovité napájecí napětí: ~230V 50 Hz +10% -20%,
•
napětí z externího zdroje: 12 ÷ 22V DC,
•
příkon při vysílání: 20 VA max,
•
příkon mimo vysílání: 8 VA,
•
výstupní napětí signálu 130kHz: 10 Všš,
•
impedance výstupu do sítě 230V pro 130kHz: < 4 Ω.
MT23-R je datový komunikátor určený pro přenos dat v energetické síti nízkého napětí [8]. Maximální délka jednoho datagramu je 520 bajtů. Modem je primárně určen pro protokol Modbus, ale můžeme použít libovolný protokol, pokud splníme následující kritéria: •
protokol je poloduplexní,
•
protokol není kritický na dobu odezvy,
•
maximální délka zprávy je 520 bajtů.
Reálná přenosová rychlost pro PLC síť je 5,5kBps.
24
Obr. 4.2: Výsledné zapojeni modemu a zdroje napájení Základní parametry MT23-R: •
připojení RS 232, RS 422, RS 485, servisní port RS 232,
•
přenosová rychlost PLC-PLC: 10 000 bit/s,
•
způsob komunikace: bod – bod,
•
napájecí napětí: 230V ± 10% 50Hz,
•
příkon max: 15VA,
•
externí napájecí napětí Un: + 19V až +22V,
•
proudový odběr ze zdroje v klidu: cca 0,13 A,
•
proudový odběr ze zdroje při vysílání: cca 0,7A.
4.3
Převodníky RS232 / LAN
Použitím obousměrného převodníku z ethernetu na sériovou linku RS232 bude celkové zapojení komunikačního řetězce složitější, ale dostaneme větší možnosti použití, například je možné lépe dlouhodoběji monitorovat rychlost nebo měřit chybovost [2]. Základní parametry: •
Obousměrná konverze Ethernetu na sériovou linku RS232,
•
Připojení k síti 10 / 100Base-T Ethernet konektorem RJ45,
•
Linka RS232 vyvedená na konektor CAN9,
•
Rychlost RS232 300 Bd až 460 kBd,
•
Použité signály: RXD, TXD, RTS, CTS, DTR, GND,
•
Řízení toku dat RTS / CTS nebo Xon / Xoff nebo bez řízení,
•
Zabezpečení proti neoprávněnému přístupu,
25
•
Možnost napájení připojených zařízení ze signálu DTR,
•
Různé napájecí rozsahy od 4,5 do 75 V (napájecí adaptér není součástí dodávky),
•
Varianta s galvanicky odděleným napájením 36 až 75 V určena například pro použití v telekomunikacích (napájení -48V),
•
Indikace napájení, přenosu dat, připojení a aktivity sítě.
Pro měření rušení nebylo nutné převodníky RS232 / LAN použít, ale uplatnil jsem je při seznámení se samotným provozem modemů a nastavením komunikace. 4.4
Měřicí přístroje
4.4.1 Agilent DSO3102A Pro zobrazení a měření základních parametrů jsem využil osciloskop Agilent DSO3102A s vysokonapěťovou sondou Pintek DP-50, kterou jsem použil v režimu stonásobného zeslabení. Osciloskop neposkytl vhodné obrazové výstupy, proto jsem zvolil jiný typ s lepšími parametry.
4.4.2 Tektronix DPO4032 Pro další měření jsem použil modernější osciloskop Tektronix DPO4032, který lépe dokáže pracovat s nastavením zobrazení ve frekvenční oblasti a dokáže přímé snímání obrazovky do souboru.
4.4.3 Tektronix AFG3101 Další přístroj, který jsem použil byl generátor programovatelného průběhu (Arbitrary Function Generators) Tektronix AFG3101, který vedle generování sinusových, obdélníkových a pilových průběhů signálu dokáže generovat šum nebo libovolný průběh a pracuje do frekvence 100MHz. 4.5
Vazební členy / rušičky
Abych mohl nějakým způsobem rušit signál v energetickém vedení, musím vhodným způsobem navazovat (injektovat) umělé rušení. Využívaným způsobem je induktivní nebo kapacitní vazba viz. kapitola 3.7.
26
4.5.1 Induktivní vazba Pro tuto vazbu jsem použil feromagnetické jádro ovinuté třemi závity drátu. Takto nám vznikla indukční cívka, kterou přímo navlečeme na jednu fázi elektrického vedení.
Obr. 4.3: Induktivní vazební člen
4.5.2 Kapacitní vazba Tento vazební člen nám také zajišťuje signálové propojení dvou oddělených vedení. Použitý člen je obecně možné použít pro zajištění izolace měřicích přístrojů, které nejsou konstruované pro přímé spojení s energetickou sítí. Jako vhodnou vazbu jsem zvolil produkt firmy ATD s.r.o., která nabízí pasivní prvek MCB10.2 použitelný v PLC pásmu CENELEC A a C tj. 65-95kHz a 110140kHz. Základní parametry: •
Rozměr: 53 x 93 x 58mm,
•
Vstupní úroveň signálu: < 10 Veff,
•
Kapacita vstup / výstup: cca 5pF,
•
Izolace vstup / výstup: 4kV / 50Hz.
Obr. 4.4: Kapacitní vazební člen
27
4.6
LISN
Line Impedance Stabilizing Network neboli umělá zátěž vedení se využívá k měření rušivých signálů, které vznikají v energetické síti.
Obr. 4.5: Jednofázová LISN pro měření v pásmu 9kHz – 30MHz [6] Jednotka LISN zajišťuje: •
Připojení měřicího zařízení ke zkoušenému objektu pro celý měřený rozsah kmitočtu, který je realizován horní propustí.
•
Oddělení vnější napájecí sítě od zkoušeného objektu a tedy i od měřiče rušení, které se realizuje dolní propustí 50Hz.
•
Impedanční přizpůsobení měřicího zařízení.
V praxi jsem použil červeně označený blok jednotky LISN z obr. 4.6.
Obr. 4.6: Jednotka LISN 28
Díky využití přímého výstupu k měřicímu zařízení (osciloskopu) jsem nemusel použít napěťovou sondu Pintek DP-50 a tím sem snížil další možný zdroj rušení nebo chyby. 4.7
Ostatní
K propojení jednotlivých zařízení jsou potřeba napájecí kabely, sériové kabely, UTP kabely a pro napájení převodníků jsem použil regulovatelné stejnosměrné zdroje. Celkové zobrazení měřicího pracoviště je zobrazeno na obr. 4.7, schéma celého zapojení uvedu v kapitole o měření.
Obr. 4.7: Měřicí pracoviště v laboratoři č. 272
29
5
Analýza přenosu PLC
5.1
Použitý protokol
Modemy, které jsem použil k měření umožňují použít libovolný protokol, který splňuje následující kritéria: •
protokol je poloduplexní,
•
protokol není kritický na dobu odezvy,
•
maximální délka datagramu (zprávy) je 520B.
Primárně použitý je protokol Modbus. Komunikace probíhá metodou požadavekodpověď a požadovaná funkce se specifikuje pomoci kódu v každé zprávě. Pro účely měření a testování není podrobný popis protokolu Modbus potřebný, ale základní popis komunikace uvedu, protože může pomoci při analýze dějů v energetickém vedení při komunikaci. Datový paket je složen z adresní a datové části a je zabezpečen cyklickým redundantním součtem CRC16 (s řídícím polynomem stupně 16) a samoopravným kódem FEC (forward error correction) založeným na Reed-Solomon kódu. Na obr. 5.1 vidíme transakci při bezchybném provedení požadavku. Pokud by došlo k chybě tj. ztrátě požadavku nebo odpovědi, je implementován limit (timeout) pro přijetí odpovědi, po kterém se poslední paket přenese opakovaně až do nastaveného maximálního počtu opakování [13].
Obr. 5.1: Transakce protokolu Modbus [13] 5.2
Nastavení PLC modemů
Každý modem MT23R lze nastavovat díky servisnímu portu, který je vyveden jako 3,5mm stereo jack, jehož úrovně signálu odpovídají portu RS232. Podle zapojení je jasné, že podporuje pouze softwarové řízení díky absenci vodičů RTS / CTS.
30
Obr. 5.2: Servisní konektor pro nastavení modemu Veškeré nastavení lze provádět v programu RSET. Nejprve propojíme sériový port počítače s modulem MT23R pomocí servisního kabelu. Zapojením MT21-10 do energetické sítě získáme jak napájení obou modulů, tak i připojení na komunikační kanál PLC. V programu RSET se připojíme na zvolený port (často port COM1) a nyní máme na výběr několik možností. Můžeme přečíst nastavení modemu, zapsat nastavení, nastavit do továrního nastavení a další vlastnosti modemu. Je možní nastavit i další rozšiřující možnosti, ale pro mé účely stačilo zprovoznit komunikaci základním nastavením. Provedl jsem nastavení hodnot z výroby a dále jsem modemy nastavil následovně, podle tab. č.5.1. Tab. 5.1: Nastavení PLC modemů modem A
modem B
Přenosová rychlost
19200bit/s
19200bit/s
Rozhraní
RS232
RS232
RTS / CTS
Ano
Ano
RX timeout
2ms
2ms
Parita
NONE
NONE
7 bitů
Ne
Ne
2 stopbity
Ne
Ne
Lokální adresa
1
2
Vzdálená adresa
2
1
Segment
0
0
Timeout HS
170ms
170ms
Timeout příjmu
170ms
170ms
Opakování
3
3
31
Obr. 5.3: Nastavení modemu v programu RSET Po nastavení hodnot stiskneme tlačítko „Zapiš“ a po té odpojíme modem od sériového portu. 5.3
Nastavení komunikace
Pro základní testování, zajištění a ověření komunikace nám postačí program Hyperterminál, který je součástí Windows. Je zapotřebí, aby na straně odesílatele i příjemce byl program Hyperterminál dobře nastaven. Základní nastavení je na následujících obrázcích.
Obr. 5.4: Vytvoření nového spojeni v programu Hyperterminál 32
Obr. 5.5: Vybereme komunikační port
Obr. 5.6: Nastavení komunikačního portu 5.4
Testování komunikace
Pokud máme vše nastaveno a propojeno podle obr. 5.10, můžeme začít přenosem dat. Nejjednodušší způsob jak ověřit komunikaci dvou modemů přes energetickou síť je použít funkci „maják“, která se aktivuje zasunutím konektoru „maják“ do 33
komunikačního portu RS232. Modem začne kontaktovat protější modem a tím můžeme pozorovat funkčnost komunikace po energetické síti. Kontakt probíhá tak, že modem začne na vzdálený modem vysílat diagnostické ping pakety a pokud vzdálená strana tyto pakety přijímá, tak odpovídá pong pakety. Vizuálně komunikaci poznáme problikáváním indikátoru PLC Tx a Rx na modulu MT23R.
Obr. 5.7: Zapojení sériového portu pro funkci „maják“ Praktičtější test provedeme z programu Hyperterminál, kdy přeneseme soubor z jednoho počítače na druhý. V nabídce přenos zvolíme Přenos-> Odeslat soubor… a vybereme soubor, který chceme přenášet a protokol zvolíme Kermit, který umožňuje přenos více souborů s časovým údajem a má mechanizmus pro kontrolu chyb.
Obr. 5.8: Výběr vhodného přenosového protokolu pro testování Po zahájení přenosu dat můžeme mimo jiné pozorovat propustnost, která se pohybovala kolem 2300b/s, přičemž maximální možná rychlost mezi PLC modemy je 10000b/s. Přímo výrobce uvádí efektivní rychlost 5500b/s. Pokud začleníme do přenosového řetězce převodníky ethernet / RS232, tak lze při měření očekávat vyšší přenosovou rychlost, protože do objemu dat se může započítávat i režie ethernet protokolu.
34
Obr. 5.9: Ukázka přenosu souboru pomocí PLC 5.5
Průběh komunikace
Abych mohl na osciloskopu zobrazit průběh komunikace, je potřeba použít vysokonapěťovou sondu nebo vhodným způsobem zabezpečit přetížení vstupu osciloskopu. Vložením umělé zátěže vedení (LISN) se celkové zapojení značně zjednodušilo. Přímo jednotka LISN obsahuje výstup „LIVE“, který lze přivést přímo na vstup osciloskopu. Tento výstup má potlačenou složku 230V / 50Hz. Tím je odrušen od vnějších energetických rozvodů a reálně zachycuje komunikaci na vedení bez dalšího rušení. Protože jsem chtěl omezit veškerá možná rušení, tak jsem počítače i další použité přístroje zapojil mimo jednotku LISN. Schéma zapojení je uvedeno na obr. 5.10.
Obr. 5.10: Základní zapojení měření rušení 35
Pomocí osciloskopu jsem zachytil průběh komunikace. Protože komunikace probíhá spojitě a nelze ji tak dobře analyzovat, použil jsem režim testovací komunikace (maják), kdy modem vysílá ve stejných časových intervalech diagnostický paket. Na snímku z osciloskopu (obr. 5.11) vidíme v horní části pravidelný přenos dat a ve spodní části detail jednoho paketu. Z průběhu je jasné, že jde o některou z fázových modulací.
Obr. 5.11: Detail průběhu jednoho paketu Na dalším snímku (obr. 5.12) je zachycena reálná komunikace, kdy jsem pomocí programu DockLigt posílal stále stejný znak „?“. Pro testování jsem chtěl navodit rovnoměrnou komunikaci, protože při přenosu náhodných dat by průběh komunikace byl značně proměnlivý. Dále si lze všimnout, že dochází ke značnému kolísání amplitudy, které je charakteristické pro modulaci DBPSK. Kolísání je způsobeno vlivem zastínění a mnohacestného šíření (Rayleighův únik).
36
Obr. 5.12: Komunikace při opakovaném zasílání znaku „?“ 5.6
Kmitočtová oblast
Osciloskop DPO4032 umožňuje převést vstupní signál do kmitočtové oblasti (amplitudové spektrum) v režimu Math FFT (fast Fourier transform), což je algoritmus pro výpočet DFT (Discrete Fourier transform).
37
Obr. 5.13: Kmitočtová oblast v lineárním měřítku
Obr. 5.14: Kmitočtová oblast v logaritmickém měřítku 38
Z obr. 5.13 lze usoudit, že se může jednat o komunikaci s plným duplexem, kdy jeden modem komunikuje na frekvenci 75kHz a druhý na 85kHz. Spektrum je ale velmi proměnné v čase, proto nelze zachytit přesnou podobu spektra a zachycené zobrazení amplitudového spektra je výsledek průměrování z 256ti hodnot [12]. Analýzou zobrazení spektra v logaritmickém měřítku (obr. 5.14) a menším průmerováním vidíme komunikaci na 80kHz ±5kHz a maximální amplituda je kolem 13dB, což je 4,5V. Ze zobrazení průběhu v časové oblasti již víme, že se jedná o fázové klíčování (DBPSK).
39
6
Teorie zdrojů rušení
Rušení v PLC je odlišné od typického aditivního bílého šumu (AWGN). Rušení je způsobeno hlavně spotřebiči zapojenými blízko přijímače a skládá se z následujících složek [1]: •
šum na pozadí,
•
úzkopásmové rušení od pozemních rádiových vysílačů,
•
impulsní rušení synchronní se síťovým kmitočtem způsobené spotřebiči s usměrňovači a univerzálními sériovými motory,
•
periodické rušení nesynchronní se síťovým kmitočtem způsobené spínanými zdroji, neperiodické impulsní rušení způsobené připojováním a odpojováním spotřebičů.
6.1.1 Šum na pozadí Rušení tohoto typu je v síti přítomno vždy. Projeví se působením velkého množství rušících zdrojů o nízké intenzitě a mění se v čase. Často šum na pozadí popisujeme spektrální výkonovou hustotou (PSD - Power Spectral Density), která s rostoucím kmitočtem klesá. Vysokých hodnot nabývá PSD v rozsahu řádově od desítek Hz do 20 kHz. Na 150 kHz je úroveň PSD řádově tisíckrát nižší než na frekvenci 20 kHz. Kmitočty vyšších řádů mají nízké hodnoty PSD a projevují se jako bílý šum (AWGN).
Obr. 6.1: Šum na pozadí
40
6.1.2 Úzkopásmové rušení Jeho průběh má tvar úzkých špiček s vysokou PSD. Na frekvencích do 150 kHz ho způsobují zejména spínané procesy, měniče frekvence, zářivky, televize a počítačové monitory. Zdroje rušení na vyšších frekvencích mohou být radiové vysílače na dlouhých a středních vlnách, rozhlasové stanice, radioamatérské stanice apod. Amplituda rušení má nestálý časový průběh (mění se během dne).
6.1.3 Synchronní Impulzní rušení Je synchronní k frekvenci 50Hz v energetické síti. Způsobují ho napěťové konvertory, stmívače, tyristorové regulátory či komutátorové elektromotory. Vyskytuje se v energetických sítích velmi často a je charakteristické krátkými napěťovými špičkami o délce trvání od jednotek do stovek µs, někdy až do jednotek ms, které běžně dosahují úrovně PSD o 10 dB, někdy až o 50 dB více, než šum na pozadí.
Obr. 6.2: Impulzní rušení
6.1.4 Asynchronní Impulzní rušení Zde působí frekvence odlišné od 50Hz a případně odvozené vyšší harmonické. Nejčastěji je šířeno spínanými zdroji a prvky v distribuční síti. Spínané zdroje obsahují například počítače, kde se napětí o frekvenci 50Hz transformuje na nižší stejnosměrné napětí pomocí harmonického napětí ovšem s kmitočtem až stovky kHz. Tím se zvyšuje účinnost zdroje, rušivé kmitočty vyzařují zpět do energetické sítě.
41
Zde je uvedeno několik zdrojů rušení, které ovlivňují přenos dat v energetické síti. Z tabulky vyplývá, že téměř všechny zdroje rušení jsou schopny rušit úzkopásmovou komunikaci a zejména spínané zdroje zasahují i do širokopásmové komunikace tj. 130MHz. Tab. 6.1: Zdroje rušení a rušené frekvenční pásma Zdroj rušení
Frekvenční pásmo
Zářivka
0,1Hz – 3MHz
Rtuťová výbojka
0,1Hz – 1MHz
Kolektorové motory
2Hz – 4MHz
Síťové vypínače
0,5Hz – 25MHz
Výkonové spínače
10Hz – 20MHz
Spínané síťově zdroje
0,1Hz – 30MHz
Koronový výboj
0,1Hz – 10MHz
6.1.5 Ostatní rušení Další nepříznivé vlivy jako je výpadek napětí, přepětí a podpětí, mohou zapříčinit chybu v přenos dat po energetické síti, jako je nesprávně přenesený datagram, přerušení spojení apod. 6.2
Model energetického vedení
Komunikační kanál PLC není ideálním médiem pro přenos dat, protože na něj působí nepříznivé vlivy, které jsou rozebrány v předchozích kapitolách [9]. Jsou to především: •
rušení stálé a měnící se v čase,
•
nepřizpůsobená impedance vedení,
•
útlum na trase,
•
přechodové děje na trase.
Obr. 6.3 nám zobrazuje zjednodušený model komunikačního kanálu PLC. Výsledný signál v přijímači je určen součtem rušení a přenosové funkce.
42
Obr. 6.3: Zdroje rušení v PLC kanálu [9]
43
7 7.1
Zdroje rušení v praxi Základní požadavky měření
Důležitým požadavkem na měření rušení bylo omezit všechny zdroje rušení, které by mohli ovlivnit výsledky měření. Ve školní laboratoři, kde jsem prováděl měření, jsou na stejné fázi zapojené počítačové zdroje, monitory, osciloskopy, generátory, mikropájky, stejnosměrné napájecí zdroje aj. Celkové odrušení měřicí části od vnější energetické sítě jsem zajistil pomocí jednotky LISN, kterou popisuji v kapitole 4.6. Jednotka LISN nemá ideální parametry, osciloskop má určitou vstupní citlivost a vlastní šum, proto zobrazené spektrum vykazuje měřitelné rušení, které je ve stovkách μV. Při praktickém měření není tento šum kritický, aby se například úroveň amplitudy při komunikaci PLC modemů v tomto šumu ztratila.
Obr. 7.1: Nerušené prostředí
7.2
Rušení samotnou komunikací
Obr. 7.2 obsahuje širší oblast spektra s rozsahem 50kHz / dílek a je patrné, že vlastní komunikace PLC modemů způsobuje rušení na vyšších harmonických kmitočtech. Kurzory osciloskopu jsou nastaveny na 160kHz a 240kHz, což jsou násobky samotné komunikační frekvence modemů tj. 80kHz. Je patrné i rušení na frekvenci 320kHz. Amplitudy na harmonických kmitočtech jsou v rozmezí −10dB až −20dB (odpovídá 300mV až 100mV). Pásmo pro komunikaci úzkopásmové PLC má horní hranici 148,5kHz, proto by dané modemy neměly rušit podobně komunikující zařízení na stejných rozvodech. Další
44
využitelné přenosové pásmo na energetických rozvodech začíná nad 1MHz, kde žádné rušení modemů nepronikne.
Obr. 7.2: Vyšší harmonické
7.3
Rušení vrtačky
Jako zástupce pro testování a ovlivňování komunikace pro synchronní impulzní rušení jsem zvolil ruční vrtačky a vysoušeč vlasů. Další zdroje podobného rušení obsahují domácí spotřebiče jako mixéry, vysavače, šicí stroje apod. Všechny tyto spotřebiče obsahují komutátorový motor a měly by rušit širokospektrálně a synchronně k frekvenci 50Hz. Použil jsem 3 vrtačky a vysoušeč vlasů: •
MAKITA HP2050 720W,
•
Black&Decker D142 550W,
•
Narex 513D 550W,
•
Alaska HD 1800W.
Postupně jsem zkoušel rušit jednotlivými vrtačkami i všemi naráz. Všechny nepatrně zobrazovaly zvýšení šumu v širokopásmovém zobrazení spektra. Na osciloskopu jsem
45
prošel spektrum až do 3MHz a jediné viditelné rušení bylo úzkopásmové na frekvenci 3,75kHz, které dosahovalo úrovně až 260mV. Vysoušeč vlasů Alaska se mi nepodařilo jakkoliv zachytit nebo změřit (komunikaci nerušil).
Obr. 7.3: Rušení ruční vrtačky Vyšší harmonické amplitudy tohoto rušení byly zanedbatelné, takže na komunikující PLC modemy to nemělo vliv. Komunikace je odolná proti synchronnímu impulznímu rušeni, protože nedosahuje výkonových úrovní na 80kHz, které by modulovaný signál účinně zarušilo. 7.4
Rušení spínaným zdrojem
Pro určení vlivu asynchronního impulsního rušení jsem použil zdroje v osobních počítačích a monitorech CRT. Rušení vzniká hlavně při spínání výkonových tranzistorů. Při probíhající komunikaci jsem zkoumal jak vliv souběhu se zapnutými zdroji, tak možné rušení při zapnutí a vypnutí. Žádné ze zkoumaných možností nijak komunikaci nepřerušilo ani nepozastavilo. Vysvětluji si to možným rušením na jiné frekvenci než komunikačních 80kHz. Další možné vysvětlení je použití kvalitnějších zdrojů, které obsahují dokonalejší filtrační blok.
46
7.5
Umělé rušení AFG
7.5.1 Sinusový průběh Všechny doposud použité zdroje rušení neovlivnily komunikaci modemů PLC, proto jsem se snažil o umělé rušení, kterým bych zjistil odolnost spojení. Celé zapojení jsem rozšířil o generátor programovatelného průběhu AFG3101 a kapacitní vazbu viz. kapitola 4.5.2.
Obr. 7.4: Injektování rušivého signálu Kapacitní vazba má propouštět kmitočty v pásmu CENELEC A a C. V těchto pásmech vazba vykazovala nejlepší vlastnosti, ale signál z generátoru přenášela od 3kHz do 3MHz. Naopak frekvence 50Hz byla silně potlačena. Generátor jsem nastavil na základní sinusový průběh s frekvencí 100kHz a napětím Vpp = 3V.
Obr. 7.5: Komunikace na 80kHz a rušivý signál na 100kHz 47
Pro rušení komunikace existují dva způsoby. První je nastavení amplitudy generátoru na jistou úroveň a snižování frekvence až na 80kHz nebo nastavení frekvence na 80kHz a postupně zvyšovat výstupní napětí od 0Vpp. Vhodnějším způsobem se jevilo zvyšování výstupního napětí. Modemy komunikovaly na vzdálenost 2m a zvýšením napětí na hodnotu cca 8Vpp došlo k chybnému přenosu paketu. Po asi 3s se komunikace opět navázala a přenos pokračoval. Modemy PLC neustále během provozu generují diagnostické údaje, které obsahují číselný údaj o amplitudě užitečného signálu a šumu na svorkách modulu MT23. Proto si myslím, že PLC modemy jsou díky této diagnostice schopny provozovat komunikaci i v silněji zarušeném prostředí. Maximální amplituda generátoru je 10Vpp, která nestačila na stálé rušení komunikace. Řešením by bylo použití generátoru s vyšší hodnotou výstupní amplitudy, případně použití vysokofrekvenčního zesilovače. Nechtěl jsem měnit celkové zapojení měřicího pracoviště, proto jsem využil vlastnosti energetického vedení a to velkého útlumu v závislosti na vzdálenosti. Vzdálenost mezi modemy jsem prodloužil o 200m pomocí prodlužovacího kabelu. Maximální amplituda se podle očekávání snížila.
Obr. 7.6: Amplituda na 2m a 200m 48
Nyní jsem opakoval stejné měření s postupným zvyšováním amplitudy. Na vzdálenosti 2m a 200m jsem provedl deset měření a sledoval jsem, kdy dojde k chybně přenesenému paketu. Zastavení přenosu jsem indikoval tak, že ve stavovém okně Hyperterminálu jsem sledoval hodnotu „Počet opakování“, která se začne inkrementovat při neprůchodnosti paketu až do povoleného limitu. Amplituda generátoru potřebná k chybnému přenosu paketu se nepatrně lišila, což bylo patrně způsobeno diagnostikou modemu (měření signálu a šumu). Na vzdálenost 200m se mi již úspěšně dařilo rušit komunikaci, způsobit překročení limitu maximálního počtu opakování a následného rozpadu spojení (chybová hláška Hyperterminálu). Úroveň, která vedla k absolutnímu rušení komunikace byla vždy nad 7,5Vpp.
10 8,8
9 8
8,5
8,2
8,4
8,2
8,2
8,4
8,1
8,3
7,6
U [V]
7 2m
6
200m
5 3,8
4
3,4 2,9
2,9
1
2
3,9 3,5
3,4
3,4
5
6
7
3,9 3,4
3 2 3
4
8
9
10
číslo měření
Obr. 7.7: Měření minimální úrovně
7.5.2 Ostatní průběhy Generátor AFG3101 umožňuje nastavení dalších průběhů (waveforms), které jsem postupně zkoušel použít jako zdroj rušení. Jsou to například průběhy funkce Sin(x)/x, Gausovský bílý šum nebo generování burstů (skupiny impulzů). Žádný ze zkoušených signálů komunikaci dostatečně neovlivnil a přenos dat nepřerušil.
49
8
Parametry ovlivňující datový přenos
V této kapitole shrnu všechny aspekty, které se podílejí na přenosu dat po energetickém vedení. Porovnám teoretické poznatky a praktické měření a určím hlavní parametry, které ovlivňují datový přenos. 8.1
Obecné parametry
Všechny uvedené závěry jsem odvodil na základě empirických poznatků při komunikaci PLC modemů Modemtec, které jsou určeny do průmyslového prostředí. Nelze stejné poznatky aplikovat do prostředí širokopásmových modemů určených například pro sítě LAN. Obecné parametry, které ovlivní výsledky měření jsou: •
použitá nosná frekvence,
•
použitá modulační metoda,
•
použitý komunikační protokol včetně zabezpečení proti chybám,
•
použitá diagnostika modemů a následné přizpůsobení aktuálním parametrům sítě,
•
výkon modemů.
Všechny tyto vlastnosti jsou dány konstrukčním provedením komunikujících zařízení a pro vzájemné porovnání těchto parametrů by bylo zapotřebí testovat i zařízení jiných firem, jako například Echelon nebo Landis Gyr. 8.2
Vzdálenost
Tento parametr považuji za jeden z nejvíce ovlivňujících komunikaci. Energetické rozvody mají značný útlum a velmi proměnlivý charakter. Výrobce udává možnost komunikovat na vzdálenost až 3000m bez použití opakovače. Naměřil jsem výrazný útlum na vzdálenosti 200m a na delším úseku lze tedy očekávat, že komunikace bude fungovat, ale bude možnost ji přerušit i malým rušením na frekvenci 80kHz. 8.3
Časová stálost
Úzkpásmová komunikace se využívá v prostředí, které není náchylné na časovou stálost, jako například multimediální přenosy v reálném čase. Komunikace je potřebná k odečtení naměřených hodnot z elektroměrů, plynoměru, teploměrů atd. Pokud není komunikace v danou chvíli možná, pokusí se navázat spojení za další stanovený časový úsek. Protokol Modbus není kritický na dobu odezvy, proto i krátkodobé působení velkého rušení nezpůsobí chybu komunikace.
50
8.4
Rušení
Při měření rušení jsem vycházel z teoretických poznatků, které jsem se snažil navodit v praxi. PLC modemy používají robustní modulaci DBPSK v kombinaci s diagnostikou sítě (měření signálu a šumu) a zabezpečení součtovým a samoopravným kódem. Z tohoto důvodu jsou PLC modemy vhodné pro použití v průmyslovém prostředí. Jediným možným způsobem, jak způsobit chybu a přerušit komunikaci, je umělé rušení. Více popíši v následující podkapitole. 8.5
Umělé rušení
Při testování rušení komunikace, byla jediná možnost způsobit chybovost tak, že na stejné frekvenci (80kHz) jsem přivedl například sinusový signál s dostatečně velkou amplitudou, který způsobil nedostatečný odstup signál / šum. Od určité velikosti amplitudy se spojení trvale přerušilo. V normálních provozních podmínkách jsem nenašel zařízení, které by bylo schopno takového rušení. Pokud by se takové zařízení v energetické síti vyskytlo, tak nebude vyhovovat normám pro provoz. 8.6
Normy EMC
Teoreticky by každé zařízení připojované do energetické soustavy, mělo mít označení, že vyhovuje všem požadavkům na provoz, které se na dané zařízení vztahuje. V ČR se o vydávání technických norem staral Český normalizační institut, který byl zrušen a od 1.1.2009 správu zajišťuje Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. Zkráceně lze říct, že každé zařízení by nemělo vlastní činností rušit své okolí (ostatní zařízení) a zároveň by mělo být přizpůsobeno k odolnosti vůči okolnímu rušení. Prakticky by tak funkce PLC modemu neměla být ovlivněna žádným přístrojem připojeným do stejné energetické sítě. 8.7
Celkové zhodnocení
Po srovnání teoretických poznatků a praktického měření jsem došel k závěru, že PLC modemy Modemtec nelze dlouhodobě rušit. Jsou uzpůsobeny, aby účinně potlačily vliv proměnlivých parametrů přenosového kanálu. Velmi důležitým parametrem je vzdálenost modemů, protože energetické vedení má značný utlum a signál již může být zarušen zařízením v průmyslovém prostředí, které okolí ruší podle norem, ale diagnostika modemů vyhodnotí nedostatečný odstup signál / šum. Z praktického hlediska se tento problém řeší vhodným rozmístěním opakovačů (zesilovačů signálu) po trase. Další parametr, který přímo nesouvisí s rušením je samotné použití úzkopásmových PLC systémů, kde se neočekává neustálý 51
provoz, jak je tomu např. u modemů určených pro přístup k internetu. Pokud dojde k výpadku proudu, případně k silnému rušení, komunikace se naváže později a přenesou se potřebná data. Jediný problém by mohl být při tzv. on-demand služeb, což znamená uspokojení požadavku v okamžitém čase, jako je například aktuální spotřeba elektrické energie.
52
9
Závěr
Komunikační kanál můžeme realizovat několika způsoby a jako perspektivní se jeví komunikace po energetických rozvodech vysokého a nízkého napětí. Hlavní výhodou PLC komunikace je využití již existující infrastruktury, která pokrývá všechny budovy a místnosti. Hlavním záporem využití energetických rozvodů je ten, že nejsou primárně určeny pro přenos dat, ale pouze pro přívod elektrické energie. Stále dokonalejší postupy injektování datového signálu na elektrické vedení tento nedostatek potlačují a dnes je možné vedením přenášet data až o rychlosti 200Mbit/s. Základní rozdělení komunikace je na širokopásmovou, která najde využití pro přístup k internetu, přenos video a audio signálu apod. a úzkopásmovou, která nalézá uplatnění k dálkovému řízení a regulaci v průmyslu i domácnostech. Velmi diskutovaná je oblast EMC, která řeší rušení ostatních zařízení provozem datové komunikace v PLC a také rušení PLC komunikace okolím. Přenos dat je ovlivněn přenosovou funkcí a rušením jako je šum na pozadí, úzkopásmové rušení a synchronní a asynchronní impulsní rušení. Všechny parametry a vlivy na komunikaci se mění v čase, protože energetická síť není heterogenní, různá zařízení se průběžně připojují a odpojují, kolísá napětí apod. V laboratoři č.272 vzniklo měřicí pracoviště, které pomocí dvou modemů od firmy ModemTec propojuje dva osobní počítače a k měření byl použit vhodný frekvenční generátor a osciloskop. Zajištění odrušení od ostatního segmentu energetické sítě jsem zajistil pomocí jednotky LISN. Základní ověření funkční komunikace probíhalo přenosem souborů v programu Hyperterminál. Přenosová rychlost na PLC vedení se pohybovala kolem 2300bit/s. Hlavním přínosem dosavadní práce bylo stanovení hlavních parametrů, které ovlivňují datový přenos v úzkopásmové PLC síti. Rozebral jsem teoretické zdroje rušení a snažil jsem se jednotlivá rušení simulovat i pro praktické měření. Návrh modemů PLC zajišťuje robustní zajištění spolehlivosti přenosu dat, proto komunikace byla odolná vůči rušení ostatních zařízení. Hlavní parametr, který ovlivňuje chybovost a nemožnost komunikace, je značný útlum na větších vzdálenostech, který lze eliminovat vhodným rozmístěním opakovačů při návrhu přenosové trasy.
53
Seznam použité literatury [1]
HRASNICA, HAIDINE, LEHNERT. Broadband Powerline Communications Networks. [s.l.] : John Wiley, 2004. 275 s. ISBN 0-470-85741-2.
[2]
PAPOUCH s.r.o.. GNOME232 – převodník Ethernet RS232 [online]. [cit. 200812-04]. Dostupný z WWW: .
[3]
DOSTALÍK, Jan. Internet z elektrické zásuvky – spolehlivě, rychle a levně [online]. Internet pro všechny, 2008 , 29.4.2008 [cit. 2008-12-06]. Dostupný z WWW: . ISSN 18011160.
[4]
OPEN PLC EUROPEAN RESEARCH ALLIANCE. Project objectives / Scientific & Technological Objectives [online]. Poslední aktualizace 6.3.2007 [cit. 2008-11-27]. Dostupný z WWW: .
[5]
PUŽMANOVÁ, R. Data po elektrické síti [online]. Poslední aktualizace 13. 3. 2004 [cit. 2008-11-23]. Dostupný z WWW:
[6]
Ústav radioelektroniky FEKT VUT. Encyklopedie elektromagnetické kompatibility [online]. [cit. 2009-04-20]. Dostupný z WWW:
[7]
M-BUS [online]. [cit. 2008-11-28]. Dostupný z WWW:
[8]
ModemTec [online]. [cit. 2009-04-26]. Dostupný z WWW:
[9]
VANČATA, P. Standardizace širokopásmových systémů přenosu po energetickém vedení [online]. Poslední aktualizace 5. 12. 2005 [cit. 2008-11-30]. Dostupný z WWW:
[10] ČSN EN 50065-1 : Signalizace v instalacích nízkého napětí v kmitočtovém rozsahu 3 kHz až 148,5 kHz. [s.l.] : [s.n.], 2002. - s. [11] NĚMEC, M. Síť skrze zásuvku [online]. Poslední aktualizace 30. 10. 2003 [cit. 2008-11-30]. Dostupný z WWW:
54
[12] ROBENEK, Jan. Z(a)traceno v šumu [online]. HW server s.r.o., c1997 , 10. Únor 2009 - 1:00 [cit. 2009-04-25]. Dostupný z WWW: . ISSN 1803-6392. [13] RONEŠOVÁ, Andrea. Přehled protokolu MODBUS. [s.l.] : [s.n.], 2005. Dostupný z WWW: . Obecný popis, s. 1-2. [14] ZIMMERMANN, Manfred, DOSTERT, Klaus. A multipath model for the powerline channel. In IEEE Transactions. [s.l.] : [s.n.], 2002. s. 50.
55
Seznam zkratek ADSL
Asymetric Digital Subscriber Line (Asymetrická Digitální Účastnická Přípojka) - Slouží pro přenos dat na telefonních linkách. ADSL využívá pro přenos dat frekvence 26 - 138 kHz pro přenos dat směrem do sítě (upstream) a frekvence 138 kHz - cca 1,1 MHz pro přenos dat ze sítě (downstream).
ANSI
American National Standards Institute - Americká standardizační organizace, sídlící ve Washingtonu. Je to nezisková organizace, která vytváří průmyslové standardy ve Spojených státech. Je členem organizace ISO a IEC.
AWGN
additive white Gaussian noise - přídavný bílý Gaussuv šum
BPL
Broadband over Powerline - širokopásmové řešení přenosu dat pomocí elektrických rozvodných sítí nízkého napětí pro přístup k internetu a dalších služeb jako VoIP.
CENELEC
European Committee for Electrotechnical Standardization (Evropský výbor pro normalizaci v elektrotechnice) - Má sídlo v Bruselu, zkratka je odvozena z francouzského názvu Comité Européen de Normalisation Electrotechnique, založen v roce 1973.
EMC
Electromagnetic Kompatibility - elektromagnetická kompatibilita (slučitelnost)
FEC
Forward Error Correction - metoda zjišťování a opravy chyb
HDO
hromadné dálkové ovládání - regulace odběru elektrické energie na dálku
IEC
International Electrotechnical Commission (Mezinárodní elektrotechnická komise) - Má sídlo v Ženevě, založena v roce 1906. Je světovou organizací, která vypracovává a publikuje mezinárodní normy IEC a jiné druhy v oblasti elektrotechniky a elektroniky.
56
LAN
Local area network - Lokální síť tvořena minimálně propojením dvou počítačů.
LISN
Line Impedance Stabilising Network - umělá zátěž vedení, umělá síť
PLC
PowerLine Communication - obecná zkratka označující přenos dat po elektrické síti.
RMS
Root Mean Square (efektivní hodnota) - Druhá odmocnina ze střední hodnoty kvadrátu časového průběhu funkce.
RS232
Sériový port nebo-li sériová linka. Používá jako komunikační rozhraní osobních počítačů a další elektroniky. Bity jsou vysílány postupně za sebou.
UTP
Unshield Twisted Pair (nestíněná kroucená dvojlinka) - označení kabelů používaných pro výstavbu strukturované kabeláže.
57
Obsah přiloženého CD /DP_2009_Sekot_Karel.pdf tento dokument ve formátu PDF /Modemtec nastavení modemů od firmy Modemtec /SW další použitý software
58
