ปฏิวัติระบบอัตโนมัติในอาคารด้วย 10BASE-T1L

งานระบบอัตโนมัติในอาคารมีการพัฒนาอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ซึ่งทำให้อาคารพาณิชย์และที่อยู่อาศัยได้รับการจัดการอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ปัจจุบัน มีความต้องการระบบที่มีประสิทธิภาพและยั่งยืนอย่างกว้างขวางเพื่อทำให้อาคารมีสภาพแวดล้อมที่ดียิ่งขึ้นสำหรับผู้ใช้งาน ในขณะเดียวกันก็ลดการใช้พลังงานและเพิ่มความสามารถในการรับส่งข้อมูลสูงและการควบคุมข้อมูลแบบเรียลไทม์

ความท้าทายของระบบอัตโนมัติในอาคาร

นักออกแบบและผู้วางระบบเผชิญกับความท้าทายหลายประการที่เกิดจากระบบอัตโนมัติในอาคาร ได้แก่:

• การล้าสมัยอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยี: ระบบที่มีอยู่อาจล้าสมัยเนื่องจากการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยี ส่งผลให้ฟังก์ชันการทำงาน การรองรับ และการบูรณาการกับเทคโนโลยีใหม่ลดลง
• ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพและความยั่งยืน: ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน การปรับปรุงการตรวจจับ/วินิจฉัยข้อผิดพลาด การตรวจสอบคุณภาพสิ่งแวดล้อมภายในอาคาร (IEQ) และการจัดการทรัพยากรน้ำ ล้วนจำเป็นสำหรับเจ้าของอาคารและผู้ปฏิบัติงาน
• การวิเคราะห์ข้อมูลและการเพิ่มประสิทธิภาพ: แนวโน้มสมัยใหม่ในการวิเคราะห์ข้อมูลและการเพิ่มประสิทธิภาพทำให้จำเป็นต้องรวมความสามารถในการรวบรวมข้อมูล การวิเคราะห์ และการตีความเข้ากับระบบอัตโนมัติในอาคาร สิ่งนี้คือการปูทางไปสู่การเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของอาคารโดยอาศัยข้อมูล การตรวจจับความไร้ประสิทธิภาพ และการดำเนินการแก้ไข
• การทำงานร่วมกัน: เป็นการยากที่จะรับรองความเข้ากันได้และการบูรณาการระหว่างระบบที่นำเสนอโดยผู้จำหน่ายที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของระบบอาจถูกขัดขวางเนื่องจากความไม่เข้ากัน โปรโตคอลที่เป็นกรรมสิทธิ์ และการขาดมาตรฐาน

ดังแสดงในรูปที่ 1 การแก้ไขปัญหาเหล่านี้จะต้องใช้อาคารอัจฉริยะที่สามารถ:

• เปิดใช้งานการกำหนดค่าและการจัดการแบบรวมศูนย์ในระดับองค์กรผ่านการเชื่อมต่อระบบคลาวด์
• การลบการพึ่งพาออกจากเกตเวย์การแปลในระดับคอนโทรลเลอร์
• ย้ายระบบอัจฉริยะไปที่ Edge ช่วยให้เซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลปริมาณมากได้

รูปที่ 1: ทำให้อาคารมีการเชื่อมต่อ Edge-to-Cloud ที่ทำงานร่วมกันได้ (แหล่งที่มา:ADI)

ความสำคัญของการสื่อสารข้อมูลกำลังเพิ่มขึ้นในโดเมนระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและอาคาร ปริมาณข้อมูลที่เพิ่มขึ้นในปัจจุบันนำไปสู่การตระหนักว่าโซลูชันแบบเดิมกำลังเข้าใกล้ขอบเขตจำกัดด้านสรีระ ด้วยเหตุนี้ อีเธอร์เน็ตจึงกลายเป็นมาตรฐานการสื่อสารที่แพร่หลาย โซลูชันอีเธอร์เน็ตแบบ 4 สายแบบเดิมได้เปลี่ยนเป็นโซลูชันแบบ 2 สายที่เรียกว่า 10BASE-T1L ซึ่งประกอบด้วยสายบิดเกลียวคู่เดียว

มาตรฐาน 10BASE-T1L ขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงอย่างไร

การเปิดตัวข้อกำหนด IEEE 802.3cg 10BASE-T1L ในปี 2019 ได้แก้ไขปัญหาการสื่อสารด้านการจัดการในอุตสาหกรรมและการจัดการอาคารหลายประการ โดยเปิดใช้งานการสื่อสารฟูลดูเพล็กซ์ 10 Mbps สูงถึง 1,000 เมตรผ่านสายคู่บิดเกลียวเพียงคู่เดียว

มาตรฐาน 10BASE-T1L เอาชนะข้อจำกัดหลายประการของระบบการสื่อสารแบบเดิม รวมถึงข้อจำกัดที่เกี่ยวข้องกับสายเคเบิล แบนด์วิธ ระยะทาง และพลังงานในด้านระบบอัตโนมัติในอาคาร ต่อไปนี้เป็นรายละเอียดว่ามาตรฐาน 10BASE-T1L จัดการกับข้อจำกัดเหล่านี้อย่างไร:

• การวางสายเคเบิล: มาตรฐาน 10BASE-T1L ช่วยให้สามารถเชื่อมต่ออีเธอร์เน็ตได้อย่างราบรื่นสำหรับอุปกรณ์ระดับสนาม เช่น เซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ โดยมอบโซลูชันฟิสิคัลเลเยอร์ที่สามารถส่งสัญญาณอีเธอร์เน็ตและจ่ายไฟผ่านสายเคเบิลคู่บิดเกลียวเส้นเดียว ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการใช้โครงสร้างพื้นฐานการเดินสายที่ซับซ้อนและมีค่าใช้จ่ายสูง จึงช่วยอำนวยความสะดวกในการปรับใช้และการติดตั้งระบบอัตโนมัติในการสร้างเครือข่ายอีเธอร์เน็ต นอกเหนือจากนั้น แพ็กเก็ตอีเธอร์เน็ตยังสามารถส่งจาก Edge ไปยังคลาวด์ได้โดยตรง ทำให้ไม่จำเป็นต้องแปลเกตเวย์
• แบนด์วิธ: มาตรฐาน 10BASE-T1L รองรับอัตราการถ่ายโอนข้อมูลสูงสุด 10 Mbps ซึ่งเพียงพอสำหรับการใช้งานระบบอัตโนมัติในอาคารที่หลากหลาย แบนด์วิธนี้สูงกว่าฟิลด์บัสทั่วไป (ซึ่งจำกัดไว้ที่ไม่กี่ kbps) และช่วยให้สามารถส่งค่าจากเซ็นเซอร์หรือไปยังแอคชูเอเตอร์โดยตรง รวมถึงพารามิเตอร์อุปกรณ์เพิ่มเติม เช่น ข้อมูลการกำหนดค่าและการกำหนดพารามิเตอร์
• ระยะทาง: ความสามารถของมาตรฐาน 10BASE-T1L เพื่อรองรับการเชื่อมต่ออีเธอร์เน็ตระยะไกลถือเป็นหนึ่งในข้อได้เปรียบหลัก อนุญาตให้เชื่อมต่อได้ยาวสูงสุด 1 กิโลเมตร ซึ่งยาวกว่ามาตรฐานอีเธอร์เน็ตแบบเดิมมาก ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีการกระจายอุปกรณ์ในพื้นที่ขนาดใหญ่ เช่น โรงงานอุตสาหกรรมและโรงงานประกอบรถยนต์

นอกจากนี้ มาตรฐาน 10BASE-T1L ยังมีไว้สำหรับใช้ในการตั้งค่าที่มีทรัพยากรพลังงานจำกัดเนื่องจากความต้องการพลังงานต่ำ สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในอุปกรณ์ระดับภาคสนาม ซึ่งอายุการใช้งานแบตเตอรี่และการใช้พลังงานเป็นสิ่งสำคัญ

ในบางกรณี จำเป็นต้องจัดเตรียมทั้งข้อมูลและพลังงานผ่าน 10BASE-T1L (สูงถึง 60 W ในพื้นที่ที่ไม่ปลอดภัยภายใน) ตามที่กำหนดไว้ในมาตรฐาน 10BASE-T1L รองรับโหมดแอมพลิจูดสองโหมด: 2.4 V สำหรับความยาวสายเคเบิลสูงสุด 1,000 m และ 1.0 V สำหรับความยาวสั้นกว่าสูงสุด 200 m ด้วยโหมดแอมพลิจูดจากจุดสูงสุดถึงจุดสูงสุด 1.0 V เทคโนโลยีนี้ยังสามารถใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีการป้องกันการระเบิด (พื้นที่อันตราย) และตรงตามข้อกำหนดการใช้กระแสไฟฟ้าสูงสุดที่เข้มงวดที่ใช้ (พลังงานสูงสุดจำกัดอยู่ที่ 500 mW)

กรณีการใช้งานอ้างอิง

กรณีการใช้งานทั่วไปของมาตรฐาน 10BASE-T1L แสดงในรูปที่ 2 แอปพลิเคชันอาคารอัจฉริยะนี้ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของ 10BASE-T1L เพื่อรวบรวมและรวบรวมข้อมูลในระดับต่างๆ ตั้งแต่โหนดปลายทาง (เซ็นเซอร์และตัวกระตุ้น) ไปจนถึงระดับองค์กร/IT บนคลาวด์

ตัวควบคุมห้องสามารถมีการเชื่อมต่อโดยตรง (แบบจุดต่อจุด) กับอุปกรณ์ภาคสนามหรือเชื่อมต่อกับชุดอุปกรณ์ที่เชื่อมโยงกันแบบเดซี่เชน นอกจากนี้ ตัวควบคุมห้องแต่ละตัวสามารถกำหนดค่าให้ยอมรับการเชื่อมต่อจากอุปกรณ์รุ่นเก่าได้

แต่ละอาคารมีตัวควบคุมโรงงาน ซึ่งเชื่อมต่อกับตัวควบคุมห้องจำนวนมากผ่านลิงก์ 10BASE-T1L เช่นเดียวกับตัวควบคุมโรงงานของอาคารอื่นๆ ผ่านทางอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรม 100 Mb/Gb

สำหรับการเชื่อมต่อระยะสั้นกับเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ (สูงสุด 25 เมตร) เช่นในกรณีของตัวควบคุมห้องโดยสารของลิฟต์ทางด้านขวาของรูปที่ 2 มาตรฐาน 10BASE-T1S จะมีความเหมาะสมมากกว่า

รูปที่ 2: กรณีการใช้งานอาคารอัจฉริยะ (ที่มา: ADI)

ตัวรับส่งสัญญาณ 10BASE-T1L

Analog Devices ได้พัฒนา ADIN1110 ซึ่งเป็นตัวรับส่งสัญญาณ 10BASE-T1L พอร์ตเดียวที่ใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษ เหมาะสำหรับการใช้งานบนอีเธอร์เน็ตในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและอาคาร เป็นไปตามมาตรฐานอีเธอร์เน็ต IEEE 802.3cg-2019 สำหรับการเข้าถึงระยะไกล 10 Mbps single pair Ethernet (SPE) และได้รับการออกแบบเพื่อใช้ในการใช้งานเหล่านั้น

ดังแสดงในรูปที่ 3 ส่วนประกอบจะรวมอินเตอร์เฟสการควบคุมการเข้าถึงสื่อ (MAC) ไว้ด้วย ทำให้สามารถสร้างการติดต่อโดยตรงกับโฮสต์คอนโทรลเลอร์หลายตัวได้โดยใช้อินเตอร์เฟสแบบอนุกรม (SPI) ที่ใช้สายไฟสี่เส้น SPI นี้อนุญาตให้ใช้โปรเซสเซอร์โดยใช้พลังงานลดลง เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้ MAC ในตัว ส่งผลให้ระบบใช้พลังงานโดยรวมต่ำที่สุด ทั้งโปรโตคอล Open Alliance SPI และโปรโตคอล SPI ทั่วไปมีให้เลือกใช้งานเป็นตัวเลือกสำหรับใช้กับ SPI เมื่อกำหนดค่า

ADIN1110 รวมการตรวจสอบการจ่ายแรงดันไฟฟ้าและวงจรรีเซ็ตการเปิดเครื่อง (POR) เพื่อเพิ่มความทนทานระดับระบบ นอกจากนี้ยังมีการใช้พลังงานต่ำ (โดยทั่วไปคือ 42 mW) และรองรับระดับการส่ง 1 VPP และ 2.4 VPP รวมถึงการต่อรองอัตโนมัติและที่อยู่ MAC 16 รายการสำหรับการกรองเฟรม

รูปที่ 3: บล็อกไดอะแกรมของตัวรับส่งสัญญาณ ADIN1110 MAC PHY (ที่มา: ADI)

ช่วงที่กว้างกว่าของ 10BASE-T1L ทำให้สามารถติดตั้งอุปกรณ์อัตโนมัติในอาคารขนาดใหญ่ได้ในขณะที่ยังคงการเชื่อมต่อที่ราบรื่น ด้วยความยืดหยุ่นและความสามารถในการปรับขนาดนี้ ผู้จัดการสิ่งอำนวยความสะดวกจึงสามารถตรวจสอบและแก้ไขการตั้งค่าสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น ระบบแสงสว่าง การควบคุมสภาพอากาศ/HVAC การรักษาความปลอดภัย และการจัดการพลังงานได้อย่างง่ายดาย

นอกจากนี้ อัตราการส่งข้อมูลที่เพิ่มขึ้นของ 10BASE-T1L ช่วยให้สามารถตรวจสอบและควบคุมระบบอาคารแบบเรียลไทม์ ส่งผลให้ประสิทธิภาพการดำเนินงานดีขึ้น เวลาตอบสนอง เวลาแฝง และความน่าเชื่อถือของการสื่อสารของอุปกรณ์อัตโนมัติได้รับการปรับปรุงด้วยเทคโนโลยีนี้

สวิตช์อีเธอร์เน็ต 10BASE-T1L

เช่นเดียวกับมาตรฐานอีเธอร์เน็ต 10BASE-T1L มีสวิตช์สำหรับเชื่อมต่อส่วนเครือข่ายและอุปกรณ์ต่างๆ โทโพโลยีเครือข่ายที่แตกต่างกันอาจถูกสร้างขึ้นและใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ ในระบบอัตโนมัติในอาคาร สวิตช์มักจะเชื่อมต่อกับตัวควบคุม เซ็นเซอร์ และแอคทูเอเตอร์ เพื่อความพร้อมใช้งานที่มากขึ้น สวิตช์จะเปิดใช้งานสื่อสำรองในรูปแบบของโทโพโลยีแบบวงแหวน

ด้วยเหตุนี้ Analog Devices จึงได้พัฒนา ADIN2111 ซึ่งเป็นสวิตช์สองพอร์ตอีเทอร์เน็ต 10BASE-T1L ที่สมบูรณ์ซึ่งออกแบบมาสำหรับเครือข่ายระบบอัตโนมัติในอาคาร (รูปที่ 4) การเพิ่มการเชื่อมต่ออีเธอร์เน็ตระยะไกลให้กับตัวควบคุม เซ็นเซอร์ และแอคชูเอเตอร์ ทำให้อุปกรณ์นี้เหมาะสำหรับใช้ภายในอุปกรณ์ Edge ขนาดเล็กที่มีข้อจำกัดด้านพลังงาน ADIN2111 ช่วยประหยัดพลังงานได้ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ และพื้นที่ PCB มากกว่าถึง 75 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับการใช้งานแบบแยกส่วน

รูปที่ 4: บล็อกไดอะแกรมของ ADIN2111 (ที่มา: ADI)

ADIN2111 ได้รับการออกแบบมาสำหรับเครือข่ายเดซี่เชนทั้งแบบอินไลน์และแบบวงแหวน โดยใช้โครงสร้างพื้นฐานสายเคเบิลคู่บิดเดี่ยวที่มีอยู่ภายในอาคาร ซึ่งช่วยลดต้นทุนในการติดตั้งเพิ่มเติม รูปที่ 5 แสดงจำนวนอุปกรณ์ที่สามารถเชื่อมต่อเพื่อใช้โทโพโลยีแบบวงแหวน (ด้านบน) และอินไลน์ (ด้านล่าง) โปรดทราบว่าเซ็นเซอร์ขอบตัวสุดท้ายเชื่อมต่อกับตัวรับส่งสัญญาณด้วย PHY และ MAC ในขณะที่อีกสองตัวเชื่อมต่อกับสวิตช์

รูปที่ 5: ADIN2111 10BASE-T1L รองรับโทโพโลยีหลายรายการเพื่อความยืดหยุ่นและความสามารถในการปรับขนาดการออกแบบสูงสุด (ที่มา: ADI)

สวิตช์ 10BASE-T1L มาพร้อมกับตารางค้นหา MAC 16 ที่อยู่ รองรับการตัดและจัดเก็บและส่งต่อ ทำให้ผู้ใช้สามารถจัดลำดับความสำคัญในการจัดการเวลาแฝงหรือข้อผิดพลาดเมื่อประมวลผลและส่งต่อแพ็กเก็ตข้อมูล การกรองแพ็คเก็ตขั้นสูงช่วยลดภาระในการจัดการการรับส่งข้อมูลที่มีลำดับความสำคัญจากโปรเซสเซอร์

สวิตช์ประกอบด้วยความสามารถในการวินิจฉัยที่ซับซ้อน ซึ่งช่วยลดการติดตั้ง การทดสอบการใช้งาน และการหยุดทำงานของระบบ สิ่งที่รวมอยู่ในสิ่งเหล่านี้ ได้แก่ ตัวบ่งชี้คุณภาพการเชื่อมต่อที่มีข้อผิดพลาดเฉลี่ยกำลังสอง (MSE) การวินิจฉัยลิงก์และโหมดการทดสอบ IEEE และการตรวจจับข้อบกพร่องของสายเคเบิลโดยใช้โดเมนเวลาสะท้อนกลับ (TDR) โซลูชันการวินิจฉัยนี้ประกอบด้วยกลไก TDR บนชิปที่มีความแม่นยำสูง และชุดอัลกอริธึมที่ทำงานบนไมโครคอนโทรลเลอร์โฮสต์ ช่วยให้มีความยืดหยุ่นสูงสุดสำหรับสายเคเบิลที่หลากหลายและความสามารถในการวินิจฉัยสายเคเบิลขั้นสูงยิ่งขึ้น

เป็นไปตามมาตรฐาน IEEE 802.3cg โซลูชันนี้รองรับการเชื่อมต่ออีเธอร์เน็ตผ่านสายเคเบิลยาว 1.7 km ความซ้ำซ้อนของวงแหวน และซอฟต์โปรโตคอล รวมถึง Modbus/TCP, BACnet/IP และ KNX แบบเรียลไทม์ ควรสังเกตว่า ADIN2111 สามารถใช้เป็นรีพีตเตอร์ในการกำหนดค่าที่ไม่มีการจัดการเพื่อขยายขอบเขตได้ไกลกว่า 2,000 เมตร

สรุป

การเปิดตัว 10BASE-T1L ได้สร้างโอกาสใหม่ๆ ให้กับระบบอัตโนมัติในอาคาร โดยปฏิวัติวิธีการจัดการและควบคุมพื้นที่เชิงพาณิชย์และที่พักอาศัย เป็นโซลูชันที่ดีเยี่ยมสำหรับการนำโซลูชันระบบอัตโนมัติไปใช้เนื่องจากมีความสามารถในการใช้ประโยชน์จากโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่ ให้ความยืดหยุ่น และปรับปรุงการส่งข้อมูล