PLC – Power Line Communication

out, 2009

Edição 44, Setembro de 2009

Por Alessandro F. Cunha

PLC

Power Line Communication – A informação que vem pela tomada

Quem já navegou pela internet com acesso de banda larga sabe o que é ter “o mundo em suas mãos”. Os sistemas disponíveis no Brasil têm, em geral, um custo relativamente alto para implantação e velocidades razoáveis. Um dos fatores importantes na composição do preço é o custo da implantação da “última milha”, a distância que separa o assinante do equipamento principal, que o conecta a um provedor de acesso. É apresentado, neste artigo, um sistema de transmissão em banda larga no qual o custo de implantação para o usuário final é muito mais baixo do que os sistemas tradicionais, já que aproveita uma infraestrutura existente em quase 100% dos lares brasileiros: a rede de energia elétrica para vencer a “última milha”. Este sistema já vem sendo testado em várias partes do mundo, inclusive algumas empresas distribuidoras de energia elétrica no Brasil já fizeram testes (Cemig, Light, Eletropaulo). Vejamos, porém, como esta “revolução” é possível.

BANDA LARGA

A ideia de transmitir dados pela rede elétrica não é nova. Data da década de 1920 as primeiras patentes da American Telephone and Telegraph Company, usando as redes trifásicas. Entretanto, transmitir uma grande quantidade de dados (banda larga) é uma conquista muito mais recente, que veio com a proliferação da internet e da necessidade cada vez maior de transmitir e receber um grande volume de dados, em forma de áudio, vídeo e sinais multimídia.

 

Banda larga significa alta quantidade de informações trafegando por um meio de transmissão até o usuário final. Estas informações comumente são confundidas apenas com o acesso a internet, mas não é só isso. Com grande quantidade de informações disponíveis, pode-se montar sistemas de controle remoto, automação residencial (domótica), aplicações em segurança, entre outras que serão abordadas neste artigo.

 

Atualmente, no Brasil, são disponíveis algumas alternativas para o acesso em banda larga. São levados em conta na implantação de um sistema de banda larga dois aspectos: o meio de transmissão existente e a tecnologia de transmissão.

 

Meio de transmissão

São as interfaces entre quem dispõem da informação (provedor) e quem acessa a informação (usuário), com tráfego entre os dois sentidos. Geralmente é onde reside o maior custo de implantação, devido às grandes distâncias envolvidas. Os tipos mais comuns são:

 

• Par metálico (linha telefônica): é o meio mais simples de transmissão. É muito sensível a interferências externas. O custo de implantação é baixo e não requer mão-de-obra muito especializada. Pode trazer a informação desde a central telefônica até o modem do usuário. Mas, para ter acesso a este sistema, o usuário precisa ter uma linha telefônica, recurso que não atende a todas as camadas da população brasileira.

 

• Cabo de rede: é utilizado na conexão de redes de computadores e têm modelos blindados que são menos sensíveis às interferências externas. O custo é médio e a mão-de-obra deve ter conhecimentos sobre cabeamento e conexões. É comumente utilizado em ambientes internos, ou seja, dentro do local em que se constrói a rede de computadores (prédio, escritório, casa, etc.), pelo uso de equipamentos específicos (modens, roteadores, hubs, etc.).

 

• Fibra ótica: é mais utilizado em redes com alto tráfego de dados. É imune a interferências eletromagnéticas, mas tem restrições quanto ao processo de instalação. O custo de implantação é alto e exige mão-de-obra muito especializada. É comumente utilizado para ambientes externos, com o intuito de trazer a informação desde o provedor até a entrada do local de instalação. Já existem alguns ambientes internos com utilização de fibras óticas.

 

• Wireless: são os sistemas de transmissão sem fio. Tem problemas quanto a interferências. O custo de implantação ainda é alto, devido aos preços dos equipamentos, e a mão-de-obra deve ter conhecimento das configurações. É utilizado em ambientes internos com pequeno alcance (caso do Wi-Fi – em torno de 100 m) e em ambiente externo com grande alcance (caso do Wi-Max – em torno de 10 km).

• Rede elétrica: é o meio de transmissão utilizado pelos sistemas PLC. É sensível quanto a interferências, mas é muito barato, uma vez que utiliza uma infraestrutura já existente e a mão-de-obra necessária para ampliações é a de um eletricista. Na teoria pode ser usada desde o provedor (externo) até os pontos do usuário (interno). Porém, o que se obteve como resultado dos testes de campo é que a parte externa é extremamente sensível a interferências, o que compromete a taxa de dados. Na parte interna, os testes têm obtido resultados muito satisfatórios.

 

Tecnologias de transmissão

São empregadas para fazer a modulação da informação em banda larga sobre os meios de transmissão existentes. As mais comuns são:

 

• xDSL: é a designação genérica para os vários tipos de DSL (Digital Subscriber Line) ou Linha Digital de Assinante. São vistos como possíveis estágios intermediários na transição para redes totalmente óticas. As conexões exigem a instalação de modem compatível (ADSL) e a assinatura em um provedor que ofereça acesso por meio desta tecnologia. Por meio de uma única linha telefônica (cabos telefônicos metálicos já existentes), é possível ao mesmo tempo falar ao telefone e acessar a internet. Tem como característica uma conexão sempre ativa com a internet. Os principais tipos são ADSL, HDSL e SDSL:

– ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) – Linha de Assinante Digital Assimétrica. Possibilita a transmissão de até 8 Mbps. O adjetivo assimétrico deve-se ao fato de a tecnologia trabalhar com velocidades diferentes nas duas direções: o usuário envia dados em uma faixa entre

16 Kbps e 640 Kbps e recebe dados a velocidades de até 8 Mbps. A variação é decorrência de uma série de fatores, entre eles a distância entre o cliente e a central de telecomunicações.

– HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Line) – Linha de Assinante Digital com Alta Taxa de Bits: é uma tecnologia de transmissão de alto desempenho por dois pares de cabos telefônicos. Diferencia-se de outras tecnologias DSL porque proporciona transmissão simétrica, ou seja, a mesma taxa de transmissão em ambas as direções (download e upload), em torno de 12 Mbps;

– SDSL (Symmetric Digital Subscriber Line) – Linha de Assinante Digital Simétrica: é um tipo de acesso DSL que permite taxas de transferência de até 22 Mbps pela linha telefônica;

 

• CATV (Community Access Cable Television): sistema de comunicação que simultaneamente distribui vários canais de televisão diferentes para diferentes usuários por uma rede de cabos coaxiais ou uma rede HFC (Hybrid Fiber – Coaxial Cable) em conjunto com o tráfego de dados. A conexão CATV também exige a instalação de modem compatível (Cable Modem) e a assinatura em um provedor que ofereça acesso por meio desta tecnologia.

 

• Wi-Fi (Wireless Local Area Network – IEEE 802.11): termo usado para referir-se genericamente a redes sem fio. Possui alcance máximo de até 100 metros, sem barreiras ou obstáculos na frente e taxas de até 11 Mbps. Já é amplamen

te utilizado para criar os Hot Spots (locais de acesso a internet em cafés, bibliotecas, lounges, aeroportos, empresas, residências, etc.). Sua única limitação é o alcance, mas a facilidade de conexão é seu ponto forte, dispensando a instalação de uma infraestrutura complicada e cara.

 

• Wi-Max (Worldwide Interoperability for Microwave Access – IEEE 802.16): é uma ampliação do conceito do Wi-Fi. Não se restringe a uma área de atuação de apenas 100 m, podendo chegar a áreas de coberturas com raio de até 10 km. Esta é outra aposta muito promissora no mercado de banda larga.

 

• PLC (Power Line Communication) – Comunicação pela rede elétrica: sistema que modula a informação a ser transmitida sobre a energia elétrica, utilizando, assim, a rede elétrica existente como meio de transmissão. As taxas típicas dos sistemas em teste são da ordem de 2 Mbps, mas já existem fabricantes testando equipamentos com taxas de transmissão de dados até 200 Mbps.

 

 

CONCEITO DE PLC

Na última década, vários grupos de pesquisa conseguiram desenvolver equipamentos com tecnologia para transmitir dados sem perdas e sem que as interferências externas inviabilizassem a instalação. A chave para resolver esta questão é a capacidade de processamento necessária, o que foi resolvido com o avanço dos processadores DSP (Digital Signal Processor), que permitem construir filtros, recuperar informações e modular dados praticamente em tempo real.

 

Em cima de uma senóide da rede elétrica, insere-se um sinal com a informação a ser transmitida, modulando a senóide. Este sinal composto (energia elétrica + dados) é enviado pela rede elétrica. Na recepção,  filtros e processadores de sinais são utilizados para separar o que é energia elétrica do que é informação.

 

Figura 1 – Modulação da senóide


Figura 2 – Filtros e processadores separam a informação da energia elétrica

 

 

No entanto, interferências externas podem prejudicar a informação. Por utilizar a rede elétrica, a informação está sujeita a sofrer atenuações provenientes dos condutores elétricos e a receber diversos ruídos externos.

 

Figura 3 – Recepção de interferências externas

 

 

Os principais fatores de interferência para o sistema PLC são:

 

• Linhas de transmissão desbalanceadas: como são concebidas para transmitir energia elétrica e não dados, as linhas de transmissão não têm balanceamento e não são simétricas. Isto potencializa as características de antenas que as linhas de transmissão têm. Para transmitir dados em alta frequência, serão emitidas ondas eletromagnéticas e, com o efeito de antena, geram interferências em outros sistemas. Além disso, como em toda antena, os fios receberão interferências vindas de outros sistemas. Em resumo: sistemas com cabos aéreos geram e recebem interferências eletromagnéticas. No Japão, as redes PLC ainda não são permitidas em ambientes externos, por causa da interferência constatada em sistemas de rádio amador. A parte externa é conectada por meio de fibra ótica e levada até a parte interna, onde, finalmente, é distribuída por meio do sistema PLC.

 

• Atenuação do sinal de alta frequência: na parte encapada da rede elétrica, a utilização de plásticos cria efeitos capacitivos. Estes atenuam sinais de alta frequência, o que é um grande problema para transmissões de longa distância. Por isso, as aplicações típicas do PLC referem-se à última milha, ou seja, do transformador da rua até a casa do assinante, sempre em distâncias curtas (inferiores a 1,0 km). Para a transmissão em longas distâncias, costuma-se utilizar a conexão por meio de fibras óticas.

 

• Eletrodomésticos: quem nunca ligou o liquidificador em casa e notou que a imagem da TV recebeu uma série de chuviscos indesejados? E o secador de cabelos? Todos os eletrodomésticos que utilizam motores ou que fazem chaveamentos “sujam” a rede com interferências. O simples fato de ligar e desligar uma lâmpada também gera interferências. Isto sem falar nas lâmpadas compactas fluorescentes (lâmpadas PL ou econômicas), que usam circuitos eletrônicos para chavear a energia, sujando a rede. Estas distorcem a parte de dados que está sendo modulado na rede, aumentando a necessidade de processamento de dados para corrigir as perdas causadas. A consequência é a perda da eficiência de transmissão, o que acarretará em taxas mais baixas.

 

Figura 4 – Sinal, com a informação, sendo induzido no ferrite

 

• Grande atenuação nos circuitos elétricos: A queda de tensão existente nos circuitos elétricos para as altas frequências, decorrente do uso de condutores metálicos e suas características, provoca atenuações na tensão modulada pelo sistema PLC, degradando a relação sinal ruído. A atenuação típica é da ordem de 50 dB, como mostra a Figura 5.

 

• Elementos da rede elétrica: transformadores, emendas de cabos, relógios medidores, disjuntores, etc. Todos antigos e sem manutenção são mais elementos que contribuem como fonte de interferência para a transmissão de dados, além de bloquearem a passagem de dados em altas frequências, o que diminui a taxa de transmissão efetiva. Para superar estes desafios e conseguir as taxas de transmissões atuais, foram desenvolvidas técnicas de modulação, proteção e tratamento de erros, mostradas a seguir.

 

 

Como funciona

O primeiro passo é conseguir modular a informação sobre a energia elétrica. O método mais utilizado e que obtém resultados mais eficientes é com anéis de ferrite. Da mesma maneira que estes anéis podem ser utilizados como atenuadores de interferências externas, como no caso de monitores, eles também podem ser empregados na modulação de sinais.

 

O sinal contendo a informação é induzido no ferrite, como acontece no acoplamento magnético de um transformador. Este, por sua vez, envolve o cabo de energia, que também será induzido pelo sinal modulado.

 

Os pontos onde serão aplicados os núcleos de ferrite dependem da configuração de cada rede PLC. A rede elétrica tem sempre três níveis de tensão elétrica e, a cada um destes níveis, tem-se um tratamento diferenciado para as redes PLC:

 

Os pontos onde serão aplicados os núcleos de ferrite dependem da configuração de cada rede PLC. A rede elétrica tem sempre três níveis de tensão elétrica e, a cada um destes níveis, tem-se um tratamento diferenciado para as redes PLC:

 

Transmissão dos dados

 

• Alta tensão: em linhas de transmissão, em que valores superiores a 13 KV são comuns. A rede PLC ainda não é transmitida aqui, pois, entre outros problemas, os transformadores de alta tensão atenuam muito o sinal a ser transmitido, o que inviabiliza seu uso.

 

• Média tensão: é a tensão
que sai das subestações e é transmitida até os bairros, passa por transformadores que abaixam a tensão para o uso residencial e industrial. São tensões da ordem de 13 KV até 220 V. Neste ponto, a rede PLC insere os seus dispositivos MV (Medium Voltage), que tem conexão com a internet, com a rede telefônica (no caso de se transmitir VoIP), ou qualquer outra fonte de dados que se queria transmitir. Os dispositivos MV fazem a conexão com o provedor de acesso via fibra ótica, ou qualquer outro meio de transmissão de alta capacidade. Veja que a fibra ótica deve ligar somente as subestações aos provedores de acesso, sem a necessidade de chegar à casa do assinante, diminuindo os custos de instalação. Nada impede que outro meio de transmissão seja utilizado para conectar o MV ao provedor, como o uso de um link de rádio, cabos coaxiais, etc.

 

• Baixa tensão: é a tensão final entregue ao usuário. Pelos transformadores localizados nos postes da rua, a tensão elétrica chega aos 110 V ou 220 V e são entregues aos assinantes. Se a distância entre os dispositivos MV e o assinante excede 500 m, são instalados repetidores, a fim de diminuir a atenuação que o sinal modulado recebe. A maioria dos testes feitos no Brasil foi feito em baixa tensão.

 

Figura 5 – Representação da transmissão de dados

Recepção dos dados

• Casa/escritório do assinante: aqui a tensão já tem o seu nível de uso pelos equipamentos domésticos e o sinal de banda larga já foi modulado na rede elétrica. São instalados os modens PLC, com a capacidade de separar o sinal de baixa frequência (energia elétrica) do sinal de alta frequência (dados, vídeo, voz, etc.). O modem irá decodificar o sinal recebido e fornecer uma saída no padrão da aplicação (rede, voz, controle, etc.).

 

Padrões testados mundialmente

O desenvolvimento desta tecnologia está ocorrendo simultaneamente em diversos grupos de pesquisas.  Atualmente, países como Espanha, Alemanha, Suíça, Inglaterra e Japão já realizaram testes com redes PLC e contam com sistemas comerciais implantados, operando a todo vapor, fornecendo dados de alta velocidade pela rede elétrica.

Métodos de modulação

A fim de minimizar os efeitos das várias interferências que a rede elétrica recebe, várias técnicas de modulação foram testadas. O processamento digital dos sinais (DSP) é amplamente empregado. A técnica em que se conseguiu a maior eficiência de transmissão foi a OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). A ideia básica aqui é que uma informação modulada em uma portadora (faixa de frequência bem definida) é muito sujeita a sofrer interferências e tem a recuperação de erros prejudicada. Para minimizar estes problemas, a primeira coisa que se tentou foi espalhar a informação, usando a técnica de Spread Spectrum (espalhamento espectral), a mesma utilizada nos telefones celulares de tecnologia CDMA. Isto, porém, não mostrou eficiência suficiente para viabilizar o uso do PLC para transmissão em distâncias superiores a 500 m.

 

 


Figura 6 – Técnica OFDM de modulação


Figura 7 – Técnica CDMA de modulação

 

A solução foi não usar apenas uma portadora, mas sim dividir a informação em múltiplas portadoras, de modo que uma interferência corrompa apenas uma parte da informação. Isto também não mostrou a eficiência necessária para a transmissão de sinais em banda larga. Finalmente, fez-se o conjunto de portadoras ser distribuído ao longo de quase toda a banda de frequências disponíveis em lotes de portadoras ortogonais e criaram-se mecanismos para que as interferências fossem monitoradas. Ao se detectar uma interferência que ocupa determinada largura de banda, o lote de portadoras que está na mesma frequência é descartada e a informação é repetida nos demais lotes, fazendo a informação não ser perdida.

 


Figura 8 – Informação modulada em várias portadoras

VANTAGENS E DESVANTAGENS

 

Como toda tecnologia em desenvolvimento, o PLC apresenta suas vantagens e desvantagens. Dentre as vantagens podemos citar:

• Grande alcance e penetração, devido ao fato de aproveitar as conexões elétricas já existentes;

• Provavelmente é a alternativa com menor custo de instalação entre as existentes em banda larga;

• Uma excelente maneira para as distribuidoras de energia elétrica aumentar sua fonte de rendimentos;

• Muito fácil de instalar, ampliar e de realizar a manutenção.

 

Apresenta também algumas desvantagens, sendo que alguma delas compromete seu desempenho:

• A tecnologia ainda não está completamente padronizada, o que faz vários grupos de pesquisa desenvolva seus próprios padrões;

• É uma fonte potencial de interferência em sistemas de rádio, podendo causar problemas com bandas de frequências que já estão licenciadas para outros usos;

• É uma grande concorrente das redes DSL e CATV, o que pode gerar conflito de interesses entre grupos.

 

APLICAÇÕES

Domótica

O conceito de domótica, que é a automação das funções de uma residência resultando em casas inteligentes, está ligado ao uso de equipamentos que tenham características inteligentes, com sensores para medir as condições do ambiente e que possam interagir com uma central de comando, enviando e recebendo sinais. Para obter este nível de controle, era necessária a construção de uma rede de transporte dos dados dos sensores até a central de controle.

 

Com o PLC, esta rede não precisa ser instalada, diminuindo o custo do projeto, pois todos os equipamentos eletrônicos já são conectados à rede elétrica, o que facilita a interligação de todos os elementos.Basta então que os equipamentos da automação tenham módulos PLC embutidos, possibilitando que todos os elementos se comuniquem com uma central. Alguns fabricantes já desenvolvem estes módulos.

Segurança

Câmeras de segurança já são vendidas em versões que contém um modem PLC. Deste modo, todas as imagens são enviadas para qualquer ponto de energia no local em que a câmera está instalada, sem a necessidade de passar fios ou cabos. Na recepção, outro modem é utilizado e o sinal de vídeo é recuperado.

 

IP fone

O uso de VoIP (voz sobre IP) por meio da internet tem se popularizado com programas como o Skype ou Messenger. Já existem projetos para telefones VoIP utilizando modens PLC. Para isso, basta ligar o telefone ao modem, este à tomada elétrica e a conexão entre o modem e o provedor de acesso VoIP será feita automaticamente. Com uma tarifa bem menor que a de uma ligação normal, você terá acesso a chamadas para o mundo todo. Caso uma ligação seja feita entre dois terminais PLC, o custo é zero.

 

Figura 9 – Esquema de funcionamento da aplicação do PLC em IP fone

Música e entretenimento

Que tal criar um som ambiente a partir de um CD player em sua casa, sem a necessidade de passar toda aquela fiação necessária para a transmissão do áudio? A empresa tailandesa ST&T já fornece um sistema como este. Nele você liga à saída de áudio RCA de seu equipamento (micro system, CD player, reciever, home theater, etc.) a entrada de um transmissor PLC (veja figura 16 O sinal de áudio será modulado por toda a rede elétrica de sua residência

 

Onde existir uma tomada elétrica pode ser colocado dois tipos de receptores: um com um pequeno amplificador de potências, que modula o sinal de áudio e o fornece em uma saída em que pode ser ligado a caixas de som externas. Ou então um modem que já é uma caixa de som, com controle de volume, graves e agudos.

 


Figura 10 – Entrada de um transmissor PLC de equipamento tailandês

 

Assim, o som ambiente é obtido por um conjunto de equipamentos formado por um transmissor e quantos receptores você precisar, colocando ou não caixas externas e em quantos pontos existam tomadas elétricas.

 

Figura 11 – Esquema para uso de PLC em sistemas de som

Redes de computadores

Além da função básica de transmitir dados de banda larga, com acesso à internet desde o provedor até a residência, já existem aplicações do PLC para a montagem de redes de computador, em que os cabos de rede são substituídos pelos cabos de energia elétrica já existentes. Para que isso? Imagine a situação: em sua casa, onde você já tem acesso à internet de banda larga, os computadores ficam no escritório, na parte superior de um sobrado.

Entretanto, você deseja colocar um ponto de rede em um quarto localizado na edícula ao fundo do terreno. Todo o cabeamento deve ser passado, o que tem um custo alto e demanda mão-de-obra especializada. Isso não é mais necessário usando pares de modens PLC, que conectam o computador à rede elétrica. O sistema permite o aumento do número de pontos de rede até certo limite (típico em 16 pontos), possibilitando a montagem de uma rede de pequeno porte e pequeno alcance (da ordem de 300 m), mas com a facilidade de não precisar passar cabos e ser de fácil instalação.

 

Medição automática de consumíveis

A empresa Senergy já implantou em conjuntos da Companhia de Desenvolvimento Habitacional e Urbano (CHDU) um sistema de leitura de água que utiliza a tecnologia PLC. Em parceria com a Sabesp e com o Governo do Estado de São Paulo, este sistema permite que o consumo seja acompanhado em tempo real em uma central de monitoramento, dispensando a leitura humana e detectando variações no padrão de consumo que pode indicar a existência de vazamentos e defeitos na rede.

 

Para isso, o hidrômetro é dotado de um modem PLC e conectado à entrada da rede elétrica do apartamento. Na caixa de entrada de energia elétrica do condomínio, fica uma unidade concentradora, que faz a leitura de todos os modens conectados e envia estas informações para a central de controle, que, por sua vez, faz o monitoramento do consumo e emite as contas de água. Diversos fabricantes de medidores já estão incorporando os modens PLC em seus leitores.

 

CONCLUSÃO

A tecnologia PLC tem um futuro promissor, já é usada em algumas partes do mundo, mas ainda tem algumas barreiras a vencer. Não deve ser encarada como uma tecnologia que vem para substituir as outras já existentes no acesso à banda larga, mas sim como mais uma que pode agregar valor a essa tecnologia e, principalmente, como uma alternativa de baixo custo para a grande massa da população.

 

Mesmo que não seja utilizada para trazer a informação desde o provedor até o usuário final, já estão disponíveis equipamentos em nível comercial para criar mini redes PLC em casa ou no escritório, solucionando, de forma barata, as construções de rede.

 

Referências

http://www.xeline.com/

http://www.echelon.com

http://www.powerlinecommunications.net/

http://www.polytrax.com/

http://www.archnetco.com

http://www.upaplc.com

 


 

alessandro_cunha*ALESSANDRO F. CUNHA é engenheiro eletricista, atua na área de telecomunicações desde 1994 e é professor da rede SENAI e da Faculdade Veris IBTA.| www.techtraining.eng.br.

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