Slik kobler du sammen sensorer i et nettverk for byggstyringssystemer på en kostnadseffektiv måte

Byggautomasjon reduserer drifts- og vedlikeholdskostnadene til et anlegg, samtidig som et tryggere og mer komfortabelt miljø oppnås for beboerne i bygningen. Ytelsesforbedringer for et byggautomasjonssystem (BAS) er avhengig av flere data fra et økende antall sensorer – og til et også økende antall styringer/aktuatorer – som er plassert rundt om i hele bygningen. Denne distribusjonen krever en kostnadsbesparende og effektiv anordning for å transportere de innhentede dataene fra deteksjonsnoden til et sentralt knutepunkt eller skyen, der de kan analyseres og dras nytte av, og de nødvendige styresignalene kan leveres.

Distribusjonen av sensorer og aktuatorer i storskala, spesielt for eldre bygninger og der strømtilgjengeligheten er lav, kan kreve omfattende og kostbar bearbeiding for å sikre full bygningsdekning. Til dags dato har RS-485-nettverk vært en kostnadseffektiv ettermonteringsløsning, men rikere datasett og høyere datahastigheter krever et alternativ med høyere gjennomstrømning.

For å minimere kostnader og samtidig øke gjennomstrømningen, kan konstruktører dra nytte av den installerte partvunnede Ethernet- eller RS-485-kablingen med ved hjelp av 10BASE-T1L. 10BASE-T1L, som er basert på IEEE Standard 802.3cg-2019 pakkeformat-datakommunikasjonsgrensesnittet, har en gjennomstrømning på 10 megabit per sekund (Mb/s) over avstander på opptil 1000 meter (m). Et alternativ for grensesnitt med to ledere er å også forsyne strøm via datakabelen, noe som eliminerer behovet for lokale strømkilder samt ruting av strømkabler. Dette eliminerer også behovet for strømhungrige gatewayer, takket være muligheten til å koble til et ubegrenset antall enheter.

Denne artikkelen tar for seg kravene rundt bygningsstyring og hvordan de har blitt håndtert frem til nå. Den introduserer deretter 10BASE-T1L Ethernet og eksempelløsninger fra Analog Devices som demonstrerer enkel implementering. Den viser også hvordan man bruker SWIO-teknologi (SWIO – software I/O) til å forenkle sensorgrensesnittet for byggstyringer med Ethernet-nettverk, samtidig som byggstyringssystemer (BMS) opprettholder bakover- og fremoverkompatibilitet. Et egnet evalueringskort, som kan hjelpe konstruktører med å komme i gang med SWIO, er også beskrevet.

Rollen til en BAS eller BMS

BAS-er eller BMS-er refererer til automatiseringen og styringen av de ulike systemene i en bygning. BMS-ens mål spenner fra komforten til en beboer til byggsystemets effektivitet, drifts- og vedlikeholdskostnader og sikkerhet. De fire lagene i en BMS, er lagene for overvåking, server/applikasjon, feltstyring og inngang/utgang.

Overvåkingslaget er fysisk sett overføringslaget, med to ledere, som overvåkingsenhetene befinner seg i. Overvåkingsenhetene konsoliderer all feltstyringstrafikk. Serveren/applikasjonen mottar data fra forskjellige overvåkingsenheter. Dette laget støtter standard Ethernet-protokoller, for eksempel Modbus, KNX, BACnet og LON, som ofte brukes i styringssystemer for bygninger. Dette laget leverer de konsoliderte dataene til klienten eller sluttbrukeren via brukergrensesnittet. Feltstyringslaget ser på de inngående dataene fra temperatursensorer og svitsjer, og kontrollerer systemutganger som aktuatorer og reléer.

Den siste delen av BMS-puslespillet, er inngangs-/utgangslaget. Sensorene og styringsenhetene finnes på dette laget. Noen sensorer og aktuatorer støtter TCP/IP, noe som fjerner behovet for en styring.

RS-485: En klassisk BMS-tilkoblingsløsning

Til dags dato har TIA/EIA-485-grensesnittet, vanligvis kjent som RS-485, blitt mye brukt av konstruktører av BMS-konstruksjoner, ettersom det er et prisgunstig lokalt nettverk med flerpunkts kommunikasjonslenker. RS-485 er en standard kun for elektrisitet, som definerer de elektriske egenskapene til mottakere og drivere ved implementering av en balansert overføringslinje med flere punkter. Den støtter toveis datautveksling med halv-dupleks over partvunnet kabel, og muliggjør tilkoblinger med flere punkter (tilkobling av flere transceivere til samme linje), noe som er ideelt for BMS-er.

RS-485 støtter også relativt høye datahastigheter: 35 Mb/s over avstander på opptil 10 m og 100 kilobit (kb/s) over 1200 m. RS-485-tommelfingerregelen er at hastigheten i bits/s multiplisert med kabellengden i meter, ikke bør overstige 10E8. Som følge av dette er den raskeste hastigheten til en kabel på 50 m, 2 Mb/s. Det er imidlertid uvanlig å bruke en slik høy hastighet i RS-485-byggstyringskonstruksjoner. Maksimal hastighet for BACnet MS/TP, en vanlig byggautomasjonsprotokoll som kjører på det fysiske RS-485-laget (PHY), er 115 200 bits/s.

Sammenlignet med andre serielle kommunikasjonslenker, er RS-485-kommunikasjonslenkens største fordel, den høye toleransen for elektrisk støy i tøffe industrimiljøer. RS-485 sin elektriske støydempingskarakteristikk, lange kabelløp, støtte for flere transceivere på én enkelt linje og relativt raske dataoverføringshastighet, er godt egnet for BMS-miljøet.

10BASE-T1L Ethernet-protokollen

Etter hvert som BMS-kravene øker og datasettene blir rikere, blir gjennomstrømningen stadig viktigere. 10BASE-T1L gir et høyere hastighetsalternativ for punkt-til-punkt-kommunikasjon over partvunnet kabel, gitt at den støtter 10 Mb/s over 1000 m. 10BASE-T1L håndterer også utfordringer i ute i felten, slik som strøm, kabling, avstand og dataøyer, samtidig som den eliminerer behovet for komplekse gatewayer.

«10» i 10BASE-T1L refererer til overføringshastigheten på 10 Mb/s, «BASE» refererer til basisbåndsignaler, «T» står for «tvunnet par» og tallet «1» står for 1 kilometer (km) rekkevidde. Til slutt har vi «L» som står for lang rekkevidde, og som angir segmentlengder på 1 km. 10BASE-T1L er i stand til å levere 500 milliwatt (mW), og bringer Ethernet inn i konstruksjoner med egensikker sone 0 eller i farlige områder. Den kan levere opptil 60 watt i ikke-egensikre konstruksjoner.

Topologien til et 10BASE-T1L Ethernet-nettverk kan være en kjedekobling, linje eller ring. Som nevnt er det ingen gatewayer: Ethernet-pakkene beveger seg fra kanten til styringsnivået, og til slutt til skyen for å realisere målene for sømløs kommunikasjon for byggautomasjon.

Enten sensoren befinner seg i et produksjonsanlegg eller på skrivebordet, gjør denne forenklede Ethernet-til-sky-tilkoblingen det mulig å konfigurere sensorer med en mobiltelefon eller bærbar datamaskin.

Byggautomasjon 10BASE-T1L-maskinvarekonfigurasjoner

For å utvikle en 10BASE-T1L-deteksjonsnode med Ethernet-tilkobling, har konstruktører tre bruksklare alternativer fra Analog Devices. ADIN1100 er en robust, industriell 10BASE-T1L-transceiver med lavt strømforbruk og et fysisk Ethernet-lag (PHY). ADIN1110 har både medietilgangskontroll (MAC – media access control) og PHY-grensesnitt (figur 1).

Figur 1: ADIN1110 er en laveffekts 10BASE-T1L-transceiver med én port og integrert Ethernet PHY og MAC. (Bildekilde: Analog Devices)

Det tredje alternativet er ADIN2111, en to-ports svitsj med lav kompleksitet og lavt strømforbruk, med to integrerte 10BASE-T1L PHY-er og én seriell periferigrensesnittport (SPI – serial peripheral interface) (figur 2). Bruken av SPI letter kravene til vertsprosessoren, og gir brukeren flere valg når det gjelder å optimalisere en enhet for strøm, kostnader og ytelse.

Figur 2: ADIN2111 er en svitsj med to porter og integrerte PHY-er, som har lav kompleksitet og lavt strømforbruk. (Bildekilde: Analog Devices)

ADIN1100 og ADIN2111 10BASE-T1L-enhetene kan distribueres i en nettverkstopologi via kjedekobling (figur 3), linje eller ring. Sammenlignet med et stjernenettverk, reduserer disse nettverkstopologiene betydelig mengden kabling som er nødvendig.

Figur 3: Vist er en kjedekoblingstopologi for et 10BASE-T1L-nettverk som bruker ADIN1100-styringen og ADIN2111-svitsjen med to porter. Linje- eller ringtopologier kan også brukes. (Bildekilde: Analog Devices)

For å komme i gang med 10BASE-T1L, kan konstruktører bruke EVAL-ADIN1100-evalueringskortet for ADIN1100. Kortet gir enkel tilgang til alle ADIN1100-funksjoner og kan konfigureres gjennom et grafisk brukergrensesnitt (GUI) på en PC eller gjennom frittstående maskinvarekonfigurert drift. Den inkluderer to pluggbare skrueterminalkontakter for 10BASE-T1L-kabel og en ekstern strømforsyning, Cat 5e Ethernet-kabel med RJ45-kontakt og en USB-A- til mikro-USB-B-kabel. Det finnes også et lite prototypeområde.

Fleksible sensorgrensesnitt støtter 10BASE-T1L

På kanten av BMS-nettverket finner vi en kompleks blanding av sensorer for temperatur, trykk, last, fuktighet og belastningsmåling som krever en rekke analoge kretser for å innhente og aktivere BMS-hendelser.

For å imøtekomme denne variasjonen i grensesnitt, kan konstruktører bruke Analog Devices sin AD74412R, en firekanals SWIO-grensesnitt-IC for prosesstyring og BMS-konstruksjoner. SWIO gir unike nivåer av fleksibilitet for tilgang til en hvilken som helst I/O-funksjon, på en hvilken som helst pinne, noe som gjør det mulig for konstruktører å konfigurere kanaler når som helst. Programmeringen kan skje på farten ved å bruke Ethernet-kanaler med to ledere som spenner over en hel bygning. Dette resulterer i færre krav til konstruksjonsressurser og universelle produkter som kan distribueres raskt og bredt i en automatisert bygning.

AD74412R inneholder en analog inngang, analog utgang, digital inngang og muligheten til å utføre RTD-målinger (RTD – resistance temperature detector) med en kompatibel SPI. Dette er vist på figur 4 med den 16-bits Σ-Δ-analog-til-digital-omformeren (ADC), en gruppe diagnostiske funksjoner og fire konfigurerbare, 13-bits digital-til-analog-omformere (DAC) som gir tilgang til fire konfigurerbare I/O-kanaler.

Figur 4: Den firekanals AD74412R SWIO-en har fire konfigurerbare, 13-bits DAC-er som gir tilgang til fire konfigurerbare I/O-kanaler. En 16-bits, Σ-Δ ADC og en gruppe diagnostiske funksjoner, er også inkludert. (Bildekilde: Analog Devices)

Modusene relatert til AD74412R er strømutgang, spenningsutgang, spenningsinngang, eksternt strømsatt strøminngang, sløyfedrevet strøminngang, ekstern RTD-måling, digital inngangslogikk og sløyfedrevet digital inngang. AD74412R har også en intern referanse på 2,5 volt med høy nøyaktighet for DAC-ene og ADC-ene.

Konstruksjon ved å bruke AD7441R-evalueringskortet

De analoge bruksområdene for AD74412R SWIO-en er nesten utallige. For å hjelpe konstruktører med å komme i gang, tilbyr Analog Devices et evalueringskort, EV-AD74412RSDZ (figur 5). Dette evalueringskortet gjør det mulig for konstruktører å utforske alternativer for integrert omkonfigurasjon og PC-basert programmerbarhet.

Figur 5: EV-AD74412RSDZ er et evalueringskort med full funksjonalitet for AD74412R. (Bildekilde: Analog Devices)

AD74412R-evalueringsprogramvaren kommuniserer med EV-AD74412RSDZ gjennom EVAL-SDP-CS1Z-systemdemonstrasjonsplattformen (SDP) som henter inngangs- og utgangssignaler fra kortet. Rullegardinmenyen forenkler konfigurasjonen av AD74412R og gir diagnostiske verktøy.

Konklusjon

10BASE-T1L leverer neste generasjons BAS-er med 10 Mb/s gjennomstrømning i avstander på opptil 1000 m, samtidig som de støtter eldre installasjoner med partvunnet kabling med to ledere. Som vist kan konstruktører raskt implementere et 10BASE-T1L-sensornettverk som er bakover- og fremoverkompatibelt, ved å bruke en ADIN1100 10BASE-T1L-transceiver, en to-ports ADIN2111 Ethernet-svitsj og en firekanals AD74412R SWIO-løsning for prosessstyring og BMS-konstruksjoner.