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Softwarebasierte Kommunikationslösung für PLC

Bild 1. Das analoge Frontend ermöglicht kapazitiv – oder übertragergekoppelte Verbindungen zum PLC-Modem

Bild 2. Schematische Darstellung des kompletten PLC-Modems

Die Datenübertragung über das Stromnetz, besser bekannt unter dem englischen Begriff Power Line Communication (PLC), ist ein wichtiger Baustein zur Kommunikation unter­schiedlichster Komponenten im Smart Grid. Dabei sind die Eigenschaften eines Schmalband-PLC-Modems durchaus mit denen eines modernen Smartphones vergleichbar. Es sollte zum Beispiel die neueste (dedizierte) Hardware enthalten, einfach zu bedienen sein und die Software sowie künftige Softwareupdates schon im Preis inbegriffen sein. Beim Kauf eines Smartphones werden keine Kompromisse geduldet. Warum sollte das bei einem PLC-Modem anders sein?

Texas Instruments erfüllt mit der PLC-Plattform all diese Wünsche. Der digitale Teil der Hardware besteht aus einem Mikroprozessor der TMS320F2806x-Reihe. Der analoge Teil ist in dem Analog-Frontend AFE031 integriert. Softwareseitig werden die gängigen Schmalband-PLC Standards Prime und G3 kostenfrei angeboten. Wenn es Änderungen im Standard gibt, werden diese implementiert und dann weiterhin zur Verfügung gestellt.

Modulares Entwicklungspaket
Um den Einstieg in die Welt der PLC-Technologie zu vereinfachen, hat Texas Instruments ein modular aufgebautes PLC-Evaluierungskit entwickelt, mit dem verschiedene Prozessoren (mit unterschiedlichen Standards) evaluiert werden können. Sein TMS320F28069 hat einen Flash-Speicher, der durch ein 128 bit Passwort vor unbefugtem Auslesen geschützt werden kann, einen 4 MSPS 12 bit SAR Analog-Digital-Wandler, hochauflösende PWM und einen 32 bit DSP-Kern. In dem Co-Prozessor, der Viterbi & Complex-Arithmetic Unit (VCU), vereinen sich drei Module, die die Ausführungszeit der PLC-Algorithmen beschleunigen.
Das CRC-Modul kann den CRC-Wert eines 8 bit, 16 bit bzw. 32 bit breiten Datenwortes in ein, zwei bzw. drei Taktzyklen berechnen. Das Complex-Arithmetic-Modul beschleunigt die Berechnung der oft verwendeten komplexen (inversen) Fast-Fourier Transformation. Das Viterbi Modul dient zur Fehlerkorrektur eines empfangenen Signals. Während der Codierer auf der Sendeseite simpel ist, entlastet das Modul auf der Empfangsseite die CPU erheblich. Eine Kernoperation, der Viterbi Traceback, wird in drei Taktzyklen ausgeführt. Auf Prozessoren ohne spezielle Viterbi-Hardwarebeschleunigung ist die Implementierung wegen der vielen Sprünge im Programm, die der Algorithmus abfordert, nicht effektiv. Schon gar nicht, wenn ein linearer Programm­ablauf wegen einer Programmcode-Pipeline gewünscht wäre. Beispielsweise werden auf der TMS320F28x-CPU ohne Beschleuniger 15 Takte benötigt. Durch die Entlastung der CPU, kann man entweder noch andere Software implementieren oder die Taktfrequenz zur Verminderung der Leistungsaufnahme verringern.

Getrennte Pfade
Der zweite Schaltkreis im PLC-Modem ist das analoge Frontend AFE031 (Bild 1). Es enthält die komplette analoge Beschaltung des PLC-Modems in einem QFP-Gehäuse mit 48 Pins. Die strikte Trennung des Sendepfads, des Empfangspfads, der digitalen Schnittstelle mit Kontrollregistern, der Nulldurchgangsdetektion und der Euridis-Schnittstelle erlauben das Ausschalten von nicht benötigten Blöcken. Der Sende- und Empfangspfad lässt sich durch eine externe Beschaltung flexibel konfigurieren, da der Ein- und Ausgang jeder Untereinheit nach ­außen geführt ist.
Der Sendepfad besteht aus einem 10-bit-DAC, einem Puffer mit programmierbarer Verstärkung, einem Filter sowie einem Leistungsverstärker mit einer festen Verstärkung von 16 dB. Dieser kann bis zu ±1,5 A liefern. Ein Schutz gegen thermische Überlastung ist integriert. Der Sendepfad genügt ohne weitere (externe) Filterung der im Standard DIN EN 50065-1 (VDE 0808-1) festgelegten Frequenzmaske.
Der Empfangspfad besteht aus zwei programmierbaren Puffern und einem konfigurierbaren Tiefpassfilter. Um die Leistungsfähigkeit des Empfangspfads zu erhöhen, wird eingangsseitig ein passiver Bandpass empfohlen. Das vom AFE031 aufbereitete analoge Empfangssignal wird dem 12-bit-SAR-ADC im TMS320F28x digitalisiert. Die beispielsweise nach IEC 61334 vorgeschriebene Nulldurchgangserkennung ist auch bereits integriert. Eine externe Beschaltung ist notwendig um das Eingangssignal optional zu isolieren oder zumindest auf einen Wert von 3,3 V zu reduzieren.
Das Modem komplettiert ein Coupling-Schaltkreis, der aus einem Transformer (Isolation), einem Hochspannungs-Kondensator und einer Schutzbeschaltung gegen unzulässige Spannungsspitzen besteht (Bild 2). Zudem stehen dem Modemprozessor auch noch eine Datenquelle und -senke zur Verfügung. Dieser Applikationsprozessor wird über eine UART-Schnittstelle mit Modemprozessor verbunden.

Kostenlose Softwarepakete
Die softwareprogrammierte Narrow band low frequency PLC-Lösung mit einem Mikroprozessor unterstützt verschiedene PLC-Standards mit nur einer Hardwareplattform. Weitere Vorteile sind das schnelle Reagieren auf Standardänderungen, das Implementieren neuer Standards sowie die Möglichkeit, eigene kleine Anwendungen bereits auf dem Modemprozessor entwickeln zu können. Der Anwender kann die kostenlos zur Verfügung gestellten Softwarepakete auf zwei Arten nutzen.
Beim Verwenden des Software-Images ist keine Softwareprogrammierung auf dem Modemprozessor notwendig. Lediglich das Kommunikationsprotokoll zwischen dem Modemprozessor und dem Anwendungsprozessor, das sogenannte Host Port Messaging Protocol, muss auf dem Anwendungsprozessor implementiert werden. Dieser Weg bietet sich vor allem für die Metering-Standards, wie Prime an, wo keine zusätzliche Veränderung der Software ­erforderlich ist.
Zudem kann der Anwender Softwarebibliotheken verwenden, die Texas Instruments für jede Schicht des ISO-Modells separat zur Verfügung stellt. Diese Bibliotheken lassen sich in eigene Code-Composer-Studio-Projekte integrieren. So kann man nicht benötigte ISO-Schichten entfernen, was dem Speicherbedarf (Flash und RAM), der Auslastung der CPU sowie der Echtzeitfähigkeit der Anwendung zugutekommt. Außerdem wird so mehr Platz für eigene Anwendungen im Modemprozessor geschaffen, der damit vom reinen Modemprozessor zum Anwendungsprozessor hochgestuft wird.

Fazit
Texas Instruments bietet dem geneigten Anwender mit der softwarebasierten Lösung eine Menge Flexibilität. Die aus zwei Schaltkreisen bestehende Hardware ist beim TMS320F28069 auf digitale, beim AFE031 auf analoge Leistungsfähigkeit optimiert.
In Verbindung mit den PLC Host Tools (PC Windows Programme) lassen sich schnell erste Analysen der PLC-Kommunikation über die Powerline vornehmen. Grafisch aufbereitet kann man in wenigen Minuten die bit error rate (BER), die packet error rate (PER), der received signal strength indicator (RSSI) oder die signal-to-noise ratio (SNR) für verschiedene Modulationsarten eines Standards ermitteln. Die Programmierung („flashen“) der verschiedenen PLC-Standards ist bequem mit den PLC Host Tools möglich.

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Autor: Lars Lotzenburger ist System­ingenieur bei Texas Instruments in Freising.