Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Программируемый логический контроллер (ПЛК) (англ. Programmable Logic Controller, PLC) или программируемый контроллер -- электронная составляющая промышленного контроллера, специализированного (компьютеризированного) устройства, используемого для автоматизации технологических процессов. В качестве основного режима длительной работы ПЛК, зачастую в неблагоприятных условиях окружающей среды, выступает его автономное использование, без серьёзного обслуживания и практически без вмешательства человека.

Иногда на ПЛК строятся системы числового программного управления станком (ЧПУ, англ. Computer numerical control, CNC).

ПЛК являются устройствами реального времени.

В отличие от:

микроконтроллера (однокристального компьютера), микросхемы предназначенной для управления электронными устройствами, областью применения ПЛК обычно являются автоматизированные процессы промышленного производства, в контексте производственного предприятия; компьютеров, ПЛК ориентированы на работу с машинами и имеют развитый "машинный" ввод-вывод сигналов датчиков и исполнительных механизмов в противовес возможностям компьютера, ориентированного на человека (клавиатура, мышь, монитор и т. п.);

встраиваемых систем -- ПЛК изготавливается как самостоятельное изделие, отдельно от управляемого при его помощи оборудования.

Первые логические контроллеры появились в виде шкафов с набором соединённых между собой реле и контактов. Эта схема задавалась жёстко на этапе проектирования и не могла быть изменена далее.

Первый в мире ПЛК -- MOdular DIgital CONtroller (Modicon) 084, имеющий память 4 кБ, произведен в 1968 году.В первых ПЛК, пришедших на замену обычным логическим контроллерам, логика соединений программировалась схемой соединений LD (Ladder logic Diagram). Устройство имело тот же принцип работы, но реле и контакты (кроме входных и выходных) были виртуальными, то есть существовали в виде программы, выполняемой микроконтроллером ПЛК. Современные ПЛК являются «свободно программируемыми».В системах управления технологическими объектами логические команды преобладают над числовыми операциями, что позволяет при сравнительной простоте микроконтроллера (шины шириной 8 или 16 бит), получить мощные системы действующие в режиме реального времени. В современных ПЛК числовые операции реализуются наравне с логическими. В то же время, в отличие от большинства процессоров компьютеров, в ПЛК обеспечивается доступ к отдельным битам памяти.

1. Интерфейсы ПЛК

ПЛК в своём составе не имеют интерфейса для человека, типа клавиатуры и дисплея. Их программирование, диагностика и обслуживание производится подключаемыми для этой цели программаторами -- специальным устройством или устройствами на базе более современных технологий -- персонального компьютера или ноутбука, со специальными интерфейсами и со специальным программным обеспечением (например, SIMATIC STEP 7 в случае ПЛК SIMATIC S7-300 или SIMATIC S7-400). В системах управления технологическими процессами ПЛК взаимодействуют с различными компонентами систем человеко-машинного интерфейса (например операторскими панелями) или рабочими местами операторов на базе ПК, часто промышленных, обычно через промышленную сеть.

2. Языки программирования ПЛК

Для программирования ПЛК используются стандартизированные языки МЭК (IEC) стандарта IEC61131-3

Языки программирования (графические)

LD -- Язык релейных схем -- самый распространённый язык для PLC

FBD -- Язык функциональных блоков -- 2-й по распространённости язык для PLC

SFC -- Язык диаграмм состояний -- используется для программирования автоматов

CFC -- Не сертифицирован IEC61131-3, дальнейшее развитие FBD

Языки программирования (текстовые)

IL -- Ассемблер

ST -- Паскале-подобный язык

Структурно в IEC61131-3 среда исполнения представляет собой набор ресурсов (в большинстве случаев это и есть ПЛК, хотя некоторые мощные компьютеры под управлением многозадачных ОС представляют возможность запустить несколько программ типа softPLC и имитировать на одном ЦП несколько ресурсов). Ресурс предоставляет возможность исполнять задачи. Задачи представляют собой набор программ. Задачи могут вызываться циклически, по событию, с максимальной частотой.

Программа -- это один из типов программных модулей POU. Модули (Pou) могут быть типа программа, функциональный блок и функция.

В некоторых случаях для программирования ПЛК используются нестандартные языки, например:

Блок-схемы алгоритмов

Си-ориентированная среда разработки программ для ПЛК.

HiGraph 7 -- язык управления на основе графа состояний системы.

Инструменты программирования ПЛК на языках МЭК 61131-3 могут быть специализированными для отдельного семейства ПЛК

(например, STEP 7 для контроллеров SIMATIC S7-300/400) или универсальными, работающими с несколькими, но далеко не всеми.

3. SIMATIC S7-200

программированный автоматизированный контроллер

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-200 предназначены для построения относительно простых систем автоматического управления, отличающихся минимальными затратами на приобретение аппаратуры и разработку системы. Контроллеры способны работать в реальном масштабе времени и могут быть использованы как для построения узлов локальной автоматики, так и узлов, поддерживающих интенсивный коммуникационный обмен данными через сети:

Industrial Ethernet, PROFIBUS-DP, AS-Interface, MPI, PPI,

MODBUS, системы телеметрии, а также через модемы.

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-200 имеют:

* Сертификат Госстандарта России, подтверждающий соответствие требованиям стандартов ГОСТ Р.

* Метрологический сертификат Госстандарта России.

* Разрешение на применение федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.

* Экспертное заключение о соответствии функциональных показателей интегрированной системы автоматизации

SIMATIC S7 отраслевым требованиям и условиям эксплуатации энергопредприятий РАО “ЕЭС России”.

* Морские сертификаты Российского реестра, LRS, ABS, GL,

* Международные сертификаты DIN, UL, CSA, FM, CE.

Программируемые контроллеры S7-200 характеризуются следующими показателями:

* Эффективное программирование на языках STL, LAD и FBD.

* Высокое быстродействие. Время выполнения 1К логических инструкций не превышает 0.22мс.

* Наличие конфигурируемых реманентных областей памяти для необслуживаемого сохранения данных при перебоях в питании контроллера.

* 3-уровневая парольная защита программы пользователя.

* Универсальность входов и выходов центральных процессоров: стандартные дискретные входы и выходы, входы скоростного счета, импульсные выходы.

* Наращивание количества обслуживаемых входов и выходов за счет использования модулей расширения и/или систем распределенного ввода-вывода на основе AS-Interface.

* Универсальность встроенного интерфейса центральных процессоров: поддержка протоколов PPI/ MPI/ USS/ MODBUS, свободно программируемый порт.

* Наличие съемных клеммных блоков для подключения внешних цепей, упрощающих выполнение операций монтажа и замены вышедших из строя модулей.

* Поддержка обработки рецептурных данных.

* Использование картриджа памяти для регистрации данных и сохранения электронных версий технической документации.

* Возможность редактирования программы без перевода центрального процессора в режим STOP.

* Использование страничной адресации блоков данных.

4. Модульный ряд SIMATIC S7-200

Семейство объединяет в своем составе модули центральных процессоров; коммуникационные модули; модуль позиционирования EM 253; модуль весоизмерения, модули ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов; модули

блоков питания.

Максимально может быть использовано 7 различных модулей расширения. Все модули способны работать в диапазоне температур от 0 до +55°C. Для более жестких условий эксплуатации могут использоваться модули семейства SIPLUS

S7-200 с диапазоном рабочих температур от -20 до +70°C.

Конструктивные особенности:

* Компактные пластиковые корпуса со степенью защиты IP20.

* Простое подключение внешних цепей через клеммные блоки с контактами под винт. Защита всех токоведущих частей открывающимися пластиковыми крышками.

* Наличие штатных или опциональных съемных клеммных блоков, позволяющих выполнять замену модулей без демонтажа их внешних цепей.

* Монтаж на стандартную 35мм профильную шину или на плоскую поверхность с креплением винтами.

* Соединение модулей с помощью плоских кабелей, вмонтированных в каждый модуль расширения.

5. Модули ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов

С помощью модулей ввода-вывода программируемые контроллеры S7-200 легко адаптируются к требованиям решаемой задачи. Они позволяют увеличивать количество входов и выходов, обслуживаемых одним центральным процессором, дополнять систему ввода-вывода не только дискретными, но и аналоговыми каналами с требуемыми параметрами входных и выходных сигналов.

6. Аппаратура человеко-машинного интерфейса

Для решения задач человеко-машинного интерфейса в системах управления на основе программируемых контроллеров S7-200 может использоваться практически весь спектр продуктов семейства SIMATIC HMI. В то же время в состав этого

семейства входит целый ряд текстовых дисплеев и панелей оператора, предназначенных для работы только с контроллерами S7-200.

Все они поддерживают работу с русским языком.

7. Программное обеспечение

Основной набор стандартных инструментальных средств для работы с программируемыми контроллерами S7-200 сконцентрирован в пакете STEP 7 MicroWin. Пакет позволяет:

* Программировать контроллеры на языках LAD, FBD и STL, выполнять автономную или интерактивную отладку программы.

* Выполнять настройку параметров аппаратуры.

* Использовать символьную адресацию.

* Использовать широкий набор мастеров для конфигурирования

коммуникационных модулей, модуля позиционирования, текстовых дисплеев TD 100C / TD 200 / TD 200C, / TD 400C

ПИД-регуляторов, скоростных счетчиков и импульсных выходов, встроенных интерфейсов, управления рецептурными данными и т.д.

* Выполнять удобный просмотр всех данных проекта.

* Загружать необходимые данные в опциональный картридж памяти и т.д.

Оболочка пакета STEP 7 MicroWin переведена на русский язык. Пакет S7-200 PC Access обеспечивает возможность организации обмена данными между компьютерными приложениями и центральными процессорами или коммуникационными модулями программируемого контроллера S7-200 через OPC интерфейс.

Для организации обмена данными могут использоваться любые варианты связи, поддерживаемые контроллером S7-200. К одному компьютеру может подключаться не более 8 контроллеров S7-200.

MicroWin Instruction Library является опциональным пакетом, интегрируемым в среду STEP 7 Micro/WIN от V3.2 и выше. Он содержит библиотеку функциональных блоков, позволяющих использовать встроенный интерфейс центрального процессора S7-200 для поддержки USS протокола или протокола MODBUS RTU в режиме ведомого и ведущего устройства. SINAUT Micro SC для ПК для управления установкой соединений с удаленными станциями и их мониторинга позволяет организовывать распределённые системы управления и диспетчеризации на базе GSM, используя протокол передачи данных GPRS. Модем SINAUT MD720-3 подключается к контроллеру с помощью PC/PPI кабеля, который используется для программирования. Для работы используются стандартные SIM карты.

Пакет SIWATOOL MS обеспечивает возможность конфигурирования весоизмерительного модуля SIWAREX MS. Для загрузки настроек необходим кабель подключения SIWAREX MS к ПК (RS 232). WinCC flexible Micro позволяет конфигурировать панели оператора TP 177 micro и OP 73 micro. Для загрузки проекта в панель необходим кабель PC/PPI.

8. Центральные процессоры

В S7-200 используется 5 моделей центральных процессоров, отличающихся объемами встроенной памяти, количеством и видом встроенных входов и выходов, количеством встроенных интерфейсов RS 485, количеством потенциометров аналогового задания цифровых величин и другими показателями. Каждая модель имеет две модификации:

* С напряжением питания =24В и дискретными выходами =24В/0.75А на основе транзисторных ключей.

* С напряжением питания ~115/230В и дискретными выходами в виде замыкающих контактов реле с нагрузочной способностью до 2А на контакт.

Встроенный интерфейс RS 485 (один или два) используется:

* без дополнительного программного обеспечения:

Для программирования контроллера;

Для включения контроллера в сети PPI или MPI со скоростью передачи данных до 187.5 Кбит/с;

В качестве свободно программируемого порта с поддержкой ASCII протокола и скоростью до 38.4 Кбит/с;

* с дополнительным программным обеспечением Instruction Library:

Для поддержки протокола MODBUS RTU и работы в режиме ведомого и ведущего сетевого устройства;

Для поддержки протокола USS со скоростью передачи данных до 19.2 Кбит/с и возможностью подключения до 30 преобразователей частоты (например, преобразователей серий MICROMASTER или SINAMICS).

Все центральные процессоры оснащены встроенным блоком питания =24В для питания датчиков или другой нагрузки. Дискретные входы всех центральных процессоров рассчитаны на входное напряжение =24В.

9. SIMATIC S7-300

SIMATIC S7-300 - это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности.

Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства.

Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.

* Все модули устанавливаются на профильную шину S7-300 и фиксируются в рабочих положениях винтами. Объединение модулей в единую систему выполняется с помощью шинных соединителей (входят в комплект поставки каждого модуля), устанавливаемых на тыльную часть корпуса.

* Произвольный порядок размещения модулей в монтажных стойках. Фиксированные посадочные места занимают только модули PS, CPU и IM. Наличие съемных фронтальных соединителей (заказываются отдельно), позволяющих производить быструю замену модулей без демонтажа их внешних цепей и упрощающих выполнение операций подключения внешних цепей модулей. Механическое кодирование фронтальных соединителей исключает возможность возникновения ошибок при замене модулей.

* Применение гибких и модульных соединителей TOP Connect, существенно упрощающих выполнение монтажных работ и снижающих время их выполнения.

Контроллеры SIMATIC S7-300 имеют модульную конструкцию и могут включать в свой состав:

* Модуль центрального процессора (CPU). В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов-выходов и специальных функций, количеством и видом встроенных коммуникационных интерфейсов и т.д.

* Модули блоков питания (PS), обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110В.

* Сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами.

* Коммуникационные процессоры (CP) для подключения к сетям PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-Interface или организации связи по PtP (point to point) интерфейсу.

* Функциональные модули (FM), способные самостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования, обработки сигналов. Функциональные модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае отказа центрального процессора ПЛК.

* Интерфейсные модули (IM), обеспечивающие возможность подключения к базовому блоку (стойка с CPU) стоек расширения ввода-вывода. Контроллеры SIMATIC S7-300 позволяют использовать в своем составе до 32 сигнальных и функциональных модулей, а также коммуникационных процессоров, распределенных по 4 монтажным стойкам. Все модули работают с естественным охлаждением.

Области применения.

Области применения SIMATIC S7-300/ S7-300C охватывают:

* Автоматизацию машин специального назначения.

* Автоматизацию текстильных машин.

* Автоматизацию упаковочных машин.

* Автоматизацию машиностроительного оборудования.

* Автоматизацию оборудования для производства технических средств управления и электротехнической аппаратуры.

* Построение систем автоматического регулирования и позиционирования.

* Автоматизированные измерительные установки и другие.

Центральные процессоры S7-300C оснащены набором встроенных входов и выходов, а также набором встроенных функций, что позволяет применять эти процессоры в качестве готовых блоков управления.

SIMATIC S7-300 Outdoor является идеальным изделием для эксплуатации в тяжелых промышленных условиях, отличающихся сильным воздействием вибрации и тряски, повышенной влажности, широким диапазоном рабочих температур. Он способен управлять работой:

* Светофоров.

* Систем управления движением.

* Очистных сооружений.

* Холодильных установок.

* Специальными транспортными средствами.

* Подвижным составом.

* Строительными машинами и т.д.

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-300F в сочетании со станциями распределенного ввода-вывода SIMATIC ET 200S PROFIsafe и SIMATIC ET 200M, оснащенными F-модулями, позволяют создавать распределенные системы безопасного управления (F-системы), в которых возникновение аварийных ситуаций не создает опасности для жизни обслуживающего персонала и угрозы для окружающей природной среды. На основе распределенных структур могут создаваться системы безопасного управления, отвечающие требованиям безопасности уровней SIL 1 … SIL 3 стандартов IEC/EN 61508, а также категорий 1 … 4 стандарта EN 954-1. Системы безопасного управления применяются:

* В автомобильной промышленности.

* В машино- и станкостроении.

* Для управления конвейерами.

* В обрабатывающей промышленности.

* В системах управления пассажирским транспортом.

* В системах материально-технического обеспечения и т.д.

Центральные процессоры.

Все центральные процессоры S7-300 характеризуются следующими показателями:

* высокое быстродействие,

* загружаемая память в виде микро карты памяти MMC емкостью до 8 МБ,

* развитые коммуникационные возможности, одновременная поддержка большого количества активных коммуникационных соединений,

* работа без буферной батареи.

MMC используется для загрузки программы, сохранения данных при перебоях в питании CPU, хранения архива проекта с символьной таблицей и комментарии, а также для архивирования промежуточных данных.

Центральные процессоры CPU 3xxC и CPU 31xT-2 DP оснащены набором встроенных входов и выходов, а их операционная система дополнена поддержкой технологических функций, что позволяет использовать в качестве готовых блоков управления. Типовой набор встроенных технологических функций позволяет решать задачи скоростного счета, измерения частоты или длительности периода, ПИД-регулирования, позиционирования, перевода части дискретных выходов в импульсный режим. Все центральные процессоры S7-300 оснащены встроенным интерфейсом MPI, который используется для программирования, диагностики и построения простейших сетевых структур. В CPU 317 первый встроенный интерфейс имеет двойное назначение и может использоваться для подключения либо к сети MPI, либо к сети PROFIBUS DP.

Целый ряд центральных процессоров имеет второй встроенный интерфейс:

* CPU 31…-2 DP имеют интерфейс ведущего/ ведомого устройства PROFIBUS DP;

* CPU 31…C-2 PtP имеют интерфейс для организации PtP связи;

* CPU 31…-… PN/DP оснащены интерфейсом Industrial Ethernet,обеспечивающим поддержку стандарта PROFI net;

* CPU 31…T-2 DP оснащены интерфейсом PROFIBUS DP/Drive, предназначенным для обмена данными и синхронизации работы преобразователей частоты, выполняющих функции ведомых DP устройств.

Система команд центральных процессоров включает в свой состав более 350 инструкций и позволяет выполнять:

* Логические операции, операции сдвига, вращения, дополнения, операции сравнения, преобразования типов данных, операции с таймерами и счетчиками.

* Арифметические операции с фиксированной и плавающей точкой, извлечение квадратного корня, логарифмические операции, тригонометрические функции, операции со скобками.

* Операции загрузки, сохранения и перемещения данных, операции переходов, вызова блоков, и другие операции. Для программирования и конфигурирования S7-300 используется пакет STEP 7.

Кроме того, для программирования контроллеров S7-300 может использоваться также весь набор программного обеспечения Runtime, а также широкий спектр инструментальных средств проектирования.

10. SIMATIC S7-400

* Модульный программируемый контроллер для решения сложных задач автоматического управления.

* Широкий спектр модулей для максимальной адаптации к требованиям решаемой задачи.

* Использование распределенных структур ввода-вывода и простое включение в сетевые конфигурации.

* “Горячая” замена модулей.

* Удобная конструкция и работа с естественным охлаждением.

* Свободное наращивание функциональных возможностей при модернизации системы управления.

* Высокая мощность благодаря наличию большого количества встроенных функций.

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-400 имеют:

* сертификат Госстандарта России

* метрологический сертификат Госстандарта России

* разрешение на применение федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору

* экспертное заключение о соответствии функциональных показателей интегрированной системы автоматизации SIMATIC S7 отраслевым требованиям и условиям эксплуатации энергопредприятий РАО “ЕЭС России”.

* сертификат о типовом одобрении Российского Морского Регистра Судоходства.

* морские сертификаты ABS, BV, DNV, GLS, LRS;

* cертификаты DIN, UL, CSA, FM, IEC, CE;

Области применения.

S7-400 находит применение в машиностроении, автомобильной промышленности, в складском хозяйстве, в технологических установках, системах измерения и сбора данных, в текстильной промышленности, на химических производствах и т.д.

Конструктивные особенности

Программируемые контроллеры S7-400 могут включать в свой состав:

* Модуль центрального процессора (CPU). В зависимости от степени сложности решаемых задач в программируемом контроллере могут использоваться различные типы центральных процессоров. При необходимости можно использовать мультипроцессорные конфигурации, включающие до 4 центральных процессоров.

* Сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов.

* Коммуникационные процессоры (CP) для организации сетевого обмена данными через Industrial Ethernet, PROFINET, PROFIBUS или PtP интерфейс.

* Функциональные модули (FM) - интеллектуальные модули для решения задач скоростного счета, позиционирования, автоматического регулирования и других.

* Интерфейсные модули (IM) для подключения стоек расширения к базовому блоку контроллера

* Блоки питания (PS) для питания контроллера от сети переменного или постоянного тока.

Конструкция контроллера отличается высокой гибкостью и удобством обслуживания:

* Все модули устанавливаются в монтажные стойки и фиксируются в рабочих положениях винтами. Объединение модулей в единую систему выполняется через внутреннюю шину монтажных стоек. К одному базовому блоку допускается подключать до 21 стойки расширения.

* Произвольный порядок размещения модулей в монтажных стойках. Фиксированные посадочные места должны занимать только блоки питания.

* Наличие съемных фронтальных соединителей (заказываются отдельно), позволяющих производить быструю замену модулей без демонтажа их внешних цепей и упрощающих

выполнение операций подключения внешних цепей модулей. Механическое кодирование фронтальных соединителей исключает возможность возникновения ошибок при замене модулей.

* Применение модульных и гибких соединителей TOP Connect, существенно упрощающих выполнение монтажных работ и снижающих время их выполнения.

Блоки питания.

Каждый центральный процессор S7-400 имеет встроенный блок питания с входным напряжением =24В. Для питания центрального процессора и других модулей контроллера используются блоки питания PS 405 и PS 407. PS 405 используют для своей работы входное напряжение постоянного тока, PS 407 - входное напряжение переменного тока промышленной частоты. Возможна установка двух специальных резервированных блоков питания в корзину для дублирования питания стойки.

Особые функциональные возможности.

Центральные процессоры S7-400 обеспечивают поддержку изохронного режима работы систем распределенного ввода-вывода и технологии CiR (Configuration in Run). Технология CiR позволяет вносить изменения в конфигурацию существующей системы управления без остановки производственного процесса.

* Добавлять новые или удалять существующие станции распределенного ввода-вывода и приборы полевого уровня, выполняющие функции ведомых устройств на шине PROFIBUS-DP/PA.

* Добавлять новые или удалять существующие модули в станциях распределенного ввода-вывода ET 200M.

* Отменять введенные конфигурации.

* Выполнять перенастройку модулей станции ET 200M. Например, в случае замены одних датчиков другими.

Центральные процессоры.

Программируемые контроллеры S7-400 могут комплектоваться различными типами центральных процессоров, которые отличаются вычислительными возможностями, объемами памяти, быстродействием, количеством встроенных интерфейсов и т.д.

При построении сложных систем управления S7-400 позволяет использовать в своем составе до 4 центральных процессоров, выполняющих параллельную обработку информации. Большинство параметров центральных процессоров может быть настроено с помощью Hardware Configuration STEP 7. Для программирования и конфигурирования контроллеров S7-400 используется пакет STEP 7, весь спектр инструментальных средств проектирования и программное обеспечение Runtime.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Понятие и функциональные особенности программируемого логического контроллера, внутренняя структура и взаимосвязь элементов данного устройства. Advantech - контроллеры и модули ввода / вывода, ПТК КОНТАР производства МЗТА, ОВЕН (ПЛК ОВЕН), Сегнетикс.

реферат , добавлен 22.03.2014


Особенности работы с последовательным портом в среде Visual Studio. Тестирование работы протокола Modbus RTU в режиме Slave. Описание и технические характеристики программируемого логического контроллера Овен 100. Построение диаграммы передачи фреймов.

отчет по практике , добавлен 19.07.2015


Разработка алгоритма автоматизации технологического участка производственного предприятия машиностроительного профиля. Составление программы для реализации релейно-контактной схемы управления объектом на основе программируемого логического контроллера.

контрольная работа , добавлен 30.04.2012


Изучение истории появления, усовершенствования и области применения центральных процессоров - главных частей аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Конвейерная, суперскалярная архитектура. Понятие кэширования.

реферат , добавлен 13.02.2012


Изучение сущности, функций и основных задач центрального процессора - микросхемы, исполнителя машинных инструкций (кода программ), главной части аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Основные характеристики.

контрольная работа , добавлен 26.12.2010


Разработка автоматизированной системы управления технологическими процессами очистки, компримирования и осушки нефтяного газа на базе программируемого логического контроллера SLC-500 фирмы Allen Bradley. Расчёт системы автоматического регулирования.

дипломная работа , добавлен 06.05.2015


Изучение процессорных устройств, разработанных учеными корпорации Intel, совокупности инновационных технологий, повлиявших на их развитие. Анализ методик разработки микросхем, аппаратного обеспечения компьютера и программируемого логического контроллера.

реферат , добавлен 09.05.2011


Разработка алгоритма работы и структуры контроллера кэш-памяти с полностью ассоциативным отображением основной памяти. Представление операционной и управляющей частей черного ящика устройства. Схема алгоритма контроллера кэш на уровне микроопераций.

курсовая работа , добавлен 19.03.2012


Технико-экономическое обоснование создания автоматизированной системы. Выбор программируемого логического контроллера. Выбор модулей ввода-вывода. Средства разработки человеко-машинного интерфейса. Контроль обрыва датчиков. Контроль исправности насосов.

дипломная работа , добавлен 14.11.2017


Способы повышения комфорта в здании с помощью систем автоматики. Важнейшие функции автоматизации зданий. Конфигурируемые и свободно программируемые контроллеры, используемые в системах автоматизации зданий. Алгоритм управления вентиляцией и отоплением.

Как ни странно, но есть еще те, кому не безразлична идея передачи данных по электрической проводке. Да, в мире немало людей, столкнувшихся с этим явлением лицом к лицу, кто-то, возможно, только собирается познакомиться с технологиями, открывающими такие возможности, для кого-то это уже состоявшийся удачный или неудачный опыт, а для кого-то - вчерашний день.

Итак, PLC. К сожалению, информации в сети не так много, как о том же Ethernet или Wi-Fi. Данной статьей постараюсь ответить на наиболее популярные вопросы некогда интересовавшие меня самого. PLC (Power Line Communication) - коммуникационная сеть, транспортом которой является обычная электропроводка квартиры, офиса или предприятия. Сети такого рода можно использовать для передачи данных и голоса. Электрический кабель буквально окружает современного человека. Он есть в домах, офисах и предприятиях, общественных местах. И это не удивительно, ведь провода являются единственным средством доставки электрического тока потребителю. Зачастую к электрифицированным объектам подходит не один, а несколько питающих кабелей. Связано это с использованием нескольких электрических фаз или дополнительных линий питания.

Само собой разумеется, что об использовании электрического кабеля, как средства коммуникации, задумывались давно. При реализации этой затеи подключение к сети сводилось бы к подключению вилки адаптера к розетке. Как следствие, была разработана новая спецификация, в основу которой легли разработки PLC и DPL (Digital PowerLine), которые велись ранее. Создана она была усилиями группы компаний, таких как Siemens, Nortel, Motorola и др., образовавших собой HomePlug Powerline Alliance . С появлением стандартов HomePlug 1.0, а затем и HomePlug AV PLC устройства в режиме BPL (Broadband over Power Lines — широкополосная передача через линии электропередачи) стали способны обмениваться данными на скорости до 200Мб/с.

Где же можно использовать технологию Power Line Communication? При правильном применении почти где угодно, но, главным образом, данная технология используется для организации локальной сети дома и офиса, а также в качестве технологии доступа на провайдерском уровне. К достоинствам данной технологии можно отнести легкую масштабируемость сети, возможность реализации системы "умный дом" (наподобие технологии Z-Wave :)), отсутствие дополнительных отверстий в стене и кабеля в квартире/доме.

История

На заре развития электрических сетей встал вопрос об организации обмена диспетчерской информацией между энергетическими узлами. Наиболее рациональным было использование уже имеющихся линий электропередач, нежели строительство отдельных телеграфных линий. Уже в начале 20-го столетия в США для обмена телеграфной информацией использовали ЛЭП постоянного тока. С развитием радиосвязи стало возможным использовать в этих же целях и сети переменного тока.

В настоящее время обмен диспетчерской информацией по линиям электропередач широко применяется как один из основных видов связи. Приемопередатчик подключается к ЛЭП через фильтр присоединения, образованный из конденсатора малой емкости (2200 — 6800 пикофарад), и высокочастотного трансформатора (автотрансформатора). Подобная система позволяет передавать как голосовую информацию, так и данные телеметрии и телеуправления. Идея технологии PLC заключается в использовании силовых линий для высокоскоростного информационного обмена.

Как выяснилось в процессе разработки и последующей эксплуатации, узким местом технологии являлась слабая помехозащищенность и низкая скорость передачи данных. В марте 2000 года результатом объединения нескольких крупнейших телекоммуникационных компаний стал HomePlug Powerline Alliance, организованный с целью совместного исследования, разработки и проведения испытаний, кроме того было решено принять единый стандарт на передачу данных по системам электропитания. Кстати, на настоящий момент в состав HomePlug Powerline Alliance входит более сотни организаций.

Прототипом PowerLine является технология PowerPacket фирмы Intellon, которая легла в основу единого стандарта HomePlug1.0 (принят альянсом HomePlug 26 июня 2001 года), в нем была определена скорость передачи данных до 14 Мб/сек. Однако на данный момент стандарт HomePlug AV поднял скорость передачи данных до 200 Мбит/с. А новый стандарт G.hn в ближайший год расширит полосу до 1 Гбит/с.

Стоит заметить, что HomePlug не единственный пакет существующих спецификаций. Помимо HomePlug имеются и другие — это широкополосная технология, поддерживаемая международной ассоциацией UPA (Universal Powerline Association), а также технология с одноименным названием, которая была разработана рядом влиятельных японских компаний, объединившихся в альянс HD-PLC (High-Definition Powerline Communications). В Европе вклад в разработку PLC-технологии внес альянс OPERA (Open PLC European Research Alliance). Кратко расскажу о них.

OPERA

OPERA был основан европейскими компаниями-производителями и университетами в 2004 г. Альянс насчитывает более 40 участников. Целью были исследования и разработки в области интегрированных PLC-сетей для организации широкополосного доступа.

В 2006 году завершился первый проект альянса. Результатом завершения стал выход первой версии стандарта, которым поспешили воспользоваться многие производители PLC-оборудования. С января 2007 г. стартовал второй этап проекта, завершившийся в декабре 2008 г. Целью проекта стала разработка спецификаций, обеспечивающих возможность работы широкополосных систем с использованием в качестве физической среды существующей электропроводки. Отсюда и другое название — BPL (Broadband over Power Line).

BPL-технология обеспечивает высокоскоростную передачу данных (потоковое видео, IP-телефония и т.п.), а также организацию домашних локальных сетей. В число участников второго этапа проекта вошли ведущие европейские университеты Swiss Federal Institute of Technology (Швейцария), University of Dresden и University of Karlsruhe (Германия) и др., крупные технологические компании-разработчики DS2 (Испания) и CTI (Швейцария), а также европейские PLC-операторы EDEV-CPL (Франция), ONI (Португалия), PPC (Германия), коммунальные предприятия и OEM-производители — всего 26 участников. В основе предложенных альянсом спецификаций лежит технология, разработанная испанской компанией DS2, которая первой представила коммерческие микросхемы PLC-модемов, обеспечивающие пропускную способность канала связи на физическом уровне до 200 Мбит/с. Здесь предусматривается передача данных в полосе частот 10, 20 или 30 МГц. Способ модуляции — OFDM, число поднесущих — 1536. Для модуляции поднесущих используется модуляция типа ADPSK (Amplitude Differential Phase Shift Keying — амплитудно-дифференциальная фазовая манипуляция), что обеспечивает передачу до 10 бит на каждой поднесущей. Теоретически достижимая скорость передачи данных составляет 205 Мбит/с.

UPA

UPA была основана в 2004 г. В ее состав вошли ведущие производители электронного оборудования и исследовательские центры: Analog Devices, Ambient, Buffalo, Comtrend, Corinex, D-Link, NETGEAR, Korea Electrotechnology Research Institute, Toshiba и др. Целью ассоциации была разработка стандартов и нормативных документов, определяющих различные аспекты процесса передачи данных для ускорения развития PLC-рынка и продвижения систем передачи данных по электросетям на правительственном и корпоративном уровнях. Один из аспектов выполняемой UPA сертификации — совместная работа оборудования разных стандартов при использовании одной и той же физической среды передачи данных, т.е., к примеру, одновременное использование одной электросети для передачи потоков данных в соответствии со стандартами HomePlug и OPERA. Ассоциация UPA поддерживает основные спецификации, предложенные альянсом OPERA.

HD-PLC

HD-PLC основан японской корпорацией Panasonic Corporation, в состав которой вошли такие компании как AOpen, Advanced Communications Networks, Icron Technologies Corporation, I-O DATA DEVICE, Analog Devices, APTEL, Audiovox Accessories Corporation, Buffalo, OKI, Kawasaki Microelectronics, OMURON NOHGATA, Murata и др. Предложенная корпорацией Panasonic широкополосная технология HD-PLC предназначена для организации высокоскоростной передачи и приема данных по электросети и поддерживается альянсом CEPCA (Consumer Electronics Powerline Communication Alliance).

Этот альянс был образован в 2005 г. влиятельными японскими корпорациями Panasonic, Sony, Toshiba, Mitsubishi, Sanyo и Yamaha. Одно из направлений деятельности CEPCA — объединение усилий по разработке технологии, совместимой с различными стандартами, что потенциально позволит объединить сети передачи мультимедийных данных в пределах квартиры или здания. Конкурентами технологии HD-PLC являются технологии, продвигаемые ассоциациями HomePlug и UPA. Отличительной особенностью технологии HD-PLC является предложенный способ синтеза OFDM-сигнала. В отличие от принятого, к примеру, в технологии HomePlug AV способа формирования OFDM-сигнала с помощью инверсного быстрого преобразования Фурье (FFT), в технологии HD-PLC авторы предложили использовать Wavelet-преобразования. Wavelet OFDM — широкополосная технология передачи данных с использованием электросети, отличающаяся высокой спектральной эффективностью. В этой технологии для синтеза OFDM-сигнала используются Wavelet-преобразования. При этом теоретически достижимая скорость передачи данных составляет 210 Мбит/с.

Участники

Нужно понимать, что все перечисленные альянсы и ассоциации - это своего рода "клубы по интересам", ядро которых составляют несколько крупных производителей интегральных микросхем, преследующих коммерческую выгоду. На периферии же находятся производители модемов и прочего оборудования. Так были сформированы "некоммерческие" организации, развивающие и пропагандирующие "независимый от производителя" стандарт.

Ядро Homeplug Powerline Alliance составляют компании Cisco, Intel, LG, Motorola, Texas Instruments. Именно они являются союзниками компании Intellon, которая отражает американское направление развития данной технологии. Европейское же направление определяет компания DS2 поддерживаемая Европейским Союзом в рамках проекта OPERA. Более двух десятков компаний-партнеров DS2 объединились в ассоциацию UPA, в состав которой входят Buffalo, Corinex, D-Link, Intersil, Netgear, Toshiba и другие компании. Корпорация Panasonic в своих разработках придерживается спецификаций промышленного альянса CEPCA. На этот же стандарт ориентируются такие компании как Hitachi, Mitsubishi, Philips, Pioneer, Sanyo, Sony и др. К числу влиятельных международных организаций по стандартизации, несомненно, относятся Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и международный союз электросвязи и стандартизации (ITU). В состав этих организаций входят представители ведущих компаний многих стран мира.

В декабре 2008 г. институтом стандартизации ITU-T был принят международный стандарт на высокоскоростную передачу данных по линиям электросетей, телефонным и коаксиальным кабелям. Новый стандарт ITU-T (G.9960), называемый также G.hn, — это пакет спецификаций канального и физического уровней, который унифицирует принцип построения проводных домашних сетей. В конце 2008 г. впервые появился международный стандарт, позволяющий в полной мере использовать потенциал проводных сетей, в которых в качестве физической среды передачи данных используются линии электросети, коаксиальный или телефонный кабели. За обеспечением совместимости всех сетей, созданных на базе G.hn, наблюдает некоммерческая организация Home Grid Forum, одним из основателей которой является компания DS2.

В конце 2008 г. компания DS2 объявила о намерении разработать микросхему PLC-модема, совместимую со спецификациями G.hn, UPA и OPERA. В июле 2005 г. институт IEEE объявил о создании рабочей группы, которая будет заниматься подготовкой стандарта Broadband PowerLine. Объектом изучения были приняты конкурирующие и несовместимые между собой спецификации использования электросетей для высокоскоростной передачи данных. Спецификации были представлены альянсом HomePlug Powerline Alliance, корпорацией Panasonic и компанией DS2.

В результате был одобрен первый проект стандарта: IEEE P1901 Draft Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifications. В проекте стандарта предусматривается возможность использования на физическом уровне двух несовместимых между собой способов модуляции (FFT OFDM и Wavelet OFDM). Более того, допускалась возможность использования двух несовместимых между собой методов прямой коррекции ошибок.

Один из них базируется на сверточных турбокодах, во втором используются коды LDPC — коды с малой плотностью проверок на четность. В настоящее время турбокоды применяются в системах спутниковой и мобильной связи, беспроводного широкополосного доступа и цифрового телевидения. В проекте стандарта отсутствуют ссылки на использование технологии, предложенной компанией DS2, а принятые за основу два варианта PHY существенно различаются между собой. В результате оборудование с разными видами модуляции не может взаимодействовать в одной сети, хотя оно и будет соответствовать требованиям стандарта IEEE P1901. При написании были использованы материала этого сайта .

В теории

Основой технологии PowerLine является использование частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбирается на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в один сигнал.

При частотном мультиплексировании (FDM - Frequency-Division Multiplexing) доступный спектр расходуется неэффективно. Связано это с наличием защитных интервалов (Guard Band) между поднесущими. Наличие защитных интервалов необходимо для предотвращения взаимного влияния сигналов.

Поэтому используется ортогональное частотно-разделенное мультиплексирование (OFDM). Идея заключается в размещении центров поднесущих частот так, что пик каждого последующего сигнала совпадает с нулевым значением предыдущего. Как видно, доступная полоса частот при использовании OFDM расходуется более эффективно.

Перед объединением в один сигнал отдельные поднесущие частоты подвергаются фазовой модуляции - каждая своей последовательностью бит.

Затем наступает черед PowerPacket engine, в котором поднесущие собираются в единый информационный пакет (OFDM-symbol). В технологии PowerLine используются 1536 поднесущие частоты с выделением 84 наилучших в диапазоне 2-32 Мгц. Любая технология передачи данных нуждается в адаптации к физической среде, значит ей нужны средства обнаружения и устранения ошибок и конфликтов. PLC не исключение. При передаче сигналов по бытовой сети могут возникать большие затухания на определенных частотах, что приведет к потере данных. В технологии Powerline предусмотрен специальный метод решения этой проблемы - динамическое выключение и включение передачи сигнала (dynamically turning off and on data-carrying signals). Суть метода заключается в постоянном мониторинге канала с целью выявления участка спектра с превышением максимального порога затухания. В случае обнаружения такого участка передача данных в проблемном диапазоне частот прекращается до восстановления приемлемого значения затухания.

Сила технологии PowerLine, заключающаяся в использовании широкого спектра частот, одновременно является ее слабым местом. В различных странах спектр запрещенных для использования частот строго регламентирован. Работая, PLC-устройство способно "заглушить" радиоприем в используемом спектре. Эту проблему хорошо знают радиолюбители. Поэтому использование OFDM и широкого диапазона частот придают технологии PowerLine гибкость при использовании в различных условиях. Технически это реализуется путем настроек, так называемых Signal Mode и Power Mask на устройствах (в которых предусмотрена соответствующая возможность). Signal Mode - программный метод определения рабочего диапазона частот. Power Mask - программный метод ограничения спектра используемых частот. За счет этого устройства PowerLine могут спокойно сосуществовать в одной физической среде и не зашумлять диапазоны частот используемых радиолюбителями.

Другой существенной проблемой, теперь уже для самих устройств PLC, являются импульсные помехи, источниками которых могут быть различные зарядные устройства, галогеновые лампы, включение или выключение различных электроприборов.

Сложность ситуации заключается в том, что, используя вышеописанный метод, устройство PLC не успевает адаптироваться к быстроизменяющимся условиям, ведь их длительность может быть равна одной микросекунде и меньше. Для решения подобной проблемы используется каскадное кодирование битовых потоков перед их модуляцией и последующей передачей в сеть. Суть помехоустойчивого кодирования состоит в добавлении в исходный информационный поток избыточных 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, что значительно увеличивает целостность передаваемых данных.

Кроме того, помехоустойчивое кодирование увеличивает безопасность передаваемой информации в общей среде передачи. Так как в качестве среды передачи данных выбрана сеть бытового электропитания, то в один момент времени передачу могут начать сразу несколько устройств. Для разрешения коллизий используется метод CSMA/CA. Благодаря добавлению в кадры данных, передаваемых в сетях PowerLine, полей приоритезации, стало возможным передавать голос и видео через IP.

На практике

HomePlug 1.0

Первая «электрическая» спецификация стандарта HomePlug была разработана и принята уже после года работы альянса - в середине 2001 года. Данная спецификация описывает следующие правила функционирования локальной сети:

• в качестве сетевой топологии используется «шина»;
• максимальная скорость передачи данных составляет 14 Мбит/с;
• максимальный диаметр сети составляет 100 м (на практике расстояние может составлять более 1000 м, но с более низкой скоростью передачи данных);
• допускается применение репитеров, что позволяет увеличить расстояния передачи данных до 10 000 м;
• используются адаптивные механизмы изменения частоты или отключения определённых каналов при обнаружении сильных помех;
• применяется сервис качества QoS (Quality of Service) с четырьмя уровнями качества доставки;
• для шифрования данных используется метод DES с 56-битным ключом шифрования.

По прошествии небольшого промежутка времени появилась неофициальная версия HomePlug 1.0 с пометкой Turbo, технические характеристики которой повторяли характеристики HomePlug 1.0 с единственным, но значительным отличием: скорость передачи данных была увеличена до 85 Мбит/с.

HomePlug AV

Принятие в 2005 году спецификации HomePlug AV стало знаменательным событием, поскольку позволило использовать этот стандарт для работы с большими потоками информации, например с видеопотоком в HD-качестве (HDTV). Если проанализировать данную спецификацию детально, то можно заметить, что при ее разработке были пересмотрены многие подходы, которые применялись при разработке спецификаций HomePlug 1.0 и HomePlug 1.0 Turbo. Спецификация HomePlug AV имеет следующие возможности:

• максимальная скорость передачи данных составляет 200 Мбит/с;
• передача данных ведется в диапазонах частот 2-28 МГц и 4-32 МГц;
• используется метод доступа к передающей среде CSMA/CA;
• применяется сервис качества QoS (Quality of Service);
• для шифрования данных используется технология AES со 128-битным ключом шифрования.

В настоящее время подавляющее большинство конечных подключений осуществляется посредством прокладки кабеля от высокоскоростной линии до квартиры или офиса пользователя. Это наиболее дешевое и надежное решение, но если прокладка кабеля невозможна, то можно воспользоваться имеющейся в каждом здании системой силовых электрических коммуникаций. При этом любая электрическая розетка в здании может стать точкой выхода в Интернет. От пользователя требуется только наличие PowerLine-модема для связи с аналогичным устройством, установленным, как правило, в электрощитовой здания и подключенным к высокоскоростному каналу.

А также, PLC идеальное решение последней мили в коттеджных посёлках и в малоэтажной застройке, в связи с тем, что организация альтернативных каналов связи выходит в стоимости в 4 и более раз дороже, чем готовая электропроводка.

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. Часто встречается ситуация, когда необходимо включить в уже существующую сеть удаленный компьютер или сетевой принтер, расположенный в другой комнате или в другом конце здания. Такая проблема легко решается с помощью PowerLine-адаптеров.

PowerLine-технология может быть использована при реализации идеи «умного дома», где вся бытовая электроника связана в единую информационную сеть с возможностью централизованного управления. Благодаря тому, что PLC использует готовые коммуникации, PowerLine-технология может быть использована в автоматизации технологических процессов, связывая блоки автоматизации по электропроводам или другим видам проводов. В связи с тем, что PLC может работать на различных проводах (не обязательно электрических), становится возможным применение технологии в охранных пожарных системах, а также для организации систем видеонаблюдения.

Имеются и отрицательные стороны: например, необходимость подключения всех адаптеров локальной сети к одной фазе. К ним также относится недостаток топологии «шина» - скорость делится между всеми устройствами сети.

Приведу пример реализации технологии в сети интернет-провайдера. Существуют различные варианты реализации технологии.

Я расскажу об одном, возможно самом простом. Подключение к Ethernet коммутаторам не представляет из себя чего-то необычного. PLC-контроллер устанавливается в ящик вместе с коммутатором на доме. Подключаются они друг к другу стандартным патч-кордом в 100мб/с FastEthernet порты. Ящик, в зависимости от модели PLC-контроллера или Head End"а (далее HE), может выглядеть по-разному.

PLC-сигнал передается по коаксиальному кабелю, который, с одной стороны, подключается к НЕ, с другой, к сплиттеру. Сплиттер - это своего рода переходник, используемый для подключения нескольких НЕ в доме. Такая необходимость может возникнуть при большом количестве подключений или при высоких требованиях к пропускной способности канала связи.

В случае использования нескольких НЕ производятся настройки Power Mask c выбором Signal Mode. Принятие этой меры необходимо для однозначного определения актуального НЕ для конкретного CPE клиента. В противном случае будет возникать ситуация с переключением CPE между HE, а значит и переавторизацией после каждого переключения.

Количество переключений определяется стабильностью связи между HE и CPE. С настройкой Signal Mode сильно разгуляться не выйдет, там всего несколько вариантов, а вот Power Mask можно настраивать достаточно гибко. В распоряжении инженера 256 битное поле данных, в рамках которого можно разрешать или запрещать работу в том или ином спектре частот. На данном этапе мы имеем две независимых сети: электрическую и сеть данных. Как же получить сеть способную передавать данные через вожделенную среду? Тут не обойтись без устройства "вливающего" PLC сигнал в электрические провода. Таким устройством является инжектор или, как его еще называют, каплер, а процесс "вливания" - инжектирование.

Для соединения коаксиальных кабелей используются специальные соединители.

Инжектировать можно и с помощью ферритовых колец. Да, не только фильтрами защищающими от шумов они могут быть. Тут стоит сказать, что далеко не каждый феррит подходит, а монтаж далеко не так прост, как хотелось бы. В результате монтажа ферритового кольца, сигнал инжектируется, но результат будет однозначно хуже, чем при использовании каплера.

После этого конечный пользователь уже может получить доступ к сети через электрическую розетку. Но ключевое слово здесь "может". Существует множество факторов влияющих на уровень сигнала и на возможность передачи данных по электрической сети. Их нужно выявлять путем замеров уровня сигнала на разных участках сети и устранять наиболее подходящим способом. Обычно это высокий уровень шумов на нижних этажах, например, девятиэтажного здания, или сильная зашумленность, в участке электрической цепи после УЗО (в направлении к потребителю). В этих ситуациях эффективно использовать шунт, который является своего рода "обходным путем" для PLC сигнала передаваемого в электросети. При слабом сигнале можно сделать дополнительное инжектирование при помощи все того же ферритового кольца или каплера. В конечном счете, схема подключения выглядит примерно так:

В сухом остатке

В заключении скажу, что технология PowerLine таит в себе множество подводных камней и не так проста в реализации и использовании, как о ней пишет производитель. Вполне неплохо данная технология подойдет в использовании на предприятиях для управления автоматизированными линиями. Строить локальную сеть дома на подобной технологии, наверное, экономически невыгодно, ведь один из самых дешевых PLC-адаптеров стоит порядка 1200 рублей. Следует учесть, что устройств нужно минимум два, а значит, сумма решения возрастает уже до двух с половиной тысяч рублей, при этом нет гарантии, что такая сеть будет работать стабильно 24х7. Но тут, как говорится, каждый решает сам, что для него приемлемо.

Что же касается использования Power Line в сети провайдера, то, скорее всего, время PLC уже прошло. В первую очередь, потому что комфортно работать в сети могут 1-15 пользователей, дальше могут начаться проблемы со скоростью и стабильностью подключения. В настоящее время ситуация когда НЕ перегружен редкость, т.к. большинство домов, вошедших в зону покрытия сети, подключены по технологии Ethernet. У PLC есть одно серьезное преимущество: услуга готова предоставиться любому потенциальному клиенту. Что это значит?

Если сравнивать с тем же Ethernet, то клиент сначала должен оставить заявку, заключить договор на предоставление услуг, после чего придут монтажники, просверлят, протянут, обожмут и готово - услугой можно пользоваться. С PLC иначе. Клиент делает заявку по телефону, на сайте, либо через ICQ, в конце концов, он может просто прийти в офис продаж для заключения договора и получения оборудования. Инсталляция оборудования крайне проста: нужно включить модем в розетку. По истечении 10 минут подключение уже будет работать (если, конечно, нет проблем с сигналом в квартире). При этом пользователь и не подозревает, что модем устанавливает связь с НЕ, авторизуется на RADIUS, вносится в базу данных, за ним закрепляются конфигурационные параметры, формируемые в виде отдельного конфигурационного файла, которые модем загружает и применяет. И только после этого клиентское оборудование получает ip адрес, с которым может работать в сети. С этого момента оборудование считается инсталлированым. Последующие подключения за этим же HE осуществляются менее чем за минуту.

При использовании CPE за другим HE (другой адрес или другой подъезд) инсталлировать оборудование придется повторно. Процесс проходит настолько гладко, что некоторые пользователи и не догадываются о том, сколько сотен метров кабелей и различного рода устройств, от НЕ до BGW, за их модемом.

Однажды обратился клиент и раздраженно недоумевал, как это так, у него не заработал интернет на даче. У себя дома и у друзей с его модемом ведь все работает! И это не единичный случай, бывали клиенты, переезжающие даже в другой город с оборудованием, выданным им во временное пользование. На просьбу сдать оборудование последовал ответ, дескать нет времени, кроме того клиент собирался продолжить использование этого оборудования. Оператор попытался убедить клиента все-таки отдать оборудование компании, аргументировав тем, что оно для него все равно бесполезно, и подключиться к интернету там, в другом городе, не удастся. Ответ был преисполнен сарказма: "Розетки там тоже есть". Ну что тут скажешь...

К плюсам технологии PLC можно отнести то, что мощность передатчика составляет 75 мВт, а это позволяет избежать регистрации оборудования как радиочастотного. Почему это важно? Нам, простым смертным, не стоит забывать о радиолюбителях, чьи интересы охраняются законодательством и в случае ущемления прав или зашумления избранного радиочастотного диапазона, на их защиту встанет Роспотребнадзор. О сложившихся баталиях и инженерных решениях можно написать отдельную большую статью. Скажу лишь то, что топор войны зарыт, шаткий мир поддерживается оперативным реагированием инженеров на обращения радиолюбителей.

Теперь очередь недостатков технологии. Помимо стоимости оборудования, это еще и зависимость от количества работающих CPE за одним HE. Это обстоятельство определяется шинной топологией сети. Не нужно забывать о высокочастотных шумах, появляющихся в сети вследствии включения электроприборов или при использовании импульсных блоков питания, энергосберегающих ламп и т.п. В некоторых случаях придется буквально выбирать: или подключение к сети в темноте или без интернета, но в освещенной комнате. Ирония иронией, но все это кажется смешным до тех пор пока не придется столкнуться с проблемой лицом к лицу. Кроме того, на качество и скорость связи оказывает отрицательное влияние качество электропроводки, наличие скруток (снижение скорости до полного пропадания) тип, мощность бытовых электроприборов и устройств.

Надеюсь, что материал, представленный в данной статье, даст ответы на некоторые вопросы, возможно, возбудит здоровый интерес к технологии.

Приборы учета электроэнергии становятся все более удобными и совершенными. Сегодня потребители могут и трехфазный, одно- и многотарифный, соответствующие требованиям о высокой точности сбора показаний. А с недавнего времени в эксплуатацию начали вводить устройства с интегрированным PLC-модемом. Какими характеристиками и преимуществами обладает новое оборудование?

Плюсы счетчиков с PLC-модемом

В европейских странах технология PLC (Power Line Communication Modem), позволяющая передавать данные по электрической сети, известна уже давно. В России применять ее начали порядка 10 лет назад, а на сегодняшний день в Санкт-Петербурге купить счетчик электроэнергии с PLC-модемом можно практически в любом специализированном магазине. Суть заключается в том, что информация о потреблении электроэнергии автоматически передается в центральный пункт сбора данных. Среди других преимуществ этих устройств стоит выделить следующие.

• Простота монтажа и эксплуатации. Для установки не нужно прокладывать отдельные кабеля, сверлить стены, использовать специальные инструменты и навыки.
• Связь по силовым линиям более стабильна, чем Wi-Fi.
• Удобна для пользователей (автоматическая передача показаний счетчика) и ресурсоснабжающих организаций (высокая точность переданных от потребителей данных, возможность вычислять суточное количество потраченной энергии и собирать другую статистическую информацию).

Преимущества PLC-модемов очевидны, поэтому все больше потребителей предпочитает покупать электрические счетчики однофазные или трехфазные с поддержкой этой новой технологии. А есть ли у приборов учета с PLC-недостатки?

Минусы счетчиков с PLC модемом

В нашей стране электрические сети – одна из самых распространенных и разветвленных структур. С этой точки зрения передача данных по силовым линиям является наиболее удобной и доступной. Однако изначально сети не были предназначены для подобных операций, поэтому на практике встречаются определенные препятствия.

• Изношенность сетей приводит к появлению шумов и помех.
• Качество связи снижает срок использования некоторых приборов, например, энергосберегающих ламп, импульсных источников питания.
• Пропускную способность сети приходится делить между всеми ее потребителями.

На сегодняшний день в системах передачи информации успешно сосуществуют различные проводные и беспроводные интерфейсы. В последнее время активно развивается отдельный сегмент передачи и сбора данных — интеллектуальные сети, предназначенные для учета энергоресурсов (Smart Grid). Такие сети позволяют обеспечить двухсторонний обмен информацией между потребителем и производителем/поставщиком энергоресурсов. Это, в свою очередь, позволяет не только контролировать энергозатраты, но и оптимизировать потребление энергии за счет распределения и снижения пиковой нагрузки, локализации энергопотерь, повышения надежности и т.д.

На физическом уровне «интелектуалльные» сети строятся с использованием как стандартных проводных (UART, RS-485 и т.д) и беспроводных (ZigBee, 6LoWPAN и др.) интерфейсов, так и других интерфейсов, таких, как системы передачи данных по силовым электропроводам, системы передачи данных с использованием GSM-канала и пр. Различные способы передачи данных могут успешно использоваться в пределах одной сети. Например, для счетчиков расхода воды, газа или тепла наиболее логичным является создание автономных устройств на базе микроконтроллеров со сверхнизким энергопотреблением (серий MSP430), объединяющихся в беспроводные сети, с питанием от мощных литиевых батарей. А для счетчиков электроэнергии уместным будет решение с использованием силовой сети как для питания самих счетчиков, так и для передачи данных посредством той же сети (Power Line Communication, PLC).

Следует отметить, что PLC-модемы активно используются не только в системах энергоучета, но и в системах управления освещением, бытовой и промышленной автоматикой. Их популярность обусловлена тем, что такие решения позволяют использовать уже существующую инфраструктуру и реализовать систему передачи данных без дополнительных затрат на реализацию новых физических каналов связи, так как для передачи данных используются провода силовых сетей, а переменное сетевое напряжение выступает в качестве несущей частоты.

Тип модуляции

Для передачи данных в системах PLC используют различные типы модуляций. Наиболее распространенными являются следующие четыре: частотная манипуляция (Frequency Shift Keying, FSK), частотная манипуляция с разнесенными частотами (Spread Frequency Shift Keying, S-FSK), двоичная фазовая манипуляция (Binary Phase Shift Keying, BPSK) и ортогональное мультиплексирование с частотным разделением каналов (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). В таблице 1 приведено сравнение различных типов модуляций на основании двух главных критериев — эффективности использования полосы частот и сложности реализации.

Таблица 1. Сравнение эффективности и сложности реализации в зависимости от типа модуляции

Тип модуляции	Эффективность использования полосы частот	Сложность реализации
FSK	средняя	низкая
BFSK	средняя	низкая
SFSK	низкая	средняя
OFDM	высокая	высокая

В частности, при помощи OFDM можно достичь высоких скоростей, что взамен потребует дополнительных вычислительных ресурсов для реализации необходимых алгоритмов. С другой стороны, BPSK и FSK легко реализуются, но обеспечивают низкие скорости и более подвержены внешним помехам. Спектры частот, иллюстрирующие эффективность использования частотного диапазона, показаны на рисунке 1. На сегодняшний день намечается тенденция к использованию OFDM с PSK.

Рис. 1.

OFDM-модуляция основана на многочастотном алгоритме Discrete Multi Tone (DMT), который был разработан и запатентован специалистами из Amati Communications (ныне Internet Access group, подразделение Texas Instruments) в начале 1990-х.

Алгоритм DMT построен по принципу разделения всего диапазона частот, используемого для обмена данными, на несколько участков шириной по 4,3125 кГц, которые используются для независимой передачи данных. При передаче данных информация распределяется между независимыми каналами пропорционально их пропускной способности. При приеме выполняется демультиплексирование каналов и восстановление исходного информационного потока. Для повышения качества связи передатчик, исходя из уровня помех в частотном диапазоне участка, выбирает подходящую модуляционную схему и скорость передачи. На каналах с малым уровнем шумов часто используются алгоритмы QAM 64, а на более зашумленных каналах — более простые алгоритмы, например QPSK. Кроме того, некоторые из поднесущих частот можно отключать, если в этих частотных диапазонах имеются импульсные помехи.

К достоинствам OFDM можно отнести высокую скорость передачи данных и способность отстраиваться от помех в линии. Еще одним достоинством алгоритма OFDM является наличие для него стандартов ITU и ANSI. Недостатком метода является невозможность избирательной адаптации пропускной способности элементарных каналов к частотным характеристикам линии. Элементарные частотные каналы OFDM разделяются заградительными интервалами. При увеличении числа элементарных частотных каналов пропорционально увеличивается ширина частотного интервала, который не может быть использован непосредственно для передачи данных.

Стандарты и частоты

При разработке PLC-систем необходимо также учитывать дополнительные требования по соответствию существующим стандартам (IEC61 334, PRIME, G3) или местным регуляторным требованиям (CENELEC, FCC, ARIB). Ниже в таблице 2 приведены требования по использованию частот в основных регионах.

Таблица 2. Регуляторные инструкции

Регион	Инструкция	Диапазон частот, кГц	Примечания
Европа	CENELEC	3…95 95…125 125…140 140…148,5	A - для поставщиков электроэнергии B - для пользовательских приложений C - для пользовательских приложений D - для пользовательских приложений
США	FCC	10…490	-
Япония	ARIB	10…450	-
Китай	EPRI	3…500 (3…90)	-

Европейский стандарт для узкополосной низкочастотной передачи данных по PLC-каналам определяет четыре основные сетки частот. Для сеток Cenelec A, B, D уровень протокола определяется стандартами или патентами. Для сетки Cenelec C определен доступ по стандарту CSMA (Carrier Sense Multiple Access — множественный доступ с контролем несущей).

Обзор решений TI для PLC

Учитывая разнообразные требования для реализации систем на базе PLC, Texas Instruments предлагает решения как для реализации стандартных (PRIME и G3), так и собственных протоколов (FlexOFDM) (таблица 3).

Таблица 3. Решения TI для реализации различных стандартов

Стандарт	Тип модуляции	Диапазон частот, кГц	Скорость обмена данными, кБод	Целевой процессор	Аналоговая подсистема
IEC 61334 (G1)	SFSK	60…76	1,2…2,4	F28027	AFE030/AFE031
PRIME	OFDM	42…90	21…128	F28069/F28M35x	AFE031
ERDF G3	OFDM	35…90	5,6…45	F28069/F28M35x	AFE031
P1901.2/G3 FCC	OFDM	35…450	34…234	F28M35x	AFE03х
PLCLite (патент TI)	OFDM	42…90	2,4…21	F28035/F28027	AFE031
FlexOFDM (патент TI)	OFDM	<10…FCC*	2,4…128	F28069/F28M35x	AFE031
* - ограничен местными регуляторными требованиями.

Отличительной особенностью решений, предлагаемых TI, являются гибкость и масштабируемость реализации. Оба этих принципа обеспечиваются за счет полной программируемости и модифицируемости для требований конкретной задачи.

Гибкость обеспечивается за счет использования схемной архитектуры, основанной на использовании двух микросхем: сигнального процессора семейства C2000 (Piccolo и Concerto ) и отдельной микросхемы для предварительной обработки аналогового сигнала (AFE03x ). Такой подход гарантирует полную программируемость решения за счет использования процессоров F28x (MAC и PHY) и обеспечивает возможность работы как в режиме S-FSK, так и в режиме низкочастотной узкополосной OFDM-модуляции для стандартов PRIME, G3 и FlexOFDM. Развитие номенклатуры TI для решения задач PLC показано на рисунке 2.

Рис. 2.

На рисунке 3 показана блок-диаграмма решения для PLC-модема, предлагаемого TI. Основными узлами такого решения являются микроконтроллер, выполняющий функцию цифровой обработки сигнала, аналоговая система, преобразующая цифровые данные в аналоговый сигнал для последующего приема и передачи по силовой линии, и схема согласования. Ниже рассмотрим каждый из блоков в отдельности.

Рис. 3.

Блок цифровой обработки информации (DSP)

Блок цифровой обработки информации, как правило, реализуется на сигнальных процессорах (DSP) семейства C2000 (таблица 3). Контроллеры семейства Piccolo TM позволяют достичь хорошего соотношения производительности и стоимости, обеспечивая при этом гибкость в реализации множества существующих протоколов.

TMDSSGI-EVML138 — платформа для разработки приложений для интеллектуальных сетей, включая приложения для измерения качества электроэнергии, концентраторы данных, защиты электропитания и т.д. Даная плата построена на базе процессора OMAPL138 и предусматривает возможность подсоединения дополнительных RF- и PLC-модулей для создания сети.

Также TI представляет данные типового проекта, включая принципиальную схему и информацию для изготовления печатной платы (рис. 6).

Рис. 6.

В качестве базы для разработки программного обеспечения предлагается среда для разработки plcSUITE (рис. 7). PlcSUITE представляет собой набор модулей для реализации различных протоколов (PRIME, G3 и FlexOFDM) и разработки приложений, что дает разработчику возможность получить максимум гибкости при тестировании и проектировании PLC-модемов. Использование готовых библиотек упрощает процесс реализации протоколов.

Рис. 7.

Также на сегодняшний день TI предлагает программное обеспечение для создания концентратора PLC-сетей под свои процессоры ARM9, работающие на операционной системе Linux. Данное ПО можно использовать совместно с отладочной платой TMDSSGI-EVML138 для исследования возможностей создания PLC-сети. В будущем планируется реализовать данное ПО и под другие процессоры семейства Sitara Cortex A8.

Заключение

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 возможным требованиям 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

2. TMS320F28069 Piccolo Microcontroller. Datasheet. http://www.ti.com/lit/gpn/tms320f28069 .

3. AFE031. Powerline Communications Analog Front End. Datasheet. http://www.ti.com/lit/gpn/afe031 .

5. Андрей Самоделов. Концерт для счетчика и сети: PLC-модемы компании Texas Instruments//Новости Электроники №7/2011.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

О компании Texas Instruments

Интерфейс для подключения датчиков и исполнительных механизмов, называемый сокращённо AS–i , является коммуникационной системой, предназначенной для использования на самом нижнем уровне иерархии промышленного автоматизированного комплекса – уровне управляемого процесса. Непременный атрибут этого уровня – развитая сеть соединительных кабелей, замещается одним единственным кабелем AS-интерфейса. С помощью AS–i кабеля и ведущего устройства AS-интерфейса простейшие бинарные датчики и исполнительные устройства могут подключаться к средствам управления на полевом уровне посредством модулей AS-интерфейса.

Место AS–интерфейса в системе автоматизации

AS–interface – это наименование продуктов семейства SIMATIC, предназначенных для реализации AS–i технологии. В составе продукции для AS-интерфейса фирма выпускает интерфейсные модули ведущих устройств для ПК в промышленном исполнении и программируемых контроллеров. Номенклатура имеющихся ведущих интерфейсных модулей непрерывно расширяется.

Следующая диаграмма иллюстрирует положение, которое занимает AS-интерфейс в рамках системы автоматизированного управления.

Рисунок 1 Интерфейс AS в системах АСУ

Отличительными чертами AS-интерфейса являются следующие основные характеристики:

• AS-интерфейс оптимален для подключения бинарных датчиков и исполнительных механизмов. Кабель AS–i используется как для обмена данными между датчиками/исполнительными механизмами (ведомыми устройствами AS–i) и ведущим устройством AS–i, так и для подачи напряжения питания на датчики/исполнительные механизмы.
• Более простой и экономичный монтаж соединений. Благодаря использованию метода прокалывания изоляции упрощается монтаж кабеля и достигается высокая гибкость, необходимая для построения древовидной топологии.
• Малое время реакции: ведущему устройству AS–i требуется не более 5 мс для циклического обмена данными с 31 узлом сети.
• В качестве узлов (AS–i ведомых) кабеля AS–интерфейса могут выступать либо датчики/исполнительные механизмы со встроенным AS–i интерфейсом, либо модули AS–i, к которым можно подключить до 4 обычных бинарных датчиков/исполнительных механизмов.
• При использовании стандартных AS–i модулей на кабеле AS–i может находиться до 124 исполнительных механизмов/датчиков.
• Если используются AS–i модули с расширенным режимом адресации, с одним ведущим устройством с расширенным режимом адресации могут работать до 186 исполнительных механизмов и 248 датчиков.
• Расширенные ведущие устройства AS–интерфейса семейства SIMATIC NET обеспечивают чрезвычайно простой доступ к аналоговым датчикам/исполнительным механизмам или модулям, функционирование которых соответствует профилю ведомых устройств AS–интерфейса 7.3/7.4.

AS–i – открытый стандарт для построения сетей на уровне управляемого процесса

Электрические и механические характеристики AS–интерфейса были разработаны с участием одиннадцати компаний, специализирующихся в области бинарных датчиков и исполнительных механизмов. Спецификации доступны для всех компаний, имеющих отношение к этой области. AS–интерфейс является открытым гетерогенным стандартом. За продвижение и распространение AS–i систем отвечает «Ассоциация поддержки интерфейсов для подключения бинарных исполнительных механизмов и датчиков в шину» («Association for Promoting Interfaces with Bus Capability for Binary Actuators and Sensors» — Ассоциация AS–i). В частности, Ассоциация отвечает за спецификации, характеристики, стандартизацию, сертификацию и пользовательскую информацию общего назначения.