建築物自動化控制器提升整合度並創造價值

作者:ADI 系統應用工程師 Michal Raninec


建築物自動化系統 (BAS) 將包括照明、能源、暖通空調HVAC、維安、防禦等元件整合成一個直覺性的操控系統,並在建築物營運效率以及居住人員生產力與舒適性之間取得平衡。儘管建築物自動化市場相當保守,但仍出現可觀的成長,背後的推動力量包括能源價格上揚、節約能源意識增高、以及政府機構消防與保全專案增加。另外,像是UL 217煙霧警報器標準在內的新規範陸續生效執行,藉以增進建築物的安全性、效率、以及舒適性。這些趨勢激勵各界著手開發新型建築物自動化產品與解決方案,也促使製造商在更短的開發週期內推出新技術。步調的改變也為BAS廠商創造許多機會,透過平台化(platformized)的彈性系統解決方案來因應這些需求,推出更省電與更微型化的產品。

建築物自動化控制器一般都缺乏目前快速變遷市場注重的創新敏捷性。而控制器則是BAS的大腦,負責處理佈建在建築物週遭感測器所蒐集的資料,以及執行系統的反應動作。這意謂控制器必須有一定數量的輸入與輸出通道。某些控制器只提供固定通道功能,導致架構中存在一些未使用的通道。這些多出的未使用通道其成本無法退還給客戶; 然而每個通道若是能重新設定,則能確保所有通道都會被使用。在理想的狀況下,BAS應該得到數量有限的備用未使用通道,沒用到的功能客戶也無須付費。每個通道功能完全可重設,能為BAS的設計與部署帶來更大彈性。

建築物自動化控制器傳統上都會為固定與可重設通道採用分立建置模式。然而,分立建置的可重設通道控制器其物料清單(BOM)會含有數以百計的零件。經過多年的開發之後,分立式解決方案會變得非常有效率與較佳化,藉由降低物料清單成本以因應這類對成本敏感市場的期待。然而,新趨勢以及對於更敏捷開發之要求,凸顯出這種模式的重大缺點,包括建築物自動化控制器過多產品型號涉及的規劃、設計、生產、物流方面的複雜性。因此,BAS解決方案不應光是考量物料清單成本,應該以總擁有成本進行評估。

整合vs分立

根據需求重設通道的能力,正是消除未運用通道的良方,但光靠此法還不足以克服控制器設計的其他缺點。最關鍵的觀念是整合必須讓通道設計能夠簡化,在更小的空間中造就更高的效能。運用整合解決方案,任何通道的功能都能透過軟體指令輕易設定。軟體可重設輸入/輸出(I/O)技術促成簡單的設計重用與平台化,進而降低BAS解決方案的總擁有成本,在開發自動化控制器的產品生命週期持續創造價值(參見圖1)

Improving return on investment

圖1. 提升AD74412R每個開發階段的投資報酬

控制器開發的第一個階段是系統架構。在這階段中,會考量所有客戶需求,以及著手定義新產品。分立式解決方案缺乏彈性,在這個初期開發階段就是一項明顯的缺點。客戶不同的需求 – 像是輸入與輸出通道的比例或數量 – 可能導致開發出多套設計,進而增加成本,以及損及因應市場需求的敏捷性。軟體重設的整合式I/O不僅則促成平台化,還能讓發展成熟的設計能重複用在不同應用。可重用性至關重要,能協助降低設計與生產成本,我們在本文稍後會詳加討論。

緊接在產品定義之後就是設計階段。在這個階段中,設計重用性完全顯現其重要性。不同於分立可重用性,整合與可重用I/O促成快速的反覆嘗試、縮短時間、以及騰出許多寶貴資源。在硬體與軟體設計方面,從資源密集、費時冗長、多種產品版本的開發模式,轉移至透過單一設計滿足多種需求的模式,藉以降低開發時間與成本,以及維持成熟架構的高可靠性與強固性。運用可重設整合式設計在"任何接腳上配置任何功能的方法,支援不同應用的各種需求就變得大幅簡化。(參見圖2)

Any function on any pin

圖2. 透過軟體可重設I/O設定任何接腳上的任何功能

從商業發展的角度來看,傳統開發策略應變遲緩,從而衍生出許多不確定風險,導致錯失機會或客戶定下的期限。整合式可設定I/O的彈性與易用性不僅協助達到較高的投資報酬(ROI),還能大幅地縮短上市時程與獲利時程。

下一步則是從設計階段推進到生產階段。從採購與管理物料清單開始,整合式解決方案的種種優點就陸續浮現。分立式建置方案在泛用型控制器中通常含有數百個零件,購入後必須存放在倉庫,然後運送到生產廠房。管理如此大量的零件自然會拉高整體成本。運用單晶片解決方案以及可重用設計,物料清單的物流就得以簡化 – 除了採購部門要交涉的供應商更少,所需的倉儲空間也會減少。

由於零件數量減少,電路板體積也能縮減40%,生產線的挑揀(pick and place)成本也大幅降低。此外,由於軟體設定I/O促成設計的重複利用,因此控制器製造商對同型號電路板的需求也會增加。電路板的量購折扣也有助於節省成本。圖3比較分立與整合通道功能兩種建置方案。

Comparison of discrete and integrated channel

圖3. 比較分立與整合通道功能建置方案

Integrated, fully software-configurable I/O

圖4. 完全軟體設定的整合式I/O晶片—AD74412R

最後同樣重要的一點,依循統一程序的生產線測試,相較於涉及多重變數的分立式建置方案更為省時。另外增加設計複雜度甚至可能增加測試失敗的風險。其他考量層面還包括認證,可重用的整合式解決方案有助於節省成本與其他資源,而且有利於最終產品的物流、安裝、以及技術支援。銷售、技術支援團隊、以及安裝技術人員的培訓方面,一旦涉及多種平台的大量不同設計,所需的培訓內容就會遠多於可重複利用的泛用式解決方案,因為這類產品採用整合式軟體設定I/O。

總結

軟體設定I/O 將創新注入到建築物自動化市場,這個一向保守的領域如今也必須更加敏捷,以更快的步調因應持續變遷的客戶需求。整合度以及設計的可重用性,正是促成轉變的關鍵特色。有些人會把整合解決方案看成簡單的替換BOM料件以及伴隨而來的成本增高,但若以更宏觀的視野來看,並考量產品生命週期創造出的整體價值,這樣的整合解決方案會迅速消除所有疑慮。

為克服分立式設計的種種缺點,Analog Devices 開發出 AD74412R這款完全透過軟體設定的 I/O晶片,它將分立訊號鏈整合到一顆晶片,並提供4個完全可設定通道。AD74412R在控制器的生命週期全程創造價值,從產品定義、設計與製造、一直涵蓋到安裝與運行。它是較先上市的此類產品,不僅讓客戶增加投資回報,還縮短產品上市時程與獲取營收的時程。