כולנו מכירים את מונה החשמל המסתתר אי-שם במוסך, במרתף או במקום אחר מחוץ לטווח הראיה. אנחנו אפילו אולי הצצנו בו פעם או פעמיים כדי למסור קריאת מונה מעודכנת לספק השירות במקום ההערכה המקובלת שלו. הודות לטכנולוגיה, מהפיכה שקטה מתרחשת בתוך מונה זה הנראה כה תמים למראה.
איור 1 מראה דוגמה של מונה אלקטרו-מכני מסורתי –שפותח לראשונה בסוף המאה ה-19 –בעל דיסק מסתובב ותצוגה של מונה מכני. סוג זה של מונה פועל על-ידי ספירת הסיבובים של הדיסק המתכתי המסתובב במהירות יחסית להספק הנצרך, באמצעות קופסת הנתיכים הראשית. סלילים סמוכים מסובבים את הדיסק על-ידי השראת זרמי מערבולת וכוח היחסי לזרם ולמתח הרגעיים. מגנט קבוע מפעיל כוח בולם על הדיסק, ועוצר את סיבובו לאחר שהכוח הוסר.
הצעד הראשון בהתפתחות המונה היה החלפת המונים האלקטרו-מכניים במונים אלקטרוניים עם מוליכים למחצה. מונים אלקטרוניים מודדים את האנרגיה תוך שימוש ברכיבים משולבים ביותר, כגון אלה של Analog Devices ויצרנים אחרים. התקנים אלה ממירים את המתח והזרם הרגעיים לדיגיטליים באמצעות ADC סיגמה-דלתא בעל רזולוציה גבוהה. חישוב מכפלת המתח והזרם נותן את ההספק הרגעי בואטים. אינטגרציה בזמן נותנת את האנרגיה שנצרכה, הנמדדת בדרך כלל בקילו-ואט-שעה (kWh). נתוני האנרגיה מוצגים בתצוגת LCD, כמתואר באיור 2.
למונים האלקטרוניים מספר יתרונות. בנוסף למדידת ההספק הרגעי, הם יכולים למדוד פרמטרים אחרים כגון מקדם ההספק וההספק הריאקטיבי. ניתן למדוד ולאכסן נתונים בפרקי זמן רצוניים, כך שהמונה יכול להציע תכניות תמחור המבוססות על שעת הצריכה. דבר זה מאפשר לצרכנים חכמים לחסוך כסף על-ידי הפעלת המכשירים העיקריים שלהם, דוגמת מכונות כביסה ומייבשים, למשך תקופות זולות יותר, מחוץ לשעות השיא; וספק השירות יוכל לחסוך בהקמת תחנות כוח חדשות, מאחר שפחות אנרגיה דרושה במשך שעות השיא. מונים אלקטרוניים אינם מושפעים ממגנטים חיצוניים או מהמיקום של המונה עצמו, כך שהם יותר מוגנים בפני זיופים מאשר מונים אלקטרו-מכניים. מונים אלקטרוניים הם גם יותר אמינים.
Analog Devices הייתה שחקן מפתח במעבר ממונים אלקטרו-מכניים לאלקטרוניים, ושיגרה מעל 225 מיליון מעגלים משולבים למדידת אנרגיה. לפי IMS Research, 75% מכל מוני האנרגיה שנשלחו ב-2007 היו אלקטרוניים ולא אלקטרו-מכניים.
המונה האלקטרוני סולל אפשרויות חדשות
כאשר נתוני המדידה מבוטאים בצורה אלקטרונית, אפשר לצרף תקשורת למונה, דבר המקנה למונה אפשרות לשמש לקריאת מונה אוטומטית (automatic meter reading – AMR) כדי להגיע לנתונים מרחוק באמצעות ערוץ תקשורת. יצרני המונים פיתחו ארכיטקטורות מערכת שונות עבור הקריאה מרחוק, המסווגות בגדול כמערכות תוך כדי הליכה, חולפת מרכב או מרושתות. מערכת חולפת מוצגת באיור 3. במקרה זה, ספק השירות משגר רכב המצויד באוגר נתונים אלחוטי מותקן. הרכב חולף דרך השכונה ואוסף נתוני צריכה בצורה יעילה. מערכת מוסעת משפרת את מספר המונים שעובד ספק השירות יכול לקרוא ביממה פי חמש בהשוואה למערכות בהליכה, ופי עשר בהשוואה לקריאת מונים ידנית. במערכת מרושתת, נתוני המונה מוזנים לאוגר נתונים קבוע, הממוקם לרוב על עמוד בקצה הרחוב או השכונה. הנתונים מוזנים בחזרה אל ספק השירות דרך תשתית רחבת-פס או סלולרית.
AMR ל-AMI
תחילה, החלפת הקריאה הידנית במערכות AMR נראתה פשוט כאמצעי לחסוך עלויות עבודה, אולם הדבר משתנה עתה בשעה שהתעשייה מודעת שה-AMR מאפשר לספקי השירותים להציע בצורה נוחה יתרונות ושירותים משופרים, כגון תמחור בזמן-אמת כדי לקדם יעילות אנרגיה גבוהה יותר, דיווח מיידי על גילוי כשלים, ונתונים מדויקים יותר לשימוש בקבלת פרופילים בתוך הרשת.
AMR מוחלפת לעתים ב-Advanced Metering Infrastructure (AMI) כדי להבליט את ההתפתחות מקריאה פשוטה של מונים מרחוק. מערכות AMI מרושתות ניתנות למימוש תוך שימוש בטכנולוגיות החל מלוויינים ועד מכשירי רדיו זולים. שתי הטכנולוגיות המתפתחות השולטות הן RF – שימוש בתחום התעשייתי, המדעי והרפואי (ISM) ללא רישיון – ונשאי קווי הספק power line carrier (PLC).
טכנולוגיית ה-RF משתמשת במכשירי רדיו זולים בהספק נמוך כדי לשדר את מידע המונים, בשעה ש-PLC משתמש בקו ההספק עצמו. Analog Devices פיתחה פתרונות עבור שתי הטכנולוגיות, עם משפחת ADF7xxx של מקמ”שי טווח קצר (short range transceivers)הפונה לקטע ISM ב-RF ומשפחת SALEM® המבוססת על מעבד Blackfin® המיועד לקטע ה-PLC.
לכל אחת מטכנולוגיות אלו יתרונות וחסרונות. עבור מוני מים וגז במיוחד, טכנולוגיית ה-RF הופכת לבחירה השלטת בשל שיקולי הבטיחות של הצבת קווי חשמל ליד מים או גז. למוני מים גם הסתבכות נוספת בשל היותם לרוב קבורים בתוך האדמה. במוני חשמל, שילוב של שתי הגישות נראה יותר סביר, כאשר צפון אמריקה ואירופה מעדיפות קווי הכוח.
בארה”ב, מספר קטן של בתים מחוברים לרוב לשנאי יחיד, כך שה-PLC הופך לפחות חסכוני. במימושים מסוימים, ספקי השירותים משתמשים ב-AMI תוך שימוש בתערובת, כאשר קו הכוח משמש לתקשורת מאוגר הנתונים למונה החשמל ו-RF משמש בין מונה החשמל ומונים או התקנים ביתיים אחרים. דף Google Maps מעניין המתאר פריסות AMR/AMI עולמיות (worldwide AMR/AMI deployments) וניסויי שדה מציג מידע מעודכן.
תכנון מקטע RF של מונה שירות מבוסס על
AMR/AMI
מוני שירות ממוקמים לעתים קרובות בתוך בתים או בסביבתם שיש בהם מספר הולך וגדל של התקנים אלחוטיים, כך שהקמת תקשורת רדיו מהווה אתגר. ביצועים גבוהים נדרשים ממעגלי ה-RF כדי לדחות אותות בלתי-רצויים רבים מהתקנים כגון LAN אלחוטי תוך כדי פענוח האות הרצוי שעשוי להיות לא יותר משברי מיקרו-וולט ברדיו. רגישות רדיו טובה דרושה גם מאחר שהיא מתורגמת לטווחי שידור אותות ארוכים יותר. יש לזכור שהמונה עלול להיות ממוקם במרתף או אף גרוע מזה, מתחת לאדמה, – אך עליו עדיין לתקשר עם רדיו על עמוד במרחק כמה גושי בתים, או עם רכב שירות ברחוב. ככל שהרגישות נמוכה יותר, המקלט חייב להיות קרוב יותר כדי לפענח את המסרים בצורה נכונה. לגבי מערכת ניידת ברכב, פשר הדבר הוא שהרכב חייב לנסוע קרוב יותר לבית שלך, אולם תשתית רשת קבועה צריכה להשתמש בתאים קטנים יותר ומספר גדול יותר בהתאמה של אוגרי נתונים. רגישות גבוהה אם כן תמזער את עלויות תשתית הרשת.
צריכת הספק נמוכה היא קריטית במוני גז ומים המוזנים בסוללות
יצרני המונים מנסים לעתים קרובות לצמצם את צריכת ההספק במונה אנרגיה מאחר שהדבר מאפשר להם לשווק תכנון זהה למונה גז או מים. כמו כן, כדי לפעול באזור ללא-רישיון של הספקטרום, פרוטוקול התקשורת המשמש למונה ולקורא צריך למלא אחר חוקי שידורי הרדיו בארץ התפעול. תחומים ללא-רישיון אחדים קיימים בעולם, הנפוץ ביותר הוא ב-900 מגה-הרץ, 2.4 גיגה-הרץ ו-5.8 גיגה-הרץ. רוב יצרני המונים בחרו במכשירי רדיו עבור הקישור בין המונים, ובין המונה ואוגר הנתונים. מכשירי רדיו בתדרים אלה מציעים לעתים קרובות תחום תקשורת יותר מתאים למאזן הספק נתון מאשר טכנולוגיות ה-2.4 גיגה-הרץ המתחרות, ולכן, הם מאפשרים כיסוי תאים רחב יותר עבור תחנת בסיס או אוגר נתונים נתון.
מבחינת ספק השרות, אולם, חיסרון של השימוש בתחום תדרים זה היה היעדר תקנים זמינים. התחומים מתחת לגיגה-הרץ מהווים באופן ברור בחירת הטכנולוגיה הטובה ביותר עבור מוני גז ומים מוזני סוללה, והם יוצרים ביקוש גובר לתקינה כדי לאפשר פעולה משותפת בין מערכות של יצרנים שונים.
M-Bus אלחוטי, אשר צמח מקבוצת משתמשי ה-M-Bus הקווי, הוא דוגמה אחת של תקן עבור תקשורת בין מונים, ובין המונה ואוגר הנתונים. M-Bus11 היא עתה חלק מתקן EN European Normative המפורט ב-EN 13757. פרוטוקול ה-Wireless M-Bus מפורט בגרסת-EN 13757-4. מאמצי תקינה אחרים ב-900 מגה-הרץ נמצאים גם הם בשלבי הכנה. המקמ”ש ADF702012 איור 4, הוא דוגמה של מכשירי רדיו של 900 מגה-הרץ המתוכננים תוך התחשבות בפעולת המונים. היא גם מתאימה למערכות הצריכות למלא אחר תקן Wireless M-Bus.
מקמ”ש ה-ADF 7020 המשולב במלואו ובעל ההספק הנמוך, פועל בתחומי ISM ללא-רישיון ב-433 מגה-הרץ בסין, 868 מגה-הרץ באירופה ו-915 מגה-הרץ באמריקה הצפונית. הוא משלב את מרכיבי השידור והקליטה RF כמו גם תחומי-בסיס אנלוגי ודיגיטלי. שימוש בכרטיס רדיו עבור מונה שירות מותאם ל-AMR13 דורש לרוב את ה-ADR7020, אנטנה, מספר קטן של רכיבים פסיביים ומיקרו-בקר פשוט כדי להריץ את פרוטוקול התקשורת, איור 5.
ה-ADF-7020 מקל באופן משמעותי את המעמסה על המיקרו-בקר החיצוני על-ידי שילוב ליבת RISC 8-ביט בהספק נמוך ביותר, כדי להריץ חלק מתפקידי התקשורת ברמה יותר נמוכה. הדבר יכול לחסוך בהרבה מקרים את הצורך במיקרו-בקר נפרד מיוחד לתקשורת. ה-ADF7020 מציע ביצועי חסימה מעל 70 dB, כלומר שניתן לגלות ולפענח נכון את האות הרצוי גם כאשר אות בלתי-רצוי מחוץ-לתחום הוא עד 70 dB יותר גבוה מאשר האות הרצוי. דחיית ערוצים סמוכים היא כ-40 dB, והרגישות יכולה להיות נמוכה עד כדי -120 dBm בהתאם לקצב הנתונים. זהו נמוך במעל 20 dB מאשר פיתרונות ה-ZigBee® הטובים ביותר 14.
רשת ה-HAN
בשעה שמונה תואם תקשורת עתיד להיות זמין בקרוב בבתים רבים, ספקי השירות הציבורי ומחוקקי האנרגיה מביטים לעתיד כדי לקבוע כיצד ניתן למנף את הטכנולוגיה לשם שיפור שימור ומודעות האנרגיה. תוך שימוש בקונספט זה, המכונה לעתים סריג חכם, ספקי השירות יכולים להשתמש ברשת אשר תורחב עד בתי הלקוחות פנימה כדי לנהל באופן פעיל את עומס התעבורה.
אחד משירותים אלה יכול לספק מידע מחירים בזמן-אמת, המאפשר ללקוח לכוון את השימוש באנרגיה. בעתות של עומס שיא, במהלך מכת חום לדוגמה, ספק השירות יכול לשלוח מסר לבית, המיידע את הדיירים שהמחירים עשויים לעלות במשך השעה הקרובה והמעודד אותם לנתק מכשירים. דבר זה יחייב תצוגה בתוך הבית, עליה ניתן יהיה להציג מסר כזה. בצעד אחד הלאה, בפק השירות יכול לתקשר עם ההתקנים בתוך הבית באמצעות המונה, להעלות את התרמוסטאט או לנתק משאבת בריכה, לדוגמה. מערכת כזו תדרוש תקשורת בין המונה ומכשירי הבית והיא מכונה לעתים home area network (HAN) . מכשירי רדיו בתדר של 900 מגה-הרץ דוגמת ה-ADF702x וה-ZigBee זוכים כאן להצלחה.
רוב המשתתפים בתעשייה מודים שרשת ביתית פעילה המקושרת לתשתית המונים המתקדמת היא עדיין רחוקה במספר שנים, אולם היתרונות של מערכת כזו פירושם שחברות רבות מעורבות כיום באופן פעיל בפיתוח פתרונות עבור רשתות ביתיות. תצוגה גרפית של רשת ביתית ניתנת באיור 6.
AMI והסריג החכם נראים כטכנולוגיות פוטנציאליות עיקרית לשם שיפור יעילות האנרגיה, והמסייעים לבסוף במשימה להקטין את פליטות הפחמן. Analog Devices מחויבת לספק התקנים חדשניים ויעילים לאנרגיה כדי להקל על שוק זה למלא את חלקו בשיפור יעילות האנרגיה וקידום שימור האנרגיה בשנים הבאות.
