הסבר על פרוטוקול NMEA 2000: כיצד רשתות ימיות משתפות נתונים

צעדו ברציפים בכל מרינה מודרנית ותמצאו סירות שבהן פלוטר המפות מציג נתוני מנוע, הטייס האוטומטי קורא את חיישן הרוח, ובנק הסוללה מדווח על מצב הטעינה שלו לתצוגת ההגה - והכל באמצעות כבל יחיד העובר דרך גוף הספינה. הטכנולוגיה העומדת מאחורי שילוב זה היא NMEA 2000®, פרוטוקול התקשורת שהפך לשפה הנפוצה של האלקטרוניקה הימית.

מדריך זה מסביר כיצד פרוטוקול NMEA 2000 פועל בפועל: הרשת בה הוא פועל, מערכת ההודעות בה הוא משתמש, כיצד מכשירים מצטרפים לרשת ומה נדרש כדי שמערכת סוללות ליתיום תשתתף. בין אם אתם מתכננים שיפוץ אלקטרוניקה או מציינים דרישות תקשורת עבור פרויקט סוללות OEM, הבנת הפרוטוקול היא הצעד הראשון לקראת מערכת שבה הכל מדבר עם הכל.

מה זה NMEA 2000?

NMEA 2000 הוא פרוטוקול תקשורת סטנדרטי המאפשר למכשירים אלקטרוניים ימיים - צגים, חיישנים, מנועים ומערכות סוללות - לשתף נתונים ברשת אחת. הוא פותח על ידי האיגוד הלאומי לאלקטרוניקה ימית, בנוי על טכנולוגיית אפיק CAN (רשת אזור בקר) ומאפשר לציוד מיצרנים שונים להחליף מידע ללא חיווט מותאם אישית בין כל זוג התקנים.

NMEA 2000® הוא סימן מסחרי רשום של האיגוד הלאומי לאלקטרוניקה ימית (NMEA), הגוף שבסיסו בארה"ב המפתח ומתחזק סטנדרטים של אלקטרוניקה ימית. הפרוטוקול מגדיר רשת דו-כיוונית, מרובת משדרים ומרובת מקלטים בעלות נמוכה: כל מכשיר מאושר יכול לשלוח ולקבל נתונים, הרשת מגדירה את עצמה, ואין בקר מרכזי שהכל תלוי בו.

הנקודה האחרונה חשובה יותר ממה שהיא נשמעת. ברשת NMEA 2000, אם מכשיר אחד נכשל, השאר ממשיכים לתקשר. השוו זאת לחיווט נקודה-לנקודה ישן יותר, שבו מכשיר יחיד ישב לעתים קרובות באמצע שרשרת הנתונים - וכאשר מכשיר זה נכשל, כל מכשיר שהסתמך על הנתונים שלו כבה.

בפועל, בעלי ובוני סירות משתמשים ב-NMEA 2000 כדי להעביר נתוני ניווט, פרמטרי מנוע, מפלסי מיכל, חיישני סביבה, ובאופן גובר - נתוני סוללה, לעמוד שדרה משותף אחד, הנראה מכל תצוגה תואמת על הסיפון.

NMEA 2000 לעומת NMEA 0183: מה השתנה

לפני NMEA 2000, האלקטרוניקה הימית דיברה על NMEA 0183, פרוטוקול סדרתי שהוצג בתחילת שנות ה-80. NMEA 0183 עדיין נמצא על כלי שיט רבים, והבנת ההבדל מסבירה מדוע התעשייה התקדמה.

NMEA 0183 הוא פרוטוקול טורי נקודה-לנקודה. מכשיר אחד - ה"דובר" - משדר משפטי טקסט ASCII במהירות 4,800 באוד (גרסה במהירות גבוהה של 38,400 באוד נוספה מאוחר יותר, בעיקר עבור נתוני מעקב אחר כלי שיט מסוג AIS) ל"מאזין" אחד או יותר. מאזין יכול לקבל רק מדברן יחיד, כך שחיבור מכשירים רבים הביא ליצירת מרבבים, מאגרים ודיאגרמות חיווט שהלכו והלכו עם כל מכשיר נוסף.

NMEA 2000 החליף את המודל הזה ברשת אמיתית:

תכונה	NMEA 0183	NMEA 2000
אַדְרִיכָלוּת	דובר יחיד, נקודה לנקודה → מאזינים	רשת מרובת נפילות, כל המכשירים מדברים ומאזינים
שכבה פיזית	טורי (איתות בסגנון RS-422/RS-232)	אפיק CAN, זוג שזור דיפרנציאלי
מְהִירוּת	4,800 באוד (גרסה מהירה של 38,400)	250 קילו-ביט/שנייה
פורמט נתונים	משפטי טקסט ASCII (מקסימום 82 תווים)	מסגרות בינאריות קומפקטיות
תקן בינלאומי	חברת החשמל 61162-1	חברת החשמל 61162-3
הוספת מכשיר	חיווט חדש, מרבב אפשרי	הורדת כבל לרשת השדרה
התנהגות כשל	כישלון של דובר שובר את השרשרת	הרשת ממשיכה ללא הצומת הכושל

שני הסטנדרטים אינם תואמים. מכשיר NMEA 0183 אינו יכול להצטרף לרשת NMEA 2000 ישירות; התקנות מעורבות דורשות התקן שער שמתרגם בין השניים. עבור בנייה חדשה ושיפוצים, NMEA 2000 היא בחירת ברירת המחדל - ולכן מערכות סוללות המיועדות לשימוש ימי צריכות יותר ויותר לדבר אותו.

כיצד פועל הפרוטוקול: אפיק CAN ו-PGNs

מתחת למכסה המנוע, NMEA 2000 בנוי על רשת אזור בקר (CAN) - אותה טכנולוגיית אפיק שהוכחה במשך עשרות שנים במערכות רכב ותעשייה - הפועלת במהירות של 250 קילו-ביט/שנייה. מה ש-NMEA 2000 מוסיף על גבי CAN הגולמי הוא שכבת יישומים סטנדרטית המושפעת במידה רבה מ-SAE J1939 (משפחת פרוטוקולי התקשורת המשמשים במשאיות ובכלי רכב כבדים): אוצר מילים משותף שאומר לכל מכשיר מה המשמעות האמיתית של הבייטים על החוט.

אוצר המילים הזה מאורגן כךמספרי קבוצת פרמטרים (PGN)כל PGN הוא סוג הודעה מוגדר: PGN אחד נושא מיקום GPS, אחר נושא סל"ד מנוע, אחר נושא עומק מים. הודעות עוברות כמסגרות CAN באמצעות מזהה של 29 סיביות ושדה נתונים של 8 בתים; הודעות גדולות יותר מפוצלות על פני מספר מסגרות ומורכבות מחדש על ידי המקלט. מכיוון שכל מכשיר מאושר מפרש PGN באותו אופן, צג Garmin יכול לקרוא נתונים משער מנוע של ימאהה ומחיישן מיכל של צד שלישי מבלי שאף אחד מהיצרנים הללו יתאם זה עם זה.

עבור מערכות סוללות, קבוצה ספציפית של PGNs עושה את העבודה:

• PGN 127508 – מצב סוללהמתח, זרם וטמפרטורה עבור מופע סוללה
• PGN 127506 – סטטוס מפורט של DCמצב טעינה, מצב בריאותי וזמן שנותר
• PGN 127513 – סטטוס תצורת סוללהמידע על מתח נומינלי, כימיה וקיבולת

מצבי אזעקה ואזהרה עוברים בנפרד, דרך הודעות ההתראה הסטנדרטיות של הרשת (PGN 126983) - כך תקלת סוללה הופכת לאזהרה גלויה וקולית בהגה במקום לדגל שקט בתוך החבילה.

כאשר מערכת ניהול סוללות (BMS) או שער סוללות משדרים את מספרי ה-PGN הללו לרשת, כל תצוגה על הסיפון התומך ב-PGN אלה יכולה להציג את מתח הסוללה, צריכת הזרם ומצב הטעינה - מבלי להוסיף מסך ניטור סוללה נפרד בהגה. לכל סוללה מוקצה מספר מופע, וכך הרשת מבחינה בין סוללת הבית לסוללת ההתנעה ומציגה אותן בנפרד.

שכבת PGN זו היא הנקודה המדויקת שבה אלקטרוניקה של סוללות ליתיום פוגשת אלקטרוניקה ימית, וזה המקום שבו פרויקטים של אינטגרציה מצליחים או נתקעים. מערכת ניהול מערכות (BMS) שמודדת הכל אך לא משדרת דבר, שמה נתונים מדויקים במקום שאף אחד לא יכול לראות אותם; מערכת ניהול מערכות (BMS) שמיישמת את PGN של הסוללה הופכת את הנתונים הללו לחלק מהכלי השיט.

ארכיטקטורת רשת NMEA 2000

מבחינה פיזית, רשת NMEA 2000 עוקבת אחר טופולוגיה פשוטה ונוקשה - והנוקשות היא מאפיין, משום שהיא הופכת את הרשתות לחיזוי.

[דיאגרמה מקורית כאן - טופולוגיית רשת המציגה את עמוד השדרה, הסימונים, כבלי השלכה והתקנים כולל MFD, שער מנוע, חיישנים ובנק סוללות ליתיום עם BMS. טקסט חלופי: "דיאגרמת רשת NMEA 2000 עם מערכת סוללות המחוברת באמצעות כבל השלכה"]

הרשת בנויה מארבעה אלמנטים:

עמוד השדרההוא כבל המטען הראשי שעובר דרך כלי השיט. כל מכשיר מתחבר אליו; אף מכשיר לא מתחבר ישירות למכשיר אחר.

נגדי סיוםכסו את שני קצוות עמוד השדרה. איתות אפיק CAN דורש סיום בכל קצה של ה-trunk כדי למנוע החזרי אות - סיום חסר או כפול הוא סיבה נפוצה לרשת לא מתפקדת כראוי.

כבלי ירידהלחבר כל התקן לרשת השדרה באמצעות מחברי T. התקן מגדיר אורכים מקסימליים הן לרשת השדרה והן לחיבורים בודדים, מה ששומר על תזמון האות במסגרת המפרט ככל שהרשתות גדלות.

כוח הרשתמסופק דרך רשת השדרה עצמה. כבלי NMEA 2000 נושאים הזנת חשמל משלהם עבור ממשקי הרשת של המכשירים המחוברים, בנפרד מעומסי הזרם הישר העיקריים של כלי השיט.

התקנים משתמשים במחברים סטנדרטיים בעלי 5 פינים (בדרך כלל Micro-C) על כבל זוג שזור מסוכך, תוך שימוש באיתות דיפרנציאלי לחסינות לרעש - יתרון משמעותי בסביבה מלאה באלטרנטורים, ממירים ומשדרי רדיו.

עבור התקנת סוללה, לארכיטקטורה זו יש השלכה מעשית אחת שכדאי לתכנן מראש: ממשק התקשורת של בנק הסוללות זקוק לנתיב כבל דחיפה (drop-cable) לרשת השדרה (backbone), ורשתות עם מספר בנקי סוללות צריכות להגדיר את מספרי המופעים שלהן כך שכל בנק יופיע כמקור נפרד על גבי התצוגות.

אילו מכשירים מתחברים לרשת NMEA 2000

כמעט כל קטגוריה של אלקטרוניקה ימית מגיעה כעת עם קישוריות NMEA 2000:

צגים רב-תכליתיים (MFDs)הם צרכני נתוני הרשת - פלוטרים וצגי מכשירים של מותגי האלקטרוניקה הימית הגדולים קוראים PGN ומציגים אותם למפעיל. ברוב כלי השיט, הצג הרב-תכליתי (MFD) הוא המקום שבו נתוני הסוללה נראים בסופו של דבר.

שערי מנועלתרגם נתוני מנוע קנייניים לרשת, ולהציג את הסל"ד, זרימת הדלק ואזעקות המנוע באותם תצוגות כמו כל השאר.

חיישנים— עומק, רוח, GPS, טמפרטורה, מפלס מיכל, זרימת דלק — הם יצרני הנתונים של הרשת, כל אחד משדר סט PGN משלו.

טייסים אוטומטיים ורדיוגם צורכים נתוני ניווט, ובמקרה של מכשירי רדיו VHF עם DSC (שיחות סלקטיביות דיגיטליות), משתמשים בנתוני GPS של הרשת עבור קריאות מצוקה.

סוללות ומכשירי חשמלהן הקטגוריה הצומחת ביותר. צגי סוללות, שאנטים, מדי אנרגיה DC ומערכות סוללות ליתיום עם אלקטרוניקה BMS התומכת בתקשורת משדרים את קבוצת PGN של הסוללה שתוארה לעיל, והופכים את תצוגת ההגה למסך ניהול צריכת חשמל. כיצד צגים ימיים קוראים ומפרשים נתוני סוללות ליתיום הוא נושא עמוק מספיק כדי שאנו מכסים אותו במדריך משלו.כיצד אלקטרוניקה ימית קוראת נתוני סוללות ליתיום →

אם אתם בוחנים סוללת ליתיום לסירה, יכולת התקשורת שייכת לרשימת הבדיקה לצד דירוגי קיבולת ופריקה - מדריך בחירת סוללות הליתיום הימיות שלנו מכסה כיצד לשקול אותה מול שאר המפרט.מדריך לבחירת סוללות ליתיום ימיות →

הסמכה ותאימות

היבט אחד של NMEA 2000 שמפתיע קונים רבים: זה לא פרוטוקול פתוח שאפשר להשתמש בו בכל דרך אפשרית. NMEA 2000 הוא תקן מורשה, וכל המוצרים שקוראים או משדרים נתוני NMEA 2000 נדרשים להיות מאושרים במסגרת הסכם הרישיון של NMEA 2000 (מקור:NMEAבדיקות הסמכה יכולות להתבצע על ידי היצרן באמצעות כלי ההסמכה של NMEA או על ידי צד שלישי, ודמי הרישוי של התקן נקבעים לפי תעשייה.

הסמכה קיימת מסיבה מעשית: היא מה שהופך את ההבטחה לפעולה הדדית של "כל מכשיר, כל מותג" למציאותית. מכשיר מוסמך הוכיח שהוא משדר הודעות חובה בצורה נכונה, מגיב כראוי לבקשות ניהול רשת, ואינו משבש את האפיק עבור כולם.

עבור בוני יצרני ציוד מקורי (OEM) ומשלבי מערכות, יש לכך השלכות תכנוניות. כאשר מערכת סוללות בעלת יכולת תקשורת מתוכננת בסירה, הסמכה היא שלב מוגדר במסלול המוצר - עם דרישות בדיקה מתועדות של חומרה ותוכנה - ולא מחשבה שלאחר מעשה. מי מאשר מה, ובאיזו רמה של המוצר המוגמר, היא שאלה שיש להכריע בה מוקדם בפרויקט. אנו נסקור כיצד צוותי OEM בדרך כלל מטפלים באינטגרציית תקשורת ובמסלול ההסמכה במדריך האינטגרציה שלנו ל-OEM.כיצד יצרני ציוד מקורי (OEM) משלבים תקשורת NMEA 2000 →

מערכות NMEA 2000 וסוללות ליתיום

סוללות ליתיום ברזל פוספט (LiFePO4) שינו את מה שמערכות חשמל ימיות יכולות לעשות - קיבולת שימושית גבוהה יותר, טעינה מהירה יותר, ובאמצעות האלקטרוניקה לניהול הסוללות שהן נושאות - הרבה יותר נתונים על הסיפון. אבל נתונים אלה יוצרים ערך רק כשהם מגיעים למפעיל, ובכלי שיט עם אלקטרוניקה מחוברת לרשת, הדרך הישירה ביותר למפעיל היא רשת NMEA 2000.

מערכת סוללות ליתיום משתתפת ברשת דרך מערכת ה-BMS שלה או דרך שער תקשורת שמתרגם נתוני BMS למספרי PGN סטנדרטיים של הסוללה. לאחר החיבור לרשת, מצב הטעינה מופיע על גבי פלוטר המסלול, תנאי מתח נמוך מפעילים אזעקות בהגה במקום בשקט בתא הסוללה, וניתן לנטר מספר בנקי סוללות זה לצד זה באמצעות מספרי המופעים שלהם.

עבור פרויקטים של סוללות בהתאמה אישית ושל יצרן ציוד מקורי (OEM), דרישות התקשורת ראויות לאותה הקפדה כמו דרישות החשמל. השאלות הקובעות את הצלחת האינטגרציה הן ספציפיות: אילו PGNs המערכת חייבת לשדר? כמה מופעי סוללות הכלי יפעיל? האם הפרויקט דורש קישוריות רשת מקורית או ארכיטקטורת שער? האם ההסמכה מטופלת ברמת הסוללה או ברמת מערכת הכלי?

צוות ההנדסה של DALY תומך בשילוב תקשורת NMEA 2000 עבור פרויקטים של סוללות ימיות, עם התאמה לפרוטוקול הזמינה בהתאם לדרישות הפרויקט. אם אתם מתכננים פרויקט סוללת ליתיום בהתאמה אישית, שתפו את סוג כלי השיט שלכם, תצורת הסוללה והנתונים שהתצוגות שלכם צריכות להציג בשלב בקשת הצעת מחיר (RFQ) - צוות ההנדסה שלנו יגיב עם המלצה על סכימת תקשורת והצעת מחיר. הגדרת סט PGN, תצורת המופע ונתיב ההסמכה מוקדם היא ההבדל בין אינטגרציה שנכנסת למקום לבין אינטגרציה שמעוצבת מחדש בניסוי ימי.

שאלות נפוצות

Q1על מה מבוסס פרוטוקול NMEA 2000?

NMEA 2000 בנוי על טכנולוגיית אפיק CAN (Controller Area Network), עם שכבת יישומים ימית סטנדרטית המושפעת מ-SAE J1939. בסיס ה-CAN מספק את הרשת הפיזית ואת טיפול בשגיאות; שכבת NMEA 2000 מגדירה את משמעות ההודעות.

Q2האם NMEA 2000 זהה לאפיק CAN?

לא. אפיק CAN הוא טכנולוגיית הרשת הבסיסית; NMEA 2000 הוא תקן פרוטוקול שלם שנבנה על גביו. שני מכשירים יכולים להשתמש ב-CAN ועדיין לא להיות מסוגלים להבין זה את זה - הגדרות הודעות ה-PGN של NMEA 2000 הן שיוצרות יכולת פעולה הדדית בין מכשירים ימיים.

Q3באיזו מהירות פועל NMEA 2000?

NMEA 2000 פועל במהירות של 250 קילו-ביט/שנייה - בערך פי חמישים מהיר יותר מ-NMEA 0183 סטנדרטי של 4,800 באוד, ומהיר מספיק כדי לשאת נתוני ניווט, מנוע וסוללה עבור כלי שיט טיפוסי על גבי רשת תקשורת יחידה.

Q4האם סוללות ליתיום יכולות להתחבר לרשת NMEA 2000?

כן. מערכת סוללות ליתיום מצטרפת לרשת דרך BMS או שער שמשדר את מספרי ה-PGN הסטנדרטיים של הסוללה - 127508 (מצב סוללה), 127506 (מצב מפורט של זרם ישר) ו-127513 (מצב תצורת סוללה) - המאפשרים לצגים תואמים להציג מתח, זרם ומצב טעינה. גישת היישום (ממשק מקורי או שער) מוגדרת לכל פרויקט.

• אֶלֶקטרוֹנִי:dalybms@dalyelec.com

דף המוצר של BMS חכם:https://www.dalybms.com/smart-bms/