לחולל מהפכה באוטומציה של בניינים עם 10BASE-T1L‏

תחום האוטומציה של בניינים נמצא בשיפור עצום בשנים האחרונות, מה שמאפשר לבנייני מגורים ומסחר להיות מנוהלים ביעילות רבה יותר.

כיום קיים צורך נרחב במערכות יעילות ובנות קיימה כדי להפוך בניינים לסביבות בריאות יותר עבור דיירים תוך צמצום צריכת חשמל והגדלת קצב העברת נתונים ויכולות בקרה בזמן אמת.

אתגרי האוטומציה של בניינים

מתכננים ואינטגרטורים של מערכות מתמודדים עם מספר אתגרים המוצבים על ידי אוטומציה של בניינים, כולל:

• התיישנות מהירה של טכנולוגיה: מערכות קיימות עלולות להפוך למיושנות בשל‏ שיפורים מהירים בטכנולוגיה, וכתוצאה מכך ירידה בפונקציונליות, תמיכה ואינטגרציה עם טכנולוגיות חדשות.
• דרישות נצילות וקיימות : יעילות-אנרגטית, שיפורים בגילוי תקלות/דיאגנוסטיקה, ניטור איכות סביבתית פנים (IEQ‏), וניהול משאב מים הם כולם נחוצים עבור בעלי ומפעילי בניינים.
• ניתוח נתונים ואופטימיזציה: נטיות מודרניות בניתוח נתונים ואופטימיזציה חייבו הכללת איסוף נתונים, ניתוח ויכולות ‏פרשנות במערכות אוטומציה של בניינים. זה סולל את הדרך לאופטימיזציה מונעת-נתונים של‏ ביצועי בניינים, גילוי חוסר-יעילות, ויישום פעולות מתקנות.
• תפעוליות-בינית (Interoperability): קשה להבטיח תאימות ואינטגרציה בין מערכות המוצעות על ידי ספקים שונים. נוסף לכך, נצילות של מערכת יכולה להיפגע על ידי חוסר תאימות, פרוטוקולים קנייניים וחוסר סטנדרטיזציה.

כמתואר באיור 1‏, טיפול בנושאים אלה ידרוש בניינים חכמים המסוגלים‏:

• לאפשר הגדרת תצורה וניהול מרכזיים ברמת הארגון באמצעות חיבור לענן
• להסיר את התלות בשערי תרגום (translation gateways) ברמת הבקר
• להזיז את הבינה לקצה‏, לאפשר לחיישנים ומפעילים (Actuators‏) להחליף כמות גדולה של‏ נתונים

איור 1‏: הקניית קישוריות עם תפעוליות-בינית (Interoperability) מקצה-לענן לבניינים. (מקור: ADI)

החשיבות של תקשורת נתונים גדלה בתחומי האוטומציה התעשייתית ושל בניינים. העלייה הנוכחית בנפחי הנתונים הובילה למסקנה שפתרונות מסורתיים מתקרבים אל הסף הפיזיולוגי שלהם. כתוצאה מכך, Ethernet מסתמן כסטנדרט התקשורת הרווח. פתרון ה-Ethernet הקונבנציונלי של 4-חוטים השתנה לפתרון 2‏-חוטים המכונה 10BASE-T1L, הכולל זוג יחיד של חוטים שזורים.

כיצד תקן ה-10BASE-T1L‏ מניע את השינוי

ההצגה של מפרט ה-IEEE 802.3cg 10BASE-T1L בשנת 2019 פתרה מספר בעיות תקשורת ניהול תעשייתי ובניינים על ידי אפשור תקשורת Mbps‏ 10‏ דופלקס-מלא עד 1,000 מ' דרך זוג יחיד של חוטים שזורים.

תקן ה-10BASE-T1L‏ מתגבר על מספר מגבלות של‏ מערכות תקשורת מסורתיות, כולל מגבלות המתייחסות לחיווט, רוחב-פס, מרחק והספק בתחום‏ האוטומציה של בניינים. כאן ‏הפירוט‏ כיצד תקן ה-10BASE-T1L‏ עונה על מגבלות אלו:

• חיווט: תקן ה-10BASE-T1L‏ מאפשר חיבוריות Ethernet‏ חלקה עבור התקנים ברמת-שטח כגון חיישנים ומפעילים (Actuators‏) על ידי אספקת פתרון שכבה פיזית המסוגל להעביר אותות Ethernet‏ ואספקת-כוח דרך זוג שזור יחיד של כבלים. זה מונע את הצורך בתשתית חיווט יקרה ומורכבת, ובכך מקל על הפריסה וההתקנה של רשת Ethernet‏ עבור אוטומציה של בניינים. מלבד זה, מנות (Packets‏) Ethernet‏ יכולות לעבור ישירות מהקצה אל הענן,‏ להסיר את הצורך בתרגום שער (gateway translation).
• רוחב-פס: תקן ה-10BASE-T1L‏ תומך בקצבי העברת נתונים של עד Mbps‏ 10‏, שמספיק עבור מגוון יישומי אוטומציה של בניינים.‏ רוחב-פס זה הוא גבוה יותר מאפיקי שטח קונבנציונליים (היכן‏ שמוגבל‏ לכמה kbps‏) ומאפשר את ההעברה של ערכים מחיישנים או ישירות אל מפעילים (Actuators‏), כמו גם פרמטרים נוספים של התקן, כמו תצורה ונתוני פרמטריזציה.
• מרחק: היכולת של תקן 10BASE-T1L‏ לתמוך בחיבורי Ethernet‏ למרחקים גדולים היא אחד היתרונות העיקריים. הוא מאפשר חיבורים באורך של עד קילומטר אחד, שהוא ארוך משמעותית מהתקן המסורתי של Ethernet. זה עושה אותו מתאים עבור יישומים בהם התקנים מפוזרים על פני שטחים גדולים, כמו מפעלים תעשייתיים ומפעלי הרכבת מכוניות.

יתר על כן, תקן ה-10BASE-T1L‏ מיועד לשימוש במסגרות עם משאבי חשמל מוגבלים הודות לדרישות צריכת הספק הנמוכות שלו. זה‏ בעל חשיבות עליונה בהתקנים ברמת שטח, היכן שחיי סוללה וצריכת הספק הם קריטיים.

במקרים מסוימים,‏ דרוש לספק דרך 10BASE-T1L‏ נתונים כמו גם הספק (עד W‏ 60‏ באזורים שאינם בטוחים במהותם) כמוגדר בתקן. 10BASE-T1L‏ תומך בשני מצבי אמפליטודה: V‏ 2.4‏ עבור אורכי כבלים עד 1,000 מ', ו- ‎1.0 V עבור‏ אורכים קצרים יותר של עד 0‏20‏ מ'. באמצעות מצב האמפליטודה של V‏ 1.0‏ שיא-לשיא, ניתן להשתמש בטכנולוגיה זו גם בסביבות מוגנות-פיצוץ (אזורים מסוכנים) והיא עומדת בדרישות הקפדניות החלות של צריכת זרם מקסימלית (הספק מקסימלי‏ מוגבל ל-mW‏ 500‏).

מקרה שימוש לעיון

מקרה שימוש אופייני של תקן ה-10BASE-T1L מוצג באיור 2. יישום בניין חכם זה מנצל את התכונות של 10BASE-T1L כדי לאסוף ולצבור נתונים ברמות שונות, מצומת הקצה (חיישנים ומפעילים (Actuators‏)) עד רמת הארגון/IT בענן.

בקרי חדר יכולים להיות בעלי חיבור ישיר (נקודה-לנקודה) להתקני השטח או להתחבר לסדרת‏ התקנים המחוברים‏ ב-Daisy Chain‏. יתר על כן, כל בקר חדר יכול להיות מוגדר כך שיקבל חיבורים מהתקנים מדור קודם.

לכל בניין יש את בקר המפעל שלו, שמחובר לבקרי חדר רבים דרך קישורי 10BASE-T1L‏ כמו גם לבקרי מפעל של בניינים אחרים דרך Ethernet תעשייתי ‎100 Mb/Gb.

עבור חיבור טווח-קטן אל חיישנים ומפעילים (Actuators‏) (עד 25 מטר), כמו במקרה של בקר תא המעלית בצד ימין של איור 2, תקן ה-10BASE-T1S‏ מתאים יותר.

איור 2: מקרה שימוש של בניין חכם. (מקור: ADI)

מקמ"ש 10BASE-T1L‏

חברת Analog Devices‏ פיתחה את ה-ADIN1110, שהוא מקמ"ש (Transceiver)‏ 10BASE-T1L יציאה אחת, הספק אולטרה-נמוך, המתאים עבור יישומים מבוססי Ethernet‏ באוטומציה תעשייתית ושל בניינים. הוא תואם לתקן Ethernet‏ IEEE 802.3cg-2019 לטווח גדול, Ethernet זוג-יחיד (SPE)‏ ‎10 Mbps, ותוכנן עבור שימוש ביישומים אלה.

כמתואר באיור 3‏, הרכיב כולל ממשק בקרת גישה למדיה‏ (Media Access Control‏ (MAC)). זה מאפשר ליצור מגע ישיר עם מספר בקרי מארח תוך שימוש בממשק היקפי טורי (SPI) המשתמש בארבעה חוטים. ה-SPI מאפשר שימוש במעבדים עם צריכת הספק מופחתת כי‏ אין צורך ב-‏MAC משולב, והתוצאה מכך היא צריכת ההספק הכולל הנמוכה ביותר עבור המערכת. שני הפרוטוקולים, הן פרוטוקול ה-Open Alliance SPI והן פרוטוקול SPI גנרי זמינים כאופציות לשימוש עם ה-SPI כשמגדירים את תצורתו.

ה-ADIN1110 כולל מעגלי ניטור אספקת מתח ואיפוס בהפעלה (POR) כדי לשפר חוסן ברמת-מערכת. יש לו גם‏ צריכת הספק נמוכה (אופיינית‏ 4‎ mW) ותומך ברמות‏ שידור 1‎ VPP ו-‎2.4 VPP, כמו גם ב-Auto-negotiation‏ ו-‎16 כתובות MAC עבור סינון מסגרות (frame filtering).

איור 3: דיאגרמת מלבנים של מקמ"ש ה-ADIN1110 MAC PHY. (מקור: ADI)

הטווח הגדול יותר של ה-10BASE-T1L‏ מאפשר להתקין התקני אוטומציה בבניינים גדולים יותר תוך כדי שמירה על חיבוריות חלקה. הודות לגמישות ולמדרגיות זו, מנהלי מתקנים יכולים לנטר ולשנות הגדרות ללא מאמץ עבור יישומים כמו תאורה, בקרת אקלים/HVAC, ביטחון וניהול אנרגיה.

נוסף לכך, קצב העברת הנתונים המוגדל של ה-10BASE-T1L‏ מאפשר ניטור ובקרה בזמן-אמת של מערכות בניין, מה שמוביל ליעילות תפעולית גדולה יותר. זמן התגובה, השיהוי והאמינות של‏ תקשורת התקן אוטומציה משופרים כולם על ידי טכנולוגיה זו.

מתג 10BASE-T1L Ethernet

בדומה לתקן ה-Ethernet‏, 10BASE-T1L‏ מספק מתגים עבור חיבור מקטעי רשת והתקנים. ניתן לבנות טופולוגיות רשת שונות ולהשתמש בהן לאספקת-כוח להתקנים מחוברים. באוטומציה של בניינים, מתגים מחוברים בדרך כלל לבקרים, חיישנים ומפעילים (Actuators‏). עבור זמינות גדולה יותר, מתגים מאפשרים יתירות מדיה בצורה של‏ טופולוגיות טבעתיות.

למטרה זו, Analog Devices‏ פיתחה את ה-ADIN2111,‏ מתג 10BASE-T1L Ethernet‏ שתי-יציאות שלם המתוכנן עבור רשתות אוטומציה של בניינים (איור 4‏). על ידי הוספת חיבוריות Ethernet‏ טווח-גדול לבקרים, חיישנים ומפעילים (Actuators‏), ההתקן מתאים לשימוש בתוך התקני קצה קטנים, מוגבלי הספק. ה-ADIN2111 מספק חיסכון של עד 50 אחוז בצריכת הספק ועד 75 אחוז יותר מקום ב-PCB מיישומים בדידים.

איור 4: דיאגרמת מלבנים של ה-ADIN2111. (מקור: ADI)

ה-ADIN2111‏ מתוכנן עבור רשתות קוויות כמו גם daisy-chain טבעתיות, תוך שימוש בתשתית חיווט הזוג השזור היחיד הקיים בבניינים, ובכך להפחית עלויות השבחה. איור 5‏ מראה כיצד ניתן לחבר מספר התקנים כדי לממש טופולוגיות טבעתיות (צד עליון) כמו גם קוויות (צד תחתון). שים לב שחיישן הקצה האחרון מחובר‏ למקמ"ש עם PHY ו-MAC, בעוד השניים האחרים מחוברים למתג.

איור 5‏: ה-ADIN2111 10BASE-T1L‏ תומך בטופולוגיות מרובות עבור גמישות תכנון מקסימלית ומדרגיות (Scalability). (מקור: ADI)

מצויד בטבלת בדיקת מידע (lookup table) בעל‏ 16 כתובות MAC, מתג ה-10BASE-T1L תומך בפעולת cut-through and store and forward, מאפשר למשתמשים לתעדף שיהוי או טיפול בשגיאות בזמן עיבוד וקידום מנות נתונים. סינון מנות (Packets‏) מתקדם משחרר את המעבד מנטל הטיפול בתעבורה מועדפת.

המתג משלב יכולות דיאגנוסטיקה מתוחכמות המפחיתות זמן התקנה, הטמעה והפסקות עבודה של המערכת. כלולים בין השאר‏ מחוון איכות קישור עם שגיאה ריבועית ממוצעת (MSE), דיאגנוסטיקת קישור ואופני בדיקה IEEE‏, וגילוי פגם בכבל על ידי שימוש ברפלקטומטריה של תחום הזמן (TDR). פתרון דיאגנוסטיקה זה‏ מורכב ממנוע TDR ‏מדויק ביותר על-השבב וסט של‏ אלגוריתמים הרצים על‏ מיקרו-בקר מארח, דבר המאפשר גמישות מקסימלית למגוון רחב של‏ כבלים ויכולות דיאגנוסטיקת כבל מתקדמות.

פתרון זה, התואם עם תקן ה-IEEE 802.3cg‏, תומך בחיבוריות Ethernet‏ לאורך חיווט של 1.7 ק"מ, יתירות טבעתית, ופרוטוקולים רכים כולל Modbus/TCP‏, ‎BACnet/IP ו-KNX זמן-אמת‏. כמו כן יש לציין שה-ADIN2111 יכול לשמש כמשחזר בתצורה לא מנוהלת כדי להגדיל את הטווח עד 2000 מטר ומעבר לו.

סיכום

ההשקה של 10BASE-T1L‏ יצרה הזדמנויות חדשות עבור אוטומציה של בניינים, חוללה מהפכה באופן הניהול והבקרה של שטחי מסחר ומגורים. זהו פתרון אידיאלי ליישום פתרונות אוטומציה הודות ליכולתו למנף תשתיות קיימות, לספק גמישות ולשפר העברת נתונים.