Entwicklungstipps Zuverlässige Designs für die Powerline-Kommunikation

Autor / Redakteur: Kevin Jones* / Jan Vollmuth

PLC-Applikationen (Power Line Communication) sind im Kommen – von der Netzwerkanbindung bis zum Zählerfernauslesen. Wer kostengünstige und zuverlässige PLC-Designs für ein weites Anwendungsfeld entwerfen möchte, sollte dabei einige Empfehlungen beachten.

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Die Kommunikation über das Stromnetz (Power Line Communications – PLC) erfreut sich zunehmender Popularität. Kein Wunder: Mithilfe der vorhandenen Stromversorgungs-Infrastruktur sowohl zu den Häusern als auch innerhalb der Wohnungen lässt sich rasch und einfach eine breitbandige Internet und Netzwerkanbindung realisieren.

Während Computer und Multimedia-Anwendungen nach hohen Datenraten verlangen, geben sich zahlreiche Steuerungs und Telemetrie-Applikationen mit relativ niedrigen Übertragungsraten zufrieden. Hierzu gehören das Automatic Meter Reading (AMR) und das Automatic Meter Management (AMM), also Zählerfernauslesung- und Netzwerkmanagement-Applikationen.

Derartige Verbrauchsmesser ermöglichen eine proaktive, unmittelbarere Verbrauchsmessung sowie die Steuerung von Endkundengeräten zur kontrollierten Reduktion von Verbrauchsspitzen. Ein Versorgungsunternehmen hätte damit beispielsweise die Möglichkeit, einem Kunden einen deutlich höheren Tarif in Rechnung zu stellen, wenn dieser während des Tages eine bestimmte Verbrauchsgrenze überschreitet.

Konsumenten wiederum werden neue PLC-basierte Lösungen angeboten, die in Echtzeit eine präzise Aussage über den Energieverbrauch liefern. Überdies können neue Haushaltsgeräte per PLC ein und ausgeschaltet werden, was wiederum völlig neue Home-Control-Produkte ermöglicht.

Verschiedene Modulationsverfahren möglich

Die Funktionsweise der PLC-Technik beruht darauf, dass die Standard-Netzspannung mit ihrer Frequenz von 50 bzw. 60 Hz durch ein analoges Signal mit höherer Frequenz überlagert wird. Für die Übertragung von Daten bieten sich verschiedene Modulationsverfahren an, von der einfachen Frequenzmodulation (Frequency Shift Keying – FSK) bis zum betriebssicheren Differential Code Shift Keying (DCSK) auf Spread-Spectrum-Basis.

Aufteilung des CENELEC-Bandes: In Europa definiert der CENELEC-Standard EN50065-1 vier Bänder zwischen 3 kHz und 148,5 kHz, die der PLC-Technik zugewiesen sind (Archiv: Vogel Business Media)

Wie bei der drahtlosen Kommunikation unterliegt auch das Spektrum für die Datenübertragung auf dem Niederspannungsnetz einer Regulierung. In Europa definiert der CENELEC-Standard EN50065-1 vier Bänder zwischen 3 kHz und 148,5 kHz, die der PLC-Technik zugewiesen sind. Der Bereich von 3 bis 95 kHz ist für Anwendungen außerhalb von Wohnungen, der Bereich von 95 bis 125 kHz für den Einsatz innerhalb von Wohnungen vorgesehen (siehe Tabelle). In den USA und Asien sehen die entsprechenden Standards den Bereich von 120 bis 400 kHz vor. Der Großteil der AMR und AMM-Applikationen nutzt vorzugsweise die CENELEC-Bänder A und B. Üblich sind Datenraten bis zu einigen KBit/s (siehe Bild 1)

Niederfrequente Interferenzenstören am stärksten

Elektrische Störungen haben tendenziell den größten Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Empfangs. Nahezu jedes elektrische Gerät erzeugt Störungen, doch sind es die niederfrequenten, nicht vorhersagbaren Interferenzen, die sich am stärksten auf die schmalbandige Powerline-Kommunikation auswirken. Geräte wie Elektrowerkzeuge, Leuchtstoffröhren und Ladegeräte für elektrische Zahnbürsten stören offensichtlich am stärksten, während Schaltnetzteile und Mikrowellen in erster Linie höherfrequente Störungen erzeugen (siehe Bild .

Störungen haben Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Empfangs: Frequenzspektrum von 9 bis 150 kHz an einer Steckdose in einer Büroumgebung (Archiv: Vogel Business Media)

Einfluss auf die Signalqualität hat auch die Leitungsimpedanz. Diese ändert sich ständig, wenn Geräte eingesteckt oder abgezogen bzw. ein oder ausgeschaltet werden. Hinzu kommt, dass verschiedene Arten von Equipment zu unterschiedlichen Zeiten an verschiedenen Orten angeschlossen werden (siehe Bild 2). Der CENELEC-Standard basiert auf einer willkürlich festgelegten Relation zwischen Netzwerkimpedanz und Frequenz und orientiert sich an einer Netzleitungsimpedanz von ca. 50 W (BS CISPR 16-1:1999). In der Praxis kann sich diese Impedanz jedoch zwischen 2 und 10 W bewegen.

Elektrische Störungen und wechselnde Impedanzen beeinflussen die Zuverlässigkeit

Elektrische Störungen und wechselnde Impedanzen können gemeinsam erhebliche Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit der Powerline-Kommunikation haben. Dies verdeutlicht das Beispiel einer FSK-Modulation, bei der 68 Hz einer „0“ und 78 Hz einer „1“ entsprechen. Störungen im Bereich einer dieser Frequenzen beeinträchtigen die Zuverlässigkeit der Signalerkennung und führen unweigerlich zu Datenfehlern. Als weitere Modulationsverfahren kommen die OFDM-Methode (Orthogonal Frequency Division Multiplex) und die anspruchsvollere DCSK-Modulation in Betracht.

Die schnelle TCP/IP-basierte Powerline-Kommunikation nutzt gemeinhin die OFDM-Methode. Das verfügbare Spektrum wird hierbei in mehrere schmale Träger mit geringerer Übertragungsrate aufgeteilt. Das gleichzeitige Senden kleiner Pakete auf mehreren Trägerfrequenzen macht die Kommunikation weniger anfällig für Störungen und Schwankungen der Signalqualität.

Werden bestimmte Trägerfrequenzen festgestellt, die starken Störungen unterliegen, können diese aus der Liste der verfügbaren Trägerfrequenzen gestrichen werden. Dies sorgt für eine fehlertolerantere Kommunikationsverbindung, kann aber zu deutlich höheren Hardwarekosten führen. Zudem wird ein leistungsfähigerer Mikrocontroller benötigt, und für MCU und DSP fallen zusätzliche Entwicklungskosten an.

DCSK-Modulation gilt als betriebssicherste PLC-Modulationstechnik

Die OFDM-Technik eignet sich für verschiedene Modulationsverfahren wie etwa die Amplituden und die Quadraturmodulation. Es besteht die Möglichkeit, die Modulation abhängig von der festgestellten Signalqualität zu verändern, um die Auswirkungen von Störungen zu mindern.

Betriebssichere Modulationstechnik: Frequenzspektrum von 9 bis 150 kHz bei der Übertragung eines DCSK-Pakets, gemessen an einer Netznachbildung gemäß CISPR 16-1:1999 (Archiv: Vogel Business Media)

Das von Yitran Communications erfundene DCSK-Verfahren (siehe Bild 3) gilt als betriebssicherste Modulationstechnik für PLC-Anwendungen und benutzt typisch eine zwischen 20 und 80 kHz variierte Trägerfrequenz. Diese mittlerweile auch von anderen PLC-Initiativen wie etwa HomePlug Command & Control und ECHONET übernommene Methode bezieht ihre Zuverlässigkeit hauptsächlich daraus, dass das Chip-Signal weniger anfällig für Rauschen und andere Störungen auf der Netzleitung ist.

Das verwendete Protokoll unterstützt den Wechsel zwischen drei Datenraten – Standard (SM), Robust (RM) und Extremely Robust (ERM) – abhängig vom jeweiligen Störaufkommen auf der Netzleitung. In Europa lässt die CENELEC-Spezifikation 2,5 kBit/s für RM und 0,625 kBit/s für ERM zu. SM kommt hier nicht zum Einsatz. Im Vergleich hierzu fordert der US-amerikanische FCC-Standard 7,5 kBit/s für SM, 5,0 kBit/s für RM und 1,25 kBit/s für ERM.

Mikrocontroller von Renesas verwenden das DCSK-Verfahren

In der SM-Betriebsart werden pro Symbol 6 Bits an Information gesendet (ohne Sendewiederholung). Im ERM-Betrieb kommen hingegen nur 4 Informationsbits auf ein Symbol. Jedes Paket wird dreimal gesendet, aus denen der Empfänger für die Decodierung zwei Pakete auswählen kann. Da die DCSK-Technik mit variabler Frequenz arbeitet, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass etwaige Störungen keinen nachteiligen Einfluss auf die Kommunikation haben, egal wo sie auftreten.

Das DCSK-Verfahren wird z.B. im Mikrocontroller M16C/6S von Renesas Technology verwendet. Dieser speziell für PLC-Anwendungen vorgesehene Baustein enthält in einem QFP-64-Gehäuse einen CPU-Core der Serie M16C/60 und ein IT800-PHY-PLC-Modem. Anstatt auf einen DSP zurückzugreifen setzt Renesas einen Mikrocontroller für die PLC-Modulation ein. Dies hat zwei Gründe: Erstens erzeugen DSPs mehr elektromagnetische Interferenzen, zweitens erfordert diese Vorgehensweise aufgrund der höheren Verarbeitungsanforderungen in der Regel einen separaten Mikrocontroller, der wiederum mehr Speicher benötigt und den Bauteileaufwand erhöht.

Richtlinien für die Entwicklung von PLC-Anwendungen

An welchen Richtlinien sollten sich Entwicklungsingenieure beim Design einer PLC-Schnittstelle orientieren?

  • Impedanz – Zunächst ist zu klären, ob das betreffende Gerät innerhalb einer Wohnung eingesetzt wird, oder ob es auch mit anderen Anlagen außerhalb kommunizieren soll. Die Leitungsimpedanzen unterscheiden sich in beiden Fällen und beeinflussen die Signalqualität. Auch wenn im Labor Simulationen durchgeführt werden können, ist es unerlässlich, direkt vor Ort Feldversuche unter realen Bedingungen durchzuführen.
  • Rauschen – Die verschiedenen Rauschquellen, mit denen die Applikation konfrontiert werden könnte, sind genau zu untersuchen. Auch hier bietet sich das Labor zum Simulieren möglicher Störquellen an, doch dies kann mehrtägige Feldversuche nicht ersetzen. Da Haushaltsgeräte und andere Störquellen meist nur zu bestimmten Tages oder Nachtzeiten eingeschaltet sind, muss besonders darauf geachtet werden, alle potenziellen Störquellen zu erfassen. Versuche mit Produkten, die auch außerhalb des Hauses kommunizieren sollen, müssen für verschiedene Entfernungen und mehrere Knoten ausgerichtet werden.
  • Die Vorgehensweise – Zunächst sind im Labor verschiedene Lösungen mit einer simulierten störungsfreien Netzleitung zu testen, wobei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen von A nach B und zurück zu prüfen sind. In einem zweiten Schritt wird mithilfe künstlicher Störungen und Signalabschwächungen die zuverlässigste Lösung ermittelt.
  • Data-Link-Layer und Belastung – Die Belastung ändert sich abhängig von der Anwendung erheblich und kann großen Einfluss auf die Wahl der Lösung haben. Datenrate und Zuverlässigkeit sind wichtige Entscheidungskriterien: Ein optimales Lastprofil in AMR und AMM-Anwendungen sind 50 Bytes, sodass ein DCSK-basiertes Interface ideal wäre. Außerdem sollten IC-Lösungen berücksichtigt werden, für die es Data-Link und Netzwerk-Layer-Bibliotheken gibt. Eine Data-Link-Library könnte z.B. Kanalzugriffs-Features wie das CSMA/CA-Protokoll (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) und die Kanal-Priorisierung enthalten. Diese und weitere Ergänzungen nach dem OSI-Referenzmodell verbessern die Zuverlässigkeit der Kommunikation und verkürzen die Entwicklungszeit.

Renesas bietet etwa ein Network Layer mit der Bezeichnung Run-M (Renesas Ubiquitous Network Layer for Metering Applications) an. Es verfügt zusätzlich zur individuellen Adressierung von Geräten mittels MAC-IDs über eine baumförmige mehrlagige Netzwerkstruktur, dynamische Netzwerkrekonfigurations-Fähigkeit und einen intelligenten Join-on-Power-On-Algorithmus.

*Kevin Jones ist Systems Applications Engineer bei Renesas Technology Europe

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