pls система что это
Pls система что это
Из самого названия данного класса становится ясно, что основным компонентом системы является программируемый логический контроллер. Системы класса PLC чрезвычайно хороши для управления последовательностью технологических операций в процессе изготовления изделия (не продукта, а именно изделия – далее будет пояснена разница). Как правило, эти операции носят дискретный характер и требуют очень быстрой реакции со стороны автоматики. Типичным примером применения систем PLC является управление формовочной машиной для изготовления стеклотары или, например, управление аппаратом по наклейке алюминиевых крышек на пластиковые стаканчики с йогуртом. Типовые задачи систем PLC:
•Управление конвейерными производствами;
•Управление робототехникой;
•Высокоскоростное управление приводами,
•Управление позиционирующими устройствами;
•Сигнализация, оповещение;
•Управление комплектными технологическими машинами.
Для систем PLC характерно то, что они не требуют непрерывного контроля со стороны диспетчера (в отличие от SCADA и DCS), достаточно периодической проверки статуса. Уровень диспетчерского (операторского) управления развит слабо и сводится, как правило, к установке кнопочного пульта управления для запуска/останова того или иного технологического участка и отображения аварийных сигнализаций. Большую часть времени система PLC работает без надзора со стороны человека, т.е. в автоматическом (автономном) режиме. Здесь по сути PLC приближается к САУ.
Структура системы PLC довольно проста. Один или несколько программируемых логических контроллеров, объединенных в сеть с помощью цифровой шины. Обмениваясь по шине данными, контроллеры могут взаимодействовать друг с другом, что необходимо для их согласованной работы. Как уже было упомянуто, при необходимости к системе также можно подключить пульт локального управления (кнопочный или с ЖК-панелью).
На рисунке ниже изображена типовая структура системы PLC. Четыре программируемых логических контроллера объединены с единую сеть (в данном случае стандарта Industrial Ethernet). К сети также подключена ЖК-панель для простейшего локального управления и отображения аварийных сигнализаций.
Как видно из рисунка, система структурирована так, что каждая технологическая установка (машина, автомат) управляется своим контроллером. Такое технологическое разбиение характерно для данного класса систем.
Как правило, у контроллеров есть электрические входа/выхода для подключения к ним полевых датчиков, сенсоров, исполнительных механизмов (клапанов, позиционирующих устройств, различных приводов), устройств оповещения и сигнализации. Количество входов/выходов может быть как фиксировано, так и расширяемо с помощью дополнительно подключаемых модулей. Такие модули называются “модулями ввода/вывода” (IO modules). Контроллер непрерывно выполняет заложенную в него программу управления по следующему циклу: считывание сигналов с датчиков, математическая обработка данных в соответствие с определенным алгоритмом, формирование управляющего воздействия и его передача на исполнительные механизмы. При этом требуется высокое быстродействие – время выполнения всего цикла составляет не более 10-20 мс.
Следующие аспекты характерны для систем класса PLC:
•Высокоскоростное управление дискретными операциями;
•Отказоустойчивость системы управления не критична: в случае останова технологический процесс возобновляется в короткие сроки и с минимальными потерями;
•Практическое отсутствие операторского уровня – высокая степень автономности;
•Быстрая реакция на дискретные события;
•Жесткая временная синхронизация работы нескольких узлов.
ПЛК — что это такое?
Доброго времени суток, уважаемые жители Хабра!
Прочитав пост про программирование ПЛК Siemens серии S7, я залез в поиск по Хабру, и был весьма удивлен, что тема промышленной автоматики вообще, и программирования ПЛК в частности, освещена весьма и весьма скудно. Возьму на себя смелость поделиться своим опытом в данной области, описав базовые принципы программирования ПЛК, в частности, производства компании Beckhoff.
Введение
Я занимаюсь автоматизацией зданий. Сложилось так, что в основном мы строим свои системы на базе ПЛК Beckhoff. Такой выбор был сделан прежде всего потому, что эти контроллеры являются свободно-программируемыми в полном смысле этих слов. Что это значит? Возьмите контроллер TAC Xenta, например, и попробуйте на нем реализовать обмен с внешним устройством через RS232 по собственному протоколу, на уровне «байт послал — байт принял». Не получится, эти контроллеры так не умеют — используйте только те протоколы, которые в них заложил разработчик. А Beckhoff умеет. Но прежде чем лезть в такие дебри, давайте посмотрим на среду разработки? На каком, собственно, языке, мы будем писать?
Стандарт МЭК 61131-3
Промышленные ПЛК программируются на языках стандарта МЭК 61131-3. Всего этих языков 5, некоторые производители добавляют свои. Языки друг на друга совсем не похожи, и, наблюдая за коллегами, могу предположить, что выбор того или иного языка связан прежде всего с тем, чем человек занимался до того, как он пришел в эту отрасль.
Из не всеми поддерживаемых языков стоит отметить язык CFC (continuous flow chart), Beckhoff его поддерживает. Это дальнейшее развитие языка FBD, одним из наиболее существенных отличий, на мой взгляд, является поддержка явной обратной связи в схемах. Зачем это нужно? Например, вот такой генератор коротких импульсов на CFC будет работать, а на FBD – нет. 
Блок TON — это стандартный блок, таймер с задержкой включения. Логика работы: выход Q становится TRUE, когда на входе IN сигнал TRUE в течение не менее времени PT.
Самая популярная, наверное, среда разработки под ПЛК — это CoDeSys. Многие производители берут ее за основу, и либо делают к ней библиотеку для работы со своим ПЛК, либо доделывают среду под себя.
Как работает ПЛК?
Программа ПЛК работает циклично. Время цикла может быть от единиц миллисекунд до единиц секунд, в зависимости от задач, которые на этот ПЛК возложены. Большинство ПЛК позволяют задавать время цикла разработчику программы, однако в некоторых моделях такой возможности нет. Многие ПЛК, в частности Beckhoff, позволяют в одной программе создать более одной циклически выполняемой задачи, и задать приоритет для этих задач. Что нам дает эта возможность?
Представим ситуацию: ПЛК управляет вентиляционной установкой, и к нему подключена панель управления через RS232. Температура в помещениях меняется не быстро, и запускать алгоритм управления вентиляцией чаще, чем раз в 50 — 100 мс просто нет смысла. Зато панель оператора опрашивает контроллер постоянно, и задержка ответа ПЛК более 10 мс уже выражается в «притормаживании» интерфейса пользователя, а при задержке 20 мс у нас переполнится аппаратный буфер COM-порта. Наличие нескольких задач позволяет нам решить эту проблему красиво: пусть «быстрая» задача работает с COM-портом, и вызывается каждые 2 мс, а «медленная» реализует логику работы вентиляции, и вызывается каждые 50 мс. Все работает хорошо, панель оператора не тормозит, пользователь доволен.
А что у этих железок внутри?
А вот другой вариант — голова Beckhoff серии CX9000 (слева на фото) с набором модулей ввода-вывода.
Помимо всего прочего, на голове еще имеется некая шина, позволяющая объединять ПЛК в сеть, а зачастую еще и менять его программу через эту же сеть. Какая это будет сеть — зависит от ПЛК. Это могут быть и незнакомые тем, кто не сталкивался с промышленными сетями EIA-485, Profibus, CAN, а может быть и вполне привычный Ethernet. Именно через эту сеть, называемую fieldbus, и осуществляется подключение ПЛК к верхнему уровню — к СКАДА-системе, например. На фото выше хорошо видны 2 разъема 8P8C на голове Beckhoff’а — это Ethernet, а у Carel сверху слева видны (плоховато, правда) 2 разъема 6P4C — так они сделали RS-485. У этого интерфейса, к сожалению, нет общепринятого разъема.
Так все же, как под него программы писать-то?
Вообще, это тема не статьи, а целой книги. Но расскажу то, что увидел на личном опыте, и пусть это будет ложкой дегтя.
Для профессиональных программистов освоение ПЛК во многом покажется деградацией. ООП? Их нет у нас, есть только структуры, перечисления, и некое подобие класса, которое называется «функциональный блок». Что такое Private, Public и прочее, тоже можно забыть сразу — не пригодится. Из любого места вашей программы можно получить доступ к любому другому месту.
Динамическое выделение памяти? Их нет у нас совсем. Не уверен, сколько тебе пришлют данных? Выделяй буфер с запасом, и забудь про эту память — освободить ее не получится. Либо проявляй чудеса скорости и обрабатывай данные на лету, если успеешь уложиться в заданное время цикла.
Исключения? Да что вы… видел я одно чудо, которое намертво висло при выполнении конструкции вида:
Понятно, что переполнение, не влазит foo * bar в 16 бит, но зачем же виснуть-то? Да еще так, что ничего, кроме сброса по питанию не помогает.
Среда разработки? Не у всех CoDeSys, многим хочется пооригинальничать и написать что-нить свое. Одна из таких самописных сред вылетала с runtime error при попытке записать число 86400 в 16-битный INT. А вы говорите, обработка исключений на ПЛК. Ее и в среде разработки-то не всегда нормально могут сделать.
НО! Зато для любителей той тонкой грани, которая отделяет железо от программного обеспечения, софта в просторечии — это очень интересная ветвь ай-ти, правда.
Надеюсь, что этот небольшой обзор будет полезен. Если хабрасообществу будет интересна эта тема, то расскажу про ПЛК подробнее.
Введение в ПЛК: что такое программируемый логический контроллер
Программируемым логическим контроллерам уже 50 лет, но без них и сейчас невозможно представить автоматизированное производство. Начинаем публиковать цикл статей о ПЛК и об электронных компонентах, производимых компанией Texas Instruments для создания современных ПЛК.
Программируемые логические контроллеры (ПЛК) широко применяются в сфере промышленной автоматизации разнообразных технологических процессов на больших и малых предприятиях. Популярность контроллеров легко объяснима. Их применение значительно упрощает создание и эксплуатацию как сложных автоматизированных систем, так и отдельных устройств, в том числе — бытового назначения. ПЛК позволяет сократить этап разработки, упрощает процесс монтажа и отладки за счет стандартизации отдельных аппаратных и программных компонентов, а также обеспечивает повышенную надежность в процессе эксплуатации, удобный ремонт и модернизацию при необходимости.
Принято считать, что задача создания прообраза современного ПЛК возникла в конце 60-х годов прошлого столетия. В частности, в 1968 году она была сформулирована руководящими специалистами General Motors. Тогда эта компания пыталась найти замену для сложной релейной системы управления. Согласно полученному заданию на проектирование, новая система управления должна была отвечать таким критериям как:
Последующие разработки в General Motors, Allen-Bradley и других компаниях привели к созданию системы управления на базе микроконтроллеров, которая анализировала входные сигналы от технологических датчиков и управляла электроприводами исполнительных устройств.
Термин ПЛК (Programmable Logic Controller, PLC) впоследствии был определен в стандартах EN 61131 (МЭК 61131). ПЛК – это унифицированная цифровая управляющая электронная система, специально разработанная для использования в производственных условиях. ПЛК постоянно контролирует состояние устройств ввода и принимает решения на основе пользовательской программы для управления состоянием выходных устройств.
Упрощенное представление состава и принципа действия ПЛК хорошо демонстрирует рисунок 1. Из него видно, что ПЛК имеет три основные секции:
Рис. 1. Состав и принцип действия ПЛК
Имеется еще источник питания. Возможно подключение к ПЛК внешнего ПК для программирования и отладки.
Центральная секция содержит центральный процессор (ЦП), память и систему коммуникаций. Она выполняет обработку данных, принимаемых от входной секции данных, и передает результаты обработки в выходную секцию. Следует сразу отметить, что в больших ПЛК, кроме ЦП, действующего в режиме «ведущий», могут быть дополнительные «ведомые» ПЛК со своими ЦП. В качестве ЦП небольшого ПЛК используются стандартные микропроцессоры (МП). Обычно 8- и 16-разрядные МП вполне справляются со всеми стандартными задачами. Но, как отмечено в МЭК 61131, выбор конкретного МП все же зависит от задач, возлагаемых на данный тип ПЛК.
Для передачи данных другому ПЛК или для подключения к сетям передачи данных PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-Interface в распределенных системах управления сегодня используются коммуникационные процессоры, такие как DP83867IR производства Texas Instruments (TI).
Входная секция ПЛК обеспечивает ввод в центральную секцию состояния переключателей, датчиков и смарт-устройств. Через выходную секцию ЦП управляет внешними исполнительными устройствами, среди которых могут быть электромагнитные пускатели моторов, источники света, клапаны и смарт-устройства.
Типы ПЛК
Современные ПЛК, использующие инновационные технологии, далеко ушли от первых упрощенных реализаций промышленного контроллера, но заложенные в систему управления универсальные принципы были стандартизированы и успешно развиваются уже на базе новейших технологий.
Крупнейшими мировыми производителями ПЛК сегодня являются компании Siemens AG, Allen-Bradley, Rockwell Automation, Schneider Electric, Omron. Кроме них ПЛК выпускают и многие другие производители, включая российские компании ООО КОНТАР, Овен, Сегнетикс, Fastwel Групп, группа компаний Текон и другие.
Рис. 2. Моноблочные программируемые логические контроллеры
По конструктивному исполнению ПЛК делят на моноблочные (рисунок 2) и модульные. В корпусе моноблочного ПЛК наряду с ЦП, памятью и блоком питания размещается фиксированный набор входов/выходов. В модульных ПЛК используют отдельно устанавливаемые модули входов/выходов. Согласно требованиям МЭК 61131, их тип и количество могут меняться в зависимости от поставленной задачи и обновляться с течением времени. ПЛК подобной концепции представлены на рисунке 3. Подобные ПЛК могут действовать в режиме «ведущего» и расширяться «ведомыми» ПЛК через интерфейс Ethernet.
Рис. 3. Программируемые логические контроллеры с расширенными возможностями
Моноблочные функционально завершенные ПЛК могут включать в себя небольшой дисплей и кнопки управления. Дисплей предназначен для отображения текущих рабочих параметров и вводимых с помощью кнопок команд рабочих программ и технологических установок. Более сложные ПЛК комбинируются из отдельных функциональных модулей, совместно закрепляемых на стандартной монтажной рейке. В зависимости от количества обслуживаемых входов и выходов, устанавливается необходимое количество модулей ввода и вывода.
Источник питания может быть встроенным в основной блок ПЛК, но чаще выполнен в виде отдельного блока питания (БП), закрепляемого рядом на стандартной рейке. Блок питания небольшой мощности представлен на рисунке 4.
Рис. 4. Блок питания для ПЛК
Первичным источником для БП чаще всего служит промышленная сеть 24/48/110/220/400 В, 50 Гц. Другие модели БП могут использовать в качестве первичного источник постоянного напряжения на 24/48/125 В. Стандартными для промышленного оборудования и ПЛК являются выходные напряжения БП: 12, 24 и 48 В. В системах повышенной надежности возможна установка двух специальных резервированных БП для дублирования электропитания.
Для сохранения информации при аварийных отключениях сети электропитания в ПЛК используют дополнительную батарею.
Как известно, первоначальная концепция программируемого логического контроллера сформировалась во времена перехода с релейно-транзисторных систем управления промышленным оборудованием на появившиеся тогда микроконтроллеры. Подобные ПЛК с 8- и 16-разрядными МП ограниченной производительности до сих пор успешно эксплуатируются и находят новые сферы применения.
Огромный прогресс в развитии микроэлектроники затронул всю элементную базу ПЛК. У них значительно расширился диапазон функциональных возможностей. Несколько лет назад немыслимы были аналоговая обработка, визуализация технологических процессов или даже раздельное использование ресурсов ЦП в качестве непосредственного управляющего устройства. В настоящее время поддержка этих функций входит в базовую версию многих ПЛК.
Примером подобного подхода является отдельное направление в линейке продукции компании Texas Instruments. Как известно, TI не входит в число производителей ПЛК, но выпускает для них специализированные ЦП и сетевые процессоры, компоненты для создания периферийных цифровых и аналоговых модулей, контроллеры температуры, смешанные модули цифровых и аналоговых входов/выходов.
Блок схема процессора TI Sitara AM570x на рисунке 5 позволяет судить об огромной функциональной оснащенности этого ARM-процессора, работающего на частоте до 1 ГГц, поддерживающего интерфейсы CAN, I²C, McASP, McSPI, SPI, UART, USB и способного работать в диапазоне температур 0…90°С.
Рис. 5. Блок-схема процессора TI Sitara AM570x
Требования, ограничения и проблемы при проектировании и производстве ПЛК
Таким образом, становится понятно, что ПЛК — это просто особым образом спроектированная цифровая система управления на основе процессоров разной мощности и с различной функциональной оснащенностью, в зависимости от предназначения. Такую систему можно также считать специализированным мини-компьютером. Причем она изначально ориентирована на эксплуатацию в цехах промышленных предприятий, где имеется множество источников электромагнитных помех, а температура может быть как положительной, так и отрицательной. Дополнительно к минимизации воздействия вышеуказанных факторов необходимо предусмотреть и защиту от агрессивной внешней среды, включающей пыль, брызги технологических жидкостей и паровоздушные взвеси. В таких случаях предусмотрена установка ПЛК в защитные шкафы или в удаленных помещениях. Отдельные модули могут размещаться на удалении до сотен метров от основного комплекта ПЛК и эксплуатироваться при экстремальных внешних температурах. Согласно МЭК 61131, для ПЛК с наружной установкой допустима температура 5…55°C. Для устанавливаемого в закрытых шкафах ПЛК необходимо обеспечить рабочий диапазон 5…40°C при относительной влажности 10…95% (без образования конденсата).
Тип ПЛК выбирается при проектировании системы управления и зависит от поставленных задач и условий производства. В отдельных случаях это может быть моноблочный ПЛК с ограниченными функциями, имеющий достаточное количество входов и выходов. В других условиях потребуются ПЛК с расширенными возможностями, позволяющими использовать распределенную конфигурацию с удаленными модулями входа/выхода и с удаленными пультами управления технологическим процессом.
Связь между удаленными блоками и основным ядром ПЛК осуществляется через помехозащищенные полевые шины по медным кабелям и оптическим линиям связи. В отдельных случаях, например, для связи с подвижными объектами, применяют беспроводные технологии, чаще всего это сети и каналы Wi-Fi. Для взаимодействия с другими ПЛК могут применяться как широко известные интерфейсы RS-232 и RS-485, так и более помехозащищенные промышленные варианты типа Profibus и CAN.
Особенности работы и программирования ПЛК
Теперь, когда стали более понятными основные возможности ПЛК, следует выяснить способы их применения.
Система программирования является одной из примечательных и полезных особенностей ПЛК, она обеспечивает упрощенный подход к разработке управляющих программ для специалистов различного профиля.
Именно в ПЛК впервые появилась удобная возможность программирования контроллеров путем составления на экране компьютера визуальных цепей из релейных контактов для описания операторов программы (рисунок 6). Таким образом, даже весьма далекие от программирования инженеры-технологи быстро осваивают новую для себя профессию. Подобное программирование называют языком релейной логики или Ladder Diagram (LD или LAD). Задачи, решаемые при этом ПЛК, значительно расширяются за счет применения в программе функций счетчиков, таймеров и других логических блоков.
Рис. 6. Пример программной реализации электрической цепи
Задача программирования ПЛК еще более упрощается благодаря наличию пяти языков, стандартизованных для всех платформ ПЛК. Три графических и два текстовых языка программирования взаимно совместимы. При этом одна часть программы может создаваться на одном языке, а другая — на другом, более удобном для нее.
К графическим средствам программирования ПЛК относятся язык последовательных функциональных блоков (Sequential Function Chart, SFC) и язык функциональных блоковых диаграмм (Function Block Diagram, FBD), более понятные для технологов. Для программистов более привычными являются язык структурированного текста (Statement List, STL), напоминающий Паскаль, и язык инструкций (Instruction List, IL), похожий на типичный Ассемблер.
Конечно, простота программирования ПЛК является относительной. Если с программированием небольшого устройства может после обучения справиться практически любой инженер, знакомый с элементарной логикой, то создание сложных программ потребует знания основ профессии программиста и специальных познаний в программировании ПЛК.
Упростить создание программного обеспечения для современных ПЛК позволяют специальные комплексы, такие как
(рисунок 7), ISaGRAF, OpenPCS и другие инструменты, не привязанные к какой-либо аппаратной платформе ПЛК и содержащие все необходимое для автоматизации труда программиста. Для отладки сложных проектов на основе компонентов TI компания предлагает специальные отладочные комплекты и необходимое программное обеспечение.
Рис. 7. Рабочий экран программирования в среде CoDeSys
Перед началом работы ПЛК выполняет первичное тестирование оборудования и загрузку в ОЗУ и ПЗУ операционной системы и рабочей программы пользователя. Стандартный ПЛК кроме рабочего режима имеет режим отладки с пошаговым выполнением программы, с возможностью просмотра и редактирования значений переменных.
Рабочий режим ПЛК состоит из повторяющихся однотипных циклов, каждый из них включает три этапа:
Процесс исполнения программы ПЛК можно контролировать на экране подключенного компьютера с отображением состояния отдельных параметров. Например, процедуры включения и выключения насоса могут меняться в зависимости от требуемой задержки, значение которой задается специальной переменной.
При необходимости можно остановить выполнение программы и перевести ПЛК в режим программирования, затем на экране компьютера изменить ход выполнения программы или отдельные параметры и снова записать их в память ПЛК.
Заключение
Современный ПЛК стал чрезвычайно востребованным универсальным рабочим инструментом в системах автоматизации производственных процессов, а также для управления отдельными устройствами различного назначения. Это особый тип программируемых логических автоматов, отличающийся повышенной надежностью, легко встраиваемый и модернизируемый, способный длительное время работать практически без обслуживания.
PLC-технологии. Часть 1
Системы управления и мониторинга становятся все более интеллектуальными и разветвленными, требуя все большую пропускную способность каналов связи. В последнее время широкое распространение получают новые виды информационного обмена, используемые в устройствах домашней автоматики, компьютерных сетях малых и домашних офисов, в распределенных системах охранной, пожарной и иной сигнализации, которые также нуждаются в развитой инфраструктуре сети и интеллектуальных средствах взаимодействия. В статье обсуждаются преимущества и недостатки некоторых технологий передачи данных по электросетям.
Неизменный интерес к средствам передачи информации по промышленным и бытовым электросетям обусловлен, прежде всего, возрастающей потребностью в сравнительно недорогих средствах связи массового применения. Идея передачи данных по электрической сети появилась в 1930-х гг. Первые системы передачи данных по линиям электросети, т.н. PLC-системы (Power Line Communication), появились более 70 лет назад. В основном они использовались для сигнализации в энергосистемах и на железных дорогах и имели очень низкую скорость передачи данных. В конце ХХ столетия ряд компаний реализовал первые большие проекты в этой области. Однако в процессе эксплуатации были выявлены серьезные проблемы. Работа электротранспорта, многочисленных электродвигателей и бытовых приборов вызывала в незащищенных от высокочастотных излучений проводах помехи, которые приводили к резкому снижению достоверности передачи данных. К тому же, провода электросети начали действовать как антенны радиоретрансляторов, излучая, по сути, весь трафик в эфир. Стремительное развитие альтернативных способов организации широкополосной передачи данных, к примеру, технологии DSL (Digital Subscriber Line) и, соответственно, массовый выход на рынок кабельных модемов, поставили под сомнение коммерческую привлекательность PLC-систем. Неоднородность среды передачи данных, отсутствие соответствующей элементной базы и единого стандарта привели к тому, что в тот период PLC-технология не получила должного коммерческого применения. По сути, только в начале текущего столетия технология передачи данных по электросети стала получать широкое развитие и распространение [1—8].
Особенно большой интерес к возможности передачи информации по электросети появился с развитием интернета. Корпоративные пользователи зачастую могут позволить себе подключение с использованием дорогостоящих технологий, однако для подавляющего большинства домашних пользователей, которых значительно больше, это едва ли приемлемо.
Качественный сдвиг в развитии PLC-технологии произошел на рубеже XX–XXI вв. благодаря идее организации «последней мили» с помощью широкополосного доступа по электросети.
PLC — сравнительно новая телекоммуникационная технология, по сути, семейство технологий связи, основанных на использовании в качестве физической среды для высокоскоростного обмена информацией силовые электросети. PLC — собирательный термин, включающий все возможные варианты передачи данных по электрической сети.
Достижения PLC-технологии обусловлены появлением соответствующей элементной базы, в т.ч. сигнальных процессоров, с использованием которых были реализованы сложные способы модуляции сигнала, что и позволило, в конечном счете, увеличить достоверность передачи информации. В качестве альтернативы PLC-технологии и электрическим проводам можно назвать технологию хDSL, беспроводный доступ (Wi-Fi), спутниковую связь и др., а также коаксиальные телевизионные и оптоволоконные кабели. При выборе технологии определяющую роль играет фактор экономический — средства связи должны быть недорогими и повсеместно доступными.
Чтобы в полной мере оценить возможности и преимущества PLC-технологии, сначала ознакомимся с характеристиками и основными техническими параметрами существующих проводных (табл. 1) и беспроводных (табл. 2, 3) систем высокоскоростной передачи данных [1—3].
Наименование параметра
Технология
ADSL
VDSL
ADSL2+
FTTH
Диапазон рабочих частот, МГц (полоса частот/канал, МГц/канал)
Пропускная способность, Мбит/с (расстояние, км)
Канада: до 10, Великобритания: 1…8, Франция: до 100
200, пиковая, для узла сети: 2…4
Максимальное расстояние, км
100 (с использованием усилителей)
3 (10…50 кВ); 0,2 (0,22…0,38 кВ)
Просто при наличии ТВ-кабеля. Большие затраты при создании новой сети
Просто при наличии точек подключения
Легко. Не требуется прокладка кабеля
Большие проблемы при прокладке кабеля
Можно использовать существующие сети кабельного ТВ
Возможность использования уже существующих точек подключения
Наличие разветвленной инфраструктуры
Очень широкий диапазон частот
Ограниченная пропускная способность. Асимметричность
Скорость передачи в большой степени зависит от расстояния. Асимметричность
Отсутствие единого стандарта
Большие затраты при создании сети
HFC (Hybrid Fiber Coaxial Cable — комбинированная оптокоаксиальная кабельная система). Используется в технологии широкополосного доступа к телекоммуникационным сетям.
ADSL (Asymmetrical Digital Subscriber Line — асимметричная цифровая абонентская линия). Технология высокоскоростной передачи данных по обычным телефонным линиям. Канал связи асимметричен, т.е. скорость потока данных к абоненту больше, чем в обратном направлении.
VDSL (Very high bit-rate Digital Subscriber Line — высокоскоростная цифровая абонентская линия).
ADSL2+ (ITU G.992.5). Улучшенный вариант ADSL.
PLC (Power Line Communication). Технология, основанная на использовании электросети в качестве физической среды для высокоскоростного обмена информацией.
FTTH (Fiber To The Home — сеть с доведением оптического кабеля до пользователя). Технология использования волоконно-оптической связи в быту.
Наименование параметра
Технология
Радиорелейные линии
LMDS
MMDS
WiFi
WiMAX
Спутниковая связь
Диапазон рабочих частот, ГГц
Инфракрасный диапазон (ТГц)
3,7…6,4; 11,7…12,7; 17,3…17,8; 20… 30
Максимальное расстояние, км
Зависит от разветвленности сети
Сложно. Работает только в зоне прямой видимости
Просто для LAN-сетей
Просто, следует учитывать NLOS
Просто, большие затраты
LMDS (Local Multipoint Distribution Service — локальная многоточечная распределенная служба). Используется в системах беспроводной связи.
MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service — многоканальная многоточечная распределенная служба).
FSO (Free Space Optics). Технология связи в ИК-диапазоне в зоне прямой видимости.
Wi-Fi (Wireless Fidelity). Пакет стандартов беспроводной связи IEEE 802.11х.
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microware Access). Технология универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для устройств разного класса. Используется как синоним стандарта IEEE 802.16а (802.16-2004.
3G (Third-Generation). Системы цифровой мобильной связи третьего поколения.
LAN (Local Area Network — локальная сеть).
NLOS (Non Line-Of-Sight — вне зоны прямой видимости). Под этим термином подразумеваются методы, обеспечивающие при определенных условиях прием данных вне зоны прямой видимости [3].
Наименование
Преимущества
Недостатки
Быстрый монтаж и установка
Связь в режиме точка-точка только в зоне прямой видимости, зависимость от погодных условий
Многоточечная связь, большая пропускная способность
Связь в зоне прямой видимости, отсутствие стандарта
Многоточечная связь, большое расстояние, поддержка NLOS
Низкая пропускная способность, отсутствие стандарта
Низкая стоимость монтажа, нелицензируемый диапазон частот
Связь в режиме точка-точка, большая зависимость от погодных условий (дождь, пыль, снег, туман, смог)
Основное использование — сетевые приложения
Реальная скорость обмена данными — 2 Мбит/с, расстояние связи с использованием методов NLOS — 1…2 км
Большая зона покрытия, возможность использования для большого числа приложений
Большие затраты, ограниченная пропускная способность для абонента
Использование мобильных терминалов и существующей инфраструктуры ячеек сети
Дороговизна, ограниченное число приложений
Линии электропередачи как физическая среда совмещают преимущества как проводных, так и беспроводных средств передачи данных. Пользователям почти всегда доступен сравнительно быстрый и надежный канал связи, разветвленный по всему зданию. Поскольку передача данных осуществляется по проводам относительно небольшой длины, задержки в линии небольшие, и при передаче видео- и аудиопотоков, а также при оказании интерактивных информационных услуг обмен данными происходит в режиме, близком к режиму реального времени [2].
Бесспорно, беспроводные сети имеют множество преимуществ. В отличие от электросетей, они не нуждаются в проводах и могут излучать широкополосный сигнал во всем пространстве здания. Однако связь через эфир менее стабильна и плохо защищена от помех. Кроме того, зачастую пропускная способность канала ограничена, поэтому в случае беспроводной сети редко удается добиться одновременной передачи нескольких потоков (видео, аудио и данных) с хорошим качеством. Еще одна проблема — ограниченная зона покрытия, которая в большой степени зависит как от размеров, так и конфигурации помещения, а также от свойств строительных материалов, из которых возведено здание. Расширить зону покрытия в некоторых случаях можно с помощью дополнительной PLC-сети.
PLC-технология наиболее конкурентоспособна среди проводных и беспроводных технологий для создания локальных компьютерных сетей (особенно домашних). Инфраструктуры проложенных электросетей достаточно для организации сети во всем здании, а высокая пропускная способность (до 200 Мбит/с) потенциально удовлетворяет требования современных мультимедийных приложений.
В настоящее время создано и эксплуатируется большое число высокоскоростных магистральных информационных сетей, однако возможность подключение к ним конечных потребителей в ряде случаев все еще остается проблемной. Большинство подключений осуществляется путем прокладки кабеля от высокоскоростной линии до офиса или квартиры пользователя. В силу ряда причин прокладка кабеля может оказаться крайне нежелательной или даже невозможной. Например, это происходит в случае небольших фирм, часто меняющих арендуемые помещения. Поскольку необходимость подключения к интернету стала неотъемлемой частью ведения бизнеса многих компаний, весьма привлекательна возможность использовать уже имеющуюся в каждом здании электропроводку. При этом каждая электрическая розетка может стать точкой подключения к глобальной сети — требуется лишь PLC-модем.
Электрические сети подразделяются на три класса: высоковольтные (100 кВ и более), линии среднего напряжения (4…50 кВ) и низковольтные (до 0,4 кВ). Структура сетей энергоснабжения и области применения PLC-технологии приведены на рисунке 1.
PLC-технология открывает новые возможности реализации концепции «умного дома», в котором вся бытовая электроника объединена в единую информационную сеть с возможностью централизованного управления. Электрическая сеть — идеальная среда передачи управляющих сигналов между бытовыми приборами, работающими от сети 110/220 В. Встроенные в различные приборы специализированные микросхемы могут обеспечить возможность приема/передачи данных через электросеть, а также обмен данными через интернет, что стимулирует появление новых бытовых приборов: интернет-пылесоса, интернет-холодильника, интернет-стиральной машины и т.д. (другой вопрос, зачем и кому это необходимо). Кроме того, можно также организовать передачу данных датчиков охранной сигнализации, аудиоданных, расширить и продлить телефонные линии и т.д.
PLC-технология может найти применение в распределенных системах управления и учета в цехах; в системах жизнеобеспечения зданий (лифтах, системах кондиционирования и вентиляции и т.д.); системах складского хранения; средствах учета потребления электроэнергии, воды, газа, тепла; системах охранной и пожарной сигнализации в дачных поселках, гаражных кооперативах и т.д. Фактически информационную сеть можно развернуть на любом участке, где уже имеются линии электроснабжения. PLC-технология может успешно использоваться в средствах домашней автоматики для управления бытовыми приборами.
Особый интерес вызывает возможность совместного использования технологии PLC с другими широкополосными технологиями передачи данных, например PLC + WiMAX, PLC + WLAN, PLC + xDSL, PLC + Satellite, PLC + UMTS и т.д. Пример использования комбинированной технологии Satellite + PLC приведен на рис. 2 [1]. В данном случае связь с поставщиком интернет-услуг осуществляется через спутник. Данные принимаются на наземную приемную станцию, а в помещениях здания используется PLC-сеть.
Сложность организации связи по линиям электросети заключается в том, что существующие электросети изначально не предназначались для передачи данных. Они отличаются высоким уровнем помех и большим затуханием высокочастотного сигнала, а также тем, что параметры линии, зачастую постоянные для традиционных физических сред передачи данных, существенно изменяются во времени в зависимости от текущей нагрузки.
Проложенные в большинстве случаев с нарушениями норм неэкранированные, разделенные трансформаторами, с большими помехами, возникающими в результате работы многочисленных энергопотребителей, силовые линии электрической сети относятся к одной из наихудших сред для надежной передачи данных. Еще одна проблема — низкое качество и изношенность электропроводки в многоквартирных домах старой постройки. До недавнего времени в этих зданиях использовались алюминиевые провода, которые обладают меньшей электропроводностью по сравнению с медными. Кроме того, скрутки проводов, которые часто имеются в домашней проводке, также негативно влияют на прохождение сигнала. Поэтому к технологии PLC лучше приспособлены здания новой постройки, в которых зачастую применяются медные провода и современные технологии их соединения и подключения.
На достоверность передачи данных очень большое влияние оказывают помехи от различных электроприборов, ламп дневного освещения и т.д., создающих помехи в проводах. Наиболее сильно влияние импульсных помех, возникающих при работе электродвигателей, сварочного оборудования и СВЧ-печей. Однако надежные методы кодирования и шифрования данных, применяемые в современных PLC-технологиях, обеспечивают не только высокий уровень достоверности при передаче информации, но и ее защиту от несанкционированного доступа. Кроме того, при организации связи должна быть обеспечена электромагнитная совместимость, т.е. необходимо снижать побочные электромагнитные излучения, возникающие в процессе передачи данных.
Во многом ориентация PLC-технологии на применение в малых и домашних офисах (Small Office/Home Office — SOHO) обусловлена не только простотой реализации и мобильностью устройств на ее базе, но и тем, что эта технология наиболее эффективна только на участке т.н. «последней мили». Скорость передачи данных резко снижается при увеличении расстояния.
Далее мы рассмотрим характеристики некоторых разработанных еще в прошлом веке и используемых по настоящее время PLC-технологий — Х-10, CEBus, Adaptive Networks, LonWorks и т.д.
Существует несколько вариантов классификации PLC-систем. Во-первых, технологии передачи данных по электросетям принято разделять на широкополосные (Broadband over Power Lines) и узкополосные (Narrowband over Power Lines). Широкополосные системы (со скоростью 1…200 Мбит/c) ориентированы на системы высокоскоростного доступа к интернету, на создание домашних компьютерных сетей, а также на приложения, требующие высокоскоростного обмена данными: потоковое видео, системы видеоконференцсвязи, цифровой телефонии и т.д. Узкополосные (низкоскоростные) системы ориентированы на использование в средствах домашней автоматики, в управлении простейшими бытовыми приборами и т.д. В этом случае достаточно значительно меньшей пропускной способности канала (0,1…100 Кбит/с). Для конечного пользователя более близка классификация по назначению, по сути, по области применения. Используется также классификация PLC-систем по типу используемых линий электропередачи.
Технология X-10 была разработана еще в 1978 г. с участием одноименной компании X-10 (www.x10.com) и предназначалась для реализации дистанционного управления простейшими бытовыми приборами. Для передачи цифровых данных в этой технологии используется амплитудно-частотная манипуляция [4—6]. Предусматривается передача радиоимпульсов с частотой заполнения 120 кГц, генерируемых в моменты перехода переменного напряжения частотой 50/60 Гц через нуль (при этом скорость передачи данных на физическом уровне составляет 50/60 бит/с). Такая схема кодирования выбрана не случайно, поскольку при нулевом значении напряжения, как правило, уровень помех уменьшается, а также снижается влияние других устройств, подключенных к электросети. Данные кодируются следующим образом: двоичной 1 соответствует передача радиоимпульса в течение интервала 1 мс, а двоичному 0 — отсутствие радиоимпульса (см. рис. 3).
Данные формируются в пакеты длиной 11 бит. Для использования в технологии X-10 была разработана специальная система команд управления простейшими устройствами, работающими от электрической сети, — ON, OFF, DIM, BRIGHT, ALL LIGHTS ON и ALL UNITS OFF. В настоящее время контроллеры и адаптеры, использующие эту технологию для управления бытовыми приборами, выпускаются многими компаниями США и Европы (www.x10.com и www.x-10europe.com).
Стандарт CEBus (Consumer Electronic Bus — шина потребительской электроники) был утвержден в сентябре 1992 г. и продвигается Альянсом электронной промышленности EIA (Electronic Industries Alliance), объединяющим производителей электронного оборудования с целью разработки единых электрических и функциональных спецификаций интерфейсного оборудования (www.eia.org, www.eigroup.org). В стандарте CEBus предусмотрена передача данных с использованием проводов бытовой электросети, витой пары или коаксиального кабеля, а также беспроводная передача в радио- или инфракрасном диапазоне частот. Скорость обмена данными не зависит от выбранной среды передачи данных и составляет 7,5 Кбит/с (среднее значение). В стандарте CEBus был использован метод передачи данных с расширением спектра (Spread Spectrum — SS), предложенный и использовавшийся компанией Intellon в ее первых разработках.
Стандарт CEBus (EIA-600) включает протоколы прикладного (EIA-721), сетевого, канального и физического уровней эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection). Протокол прикладного уровня описывает порядок функционирования различных устройств и набор типовых команд, включающий команды VOLUME UP, FAST FORWARD, REWIND, PAUSE, SKIP, TEMPERATURE UP или DOWN 1 DEGREE и т.д. Протокол сетевого уровня формирует пакеты данных, содержащие информацию об адресах источника и приемника. Для предотвращения коллизий на канальном уровне задействован механизм CSMA/CDCR (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection and Resolution). На физическом уровне используется технология SS-модуляции, предусматривающая передачу данных в полосе частот 100…400 кГц. Для кодирования данных (на временных интервалах 100 мкс) передается частотно-модулированный сигнал (при этом используется линейный закон модуляции, начальная частота 100, конечная — 400 кГц). Данные формируются в пакеты, причем длина пакета не регламентируется, однако минимальный размер составляет 64 бит.
Американская компания Adaptive Networks для реализации одноименной технологии разработала набор микросхем для построения PLC-сетей, включающий ИМС AN1000 (со средней пропускней способностью 100 Кбит/с), AN192 (19,2 Кбит/с) и AN48 (4,8 Кбит/с) [7]. Микросхемы AN1000/AN192 осуществляют передачу данных по электросети в частотном диапазоне до 450 кГц в соответствии с нормативами комиссии FCC (Federal Communication Commission). Чтобы удовлетворить требования стандартов, действующих в европейских энергосистемах, в таких приложениях как автоматическая регистрация показаний счетчиков, автоматизация и мониторинг распределенных объектов была разработана микросхема AN48, рассчитанная на передачу данных в диапазоне 9…95 кГц. В этой технологии был реализован механизм обнаружения и исправления ошибок, оптимизированный для существующих электросетей, а также предусмотрены интерфейсы к стандартным прикладным протоколам.
Стандарт LonWorks, принятый институтом ANSI (American National Standards Institute) в 1999 г., ориентирован на использование в распределенных системах автоматизации зданий, транспортных сетях, системах автоматизации промышленных предприятий [8]. В качестве физической среды передачи в технологии LonWorks предусмотрено использование электропроводки, витой пары, коаксиального кабеля или радиоканала. LonWorks базируется на применении технологии узкополосной передачи данных. В ней реализованы улучшенная цифровая обработка сигналов, эффективный механизм коррекции ошибок и оригинальный алгоритм выбора альтернативных несущих частот. Максимальная скорость передачи данных в сети LonWorks составляет 1,25 Мбит/с. Стандартный размер пересылаемого пакета данных — 10—14 байт, но возможна передача пакетов и большей длины. Скорость передачи данных в большой степени зависит от среды передачи.
Протокол LonTalk, лежащий в основе технологии LonWorks, обеспечивает возможность создания сетей с практически неограниченным числом узлов и ориентирован на решение задач автоматизации, когда необходимы высокие надежность и скорость передачи данных. Узлами сети LonWorks могут быть датчики температуры и освещенности, различные исполнительные механизмы, контроллеры систем кондиционирования/вентиляции и т.д. Протокол LonTalk включает семь уровней эталонной модели протоколов передачи данных OSI.
Устройства, созданные на базе платформы LonWorks, широко применяется при управлении промышленным оборудованием, в системах освещения городских улиц, системах отопления и кондиционирования воздуха, интеллектуальных приборах измерения и учета электроэнергии, системах контроля и управления движением поездов, системах безопасности, пожарной сигнализации и пожаротушения.
В настоящее время компания Echelon Corporation (www.echelon.com) предлагает компоненты и законченные решения для построения сетей на базе усовершенствованной технологии LonWorks 2.0. Ключевым компонентом новой технологии является высокоскоростной процессор Neuron 5000 с тактовой частотой до 80 МГц [8]. Для реализации технологий LonWorks/LonWorks 2.0 при построении сетей с использованием разных каналов связи, в т.ч. и электропроводки, компания Echelon Corporation выпускает ряд электронных компонентов:
– приемопередатчики серии PL 3120/3150/3170, содержащие 8-разрядное процессорное ядро Neuron с тактовой частотой 10…20 МГц;
– универсальные приемопередатчики серии Free Topology Smart Transceivers — FT 3120/FT 3150;
– новые усовершенствованные приемопередатчики с улучшенными параметрами FT 5000, содержащие процессорное ядро Neuron с тактовой частотой 40 МГц и имеющие увеличенный до 64 Кбайт объем RAM-памяти.
Рассмотренные технологии (Х-10, CEBus, Adaptive Networks, LonWorks) — далеко не единственные пакеты существующих PLC-спецификаций. Помимо них имеются и другие, разработанные сравнительно недавно широкополосные и узкополосные технологии, поддерживаемые европейскими и международными ассоциациями и альянсами:
– HomePlug Powerline Alliance;
– UPA (Universal Powerline Association);
– HD-PLC (High-Definition Powerline Communications).
Широкое распространение низковольтных электрических сетей 0,22…0,38 кВ, отсутствие необходимости проведения дорогостоящих работ по строительству траншей и пробивке стен для прокладки кабелей стимулируют повышенный интерес к этим сетям как к среде передачи данных. Потенциальные преимущества передачи данных по проводам электросети огромны. Фактически сеть может быть развернута на любом участке, на котором имеются линии электроснабжения, но особенно привлекательна эта технология для домашних сетей и небольших офисов.
Более полную информацию о рассмотренных PLC-технологиях см. в [1—8].