Jiº minimáln╪ n╪kolik let je slyτet o moºnosti získat p²ístup k síti internet pouh∞m p²ipojením poƒítaƒe do napájecí zásuvky 220 (230) voltà. ¼asto se tak mluví o internetu ze zástrƒky.
Univerzální dráty
Vτechna tato povídání vτak mají krom╪ zmiσovaného tématu spoleƒnou jeτt╪ jednu vlastnost - vºdy mají nádech pohledu do budoucnosti. Máte-li chu£, poj╘me se spoleƒn╪ podívat, proƒ tomu tak je a co zatím brání nasazení p²enosu dat po silovém vedení.
P²edem upozorσuji, ºe tento ƒlánek bude ƒist╪ teoretick∞. Není se vτak t²eba obávat n╪jak sloºité matematiky ƒi nep²ehledn∞ch úvah. Pokud ale disponujete n╪jak∞mi základními znalostmi z teoretické elektrotechniky, budou se vám dozajista hodit.
P²edtím, neº se pustíme do popisu typu co, kde, jak a proƒ, urƒit╪ by stálo za to ²íci si, proƒ vlastn╪ posílat data po silovém vedení. Vºdy£ pro p²enos dat jiº existuje velké mnoºství nejràzn╪jτích speciálních druhà médií (koaxiální kabely, kroucené páry, sv╪tlovodiƒe)! Coºpak uº lidstvo nevynaloºilo dost pen╪z na v∞zkum t╪chto vodiƒà?! Nebo ºe by snad nebyly pro dneτní aplikace dost dobré?! Ne, o to vàbec nejde, problém je n╪kde úpln╪ jinde. Dnes nejsou problémem technické parametry stávajících p²enosov∞ch médií, dnes jde ƒist╪ o peníze. Proƒ vedle sebe tahat n╪kolik ràzn∞ch druhà kabelà? Proƒ vedle sebe pokládat napájecí a datová vedení? Bude-li moºno pouºít jen jednoho druhu vedení, uτet²í se tím znaƒné finanƒní ƒástky (v∞roba, distribuce, pokládka), a navíc se tím budeme chovat mnohem τetrn╪ji k naτí matiƒce Zemi. Vºdy£ kabely jsou dnes vyrobeny p²eváºn╪ z um╪l∞ch hmot, m╪di a hliníku. Dalτím hnacím motorem je vidina zisku rozvodn∞ch podnikà, které mají v lokalit╪ své pàsobnosti p²ístup do kaºdé domácnosti i kancelá²e a pro n╪º by vy²eτení této problematiky mohlo znamenat nemalé zisky.
Poºadavky
Te╘ jiº víme, proƒ vàbec máme vym∞τlet n╪co jako p²enos dat po silovém vedení. Zamysleme se tedy nad tím, co bychom od této technologie m╪li oƒekávat a co by m╪la splσovat. Budou to zejména tyto body:
- Co nejefektivn╪ji (tj. co moºná nejrychleji) p²enést data.
- Zachovat pàvodní funkci p²enosového média, tj. p²enos energie.
- Zajistit elektromagnetickou kompatibilitu, tj. neruτit ostatní za²ízení a ani se jimi nenechat ruτit.
- Vyhov╪t stávajícím normám, tj. v naτich podmínkách zejména norm╪ ¼SN EN 50065-1.
Spln╪ní t╪chto bodà obnáτí zevrubné seznámení s vlastnostmi silového vedení a s jevy na n╪m v b╪ºném provozu probíhajícími, a navíc jeτt╪ nastudování pat²iƒn∞ch norem.
Problémy
Jak jiº bylo ²eƒeno, pàvodním úkolem silového vedení je pokud moºno bezeztrátov∞ p²enos energie - v∞konu. Ten je vτude na sv╪t╪ p²edevτím nízkofrekvenƒní. Podle oblasti je frekvence bu╘ 50 nebo 60 Hz. Na rozdíl od toho p²edstavuje poºadavek na co nejrychlejτí p²enos dat tlak na co nejvyττí frekvenci.
Zkusme se tedy podívat, jak to vypadá s p²enosem ràzn∞ch frekvencí na silovém vedení. Θtlumová a fázová charakteristika fáze proti zemi je na obrázku 1. Z n╪j je vid╪t znaƒn∞ útlum na frekvencích pro nás zajímav∞ch. Co to znamená v praxi, lze zjistit jednoduch∞m v∞poƒtem. Bude-li útlum mezi vysílací a p²ijímací stranou 60 dB a bude-li mít vysílané nap╪tí velikost 5 V, bude si muset p²ijímací za²ízení vystaƒit s nap╪tím 5 mV. P²enosová cesta v tomto p²ípad╪ sníºí hodnotu vysílaného nap╪tí na jednu tisícinu. P²i útlumu 40 dB pak bude na p²ijímací stran╪ nap╪tí stokrát menτí neº na stran╪ vysílaƒe (v naτem p²ípad╪ 50 mV).
Nezanedbatelné je i tvarové zkreslení signálu, které vzniká tím, ºe pro kaºdou frekvenci má vedení jiné p²enosové parametry.
Mluvíme-li o útlumu, nem╪li bychom opomenout vlastnosti dalτích, v rozvodné síti zcela b╪ºn∞ch (a také nezbytn∞ch) za²ízení. T╪mi jsou v prvé ²ad╪ transformátory a hodiny m╪²ící mnoºství odebrané elektrické energie. Zatímco útlum elektrick∞ch hodin není sice mal∞, ale lze se s ním vyrovnat, nedá se totéº ²íci o b╪ºn∞ch transformátorech. Pro datov∞ signál jsou transformátory nep²ekonatelnou p²ekáºkou. Je proto t²eba tato za²ízení p²emos£ovat. Jedno z moºn∞ch ²eτení ukazuje obrázek 2.
Dalτím nep²íjemn∞m jevem, s nímº je nutno se p²i p²enosu dat po silovém vedení vyrovnat, je velmi silné ruτení. Zdrojà ruτení je hned n╪kolik. Mezi ty hlavní pat²í:
- Spínané zdroje, které se dnes zejména pro svou prostorovou nenároƒnost pouºívají snad ve vτech v∞robcích spot²ební elektroniky (televize, audiov╪ºe, poƒítaƒe). Ruτení vznikající jejich ƒinností má τirokopásmov∞ charakter (asi od 15 kHz aº do 1 MHz).
- Tyristorové regulátory, které se pouºívají zejména k regulaci otáƒek ƒi ve stmívaƒích. Produkují velké impulzy s frekvencí 100 nebo 120 Hz (dle frekvence v rozvodné síti - 50 nebo 60 Hz). Tyto impulzy obsahují celou ²adu vyττích harmonick∞ch sloºek a práv╪ ty ruτí své okolí.
- Univerzální sériové elektromotory, které se p²ipojují na rozvodnou sí£ a které produkují nep²íjemné ruτení. Pouºívají se nap²íklad ve vysavaƒích, vrtaƒkách, kuchyσsk∞ch mixérech apod. Tyto elektromotory "vypouτt╪jí" do rozvodné sít╪ pravideln╪ se opakující impulzy. Jejich frekvence je závislá na otáƒkách a na konstrukƒním ²eτení daného elektromotoru. Dá se ²íci, ºe tato za²ízení ruτí v celém spektru.
- Komunikace rozvodn∞ch závodà, která rovn╪º probíhá po rozvodné síti. Nejde vτak jen o klasickou fónickou ƒi datovou komunikaci rozvodn∞ch závodà, ale u nás rovn╪º o ruτení vypl∞vající z ƒinnosti hromadného dálkového ovládání (HDO).
Z poznání frekvenƒních charakteristik jednotliv∞ch zdrojà ruτení plyne i dolní pouºitelná frekvence pro p²enos dat. V╪tτinou se za tuto hranici povaºuje frekvence 100 kHz. Na niºτích kmitoƒtech totiº radikáln╪ roste úroveσ τumu. Horní mezní kmitoƒet je pak dán poºadavkem, aby datová komunikace neinterferovala s amplitudov╪ modulovan∞mi rádiov∞mi vlnami - tedy s rozhlasov∞mi stanicemi vysílajícími v "pásmu AM". Pokud bychom zasáhli i do tohoto pásma, docházelo by (zejména p²i p²enosu po venkovním nadzemním vedení, které je z tohoto pohledu tém╪² ideální anténou) ke znaƒnému ruτení p²íjmu t╪chto stanic. S ohledem na postranní pásma a ràzné dalτí vlivy se za tuto hranici ƒasto povaºuje frekvence 450 kHz.
Teoreticky tak máme k dispozici pásmo od 100 do 450 kHz - bohuºel vτak jen teoreticky. Do naτí hry totiº vstupují jeτt╪ právní p²edpisy.
V USA je právní situace pon╪kud jednoduττí neº u nás. V Evrop╪ je situace komplikovan╪jτí o platnost normy EN 50065-1, která omezuje pouºitelné pásmo. Tato norma rozd╪luje pásmo do 150 kHz na ƒty²i dílƒí subpásma, oznaƒovaná jako A, B, C a D. Subpásmo A (9 aº 95 kHz) je vyhrazeno pro distribuƒní spoleƒnosti. Pásma B, C a D pak mohou vyuºívat ostatní, platí vτak pro n╪ dalτí omezení vypl∞vající z této normy. Pokud je mi známo, v Kanad╪ platí pro pràmyslové uºití p²enosu dat po silovém vedení norma podobná té naτí, evropské.
Ze vτeho v∞τe uvedeného vypl∞vá, ºe pro p²enos dat po silovém vedení nejsou k dispozici nijak τiroká pásma. To samoz²ejm╪ omezuje maximální modulaƒní a tím i p²enosovou rychlost. Je tedy z²ejmé, ºe na p²enosové za²ízení pracující s tímto typem p²enosov∞ch cest budou muset b∞t kladeny velké nároky, a to jak na pouºit∞ typ pokud moºno vícestavové modulace, tak i na zpàsob zabezpeƒení p²enáτen∞ch dat. Ten by m╪l b∞t co moºná nejkvalitn╪jτí, aby omezil násobnost opakování p²enosu t∞chº dat, a zároveσ by m╪l do p²enosu vkládat co nejmenτí redundanci, aby efektivita p²enosu byla co nejv╪tτí. To, ºe jsou tyto dva poºadavky protichàdné, snad není t²eba zdàrazσovat. Volba správného kompromisu je zde vτak o to citliv╪jτí, oƒ je naτe p²enosové médium pomalejτí.
Dalτí skuteƒností, na níº je t²eba pamatovat, je situace, kdy komunikující za²ízení nebudou p²ipojena na stejnou fázi. Proto je nutné vτechny fáze vysokofrekvenƒn╪ propojit. V zásad╪ jsou k dispozici dv╪ ²eτení. Prvním z nich je p²emost╪ní na distribuƒním transformátoru. To lze jednoduτe vy²eτit pomocí trojice vzájemn╪ vázan∞ch cívek. Druh∞m ²eτením je pouºití jednoduchého vazebního obvodu, sestaveného ze sériového rezonanƒního obvodu. Tento druh∞ typ datového p²emost╪ní fází lze pouºít kdekoliv.
Dosud jsme uvaºovali o souƒasném p²enosu dat i klasické elektrické energie jako o naprosté samoz²ejmosti. Zkusme se ale podívat, jak to bude na fázovém vodiƒi opravdu vypadat. Pohled "skrz osciloskop" je na obrázku 7. Na otázku, jak za²ídit vkládání datového signálu do fáze a jeho zp╪tné odd╪lování z ní, je jednoduchá odpov╪╘. Vºdy£ datov∞ a sí£ov∞ signál jsou od sebe v kmitoƒtové oblasti dostateƒn╪ vzdáleny. Vτe lze tedy jednoduτe vy²eτit pouh∞m frekvenƒním filtrem, tedy horní propustí.
LonWorks
Zatím jsme jen teoretizovali. Dàleºité vτak je, ºe vτe, co bylo ²eƒeno, uº ve skuteƒnosti opravdu funguje. Podívejme se te╘ v krátkosti na jednu z moºn∞ch realizací p²enosu dat po silovém vedení.
Technologie LonWorks je pràmyslovou sb╪rnicí, a tudíº pat²í spíτe do oboru automatizaƒní techniky. Její popis by vystaƒil na zcela samostatn∞ a docela dlouh∞ ƒlánek.
Technologii LonWorks vyvinula firma Echelon a v souƒasné dob╪ ji podporuje více neº 2500 firem a organizací z celého sv╪ta. Mezi nejznám╪jτí pat²í: ABB, Allen-Bradley, AT&T, British Petroleum, British Telecom, Goldstar, Hewlett-Packard, Hitachi, Honeywell, Landis&Gyr, Microsoft, Motorola, NASA, Olivetti, Toshiba, ale i ƒesk∞ ZAT. Komunikaƒní protokol oznaƒovan∞ jako LonTalk je nyní p²ezkoumáván u Electronics Industry Association (EIA) za úƒelem jeho navrºení jako komunikaƒního standardu pro domácí aplikace. Prozatímn╪ bylo protokolu p²i²azeno oznaƒení EIA IS 709. Jiº dnes je protokol souƒástí standardu BACnet pro budovy Americké asociace pro vytáp╪ní, chlazení a klimatizaci (American Society of Heating, Refrigeration, and Air-conditioning Engineers), kde je znám pod oznaƒením ANSI/ASHRAE 135. Americká asociace ºeleznic uvaºuje o p²ijetí technologie LonWorks jako standardu pro vzduchové brzdicí systémy.
Tato technologie se jakoºto pràmyslová sb╪rnice pouºívá zejména pro dálkové ovládání a sb╪r ƒasov╪ nekritick∞ch dat. Umoºσuje komunikaci po krouceném páru, sb╪rnici RS 485, optickém kabelu, rádiové p²enosové cest╪, infraƒervené p²enosové cest╪ a po napájecím vedení.
V╪nujme se po tomto krátkém p²edstavení pouze ƒásti specializující se na p²enos dat po silovém vedení.
Pro komunikaci po tomto typu p²enosového média jsou vyráb╪ny t²i typy transceiverà. První pracuje v pásmu C dle evropské normy EN 50065-1, tj. 125 aº 140 kHz. Pouºívá modulace BPSK, p²i níº dosahuje rychlosti asi 5 kb/s. Druh∞ typ transceiveru pracuje v pásmu 100 aº 450 kHz. Pracuje s rozprost²en∞m spektrem a dosahuje rychlosti asi 10 kb/s. Poslední typ je urƒen pro pásmo A evropské normy (9 aº 95 kHz). I on pracuje s rozprost²en∞m spektrem. Niºτí τí²ce pásma vτak odpovídá i niºτí p²enosová rychlost, která má hodnotu pouhé 2 kb/s.
Firma Echelon garantuje dosah signálu t╪chto transceiverà do 2 km. Praktické zkuτenosti jedné moravské spoleƒnosti vτak ukazují, ºe v naτich podmínkách lze bez pouºití opakovaƒe p²enáτet data i na vzdálenost do 8 km.
Budoucnost?
Je z²ejmé, ºe vidina rychlého p²enosu dat po tak b╪ºném médiu, jak∞m je práv╪ silové vedení, je docela vzdálená. Moºná by se dalo ²íci, ºe je tato technologie zatím spíτe v plenkách. Dàleºité vτak je, ºe v∞zkum na tomto poli probíhá. Zájem totiº nemáme jen my, potenciální spot²ebitelé, ale mají jej p²edevτím rozvodné závody na celém sv╪t╪, které v tomto oboru cítí znaƒn∞ zdroj p²íjmà. A tak práv╪ tyto spoleƒnosti investují do v∞zkumu nemalé finanƒní ƒástky. A jak je vid╪t, první vlaτtovky se jiº objevují. Nezb∞vá tedy nic jiného, neº doufat v proz²etelnost naτich pánà politikà a modlit se, aby nám tu ƒasem nez²ídili zase dalτí monopol.
