CC BY
63
УДК 628.931
ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО ПРОВОДАМ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ
Е.В. Вставская, Т.А. Барбасова, Е.В. Кос та рее, В.И. Константинов
CONSTRUCTION OF INFORMATION TRANSFER SYSTEMS ON A POWER LINE
E.V. Vstavskaya, T.A. Barbasova, E.V. Kostarev, V.l. Konstantinov
Рассматриваются вопросы построения систем передачи информации по проводам питающей сети, применяемых при проектировании систем наружного освещения.
Ключевые слова: модуляция, передача информации, система управления освещением.
Questions about construction of information transfer systems on power line wires in designing the illumination systems are duscussed.
Keywords: modulation, information transfer, light control system.
Введение
Метод передачи информации по проводам питающей сети выбирается для регулирования светового потока источников света как простой в реализации и не требующий монтажа дополнительных линий связи [1]. Для передачи информации используется изменение угла широтной модуляции в начале полупериода сетевого напряжения, причем выбранный диапазон изменения угла модуляции не оказывает влияние на работу импульсных преобразователей питающего напряжения [2—4].
Переменное напряжение питающей сети является несущим сигналом при передаче информации таким способом, а сигнальным признаком является наличие или отсутствие модуляции на начальных углах полупериода синусоиды. Такой информационный сигнал не влияет на потребление тока импульсными преобразователями.
1. Структура системы передачи
информации по проводам питающей сети
Система передачи информации по питающей сети содержит источник внешнего управляющего сигнала, преобразователь управляющего сигнала (передающее устройство) и приемники модулиро-
ванного сигнала (приемные устройства), входящие в состав каждого из управляемых объектов (рис. 1) [5, 6]. Максимальное количество обслуживаемых приемных устройств определяется разрядностью адреса приемного устройства и допустимой мощностью, на которую рассчитано передающее устройство.
2. Способы передачи информации
по питающей сети
Передача информации по питающей сети возможна в двух видах: аналоговом и цифровом.
Аналоговый способ передачи информации по питающей сети предусматривает одновременное и одинаковое управление всеми объектами системы. При этом в качестве источника внешнего управляющего сигнала может использоваться аналоговый сигнал напряжения, формируемый внешним источником или потенциометром. При этом преобразователь управляющего сигнала формирует широтно-модулированный сетевой сигнал, питающий объекты системы на основе задающего внешнего сигнала. При этом изменение управляющего сигнала пропорционально изменению фазы угла модуляции в пределах 0... 50°.
Вставская Елена Владимировна канд. техн. наук, доцент кафедры автоматики и управления, Южно-Уральский государственный университет; lena@ait.susu.ru Барбасова Татьяна Александровна канд. техн. наук, доцент кафедры автоматики и управления, Южно-Уральский государственный университет; barbasow@mail.ru Костарев Евгений Владимирович магистрант кафедры автоматики и управления, Южно-Уральский г осударственный университет; surel@ait.susu.ru
Константинов Владимир Игоревич доцент кафедры информационно-измерительной техники, Южно-Уральский государственный университет; kvi@ait.susu.ru
Vstavskaya Elena Vladimirovna - PhD, assistant professor of the Automation and control department of South Ural State University; lena@ait.susu.ru
Barbasova Tatiana Alexandrovna - PhD, assistant professor of the Automation and control department of South Ural State University; barbasow@mail.ru
Kostarev Evgeny Vladimirovich - undergraduate of the Automation and control department of South Ural State University; surel@ait.susu.ru
Konstantinov Vladimir Igorevich - assistant professor of the Equipment for information and measurement technique department of South Ural State University; kvi@ait.susu.ru
Рис. 1. Структура системы передачи информации по проводам питающей сет
При цифровом способе передачи информации по питающей сети в качестве источника внешнего управляющего сигнала может быть выбран центральный блок (контроллер, компьютер), который формирует задающие сигналы и передает их преобразователю управляющего напряжения по последовательному интерфейсу. Преобразователь управляющего напряжения транслирует полученную посылку в питающую сеть для подключения объектов в виде наличия или отсутствия фазовой модуляции на начальных углах полупериодов. При этом возможно использование фазовой модуляции до 5... 10°. Кроме того, в режиме отсутствия посылок фазовая модуляция может не генерироваться. Такой способ является более предпочтительным, поскольку вносит существенно меньшие помехи в питающую сеть. Кроме того, посредством передачи посылок по питающей сети в цифровой форме возможно осуществить индивидуальное управления объектами системы, если посылка будет содержать адрес устройства.
При цифровом способе передачи информации по питающей сети в качестве источника управляющего сигнала может также использоваться аналоговый сигнал напряжения. В этом случае посылка, передаваемая в питающую сеть, генерируется при изменении аналогового сигнала на некоторую величину. В остальное время фазовая модуляция напряжения сети отсутствует. При формировании задающего сигнала аналоговым напряжением управление осуществляется в широковещательном режиме, т. е. посылка адресована всем приемным устройствам, подключенным к информационной питающей сети.
Проанализировав особенности работы аналогового и цифрового способов передачи информации по питающей сети, отдадим предпочтение цифровому способу.
3. Структура и принцип работы преобразователя управляющего сигнала
Передающее устройство (преобразователь управляющего сигнала, см. рис. 1) конструктивно целесообразно реализовать состоящим из двух модулей - модуля управления и модуля силовых ключей, конструктив которого, в свою очередь, определяется мощностью обслуживания осветительной сети. Структурная схема передающего устройства представлена на рис. 2.
Устройство преобразователя информации способно принимать управляющую информацию в аналоговой или цифровой форме в зависимости от выбранного режима работы и обслуживать несколько приемных устройств. Приемные устройства устанавливаются по одному на каждую группу управляемых светодиодов, принимают сигнал управления в виде посылки и ставят ему в соответствие некоторое значение ШИМ-сигнала, управляющего режимом работы источника питания. Регулирование светового потока осуществляется дискретно от 0 до 100 % с шагом 10 %.
Для формирования управляющей информации в цифровой форме используется интерфейс 118-485. Для реализации индивидуального управления приемными устройствами необходимо введение системы адресации приемных устройств. Посылка управляющей информации должна содержать адрес приемного устройства, которому адресовано управление и величина светового потока для указанного устройства. Кроме того, полезно предусмотреть групповую и широковещательную адресацию.
При формировании посылки во избежание внесения в линию связи постоянной составляющей целесообразно осуществлять передачу каждого бита информации периодом сетевого напряжения. Так, передача нулевого бита соответствует широтной модуляции 0° (рис. 3, а), единичного бита - 10° (рис. 3, б).
Рис. 2. Структурная схема передающего устройства
Стартовый бит посылки при таком способе передачи информации может отличаться от логических значений битов углом широтной модуляции, что повышает надежность приема посылки. Кодирование стартового бита возможно углом модуляции 20°.
Существенным преимуществом передачи информации таким способом является высокая помехозащищенность, связанная с возможностью исправления однократной ошибки приема бита в посылке и восстановления его значения по состоянию бита контроля четности. Если при приеме бита обнаруживается различная модуляция на положительном и отрицательном полупериоде напряжения, бит считается принятым неверно. Однако наличие бита контроля четности позволяет определить требуемое состояние этого бита и исправить ошибку.
4. Структура и принцип работы
приемного устройства
Приемное устройство представляет собой электронный модуль, предназначенный для прие-
ма управляющей информации по питающей сети и формирующий задающий ШИМ сигнал, формирующий управление для интеллектуальных регуляторов.
Модулированное сетевое напряжение поступает на электронный блок дешифратора принятого сигнала. Электронный блок дешифратора, встраиваемый в каждый светодиодный светильник, является простым и недорогим устройством на одном микроконтроллере. Он состоит из схемы датчика перехода через ноль, микроконтроллера и оптопары. Датчик перехода через ноль выдает микроконтроллеру сигналы равенства нулю сетевого напряжения (период отсечки фазы). Микроконтроллер измеряет длительность равенства нулю сетевого напряжения и по заданному алгоритму вырабатывает сигнал для управляемого импульсного источника питания светодиодного светильника. Оптопара обеспечивает гальваническую развязку электронного блока дешифратора и входа управления импульсного источника питания.
Структурная схема приемного устройства представлена на рис. 4.
О
X
Управляющий
ШИМ-сигнал
Рис. 4. Структурная схема приемного устройства
группа
подгруппа
устройство
0001 0000 0000
Широковещательный
адрес
0 301 0001 0000
0002 0000 0000
1
0001 0001 0001
Рис. 5. Схема адресации
1111 0000 0000
0001 1111 0000
0001 0001 1111
5. Адресация приемных устройств
Индивидуальное управление источниками света осуществляется введением системы адресации.
Для формирования адреса приемное устройство содержит переключатель на 12 положений, позволяющий формировать 12-битный адрес устройства. Для реализации групповой и широковещательной адресации 12-битный адрес разделяется на 3 группы по 4 бита. Таким образом, схема адресации будет иерархической (рис. 5).
Групповой адрес формируется последними четырьмя нулями в каждой тетраде битов. Так, команда, содержащая адрес 0000 0000 0000, адресуется всем приемным устройствам. Команда, содержащая адрес 0001 0000 0000, адресуется всем устройствам группы 0001. Команда, содержащая адрес 0001 0002 0000, адресуется всем устройствам группы 0001 подгруппы 0002. Команда, содержащая адрес 0001 0002 0003, адресуется индивидуально устройству 0003 подгруппы 0002 группы 0001.
Таким образом, каждая подгруппа может адресовать 15 устройств, каждая группа - 15Т5=225 устройств, вся система - 225'15=3 375 устройств.
Выводы
Построение систем передачи информации по проводам питающей сети основывается на организации взаимодействия передающего устройства и приемных устройств, связанных с индивидуаль-
ными объектами системы. Передачу информации целесообразно осуществлять цифровым способом, при этом используя кодирование логической «1» в пределах 5... 10° начального угла полу периода напряжения. Для организации гибкого управления объектами системы целесообразно использование иерархической адресации.
Литература
1. Патент на полезную модель № 99913 Российская Федерация, МПК Н 04 В. Устройство для приема-передачи информации по питающей сети и управления режимами работы потребителей электрической энергии / Т.А. Барбасова, Е.В. Встае-ская, В.II. Константинов, О.В. Константинова, Е.В. Костарев. - Опубл. 27.11.2010.
2. Вставская, Е.В. Способ передачи информации по питающей сети и его применение в построении систем автоматизированного управления наружным освещением / Е.В. Вставская, Е.В. Костарев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2011. -Вып. 13, № 2(219). - С. 81-85.
3. Автоматизированные системы управления энергоэффективным освещением: моногр. /Л.С. Ка-заринов, Д.А. Шнайдер, Т.А. Барбасова и др.; под ред. Л.С. Казаринова. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ: Издатель Т. Лурье, 2011. - 208 с.
4. Управление режимами работы светодиодных светильников с передачей информации по пи-
тающей сети / Е.В. Вставская, В.И. Константинов, Т.А. Барбасова, Е.В. Костарев // Физика и технические приложения волновых процессов: Материалы IX Междунар. науч.-техн. конф. 13-17 сентября 2010.
5. Выбор оптимального режима работы светодиодных излучателей / В.И. Константинов, Е.В. Вставская, Т.А. Барбасова, В.О. Волков // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные техно-
логии, управление, радиоэлектроника». - 2010. -Вып. 11, № 2(178). - С. 46-51.
6. Проектирование светодиодных источников света по максимуму функционального резерва при ограничении на весогабаритные характеристики / JI.C. Казаринов, Е.В. Вставская, В.И. Константинов, Т.А. Барбасова //Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2011. - Вып. 13, № 2(219). - С. 74-81.
Поступила в редакцию 14 мая 2011 г.
