Corespund ele cerinţelor de azi şi de mâine? Există o “cea mai bună cale” de a răspunde multitudinii de standarde? Ca întotdeauna, nu sunt importante numai aspectele tehnice, ci şi cele comerciale.
de Kevin Jones, Renesas Electronics Europe
Tehnologiile de comunicaţii şi standardele relative la acestea au fost probabil unele dintre topicele cele mai discutate din ultimele două decenii când a venit vorba de măsurare inteligentă sau de instalare de reţele inteligente, acestea având potenţialul de a revoluţiona reţelele inteligente. Întreaga industrie a declarat lipsa de “standarde deschise” care să acopere necesităţile măsurărilor inteligente sau a reţelelor inteligente la modul general. Pentru comunicaţiile în linie de
putere, ca şi în cazul altor tehnologii, mii de experţi au lucrat la standarde care există din abundenţă.
Cu privire la reţelele de utilităţi la nivel european, există variaţii de la ţară la ţară. Pieţe ale electricităţii de tip monopol, precum în Franţa sau Italia, au o companie de distribuţie dominantă. Există ţări cu un număr mic de companii distribuitoare mari, precum Spania, şi pieţe fragmentate cu numeroase reţele de utilităţi. Instalaţiile mari şi încercările pilot din Europa au arătat până acum despre comunicaţia în linie de putere (PLC – power line communication) că este tehnologia cea mai adoptată, iar acest lucru este valid independent de fragmentarea pieţei. Cerinţele datorate tehnologiei în linie de putere s-au schimbat faţă de 2001, când Enel a amplasat prima soluţie mondială de măsurare inteligentă în Italia. Cerinţele aplicaţiei au evoluat de la citirea automată a măsurătorii AMR (Automatic Meter Reading) către infrastructură automată de măsurare AMI (Advanced Metering Infrastructure) şi către managementul măsurării automate AMM (Automated Meter Management) cu cerinţe care au pornit de la comunicaţie unidirecţională cu viteză mică de transfer de date, la comunicaţie bidirecţională în timp real. Cele din urmă sunt necesare în aplicaţii de reţele inteligente pentru comanda răspunsului şi managementul alimentării pentru controlul cerinţelor de vârf şi echilibrarea sarcinii globale. Această tendinţă nu se va opri aici.
Ca rezultat, există o evoluţie continuă a standardelor. Dacă luăm în considerare comunicaţia în linia de putere, atunci există o multitudine de tipuri: tehnologie în bandă îngustă cu viteză redusă / medie, viteză mare sau tehnologie de bandă largă. Toate utilizează aceeaşi formă de tehnică de modulaţie: DCSK, FSK, SFSK, OFDM etc. Dacă luăm în considerare numai tehnologia în bandă îngustă bazată pe OFDM, sunt multe standarde: PRIME versiunile 1.3.6 şi 1.4, ITU-T G.9903 (G3 PLC) şi IEEE P1901.2 pentru a da numai câteva exemple. De unde vin acestea?
Probabil că cel mai important factor conducător din spatele acestor standarde sunt chiar companiile de utilităţi. Dacă săpăm mai adânc, putem spune că acestea sunt susţinute de companiile de utilităţi care operează pe pieţele monopoliste de electricitate sau cu siguranţă cele cu un mare procent din piaţa fragmentată. Unul dintre standardele originale a fost PLAN sau IEC 61334-4 dezvoltat de ERDF care este acum una dintre forţele conducătoare din spatele standardului ITU-T G.9903 (G3-PLC). Un alt standard larg adoptat este PRIME, susţinut de Iberdrola, iar anterior menţionatul Enel se află în spatele Meters and More Alliance.
Avantajul major al unui standard este acela că poate fi adoptat de industrie ca tehnologie de-facto. Acest lucru duce la implementări inter-operabile multiple între furnizori şi companiile de utilităţi sau producătorii de aparate de măsură, rezultând posibilitatea alegerii furnizorilor, creşterea competiţiei, obţinând în cele din urmă, un cost mai redus al soluţiilor.
În anii din urmă unele guverne au impus anumite ţinte. Se poate argumenta că cel mai important dintre acestea este ţinta ambiţioasă a UE, 20:20:20, care stipulează că țările membre UE trebuie să “asigure implementarea de sisteme de măsurare inteligente” cu o acoperire de 80% până în 2020 şi o acoperire completă până în 2022. Normele locale impun atunci utilizarea standardelor deschise. Aceste lucruri forţează pe cei care gestionează reţelele de utilităţi să acţioneze rapid, să selecteze un standard deschis şi să înceapă dezvoltarea de sisteme de măsurare în cadrul acestui interval strâns de timp. Acest lucru nu afectează numai companiile de utilităţi. Doar pentru faptul că un standard există sau este deschis, nu înseamnă că sunt multe implementări ale sale, sau că aceste standarde sunt inter-operabile. Dacă se ia în considerare scara la care se urmăreşte implementarea, factorii anterior indicaţi devin critici.
Fie de exemplu, Alianţa Zigbee. Aceasta s-a format în 2002, dar au durat 4 ani până când primul produs Zigbee a devenit disponibil. Pentru măsurarea inteligentă, producătorii de semiconductoare trebuie să aibă un dispozitiv capabil de a implementa nivelele joase. Apoi există pachetele de protocoale ce trebuie dezvoltate de vânzătorii de semiconductoare, terţi sau producătorii de dispozitive de măsurare. Aceste soluţii trebuie integrate în dispozitivele de măsurare şi testate extensiv în încercări pilot. Aceşti factori explică de ce companiile de utilităţi conduc standardele.
Chiar şi atunci când ne referim la soluţiile PLC în bandă îngustă bazate pe OFDM, diferenţele se întind pe mai multe nivele ale modelului OSI. La nivel fizic, există diferenţe între frecvenţele purtătoare şi spaţiere, între numărul de constelaţii utilizate în cartografiere, între repetiţiile în traductoare şi între diferitele tehnici de corecţie a erorilor. Toate acestea afectează robusteţea şi vitezele de achiziţionare a datelor ale fiecărui standard la nivel teoretic. La nivelul MAC există subtilităţi cu privire la accesul la canale, securitate, mapare tonuri, adresare şi dimensiuni, lungimi de segmentare care din nou au cu toate un efect asupra vitezei de transfer de date şi influenţează robusteţea soluţiei.
Următorul nivel este cel de reţea, la care diferenţele sunt chiar şi mai variate, tehnici de compresie, dimensiuni header, unităţi maxime de transmisie, protocoale de routare, (la cerere sau bazate pe tabele, formând diferite topologii: plasă (mesh), stea, arbore…). Putem fireşte continua cu restul nivelelor OSI. Deoarece nu există un lider evident sau un standard cel mai performant pentru PLC, producătorii de sisteme de măsurare sunt aproape forţaţi să suporte toate standardele.
Analizând investiţiile care sunt necesare pentru soluţiile de semiconductoare precum şi pentru ciclurile de dezvoltare, cea mai eficientă abordare pentru a suporta evoluţia curentă şi varietatea de standarde este de a implementa o soluţie bazată pe software pur. Renesas a lansat Cool Phoenix 2 (CPX2), dispozitivul din a doua generaţie a familiei premiate Cool Phoenix ce păstrează conceptul flexibil care permite unui singur dispozitiv să suporte multiple standarde, cum ar fi de exemplu G3 şi PRIME. Cu toate că dispozitivul este compatibil la nivel de pini cu predecesorul său, el oferă mai multă memorie, precum şi performanţe mai ridicate, suportând multiple benzi de frecvenţă, printre care CENELEC, FCC şi ARIB. Motorul de securitate AES este caracterizat de modurile ECB, CBC şi CCM cu lungimi de cheie de 128, 192 sau 256 biţi. Acest fel de soluţie flexibilă, bazată pe software este avantajoasă pentru producătorii de dispozitive de măsurare care vizează pieţe mondiale. Astfel, pot fi suportate multiple standarde şi/sau benzi de frecvenţă cu o singură platformă care reduce semnificativ efortul de proiectare, dar şi costul produsului. Toate schimbările potenţiale şi toate îmbunătăţirile standardelor pot fi integrate fără probleme prin reprogramarea prin control de la distanţă a dispozitivului de măsurare, acest lucru fiind avantajos pentru orice piaţă, indiferent de nivelul de fragmentare.
Cu toate că arhitectura bazată pe software a CPX2 oferă flexibilitate, partea analogică integrată AFE (analogue front end) cu un amplificator cu câştig adaptiv şi funcţii de control automat al amplificării (AGC), asigură o calitate excepţională a calităţii semnalului. Acest lucru conduce la o robusteţe fără egal, foarte importantă mai ales în reţelele în medii dure şi foarte dinamice, precum sunt cele din cazul aplicaţiilor de măsurare. Consumul energetic foarte redus este de asemenea unul dintre criteriile majore de selecţie pentru reţelele de utilităţi. În combinaţie cu o gamă largă de microcontrolere Renesas scalabile şi compatibile la nivel de pini şi software pentru aplicaţii de măsurare, soluţia de modem în linie de putere CPX2 oferă o potrivire perfectă pentru platformele de măsurare inteligentă sensibile la preţ. Renesas oferă de asemenea fără costuri suplimentare, pachete de protocoale complet certificate pentru PRIME şi G3.
Deoarece timpul până la lansarea pe piaţă este în esenţă similar caracteristicilor tehnice, Renesas oferă kit-ul “Connect it! – soluţia de comunicare în linia de putere”. Această unealtă simplu de utilizat permite clienţilor să evalueze robusteţea soluţiei CPX2 PLC în toate benzile de frecvenţă. Interfaţa grafică pentru PC permite configurarea flexibilă a dispozitivului şi analiza comunicaţiei în linia de putere. Prin combinaţia dintre infrastructura suport la nivel mondial şi angajamentul luat de Renesas faţă de clienţii săi, totul este asigurat pentru un timp de dezvoltare scurt şi eficient.
Pe parcursul ultimilor câţiva ani a existat multă activitate în ceea ce priveşte standardele de comunicaţie, în special pentru comunicaţia în linia de putere. În această perioadă s-au făcut numeroase progrese, susţinute de companiile de utilităţi, dar majoritatea dintre acestea au fost pentru piaţa dispozitivelor de măsurare inteligentă. Au existat de asemenea discuţii la nivel european pentru a se deschide spectrul şi pentru a se permite utilizarea frecvenţelor de până la 500 kHz pentru aplicaţii de măsurare inteligentă sau pentru reţele inteligente. Totuşi, este greu de imaginat că aceste progrese vor respecta încă cerinţele dispozitivelor inteligente de mâine.
Lansarea recentă a IPv6 porneşte pe un drum lung pentru a soluţiona numărul mare de dispozitive conectate, dar standardele vor continua să evolueze. Aplicaţiile ce pot fi adăugate acestei infrastructuri apar ca fiind fără sfârşit, gestionarea cerinţelor prin controlul aparatului electrocasnic, automatizarea locuinţei, încărcarea maşinii, securitate etc. Odată cu adăugarea fiecărei aplicaţii, cerinţele la nivel de comunicaţie cresc, şi astfel şi cerinţele asupra dispozitivelor ce rulează aceste pachete de protocoale. Ca şi concluzie, se poate spune că singura cale de a asigura viitorul unui proiect este de a selecta o cale bine fundamentată şi de a-i asigura flexibilitatea ￭
Renesas
www.renesas.com