فناوری PLC: انتقال اطلاعات از طریق خطوط برق

[1]» سوق داده شود. این مفهوم در تلاش است تا با ورود فناوری‌های جدید، تا حد ممکن تجهیزات مکانیکی را از هواپیما حذف کند. اخیرا نیز ایرباس و بوئینگ طرح‌هایی مفهومی از هواپیماهایی با موتور هیبرید ارائه کرده‌اند که می‌توانند تا 70 درصد نیاز به حمل سوخت در هواپیما را کاهش دهند. در سال‌های گذشته نیز فناوری‌هایی مانند شبکه‌سازی سیستم‌ها و اویونیک ماژولار یکپارچه توانسته‌اند با کاهش حجم سیستم‌ها و سیم‌کشی، وزن نهایی هواپیما را کاهش دهند.

همانطور که واضح است با ظهور هواپیماهای الکتریکی و پیشرفت در ارائه سیستم‌های کاملا الکتریکی برخی مشکلات مانند ادغام تعداد زیادی کابل، اتصالات و تجهیزات بارگذاری و همچنین روش‌های تعمیر و نگهداری به وجود خواهد آمد. از طرفی تقاضای روزافزون از سوی مسافران هواپیما برای راحتی بیشتر و توابع سرگرمی داخل کابین، انتظار از تجهیزات و بسیاری از اجزای مرتبط را افزایش می‌دهد. از آنجا که هواپیماها و سیستم‌های اویونیکی رایج امروزی دارای شبکه‌های داده و خطوط تغذیه جداگانه هستند، در نتیجه حجم کابل‌کشی برق و داده به طور قابل توجهی افزایش پیدا می‌کند. به عبارتی هر دستگاه جدید در داخل کابین نیاز به کابل‌کشی را بالا می‌برد و به همین ترتیب وزن هواپیما نیز افزایش پیدا می‌کند. از این‌رو مهندسان شرکت‌های مختلف در تلاش هستند تا راه‌حلی برای مقابله با این چالش ارائه کنند. بنابراین می‌توان گفت هدف ارائه فناوری جدیدی است که موجب کاهش وزن، افزایش قابلیت اطمینان، کاهش تعداد سیم‌‌ها و ساده‌سازی معماری و فرایند تعمیر و نگهداری سیستم‌ها شود. یکی از شرکت‌های فعال در این زمینه Diehl Aviation است که هدف آن ارائه روشی است که نیازی به نصب کابل جدید نباشد و از نظر هزینه و وزن مقرون به صرفه باشد. راهکار آن‌ها برای این مشکل استفاده از فناوری انتقال اطلاعات ازطریق خطوط برق (PLC^[2]) است.

سیر افزایشی نیاز به توان الکتریکی در هواپیماها

فناوری PLC

فناوری انتقال اطلاعات از طریق خطوط برق، یکی از فناوری‌های رو به رشد در بسیاری از کشورهای پیشرفته جهان است. بسیاری از کشورهای در حال توسعه نیز برای استفاده و به کارگیری این فناوری در سطح شبکه برق مطالعاتی انجام داده‌اند و برخی از آن‌ها به پیاده‌سازی این فناوری پرداخته‌اند. فناوری انتقال اطلاعات از طریق خط برق یا اصطلاحاً PLC به کلیه ارتباطات داده که از طریق خطوط انتقال برق صورت می‌گیرد، گفته می‌شود. یکی از مهمترین ویژگی‌های استفاده از سیستمPLC، عدم نیاز به ایجاد شبکه جدید برای تبادل اطلاعات و استفاده از شبکه الکتریکی موجود است. این فناوری به خاطر برخورداری از مزایایی همچون عدم اتلاف هزینه و زمان برای ساخت کانال مخابراتی جدید، می‌تواند انتخابی مناسب در بازار سرویس‌های با پهنای باند وسیع باشد. از طرفی با توجه به اینکه بخش بزرگی از یک شبکه الکتریکی را قسمت فشار ضعیف تشکیل می‌دهد، این فناوری یکی از بهترین روش‌ها از لحاظ پوشش جغرافیایی است.

امروزه خطوط انتقال برق در سراسر مناطق شهری و محیط‌های صنعتی دیده می‌شود و استفاده از این زیر ساخت برای انتقال اطلاعات یک ایده جذاب است. البته چالش‌هایی نیز در پیش روی این فناوری وجود دارد که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به پهنای باند کم در خطوط ولتاژ بالا و نویز‌پذیری بیشتر کابل‌ها اشاره کرد.

استفاده از PLC در صنعت اویونیک

فناوری انتقال اطلاعات از طریق خطوط برق کاربردهای زیادی دارد که از جمله آن می‌توان به کاربردهای هوایی و فضایی اشاره کرد. همانطور که گفتیم کاهش وزن یکی از عوامل اصلی در طراحی هواپیما است و طراحان از تمام روش‌هایی که مغایر با امنیت هواپیما نباشد، برای رسیدن به این هدف استفاده می‌کنند. با توجه به تعداد بالای سیستم‌های اویونیک در سراسر هواپیما، حذف برخی از سیم‌کشی‌ها می‌تواند وزن هواپیما را به طور محسوسی کاهش دهد.

با وجود مزایایی که برای PLC عنوان شد، باید اشاره کرد که شبکه توزیع برق برای تحویل داده با سرعت بالا طراحی نشده است. سیم‌کشی‌ها در این شبکه محافظت نشده، بسیار نامتقارن و اغلب تفکیک شده (منشعب) هستند. فناوری PLC در گذشته نزدیک نمی‌توانست انتظار همان کانال ارتباطی موجود در شبکه داده اختصاصی مانند اترنت یا CAN را داشته باشد. بنابراین کانال بستگی به توپولوژی و شرایط بارگذاری دارد که از مکانی به مکان دیگر حتی داخل یک شبکه واحد تغییر می‌کند. تجهیزات کاربردی که برای سوارکردن و پیاده‌سازی داده روی خط به شبکه توزیع برق اضافه می‌شوند، نویز‌گذرای قابل توجهی ایجاد می‌کنند که می‌تواند برای ایمنی هواپیما بسیار خطرناک باشد. از این‌رو در سال‌های گذشته شرکت‌ها و موسسات مختلفی به دنبال بهره‌‌گیری از راهکارهای جدید برای حل این چالش‌ها بوده‌اند. در ادامه به برخی از این پروژه‌ها اشاره خواهیم کرد.

رویکردی برای استفاده از فناوری PLC در هواپیما (تجهیزات اضافی مانند مودم، فیلتر و کوپلرها می‌تواند در داخل سخت‌افزار سیستم‌ها قرار گیرد.)

پروژه TAUPE

هر چند هنوز این فناوری در دنیای هوانوردی به طور عملی وارد نشده است، اما تحقیقات و بررسی راهکارهای مواجهه با چالش‌های آن از سال‌ها پیش آغاز شده است. اتحادیه اروپا از سال 2008 پروژه‌ای با عنوان TAUPE^[3] به منظور بررسی استفاده از یک مسیر برای انتقال تغذیه و داده در سیستم‌های الکترونیکی هواپیما آغاز کرد. نتایج نهایی این پروژه که با همکاری برخی از دانشگاه‌های اروپایی و شرکت‌های مطرحی همچون ایرباس و تالس انجام شد، در سال 2012 منتشر گردید. اتحادیه اروپا قصد داشت از نتایج این پروژه 6 میلیون یورویی در طرح‌های ساخت هواپیمای تمام الکتریکی و اویونیک ماژولار یکپارچه استفاده کند. ایرباس نیز پیش‌بینی کرده است که استفاده از این فناوری بتواند حدود 360 کیلوگرم وزن و 36 کیلومتر طول کابل‌های موجود در هواپیمای A380 را کاهش دهد.

محققان در پروژه TAUPE برای رسیدن به اهداف تعریف شده تا سطح آمادگی فناوری 4 (TRL^[4]-4)، علاوه بر PLC فناوری انتقال توان روی خط داده (^[5]PoD) را نیز مد نظر قرار داده‌اند. هر دو فناوری برای انتقال داده و توان از یک کابل استفاده می‌کنند. محققان برای هر کدام از این فناوری‌ها باید نیازمندی‌ها و طراحی بهینه معماری را استخراج می‌کردند. البته هر کدام از این فعالیت‌ها باید هم برای هواپیماهای فعلی و هم برای هواپیماهای نسل آینده انجام می‌شد. به همین منظور یک فعالیت گسترده مبتنی بر مدل‌سازی سیستم‌ها صورت گرفت و نتیجه آن ساخت یک ابزار شبیه‌سازی برای پیش‌بینی قابلیت‌ها و عملکرد هر یک از فناوری‌های مذکور بود. بر همین اساس دو مدل آموزشی برای تست فناوری‌ها توسعه یافت. مدل اول سیستم ارتباطات و نور کابین مسافران (CLS/CCS^[6]) بود که برای بررسی روش PLC ایجاد شد و مدل دوم نیز یک سیستم نمایش کابین خلبان (CDS^[7]) برای روش PoD بود.

تصویر الف: معماری فعلی؛ خطوط جداگانه برای داده و تغذیه – تصویر ب: معماری PLC؛ ارسال داده روی خط تغذیه – تصویر ج: معماری PoD؛ انتقال تغذیه روی خط داده

در مرحله بعد پروژه صحت‌سنجی نتایج شبیه‌سازی مطابق با معیارهای استاندارد هوایی انجام شد و هر دو سیستم سطوح ایمنی و عملکرد مورد انتظار را برآورده کردند. نتیجه نهایی نشان‌دهنده کاهش مقدار زیادی از کابل‌کشی‌های مورد نیاز در این سیستم‌ها بود که منجر به کاهش وزن و حجم نهایی سیستم می‌شود. اما می‌توان گفت یکی از مهم‌ترین تغییرات ایجاد شده، ساده‌سازی بسیار زیاد ارتباطات سیستم‌ها و انجام راحت‌تر عملیات تعمیر و نگهداری است.

مثالی از معماری تعریف شده در پروژه TAUPE

در آغاز انجام پروژه یکی از مهم‌ترین نگرانی‌های طراحان، مواجهه با تاثیرات الکترومغناطیسی سیستم‌ها و اتصالات بر یکدیگر بود. بیشترین احتمال بروز اختلالات در پهنای باند 2-30MHz پیش‌بینی می‌شد. در پایان پروژه نتایج آزمایش‌ها نشان داد تاثیرات الکترومغناطیسی در مجموعه سیستم‌ها با استانداردهای فعلی هوانوردی همچون RTCA DO-160 سازگاری دارد.

فناوری PLC شرکت Diehl

شرکت Diehl با کمک فناوری PLC که پیش از این توضیح داده شد، یک معماری برای تامین برق همه دستگاه‌های متصل به شبکه و انتقال داده‌های بین آن‌ها از طریق تنها یک خط ارتباطی ارائه کرده است. طرح این شرکت در حال حاضر تنها شامل سیستم‌های ارتباطی و نمایش داخل کابین مسافران است.

شرکت Diehl در توضیح این فناوری خود آورده است: «صحت این فناوری به وضوح با استاندارد RTCA-DO-160 آزمایش شده و هر سیستم از فیلترهایی برخوردار است که اجازه ایجاد تداخلات الکترومغناطیسی را نمی‌دهد. با استفاده از این فناوری علاوه بر کاهش پیچیدگی و بهینه‌سازی فضای مورد نیاز، استانداردهای مدیریت و کاهش مصرف نیز تنظیم می‌شود. این روش نه تنها موفق به کاهش کابل‌کشی تا یک‌سوم شده است، بلکه هزینه‌های عملیاتی اضافی نیز حفظ می‌شود.»

راه‌حل ارائه شده توسط شرکت Diehl فوایدی را برای اپراتور، مسافران هواپیما و سازندگان تجهیزات اصلی (OEM) فراهم می‌کند. از فواید مربوط به اپراتور می‌توان به حداکثرکردن عملکرد توابع سرگرمی کابین، کاهش هزینه‌های عملیاتی مانند سوخت، نصب و نگهداری، انعطاف‌پذیری بیشتر در طراحی و تغییرات کابین، عملیات سبز که منجر به کاهش انتشار آلاینده‌های زیستی می‌شود، اشاره کرد. همچنین فواید مربوط به مسافران شامل راحتی بیشتر در هنگام پرواز و توابع (عملکرد) اضافه در داخل کابین است. علاوه بر این می‌تواند برای OEM‌ها وزن و حجم کمتر، پیچیدگی کمتر در معماری، کاهش عملیات و هزینه نصب و راه‌اندازی، مصرف سوخت کمتر و در نتیجه انتشار کمتر CO2 و NOx را به ارمغان بیاورد.

از ویژگی‌های فناوری PLC ارائه شده توسط شرکتDiehl می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ارسال داده روی خطوط برق توسط توابع انتقال با قابلیت اطمینان بالا
• توابع فیلتر برای جلوگیری از تاثیرات الکترومغناطیسی
• کاهش شبکه‌های داده موجود در کابین (تا 30 درصد)
• پشتیبانی از هرگونه ارتباط داده دیجیتال (مانند اترنت، CAN، ARINC 429)
• پشتیبانی از ارتباطات قطعی، جداگانه و قابل تنظیم (تا 100 مگابیت بر ثانیه و بیشتر امکان‌پذیر است.)
• ابزار پیکربندی کاربر پسند
• سازگاری با نیازمندی‌های محیطی هواپیما (RTCA DO-160)

فناوری PLUS

یکی دیگر از مراکز تحقیقاتی در این زمینه دانشگاه علوم و فنون کاربردی لوسرن آلمان است که با استفاده از روش PLC داده را روی شبکه توزیع‌شده برق هواپیما منتقل می‌کنند. در روش ارائه شده توسط این گروه، اجزای PLC در یک دستگاه کاربردی ادغام می‌شوند و از این‌رو تنها یک اتصال‌کننده برق و داده ارائه می‌شود. در نتیجه به طور قابل توجهی سیم‌کشی هواپیما، وزن و حجم کاهش پیدا می‌کند. روش پیشنهادی این مرکز با عنوان گذرگاه داده اویونیک PLUS^[8] ارائه شده‌ است.

در نمونه‌های قبل که اشاره شد، از فناوری PLC در برنامه‌هایی با سطح ایمنی پایین (معمولا سیستم‌های سرگرمی و راحتی مسافران) استفاده‌ شده بود. اما گذرگاه داده اویونیک PLUS به طور خاص سیستم‌های بلادرنگ و ایمنی- بحرانی را هدف قرار می‌دهد. پروژه PLUS بر اساس قواعد زیر طراحی شده است:

• یک استاندارد مورد تایید از صنایع دیگر برای لایه فیزیکی (IEEE 1901)
• یک استاندارد اویونیکی مورد تایید برای گذرگاه (ARINC 629)
• بهینه‌سازی‌های سفارشی و لایه‌های پروتکل اضافی

ویژگی‌های کلیدی فناوری PLUS عبارتند از:

• انتقال قوی با نرخ داده فیزیکی تا چند ده مگابیت بر ثانیه
• داوری گذرگاه بر اساس یک پروتکل قطعی
• معماری نقطه به نقطه
• زمان راه‌اندازی و بازیابی کم
• مالتی پلکس (تسهیم) کردن سرویس‌های چندگانه داده روی یک گذرگاه واحد
• تحویل بهینه فریم‌های کوچک با تاخیر کمتر
• افزایش یکپارچگی با طرح‌های پیشرفته تشخیص خطا
• روش‌های انتقال سیگنال طراحی شده برای کاهش انتشار و بهبود سازگاری الکترومغناطیسی بر اساس الزامات RTCA DO-160
• فرکانس‌های عملیاتی قابل تنظیم

معماری PLUS

پروتکل PLUS در سطح بالای هر شبکه توزیع برق بدون نیاز به تغییر در سیم‌کشی موجود عمل می‌کند. سیگنال‌های داده به طور مستقل از سیگنال برق، در سطح بالا مدوله می‌شوند. به منظور صرفه‌جویی در وزن، بخش‌هایی از راه‌حل PLUS ممکن است مستقیما در دستگاه‌های کاربردی ادغام شوند. این بخش‌ها عبارتند از:

اجزای اضافی در دستگاه‌های اویونیک برای راه‌اندازی پروتکل PLUS

• کنترل‌کننده PLUS: یک سیستم روی تراشه (SoC) است که پردازش سیگنال دیجیتال و عملکرد پروتکل PLUS را ارائه می‌کند.
• Analog Front End (AFE): وظیفه انجام عملیات فرستنده و گیرنده شامل تبدیل سیگنال دیجیتال/آنالوگ و تقویت سیگنال را بر عهده دارد.
• ماژول اتصال: ماژول اتصال شامل اجزای آنالوگ غیرفعال است که سیگنال PLC با فرکانس بالا را به خط برق متصل می‌کند. این بخش همچنین AFE را از سیگنال برق با فرکانس پایین محافظت می‌کند.

در جدول زیر برخی از مشخصات پروتکل و پلتفرم PLUS آورده شده است.

جدول مشخصات پروتکل PLUS

[1]More Electric Aircraft

[2]PowerLine Communications

[3]Transmissions in Aircraft on Unique Path wirEs

[4]Technology Readiness Level

[5]Power over Data

[6]Cabin Lighting and Communication system

[7]Cockpit Display System

[8] Power Line Data BUS