Как организовать надежный сбор данных с умных счетчиков в многоквартирных домах. Какие технические ограничения пришлось преодолеть при разработке гетерогенного PLC/RF модема. Почему было выбрано сочетание PLC и радиоканала. Как решались проблемы качества связи на реальных объектах.
Предыстория создания гетерогенного PLC/RF модема
В 2013 году компания «Миландр» вышла на рынок приборов учета электроэнергии с первой версией счетчика Милур-104. Вскоре стало ясно, что тренд смещается в сторону автоматизированных систем учета энергоресурсов (АСКУЭ). Производители начали оснащать приборы учета различными интерфейсами для удаленного снятия показаний и управления — от классического RS-485 до радиочастотных и PLC-трансиверов.
Какие проблемы возникали при внедрении систем АСКУЭ? Основной недостаток большинства решений заключался в низком качестве связи. Часто автоматизированный сбор данных внедрялся на последнем этапе, когда прокладка дополнительных кабелей была уже невозможна. Поэтому выбор делался в пользу беспроводных интерфейсов или PLC-технологий, использующих существующую электропроводку. Однако оба способа оказались чувствительны к внешним помехам.
Концепция гетерогенной системы сбора данных
Проанализировав ситуацию, специалисты «Миландр» приняли решение разработать гетерогенную систему, использующую одновременно силовую линию (PLC) и радиоканал для передачи данных. Почему было выбрано такое сочетание?
- PLC стал основным интерфейсом, так как проводка является более изолированной средой передачи данных
- Радиоканал использовался в качестве резервного канала, а также для связи с устройствами, не подключенными к электросети
В основу PLC-части лег новый стандарт ITU-T G.9903 (PLC-G3), вышедший в 2014 году. Для реализации радиоканала был выбран диапазон 868 МГц как более перспективный по сравнению с 433 МГц.
Техническая реализация PLC-интерфейса
Физический уровень PLC был реализован программно на базе отечественного ЦОС-процессора 1967ВН044. Почему был выбран именно этот процессор?
- Обладает достаточной вычислительной мощностью для обработки PLC-сигналов
- Имеет широкий набор периферии, позволяющий использовать его в качестве основного микроконтроллера
- Содержит специальные инструкции для ускорения ЦОС-вычислений
Стандарт PLC-G3 предусматривает ряд механизмов для повышения надежности передачи данных по зашумленным линиям:
- Фазовая модуляция (BPSK/QPSK/8PSK) для работы при низком соотношении сигнал/шум
- Ортогональное мультиплексирование (OFDM) для передачи по нескольким поднесущим
- Скремблирование и перемежение для распределения данных по поднесущим
- Совместное использование линейного блочного и сверточного кодирования
Особенности реализации радиоканала
В качестве дополнительного интерфейса был выбран радиоканал в диапазоне 868 МГц. Какие преимущества дал этот выбор?
- Лучшее распространение сигнала внутри помещений по сравнению с 2.4 ГГц
- Меньшая загруженность диапазона на момент начала разработки
- Возможность использования устройств общего назначения
Радиоканал был реализован на базе готового трансивера CC1200 производства Texas Instruments. В перспективе планируется разработка собственной радиочастотной ИС для этих целей.
Какие технические решения были применены в радиочасти?
- Модуляция 2GFSK для уменьшения ширины спектра и снижения внеполосных излучений
- Помехоустойчивое кодирование FEC из стандарта IEEE 802.15.4
- Поддержка низкоскоростных (1.2-9.6 Кб/c) и высокоскоростных (125 Кб/c) каналов
Проблемы при развертывании системы на реальных объектах
Первая опытная партия PLC/RF модемов была установлена в 17-этажном жилом доме в Томске в конце 2017 года. С какими сложностями столкнулись разработчики при внедрении?
Проблемы PLC-канала:
- Несоответствие реального импеданса сети теоретической модели
- Изменение характеристик среды передачи данных в течение суток
- Поглощение сигнала входными емкостями импульсных блоков питания
- Искажение сигнала при прохождении по сложной топологии электросети
- Наличие помех от других PLC-устройств
Проблемы радиоканала:
- Сложность моделирования распространения сигнала в помещениях со сложной геометрией
- Многолучевое распространение и интерференция сигналов
- Образование «мертвых зон» с затрудненным радиообменом
- Экранирование сигнала металлическими конструкциями
Решения для повышения надежности связи
Как разработчики «Миландр» решали проблемы качества связи? Были предприняты следующие шаги:
- Сравнительное тестирование с системами на базе LoRa+LoRaWAN
- Внедрение статической маршрутизации через промежуточные устройства
- Разработка новой версии системы с динамической маршрутизацией на базе отечественной ОСРВ
- Реализация алгоритма реактивной маршрутизации LOADng
- Добавление функции автоматического обнаружения и регистрации устройств в сети
Использование статической маршрутизации позволило значительно повысить надежность связи с удаленными устройствами. Для 17-этажного дома максимальная цепочка составила 3 промежуточных устройства между УСПД и опрашиваемым прибором.
Автоматизация процесса развертывания системы
Как была решена задача автоматического добавления новых устройств в систему? Разработчики реализовали следующий алгоритм:
- После включения модем запрашивает параметры связанного прибора учета
- Выполняется активное сканирование эфира для поиска соседних устройств
- Производится попытка подключения к обнаруженным сетям
- При успешной аутентификации устройство получает логический адрес и привязывается к УСПД
- Информация о новом приборе автоматически появляется в системе
Такой подход значительно упростил процесс развертывания системы, минимизировав ручной ввод данных оператором.
Перспективы дальнейшего развития гетерогенных PLC/RF модемов
Каковы направления дальнейшего совершенствования системы? Разработчики «Миландр» планируют следующие шаги:
- Разработка собственной радиочастотной ИС для замены готового трансивера
- Дальнейшая оптимизация алгоритмов маршрутизации
- Повышение энергоэффективности устройств
- Расширение функциональности УСПД
- Интеграция с перспективными стандартами IoT
Опыт разработки и внедрения гетерогенных PLC/RF модемов показал, что такой подход позволяет создать надежную систему сбора данных для ЖКХ, способную работать в сложных условиях реальных объектов. Сочетание проводного и беспроводного каналов связи обеспечивает необходимую отказоустойчивость, а применение современных технологий маршрутизации решает проблему масштабируемости системы.
Серия plc-interface (Phoenix Contact)
Phoenix Contact
Общие характеристики
| Раздел | Реле электромеханические |
Документация на серию plc-interface
- найти plc-interface.pdf
Товары серии plc-interface
| Наименование | i | Упаковка | Конфиг | Uкатушки | AC-DC | Pупр(max) | Iкомм | U dc | U ac | Размер | Применение |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2834876 PLC-RSC- 24UC/ 1/S/L (PHOENIX)
|
| 90×6.2×80 мм | |||||||||
| 2834889 PLC-RSP- 24UC/ 1/S/L (PHOENIX)
|
| 90×6. 2×80 мм | |||||||||
| 2900290 PLC-RPIT- 12DC/21HC (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900291 PLC-RPIT- 24DC/21HC (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900293 PLC-RPIT- 24UC/21HC (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900294 PLC-RPIT- 48DC/21HC (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900295 PLC-RPIT- 60DC/21HC (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900296 PLC-RPIT-120UC/21HC (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900297 PLC-RPIT-230UC/21HC (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900298 PLC-RPIT- 24DC/ 1IC/ACT (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900312 PLC-RPIT- 24DC/ 1/ACT (PHOENIX)
|
| 94×6. 2×80 мм | |||||||||
| 2900313 PLC-RPIT- 24DC/ 1AU/SEN (PHOENIX)
|
| 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2900314 PLC-RPIT-120UC/ 1AU/SEN (PHOENIX) |
| 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2900315 PLC-RPIT-230UC/ 1AU/SEN (PHOENIX)
|
| 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2900318 PLC-RPIT- 24UC/21/RW (PHOENIX)
|
| 94×6. 2×80 мм | |||||||||
| 2900319 PLC-RPIT- 72UC/21/RW (PHOENIX)
|
| 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2900320 PLC-RPIT-110UC/21/RW (PHOENIX)
|
| 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2900321 PLC-RPIT- 24UC/21AU/RW (PHOENIX)
|
| 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2900322 PLC-RPIT- 72UC/21AU/RW (PHOENIX)
|
| 94×6. 2×80 мм | |||||||||
| 2900323 PLC-RPIT-110UC/21AU/RW (PHOENIX)
|
| 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2900324 PLC-RPIT- 24UC/21HC/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900325 PLC-RPIT- 72UC/21HC/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900326 PLC-RPIT-110UC/21HC/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900327 PLC-RPIT- 24UC/ 1/S/L (PHOENIX)
|
| 90×6. 2×80 мм | |||||||||
| 2900328 PLC-RPIT- 24UC/ 1/S/H (PHOENIX)
|
| 90×6.2×80 мм | |||||||||
| 2900345 PLC-RPIT-230UC/21-21AU/RWF (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900346 PLC-RPIT- 24UC/21-21/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900347 PLC-RPIT- 72UC/21-21/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900348 PLC-RPIT-110UC/21-21/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900349 PLC-RPIT- 24UC/21-21AU/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900350 PLC-RPIT- 72UC/21-21AU/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2900351 PLC-RPIT-110UC/21-21AU/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2901639 PLC-2RPIT-24DC/1 (PHOENIX)
|
| 86×6. 2×80 мм | |||||||||
| 2912264 PLC-RSP- 12DC/21HC (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2912277 PLC-RSP- 24DC/21HC (PHOENIX)
| 94×14×80 мм | ||||||||||
| 2912280 PLC-RSP- 24UC/21HC (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2912293 PLC-RSP- 48DC/21HC (PHOENIX)
| 94×14×80 мм | ||||||||||
| 2912303 PLC-RSP- 60DC/21HC (PHOENIX)
| 94×14×80 мм | ||||||||||
| 2912316 PLC-RSP-120UC/21HC (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2912329 PLC-RSP-230UC/21HC (PHOENIX)
| 94×14×80 мм | ||||||||||
| 2912413 PLC-RSP- 24DC/1IC/ACT (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2966210 PLC-RSC- 24DC/ 1/ACT (PHOENIX)
| в коробках 10 шт | 94×6. 2×80 мм | |||||||||
| 2966210 PLC-RSC- 24DC/1/ACT (PHOENIX)
|
| 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2966317 PLC-RSC- 24DC/ 1AU/SEN (PHOENIX)
| в коробках 10 шт | 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2966317 PLC-RSC- 24DC/1AU/SEN (PHOENIX)
|
| 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2966320 PLC-RSC-120UC/1AU/SEN (PHOENIX)
|
| 94×6. 2×80 мм | |||||||||
| 2966333 PLC-RSC-230UC/1AU/SEN (PHOENIX)
|
| 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2967109 PLC-RSC- 24DC/1-1/ACT (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2967345 PLC-RSP- 24DC/1/ACT (PHOENIX)
| 1 шт | 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2967374 PLC-RSP- 24DC/1AU/SEN (PHOENIX)
|
| 94×6. 2×80 мм | |||||||||
| 2967390 PLC-RSP-120UC/1AU/SEN (PHOENIX)
|
| 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2967413 PLC-RSP-230UC/1AU/SEN (PHOENIX)
|
| в коробках 10 шт | 94×6.2×80 мм | ||||||||
| 2967604 PLC-RSC- 24DC/1IC/ACT (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2967617 PLC-RSC- 12DC/21HC (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2967620 PLC-RSC- 24DC/21HC (PHOENIX)
| в коробках 10 шт | 94×14×80 мм | |||||||||
| 2967633 PLC-RSC- 24UC/21HC (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2967646 PLC-RSC- 48DC/21HC (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2967659 PLC-RSC- 60DC/21HC (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2967662 PLC-RSC-120UC/21HC (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2967675 PLC-RSC-230UC/21HC (PHOENIX)
| в коробках 10 шт | 94×14×80 мм | |||||||||
| 2968001 PLC-RSP-230UC/21-21AU/RWF (PHOENIX)
| 94×14×80 мм | ||||||||||
| 2982236 PLC-RSC- 24UC/1/S/H (PHOENIX)
|
| 90×6. 2×80 мм | |||||||||
| 2982249 PLC-RSP- 24UC/ 1/S/H (PHOENIX)
|
| 90×6.2×80 мм | |||||||||
| 2987011 PLC-RSP- 24UC/21/RW (PHOENIX)
|
| 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2987024 PLC-RSP- 24UC/21AU/RW (PHOENIX)
|
| 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2987037 PLC-RSP- 72UC/21/RW (PHOENIX)
|
| 94×6. 2×80 мм | |||||||||
| 2987040 PLC-RSP- 72UC/21AU/RW (PHOENIX)
| 94×6.2×80 мм | ||||||||||
| 2987053 PLC-RSP-110UC/21/RW (PHOENIX)
|
| 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2987066 PLC-RSP-110UC/21AU/RW (PHOENIX)
|
| 94×6.2×80 мм | |||||||||
| 2987079 PLC-RSP- 24UC/21HC/RW (PHOENIX)
| 94×14×80 мм | ||||||||||
| 2987082 PLC-RSP- 72UC/21HC/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2987095 PLC-RSP-110UC/21HC/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2987105 PLC-RSP- 24UC/21-21/RW (PHOENIX)
| 94×14×80 мм | ||||||||||
| 2987118 PLC-RSP- 24UC/21-21AU/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2987121 PLC-RSP- 72UC/21-21/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2987134 PLC-RSP- 72UC/21-21AU/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2987147 PLC-RSP-110UC/21-21/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2987150 PLC-RSP-110UC/21-21AU/RW (PHOENIX)
|
| 94×14×80 мм | |||||||||
| 2987309 PLC-2RSC-24DC/ 1 (PHOENIX)
|
| 86×6. 2×80 мм | |||||||||
| 2987312 PLC-2RSP-24DC/ 1 (PHOENIX)
| 86×6.2×80 мм |
plc-interface публикации
14 декабря 2018
статья
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… …читать
30 сентября 2014
статья
Логические модули LOGO! находят применение во всех секторах промышленного производства и системах автоматизации зданий. Они обладают высокой универсальностью и свободой в реализации алгоритмов управления. При решении простейших задач… …читать
08 июля 2014
новость
Компэл рад предложить наиболее популярные модели реле системы PLC–INTERFACE от Phoenix Contact и аксессуары к ним.
Модульная релейная система PLC–INTERFACE включает в себя широкий спектр чрезвычайно узких вставных или твердотельных… …читать
21 июля 2013
статья
Поговорим о клеммах… Именно этот вид продукции является «коньком» основанной более ста лет назад компании Wieland Electric, прочно удерживающим ее на первых местах в рейтинге мировых производителей не одно… …читать
17 декабря 2012
статья
Cоздание нового семейства микропроцессоров от TI на базе ядра Cortex A8 является важным этапом в развитии линейки микропроцессоров семейства Sitara от Texas Instruments, который позволит компании сохранить и упрочить лидирующие позиции на рынке… …читать
01 сентября 2011
статья
В связи с массовым применением счетчиков и расходомеров, особенно в системах ЖКХ, в последнее время особенно остро стоит задача сбора информации с них и централизованного расчета стоимости услуг. Для счетчиков расхода воды, газа или тепла… .
..читать
Гетерогенные PLC/RF модемы для систем сбора данных / Хабр
Эволюция плат модемов за 8 лет разработкиУмные счетчики стали реальностью в нашей жизни и главная их особенность – автоматический сбор данных. Как организовать сбор данных в многоквартирных домах и причем здесь гетерогенный PLC/RF модем? Как за 8 лет пройти путь от идеи до серийного производства, столкнуться с общими для области техническими ограничениями и разработать для их обхода собственное решение? Что лучше, передавать информацию по линиям питания (PLC) или использовать беспроводной радио канал (RF). На эти и другие вопросы постараюсь ответить в данной публикации!
Предыстория
Восемь лет назад (в 2013 году) мы вышли на рынок приборов учета, запустив в серийное производство счетчик электрической энергии Милур-104.
Первая версия счетчика электроэнергииСо временем стало ясно, что общий тренд направлен не на отдельные приборы учета, а на создание автоматизированных систем учета энергоресурсов.
Многие производители начали закладывать в свои приборы учета различные интерфейсы для снятия показаний и удаленного управления. В качестве интерфейсов можно было встретить различные решения, начиная от классического для промышленности RS-485, до различных реализаций радиочастотных и PLC трансиверов, были даже экзотические варианты вроде Ethernet.
В основу наших следующих счетчиков (Милур 105/305) легла модульная конструкция, позволяющая добавлять интерфейс передачи данных в виде отдельной печатной платы на этапе производства, что позволило унифицировать конструкцию модельного ряда приборов учета.
Основным недостатком большинства систем АСКУЭ различных производителей были проблемы с качеством связи. Часто о необходимости автоматизированного сбора данных задумываются уже на последнем этапе, когда протягивать дополнительные кабели (даже небольшие для RS-485) уже желания или возможностей нет, поэтому выбор делался в сторону использования беспроводных/радиочастотных интерфейсов, либо использования уже существующей кабельной сети распределения электроэнергии, посредством PLC интерфейса.
Для обоих способов характерна повышенная чувствительность к внешним помехам. Также, учитывая растущий спрос к приборам, произведенным во всем известной соседней стране, которые к сертификации по радиочастотгому диапазону, уровню внеполосных помех (обычно вторая и третья гармоники) и электромагнитной совместимости относятся, мягко говоря, довольно вольно, мы получаем высокую зашумленность как радиоканала, так и электросетей, что отрицательно сказывается на надежности данных каналов связи.
Гетерогенная система
В результате анализа ситуации было принято решение делать гетерогенную систему, использующую в качестве среды передачи данных совместно, как силовую линию (PLC), так и радиоканал.
Поскольку проводка является все-таки более изолированной средой передачи данных, чем радиоканал, в качестве основного интерфейса был выбран PLC.
В 2014 году Международным Союзом Электросвязи был выпущена новая версия стандарта ITU-T G.9903, более известного под названием PLC-G3, который и лег в основу PLC части гетерогенного модема.
PLC интерфейс
Физический уровень PLC реализован программно на основе собственного ЦОС процессора 1967ВН044. Это младший брат процессора 1967ВН028, который часто используется в качестве основного вычислителя радарной продукции. ЦОС Процессор 1967ВН044 обладает вдвое меньшим объемом оперативной памяти и вдвое меньшей максимальной тактовой частой, но при этом фактически является не просто мощной числодробилкой, а оснащен широким набором периферии, что позволяет использовать его в качестве основного микроконтроллера для создания изделия. При этом наличие в его системе команд инструкций для ускорения ЦОС вычислений позволяет выполнять программный синтез и разбор сигналов, необходимых для реализации физического уровня PLC.
PLC сигнал в диапазоне CENELEC-BСам стандарт PLC-G3 разрабатывался с учетом ненадежности проводки, используемой в качестве передачи данных и поэтому содержит широкий диапазон средств для снижения вероятности возникновения ошибок, уменьшения их влияния на передаваемые данные и коррекции в случае повреждения.
Для передачи данных используется фазовая модуляция (BPSK/QPSK/8PSK), что накладывает меньшие требования к мощности передатчика по сравнению с решениями на основе частотной модуляции и позволяет работать при более низком соотношении сигнал/шум за счет увеличения вычислительных затрат на устройстве. Данные передаются одновременно по нескольким поднесущим посредством ортогонального мультиплексирования (OFDM).
Структура физического уровня PLCЗа счет использования скремблера и перемежителя данные распределяются по поднесущим, что помогает избежать полной потери связи в случае возникновения помех, попадающих на часть поднесущих.
Стандарт использует одновременно линейное блочное и сверточное кодирование для увеличения надежности доставки данных.
Радиоканал
В качестве дополнительного интерфейса, а также для связи с устройствами, подключенными к изолированным электросетям или не подключенными к ним вообще, используется радиоканал в диапазоне 868МГц.
Поскольку короткие волны диапазона 2.4ГГц хуже распространяются внутри помещений, а также еще на этапе начала разработки в нем уже было «довольно тесно» (а сейчас в городской черте там стало совсем печально) то выбор стоял в основном между 433 и 868МГц. Оба диапазона позволяли использование устройств общего назначения, так что делить эфир с китайской продукцией всевозможного назначения пришлось бы в любом случае, но 868МГц казался на тот момент более перспективным и в результате мы выбрали его, и как со временем оказалось — не ошиблись.
В отличии от PLC части, радиоканал на данный момент у нас реализован на готовом трансивере CC1200, производства Texas Instruments, но в будущем предполагается разработка собственной радиочастотной ИС в том числе и для данного применения.
Спектр радиосигнала PLC/RF модемаПосле принятия соответствующего решения ГКРЧ в ПО модемов была добавлена поддержка десятка низкоскоростных (1.2-9.6 Кб/c) каналов в диапазоне 868,7-869,2МГц для передачи данных и двух высокоскоростных (125 Кб/c) канала в диапазоне 866-868МГц для настройки и обновления самих устройств.
Для передачи данных на физическом уровне в радиоинтерфейсе используется модуляция 2GFSK, для уменьшения ширины спектра и снижения внеполосных излучений. На физическом уровне используется FEC из стандарта IEEE 802.15.4 для повышения надежности работы канала связи. Систему каналов можно использовать как для сосуществования различных сетей на одном объекте, так и для локального разделения подсетей для снижения утилизации эфира и повышения общей пропускной способности сети.
Развертывание и проблемы
Все описанное выше разрабатывалось и тестировалось с положительными результатами на территории компании Миландр, но все самое интересное началось после установки пробных партий на реальные объекты.
В конце 2017 года была собрана первая опытная партия из нескольких PLC/RF модемов для установки в 17-этажный многоквартирный жилой дом в г. Томск. На момент отправки были некоторые опасения, касательно совместной работы с модемами квартирных радиомодулей, но реальность показала, что сложностей может оказаться больше, чем изначально предполагалось.
PLC
Теоретическая модель импеданса сети, предсказуемо не соответствует реальному сопротивлению электрической сети и степень этого несоответствия может достигать нескольких порядков на отдельных частотах.
Любой реальный объект — он «живой», на нем присутствуют люди, которые могут включать и выключать различное оборудование, и состояние среды передачи данных может значительно меняться в течении суток.
Наибольшую проблему для PLC сигнала представляют не помехи от использования бытовых приборов, а поглощение сигнала за счет входных емкостей импульсных блоков питания. В электрической сети с большим количеством ИИП уровень PLC сигнала довольно быстро опускается до отрицательных значений SNR, в таких условиях полезный сигнал еще можно вытащить (за счет использования PSK) и восстановить (за счет кодов коррекции), но даже при этом доля поврежденных пакетов начинает довольно быстро составлять более 50%.
Электрическая сеть имеет распределенную структуру и сигнал отлично без искажений проходящий бухту кабеля 300м может легко не пройти по стояку из подвала до 10 этажа обычного многоквартирного дома.
В электрической сети объекта уже могут быть PLC устройства, использующие различные диапазоны спектра и типы модуляции (например S-FSK).
RF
Существующие модели могут с неплохим приближением описать поведение радиосигнала на открытой местности, но не в закрытых помещениях со сложной геометрией. В них основную роль начинают играть переотражения сигнала от стен и перекрытий и сложение прямых и отраженных сигналов и от фаз каждой из компонент сигнала зависит степень ослабления в каждой конкретной точке пространства. Теоретически хорошую точность должна показать многолучевая модель, но для таких расчетов необходимо иметь подробные планы каждого объекта, чем маловероятно что будут заниматься перед установкой приборов учета. Физически эффект замирания проявляется в том, что в помещении образуются области, в которых стабильный радиообмен затруднен или вообще невозможен.
Счетчики электроэнергии часто устанавливаются в этажные щиты учета на лестничных площадках, которые представляют из себя, наверное, худшие условия, в которые можно поместить оборудование, использующее радиоканал — железная дверь с передней стороны и железобетон конструкций или металлические стенки ящика с трех других сторон — идеальные условия, если не для экранирования сигнала, то как минимум для его множественных переотражений.
В целом мы столкнулись с теми проблемами, с которыми сталкивались большинство производителей приборов учета при начале промышленного производства и для которых не существует стандартного решения. Косвенно подтверждением наличия сходных проблем можно считать отзывы о наличии проблем с качеством связи у систем АСКУЭ других производителей.
Решения
Одним из лучших решений в плане радиоканала считалось решение на основе LoRa. Для наших устройств дальность стабильной связи на открытом пространстве достигала 5-7 км, максимальная была около 10 км, для LoRa заявлялись сходные характеристики.
Но поскольку специфика систем АСКУЭ в большинстве случаев предполагает установку приемопередающих устройств в помещениях, то было проведено сравнение работы радиоканала для нашей системы, состоящей из УСПД Milan IC 02 и квартирного радиомодуля и системы на основе LoRa+LoraWAN, где в качестве шлюза использовался Tektelic KONA Micro, с датчиком Tektelic KONA Home Sensor. Мощность шлюза и УСПД была установлена на +25dBm, а обоих датчиков на +14dBm, трансиверы LoRa были настроены на режим SF7/125кГц, в нашей сети использовался канал 9.6Кб/c шириной 25кГц.
Результаты измерений показали, что в условиях внутри помещений LoRa, несмотря на более надежную CSS модуляцию и большую ширину канала, фактически сталкивается с теми же проблемами переотражения и затенения, что и наше решение. Фактически не удалось получить какого-то значимого преимущества в работе какой-то из систем в тестовых условиях.
Многие производители систем учета предлагают следующие способы в качестве решения проблем качества каналов:
Установка дополнительных шлюзов и базовых станций.
Установка ретрансляторов PLC или RF сигнала.
Использование датчиков или приборов учета в качестве ретрансляторов.
Конечно, с точки зрения покупателя системы первый способ является наихудшим решением, так как ведет к дополнительным затратам. Классическая ретрансляция, реализуемая повторной отправкой принятых пакетов, проста в настройке, но значительно увеличивает нагрузку на сеть, снижает полезную утилизацию канала (при повышении общей), и при неправильной настройке может приводит к широковещательным штормам.
В качестве альтернативны было выбрано решение с честной маршрутизацией пакетов через модемы, установленные в приборы учета. Это позволяло аккуратно и надежно настроить маршруты пакетов до устройств, прямая связь с которыми была недостаточно стабильна или полностью отсутствовала.
Для 17-этажного одноподъездного дома, служившего тестовым объектом, максимальная цепочка составила три промежуточных устройства между УСПД и опрашиваемым прибором. Добавление маршрутизации позволило почти полностью решить проблемы со связью с дальними от УСПД устройствами. Конфигурация модемов проводилась при помощи УСПД удаленно, постепенно записывая дерево маршрутов от ближних устройств к дальним.
Несмотря на то, что использование статической маршрутизации помогло повысить надежность каналов связи, оно было все равно промежуточным решением, так как требовало от операторов управляющих компаний знания или анализа структуры настраиваемых объектов. Помимо этого иногда приходилось сталкиваться с ситуациями, когда жильцы, уезжая на отдых, полностью отключали приборы учета установленными перед ними рубильниками/автоматами. В случае, когда такой прибор был промежуточной точкой в маршрутах для устройств, установленных выше, это приводило к потере связи сразу с целыми сегментами сети.
Поэтому параллельно с испытаниями в компании Миландр, совместно с компанией Астрософт велась разработка обновленной версии системы, основанной на отечественной ОСРВ и использующей динамическую маршрутизацию. В качестве алгоритма маршрутизации стандартом 6LoWPAN (который мы в том числе начали реализовать) предлагалось использовать алгоритм реактивной маршрутизации LOADng. Классические алгоритмы проактивной маршрутизации, применяемые в компьютерных сетях требуют регулярного обмена пакетами между каждой парой связанных устройств в сети. Поскольку сейчас реализация компьютерных сетей связи в домах уже почти однозначно ассоциируется с технологией Ethernet и витой парой, а также типом связи устройств точка-точка (порт-порт), то кажется что что проблем с поддержкой регулярного обмена пакетами не будет. Но если вспомнить, что оба используемых нами интерфейса представляют из себя общую среду передачи данных, разделяемую между всему устройствами в зоне видимости (в том числе и не принадлежащими к нашей системе), то возникает закономерный вопрос — не превысит ли трафик накладных расходов на поддержание сети трафик полезных пакетов с опросом приборов учета.
Одной из дополнительных задач для автоматизации было добавление приборов учета и датчиков в УСПД для периодического опроса. В большинстве систем АСКУЭ это возможно сделать только вручную, занеся в базу данных информацию о приборе, месте его установке, параметрах, и т. д. В нашей системе была добавлена возможность для автоматической регистрации и обнаружения устройств в сети. После включения модем запрашивает у связанного с ним прибора учета его параметры (название, тип, серийный номер) и начинает активное сканирование эфира, отправляя на выбранном канале (или каналах) запросы поиска соседних устройств. После чего происходит попытка подключения к каждой из обнаруженных сетей. При совпадении ключей и прохождении фильтрации по белым/черным спискам устройств на УСПД устройство получает логический адрес в сети и привязывается к УСПД как к координатору. При этом на УСПД появится вся информация о приборе учета и оператору будет нужно только привязать его в ручном режиме к реальному месту установки и потребителю при необходимости.
В гетерогенной сети помимо устройств с PLC/RF модемами могут также присутствовать устройства только с RF интерфейсом и с автономным или низковольтным питанием, как например квартирные радиомодули (счетчики импульсов, подключаемые к счетчикам воды, газа и тепла с импульсным выходом), датчики температуры и влажности, газосигнализаторы и т. д.
Для устройств с автономным питанием основной задачей, помимо собственно учета, является сохранение заряда батарей. Это накладывает ограничения на время работы радиомодуля даже в режиме приема, поэтому большую часть времени радио трансивер устройства находится в спящем режиме и включается только раз в определенный период для опроса показаний. Такой режим работы накладывает дополнительные требования к синхронизации времени между устройствами, так как оно неизбежно будет «уплывать» из-за погрешностей кварцевых резонаторов и сбиваться при замене элементов питания. Для решения данной задачи на канальном уровне был добавлен протокол MTP, являющийся легковесном аналогом общеизвестного алгоритма PTP.
Каждое устройство раз в определенный интервал времени делает широковещательные рассылки со своим текущим временем и отдаленностью часов от координатора (stratum). Узлы сети, выбирают устройство с наименьшими удаленностью и разбросом времени и добавляются в дерево после них, становясь следующим слоем источников времени.
В обычном режиме система работает под управлением УСПД, который поочередно по графику опрашивает все датчики и приборы учета, но иногда устройствам необходимо асинхронно передать информацию к координатору, например о превышении допустимых значений, вскрытии корпуса устройства или снижении уровня заряда батарей. Можно было бы использовать выбранный ранее подход с реактивной маршрутизацией, но это добавило бы дополнительную задержку перед отправкой пакета и увеличило накладные расходы на асинхронный поиск маршрута. Но ведь в результате работы MTP у нас же уже фактически есть в каждом устройстве запись о следующем «прыжке» до координатора, которую можно использовать.
Таким образом мы приходим к используемому в текущей версии модемов алгоритму ARRDP. При обращении от УСПД к устройствам используется реактивная маршрутизация, которая одновременно находит устройство по его логическому адресу (аналог ARP) и строит маршрут для него с учетом состояния PLC и RF сред. При обратном обращении, от устройств к УСПД, используется пассивная проактивная маршрутизация, использующая данные синхронизации времени для быстрой отправки пакетов, но возможно не по самому оптимальному маршруту. Применение данного подхода позволило решить большую часть проблем с надежностью каналов связи до устройств, удаленных от УСПД. Данное решение хорошо работает при плотном покрытие объекта устройствами учета, как например в жилых домах или бизнес центрах. Таким образом мы не изобрели «серебряную пулю», но создали стабильное решение для применения на большей части объектов требующих автоматизированных систем сбора данных.
Поскольку разработка системы и ее развертывание на объектах происходили параллельно, то был реализован механизм обновления модемов устройств без физического доступа к прибору и повреждения пломбировки. Так как модем является отдельным модулем, взаимодействующим с прибором учета, то его ПО не относится к метрологической части и изменение его версии (с изменением контрольной суммы) не требует повторной поверки прибора учета. Обновить ПО можно двумя способами: или используя протокол удаленной настройки и управления самого модема, посредством отправки маршрутизируемых IPv6 пакетов по гетерогенной PLC/RF сети или с использованием протокола управления канального уровня и отправки прошивки по одному из широких радиоканалов, что значительно быстрее, но требует физического нахождения рядом с обновляемым модемом.
Небольшой оффтоп об обновленииНа самом первом объекте мы столкнулись с ситуацией, когда после установки нашей системы учета управляющей компанией поставщиком электроэнергии были установлены вводные приборы учета, также использующие PLC в диапазоне CENELEC A, но с другой модуляцией (S-FSK) и с высокой утилизаций канала (более 50%).
На тот момент ПО модемов не поддерживало изменение диапазона работы PLC, поэтому единственным решением было обновление прошивки всех приборов учета на объекте по каналам со скоростью в 1-10 Кб/с. Дополнительной сложностью было то, что при смене частотного диапазона PLC терялась совместимость с предыдущей версией, поэтому обновление было необходимо устанавливать, двигаясь от самых дальних приборов (с точки зрения маршрутов) к ближним. В целом процесс прошел успешно, но для сотни с небольшим приборов занял чуть более месяца.
Со стороны УСПД модем на уровне драйвера интегрирован в ОС Linux. Для обращения к устройствам на используются IPv6 адреса, включающие в себя серийный номер прибора. В УСПД модем представляется как сетевой адаптер, на который можно открыть обычный UDP сокет для обмена данными с устройствами. Для анализа сети можно использовать стандартные утилиты вроде traceroute, tcpdump, а настройки самого модема вынесены в sysfs.
Работа с модемом в системе УСПДПоскольку в ПО модемов также используется модульный подход, то их можно легко переконфигурировать под нужды заказчика и для применения в других системах, кроме АСКУЭ, например в качестве одной из ветвей является версия для управления светофорами на перекрестках, где полностью отключены алгоритмы маршрутизации и подтверждения сообщений и изменены настройки алгоритма множественного доступа к среде для достижения гарантированного времени доставки пакетов.
Что такое ПЛК и как они работают?
ПЛК часто определяют как миниатюрные промышленные компьютеры, которые содержат аппаратное и программное обеспечение, используемое для выполнения операций. контрольные функции. ПЛК состоит из двух основных частей: центрального процессора (ЦП) и система интерфейса ввода/вывода. ЦП, который управляет всей деятельностью ПЛК, может быть далее разбит на процессор и система памяти. Система ввода/вывода физически подключена к полевым устройствам (например, переключателям, датчики и т. д.) и обеспечивает интерфейс между ЦП и поставщиками информации (входы) и управляемые устройства (выходы).
Для работы ЦП «считывает» входные данные с подключенных полевых устройств с помощью своих входных интерфейсов и
затем «выполняет» или выполняет программу управления, которая была сохранена в его системе памяти.
Программы
обычно создается в релейной логике, языке, который очень напоминает схему соединений на основе реле, и
вводится в память ЦП перед операцией. Наконец, на основе программы ПЛК «записывает» или обновляет
устройства вывода через выходные интерфейсы. Этот процесс, также известный как сканирование, обычно продолжается в
одна и та же последовательность без перерыва и изменяется только при изменении программы управления.
Если вам нужна дополнительная информация о ПЛК и о том, как их использовать, ознакомьтесь с бесплатным «Руководством по ПЛК» на сайте нашей библиотеки по адресу:
AutomationDirect’s eBooks
Дискретные приложения
ПЛК часто используются для управления машинами или процессами, которые носят последовательный характер, используя «дискретные» входы.
и выходы, которые имеют определенные состояния. Например, если концевой выключатель обнаруживает присутствие объекта, он обеспечивает
сигнал «ON» на ПЛК; если объект не обнаружен, он подает сигнал «ВЫКЛ».
Машина или устройство обычно
выполняет действия на основе времени или событий в заранее определенном порядке. Ожидаемая последовательность обычно
прерывается только при возникновении нештатной ситуации.
CLICK — отличный выбор ПЛК для дискретных приложений.
Какой ПЛК вам подходит?
Выбор наиболее эффективного ПЛК для вашего приложения зависит от ряда факторов. Чтобы начать процесс выбора, рисунок машины или процесса является хорошим началом. Это может помочь идентифицировать полевые устройства и физические требования к размещению оборудования. По чертежу можно определить, сколько аналогов и/или дискретные устройства, которые у вас будут. После того, как требования к полевым устройствам и местонахождению оборудования определены, вы можете ознакомиться с ПЛК, которые будут соответствовать вашим требованиям.
AutomationDirect предлагает множество доступных вариантов ПЛК для удовлетворения потребностей различных клиентов. Если вам нужна помощь в выборе правильный ПЛК, пожалуйста, обратитесь к нашему инструменту выбора ПЛК, который можно найти здесь: Инструмент выбора ПЛК
Этот инструмент поможет вам выбрать семейство ПЛК, которое лучше всего подходит для вашего приложения.
Однако, если вам нужен недорогой, практичный ПЛК для
небольшие повседневные приложения, которые надежны и просты в программировании (с бесплатным программным обеспечением) — тогда CLICK определенно для вас!
Почему я должен покупать ПЛК у AutomationDirect?
Ценность № 1 в области автоматизации: низкие цены, быстрая доставка и превосходное обслуживание. AutomationDirect работает на рынке промышленного управления с 1994 года. (тогда известная как PLCDirect) и сегодня предлагает десятки тысяч качественных продуктов промышленной автоматизации с непревзойденным обслуживанием и поддержкой. в отрасли. Наше внимание к удовлетворенности клиентов привело к многочисленным отраслевым наградам за обслуживание, а также за наши низкие цены, БЕСПЛАТНУЮ техническую поддержку, быстрая доставка товаров в наличии, БЕСПЛАТНО при заказе на сумму более 49 долларов США(подробности см. в магазине), вы нигде больше не получите больше за доллар.
Что такое интерфейсный модуль в ПЛК Siemens?
от редакции
В этой статье мы узнаем об интерфейсном модуле (IM), используемом в ПЛК Siemens.
Передача данных между модулями ввода/вывода или между ПЛК более высокого уровня осуществляется через интерфейсный модуль.
Я знаю, что многие слышали это слово удаленный ввод-вывод, это достигается установкой интерфейсного модуля.
Удаленный ввод-вывод используется для уменьшения длины проводов, упрощения поиска и устранения неисправностей и предоставления экономичного решения.
Предположим, что на заводе нам нужно установить кучу полевых устройств, которые находятся далеко от диспетчерской.
В таком случае вместо того, чтобы протягивать провода от поля до диспетчерской, это может значительно увеличить стоимость, а также затруднить устранение неполадок в системе.
Чтобы упростить задачу, сначала переместите все модули ввода-вывода в полевую зону и добавьте к ней интерфейсный модуль.
Теперь подключите поддерживаемый коммуникационный порт ЦП диспетчерской к интерфейсному модулю, чтобы установить связь друг с другом.
Таким образом, для связи между устройствами требуется только один кабель, что снижает стоимость проводки и сложность.
Как вы можете видеть на изображении ниже, как интерфейсный модуль используется для передачи данных на большие расстояния.
В случае критической системы можно протянуть еще один коммуникационный кабель в качестве резервной системы, чтобы предотвратить неожиданное отключение.
Есть еще один способ использования интерфейсного модуля в панели управления.
ЦП серии s7-300 поддерживают конфигурации с тремя стойками и одиннадцатью модулями.
Если у вас более крупная система, чем вам может потребоваться более одной стойки для связи с другими стойками, здесь вам понадобится интерфейсный модуль .
На изображении ниже показано, как интерфейсный модуль добавляется в стойку для связи с ЦП.
Как видите Интерфейсный модуль добавляется во второй слот первой стойки и в первый слот второй стойки.
Протяните кабель PROFIBUS от первого IM ко второму IM. Таким образом, он может связываться со стойкой через два интерфейсных модуля.
