Pohled do minulosti

Komunikace po elektrickém vedení není něčím novým; již od 30tých let minulého století využívají společnosti, zajišťující veřejné služby, k přenosu řídicích signálů právě vysokonapěťové přenosové linky. V padesátých letech pak byla k vysílání povelů na dálku a spínání městského osvětlení nasazena vysokonapěťová elektrická síť. Zkoumání toho, kterak využít celé zúžené pásmo elektrické rozvodné sítě mezi 5 až 500 kHz, započalo v 70tých letech minulého století, následováno prvními praktickými experimenty s obousměrnou komunikací na počátku 21. století v Evropě a ještě dříve v Japonsku. Interkomunikační systémy či dětské chůvičky, založené na úzkopásmové komunikaci, využívají v soukromých obydlích nízkonapěťové sítě 230 V.

Souběžně s bádáním ve věci omezeného pásma začaly některé společnosti v polovině 90tých let minulého století vyvíjet pro silnoproudá vedení širokopásmové modemy, které by v domácích sítích zpřístupnily datový obsah, včetně videa. Díky své složitosti a také ceně za použité technologie však byly vytlačeny DSL a kabelovými modemy. Teprve v posledních několika letech zažívá širokopásmová komunikace po silových rozvodech v rámci domácích datových sítí oživení.

Kmitočtová pásma a související modulace

Kmitočtové spektrum od 1 MHz do 30 MHz zabírá širokopásmová komunikace s přenosovými rychlostmi více než 100 Mbps pro aplikační vrstvu, resp. až 200 Mbps v případě vrstvy linkové. Taková šířka pásma umožňuje distribuci internetových dat, VoIP, audia s vysoce věrným přednesem a dokonce i TV s vysokým rozlišením, to vše za přispění již existujících rozvodů napájení v domácnostech. Mezi zákaznické aplikace zde přitom řadíme bezdrátové přístupové body, Ethernet a USB bridge, reproduktory a tak dále.

Vzájemná nekompatibilita přenosových protokolů různých dodavatelů koncových zařízení však dosud představuje určitý problém. Pod označením G.hn proto International Telecommunication Union vydala v roce 2009 doporučení ITU Recommendation G.9960 (Physical Layer) a v roce 2010 pak doporučení ITU Recommendation G.9961 (Data Link Layer), zaměřené na standard nové domácí síťové technologie, který by měl podle všeho zajistit společnou základnu pro interoperabilitu. Úzkopásmová komunikace po elektrickém vedení, která by spolehlivě fungovala po celém světě, bude podmíněna třemi základními parametry:

• Kmitočtovým pásmem,
• způsobem modulace a také
• přenosovým protokolem.

Tak třeba v Evropě definuje kmitočtová pásma European Committee for Electro Technical Standardisation. V souvislosti s označením CENELEC pak rozlišujeme další podskupiny, tj. CENELEC A (3 – 95 kHz) pro dodavatele energie a CENELEC B (95 – 125 kHz), C (125 – 140 kHz) či D (140 – 148,5 kHz) pro aplikace koncových uživatelů. Vrstvu protokolu pásem A, B a D definují standardy nebo vlastník. Jen v případě vrstvy protokolu pásma C dochází k regulaci (CSMA).

Obr. 1: Úzkopásmové kmitočtové spektrum, vyhrazené komunikaci po elektrickém vedení

Na dalších místech světa však byla definována odlišná kmitočtová pásma. V USA tak máme jedno široké pásmo 150 – 450 kHz a také 10 – 490 kHz, dle Federal Communications Commission, FCC. V Japonsku zase Association of Radio Industries and Businesses, ARIB, zvolila oblast 10 – 450 kHz, přičemž v Číně hovoříme o 3 – 90 kHz a neregulovaném pásmu 3 – 500 kHz. Typické aplikace, provozované v úzkém pásmu, dosud zahrnují Automatic Meter Reading (AMR) a Automatic Meter Management (AMM) pro elektroměry, řízení osvětlení či ovládání okenních rolet v rámci domácí automatizace, stejně jako řídicí struktury průmyslové automatizace.

Volba náležitého způsobu modulace bude mít dopad na dostupnou rychlost přenosu dat, odolnost komunikačního kanálu vůči dynamickému rušení a také cenu konkrétního systému, např. z pohledu kontroléru a jeho technických parametrů či paměti. Pro úzkopásmovou komunikaci po elektrickém vedení máme k dispozici několik způsobů modulace.

• Frequency Shift Key (FSK) a
• Binary Phase Shift Key (B-PSK)

sice nabídnou pouze nízké přenosové rychlosti okolo 1 až 2 kbps, ale můžeme je zase jednoduše a poměrně levně implementovat. Mezi komplexnější a tudíž i obtížněji implementovatelné pak řadíme

• Differential Code Shift Keying (DCSK) nebo
• Orthogonal-Frequency-Division-Multiplexing (OFDM).

Máme zde však výhodu v podobě přenosových rychlostí až do 128 kbps a také podstatně větší odolnosti přenosu zarušeným kanálem. Zejména technologie OFDM zaznamenala během posledních několika let rostoucí zájem, přičemž se již např. stala základem několika standardů v rámci AMR.

V případě OFDM bude signál rozdělen na menší sub – signály, které následně souběžně vysíláme na ortogonálních frekvencích. Celý přenos tak bude méně zranitelný. Zavedeme – li alokováním několika sub – nosných do specifického datového streamu „hromadný přístup“, můžeme vysílat redundantně, případně také souběžně komunikovat s větším počtem datových spotřebičů (sinků). Zároveň tím ještě omezíme interference a fading.

Přenosový protokol a jeho standardy

V současné době se v souvislosti s komunikací po elektrickém vedení využívá hned několik přenosových protokolů. Následující protokoly byly vybrány proto, že hrají stále významnější úlohu v rámci AMM (Automatic Meter Management) a také při řízení budov.

DALI (Digital Addressable Lighting Interface)

je patentově nechráněný, obousměrný – digitální protokol bez licenčního poplatku, využívaný k řízení zátěže v souvislosti s automatizací budov. Maximální definovaná rychlost přenosu dat na 16 V činí 1,2 kbps. Kromě kruhu lze nasadit jakoukoli síťovou topologii a to až se 64 zařízeními – zátěžemi, manuálními reostaty, pohybovými čidly a tak dále – každé přitom má svou vlastní jedinečnou adresu. Složené sběrnice lze v případě rozsáhlejších instalací zasíťovat společně. Díky své číslicové podstatě je možná rekonfigurace sítě dokonce na úrovni jednotlivých zátěží či pevného příslušenství bytu a to softwarově (host control). Každá zátěž přitom bude vybavena malým mikrokontrolérem, sloužícím jako ovládací prvek v souvislosti s příkazy pro sepnutí či stmívání, může ale také pracovat jako čidlo, které vrací informaci o množství spotřebované energie či selhání osvětlení.

KNX

je otevřeným mezinárodním standardem (ISO/IEC, CENELEC, Čína) pro domácnosti a řízení budov, sjednocující předchozí standardy jako třeba European Home Systems Protocol (EHS), BatiBUS a European Installation Bus (EIB, Instabus). KNX není závislý na fyzickém přenosovém médiu, které tak může být drátové (např. kroucený pár, elektrické vedení, Ethernet), ale také vzduch (rádiový přenos, infračervený přenos). Zapracováním krouceného páru zde na 30 V dosahujeme přenosové rychlosti 9,6 kbps. KNX Association je tvůrcem a vlastníkem technologie KNX, pyšnící se přibližně dvěma stovkami členských společností a dohromady téměř 7 000 produkty. Pro výrobky, nesoucí ochrannou známku KNX, to pak znamená vyhovět při testování shody, které neověřuje pouze protokol, ale také standardizované datové typy. To je princip fungování produktů, certifikovaných KNX, které tak mohou navzdory odlišným výrobcům spolupracovat s různými koncovými zařízeními.

EE-Bus

je otevřeným standardem, definovaným v souladu s iniciativou E-Energy, programem, sponzorovaným německou vládou, který umožní výměnu dat a také služby mezi dodavatelem energie a soukromými domácnostmi s cílem navyšovat účinnost v souvislosti s energií, zásobováním a také spotřebou. EE-Bus nedefinuje nový protokol, ale spíše staví na dostupných drátových i bezdrátových protokolech. Celá myšlenka spočívá ve vybudování brány (Gateway) s možností výběru a také překladu dat, která dodavatelé energií vysílají do domovů (odchozí komunikační vrstva), stejně jako připojování jakéhokoli typu energie uvnitř domova za přispění koncových zařízení (příchozí komunikační vrstva) a to přes elektrická vedení (KNX), datovou síť (TCP/IP) nebo bezdrátově (ZigBee). Mezi cílová koncová zařízení řadíme například mrazničky, pračky, myčky na nádobí – tj. jakýkoli spotřebič, jehož spuštění lze s ohledem na energii a její dostupnost přesunout na nejvhodnější možnou dobu. Taková komunikace může dále pomoci navýšit účinnost i v případě domácností, které samy slouží jako zaopatřovatel energie se solárními invertory nebo jako energetický buffer s bateriemi z elektrických vozidel. Objem dat, přenesených příchozí vrstvou, si však žádá rozšíření fyzické vrstvy KNX. Z tohoto důvodu pracuje nový KNX PL+ (KNX over powerline) uvnitř pásma B (CENELEC), kde využívá modulaci typu OFDM.

PRIME-Initiative (PoweRline Intelligent Metering Evolution)

byla spuštěna společnostmi jako Iberdrola, Texas Instruments, STM, Landis+Gyr, Itron, Current Group, Ziv Group a Advanced Digital Design aby definovala otevřený, veřejný a nechráněný komunikační systém pro AMM (Automatic Meter Management) a „chytré sítě“ vůbec. Protokol PRIME byl navržen pro nízkonapěťové linky s malou úrovní rušení a ohledem na vyšší přenosové rychlosti (21 – 128 kbps) i provoz v pásmu A (CENELEC, 42 – 90 kHz), kdežto protokol G3 byl vyvinut pro vysokonapěťové linky a přenosy s nižší rychlostí (2,4 – 34 kbps), rovněž provozované v pásmu A (35 – 90 kHz).

Knihovna komunikace po elektrické síti „PLC-Suite“, kterou Texas Instruments nabízí pro svou rodinu Real-Time mikrokontrolérů C2000, nezahrnuje pouze PRIME a G3, ale také SFSK řešení, vyhovující standardu IEC 61334 a řešení „FlexOFDM“, navržené tak, aby odpovídalo aplikacím zákaznických chytrých sítí – síťovým solárním invertorům nebo osvětlovacím systémům.

Dokončení příště.