ระบบอาคารอัตโนมัติสมัยใหม่ (Building Automation) ใช้เครือข่าย Fieldbus และ Ethernet เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์ ตัวควบคุม และแพลตฟอร์มระบบบริหารจัดการอาคาร (BMS) นอกจากนี้ อาคารยังสามารถใช้ระบบใยแก้วนำแสง (Fibre Optic) ระบบไร้สาย และสายเคเบิลเฉพาะสำหรับระบบความปลอดภัยได้อีกด้วย อย่างไรก็ตาม Fieldbus และ Ethernet ถือเป็นสื่อกลางในการสื่อสารที่สำคัญ 2 ประเภท ซึ่งมีข้อกำหนดด้านสายเคเบิลที่แตกต่างกัน เทคโนโลยีแต่ละประเภทมีคุณลักษณะทางไฟฟ้า ประสิทธิภาพของเครือข่าย และสภาพแวดล้อมในการติดตั้งที่แตกต่างกัน ดังนั้น ขั้นตอนแรกคือการตรวจสอบว่าแต่ละระบบต้องใช้โปรโตคอลและอินเทอร์เฟซทางกายภาพ (Physical Interface) แบบใด จากนั้นจึงเลือกสายเคเบิลให้เหมาะสมกับการใช้งาน
คู่มือนี้อธิบายวิธีเลือกสายเคเบิ้ล Fieldbus และ Ethernet จาก LAPP ให้เหมาะสมกับระบบต่าง ๆ ภายในอาคาร โดยต่อยอดจากบทความของเราเกี่ยวกับ การเดินสายเคเบิ้ลสำหรับระบบ BMS และ DCIM ในศูนย์ข้อมูล, การเลือกสายเคเบิ้ล PROFINET และ สาย Industrial Ethernet Patch Cords พร้อมขยายเนื้อหาในประเด็นที่บทความเหล่านั้นยังไม่ได้กล่าวถึงอย่างครอบคลุม นั่นคือระบบสายเคเบิลสำหรับอาคารเชิงพาณิชย์และอาคารสถาบันโดยรวม
สายเคเบิ้ล Fieldbus ประเภทใดเหมาะกับระบบใดภายในอาคาร?
การเลือกสายเคเบิ้ลต้องพิจารณาจากลักษณะการใช้งานและระบบบัสที่ใช้ เนื่องจากระบบบัสแต่ละประเภทมีข้อกำหนดทางไฟฟ้าที่แตกต่างกัน จึงไม่ควรสันนิษฐานว่าสายเคเบิลที่ออกแบบมาสำหรับโปรโตคอลหนึ่งจะสามารถใช้กับโปรโตคอลอื่นได้อย่างเหมาะสม สิ่งแรกที่ต้องตรวจสอบคือ ระบบแสงสว่าง ระบบปรับอากาศและระบายอากาศ (HVAC) ระบบควบคุมการเข้าออก (Access Control) และระบบมิเตอร์วัดค่าต่าง ๆ ภายในอาคาร ใช้โปรโตคอลใดบ้าง ในทางปฏิบัติ โครงการในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้มักมีการใช้งานมากกว่าหนึ่งโปรโตคอลร่วมกัน เนื่องจากอุปกรณ์ของแต่ละระบบมาจากผู้ผลิตและผู้รับเหมาที่แตกต่างกัน
ระบบแสงสว่าง ม่านบังแดด และระบบควบคุมภายในห้อง เป็นการใช้งานที่มักพบระบบ KNX โดยระบบเหล่านี้จะกระจายสัญญาณควบคุมขนาดเล็กไปทั่วทั้งชั้นของอาคาร ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้สายเคเบิลที่ออกแบบมาสำหรับระบบบัสประเภทนี้โดยเฉพาะ UNITRONIC® BUS EIB เป็นสายเคเบิลบัส KNX/EIB สำหรับระบบบริหารจัดการอาคาร โดย LAPP ระบุว่าสามารถใช้กับระบบควบคุมแบบกระจายศูนย์ (Decentralised Control) สำหรับระบบแสงสว่าง ระบบทำความร้อน ระบบปรับอากาศ ระบบระบายอากาศ การจัดการพลังงาน ม่านบังแดด ระบบบริหารจัดการเวลา และระบบล็อกประตู ผลิตภัณฑ์ในตระกูลเดียวกันยังมีรุ่นที่ปราศจากฮาโลเจน (Halogen-free) ซึ่งมีความสำคัญในกรณีที่ข้อกำหนดของโครงการระบุให้จำกัดการใช้สารฮาโลเจนภายในพื้นที่ที่มีผู้ใช้งานอาคาร
ระบบมิเตอร์วัดค่าต่าง ๆ ตัวควบคุมระบบ HVAC และอุปกรณ์อนุกรม (Serial Devices) ประเภทอื่น ๆ มักใช้โปรโตคอล Modbus RTU ผ่านระบบ RS-485 สำหรับระบบที่ใช้ RS-485 และ RS-422 นั้น LAPP มีผลิตภัณฑ์ UNITRONIC® BUS LD ซึ่งเป็นสายเคเบิ้ลสำหรับการติดตั้งแบบอยู่กับที่ (Fixed Installation) พร้อมชีลด์ถักจากทองแดงชุบดีบุก (Tinned Copper Braid Screen) โดย LAPP ระบุให้ Modbus เป็นหนึ่งในตัวอย่างการใช้งาน ส่วน BACnet MS/TP ก็ใช้การสื่อสารผ่าน RS-485 เช่นกัน อย่างไรก็ตาม สายเคเบิ้ลที่เหมาะสมกับชั้นกายภาพของระบบ RS-485 (RS-485 Physical Layer) ไม่ได้หมายความว่าจะเหมาะสมกับการติดตั้งระบบ BACnet MS/TP ทุกประเภทโดยอัตโนมัติ เนื่องจากยังต้องพิจารณาค่าอิมพีแดนซ์จำเพาะ (Characteristic Impedance) ค่าความจุไฟฟ้า (Capacitance) ความยาวสายเคเบิ้ล โทโพโลยีของเครือข่าย (Network Topology) และข้อกำหนดของอุปกรณ์แต่ละรุ่น ดังนั้น ควรตรวจสอบข้อมูลเหล่านี้ร่วมกับผู้ผลิตอุปกรณ์และรายละเอียดของโครงการก่อนกำหนดสเปกสายเคเบิ้ล
ระบบเครื่องจักรเฉพาะทางและอุปกรณ์สำเร็จรูปบางประเภทอาจมีระบบบัสเฉพาะของตนเอง โดย PROFIBUS DP ไม่ใช่โปรโตคอลมาตรฐานที่ใช้ทั่วไปในระบบงานอาคาร แต่สามารถพบได้ในเครื่องจักรอุตสาหกรรมหรืออุปกรณ์สำเร็จรูปบางประเภท ในกรณีนี้ UNITRONIC® BUS PB Yv เป็นสายเคเบิลที่เหมาะสม โดย LAPP ระบุว่าออกแบบมาสำหรับระบบ PROFIBUS DP ส่วนอุปกรณ์ที่ใช้ระบบ CAN จำเป็นต้องใช้สายเคเบิลอีกประเภทหนึ่ง โดย UNITRONIC® BUS CAN เป็นผลิตภัณฑ์ที่ LAPP ระบุว่าเหมาะสำหรับเครือข่าย CAN และ CAN FD
บทความ BMS ก่อนหน้านี้ของเรา ได้กล่าวถึงข้อกำหนดที่แตกต่างกันของโปรโตคอล Modbus ผ่าน RS-485, BACnet, PROFINET และ Ethernet ทั่วไป โดยแต่ละโปรโตคอลมีข้อกำหนดเฉพาะเกี่ยวกับจำนวนคู่สาย (Pair Count) การชีลด์ป้องกันสัญญาณรบกวน (Screen) และค่าอิมพีแดนซ์ (Impedance) ที่แตกต่างกัน ด้วยเหตุนี้ จึงควรกำหนดโปรโตคอลที่ใช้ให้ชัดเจนก่อนเลือกสายเคเบิ้ล
ระบบ Ethernet เหมาะกับการใช้งานส่วนใดในอาคารอัจฉริยะ?
ระบบ Ethernet ใช้สำหรับเชื่อมต่ออุปกรณ์ควบคุมอาคาร ซอฟต์แวร์สำหรับกำกับดูแลระบบ กล้องวงจรปิด IP และจุดกระจายสัญญาณเครือข่ายไร้สาย (Wireless Access Points) นอกจากนี้ ยังมีการนำ Ethernet มาใช้เชื่อมต่อกับอุปกรณ์ภาคสนามที่รองรับ IP มากขึ้นอย่างต่อเนื่อง โปรโตคอลในตระกูลเดียวกันสามารถทำงานผ่านสื่อกลางการสื่อสารที่แตกต่างกันได้ เช่น BACnet/IP และ Modbus TCP ทำงานผ่าน Ethernet ขณะที่ BACnet MS/TP และ Modbus RTU ทำงานผ่าน RS-485 ดังนั้น จึงควรตรวจสอบอินเทอร์เฟซทางกายภาพ (Physical Interface) ของอุปกรณ์แต่ละตัว ไม่ใช่พิจารณาเพียงชื่อโปรโตคอลเท่านั้น
สำหรับการเดินสาย Ethernet แบบติดตั้งถาวรในแนวราบ (Fixed Horizontal Runs) ETHERLINE® LAN Cat.6 F/UTP 4x2xAWG23 LSZH เป็นตัวอย่างผลิตภัณฑ์ที่ควรพิจารณา โดย LAPP ระบุว่าผลิตภัณฑ์นี้เหมาะสำหรับการเดินสายสัญญาณภายในอาคารแบบมีโครงสร้าง (Structured Building Cabling) ตามมาตรฐาน EN 50173 และ ISO/IEC 11801 พร้อมเปลือกหุ้มสายเคเบิ้ลชนิดปราศจากฮาโลเจน (Halogen-free Sheath) มีระดับการจัดประเภทด้านการทนไฟตามมาตรฐาน CPR ที่ Eca และรองรับเทคโนโลยีจ่ายไฟผ่านสาย Ethernet (Power over Ethernet: PoE) สูงสุดถึงมาตรฐาน IEEE 802.3bt (4PPoE) คุณสมบัติ PoE นี้มีประโยชน์สำหรับอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น จุดกระจายสัญญาณเครือข่ายไร้สาย (Access Points) และกล้องวงจรปิด ที่สามารถรับทั้งข้อมูลและพลังงานไฟฟ้าผ่านสายเคเบิลเส้นเดียวกันได้
ความยาวของสายเคเบิ้ลยังคงเป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบระบบ โดยทั่วไป ช่องสัญญาณ Ethernet แบบสายทองแดงตามมาตรฐาน Structured Cabling รองรับความยาวได้สูงสุด 90 เมตรสำหรับ Permanent Link และอีกไม่เกิน 10 เมตรสำหรับสายเชื่อมต่ออุปกรณ์และสาย Patch Cord รวมกัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับมาตรฐานและลักษณะการใช้งานหากอุปกรณ์อยู่ห่างเกินระยะดังกล่าว จำเป็นต้องเลือกใช้วิธีการเชื่อมต่อรูปแบบอื่น แทนการเพิ่มความยาวของสายเคเบิลเพียงอย่างเดียว ตัวอย่างเช่น สามารถใช้ Industrial Switch เพื่อเริ่มต้นช่วงการเชื่อมต่อใหม่ได้ โดยใช้ ETHERLINE® ACCESS U05T-E-T Unmanaged Switch (7433507951) สำหรับการเดินสายระยะไกล เช่น การเดินสายเชื่อมต่อระหว่างชั้นอาคาร (Riser) หรือการเชื่อมต่อไปยังอาคารโรงงานอีกหลังหนึ่ง การใช้สายใยแก้วนำแสง (Fibre-optic Link) จะช่วยแก้ข้อจำกัดด้านระยะทางของสายทองแดงและลดปัญหาการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Interference) ตัวอย่างเช่น สายใยแก้วนำแสงชนิด Single-mode รุ่น HITRONIC® HUN1500 นอกจากนี้ สำหรับอุปกรณ์บางประเภท ยังสามารถเลือกใช้เทคโนโลยีที่ออกแบบมาเพื่อรองรับการส่งสัญญาณในระยะทางที่ไกลขึ้นโดยเฉพาะได้อีกด้วย
บริเวณจุดเชื่อมต่ออุปกรณ์ การใช้สาย Patch Cord ที่ประกอบสำเร็จจากโรงงาน (Pre-assembled Patch Cords) จะช่วยลดขั้นตอนการเข้าหัวสายหน้างาน โดยสาย ETHERLINE® LAN Cat.6A Patch Cords เป็นสายเคเบิลที่มีชีลด์ป้องกันสัญญาณรบกวนแบบเต็มรูปแบบ (S/FTP) พร้อมคอนเน็กเตอร์ RJ45 ที่ผลิตตามมาตรฐาน IEC 60603-7-51อย่างไรก็ตาม สาย Patch Cord ที่มีคุณภาพเป็นเพียงส่วนหนึ่งของระบบเชื่อมต่อเท่านั้น จึงควรตรวจสอบประสิทธิภาพของช่องสัญญาณทั้งหมด (Complete Channel) ไม่ใช่พิจารณาเฉพาะคุณสมบัติของสาย Patch Cord เพียงอย่างเดียว
หากบางส่วนของอาคารมีการใช้งานระบบ PROFINET เช่น ระบบเครื่องจักรส่วนกลาง (Central Plant) หรือชุดอุปกรณ์สำเร็จรูปสำหรับระบบงานอาคาร (Building-services Skid) ETHERLINE® PN Cat.5e FRNC FLEX FC เป็นสายเคเบิลชนิดยืดหยุ่นและปราศจากฮาโลเจน (Halogen-free) ที่ LAPP ระบุว่าเหมาะสำหรับระบบ PROFINET Type B โดยมีการออกแบบแบบ Fast Connect ซึ่งช่วยลดระยะเวลาในการประกอบและติดตั้ง
ควรติดตั้งระบบ Fieldbus และ Ethernet ร่วมกันภายในอาคารอย่างไร เพื่อป้องกันการรบกวนสัญญาณ?
การตรวจสอบ 3 ประการต่อไปนี้จะช่วยให้สามารถควบคุมการติดตั้งระบบที่ใช้สายเคเบิลหลายประเภทได้อย่างเหมาะสม
ประการแรก คือ การจัดระยะห่างระหว่างสายสัญญาณกับสายไฟฟ้ากำลัง การป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ความต่อเนื่องของชีลด์ (Screen Continuity) และการเชื่อมต่อระบบสายดิน (Bonding) โดยต้องเป็นไปตามมาตรฐานการติดตั้งที่เกี่ยวข้อง ระบบ Fieldbus และ Ethernet ไม่จำเป็นต้องติดตั้งแยกจากกันเสมอไป แต่สิ่งที่ต้องให้ความสำคัญมากกว่าคือสายไฟฟ้ากำลังที่เดินอยู่ในรางเดียวกัน โดยหน้าแสดงข้อมูลผลิตภัณฑ์ ETHERLINE® LAN Cat.6 ระบุระดับการแยกสาย (Segregation Class) เป็น Class C ตามมาตรฐาน EN 50174-2 ซึ่งผู้ติดตั้งจำเป็นต้องพิจารณาระดับดังกล่าวให้สอดคล้องกับสายไฟฟ้ากำลังที่ติดตั้งอยู่ในรางเดียวกันจริง ทั้งนี้ เราจะไม่ระบุระยะห่างในการติดตั้งที่แน่นอน เนื่องจากระยะดังกล่าวขึ้นอยู่กับมาตรฐานและลักษณะการติดตั้งของแต่ละโครงการ
ประการที่สอง คือ การเลือกสายเคเบิ้ลให้มีคุณสมบัติด้านการทนไฟที่เหมาะสมกับพื้นที่ติดตั้ง และตรวจสอบความหมายของมาตรฐานแต่ละรายการให้ชัดเจน โดยมาตรฐาน IEC 60332 ครอบคลุมการทนต่อการลุกลามของเปลวไฟ (Flame Spread) มาตรฐาน IEC 60754 ครอบคลุมคุณสมบัติการปล่อยก๊าซกรดจากสารฮาโลเจน (Halogen-acid Gas Behaviour) ส่วน CPR Eca เป็นการจัดประเภทปฏิกิริยาต่อไฟ (Reaction-to-fire Classification) ซึ่งมาตรฐานเหล่านี้ไม่สามารถใช้ทดแทนกันได้ LAPP ระบุว่าสายเคเบิล UNITRONIC® BUS EIB มีคุณสมบัติหน่วงการติดไฟตามมาตรฐาน IEC 60332-1-2 ขณะที่สายเคเบิล Cat.6 มีคุณสมบัติปราศจากฮาโลเจนตามมาตรฐาน IEC 60754-2 และจัดอยู่ในระดับ CPR Eca ก่อนสั่งซื้อ ควรตรวจสอบข้อกำหนดของหน่วยงานที่เกี่ยวข้องในประเทศและข้อกำหนดของโครงการให้ชัดเจน เนื่องจากผลิตภัณฑ์ในตระกูลเดียวกันมักมีทั้งรุ่นปราศจากฮาโลเจนและรุ่น PVC มาตรฐาน ซึ่งอาจมีชื่อผลิตภัณฑ์คล้ายคลึงกัน
ประการที่สาม คือ ไม่ควรนำสายเคเบิ้ลที่ออกแบบมาสำหรับการติดตั้งแบบอยู่กับที่ (Fixed Installation) ไปใช้งานในลักษณะที่ต้องมีการเคลื่อนที่ โดยสายเคเบิ้ล Bus และ LAN ที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นผลิตภัณฑ์ที่ระบุไว้สำหรับการติดตั้งแบบอยู่กับที่เท่านั้น หากสายเคเบิลต้องรองรับการเคลื่อนที่ เช่น การติดตั้งบริเวณประตูเลื่อนหรือชุดยึดเซนเซอร์แบบหมุน จำเป็นต้องเลือกสายเคเบิลอีกประเภทหนึ่ง ดังนั้น ก่อนกำหนดสเปกผลิตภัณฑ์ ควรตรวจสอบประเภทการติดตั้งและรัศมีการดัดโค้ง (Bending Radius) ที่ระบุไว้บนหน้าข้อมูลผลิตภัณฑ์ให้เหมาะสมกับลักษณะการใช้งานจริง
การตรวจสอบเหล่านี้ต้องดำเนินควบคู่ไปกับข้อกำหนดของโปรโตคอล ซึ่งเป็นหน้าที่ของผู้ออกแบบระบบอาคาร โดยการกำหนดสเปกสายเคเบิ้ลมีหน้าที่สนับสนุนการออกแบบระบบตามโปรโตคอล แต่ไม่สามารถใช้ทดแทนการออกแบบดังกล่าวได้
ตัวอย่างการใช้งานจริงภายในอาคารเป็นอย่างไร?
ลองพิจารณาตัวอย่างอาคารสำนักงานสูงปานกลาง (Mid-rise Office Building) ที่มีโรงงานผลิตน้ำเย็นส่วนกลาง (Central Chiller Plant) ตั้งอยู่ในอาคารแยกต่างหาก ระบบแสงสว่างและม่านบังแดดในแต่ละชั้นใช้โปรโตคอล KNX ดังนั้นจึงเลือกใช้สายเคเบิล UNITRONIC® BUS EIB สำหรับเชื่อมต่อจากตัวควบคุมภายในห้อง (Room Controllers) ไปยังอุปกรณ์ Line Coupler ของแต่ละชั้น ส่วนมิเตอร์วัดพลังงานและตัวควบคุมระบบ Chiller ใช้โปรโตคอล Modbus RTU และ BACnet MS/TP ผ่านระบบ RS-485 ดังนั้น ผู้ออกแบบระบบจึงต้องตรวจสอบข้อกำหนดของอุปกรณ์แต่ละตัวก่อน จากนั้นจึงกำหนดสเปกสายเคเบิลบัสที่เหมาะสม เช่น UNITRONIC® BUS LD
ในแต่ละชั้น จะใช้สายเคเบิ้ล Cat.6 LSZH เชื่อมต่อตัวควบคุมประจำชั้น กล้องวงจรปิด IP และจุดกระจายสัญญาณเครือข่ายไร้สาย (Wireless Access Points) กลับไปยังห้องสื่อสารประจำชั้น (Floor Comms Room) โดยใช้เทคโนโลยี PoE เพื่อจ่ายพลังงานให้กับกล้องวงจรปิดและจุดกระจายสัญญาณเครือข่ายไร้สาย สำหรับการเดินสายแนวดิ่ง (Riser) ระหว่างห้องสื่อสารของแต่ละชั้นกับห้องเซิร์ฟเวอร์ BMS รวมถึงการเชื่อมต่อไปยังอาคารโรงงานผลิตน้ำเย็น (Chiller Plant) มีระยะทางยาวเกินกว่าที่สายทองแดงจะรองรับได้ จึงเลือกใช้สายใยแก้วนำแสงชนิด Single-mode แทน ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นถึงการเลือกใช้สื่อกลางในการสื่อสาร 3 ประเภท โดยพิจารณาจากโปรโตคอลและอินเทอร์เฟซทางกายภาพของอุปกรณ์แต่ละระบบก่อนตัดสินใจเลือกสายเคเบิ้ล
ปรึกษาวิศวกรของเรา
หากโครงการระบบอาคารอัตโนมัติในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้มีการใช้งานระบบ KNX, Modbus RTU, BACnet MS/TP หรือระบบบัสเฉพาะสำหรับเครื่องจักร ร่วมกับ Ethernet ทีมสนับสนุนด้านเทคนิคของ LAPP สามารถช่วยตรวจสอบการเลือกสายเคเบิลให้เหมาะสมกับผลิตภัณฑ์ในกลุ่มของ LAPP พร้อมแนะนำรุ่นผลิตภัณฑ์หรือสายเคเบิลที่ประกอบสำเร็จจากโรงงาน (Pre-assembled) ซึ่งอาจช่วยลดระยะเวลาในการติดตั้งได้
ติดต่อทีมสนับสนุนด้านเทคนิคของ LAPP ผ่าน หน้าส่งคำถาม LAPP SEA พร้อมแจ้งข้อมูลโปรโตคอล อินเทอร์เฟซทางกายภาพ ระยะเดินสายที่ยาวที่สุด สภาพแวดล้อมในการติดตั้ง ข้อกำหนดด้านการทนไฟ และความต้องการใช้งาน PoE
