Исследование и разработка методов передачи данных в системах управления технологическими процессами с использованием plc сети Наинг Лин Зо

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА. 1. Анализ системы передачи данных по PLC 13

1.1. Анализ технологии PLC 13

1.1.1. Исторический обзор 13

1.1.2. PLC технологии 14

1.1.3. Области применения PLC 16

1.2. Схема организация распределительных электрических сетей 17

1.3. PLC в распределительных сетях 18

1.4. Передачи данных по PLC 18

1.5. Элементы сети PLC 19

1.6. Архитектура систем PLC 21

1.7. Система PLC 24

Выводы по главе 1 26

ГЛАВА. 2. Исследование передачи данных в системах управления оборудованием методами математического моделирования PLC канала 27

2.1. Анализ некоторых факторов, влияющих на функцию передачи 27

2.2. Математическое моделирование передачи данных по PLC сети 35

2.3. Анализ модема для передачи данных по PLC 40

2.4. Схема реализации способа передачи/приема данных от компьютера к линии электропередачи 46

2.5. Анализ методов физического кодирования 49

2.6. Методы передачи информации по технологии PLC 50

2.6.1. Узкополосный и широкополосный доступ 50

2.6.2. Выбор схемы модуляции для системы PLC 54

2.7. Моделирование канала передачи данных PLC технологии 55

Выводы по главе 2 62

ГЛАВА. 3. Разработка структуры системы передачи данных по электрической сети в системе управления технологическим процессом 63

3.1. Автоматизированная система управления технологическим процессом

3.1.1. Функции автоматизированной системы управления технологическим процессом 67

3.2. Разработка структуры системы передачи данных по электрической сети в АСУ ТП 68

3.3. Устройство числового программного управления NC-202 72

3.4. Разработка алгоритма системы передачи данных в автоматизированной системе управления станками 81

3.5. Разработка алгоритма работы системы связи по линии электропередачи 84

3.6. Методы обеспечения достоверности передачи информации в информационно-управляющих PLC сетях предприятий 87

Выводы по главе 3 93

ГЛАВА. 4. Математическое моделирование и экспериментальные исследования методов передачи данных 94

4.1. Моделирование узлов PLC модема в среде Multisim 94

4.2. Моделирование с использованием MATLAB 102

4.3. Структурная схема системы передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC 106

4.4. Блок-схема приемопередатчика линии электропередачи на основе PLM-1 107

4.4.1. Функциональная блок-схема PLM-1 109

4.5. Аппаратно-программное моделирование системы передачи данных в АСУТП ПО

Выводы по главе 4 114

Заключение 115

Список литературы

• Схема организация распределительных электрических сетей
• Математическое моделирование передачи данных по PLC сети
• Функции автоматизированной системы управления технологическим процессом
• Структурная схема системы передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время несколько видов оборудования и станков с ЧПУ объединяют в автоматизированную производственную систему, которая, в свою очередь, входит в состав автоматической производственной линии, что позволяет отслеживать производственный процесс на всем его протяжении.

Для создания каналов передачи данных при объединении станков и технологического оборудования могут быть использованы PLC (силовые линии) (Power Line Communication).

PLC-технология позволяет использовать сети подачи электроэнергии для целей связи, а в настоящее время также услуг широкополосной связи. Основная идея PLC - это снижение эксплуатационных расходов и расходов на реализацию новых телекоммуникационных сетей. Таким образом высоковольтные и низковольтные сети были использованы для внутренних связей в электрических приборах и для реализации задач дистанционного измерения и контроля. PLC также используется во внутренних электрических установках, внутри зданий и домов (так называемые домашние PLC), для различных коммуникационных приложений. Как правило, системы PLC можно разделить на две группы: узкополосные PLC, которые обеспечивают передачу данных со скоростью до 100 Кбит/с и реализацию различных приложений автоматизации и управления, а также широкополосные системы PLC.

Широкополосные PLC в сетях низкого напряжения питания являются экономически эффективным решением для сетей связи «последней мили», так называемых PLC сетей доступа. В настоящее время есть много примеров, связанных с развитием и применением технологии PLC в зоне доступа. Однако использование PLC технологий для организации каналов передачи данных в АСУ ТП изучено недостаточно полно и требует дополнительных исследований.

Таким образом, разработка алгоритмов и анализ методов передачи информации по силовым сетям с созданием математических моделей для передачи информации, создание серверного оборудования силовых сетей и расширение области применения требует проведения моделирования режимов роботы и функционирования PLC модемов, анализа взаимного влияния элементов системы и разработки математических моделей для расчета показателей достоверности передачи информации по силовым сетям и связанным с этим параметров. Разработанные алгоритмы и используемые методы

передачи обеспечивают качественно новые характеристики устройств и снижают себестоимость систем управления оборудованием.

Все вышесказанное позволяет сделать вывод об актуальности создания теоретических основ и прикладных методов анализа и повышения эффективности передачи данных в системах управления технологическими процессами с использованием PLC - технологий.

Эти вопросы, составляющие предмет данной работы, вполне актуальны.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов передачи данных в системах управления технологическими процессами, используя технологию PLC.

Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач:

1. Сравнению различных видов модуляции в системах PLC сети, а также выбора оптимального метода модуляции.

2. Разработке модели PLC канала с OFDM системой кодирования.

3. Имитационному моделированию PLC канала передачи данных при воздействии источников помех и шумов в канале, с использованием различных методов модуляции и разработанных алгоритмов обработки, обеспечивающих снижение уровня ошибок.

4. Моделированию режимов работы модема передачи данных по PLC сети.

5. Разработке системы передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC при использовании PLM-1 модема.

6. Разработке аппаратно-программной модели системы передачи данных в АСУ ТП по PLC.

7. Экспериментальной отработке системы управления роботом манипулятором с использованием PLC технологии.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в диссертации использованы: методы математического анализа, математического моделирования, физического моделирования, теория измерений, теория автоматического регулирования и методы передачи информации с использованием PLC - технологии.

Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации следующих научно-обоснованных разработок:

8. Предложена и разработана система передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC технологий.

9. Предложена модель PLC канала с OFDM системой кодирования, обеспечивающая достоверную передачу данных при воздействии помех и шумов в канале.

10. Разработаны алгоритмы обработки, обеспечивающие снижение уровня ошибок.

11. Разработана модель сети электропередачи для узкополосной PLC коммуникации. Проведенные методом математического моделирования исследования позволили определить влияние интерференции на перестановку символов в диаграмме созвездия. Определено, что наиболее устойчивой к влиянию интерференции является модель OFDM с QPSK и 16-QAM.

12. Разработаны схемы и последовательность этапов кодирования и обработки данных при работе с PLC каналом.

13. Разработана система передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC при использовании PLM-1 модема.

14. Разработана структурная схема системы передачи данных по существующим силовым кабельным линиям электропередачи машиностроительного предприятия.

Практическую значимость работы имеют:

15. Результаты математического моделирования передачи данных по PLC сети.

16. Разработанные системы передачи данных в автоматизированной системе управления технологическими процессами на базе PLC.

17. Разработанные алгоритмы и методы передачи, обеспечивающие качественно новые характеристики устройств и снижающие себестоимость систем управления оборудованием.

18. Разработанная модель PLC канала в MATLAB.

19. Результаты математического моделирования PLC модема схемы связи и блок питания с использованием MULTISIM.

20. Разработанные системы передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC при использовании PLM-1 модема.

21. Результаты исследований диссертационной работы, используются в учебном процессе кафедры «Системы автоматического управления и контроля» НИУ МИЭТ и

внедрены в систему управления промышленным освещением производственных площадей светодиодными светильниками на машиностроительном предприятии. На защиту выносятся:

22. Результаты математического моделирования передачи данных на основе PLC сети.

23. Структурная схема моделирования эффекта интерференции с помощью 16-QAM и результаты моделирование эффекта интерференции QPSK и 16-QAM.

24. Алгоритм работы разработанной модели PLC- системы.

25. Алгоритм работы системы связи по линии электропередачи.

26. Разработанная математическая модель PLC модема, схемы связи и блока питания в среде MULTISIM и результаты их моделирования.

27. Разработанная математическая модель PLC канала с использованием MATLAB и результаты моделирования PLC канала.

28. Структурная схема и алгоритмы работы системы передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ряде научно-технических конференций, в частности:

29. Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика» (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2011 - 2012 - 2013 - 2015 г.).

30. Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике» (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2012 - 2013 - 2014 г.).

31. Перспективы развития науки и образования «Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции», (ТАМБОВ 2012 г.).

32. Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (Пенза, ПГТА,

2012 г.).

5. Инновационные процессы технологии в современном мире
«Международной научно- практической конференции» (Уфа,

2013 г.).

6. Международная телекоммуникационная конференция студентов и молодых ученых «МОЛОДЕЖЬ И НАУКА» (Москва, МИФИ, 2012-2013 г.).

Публикации по работе. Основное содержание диссертации отражено в 24 опубликованных работах, в том числе 5 статьях в ведущих научных журналах, утвержденных ВАК. Без соавторов опубликовано 16 работ. Автором получены 2 свидетельства РФ на программу для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырёх приложений. Работа содержит 132 страницы основного текста, 94 рисунков и 12 таблиц.

Схема организация распределительных электрических сетей

PLC - это использование сетей подачи электроэнергии для целей связи. В этом случае электрические сети распределения дополнительно используются в качестве передающей среды для передачи различных телекоммуникационных услуг. Основная идея PLC - снижение стоимости и расходов в реализации новых телекоммуникационных сетей.

Сети подачи энергии высокого или среднего напряжения можно использовать, для преодоления большего расстояния, чтобы избежать создания дополнительной коммуникационной сети. Сети низкого напряжения доступны по всему миру в очень большом количестве в быту и могут быть использованы для реализации сетей доступа PLC, чтобы преодолеть так называемую "последнюю милю" телекоммуникаций. PLC также можно применять в зданиях или домах, где используется внутренняя электрическая установка для реализации в домашних PLC сетях [2].

Применение электрических сетей питания в телекоммуникациях было известно с начала двадцатого (20) столетия. Первые системы частот (CFS) были применены в электрических сетях высокого напряжения, которые могли увеличить расстояния на более, чем 500 км при использовании мощности передачи сигнала 10-W. Такие системы использовались для внутренней связи электрических приборов и реализации задач дистанционного управления и измерения. Более того, использовалась связь с помощью электрических сетей среднего- и низкого напряжения. Системы сигнализации Ripple носителей использовались в сетях среднего- и низкого напряжения для реализации управления нагрузкой в электрических системах.

Внутренние электрические сети в основном использовались для реализации различных услуг автоматизации. Применение в домашних системах PLC позволяет управлять многочисленными электрическими устройствами в пределах здания или частного дома с центрального поста управления без установки дополнительной коммуникационной сети. Типичные системы автоматизации заданий на базе PLC используются для соблюдения безопасности, надзора за нагревательными приборами, управления освещением и т.д.

В 1838 году (Englishman Edward Davy) англичанин Эдуард Дэви предложил решение, позволяющее использовать дистанционное измерение уровня батарей, расположенных далеко от телеграфной системы между Лондоном и Ливерпулом [3]. В 1897 году он представил первый патент (Британский патент № 24833) [4] для технологии дистанционного измерения метров электрической сети, взаимодействующей в электропроводке.

В 1950 году, были разработаны первые системы PLC, известные как Ripple Control, а затем их использовали в средне- и низковольтных электрических сетях. Несущая частота, составляла между 100 Гц и 1 кГц. Было необходимо создать однонаправленные связи с помощью управляющих сигналов для дистанционного включения и выключения света общественного света или изменений тарифа. Первые промышленные системы, названные Pulsadis появились во Франции в 1960 году [5].

Затем появились первые PLC системы CENELEC группы, которые простирались от 3 до 148,5 кГц, и позволяли двустороннюю связь в электрической сети LV (низкое напряжение), например, для показаний счётчиков (дистанционного показания счетчиков) а также для большого количества приложений, относящихся к сфере домашней автоматизации (охранной сигнализации, пожарной сигнализации, обнаружения утечки газа и т.д.). Требовалось гораздо меньше энергии, так как мощность была уменьшена до уровня примерно сто милливатт. Выражение "носители линий электропередач," как правило, сокращённое сокращено до PLC, появилось в конце Второй мировой войны в 1945 году. К тому времени, многие телефонные и электрические линии были разрушены и было больше инфраструктурных линий электропередач, чем телефонных линий. Для целей связи были разработаны системы передачи данных по проводам высокого или среднего напряжения, передавая дистанционно показания счетчиков электрической энергии. Структура доступа к PLC сетям

В настоящее время для передачи энергии и информации применяются, прежде всего, металлические кабели. Принцип построения сети абонентского доступа на базе PLC следующий [6].

Сети низкого напряжения питания состоят из блока трансформатора и какого- то количества кабелей питания, соединяющих конечных пользователей, которые подключены к сети через блоки измерителя. Система PLC, применяемая к сети низкого напряжения использует его как средство для реализации сетей доступа PLC. Сети низкого напряжения питания соединены к средне и высоковольтным сетям через трансформатор рис. 1. 1. Сети доступа PLC подключены к магистральным коммуникационным сетям (WAN) через базовую/ главную станцию (BS) обычно расположенную в блоке трансформатора. Многие приборы поставляющие электроэнергию, имеют свои собственные телекоммуникационные сети, связывающие блоки трансформатора, и они могут использоваться в качестве магистральной сети. Если это не так, то блоки трансформатора могут подключаться к обычной телекоммуникационной сети.

Математическое моделирование передачи данных по PLC сети

PLC имеет несколько отличий от других проводных средств, т.к его помехи и уровни шума гораздо больше. Понимание всех характеристик широкополосного PLC канала важно при разработке цепей передачи PLC [19] и моделировании производительности передовых коммуникационных технологий [20, 21]. В этом случае очень важно создать модель PLC канала.

Было использовано несколько подходов для создания PLC канала [22]. Интересный подход описывает PLC по его многолучевому поведению [23]. Там были также попытки моделирования PLC как линия передачи из двух проводников, а также линия передачи из трех проводников [24]. Многолучевой эхо- модельный подход основан на параметрической модели, по которой многие параметры можно оценить только после того, как измерен характеристика PLC импульса, тем самым ограничивая возможность априорного моделирования канала. В работе используется детерминированная модель каналов электропередачи [25]. Она основана на теории линий электропередачи. Благодаря этому подходу моделирование функции передачи реальной внутренней электрической топологии осуществляется в диапазоне от 0 МГц и 100 МГц. Изучается влияние различных параметров, которые скорее всего, изменят характеристики каналов (топология кабеля, подсоединённые нагрузки, расстояние передачи и т.д.).

Точное знание характеристик канала H(f) необходимо для развития соответствующих технологий передачи данных для улучшения характеристики системы PLC. В этом контексте мы сосредоточились на деградации сигнала, вызванного временным подключением электрических устройств к линии электропередачи, которое ведёт к несовпадению импеданса и рассоединению. Ясно, что условия канала изменяются, когда приборы включаются и выключаются из канала. Как результат нагрузки, подключённые к сети создают сильно меняющийся импеданс. Это вызывает отклонения, в дополнение к эхо, образованным разрывом сопротивления между различными ветвями кабелей. Чтобы показать влияние электрических приборов, подключенных к PLC на ее функции передачи, ниже представлены некоторые модели.

Эта схема представляет собой гибкую PLC, и допускает различные топологии домашних сетей (шина, звезда, деривация). Она делится на четыре схемы разной длины.

Топология сети линии электропередач имеет решающее значение для импульсной характеристики канала. Действительно, в объектах с большим количеством электрических нагрузок, распространение сигнала по каналу сильно зависит от затухания. Все соединения, защитные устройства, электрические провода и т.д. могут иметь прямое воздействие на распространение сигнала. Анализ передаточной функции необходим для улучшения производительности канала PLC.

Передаточная функция - влияние длины ветви Отмечалось, что увеличение длины ветви приводит к отказу в передаточной функции, которая особенно проявляется на высоких частотах.

Действительно, изменение длины ветви приводит к изменению входного и выходного импеданса, это приводит к изменению коэффициентов отражения и, следовательно, модификации резонансных частот. Видно что, затухание канала становится все более важным, начинаясь 50м длины ветви.

Во второй части этого исследования, мы изучили влияние количества ветвей передаточной функции на топологии с одним, двумя и одиннадцатью ветвями. Результаты показаны на рис. 2. 11.

Устройства, подключённые к PLC, имеют импедансы, которые будут иметь решающее значения на функцию передачи: сигнал будет либо поглощён этими импедансами либо отражён в сеть. Эти импедансы изменяются с частотой и их воздействие передаточной функции будет значительно отличаться.

Измерения импеданса различных устройств в частотной области производятся в целях изучения их влияния на канале. Результаты моделирования для нескольких устройств показаны на рис. 2.12. Ї І 300 І ЭХ

Импеданс для нескольких устройств Импеданс электрического прибора значительно варьируется в зависимости от его свойств. Мы наблюдаем один или несколько резонансов в измерениях, и отмечаем, что они не зависят от типа режима распространения. Для некоторых приборов было видно, что импеданс на низких частотах подобен сопротивлению. Для высоких частот, мы наблюдали высокие импеданса для определенных приборов из-за эффекта параллельного резонанса и теплового эффекта.

Кроме того эти измерения предоставляют важную информацию, которая может быть полезна для ограничения их неблагоприятных реакций на канале PLC, включая функцию передачи.

Теперь рассмотрим топологию, показанную на рис. 2. 5 для изучения влияния импеданса нагрузки электрических устройств на передаточную функцию, которая может быть изменена при подключении новых электрических приборов. Рис.2.13. и рис.2.14. представляют величины функции передачи для конфигураций в пределах от 0 МГц и 100 МГц:

Одним из основных преимуществ PLC (Power Line Communication) технологии является возможность создания канала передачи данных без прокладки дополнительных кабельных линий и применения беспроводных технологий передачи. PLC - это собирательный термин, описывающий все варианты доставки данных по электрической сети. Существуют многочисленные варианты классификации PLC технологии передачи данных по электрической сети принято разделять на широкополосные и узкополосные по ширине частотного спектра. (2) (3)

Функции автоматизированной системы управления технологическим процессом

Например, модуляция, которая будет необходима для реализации в системе PLC, должна быть в состоянии преодолеть нелинейные характеристики канала. Эта нелинейность канала обычно делает демодулятор очень сложным и очень дорогим, даже невозможным, для скоростей передачи данных выше 10 Мбит при модуляции с одной несущей. Таким образом, модуляция PLC должна преодолеть эту проблему без необходимости весьма сложного выравнивания. Несоответствие импеданса на линии электропередач приводит к эхо-сигналу вызывая разброс задержки, состоящий из еще одной проблемы для метода модуляции, который должен преодолеть это многолучевое распространение. Выбранная модуляция должна обеспечивать высокую гибкость при использовании и / или избегать некоторых заданных частот, если они сильно нарушены или предназначены для другой функции и, следовательно, запрещены для использования для сигналов PLC.

Недавние исследования были сосредоточены на двух методах модуляции, которые показали хорошие характеристики в другой неблагоприятной среде и поэтому были приняты для других систем с широким развертыванием. Во-первых, ортогональное мультиплексирование разделения частоты (OFDM), которое было принято для Европейского цифрового аудио-радиовещания (DAB), технологии линии цифрового подписчика (DSL) и так далее. Во-вторых модуляция спектра расширения, которая широко используется в беспроводных приложениях, предлагая применить адекватную модуляцию, в широком диапазоне схем множественного доступа.

В этом разделе описаны принципы каждого метода модуляции и их математическая основа. Затем предлагаются некоторые практические реализации демодулятора (или передатчика) и соответствующий демодулятор (или приемник) для каждой модуляции. Наконец, проводится сравнение между этими вариантами, показывающее преимущества и недостатки каждого из них. Это сравнение могло бы позволить принять решение о выборе метода модуляции, который будет принят для систем PLC, позволяя удовлетворить некоторые характеристики, которые могут быть затребованы сетью, такие как высокая скорость передачи данных, уровень электромагнитных помех, или частота появления ошибочных битов, и так далее.

Было проведено несколько исследований, чтобы найти подходящую реализацию OFDM для сетей PLC [39]. Для того чтобы избежать жесткой деградации сигнала OFDM по каналу передачи, которая вызвана частотно-селективным замиранием, предложен способ для управления мощностью поднесущих. Это решение состоит из управления мощностью передачи каждой поднесущей сигнала OFDM, чтобы максимизировать среднюю ОСШ каждой поднесущей принятого сигнала. Этот контроль настолько гибкий, что общая передаваемая мощность не увеличивается. Дальнейшее улучшение такого контроля возможно путем распространения параллельных субпотоков на выходе преобразователя последовательного кода в параллельный выход. Система OFDM [40], делит исходную информацию на три параллельных группы данных, в которой каждая группа отображается либо в соответствии с BPSK, либо QPSK и кодируется в соответствии с кодом Рида-Соломона или сверточного кода. Характеристики системы OFDM также были исследованы при различных сценариях шума, особенно при импульсном шуме, который считается доминирующим шумом в PLC среде.

Методы модуляции с расширением спектра, с прямой последовательностью или скачкообразной перестройкой частоты, были исследованы для реализации в PLC физическом уровне. Например в [41], предлагается так называемый " полностью цифровой DSSS приемопередатчик низкой сложности ", который основан на автоматической подстройке по задержке для восстановления такта и на этапе восстановления, что подразумевает временную синхронизацию. Исследуется "итерационный алгоритм обнаружения" для М-агу системы с расширенным спектром по каналу с шумом, и это показывает заметное улучшение производительности обнаружения для М-агу систем. Тем не менее, главным недостатком метода с расширенным спектром является относительно низкая реализуемая битовая скорость, по сравнению с системами OFDM [42]. Это делает любое решение о принятии модуляции для PLC-системы более трудным. Принимая решение для заданной модуляции, необходимо знать какие характеристики имеют более высокий приоритет, и какие из них имеют меньшее значение. Кроме того, высокие реализуемые скорости битов, системы OFDM также показывают высокую надежность при деформациях канала, гибкость при избежание сильно пострадавших каналов и оптимальное использование пропускной способности при использовании слегка повреждённых каналов в процессе загрузки битов. Главным преимуществом спектра расширения является его электромагнитная совместимость при излучении слабых электромагнитных полей в среде.

С последними событиями в области технологий, информации и коммуникаций, технология (ИКТ) становится все более распространенным и одним из основных строительных блоков в жизни каждого человека. Растущий спрос к широкополосной связи требует новых технологий. PLC является одним из потенциальных кандидатов для следующего поколения ИКТ. Технология PLC использует линии электропередач для передачи своих данных. Технология PLC имеет много преимуществ, так как не требует какой-либо дополнительной проводки. Существует необходимость использования линий распределения электроэнергии для сигналов управления, передачи IP телефонии и дистанционного сбора данных.

Коммуникационная модель реализуется как системы OFDM, линия электропередач моделируется как функция передачи двух портовой сети или из функции передачи среды многолучевого сигнала. Модель шума моделируется как белый шум, который получает спектральную окраску с помощью фильтра.

Для построения полной системы PLC необходимо создать модель каналов, а также модели шума передатчика и модели приемника. Полная модель PLC будет создана на основе конкретных моделей. Таким образом будет возможно создать конкретную линию электропередачи на основе моделирования системы с различными моделями линий и оценить с точки зрения возможности использования различных комбинаций PLC технологии: безопасность передачи, модуляция, кодирование и т.д. Таким образом, могут быть получены наилучшие параметры линии передачи данных. Систему PLC можно разделить на определенные части для целей моделирования: PLC модели коммуникации, модель линии электропередачи, модель шума.

Модель PLC включает блок передатчика, приемника и канала. Она служит для создания источника и узла передачи данных. Для последующего моделирования модель линии, заменяют на блок канала. Базовая PLC модель с системой OFDM показана на рис. 2. 35 [43] и [44].

Структурная схема системы передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC

Алгоритм работы системы связи по линии электропередачи На шаге 1, включается питание (переключатель питания устройства включен). На шаге 2 формируется сигнал соединения, указывающий, что устройство А имеет возможность принимать передачу от передающего блока.. На шаге 3 определяется, был ли принят сигнал соединения с помощью устройства В. Если определено, что сигнал связи был получен устройством В, то поток управления переходит к шагу 4, тогда как, если определено, что сигнал связи не был получен, то обработка на шаге 3 повторяется. На шаге 4 устройство А, которое послало сигнал линии связи, сохраняется в памяти блока устройства В, если сигнал связи был получен устройством В. На шаге 5, сигнал о том, что сигнал связи был получен и сохранён, отправляется из устройства В в устройство А. На шаге 6 определяется, был ли принят сигнал ответа устройством А и если не был получен сигнал, обработка на шаге 6 повторяется, в то время как, если был получен сигнал ответа, управление переходит к шагу 7. На шаге 8, сигнал, запрашивающий посылку сигнала измерения скорости передачи для измерения BER по битам посылается от эталонного блока генерации устройства А к устройству В. На шаге 9 определяется получило ли устройство В сигнал запроса, и если не был получен сигнал запроса, обработка на шаге 9 повторяется, в то время как, если был получен сигнал запроса управление переходит к шагу где блок приема устройства В проверяет получение сигнала запроса и делает запрос для генерации сигнала BER к эталонному блоку генераций устройства В. На шаге 11 эталонный блок генерации устройства В генерирует сигнал BER, который затем модулируется с помощью блока модуляции и отправляется от передающего блока аппарата В в устройство А. На шаге 12 определяется, был ли принят сигнал BER устройством А, и если не был принят, обработка в шаге 12 повторяется, в то время -как, если был получен, управление переходит к шагу 13, где блок приема устройства А получает носитель, на который посланный сигнал измерения скорости передачи от устройства В, подвергается QAM модуляции, а блок демодуляции демодулирует сигнал измерения скорости передачи от полученного носителя. На шаге 14 сигнал измерения скорости передачи, таким образом демодулированный, сравнивается с сигналом измерения скорости передачи, который был сформирован эталонным блоком генерации и который соответствует отправленному, в то время как BER формируется и хранится в блоке обнаружения скорости передачи устройства А. На шаге 15 скорость передачи таким образом полученного BER классифицируется в одну из трех групп блока обнаружения скорости передачи, имеющего два пороговых значения. На шаге 16 таким образом, классифицированная скорость передачи является входом в блок дисплея устройства А где загорается соответствующая лампа скорости передачи, а затем управления возвращается к шагу 2.

Сейчас зачастую несколько станков с ЧПУ объединяют в автоматизированную производственную систему, которая, в свою очередь, входит в состав автоматической производственной линии, что позволяет отслеживать производственный процесс на всем его протяжении [63]. Для снижения себестоимости при организации информационной сети станки с ЧПУ для приема передачи технологических программ и мониторинга их работы могут быть подключены к PLC сети.

Система числового программного управления (ЧПУ) - компьютеризованная система управления, управляющая приводами подач, главного движения и другими системами технологического оборудования, собирая информацию с датчиков и анализируя их показания в режиме реального времени. На сегодняшний день ЧПУ незаменима при производстве высокоточных деталей сложной геометрической формы и находит широчайшее применение в промышленном оборудовании [64]. Структура станка с ЧПУ приведена на рис. 3. 15.

В последние годы пристальный интерес и повышенное внимание обращено к PLC-технологиям с использованием модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением), использование которой позволяет существенно увеличить пропускную способность канала связи. В первую очередь, она направлена на реализацию базовой модели связи по линии электропередачи для PLC коммуникации. Различные уровни частот отображения носителей в OFDM (QPSK, 16-QAM) были смоделированы на предложенной модели.

Существует необходимость выбрать подходящий метод передачи для приложения в качестве надежного средства коммуникации [65, 66]. Целый ряд схем модуляции может использоваться в PLC. Некоторые из них - это мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), двоичная фазовая манипуляция (BPSK), частотная манипуляция (FSK), распространение-FSK (S-FSK) и собственные схемы (на пример дифференциально-кодовая модуляция (DCSK) от Yitran). В таблице ниже BPSK, FSK, SFSK и OFDM сравниваются на основе двух важных критериев - эффективность использования полосы частот и сложности (стоимость).

Элементарная схема PLC делится на три основные части: получатели, канал связи и отправители. Полученная в результате анализа модель показана на рис. 3.16. Двоичный генератор Bernoulli используется в качестве источника данных в предложенной модели. Это генератор, который генерирует случайные двоичные числа согласно правилу распределения Bernoulli. В реальных системах распределение бита (отображение) может быть получено из уравнения [67]:

Так как чипсет модема 1С имеет максимальное значение входного напряжения менее 50V, то рабочее напряжение переменного тока может легко повредить чипсет микросхемы. Схема связи должна эффективно блокировать этот сигнал переменного тока электросети, защещая узлы связи модема. Другой основной целью является блокировка низкочастотного сигнала питания, который позволит высокой частоте (несущей частоте), пройти в чипсет модема 1С.