擁自有標準 中國PLC技術超歐趕美

作者 : 劉于葦,EE Times China

PLBus的中文名稱是「電力線資料匯流排」,意思是透過電力線進行資料連接和通訊,由於當前大量智慧裝置都是透過電線進行供電,所以只需要透過電線就能進行資料傳輸。

電力線通訊技術在國外已經發展了幾十年,但每個國家電網環境不一樣。針對窄頻電力線通訊(PLBus.nb),2017年中國完全自主的GB/T31983.31.2017標準正式頒佈實施,該標準起草人、劉鯤(博士)在由Aspencore於中國深圳舉辦的「第二屆(2020)國際電子產業鏈資源對接大會」上表示:「中國自己的國家標準,更適合中國電網環境,在技術和應用規模上超越了歐洲G3和美國IEEE1901.1等任何國外技術方案。」

物聯網應用廣泛,促進了資訊技術產業的又一次重大發展,其中無論是基礎設施建設,還是終端應用都具有非常大的想像空間。而讓萬物互連最關鍵的就是通訊連接——先要拿到資料,才能進行更高層次的分析和應用。物聯網採用的通訊技術五花八門,常見的有工業匯流排(如RS485),微功率無線(Wi-Fi、Zigbee、藍牙、LoRa等),蜂巢式無線(NB-IoT、GPRS等)以及電力線通訊(Power line communication,PLC)。

射頻技術應用最為廣泛,但其侷限在於訊號容易受障礙物阻擋、遮罩,例如隧道環境、水下環境和金屬外殼包裹的電子裝置。另外營運商網路覆蓋也往往存在盲點,並且需要支付流量費。相較於其他通訊技術,電力線通訊具有無需額外佈線、不受阻擋的特點,被稱為物聯網「最後一哩」接入技術。

深圳力合微電子是清華力合旗下的IC設計公司,18年來專注適合中國電網環境的PLC和晶片技術,曾首家將OFDM數位通訊技術應用於國內PLC,提出適合中國國內電網環境的過零傳輸正交多載波整套實體層(Z-OFDM),MESH網路技術;也是首家推出高整合度Z-OFDM SoC的供應商,自2010年起就大規模應用於中國國家電網智慧電錶。

力合微電子共同創辦人暨總經理劉鯤,也是中國國家標準GB/T31983.31-2017《低壓窄頻電力線通訊第 31 部分:窄頻正交頻分複用電力線通訊實體層》的起草人;基於這項標準,力合微推出了物聯網智慧裝置電力線通訊接入協定PLBus, 以實現「有電線的地方,即刻智慧物聯」的目標。

2020年7月22日,力合微電子首次公開發行並在中國上海證券交易所科創板上市。8月6日,劉鯤在國際電子產業鏈資源對接大會上以《PLBus物聯網通訊協議及應用》為題,闡述了PLBus技術的工作機制、技術優勢和標準訂定,並介紹了大量應用案例。

PLBus是什麼?

PLBus的中文名稱是「電力線資料匯流排」,意思是透過電力線進行資料連接和通訊,由於當前大量智慧裝置都是透過電線進行供電,所以只需要透過電線就能進行資料傳輸。

 

(圖片來源:力合微電子)

 

PLBus的運作方式和其他有線介面一樣,只需要在智慧裝置上增加一顆晶片或一個模組,透過晶片或模組本身提供的各式通訊介面,就能對裝置進行控制、資料擷取。

從組網上說,連接電力線上的所有裝置都是一個匯流排,節點之間可以透過電線進行資料交換和傳輸;從網路域和協定堆疊上說,PLBus從實體層就要解決干擾、雜訊問題,然後把資料傳輸到資料連結層以及應用層,支撐各種各樣的應用。

 

PLBus協議堆疊、類比前端已經高度整合到力合微晶片和模組中,進行二次程式設計開發就可以支援各種應用。

(圖片來源:力合微電子)

 

「它是一種介面標準、介面技術、介面協定,和其他通訊方式差別在於,它直接透過裝置的供電線就可以進行傳輸。今天包括晶片、模組等成熟完整的技術和解決方案,都已經可以支撐大量的應用;」劉鯤介紹,包括智慧電錶、智慧家庭等,都有一整套PLBus協議堆疊構成的完整通訊技術。

PLC技術的分類和標準

PLBus具有幾個關鍵指標,主要可以分為兩類:

一是500kHz以下的窄頻電力線通訊(PLBus.nb),主要遵循窄波標準,中國、歐美、日本都規定500kHz以下屬於窄頻。因為在500kHz以下能夠實現的資料傳輸速率不高,利用最先進的正交多工載波技術能實現大概10K左右的速度,適合低速、資料量小的控制類應用。

針對窄頻電力線通訊, 2017年中國完全自主的GB/T31983.31.2017標準正式頒佈實施,來自於力合微電子研發的窄頻OFDM技術。作為標準的起草人,劉鯤表示:「自此中國有了自己的國家標準支撐,這個標準在技術和應用規模上超越了歐洲G3和美國IEEE1901.1等任何國外技術方案。」

另一類是0.7~12MHz的高速電力線通訊(PLBus.h),速率可以到200K~1Mbps,也支援MESH組網。這是國家電網的企業標準Q/GDW11612-2018,目前大概1億個通訊模組用於智慧電錶都是採用這種技術。

劉鯤表示:「大概從2015年開始,(中國)國家電網公司開始制定高速PLBus相關標準,力合微電子等企業都參與到標準制定中,目前在國內被大量採用。2018年IEEE推出的國際化標準也起源於我國的國家電網,相對於國際標準,我們自己的標準更適合國內的物聯網應用。」

電力線通訊技術在國外已經發展了幾十年,但每個國家電網環境不一樣。力合微電子從2002年公司成立,就致力於解決中國電網高雜訊、高干擾環境下怎樣進行可靠的資料傳輸。從窄頻到高速,再到雙模以及HPLC功放晶片,力合微電子提供完整的全套解決方案,這些方案都遵循了中國國家標準以及企業標準,更適合中國電網環境。

劉鯤表示:「在電力線通訊領域我們可以非常自信地說,能和任何國外晶片在國內電網環境PK一下。大家會發現中國在經過了十多年的發展,特別是在國家電網公司對智慧電錶應用的帶動下,無論用量、成熟度、技術先進性都已經走在了國際前列。」

PLBus應用案例

PLBus有很多典型應用,在本次資源對接大會力合微也展示出了不同應用對應的晶片和模組產品。

第一個典型應用是電錶。中國從2008年開始首先將窄頻電力線通訊用於智慧電錶,2018年開始用高速電力線通訊,每年招標1億個通訊模組,預計再用5年時間可以實現全部規模化。劉鯤博士表示,這個規模和技術本身是走在全球前列的,沒有任何一個國家,沒有任何一款晶片能在電力線通訊領域能做到。

第二個典型應用是綜合能效管理。具體到末端的各種智慧裝置、感測器,透過電力線進行連接,實現資料擷取和通訊。

例子一:高鐵

2019年中國電力線通訊標準開始應用到高鐵系統,高鐵能效管理全部採用了中國自己制定的,包括晶片和模組。

例子二:智慧路燈

路燈的每一個燈頭都連接了電線,PLC直接透過電線進行路燈的資料擷取、遠端控制,是非常適合的技術。專門為路燈制定的中國電力線通訊國家標準《應用於城市路燈接入的低壓電力線通訊規範》已經在公示階段,對於相關晶片、模組和整套路燈系統的支撐都是非常完善的。力合微電子也推出了從單燈控制器、雙燈控制器到主站的全套解決方案。

例子三:智慧家庭

家裡每一個角落和房間都是電線,電器直接插在插座上,基礎連接就已經具備。如果只採用無線通訊方式,或者有盲點,或者受阻擋,或者存在樓下樓上不通的問題,與電力線匯流排融合是更有效的通訊方式。

劉鯤還舉了一系列智慧家庭的例子:某家電企業把國家標準的電力線通訊規範和晶片應用到家用熱水器,透過面板觸控或者語音控制,在房間裡直接透過電線控制熱水器端的調溫、開關。

DALI是飛利浦(Philips)制定的一個智慧照明標準,原本透過拉線對燈進行控制。用了電力線DALIoPLC (DALI over PLBUS)技術後,從兩端都是標準DALI裝置的中間進行DALI轉電,透過電力線進行傳輸,不再需要重新佈線。

用PLBus512取代標準DMX512頭端控制器輸出,進行景觀燈控制,內置晶片後不需要另外兩根訊號線,直接走電線,同樣也能取代佈線。節省了施工,節省了成本,又節省了以後的線路維護,也已經是成熟的產品。

最後劉鯤表示,PLBus是基於適合中國電網自主國家標準推出的全新電力線匯流排界面標準,是一個新的開放式介面協定,針對智慧裝置、物聯網裝置的介面規範,覆蓋了從底層到傳輸層、應用層,從晶片到模組。希望產業鏈上下緊密合作,共同推動這個標準走向所有適合的智慧裝置。

 

本文原刊於EE Times China網站

 

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