Permitir las comunicaciones de redes inteligentes en regiones rurales

En la red inteligente, es esencial un marco de comunicación confiable para el intercambio de datos necesarios para optimizar el uso de la energía y la eficiencia de costos. En las zonas rurales en donde la combinación de baja densidad de población, la distancia y el terreno a menudo limitan otros métodos de comunicación, las soluciones de comunicaciones de línea de energía (PLC) ofrecen un vehículo conveniente para las comunicaciones de datos. Para los ingenieros que buscan implementar las comunicaciones en los medidores inteligentes o los sistemas de recolección de energía conectadas a la red, los diseños PLC pueden sacar provecho de los dispositivos disponibles de fabricantes como Atmel, Cypress Semiconductor, STMicroelectronics y Texas Instruments.

En las áreas rurales, la línea de energía es generalmente la mejor opción para garantizar comunicaciones de red inteligentes, rentables y confiables. En estas áreas, las terminales del usuario se distribuyen generalmente en distintos puntos geográficos y alternativas, como la conexión inalámbrica, ofrecen un rango insuficiente mientras que los enlaces cableados o la banda ancha celular no se encuentran totalmente disponibles o no son suficientemente confiables. A diferencia de estas alternativas, el PLC puede ofrecer un mecanismo confiable y rentable para intercambiar datos entre los medidores inteligentes del consumidor y el servicio público.

Diseño de PLC

En un diseño típico de módem PLC, un Front End analógico (AFE) y un procesador proporcionan una funcionalidad clave (Figura 1). Mientras que la AFE maneja las operaciones analógicas incluidas la recepción y transmisión de la señal, el procesador ejecuta la pila de software de comunicaciones asociada con un protocolo de PLC particular.

Figura 1: Junto con el acoplamiento, el paso de banda y la protección de circuitos, los módems PLC combinan un Front End analógico (AFE) para la y transmisión de la señal con una MCU para el procesamiento de la pila de comunicaciones. (Cortesía de Texas Instruments)

Para construir una solución PLC, los diseñadores pueden combinar AFE autónomos como Texas Instruments AFE030 y AFE031 con MCU externas, como C2000 C28x Piccolo MCU de Texas Instruments. Con este enfoque, los diseñadores pueden escalar el rendimiento del módem PLC seleccionando MCU de mayor rendimiento como MCU multinúcleos Texas Instruments Concerto, que combinan un núcleo C2000 C28x y un ARM Cortex-M3. De hecho, para los esquemas de modulación más avanzados, como la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) que se menciona a continuación, se pueden necesitar procesadores multinúcleos de mayor rendimiento para manejar pilas de software de comunicaciones más complejas.

Alternativamente, los diseñadores pueden recurrir a una amplia matriz de soluciones PLC que integran partes cada vez mayores de la pila de comunicaciones de PLC en un solo chip. Por ejemplo, el Cypress Semiconductor CY8CPLC10 integra una capa PHY y las capas inferiores de la pila de protocolo de red, mientras que el CY8CPLC20 va más allá: integración de la funcionalidad de la CY8CPLC10 con un núcleo Cypress PSoC capaz de ejecutar pilas de PLC más complejas (Figura 2).

Figura 2: Los fabricantes ofrecen soluciones PLC que presentan mayores niveles de integración. Por ejemplo, el Cypress Semiconductor CY8CPLC10 integra un PHY y una pila de protocolo de la red, y el Cypress CY8CPLC20 integra la funcionalidad del CY8CPLC10 junto con un núcleo PSoC para el procesamiento completo de la pila. (Cortesía de Cypress Semiconductor)

Bandas de frecuencia

Las frecuencias de funcionamiento del PLC se ven limitados por el reglamento regional para bandas específicas. En Norteamérica y Canadá, PLC funciona en la banda de frecuencia de 10 kHz a 490 kHz que especifica la sección 15 de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC). En Asia y Japón, funciona en la banda de frecuencia de 10 kHz a 450 kHz que especifica la Asociación de Industrias y Negocios de Radiodifusión (ARIB). En Europa, el Cenelec (Comité Europeo de Normalización Electrotécnica) EN50065 define una serie de bandas de baja frecuencia que incluye una banda A (3 kHz a 95 kHz) y una banda B (95 kHz a 125 kHz) para las comunicaciones PLC, así como una banda C (125 kHz a 140 kHz) y una banda D (140 kHz a 148,5 kHz) para aplicaciones relacionadas. En China, el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) especifica una banda de 3 kHz a 500 kHz.

Con cualquier AFE autónomos o dispositivos PLC integrados, los fabricantes apoyan bandas de frecuencias específicas y esquemas de modulación en varias familias de dispositivos. Por ejemplo, TI AFE030 y AFE031 soportan las bandas A, B, C y D CENELEC EN50065, mientras que el Cypress CY8CPLC10 y CY8CPLC20 soportan el funcionamiento de CENELEC EN50065 y FCC parte 15. Del mismo modo, la propia serie de dispositivos PLC de STMicroelectronics soporta bandas de frecuencia regionales específicas: por ejemplo, el STMicroelectronics ST7538Q y ST7540 están diseñados para soportar Cenelec EN50065, mientras que ST7580 de ST soporta ARIB, Cenelec EN50065 y FCC Parte 15.

Ruido en la línea de energía

Dentro de las bandas de frecuencias atribuidas, los sistemas PLC deben lidiar con un entorno eléctrico muy ruidoso. Las líneas de energía son bombardeadas con fuentes de ruido que cambian constantemente, incluidos el ruido impulsivo, de motores y armónicos de los proveedores de energía y de otras fuentes como las de los consumidores que encienden y apagan diferentes aparatos, herramientas y equipos (Figura 3).

Figura 3: Las líneas de energía de bajo voltaje están llenas de fuentes de ruido que varían con el uso del consumidor, exponiendo ruido impulsivo (A) y ruido de banda ancha incluso de artículos para el hogar de menor importancia como cargador de pie de un cepillo dental eléctrico (B). (Cortesía de A: Texas Instruments; B: Echelon Corporation)

De hecho, el ruido en la línea de energía es altamente variable: Una banda específica puede ofrecer un canal de comunicación claro por un período de tiempo solo para ser más tarde inundado de ruido intermitente de fuentes dentro del hogar, de la oficina, o de la granja del usuario. Como resultado, los receptores de PLC a menudo deben extraer señales de fuentes que presentan características de señal a ruido muy desfavorables.

Dispositivos de PLC disponibles que incluye ST7538Q, ST7540 y ST7580 de ST ofrecen modulación por desplazamiento de frecuencia binaria (B-FSK), que ofrece inmunidad a las fluctuaciones de amplitud e interferencia cerca de la banda. Aunque los esquemas de modulación FSK ofrecen una buena solución en entornos pobres de señal a ruido, el ruido de banda ancha que afecta a la mayoría de líneas de energía, requieren esquemas de comunicaciones más resistentes.

Modulación resistente al ruido

Para mitigar los efectos de muy diversas fuentes de ruido en la línea de energía en la transmisión de señal PLC, transceptores PLC como STMicroelectronics ST7570 ofrece modulación por desplazamiento de amplia frecuencia (S-FSK) especificada en IEC 61334, una norma para el uso de PLC en medidores de servicios públicos. Para aplicaciones aun más exigentes, los diseñadores pueden sacar provecho del soporte OFDM en dispositivos PLC como ST7590 de ST y AFE030/31 de TI. El uso de OFDM de múltiples canales hace que sea especialmente adecuado para utilizar en aplicaciones ruidosas tales como las comunicaciones de línea de energía.

Dos normas líderes de PLC, evolución de medición inteligente de la línea de energía (PRIME) y G3, especifican OFDM para mitigar las comunicaciones a través de líneas de energía ruidosas. De hecho, G3 cuenta con un método adaptable que permite a los dispositivos PLC compatibles para apagar las comunicaciones en sub-bandas con la interferencia de ruido intenso. Su sólido rendimiento en entornos ruidosos hace que sea muy adecuado no sólo a través de las líneas de bajo voltaje que alimentan de energía a los consumidores, sino también en la prestación de comunicaciones a través de transformadores a concentradores de datos normalmente alojados en las líneas de voltaje medio que conecta los transformadores a subestaciones de energía de servicio.

Debido a la complejidad de estos protocolos, los módems PLC compatibles requieren dispositivos PLC igualmente más complejos. Por ejemplo, circuito integrado de PLC TI AFE031 soporta PRIME y G3, pero para el procesador asociado necesario para ejecutar las respectivas pilas de software de comunicaciones, TI recomienda el uso de MCU de alto rendimiento como los de su familia Concerto de doble núcleo.

Entre los dispositivos PLC integrados disponibles, ATPL230A y ATPL250A de Atmel son módem PLC con circuitos integrados compatibles con PRIME y G3, respectivamente. Ambos dispositivos están diseñados para funcionar con MCU de alto rendimiento tales como la familia MCU Atmel SAM4C. Para los diseñadores que buscan una solución de un solo chip, el MCU de PLC basados en Cortex M4 con ARM de doble núcleo SAM4CP16B de Atmel soporta de manera similar tanto PRIME como G3 en un solo IC que integra PHY y la pila de comunicaciones PLC que proporciona Atmel (Figura 4).

Figura 4: Para los diseños PRIME y G3 PLC, los ingenieros pueden construir un conjunto de doble chip que comprende un dispositivo ATPL2x PLC de Atmel y MCU SAM4C o en SAM4CP16B, una solución con un solo chip que ofrece una funcionalidad equivalente al conjunto de doble chip. (Cortesía de Atmel)

Kits de desarrollo

Para ayudar a clasificar a través de la complejidad del diseño del PLC, los diseñadores pueden recurrir a una serie de kits de desarrollo que combinan circuitos integrados claves de PLC, un procesador y un software. El kit de desarrollo de Cypress Semiconductor Corp CY3274 ofrece un comienzo rápido para los desarrolladores que deseen utilizar el dispositivo PLC integrado Cypress CY8CPLC20 (ver Figura 2).

El kit de desarrollo de STMicroelectronics STEVAL-IPP004V1 proporciona un módulo PRIME compatible completo construido alrededor del dispositivo ST7590 PLC y MCU STM32F103 de ST, un miembro del alto rendimiento de la familia MCU STM32 con base ARM Cortex-M.

Por último, el kit del desarrollador del módem de la línea de energía C2000 de TI TMDSPLCKIT-V3 combina AFE031 y TMS320F28069 C28x Piccolo MCU con un paquete de software de PLC que soporta S-FSK y OFDM para el desarrollo de soluciones PLC PRIME o G3 compatibles.

Conclusión

Para las áreas rurales, las PLC pueden proporcionar una solución eficaz para unir los contadores inteligentes, los electrodomésticos y el equipo a la red inteligente. Sin embargo, para los diseñadores de PLC, la combinación de restricciones normativas, estándares internacionales y las características de potencia de línea pueden presentar retos significativos. Al tomar ventaja de circuitos integrados PLC disponibles y MCU, los diseñadores pueden aplicar más fácilmente soluciones de PLC sólidas capaces de operar en las líneas de bajo voltaje y en los transformadores a redes eléctricas de voltaje medio.

Para obtener más información acerca de las piezas tratadas en este artículo, use los enlaces proporcionados para acceder a las páginas del producto en el sitio web de DigiKey.