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低功耗RS485在水氣熱表之應用優勢2014/08/07

 

水資源、天然氣或地熱與人們的生活息息相關都是地球寶貴資產,由於人們過度使用這些資源,近年來各國政府開始重視這些資源維護、管理與營運,加上科技日新月異,智慧型計量表因此應運而生。
傳統機械式計量表只能記錄一段時間所消耗的累積總量,但對於實際的消耗狀況卻無從得知。而藉由智慧型計量表即可記錄當下的使用量、使用效率、與高峰使用時段等數據,統一收集到資訊集中器,再即時回傳給監控單位,使其能進行負載預測、管控調配、與洩漏監控,使能源公司可以更有效的管理能源,不會造成無端的能源損失。
智慧型計量表皆有內建數據傳輸功能,可將計量表採集資料利用數位編碼即時傳送到集中器,再回傳給監控單位。一般傳輸概分有線與無線兩種,無線傳輸具有免佈線成本的優點,然而無線傳輸易受電磁波與地形地物干擾,而影響傳輸穩定性,因此有線傳輸是必要選項。有線傳輸顧及佈線方便性多採用串列傳輸,而集中器到各計量表屬於點對多點(Point to Multi-Point)傳輸網路,目前以RS485與M-Bus這兩種通信方式為主。
 
RS485通信接口
美國電子工業協會 (EIA) 於1983年制定並發佈RS485標準,並經通訊工業協會 (TIA) 修訂後命名為TIA/EIA-485-A,習慣地稱之為RS485標準。RS485標準採用兩線平衡式發送、差分式接收的接線方式,具有抑制共模干擾的能力,加上匯流排收發器具有高靈敏度,能檢測低至200mV的電壓,故可以長距離傳輸信號,依照標準在同一匯流排上可以掛載32個結點,最大傳輸距離約為1200米,最大傳輸速率為10Mbps。由於RS485通信接口具有低成本、可靠度高及抗干擾能力強等諸多優點,廣泛地應用於工業控制之數據傳輸系統,亦成為目前智能電網中智慧型電表的基本通信接口。
 
M-Bus通信接口
M-Bus是Paderborn 大學的Dr. Horst Ziegler與德儀(TI)公司的Deutschland GmbH 和 Techem GmbH共同提出的,於1997年歐盟針對水、氣、熱計量推出標準EN1434-1997時將其納入其中,成為歐洲新的一種專門用於公共事業計量表的匯流排結構標準,稱Meter-Bus,簡稱M-Bus。M-Bus採用主從式(Master-Slave)通信方式,主機(通常是集中器)可對從機(通常是計量表)的數據進行採集,然後再傳遞至監控單位。M-Bus通信接口亦是兩線接線方式,依照標準若採用0.8mm2雙絞線在同一匯流排上可以掛載250個結點,最大傳輸距離約為350米。與RS485通信接口最大差異是計量表可透過兩條傳輸線進行遠程供電。
傳統RS485芯片與M-Bus芯片比較
由於M-Bus是針對水、氣、熱計量所推出的標準,將RS485應用於水、氣、熱計量可能造成的缺失做了改善。條列如下:
1.       有鑑於裝置水、氣、熱計量表附近不易取的供電電源,M-Bus主機利用信號線提供電源給匯流排上所有從機。因此比RS485節省2條電源線之佈線與成本。
2.       由於匯流排中各從機的電源由主機提供,其主、從端參考電位相同,因此不會有RS485芯片要克服共模電壓的問題。
3.       M-Bus匯流排的兩信號線沒有極性差別,方便於佈線施工。
4.       M-Bus可採用拓樸網路任一方式,然而對於水、氣、熱計量表之佈線以串接方式最節省佈線成本。
5.       傳統RS485匯流排節可掛載32個結點,M-Bus擴展其結點數,可以掛載至250個結點。
 
雖然M-Bus克服了傳統RS485存在的缺點,但也因此付出了一些代價。條列如下:
1.       由於M-Bus下行與上行採用不同傳輸方式,因此主、從機芯片架構亦不相同,故芯片無法共用,而RS485芯片則無此問題。
2.       M-Bus從機芯片之電源來自匯流排的信號線,故需要電路將信號線做整流濾波,與電壓調整電路 (Voltage Regulator),將電源電壓轉換成內部電路需要之電壓,這些額外電路都造成芯片的成本增加許多。
3.       M-Bus主機芯片須提供電源給各從機計量表,當匯流排上的從機掛載多個時,主機芯片傳送端電路須有很強的電流驅動能力,才能維持各從機電源的穩定。而計量表的電流消耗主要包含有感應器、微處理器與通信接口等,因此水、氣、熱計量表設計思維皆要以低功耗為優先。
4.       不論工業或馬達控制、數位或大樓監控都以RS485做數據傳輸,廣泛應用於各領域,尤其智能電網中智慧型電表更以RS485作為基本通信接口,對於各種情況下之佈線技術成熟,而M-Bus是針對水、氣、熱計量推出的標準,網路佈建僅限於初步階段。
5.       政府對於能量的維護、管理與營運,除了水、氣、熱計量外還有電的計量,目前智能電網採用RS485當作基本通信接口,若水、氣、熱計量之智能網路也採用RS485當做通信接口,有助於各網路資訊集中採集與監控,實現未來四網合一。
 
傳統RS485芯片與M-Bus芯片之規格比較,歸納如表一所示。對於傳統RS485芯片以現有規格應用於水、氣、熱計量之智能網路,不論在匯流排之從機結點數量、RS485芯片靜態電流消耗量、或因信號線之極性影響佈線施工方便性考量方面,都有極大的改善空間。
 
新一代與低功耗RS485芯片
晶焱科技公司一直致力於RS485芯片優質化,在2010年推出新一代RS485芯片:
*改善了傳統RS485芯片靜態電流消耗太大的缺點,減少到只有0.36mA的靜態電流消耗。
同時、設計上採用1/8 Unit-Load輸入阻抗,可使匯流排之從機結點數量大幅增加至256個以上。
將置於系統PCB上的TVS整合到芯片中,可對抗系統級靜電放電 (IEC 61000-4-2, Contact Discharge ±15 kV),不需再外掛額外的保護元件。
故適合智慧型電表應用。
有鑑於水、氣、熱計量之計量表要以低功耗為優先考量,又通信接口芯片占了計量表1/3的功率消耗,晶焱公司於2013更推出低功耗RS485芯片:
將靜態電流大幅降低至0.06mA。
並將無極性功能內建於芯片中,只要芯片一上電就即時完成極性的偵測、判斷,然後進行極性的校正,施工上不需注意匯流排上信號線之極性,大大提升佈線的方便性。
因此新的低功耗RS485芯片,更適合智慧型計量表的應用。
 
結論
現代化的智能網路建立,可幫助各國政府能夠有效的對能源做維護、管理與營運避免不必要的能源浪費,以減緩全球溫室效應。目前各國積極佈建智能電網,而電網中智慧型電表已採用RS485作為基本通信接口;故可藉由新一代與低功耗RS485芯片產生,將水、氣、熱計量的採集、監控與智能電網完全整合在一起,共享網路硬體設備,以實現四網合一的未來趨勢,如圖一所示。
 

                                                                                                圖一 水、氣、熱、電 四網合一

 

                                                                                             表一 RS485芯片與M-Bus芯片比較列表

 

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