כיצד לרשת חיישנים בעלות סבירה עבור מערכות ניהול בניין

אוטומציית בניין מפחיתה את עלויות התפעול והתחזוקה של מבנה,‏ בעוד שגם מספקת סביבה נוחה ובטוחה יותר עבור ‏דיירי הבניין. שיפורים בביצועים של מערכת‏ אוטומציית בניין (BAS) מסתמכים על יותר נתונים ממספר הולך וגדל של חיישנים—וגם על מספר הולך וגדל של בקרות/מפעילים (Actuators‏)—פרושים ברחבי הבניין. הפרישה דורשת‏ אמצעי יעיל וזול של העברת הנתונים המתקבלים מצמתי החישה אל מוקד מרכזי או ענן, היכן שניתן לנתחם ולפעול על פיהם, ולהעביר את אותות הבקרה הדרושים.

פרישת חיישנים ומפעילים (Actuators‏) כנדרש, במיוחד בבניינים ישנים—והיכן שחשמל אינו זמין מן המוכן—יכולה לדרוש שיפוץ נרחב ויקר כדי להבטיח כיסוי שלם של בניין. נכון להיום, רשתות RS-485‏ מהוות פתרון רטרופיט משתלם, אך סטים עשירים יותר של נתונים וקצבי נתונים גבוהים יותר דורשים אלטרנטיבה בעלת תפוקה גבוהה יותר.

כדי להקטין למינימום עלויות תוך כדי הגדלת תפוקה, מתכננים יכולים לנצל את חיווט ה-Ethernet או ה-RS-485 זוג-שזור-יחיד ‏המותקן כיום על ידי שימוש ב-10BASE-T1L‏. בהתבסס על תקן ממשק תקשורת-נתונים תבנית-מנות IEEE 802.3cg-2019, ל-10BASE-T1L‏ יש ‏ קצב העברה של ‏10 מגה-ביט לשנייה (Mbits/s‏) למרחקים של עד 1000 מטר (m). קיימת אפשרות שממשק השני-חוטים יספק גם מתח דרך כבל הנתונים, ובכך למנוע את הצורך במקורות אספקת-כוח מקומיים או הצורך לנתב חיווט אספקת-כוח. זה גם מונע את הצורך בשערים (Gateways) רעבי-הספק על ידי היכולת להתחבר למספר בלתי מוגבל של התקנים.

מאמר זה דן בדרישות בקרת בניין וכיצד הן טופלו עד עכשיו. אחר כך הוא מציג 10BASE-T1L Ethernet‏ ופתרונות דוגמה מבית Analog Devices‏ כדי להדגים את קלות מימושו. המאמר גם מראה כיצד להשתמש בטכנולוגיה של תוכנת I/O‏ (SWIO) כדי לפשט התממשקות חיישנים עבור בקרי בנין רשת Ethernet‏, תוך כדי שמירה על תאימות קדימה ואחורה של מערכות ניהול בניין (BMSs). מתואר גם לוח הערכה מתאים כדי לסייע למתכננים בצעדים הראשונים עם SWIO.

התפקיד של BAS, או BMS

מערכות BAS או BMS מהתייחסות לאוטומציה וניהול של המערכות השונות‏ של בניין. מטרות ה-BMS משתרעות מנוחות של דייר עד יעילות של מערכת הבניין, עלויות תפעול ותחזוקה, ואבטחה. ארבע השכבות ב-BMS הן שכבות הפיקוח, שרת/יישום, בקר שדה וכניסה/יציאה.

שכבת הפיקוח היא פיזית שכבת התמסורת שני-חוטים היכן שממוקמים התקני הפיקוח. התקני הפיקוח מאחדים את כל תעבורת בקר השטח. השרת/יישום מקבל נתונים מהתקני פיקוח שונים. שכבה זו תומכת בפרוטוקולים Ethernet סטנדרטיים, כגון Modbus,‏ KNX‏, BACnet‏ ו-LON, המשמשים בדרך כלל במערכות ניהול בניין. שכבה זו מוסרת את הנתונים המאוחדים ללקוח או למשתמש הסופי דרך ממשק המשתמש. שכבת בקר השטח מסתכלת על נתוני כניסה מחיישני טמפרטורה ומתגים ומבקרת יציאות מערכת, כמו מפעילים (Actuators‏) וממסרים.

החלק האחרון בפזל ה-BMS הוא שכבת הכניסה/יציאה. שכבה זו היא היכן שהחיישנים והתקני הבקרה קיימים. חיישנים ומפעילים (Actuators‏) מסוימים תומכים ב-TCP/IP‏, דבר שמונע את הצורך בבקר.

RS-485‏: פתרון חיבוריות‏ BMS קלאסי

עד עכשיו, ממשק ה-TIA/EIA-485, הידוע בדרך כלל כ-RS-485‏, היה בשימוש נרחב מאוד על ידי מתכננים של יישומי BMS כיוון שהוא‏ רשת מקומית לא יקרה עם קישורי תקשורת מרובי-נקודות. RS-485‏‏ הוא תקן חשמלי-בלבד המגדיר את המאפיינים החשמליים של מקלטים ומנהלי-התקנים כשמממשים קו תמסורת מרובה-נקודות מאוזן.‏ הוא תומך בחילפי נתונים‏ חצי-דופלקס דו-כיווני, על חיבור זוג חוטים שזור אחד, ומאפשר חיבור רב-נקודתי (החיבור של מספר מקמ"שים לאותו הקו), שהוא אידיאלי עבור מערכות BMS.

ה-RS-485‏ גם תומך בקצבי נתונים גבוהים למדי: 35‎ Mbits/s‏ למרחקים של עד ‏10 מטר ו-100 קילו-ביט (kbits/s‏) למרחק של 1,200 מטר. כלל האצבע של ה-RS-485‏ הוא שהמהירות בביט/שנייה כפול אורך הכבל במטרים לא יעלה על 10E8. כתוצאה מכך, המהירות הגבוהה ביותר של כבל באורך‏ 50 מטר הוא ‎2 Mbits/s. עם זאת, זה נדיר להשתמש בקצב‏ גבוה כל כך ביישומי בקרת בניין RS-485‏. המהירות המקסימלית של BACnet MS/TP, פרוטוקול אוטומציית בניין נפוץ הרץ על השכבה הפיזיקלית (PHY)‏ RS-485, היא ‎115,200 bits/s.

בהשוואה לקישורי תקשורת טורית אחרים, היתרון העיקרי של קישור תקשורת RS-485 הוא הטולרנס הגבוה שלו לרעש חשמלי בסביבות תעשייתיות קשות. מאפיין דחיית רעש חשמלי של‏ ה-RS-485, ריצות כבל ארוכות, תמיכה במקמ"שים מרובים על קו יחיד ותמסורת נתונים מהירה למדי מתאימים היטב לסביבת ה-BMS.

פרוטוקול ה-10BASE-T1L Ethernet‏

עם הגידול בדרישות BMS וככל שמערכי הנתונים הופכים לעשירים יותר, קצב העברה (throughput) הופך להיות יותר ויותר חשוב. 10BASE-T1L‏ מספק‏ חלופה של קצב גבוה יותר עבור תקשורת נקודה-לנקודה דרך כבל זוג-שזור, בהינתן שהוא תומך ב-‏‎10 Mbits/s‏ לאורך 1000 מטר. 10BASE-T1L‏ גם נותן מענה לאתגרים בשדה, כגון אספקת-כוח, חיווט, מרחק ואיי נתונים, בעוד שגם מונע את הצורך בשערים (Gateways) מורכבים.

ה-"‏10" ב-10BASE-T1L‏ מתייחס לקצב התמסורת Mbit/s‏ 10‏, "BASE" מתייחס לאותות פס-בסיס, "T" מייצג "זוג-חוטים-שזור", והספרה "1" מייצגת טווח של 1 קילומטר (km). ה-"L" הוא עבור "טווח גדול", מציין את אורך הסגמנט של 1 ק"מ. 10BASE-T1L המסוגל לספק 500 מיליוואט (mW), ‏מביא את ה-Ethernet‏ לתוך Zone 0 הבטוח אינטרינזית או ליישומי אזור מסוכן. ביישומים לא בטוחים אינטרינזית, הוא יכול לספק עד 60 ואט.

הטופולוגיה של רשת 10BASE-T1L Ethernet‏ יכולה להיות Daisy Chain‏, קווית או טבעתית. כפי שהוזכר, אין שערים (Gateways): מנות ה-Ethernet‏ נעות מהקצה לרמת הבקרה, ובסופו של דבר לענן כדי לממש במלואו את המטרות של תקשורת חלקה עבור אוטומציית בניין.

באם החיישן נמצא במפעל ייצור או על השולחן, חיבוריות מפושטת זו Ethernet‏-לענן מאפשרת להגדיר תצורה של חיישן בעזרת טלפון נייד או מחשב נייד.

תצורות חומרת אוטומציה של בנין 10BASE-T1L‏

כדי לפתח צומת חישה חיבוריות 10BASE-T1L Ethernet‏, למתכננים יש שלוש אפשרויות מוכנות-לביצוע מבית Analog Devices‏. ה-ADIN1100 הוא מקמ"ש 10BASE-T1L הספק-נמוך, תעשייתי, איתן, עם שכבה פיזית (PHY)‏ Ethernet; ל-ADIN1110 יש בקרת גישה למדיה (MAC) וממשק PHY (איור 1).

איור 1‏: ה-ADIN1110‏ הוא מקמ"ש 10BASE-T1L יציאה יחידה, הספק-נמוך, עם Ethernet PHY ו-MAC משולבים. (מקור תמונה: Analog Devices)

האפשרות השלישית היא ה-ADIN2111,‏ מתג שתי יציאות מורכבות-נמוכה, הספק-נמוך, עם שתי שכבות 10BASE-T1L PHY משולבות ויציאה אחת של ממשק היקפי טורי (SPI) (איור 2‏). שימוש ב-SPI מקל על הדרישות מהמעבד המארח, נותן למשתמש אפשרויות נוספות למטב התקן מבחינת הספק, עלות וביצועים.

איור 2‏: ה-ADIN2111‏ הוא מתג שתי יציאות מורכבות-נמוכה, הספק-נמוך, עם שכבות PHY משולבות. (מקור תמונה: Analog Devices)

התקני ה-ADIN1100 ו-ADIN2111 10BASE-T1L ניתנים לפרישה בטופולוגיית רשת Daisy Chain‏ (איור 3), קווית או טבעתית. בהשוואה לרשת כוכב, טופולוגיות רשת אלו מפחיתות משמעותית את כמות הכבלים הדרושה.

איור 3: מוצגת טופולוגיית Daisy Chain‏ עבור רשת‏ 10BASE-T1L המשתמשת בבקר ה-ADIN1100 ובמתג שתי-יציאות ADIN2111.‏ ניתן להשתמש גם בטופולוגיות קוויות או טבעתיות. (מקור תמונה: Analog Devices)

כדי להתחיל עם 10BASE-T1L‏, מתכננים יכולים להשתמש בלוח הערכה EVAL-ADIN1100 עבור ה-ADIN1100. הלוח מספק גישה קלה לכל מאפייני ADIN1100 וניתן להגדיר את תצורתו באמצעות ממשק משתמש גרפי (GUI) על PC או באמצעות פעולה של הגדרת תצורה בחומרה עצמאית. הוא כולל שני מחברי סיומת בורג נתקעים עבור כבל 10BASE-T1L‏ וספק-כוח חיצוני, כבל Cat 5e Ethernet‏ עם מחבר RJ45 וכבל‏ USB-A‏ ל-Micro-USB-B‏. מסופק גם שטח קטן לבניית אב-טיפוס.

ממשקי חיישן גמישים תומכים ב-10BASE-T1L‏

בקצה רשת ה-BMS נמצא תמהיל‏ מורכב של חיישני טמפרטורה, לחץ, עומס, לחות ומד מאמץ הדורשים מגוון מעגלים אנלוגיים כדי ללכוד ולהפעיל ארועי BMS.

כדי לשכן מגוון זה של ממשקים, מתכננים יכולים להשתמש ב-AD74412R של‏ Analog Devices,‏ IC ממשק ארבעה-ערוצי I/O ניתנים-לתכנות תוכנה (SWIO) עבור יישומי בקרת תהליכים ו-BMS. ה-SWIO מספק רמות ייחודיות של גמישות עבור הגישה אל כל פונקציית I/O על כל פין, דבר המאפשר למתכננים להגדיר ערוצים בכל רגע. התכנות יכול להתרחש on-the-fly דרך ערוצי ה-Ethernet‏ ‏2-חוטים הפרושים בכל הבניין. התוצאה מכך היא פחות דרישות של משאבי תכנון, ומוצרים אוניברסליים שניתנים לפרוש במהירות ובהרחבה ברחבי בניין ממוחשב.

ה-AD74412R כולל כניסה אנלוגית, יציאה אנלוגית, כניסה דיגיטלית ואת היכולת לבצע מדידות של גלאי טמפרטורה של התנגדות (RTD) עם SPI תואם. הוא מוצג באיור 4‏ עם ממיר האנלוגי-לדיגיטלי (ADC) ‏‎16-bit Σ-Δ שלו, קבוצת פונקציות דיאגנוסטיקה, וארבעת ממירי הדיגיטלי-לאנלוגי (DACs)‏ 13‎-bit שלו הניתנים להגדרת תצורה והמספקים ארבעה ערוצי I/O ניתנים-להגדרה.

איור 4: ה-SWIO ארבעה ערוצים AD74412R כולל ארבעה ממירי DAC‏ ‎13-bit ניתנים-להגדרת תצורה המהווים ארבעה ערוצי I/O ניתנים להגדרה. כמו כן כלולים ממיר Σ-Δ ADC, ‏Bit‏-16‏, וקבוצה של פונקציות דיאגנוסטיקה. (מקור תמונה: Analog Devices)

אופני העבודה ביחס ל-AD74412R הם יציאת זרם, יציאת מתח, כניסת מתח, כניסת זרם מאספקה חיצונית, כניסת זרם מאספקת חוג, מדידת נתוני RTD חיצוניים, לוגיקה כניסה דיגיטלית וכניסה דיגיטלית מוזנת חוג. ל-AD74412R יש גם מתח ייחוס דיוק-גבוה פנימי של 2.5 וולט עבור ממירי ה-DAC וה-ADC.

תכנון תוך שימוש בלוח ההערכה AD7441R

מספר היישומים האנלוגיים של ה-AD74412R SWIO הוא עצום. כדי לעזור למתכננים בצעדים הראשונים, ל-Analog Devices‏ יש לוח הערכה, ה-EV-AD74412RSDZ (איור 5‏). לוח הערכה זה מאפשר חקר הנדסי עם אפשרויות הגדרת-תצורה מחדש על הלוח ואפשרות תכנות מבוסס-PC.

איור 5: ה-EV-AD74412RSDZ הוא לוח הערכה אפיון-מלא עבור ה-AD74412R. (מקור תמונה: Analog Devices)

תוכנת ההערכה של ה-AD74412R מתקשרת עם ה-EV-AD74412RSDZ באמצעות פלטפורמה הדגמת מערכת (SDP)‏ EVAL-SDP-CS1Z הלוקחת אותות כניסה ויציאה מהלוח. עם ממשק תפריט נשלף שלה, היא מפשטת את הגדרת התצורה של ה-AD74412R ומספקת כלי דיאגנוסטיקה.

מסקנה

10BASE-T1L‏ מספק עבור מערכות BAS של הדור-הבא תפוקה של Mbit/s‏ 10‏ למרחקים של עד 1000 מטר, תוך תמיכה בהתקנות ישנות של זוג-חוטים-שזור. כמתואר, על ידי שימוש במקמ"ש‏ ADIN1100 10BASE-T1L‏, מתג Ethernet שתי-יציאות ADIN2111 ופתרון I/O‏ (SWIO) ארבעה-ערוצים ניתנים-לתכנות תוכנה‏ AD74412R עבור בקרת תהליכים ויישומי BMS, מתכננים יכולים לממש במהירות רשת חיישנים 10BASE-T1L שהיא תואמת אחורה וקדימה.