S W 57 X
Informačné a automatizačné technológie v riadení kvality produkcie
Vernár, 12.-14. 9. 2005
PŘENOS DAT PO NÍZKONAPĚŤOVÉ ROZVODNÉ SÍTI BOHUSLÁVEK Zdeněk, HRBEK Martin Abstrakt: Příspěvek popisuje experimenty vyšetřující vliv různých typů rušení na kvalitu přenosu dat pomocí modemů PLC po rozvodné nízkonapěťové síti. Rušení bylo modelováno třemi zdroji : spínanými napáječi, komutátorovým motorem a frekvenčním měničem. Rušivý signál byl měřen frekvenčním analyzátorem a kvalita přenosu hodnocena podle počtu opakování packetů a docílené maximální rychlosti přenosu. Klíčová slova: kvalita přenosu dat, úroveň rušení, PLC modem ÚVOD Přenos informací po energetických sítích vstoupil do povědomí veřejnosti pod zkratkou PLC. Zkratka je tvořena z anglického názvu „Power Line Communication“, volně přeloženo do češtiny to znamená „Komunikace po napěťovém vedení“. PLC je datová komunikace uskutečňovaná po běžné rozvodové síti, kdy informace jsou na vedení modulové v normou povolených frekvencích. O PLC se asi nečastěji mluví v souvislosti s tzv. „Internet ze zásuvky “. Protože k přenosu pomocí PLC se využívá veřejné energetické sítě, je nutné pro její použití vyhovět jistým kriteriím. Důvodů k nasazení PLC je několik: • není nutné budovat speciální vedení pro přenos informací – využívá se napěťového vedení, které existuje v každé budově • v některých budovách není datová vedení vůbec možné instalovat – např. historicky cenné a chráněné budovy • nelze provést instalaci datového vedení např. z provozních důvodů nebo by jeho instalace znamenala velké finanční ztráty plynoucí z přerušení provozu – např. hotely, výrobní podniky atd. PLC využívá pro přenos vysokofrekvenční signál, který je modulován na elektrickém vedení. Frekvence povolené pro přenos stanovuje harmonizovaná norma ČSN EN 50065–1 a jde o frekvence 9 – 148kHz a 4 – 20MHz. Cílem prováděného měření bylo ověřit vliv rušení na kvalitu přenosu PLC. Úkolem tedy bylo zanést na napěťové vedení tyto rušivé vlivy a následně zjistit jejich vliv na kvalitu přenosu. MATERIÁL A METODY a) Charakteristika přenosové cesty Praktické měření přenosových vlastností datového vedení a datových zařízení má ideálně probíhat za následujících podmínek: • známé vlastnosti datového vedení – jeho elektrické vlastnosti, topologie a připojená zařízení • známé vlastnosti koncového zařízení – implementace různých samo-opravných mechanismů apod. Na schématu na obr.1 jsou uvedeny možné trasy měření při přenosu informace po nízkonapěťovém (nn) síťovém vedení u systému MODEMTEC, který předává informace o teplotě ze vzdáleného teplotního čidla. Moduly MODEMTEC zajišťují pomocí PLC přenos dat při sledování odběru tepla zákazníky teplárenské společnosti. Pro převod signálu do přenositelné a zpracovatelné podoby slouží modemy MT23 a měření teploty medií otopných těles měří pomocí modulu MT22.
S W 58 X
Informačné a automatizačné technológie v riadení kvality produkcie
Vernár, 12.-14. 9. 2005
obr. 1 Sledované úseky přenosové cesty Při přenosu dat s tzv. „Internetem ze zásuvky “ jsou na obou koncích přenosové umístěné počítače s PLC modemy. Pro experimenty bylo výhodnější využít tento datový přenos a konkrétně byly použity modemy NetGear XE102. Použití těchto PLC modemů umožňuje snadnější analýzu dat na PC. b) Charakteristika nn vedení Měření bylo uskutečněno ve dvou laboratořích, v jedné (018) s točivými elektrickými stroji a v druhé (017) s osobními počítači a automatizačními prvky. Laboratoře jsou napojeny na chodbový centrální rozvaděč a mají vlastní rozváděče a jističe k jednotlivým okruhům zásuvek. Napájení výkonových prvků – motory, generátory atd. v laboratoři 018 je realizováno z odděleného rozvodu. Bližší popis topologie sítě se vymyká rozsahu publikace. c) Charakteristika zdrojů rušení a jimi simulovaná prostředí Zdroje rušení a jejich umístění: • 1-fázový komutátorový motor, odběr 1,1A, výkon 220W, při měření byl použit s odpojeným filtračním kondenzátorem, umístěn v laboratoři 018 • spínané zdroje – 13 PC v laboratoři 017, každý zdroj o výkonu 250W • Taian T–Verter K403-M3 – Měnič frekvence umístěný v laboratoři 018 – zatížený asynchronním klecovým motorem o výkonu 3kW Charakteristiky simulovaných prostředí přenosu: • Prostředí nerušené – stav, kdy není na nn vedení vnášeno žádné rušení. Tento stav je pouze teoretický, protože na nn - vedení se stále vyskytuje rušení z jiných částí budovy. Viz. záznam analyzátoru na úroveň rušení činní cca 10 dB • rušení spínanými zdroji, příklad záznamu rušení s úrovní 15dB je na obr.2, • rušení 1-fázovým komutátorovým motorem – příklad záznamu rušení s úrovní 20 dB je na • rušení tyristorovým usměrňovačem a frekvenčním měničem Taian, viz. obr. 3
obr.2 Rušení spínanými zdroji
obr.3 Rušení frekvenčním měničem Taian
S W 59 X
Informačné a automatizačné technológie v riadení kvality produkcie
Vernár, 12.-14. 9. 2005
d) Použité přístroje a měřicí technika • 2x PLC modem NetGear XE102 –PLC modemy založené na technologii Intellon • Digitální osciloskop PC Scope Veleman PCS32i se spektrálním analyzátorem - nastavení spektrálního analyzátoru: frekvenční rozsah 0–8MHz, citlivost 0,2V/dílek, měřící sonda s dělením 1:10 • Napěťový dělič s ochrannými diodami – použitý osciloskop není možné připojit přímo na síťové napětí. Napěťový dělič je navržen tak, aby na výstupu bylo napětí Uef =0,8V • 2x PC pro připojení PLC modemů NetGear XE102 • Program Ethereal v.0.10.10 – programový prostředek na provedení analýzy síťového provozu e) Postup měření a vyhodnocování kvality přenosu Měření kvality přenosu signálu PLC a vlivu rušení na přenos bylo použito schéma uvedené na obr.1. s měřením na trase D – D s tímto postupem: • jako signálová cesta bylo využito nn vedení, kde byl jeden fixní bod s připojeným PLC modemem a PC. Druhý bod s druhým PLC modemem byl pohyblivý a volen tak, aby bylo umožněno měření na jedné fázi a také na různých fázích napěťového rozvodu • na napěťové vedení bylo postupně vnášeno požadované rušení připojenými zdroje popsanými v odstavci c). • záznam napěťové úrovně spektrálním analyzátorem při současném přenos bloku dat o konstantní velikosti • záznam kriterií kvality přenosu Tab. 1 Přehled provedených měření Typ měření 1 2 3 4
Měření na 1 fázi bez vneseného rušení. Délka signálové trasy <1m Měření na 2 fázích bez vneseného rušení. Délka signálové trasy 12m Měření na 1 fázi při rušení spínanými zdroji. Délka signálové trasy <1m Měření na 2 fázích při rušení spínanými zdroji. Délka signálové trasy 12m
5
Měření na 2 fázích při rušení spínanými zdroji. Délka signálové trasy 20m
6 7
Měření na 1 fázi při rušení komutátorovým motorem. Délka signálové trasy <1m Měření na 2 fázích při rušení komutátorovým motorem. Délka signálové trasy 12m Měření na 1 fázi při rušení frekvenčním měničem. Délka signálové trasy <1m. Měření neprobíhá na nn vedení, které napájí tento střídač. Měření na 2 fázích při rušení frekvenčním měničem - průběžně měněna frekvence. Délka signálové trasy 12m. Měření neprobíhá na nn vedení, které napájí tento střídač. Měření na 2 fázích při rušení frekvenčním měničem se zatíženým motorem na výstupu střídače. Délka signálové trasy 12m. Měření neprobíhá na nn vedení, které napájí tento střídač.
8 9 10
Stručná charakteristika měření
K hodnocení kvality přenosu byla zvolena 2 kriteria: 1. Přenosová rychlost – zvolena jako primární kriterium 2. Počet opakovaných packetů – druhé kritérium doplňkové Průběh přenosu dat byl zaznamenán programem Ethereal, který umožňuje sledovat veškeré dění na datové síti prostřednictvím síťových karet. Program Ehtereal umožňuje zejména: • Provést kompletní záznam datového přenosu
S W 60 X
Informačné a automatizačné technológie v riadení kvality produkcie
Vernár, 12.-14. 9. 2005
•
Provést následnou analýzu zaznamenaného vzorku – výsledek zobrazí jako sumární informace o přenosu • Zobrazit informaci o rychlosti přenosu • Zobrazit informaci o počtu opakovaných packetů Tím jsou získány všechny informace, které jsou nutné pro zhodnocení kvality přenosu. . VÝSLEDKY, DISKUZE a) Naměřené údaje Za výše popsaných podmínek probíhal přenos dat o velikosti 13,657MB. Velikost packetu byla 733 byte. Výsledky analýzy jsou zaznamenány do tabulky TAB2: Tab. 2 - Výsledky analýzy rušení přenosu packetů typ měření
1
2
3
4
5
20096
20055
20132
20082
20047
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
840,568
554,151
819,523
525,663
457,783
celkem přeneseno byte
14730368
14700315
14756756
14720106
14694451
přenosová rychlost byte/sec
616136
406193
600710
385311
335555
typ měření
6
7
8
9
10
20090
17278
20055
20098
62
0
0
0
72
31
31
21
316,713
703,397
486,209
446,794
14725970
12664774
14700315
14731834
232151
515590,001
356391
327500
celkem přeneseno packetů ztraceno nebo opakováno počet všech chybných průměrná rychlost přenosu packet/sec
celkem 20088 přeneseno packetů ztraceno 38 nebo opakováno počet všech 46 chybných průměrná rychlost přenosu 601,444 packet/sec 14724504 celkem přeneseno byte přenosová rychlost 440858 byte/sec
b) Zhodnocení výsledků měření Z provedeného měření je patrné, že PLC komunikace může probíhat i na velmi silně rušeném prostředí. Dále bylo zjištěno, že použité zdroje rušení produkují rušení v šíři frekvenčního pásma okolo 4 MHz.
S W 61 X
Informačné a automatizačné technológie v riadení kvality produkcie
Vernár, 12.-14. 9. 2005
• Komunikace na jedné fázi Přenosová rychlost je silně závislá na úrovni rušení. Kvalita přenosu klesá v závislosti na úrovni rušení ve frekvenčním pásmu, které je použito pro PLC komunikaci. • Komunikace mezi dvěma fázemi Přenosová rychlost klesá intenzivněji než komunikace na jedné fázi. Signál PLC jen velmi obtížně proniká přes rozvodné transformátory, protože transformátorové vinutí představuje pro vysokofrekvenční signál příliš velkou impedanci. I přes tuto skutečnost je možný přenos PLC signálu mezi dvěma fázemi. Tento přenos pak pravděpodobně probíhá elektromagnetickou vazbou, a je tedy závislý na konkrétních podmínkách – topologii nn vedení. Přechod signálu mezi dvěma fázemi má výrazný vliv na kvalitu přenosu. Přenosová rychlost dosahovala při konkrétních podmínkách pouze 50-60% rychlosti komunikace na jedné fázi. Řešením, jak zkvalitnit přenos PLC signálu při přechodu mezi dvěma fázemi je instalace mezi-fázového můstku. • Vliv náhodných rušení Na dlouhodobý trend rušení PLC modemy reagují automatickou detekcí kvality signálové trasy a její při jejím případném zhoršení provedou zpomalením přenosové rychlosti. Jiná situace je v případě výskytu náhodných rušivých vlivů. V jejich případě výskytu dojde k chybovému přenosu a tím k opakování dotazů – opakované packety. Obecně se předpokládá maximální chybovost/opakování packetů do 1%, při vyšších hodnotách může dojít k přerušení komunikace. Tento jev opakování packetů v hodnotách cca 0,04 % byl zaznamenán při měření vlivu rušení frekvenčního měniče Taian. ZÁVĚR Na základě výsledků měření je pak provedeno zhodnocení kvality přenosu. Je zřejmé, že praktické nasazení PLC modemů je velmi problematické v místech, kde se vyskytuje velké množství komutátorových elektromotorů a výkonných frekvenčních měničů, kdy i při přenosu signálu na jedné fázi dochází k výraznému zhoršení kvality přenosu ve srovnání s nerušeným prostředím. Naproti tomu na kvalitu přenosu nemá příliš vliv rušení způsobené spínanými zdroji. Tato práce zjišťovala vliv rušení na kvalitu přenosu. Do budoucna by zřejmě bylo vhodné zjistit další vlivy jako například délku signálové trasy a počet PLC modemů na jedné síti. Literatura: [1]Vrba, L., Gloc, S.: Dálkové monitorování procesů řídícím systémem s připojeným mobilním telefonem. Automatizace, č. 9, 1998, s. 605-606 [1]Milan, F.: Nové typy radiotelemetrických modulů firmy ELPRO. Automatizace, č. 4, 1998 [1]Balák, R.: Silnoproudá zařízení. SNTL, 1987, s. 196 [1]Voženílek, L.: Kurz elektrotechniky. SNTL, 1988, s. 368 [1]Meluzin, H.: Elektrotechnická praxe v příkladech. SNTL, 1986, s. 496 [1]JCZ500-004 Test Procedure. Interní dokument společnosti Lucent Technologies
Adresa autorů: Doc.Ing. Zdeněk Bohuslávek, CSc, Ing. Martin Hrbek Czech University of Agriculture in Prague, Technical faculty, Dept. of Electroengineering and Automation Kamycka str. 129, 165 21 Prague 6 – Suchdol, Czech republic
[email protected], tel.: +4202 2438 3300
