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Comunicazione solida ed economica

La comunicazione può contribuire a garantire l’efficienza energetica, ma quale mezzo utilizzare? I cavi di alimentazione esistono già, ad esempio per i contatori di elettricità intelligenti o il controllo dell’illuminazione stradale, ma la soluzione migliore per trasferire i dati in modo affidabile ed economico è la Power Line Communication (PLC).

Per i sistemi di questo tipo, Fujitsu Semiconductor offre circuiti integrati per la comunicazione a onde convogliate (figura 1), adatti sia per i contatori intelligenti che per altri sistemi che richiedono un sistema di comunicazione flessibile ad alte prestazioni. Il fatto che nella rete del futuro non sarà più necessario leggere i contatori manualmente e informare la società elettrica è solo un piccolo, ma piacevole, aspetto del concetto di ‘smart grid’ (rete intelligente): in realtà c’è molto, molto di più oltre le smart grid, l’AMR e l’AMM (Automatic Meter Reading / Advanced Meter Management). Prendiamo, ad esempio, la lavatrice che inizia il ciclo di lavaggio di notte, quando la domanda di elettricità, e di conseguenza il prezzo (che in futuro verrà adeguato in modo dinamico, in linea con la domanda), raggiunge il livello più basso.

La gestione non riguarda solo le funzioni visibili direttamente dal consumatore, ma anche l’infrastruttura che sta dietro al contatore: aggiornamenti automatici del software, routing dinamico, gestione automatica della rete, individuazione e correzione indipendente di malfunzionamenti e colli di bottiglia, ecc., sono tutti concetti che in passato venivano associati più a Internet che ai sistemi di alimentazione. Esistono diverse opzioni per il mezzo di trasmissione fisico sottostante. I criteri di selezione principali sono stabilità, disponibilità e sicurezza dei dati, e la comunicazione deve logicamente usare la minore quantità possibile di energia e generare il minor numero di spese.

Figura 1: AR926.

Figura 1: AR926.

Concetti di rete tradizionale

Sebbene i field bus tradizionali (es. CAN), diversi derivati RS485 ed Ethernet presentino il vantaggio di un’implementazione standardizzata e una comunicazione stabile su (in alcuni casi) grandi distanze a fronte di costi d’esercizio bassi, occorre un cablaggio a parte per il canale di comunicazione che comporta una serie di costi aggiuntivi, soprattutto quando si aggiornano installazioni esistenti. In questo caso sarebbero perfette le reti wireless, come ZigBee, Bluetooth e GSM/GPRS. Esistono già diversi standard e moduli di comunicazione adeguati. Tra gli svantaggi figurano una potenziale interferenza con la WLAN ed altri servizio radio. Inoltre i servizi come il GPRS comportano ulteriori costi d’esercizio, che rendono questa soluzione più adatta a collegare singoli nodi remoti.

Figura 2: MB87S2080 Block Diagram.

Figura 2: MB87S2080 Block Diagram.

Aggiornare l’intelligenza

Dato che le reti di alimentazione sono già disponibili per molte applicazioni ‘smart grid’, è logico che la comunicazione avvenga tramite questi canali. La comunicazione a onde convogliate (PLC) può collegare grandi distanze, non comporta altre spese di installazione, è resistente alla WLAN e ad altri servizi radio e, in base alla topologia, il fatto che sia inaccessibile a persone non autorizzate garantisce una sicurezza maggiore rispetto ai sistemi a radiofrequenza che dipendono unicamente da una cifratura sicura. È importante notare che in questo caso viene usata la PLC a banda stretta (da non confondere con ciò che viene comunemente definito ‘Internet dalla presa’). Questo significa che le velocità di trasmissione dei dati tendono a rientrare più nella fascia inferiore dei kbit/s che in quella degli Mbit/s. Siccome la trasmissione avviene in una gamma di frequenza limitata, questo sistema PLC disturba a malapena altri servizi radio. Il livello di segnale che può essere condotto in una rete di alimentazione per il trasferimento dei dati è regolato dallo standard CENELEC EN50065-1. La gamma di frequenza adeguata in questo caso (3 – 148kHz) è divisa in quattro bande soggette a regole diverse. La banda A (9 – 95kHz) e la gamma inferiore sono riservate ai fornitori di energia e consentono un livello di segnale relativamente alto da usare per collegare distanze molto elevate. La banda B (95 – 125kHz) è disponibile per tutte le applicazioni e può essere usata senza un protocollo speciale. Anche la banda C CENELEC (125 – 140kHz) può essere utilizzata liberamente, ma è obbligatorio usare un protocollo CSMA (Carrier Sense Multiple Access) per individuare ed evitare collisioni. La banda D (140-148kHz) viene usata, ad esempio, da alcuni sistemi di allarme e sicurezza, ma non comporta l’uso di un protocollo di accesso obbligatorio.

Figura 3: Smart E-Meter.

Figura 3: Smart E-Meter.

Basta ascoltare più attentamente

Le reti di alimentazione furono installate in origine per condurre l’elettricità e non necessariamente per trasferire dati; lo dimostrano l’attenuazione elevata, le numerose interferenze e i parametri dei canali in continuo cambiamento. Esistono vari metodi mirati a mantenere la comunicazione il più agevole possibile, nonostante i presupposti sopra citati. Aumentare il livello di uscita fallisce nel punto in cui viene raggiunto il livello massimo definito dalle norme CENELEC. Inoltre le misure di correzione possono eliminare eventuali errori nella trasmissione solo fino ad un certo punto. È meglio aumentare la sensibilità d’ingresso del ricevitore. Se per ottenere una ricezione affidabile è sufficiente un segnale minimo, le distanze maggiori possono essere superate senza dover aumentare il livello di uscita. Inoltre la comunicazione stessa deve essere il più efficiente possibile in termini di consumo energetico. Ciò significa che il segnale di dati deve essere accoppiato sulla rete di alimentazione con la massima efficienza possibile; un compito per niente facile, considerata la sua impedenza molto bassa (a volte di pochi ohm) e variabile. Per questo motivo i SoC PLC di Fujitsu sono progettati in modo da consentire all’elevata sensibilità di ingresso fino a 32 dB V di operare con cavi molto lunghi, mentre il rendimento fino all’80% evita l’insorgere di problemi termici e riduce al minimo i costi generali, perché bastano unità di alimentazione più piccole e più efficienti. La rete di accoppiamento tra il modem PLC e il sistema di alimentazione si differenziano in modo significativo in base all’approccio adottato. I circuiti con filtri attivi sono spesso presenti nei percorsi di trasmissione e ricezione, con conseguente aumento dei costi. Gli amplificatori di uscita lineari a livello di trasmissione tendono semplicemente ad aumentare la temperatura della scheda del circuito invece dell’efficienza. Per questo motivo la fase di uscita del SoC di Fujitsu viene mantenuta a livello esclusivamente digitale con filtri LC passivi per ridurre la perdita. Sul lato del ricevitore della rete di accoppiamento occorrono solo pochi componenti esterni, anche perchè il modem PLC integrato nel SoC esegue gran parte del filtraggio in modo digitale attraverso un campionamento speciale e filtri digitali. Questo significa che il rumore della power line viene soppresso in modo efficace, evitando un aumento del numero di componenti. Il fattore decisivo è quindi il costo generale che include il chipset PLC, la rete di accoppiamento e l’alimentatore di tensione.

Esempio di utilizzo dei PLC: illuminazione stradale intelligente

L’illuminazione stradale intelligente è un ottimo esempio del potenziale di risparmio offerto dai sistemi intelligenti. La maggior parte degli attuali sistemi di illuminazione stradale viene accesa e spenta con un timer, a prescindere dalle effettive necessità che possono variare, ad esempio, in base al volume di traffico e alle condizioni atmosferiche. La manutenzione è un altro fattore di costo: i controlli effettuati per identificare luci guaste o danneggiate sono solo uno dei numerosi aspetti. Il controllo intelligente e il networking, oltre a garantire una gestione basata sulle effettive necessità (es. aumento della luminosità a livello locale in base alle condizioni atmosferiche, al volume di traffico o ad eventi quali incidenti o allarmi), consentono di segnalare immediatamente all’ufficio centrale la presenza di luci guaste o altri dati operativi. Inoltre, i sensori potrebbero registrare e inoltrare dati telemetrici per il monitoraggio del traffico, informazioni meteorologiche, ecc... Le luci moderne con tecnologia LED possono essere sottoposte a regolazione continua della luminosità in linea con gli attuali requisiti, consentendo un notevole risparmio di energia. Questo effetto è rafforzato dalla conformazione del fascio, ottenibile in modo molto più preciso con le luci a LED, garantendo un’illuminazione più efficiente. Tuttavia, la lampada a scarica tradizionale è lontana dall’essere obsoleta: anche in questo caso il collegamento in rete delle luci presenta notevoli vantaggi, anche se non è possibile controllare dinamicamente queste luci, come accade con i LED, a causa dei loro tempi di risposta generalmente lenti. A seconda della fonte, esiste un potenziale di risparmio di parecchi TWh di energia elettrica solo in Europa. Teoricamente l’energia utilizzata per l’illuminazione stradale potrebbe essere almeno dimezzata con nuovi impianti e ammodernando quelli esistenti. I SoC MB87S2090 e MB87S2090-F sono perfetti per questo compito. Oltre a comunicare mediante PLC, sono dotati di diversi dispositivi periferici, tra cui le unità dimmer che possono generare quattro segnali PWM o di controllo di fase per il controllo dei transistor o dei TRIAC. In questo modo l’intensità della luce può essere controllata a livello locale tramite il flusso di traffico, il rilevamento dei movimenti, ecc. Le luci stradali rimangono attenuate in mancanza di attività e si accendono solo quando è necessario. La possibilità di controllare centralmente lo stato delle luci consente di ridurre notevolmente i costi di manutenzione e i tempi morti. È possibile anche fatturare singolarmente e realizzare nuovi sistemi che prevedano, ad esempio, l’accensione delle luci da cellulare.

Impostazione del circuito integrato

Oltre ad avere un core 8051 potenziato e molto accelerato, il SoC MB87S2090 è dotato di diversi timer, tre UART, due interfacce SPI, un controller LCD con segmenti da 24 x 8 / 28 x 4 e molte altre unità periferiche. Il firmware è alloggiato in una memoria flash seriale esterna dalla quale viene trasferito, durante l’avvio, alla SRAM interna da 128kByte del SoC e qui eseguito. Il boot-loader interno si occupa anche della programmazione e della cifratura opzionale del contenuto della memoria flash. È integrato anche il modem per lo strato PHY della PLC, nonché un co-processore MAC che allevia il carico sulla CPU durante la varie funzioni di rete. Sono disponibili otto frequenze portanti programmabili, comprese tra 60 e 132,5kHz; la FSK (Frequency Shift Keying) è usata per la modulazione. Il SoC è anche dotato di hardware per diverse funzioni di codifica dei canali. Questo significa che quando l’MB87S2090 viene utilizzato, è possibile implementare un contatore intelligente a fase singola, senza bisogno di un altro microcontroller. Per misurare la corrente e la tensione è collegato solo un circuito integrato di misurazione analogica, ad esempio mediante l’interfaccia SPI; il SoC si occupa del resto. Il modem PLC del SoC richiede solo una sola tensione di alimentazione di 3,3V e alcuni componenti passivi. Al posto del driver interno si può utilizzare un semplice semi-ponte a transistor sul lato di uscita per aumentare la gamma e raggiungere il livello di uscita massimo, anche con una impedenza di rete molto bassa, soprattutto nella banda A CENELEC dove l’ampiezza massima consentita del segnale di uscita è decisamente maggiore che nella banda C, ad esempio. In questo caso la tensione di alimentazione della fase di uscita esterna è di 12 – 16V, in base all’applicazione. Gli stadi del driver interno ed esterno operano in modalità commutata, con conseguente raggiungimento di un livello di efficienza molto elevato. Il filtraggio avviene mediante una rete LC passiva. Il sistema PLC completo di Fujitsu non comprende solo il SoC, ma anche schede di sviluppo e progetti di riferimento, oltre a un sofisticato stack di rete che esegue varie funzioni, tra cui routing dinamico, registrazione automatica dei nodi sulla rete e gestione dell’intera rete. La gamma di prodotti PLC di Fujitsu comprende, oltre all’MB87S2090, il SoC MB87S2090-F (anche basato su FSK) che praticamente è una variante semplice ed economica dell’MB87S2090 ed è stato progettato appositamente per l’illuminazione stradale e l’automazione degli edifici. La gamma comprende anche l’MB87S2080 (figura 2), un SoC conforme allo standard PRIME (PoweRline Intelligent Metering Evolution) con modulazione OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) nella banda A CENELEC A per applicazioni future di smart metering (figura 3). È disponibile uno stack di protocollo completo in conformità alla specifica PRIME. Con tutta probabilità PRIME diventerà lo standard per l’“ultimo miglio” tra le società elettriche e i contatori per l’Europa in particolare. Il consorzio PRIME è costituito da diverse società, tra cui fornitori di energia e produttori di semiconduttori, ed ha l’obiettivo di creare uno standard aperto ‘cross-manufacturer’ per contatori intelligenti e di promuovere lo sviluppo di dispositivi conformi a questo standard. Anche Fujitsu Semiconductor Europe fa parte del consorzio e collabora in diversi gruppi.

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