PowerLine технология может быть использована при создании локальной сети в небольших офисах (до 10 компьютеров), где основными требованиями к сети являются простота реализации, мобильность устройств и легкая расширяемость.
При этом как вся офисная сеть, так и отдельные ее сегменты могут быть построены с помощью PowerLine адаптеров. Очень часто встречается ситуация, когда необходимо включить в уже существующую сеть удаленный компьютер или сетевой принтер, расположенный в другой комнате или даже в другом конце здания. С помощью PowerLine адаптеров эту проблему можно решить за 15 минут. Домашние коммуникации.
PowerLine технология открывает новые возможности при реализации идеи «Умного дома», где вся бытовая электроника была бы завязана в единую информационную сеть с возможностью централизованного управления. Электрическая сеть – идеальная среда передачи управляющих сигналов между бытовыми приборами, работающих в сети 110/220В. В ближайшее время появится чип, позволяющий встраивать его в различные приборы, которые будут иметь возможность принимать и передавать данные через собственные цепи питания. Кроме того, с помощью данного чипа можно организовать передачу аудио данных, данных с датчиков охранной сигнализации, расширять и продлять телефонные линии, и т.д. Будем надеяться, что недалеко то время, когда PLC технология будут присутствовать в каждом доме.
Суть технологии.
Теоретические основы технологии Powerline
Основой технологии Powerline является использование частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбивается на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в один сигнал (рис.1).
При использовании обычного частотного мультиплексирования (FDM - Frequency-Division Multiplexing) защитные интервалы (Guard Band) между поднесущими, необходимые для предотвращения взаимного влияния сигналов, довольно велики (рис.2), поэтому доступный спектр используется не очень эффективно.
В случае же ортогонального частотно-разделенного мультиплексирования (OFDM), центры поднесущих частот размещены так, что пик каждого последующего сигнала совпадает с нулевым значением предыдущих (рис.3). Такое размещение позволяет более эффективно использовать доступную полосу частот.
Перед тем как отдельные поднесущие частоты будут объединены в один сигнал, они претерпевают фазовую модуляцию (рис.4), каждая -- своей последовательностью бит.
После этого все они проходят через PowerPacket engine и собираются в единый информационный пакет, который еще называют OFDM-symbol. На рисунке 5 приведен пример относительной квадратурной фазовой манипуляции (DQPSK - Differential Quadrature Phase Shift Keying) на каждой из 4-х поднесущих частот в диапазоне 4-5 МГц.
Реально в технологии Powerline используются 84 поднесущие частоты в диапазоне 4-21 МГц (рис.6).
Теоретическая скорость передачи данных при использовании параллельных потоков с одновременным фазовым модулированием сигналов составляет более 100 Мб/с.
Адаптация к физической среде, устранение ошибок и разрешение конфликтов.
При передаче сигналов по бытовой сети электропитания могут возникать большие затухания в передающей функции на определенных частотах, что приведет к потере данных (рис. 7).]
В технологии Powerline предусмотрен специальный метод решения этой проблемы -- динамическое выключение и включение передачи сигнала (dynamically turning off and on data-carrying signals). Суть данного метода заключается в том, что устройство осуществляет постоянный мониторинг канала передачи с целью выявления участка спектра с превышением определенного порогового значения затухания. В случае обнаружения данного факта использование этих частот на время прекращается до восстановления нормального значения затухания (рис.8).
Данный метод делает технологию Powerline максимально гибкой при использовании в различных условиях. Например, в разных странах существуют различные регулирующие правила, согласно которых часть диапазона частот не может быть использована. При этом, в случае Powerline, в этом диапазоне просто не будут передаваться данные. Еще одним примером является случай, когда некое приложение уже использует часть диапазона. Аналогично первому случаю, в этом также выключается передача данных на определенных частотах, и два приложения могут спокойно сосуществовать в одной физической среде.
Другой серьезной проблемой при передаче данных по бытовой электросети являются импульсные помехи (до 1 микросекунды), источниками которых могут быть галогеновые лампы (ри.9), включение и выключение различных электроприборов и т.д.
При использовании предыдущего метода система может не успеть адаптироваться к быстро изменившимся условиям, в результате часть битов будет разрушена и утеряна. Для решения этой проблемы используется двухступенчатое (каскадное) помехоустойчивое кодирование битовых потоков перед тем, как они будут промодулированы и поступят в канал передачи данных. Суть помехоустойчивого кодирования состоит в добавлении в исходный информационный поток по определенным алгоритмам избыточных ("защитных") битов, которые используются декодером на приемном конце для обнаружения и исправления ошибок. Каскадирование блочного кода Рида-Соломона и простого сверточного кода, декодируемого по алгоритму Витерби, позволяет исправлять не только одиночные ошибки, но и пакеты ошибок, обеспечивая тем самым практически 100% гарантию целостности передаваемых данных. Кроме того, помехоустойчивое кодирование является и способом технического закрытия, обеспечивающего относительную безопасность передаваемой информации в общей среде передачи.
Ещё одним проблемным моментом является то, что сеть бытового электропитания служит общей средой передачи данных, то есть в один момент времени передачу могут осуществлять сразу несколько устройств. В такой ситуации для разрешения конфликтов столкновения трафика необходим регулирующий механизм - протокол доступа к среде. В качестве такого протокола был выбран хорошо известный Ethernet, который в технологии Powerline был расширен путем добавления дополнительных полей приоритезации. Такая модификация вызвана необходимостью гарантированной полосы пропускания для передачи голоса и видео через IP, когда величина задержки является критичным параметром. Пакеты, содержащие голос или видео в этом случае помечаются как "timing critical", т. е. имеют самый высокий приоритет при обработке и доступе к среде передачи.
Практическая реализация и использование PowerLine
Итак, мы рассмотрели основные принципы технологии Powerline. К сожалению, доступ к полной версии стандарта HomePlug 1.0 specification ограничен (только члены HomePlug Alliance), и за кадром остались такие интересные вопросы как требования к электропроводке, дальности передачи и структура построения. Приблизительно оценить отдельные параметры можно на примере некоторых производителей. Так фирма Phonex предлагает устройство Phonex Broadband QX-201 NeverWire 14 (рис.10) с максимальной скоростью до 14 Мб/с.
Расстояние между отдельными точками небольшое, несколько десятков метров. Как видно из рисунка, объединение пользователей в доме можно осуществлять через сеть электропитания, а в качестве доступа к магистральной сети использовать один или несколько модемов (кабельных или DSL).
На данный момент в России предлагается большой выбор оборудования для создания локальных сетей по технологии PLC . Например, производства компании PLANET " s powerline communication , которое работает с PLC стандартом HomePlug1.0 specification, в котором определена скорость передачи данных до 14 Мб/сек. Продукт носит название PL -401 E и представляет собой мост с одним PLC -портом, и свитч с четырьмя LAN -портами. Его стоимость в среднем составляет $82.
Или PLC адаптер, позволяющий соединять от 2 до 16 компьютеров в единую локальную сеть через электропроводку 220 Вольт.
Дальность передачи сигнала - до 200 м. (по электропроводке);
Скорость передачи данных - до 14 Mb/сек.;
Защита данных DES 56 bit;
Переключатель PC/HUB;
Не требует установки дополнительного программного обеспечения.
Проблемы развития технологии PLC .
Однако, какими бы оптимистичными ни были результаты работы экспериментальных PLC-сетей за рубежом, в нашей стране эта технология может столкнуться с рядом трудностей. Наша электрическая проводка сделана в основном из алюминия, а не из меди, которая используется в большинстве стран мира. Алюминиевые провода обладают худшей электропроводностью, что приводит к более быстрому затуханию сигнала. Другая проблема заключается в том, что у нас до сих пор не решены основные вопросы нормативно-правового регулирования использования таких технологий. Впрочем, последняя проблема актуальна и для Запада. Основным фактором, сдерживающим быстрое развитие высокоскоростных систем PLC, является отсутствие стандартов на широкополосные PLC-системы, и, как следствие, большой риск несовместимости с другими службами, использующими те же или близкие диапазоны частот. В 2001 году международный консорциум HomePlug Powerline Alliance принял отраслевой стандарт для построения домашних сетей через линии бытовой электропроводки - спецификацию HomePlug 1.0. Но этот стандарт регламентирует построение «домашних» сетей, то есть сетей в пределах одной квартиры (коттеджа). Полноценный же стандарт для широкополосных PLC пока не разработан.
Технология передачи данных по сетям электропитания (PLC — power line communications) позволяет ввести автоматизированную систему управления в новую или уже существующую инфраструктуру, минимизируя затраты как при разработке проекта инфраструктуры, так и при прокладке дополнительных сетей передачи данных.
Идея PLC ведет начало с 1838 года, когда Эдвард Дэйви предложил использовать подобную технологию для дистанционного измерения уровней напряжения батарей на Ливерпульской телеграфной системе. Однако, лишь с появлением современных компонентов, позволяющих бюджетно реализовать необходимую вычислительную мощность (OFDM, о котором будет сказано ниже, достаточно долго «пылился на полке» из-за сложности реализации), технология PLC действительно стала актуальной и доступной в промышленном и в домашнем секторах, обеспечив необходимую надежность, скорость и простоту развертывания.
В настоящее время PLC используется, в основном, в системах энергоучета, простой автоматизации (освещение, приводы механизмов). Реже — это «последняя миля» в сетях передачи данных (Интернет), в голосовой связи. Развитие технологии сделало возможным использование не только в сетях переменного тока. Отсутствие дополнительных проводов оказалось настолько привлекательным, что сейчас осуществляется интеграция PLC даже в системы электропроводки автомобилей.
Технология
Основа PLC — модуляция фазы силовой линии, использование ее как несущей. Вариантов модуляции четыре: частотная (FSK — Frequency Shift Keying ), частотная с разнесенными частотами (S-FSK — Spread Frequency Shift Keying ), двоичная фазовая (BPSK — Binary Phase Shift Keying ) и ортогональное мультиплексирование с частотным разделением каналов (OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing ). Выбор варианта определяется двумя критериями — эффективностью использования полосы частот и сложностью реализации, что, в свою очередь, определяет скорость передачи данных и помехоустойчивость. OFDM — наиболее скоростной и помехоустойчивый, но сложен в реализации, так как требователен к вычислительным ресурсам, в то время как BPSK и FSK легко реализуются, но обеспечивают лишь низкие скорости. Для FSK требуется синхронизация при переходе фазы через ноль, что ограничивает его использование только сетями переменного тока.
Кроме того, PLC-системы реализуются с учетом требований стандартов (IEC 61334, PRIME, G3 и других) или местных регуляторных требований (CENELEC, FCC и т.д.).
В таблицах 1 и 2 показаны сравнительные характеристики основных вариантов модуляции, стандартов и требований.
Таблица 1. Основные стандарты для PLC, поддерживаемые компанией TI
| Стандарт | Модуляция | Диапазон частот, кГц |
Количество поднесущих |
Максимальная скорость обмена данными, кБод |
|---|---|---|---|---|
| IEC 61334 | SFSK | 60…76 | 2 | 1,2…2,4 |
| PRIME | OFDM | 42…90 | 97 | 128 |
| G3 | OFDM | 35…90 | 36 | 34 |
| G3-FCC | OFDM | 145…314 | 36 | 206 |
| 314…478 | 36 | 206 | ||
| 145…478 | 72 | 289 | ||
| P1901.2 | OFDM | 35…90 | 36 | 34 |
| P1901.2-FCC | OFDM | 145…314 | 36 | 217 |
| 314…478 | 36 | 217 | ||
| 145…478 | 72 | 290 | ||
| PLC-Lite | OFDM | 35…90 | 49 | 21 |
Таблица 2. Регуляторные инструкции
| Регион | Инструкция | Диапазон частот, кГц | Примечания |
|---|---|---|---|
| Европа | CENELEC A | 3…95 | для поставщиков электроэнергии |
| CENELEC B | 95…125 | ||
| CENELEC C | 125…140 | для пользовательских приложений (стандарт CSMA) | |
| CENELEC D | 140…148,5 | для пользовательских приложений | |
| США | FCC | 10…490 | — |
| Япония | ARIB | 10…450 | — |
| Китай | EPRI | 3…500 (3…90) | — |
PRIME
Альянс PRIME разработал стандарт с возможностью адаптации к параметрам физической среды передачи. Экспериментальным методом было обнаружено, что для достижения оптимальных результатов передачи данных необходимо 96 поднесущих. Топология сети — древовидная, с двумя типами узлов — базовым (корень дерева сети) и сервисными. Сервисные узлы способны работать в двух режимах — терминала и коммутатора, причем, переключение между режимами возможно в любой момент, в зависимости от требований сети, а режим коммутатора совмещает в себе режим терминала. Всего в сети может быть 1200 узлов, 32 из которых могут находится в режиме коммутатора, и осуществляется адресация до 3600 подсоединений.
Основное преимущество данного стандарта в открытости технологии, высокой скорости передачи данных и поддержке огромным числом производителей, что обеспечивает взаимозаменяемость оборудования, а также — возможность работы в режиме SFSK, обеспечивая совместимость с более старым оборудованием.
G3
В отличие от PRIME, изначально стандарт G3 разрабатывался компанией Maxim Integrated для французской компании ERDF, и лишь позже произошло объединение более десяти компаний в G3-PLC Alliance, что сделало G3 открытым.
G3 имеет более сложную систему кодирования (код Рида-Соломона), топологию ячеистой сети с максимальным количеством узлов — 1024. Стандарт более помехоустойчив, чем PRIME, но скорость передачи данных существенно ниже.
Помимо топологии и скорости, у G3 имеются два серьезных преимущества перед PRIME: первый — это возможность осуществлять связь через трансформаторы. Учитывая, что дальность связи без повторителей может достигать 10 км, данная особенность снижает количество концентраторов до максимально эффективного числа, что уменьшает общую стоимость проекта.
Вторая особенность — наличие 6LoWPAN-уровня, что позволяет осуществлять передачу IPv6-пакетов для интеграции с сетью Интернет.
G3 не поддерживает устройства SFSK, но допускает параллельную работу с ними на одной линии.
PLC-Lite
Помимо международных стандартов, существуют иные решения. Компания Texas Instruments предлагает собственный стандарт PLC-Lite.
Преимущество этого стандарта — более гибкий подход к реализации PLC, разработчики оборудования могут оптимизировать характеристики для улучшения передачи данных, и там, где G3 и PRIME испытывают затруднения из-за помех, PLC-Lite успешно справится. Кроме того, реализация PLC-Lite имеет низкую стоимость, что позволяет использовать его в недорогих проектах.
Существует еще одно важное свойство PLC-Lite: для небольших задач предусмотрено использование микроконтроллера PLC-модема, что позволяет обойтись от использования хост-контроллера. Это настолько упрощает разработку устройств и снижает стоимость, что становится экономически возможной интеграция PLC-модемов в сеть на бытовом уровне «выключатель — лампочка». Ниже будет описан один из проектов, показывающий эффективность такого решения.
Аппаратная реализация
Для реализации данной технологии используются PLC-модемы, которые условно можно разделить на три составляющие: согласующий модуль с силовой сетью, аналоговая и цифровая части. Реализация модемов разнообразна — существуют как одночиповые решения, так и многоэлементные. На рисунке 1 показана типичная схема PLC-модема для OFDM (для FSK и G3 дополнительно потребуется детектор перехода фазы через ноль (Zero-Cross detector).
Рис. 1.
Для обеспечения обработки аналогового сигнала компания TI предлагает микросхемы AFE030 , AFE031 и AFE032, которые отличаются величиной выходной токовой нагрузки передатчика, количеством детекторов перехода фазы через ноль (два — у AFE030 и AFE031, три — у AFE032) и возможностью программирования фильтра (AFE032). Эти микросхемы позволяют реализовать FSK-, SFSK- и OFDM-модуляцию в соответствии с требованиями CENELEC. Блок-схема микросхем на примере AFE031 представлена на рисунке 2, а подробная функциональность и особенности описаны в нашем журнале ранее: НЭ №10/2012: «Любой протокол — по проводам: решения Texas Instruments для PLC-систем передачи данных» и НЭ №7/2011: «Концерт для счетчика и сети: PLC-модемы компании Texas Instruments».
Рис. 2. Блок-схема AFE031 — аналоговой части PLC-модема
«Мозгом» модема является микроконтроллер семейства C2000 компании TI, оптимизированный для работы в PLC-модемах в качестве DSP. В настоящий момент компания TI предлагает несколько решений, базирующихся на региональных требованиях и стандартах и учитывающих оптимальность требуемых параметров. К примеру, если требуется разветвленная сеть системы сбора данных энергоучета в соответствии с CENELEC и стандартами G3 и/или PRIME, то идеальным решением будет PLC-модем, построенный на базе F28PLC83 в связке с аналоговым блоком AFE031 , это же решение с использованием FlexOFDM (PLC-Lite) позволит осуществить связь в условиях сильных помех. Если же требуется относительно простая система на уровне «точка-точка», то пара F28PLC35/ AFE030 стандарта PLC-Lite подойдет наилучшим образом. В частности, F28PLC35/AFE030 идеально подходит для построения связей внутри одного объекта, например, для управления/автоматизации освещения, водоснабжения и прочих систем.
Разумеется, решения можно использовать комплексно, например, недорогой F28PLC35/AFE030 может использоваться для передачи данных от энергосчетчика к домашнему дисплею и к коллектору данных, более мощный — от коллектора к дата-центру.
В таблице 3 приведены сравнительные характеристики вышеназванных решений.
Таблица 3. Решения PLC-модемов от TI
| Особенности | F28PLC35/ AFE030 (PLC-Lite) | F28PLC83/ AFE031 (CEN-A/BCD) | F28M35 /AFE032 (FCC) |
|---|---|---|---|
| Региональный диапазон частот | CELENEC A, CENELEC BCD half band | CENELEC A, B, C, D with Tone Masks | CENELEC A,B,C,D, FCC, ARIB |
| Стандарт | FlexOFDM | PRIME/G3/IEC 61334/FlexOFDM | P1901.2/G3-FCC |
| Скорость передачи данных, кБод |
21 | 64…128 | 200 |
| Стоимость | очень низкая | низкая | средняя |
| CPU, МГц | 60 | 90 (VCU-I) | 150 (VCU-I) |
| Преимущества | низкая стоимость надежность OFDM гибкий выбор диапазона высокая производительность NBI CLA для приложений CSMA/CA MAC | множество стандартов сертифицированный SW улучшенный алгоритм приема простой пользовательский интерфейс | множество стандартов высокая производительность допонительные методы надежности Adaptive Tone Mask проверен практикой |
| Иcпользование | In-Home Display (IHD) Home Area Network (HAN) | Automatic Meter Reading (AMR) Advanced Metering Infrastructure (AMI) In-Home Display (IHD) (Home Area Network) HAN Energy Gateway | Automatic Meter Reading (AMR) Advanced Metering Infrastructure (AMI) Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE) In-Home Display (IHD) (Home Area Network) HAN Energy Gateway |
Практическое применение
Способность легкой интеграции технологии PLC практически везде, где есть силовые сети, открыла широкие возможности для энергосбытовых компаний, позволив реализовать управление потребителем и обратную связь с потребителем. Оснащение приборов учета PLC-модемами позволит:
- упростить фискальность;
- осуществлять сбор статистики по качеству и количеству энергоснабжения с очень точной привязкой ко времени;
- прогнозировать энергопоставки;
- оценивать состояние линий;
- оперативно вмешиваться в текущее состояние, например, осуществлять приоритетное подключение потребителей в аварийных ситуациях;
- снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций за счет «направленной превентивности» в обслуживании линий энергопередач.
На данный момент существует потребность в счетчиках для ЖКХ различного типа. Компания TI готова предложить различные варианты решений (в том числе — программно-отладочные средства), позволяющие построить «умную» сеть практически под любые требования (рисунок 3). Рассмотрим практический пример энергоучета на базе этих решений.
Рис. 3.
Обычно в домах присутствует как минимум три счетчика — счетчик электроэнергии и два счетчика водоснабжения. Однако, их может быть гораздо больше: существуют проекты домов, где есть газоснабжение, водоснабжение подводится дважды, что требует наличия уже четырех счетчиков. И, если с электросчетчиком особых проблем нет, то с остальными необходимо осуществить достоверную связь с помощью иного интерфейса. Да и существование в сети каждого счетчика индивидуально не представляется практичным. Добавим необходимость аварийного отключения систем энергоснабжения (а за рубежом — еще и отключение по окончанию оплаты) — это потребует дополнительных датчиков и исполнительных механизмов. Кроме того, конечному пользователю крайне любопытно, сколько, где, когда и чего потрачено, а возможности «умной» сети сообщить ему такую информацию гораздо выше, чем у простого счетчика. Значит, необходим модуль отображения информации. А теперь давайте умножим все это на некоторое число квартир в доме, районе…
Поэтому в автоматизированной измерительной инфраструктуре (AMI) присутствует важный элемент — концентратор данных (рисунок 4).
Рис. 4.
Условно модуль концентратора можно разделить на четыре части: основной процессор приложений, модуль связи c сервером данных (и с некоторыми счетчиками) на базе PLC-модема, блок питания и интерфейсные модули для связи со счетчиками и пользователями по множеству различных интерфейсов.
Основой концентратора служит процессор TI семейства Sitara AM335x (ARM Cortex-A8) или семейства Stellaris (Cortex-M4) или ARM-DSP, что позволяет разработчику выбрать оптимальное по стоимости решение в зависимости от технических условий.
Большое количество интерфейсов у концентратора данных позволит собрать данные со счетчиков или обеспечить связь с сервером там, где применение технологии PLC по каким-либо причинам оказалось невозможным.
Благодаря возможности процессора PLC-модема от TI выполнять пользовательские приложения, схема автоматизированной системы измерения становится достаточно проста, а ее построение весьма гибко: электросчетчик совместно с PLC-модемом и дополнительными интерфейсами способен осуществлять сбор данных с других счетчиков, управлять исполнительными механизмами и отображать информацию для пользователя. На рисунке 5 показано типовое решение электросчетчика, рассчитанного на широкую универсальность.
Рис. 5.
Типовые решения счетчиков газо- и водоснабжения выполнены на базе микроконтроллеров TI серии MSP430 , отличающихся низким потреблением тока, что делает возможным батарейное питание. На рисунке 6 и 7 видно, что, помимо основных систем измерения, отображения и связи, присутствует RFID-модуль. который обеспечивает режим авансовой оплаты услуг газо- и водоснабжения.
Рис. 6.
Рис. 7.
Помимо возможности контроля показаний непосредственно на счетчиках, в «умной» сети присутствует In-Home Display — центральный информационный дисплей (рисунок 8), благодаря которому нет необходимости проверять каждый счетчик по отдельности, все можно увидеть сразу. Это позволяет монтировать счетчики более удобно и/или не нарушать дизайн дома — как правило, в обычных случаях либо доступ к счетчику затруднен, и считывание показаний становится проблемой для пользователя, либо счетчик становится несимпатичной частью интерьера.
Рис. 8.
Оснащение ЖКХ системами такого рода позволяет получить множество положительных моментов:
- централизованный сбор информации о количестве потребленной энергии от всех пользователей сети позволяет своевременно выставлять счета с указанием точной суммы, вводить различные системы тарификации и осуществлять предупредительные и ограничительные меры при превышении лимита или нарушении правил энергопотребления;
- более грамотное распределение средств на модернизацию и ремонт систем на основе информации о сбоях в системах энергопотребления и потребностях на отдельных участках;
- возможность оперативно локализовывать и решать аварийные ситуации.
Кроме того, система настолько гибка, что позволяет вносить существенные дополнения без какого-либо глобального перестроения. Например, интеграция в систему датчиков утечек газа позволит внести превентивные меры по обеспечению безопасности.
К сожалению, для внедрения такой системы требуется решение серьезных организационных вопросов (и некоторые капиталовложения) со стороны энергосбытовых компаний и ЖКХ. Однако, такая система вполне оправдывает свое существование ради, удобства пользователя.
Автоматизация измерений — лишь одно из направлений применения технологии PLC. Немаловажная часть — возможность автоматизированного управления различными системами, такими как освещение, вентиляция, электроприводы ворот и жалюзи, системы альтернативного электропитания (рисунок 9).
Рис. 9.
Благодаря широким возможностями микроконтроллера концентратора данных TI осуществляется целый ряд удобных, а иногда и необходимых возможностей управления:
- контроль и управление всеми системами;
- удаленное подключение через интернет;
- автоматическое включение освещения по календарю или датчику;
- автоматическое подключение аварийного источника питания с «умным» подключением потребителей;
- выборочное или общее отключение систем при аварийных ситуациях;
- дистанционное управление с пульта (например, открывание ворот гаража).
Разумеется, существуют альтернативные решения: собственные решения производителей освещения, электроприводов ворот и проч. Преимущество же решения на базе PLC-компонентов от TI — в возможности интеграции в уже существующий объект без каких-либо значительных изменений, а также — в универсальности.
В конечном итоге, единое управление намного проще, надежнее и удобней (неплохим примером могут служить два варианта аудио-видео техники: одного производителя с единым пультом управления и нескольких разных, с соответствующим количеством пультов), и дает возможность легкого расширения системы.
В некоторых случаях использование PLC-модемов может вообще быть единственным простым и экономически выгодным решением. Рассмотрим следующий типовой пример: коттедж, гостиная с четырьмя точками входа (улица, двор, лестница на второй этаж, кухня). Включение освещения в гостиной становится проблематичным — дешевое решение (один выключатель) просто неудобно. Удобно наличие четырех перекрестных (проходных) выключателей, по одному в каждой точке входа. Это позволит управлять освещением с любой точки, не делая лишних движений (при выключении — в темноте). Но для реализации необходимо к двум выключателям провести три провода, а еще к двум — четыре.
И ведь это управление одной лампой. Если же в люстре две и более групп ламп, количество проводов резко возрастает. Стоимость двухклавишного перекрестного выключателя даже без учета стоимости проводов уже сравнима со стоимостью PLC-модема. Стоимость работ по монтажу такой системы также достаточно высока. Попробуем создать такую же систему с возможностью регулировки яркости, и придется интегрировать что-то дистанционное непосредственно в лампу.
Применение PLC-модема производства компании TI избавляет от необходимости прокладки дополнительных кабелей, более того, заставляет несколько по-иному взглянуть на классическую систему: PLC-модем в роли выключателя и регулятора может быть интегрирован не только в точку подключения выключателя, но и в линию розеток. Подключение ламп также упрощается (не требуется разводки с выключателями). Количество и характер управления лампами становится несущественным. Дизайн выключателей (регуляторов) получает безграничные возможности. Кроме того, объединение в общую «умную» сеть позволяет реализовать систему аварийного освещения, не прокладывая ни единого дополнительного кабеля.
Отладочные средства производства TI
Для разработки систем на базе технологии PLC компания TI предлагает следующее:
- MODEM DEVELOPER’S KIT
- TMDSDC3359
Набор TMDSPLCKIT-V3 включает в себя два PLC-модема, две управляющие карты на базе TMS320F28069 , имеет встроенный USB-JTAG-эмулятор и все необходимые кабели. Также прилагается программное обеспечение для PLC, поддерживающее стандарты OFDM (PRIME, G3 и FlexOFDM) и S-FSK, и среда разработки Code Composer Studio v4.x с ограничением размера исполняемого кода 32 кбайт. Используемая микросхема аналоговой обработки сигнала — AFE031 . Внешний вид одного из модемов показан на рисунке 10.
Рис. 10.
Data Concentrator Evaluation Module TMDSDC3359 (рис. 11). Этот продукт позволяет отладить системы на базе концентратора данных. Построен на процессоре AM335x семейства Sitara ARM Cortex-A8 с OC Linux BSP. Плата имеет широкую периферию:
- 2x USB;
- 2x Ethernet;
- 2x RS-232;
- 3x RS-485;
- инфракрасный приемопередатчик;
- температурный датчик;
- Sub-1ГГц и 2,4ГГц RF; AM335x.
Рис. 11.
Есть возможность подключения модуля для коммуникации по трехфазным сетям. Импульсный блок питания встроен.
Поддерживаемые стандарты — G3, PRIME.
Заключение
Использование технологии PLC для передачи данных обладает множеством преимуществ, позволяя в кратчайшие сроки и с минимальными затратами развернуть «умную» сеть, способную быстро адаптироваться под требуемые задачи, а благодаря возможностям стандартов G3 и PRIME — под среду передачи данных.
Компания Texas Instruments предоставляет комплексное решение, от микросхем до ПО, для реализации PLC-сетей в системах управления и сбора информации. Благодаря своей гибкости, такое решение позволяет реализовать систему для любого типа протокола и удовлетворяет возможные требования регуляторных инструкций.
Компания КОМПЭЛ является официальным дистрибьютором Texas Instruments и может обеспечить разработчиков как самими процессорами и аналоговыми микросхемами, так и средствами разработки для реализации собственных PLC-проектов.
Литература
4. Андрей Самоделов. Концерт для счетчика и сети: PLC-модемы компании Texas Instruments//Новости Электроники №7/2011.
5. Алексей Пазюк. Любой протокол — по проводам: решения Texas Instruments для PLC-систем передачи данных//Новости Электроники №10/2012.
Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:
Приложение Bluetooth Smart SensorTag от TI облегчает разработку Bluetooth-приложений в устройствах на AndroidTM 4.3
Компания Texas Instruments объявила о выходе на рынок приложения для ОС Android под названием Bluetooth Smart SensorTag, последовавшем за интеграцией поддержки приложения Bluetooth Smart Ready в ОС Android 4.3 "Jelly Bean". Новый продукт, доступный для бесплатного скачивания по адресу www.ti.com/sensortag-app-android-eu, устраняет препятствия для разработчиков приложений, желающих воспользоваться преимуществами миллионов смартфонов и планшетов на ОС Android, которые вскоре будут оснащены Bluetooth Smart Ready. Разработка блока приложений Bluetooth Smart, поддерживаемых теперь ОС Android и iOS, стала проще и быстрее при помощи набора разработчика Sensor Tag на базе CC2541. В набор входят шесть датчиков широкого применения, размещенных на одной плате для быстрой оценки и демонстрации. Дополнительная информация о наборе Sensor Tag размещена по адресу www.ti.com/lprf-stdroid-pr-eu.
Набор Sensor Tag не требует знаний в области программного или аппаратного обеспечения, чтобы быстро запустить приложения Bluetooth Smart на смартфоне или планшете. Разработчики делятся своими достижениями, сделанными при помощи Sensor Tag, на странице Texas Wiki (http://processors.wiki.ti.com/index.php/Bluetooth_SensorTag?DCMP=lprf-stdroid-eu&HQS=lprf-stdroid-pr-wiki1-eu ) и в Твиттере по хештэгу #SensorTag.
Шесть встроенных датчиков набора Sensor Tag, включая бесконтактный инфракрасный температурный датчик TMP006 от TI, помогают разработать многочисленные приложения в таких областях, как здравоохранение и образование, а также создавать новые аксессуары для мобильных устройств. С набором работает бесплатное, обновляемое «по воздуху», ПО BLE-Stack TM от TI. Набор Sensor Tag на базе CC2541 служит дополнением к другим решениям от TI — двухрежимному Bluetooth на базе СС2564 и WiLink TM .
О компании Texas Instruments
PLC адаптер от Ростелекома представляет собой устройство, которое позволяет передавать интернет-сигнал по электрической сети. Такое оборудование поможет избавиться от прокладки дополнительных проводов в квартире или частном доме.
Сейчас у большинства людей в собственном доме или квартире есть беспроводная сеть. Вы можете подумать, что Powerline (так называемый HomePlug), который использует электрическую проводку вашего дома как проводную сеть для передачи данных, является устаревшей и бесполезной технологией.
Такое предположение будет неверно. Да, Wi-Fi удобен и быстр – 802.11n технология широко распространена, и новейшие маршрутизаторы класса 802.11ac обеспечивают соединение со скоростью до 1300 Мбит/с.
Важно: простоту и надежность, которую предлагает Powerline, беспроводная технология до сих пор не может обеспечить. Она не предназначена для замены сети Wi-Fi. Эти технологии дополняют друг друга.
Что такое Powerline сеть?
Powerline является по существу проводной сетью. Давайте предположим, что у вас есть широкополосный маршрутизатор в коридоре и смарт-ТВ в гостиной, не поддерживающий беспроводную связь. Единственный способ, который позволит наслаждаться цифровым ТВ – кабель Ethernet, проведенный от маршрутизатора по коридору и полу гостиной. Можно попытаться скрыть шнур под плинтус. Но, если в квартире недавно сделан ремонт, начинать его заново из-за одного кабеля будет не самой лучшей идеей.
PLC адаптер от Ростелекома не потребует сложных схем для его подключения. Он практически незаметен. Базовый комплект поставляется с двумя адаптерами Powerline и несколькими короткими кабелями Ethernet.
Схема проста, подключаем один Ethernet шнур к маршрутизатору и другой к первому адаптеру. Затем вставляем его в ближайшую розетку. Подсоединяем кабель Ethernet в HDTV и второй адаптер. Вставляем последний в ближайшую розетку. Адаптеры автоматически обнаруживают друг друга (без драйверов и без длительного процесса конфигурации) и соединяются. Это позволяет передавать пакеты данных от маршрутизатора к телевизору через электрическую проводку в стенах.
Какая скорость подключения?
Когда в 2001 году был введен первый стандарт HomePlug Powerline, скорость передачи данных была ограничена 14 Мбит/c. Но новейшие PLC адаптеры для Ростелекома поддерживают Гигабитный класс сетей, обеспечивая положительные отзывы даже среди пользователей GPON интернета.
Зачем использовать Powerline сети?
Если у вас уже есть беспроводной концентратор, вы можете не увидеть смысла в приобретении Powerline адаптеров для вашей домашней сети. Но технология имеет ряд преимуществ по сравнению с Wi-Fi, а именно постоянную скорость, надежность, безопасность и простоту использования.
Настроив сеть при помощи PLC адаптера от Ростелекома, вы сможете охватить места, где беспроводное соединение имеет низкое качество из-за большого количества перекрытий или других помех на пути сигнала. Такой вариант станет также удобен при подключении оборудования без поддержки Wi-Fi, например, игровых приставок прошлых поколений, избегая загромождения вашей гостиной кабелями Ethernet. Powerline является аккуратным и эффективным сетевым решением.
Важно: Технология безопаснее чем беспроводные сети. Поскольку данные передаются по медным проводам в вашем доме, можно быть уверенным, что доступ к соединению получите только вы.
Некоторые комплекты PLC адаптеров позволяют дополнительно защитить подключение при помощи пароля.
Как работают Powerline сети?
Передача сигналов по электрическим проводам дома – не революционная идея. Энергетические компании стали посылать управляющие сигналы через такие сети еще в 1920 году. Благодаря этому счетчики электроэнергии знают, когда перейти на непиковую скорость. Электрическая проводка в домах может поддерживать различные частоты. Обычно используется 50 / 60Hz сигналы. Дополнительные данные могут быть транспортированы по той же проводке на более высоких частотах, не вызывая каких-либо помех.
Первый из стандартов позволял достигнуть скорости передачи данных 14 Мбит/с. Уже в 2005 году модернизированная версия увеличила пропускную способность до 200 Мбит/с, что более чем достаточно для потокового видео.
Перед тем как подключить PLC адаптер, необходимо осведомится о поддержке им электрической сети вашего типа при условии, что покупка производилась не у оператора Ростелеком. Устройство облегчит подсоединение к интернету для многих пользователей, которые по различным причинам не могут прокладывать Ethernet кабель.
Технологии и стандарты связи
LON - это локальная операционная сеть. Для реализации сетей умного дома используются появившиеся в 1998 году сетевые технологии, такие как LonWorks, HomeRF и Bluetooth.
Домашняя радиосеть HomeRF
выполнена на базе открытого промышленного протокола коллективного беспроводного доступа (Shared Wireless Acess Protocol – SWAP), разработанного рабочей группой фирм-производителей домашних ВЧ-систем (Home Radio Frequency Working Group – HomeRF). Группа, образованная в марте 1998 года, объединила более 90 производителей (в том числе и Intel). Используется полоса частот 2,4 ГГц с возможностью перескока частоты. Сеть работает с шумоподобным сигналом (ШПС) и поддерживает скорость передачи данных 2 Мбит/с на расстояние до 50 м. На рынке представлены такие изделия, как сетевые средства серии AnyPoint фирмы Intel и HomeLINE компании Farallon. В AnyPoint входят адаптер для подключения нескольких ПК через USB-порт к ближайшей телефонной розетке.
Популярная платформа Bluetooth
рассчитана на полосу 2,45 ГГц. Она предусматривает применение трансивера с перескоком частоты (1600 перескоков/с) и работу в режиме временного уплотнения. В диапазоне от 10 см до 10 м скорость передачи данных составляет 1 Мбит/с. Дальность действия невелика, но может быть увеличена до 100 м за счет наращивания мощности передаваемого сигнала
Тем, кто пропустил первую часть или хочет вспомнить первую часть .
Для тех кто понимает, что такое автомат и УЗО, для чего они необходимы, что и от чего защищают – переходите к разделу .
Часть вторая
Посмотрим какая взаимосвязь между энергетикой и конечным ИТ-оборудованием, будем разбираться в вопросе- в каких случаях перебоев в сети питания операционная система гарантированно должна работать без сбоев.
Вопросы переключения на резервный источник питания
Электроснабжение информационного оборудования организовывается с резервированием. Рассмотрим организацию электроснабжения в части ЩБП-БРП-БП (щит бесперебойного питания-блок распределения питания- блок питания). Типы резервирования бывают следующих типов:
- Резервирование кабелей к стойке, оборудованию, с использованием отдельных блоков распределения питания, БРП (рисунок 1)
- Резервирование шин питания в щите электроснабжения, с использованием отдельных блоков распределения питания, БРП (рисунок 2)
Резервирование при помощи стоечного переключателя нагрузки, стоечного АВР (СПН, он же ATS) (рис.4)
Для переключения между основным и резервным вводом могут использоваться:
- в сфере информационных систем: шкафы АВР/STS (Static Transfer Swith) для систем большой мощности, для перехода на питание от резервного ИБП в момент работы полноценной системы 2N или комбинаций систем N+1;
- в сфере систем электроснабжения различного вида схемы АВР (на контакторах, на контроллерах);
- на уровне серверной стойки: автоматические быстродействующие стоечные АВР\ATS (Automatic Transfer Switсh);
- на уровне конкретного информационного оборудование: дублированные блоки питания.
Заказчик внедряет локальную серверную вместе с IT-инфраструктурой двух этажей под офис фирмы. На этапе обсуждения системы электропитания у него возникает желание поставить все информационное оборудование с одним блоком питания (БП), а второй слот под БП серверов оставить свободным, и на всю стойку смонтировать единый ATS стоечного исполнения. (рис.4, схема).
Внешний вид тыльной стороны сервера с дублированными блоками питания 
Как Заказчик аргументировал свое желание
:
- Экономия средств ($500-800 с каждого устройства в стойке)
- Можно поставить два простейших БРП и применить их уже для распределения питания после ATS
- Абсолютно аналогичный уровень надежности системы, по сравнению с классическим способом распределения
- стоимости (экономии) капитальных затрат при внедрении (CAPEX)
- стоимости затрат на амортизацию, содержание ЗИП, трудозатрат персонала клиента (OPEX)
- сравнения алгоритмов работы и времени переключения на резервную линию в обоих вариантах, проверка на «единые точки отказа»
- уровня рисков зависания и/или перезагрузки операционных систем информационного оборудования, падения информационных сервисов, которые на них работают.
Некоторые выдержки из статьи
В последние годы государственные стандарты в области измерений параметров электрической энергии, относящихся к КЭ, активно развивались и были неоднократно переработаны
" Важным изменением стала замена ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» на ГОСТ 32144-2013. Данные стандарты определяют различную номенклатуру показателей качества электроэнергии.
А вот насколько быстродействующим? Как определить то время в миллисекундах, за которое сервис (и сервер) заказчика не упадет, а операционная система не уйдет в «critical error»?
Существует стандарт CBEMA (Computer and Business Equipment Manufacturers Association), который после некоторых корректировок ныне известен как «кривые ITIC» (Information Technology Industry Council), а ее варианты включены в стандарты IEEE 446 ANSI. Согласно этим нормативам, электронные схемы блоков питания должны сохранять работоспособность в течение 20 мс (или 0,02 секунды, то есть период).
Те самые кривые ITIC
Согласно требованиям к блокам питания серверных и компьютерных систем Server System Infrastructure можем сказать, что параметр блока питания Tvout_holdup во время провала напряжения питающей сети обеспечивает работу информационного оборудования минимум 21 мсек. То есть, полный период сети – это гарантированное время нормальной работы сервера или коммутатора. Параметр Tpwok_holdup определен минимально 20мсек.
некоторые подробности по параметрам SSI можно посмотреть тут
Справка: Hold-up time (время удержания) - это временной промежуток, в течение которого блок питания может поддерживать выходные напряжения в определенных пределах после пропадания на его входе питающего напряжения. В большинстве компьютерных блоков питания Hold-up time характеризует еще и через какой промежуток времени power good сигнал (PWR_OK) скажет системе, что напряжения, вырабатываемые блоком питания, нестабильны (для компьютерных блоков питания этот параметр обычно более 16 мс).
Вот одна из таблиц из документа
А это диаграмма (time-line) с регламентируемыми алгоритмами работы БП
Теперь посмотрим, какое время переключения заявляет APC, например, для стоечного переключателя нагрузки марки AP7721 . Видим, что тут у нас обычно 8-12 мс, но 18 мс – это максимальное время переключения.
Можем сделать вывод, что время переключения на резервный ввод для стоечного переключателя нагрузки соответствует спецификации работы блока питания серверного оборудования. Получается, что сбоев в работе информационного оборудования не будет.
Сводная таблица таймингов элементов системы
А что у нас с экономической составляющей и какой из вариантов более выгоден и отказоустойчив?
Предположим, у нас в стойке имеются три небольших сервера, в которые можно поставить по два блока питания и три устройства с недублированными блоками питания. Все критически важны и отказ любого из устройств выведет в отказ всю систему заказчика в целом. Стоечный переключатель нагрузки нам в любом случае понадобится. Это порядка 18 тыс. рублей.Заказчик заявляет, что PDU (БРП) им не нужны, значит, в бюджете будет лишь стоимость ATS – те же 18 тыс. рублей. В качестве замены блокам распределения питания (PDU) Заказчик предлагает использовать распределение питания «на борту» стоечного переключателя нагрузки. Также Заказчик планирует купить сервера с двумя слотами под блоки питания, но в комплектации с одним БП ради экономии.
Классический вариант предполагает комплект из 2-х PDU – около 32 000 рублей, 3 дополнительных блока питания в серверы по $500 каждый за 84 тыс. рублей итого. ATS за те же 18 тыс. рублей. Сложив все, мы понимаем, что классическое решение обойдется Заказчику примерно в 134 тыс. рублей.
Вроде бы действительно, Заказчик прав, деньги совершенно другие. Но давайте посмотрим с точки зрения отказоустойчивости и удобства обслуживания обоих вариантов:
Вариант заказчика:
Единая точка отказа – стоечный переключатель нагрузки. Если с ним что-то случится, то мы теряем всю стойку целиком. Значит, надо иметь ЗИП прямо на площадке, что прибавляет к смете 18 000 рублей. Блоки питания в серверах стоят по одному, они тоже являются точками отказа. Значит, желательно иметь хотя бы один, а лучше все три блока питания в резерве на площадке. Примем, что нужны три БП в ЗИП – это еще плюс 36 тыс. рублей. Нужно проверять мощность, которую может коммутировать стоечный ATS. Cейчас мы исходим из того, что 3 кВт или 16А нам хватит на все оборудование стойки. Если нам понадобится ATS на 32А (7кВт), то это будет уже значительно дороже (более 100 тыс. руб). То есть бюджет варианта Заказчика при детальном рассмотрении надежности вырастает до 160 тыс. рублей
. При этом в случае ЧП несмотря на то, что запасные части будут на площадке понадобится down-time для замены устройства.
Единая точка отказа (SPOF, Single Point Of Failure) - узел, линия связи или объект системы доступности данных, отказ которого может вывести из строя всю систему, или вызвать недоступность данныхВариант Открытых Технологий : По , но при необходимости добавляется ATS для мелкого сетевого оборудования с единственным блоком питания.
Точка отказа – тот самый ATS. Если с ним что-то случится, то мы теряем всю стойку целиком. Согласны с тем, что надо иметь ЗИП прямо на площадке. Но в нашем случае, если отказывает только ATS, то это может повлиять лишь на работу коммутаторов и вспомогательного оборудования. Сами серверы спокойно продолжат работу. Блоки питания в ЗИП не нужны. Так как при выходе из строя одного из дублированных блоков питания сервер продолжит работу на оставшемся, и, скорее всего, дождется нового блока питания от вендора, вне зависимости от удаленности площадки.
Интерпретация термина SPOF применительно к ИТ-системам
Единая точка отказа (SPOF, Single Point Of Failure) – узел, устройство или точка схемы, отказ которого может вывести из строя всю систему, вызвать недоступность данных и сервисов. Рассматривается при разработке и проектировании любых критически важных систем. Полное отсутствие единых точек отказа ведет к значительному увеличению капитальных затрат при внедрении, поэтому критичность работы той или иной системы, сервиса определяется на этапе проектирования исходя из бюджета проекта, а также пожеланий и требований Заказчика. Мы всегда находим вариант идеального решения для каждого Заказчика, определяя несколько вариантов реализации проекта, и предлагая их Заказчику. В результате на этапе сдачи проекта заказчик получает именно то решение, которое он хотел видеть по соотношению цена/качество/надежность.
Таким образом, подключать все оборудование стойки на единый ATS можно, но не рационально, так как в этом случае получаем единую точку отказа по питанию. Закупка серверов с дублированными блоками питания предпочтительна в любом случае, так как отказоустойчивость на уровне информационного оборудования увеличивается в разы.
Стоечный переключатель нагрузки обеспечивает корректное и почти мгновенное переключение на резервный ввод, информационное оборудование даже не почувствует этого, программные продукты и операционные системы продолжат корректно работать. Стоечные блоки распределения питания в любом случае нужны и экономить на них не надо. Видимая экономия на капитальных затратах по распределению питания может обернуться нерешаемыми проблемами при эксплуатации, например, необходимости «гасить» всю стойку только для того, чтобы переместить ATS в другой юнит или провести ревизию стоечного переключателя нагрузки. В любом случае для дублированных блоков питания должен быть ЗИП, а он не всегда возможен или имеется.
Внешний вид съемного блока питания сервера:
Применение стоечного АВР имеет свои особенности
Например, мощность такого АВР ограничена, и переключать он может комплекс сравнительно слабых с точки зрения потребляемой мощности нагрузок. Есть вопросы к количеству выходных разъемов питания. Например, вышеупомянутый ATS AP7721 оснащен по входу разъемами типа С14, что означает максимальную мощность переключения 2,5 кВт. На большую мощность нагрузки существует 2U модель AP7724 , который по входу комплектуется разъемом на 32 А, то есть максимальная мощность оборудования может быть до 7кВт. А это значит, что типовую стойку с оборудованием можно подключить на этот АВР полностью. Однако цена подобного решения будет более 100 тыс. рублей.
Работа информационного оборудования с двумя блоками питания была хорошо описана в статье Вадима Синицкого @dimskiy . Как видим, есть свои достоинства и недостатки. И наличие резервных блоков питания для информационного оборудования в любом случае необходимо, особенно если объект находится вне зоны быстрой поставки блока питания от вендора. Кроме того, хотим заметить, что онлайн калькуляторы расчета мощности новых серверов от вендоров могут применяться лишь как ориентир для системных администраторов, персонала Заказчика.
Реальные возможности подключения нового мощного сервера к существующей стойке должны оцениваться с учетом изначального проекта электроснабжения, текущего состояния и нагрузки электросети стойки, серверной, ИБП, генератора…. С точки зрения подключения в стойке также стоит учитывать:
- текущие возможности PDU, типа свободных разъемов в них
- номиналов автоматов в щитах и сечения и фазность кабельной линии к стойке.
А как у вас построена система распределения в стойке?
Каков ресурс БП для ИТ-оборудования и алгоритм их программного резервирования?
Какие вы предпочитаете БРП использовать: базовые, с мониторингом? насколько полезна в практике функция «управляемый БРП/PDU» и помогла ли она вам когда либо?
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. , пожалуйста.