Revolusjonerende bygningsautomatisering med 10BASE-T1L

Feltet for bygningsautomatisering har sett enorme forbedringer de siste årene, noe som har gjort det mulig for nærings- og boligbygg å bli administrert mer effektivt.

I dag er det et utbredt behov for effektive og bærekraftige systemer for å gjøre bygninger sunnere miljøer for beboere, samtidig som strømforbruket minimeres, og mulighetene for høy datagjennomstrømming og kontroll i sanntid økes.

Utfordringene med bygningsautomatisering

Designere og systemintegratører står overfor flere utfordringer knyttet til bygningsautomatisering, inkludert:

• Rask foreldelse av teknologi: Eksisterende systemer kan bli foreldet på grunn av raske forbedringer i teknologi, noe som resulterer i redusert funksjonalitet, støtte og integrasjon med ny teknologi.
• Krav til effektivitet og bærekraft: Energieffektivitet, feildeteksjon/diagnostikkforbedringer, overvåking av innendørs miljøkvalitet (IEQ) og vannressursforvaltning er alle nødvendigheter for bygningseiere og operatører.
• Dataanalyse og -optimalisering: Moderne tendenser innen dataanalyse og -optimalisering har nødvendiggjort inkorporering av datainnsamlings-, analyse- og tolkningsfunksjoner i bygningsautomatiseringssystemer. Dette baner vei for datadrevet optimalisering av bygningens ytelse, ineffektivitetsdeteksjon og implementering av korrigerende tiltak.
• Interoperabilitet: Det er vanskelig å sikre kompatibilitet og integrering mellom systemer som tilbys av ulike leverandører. I tillegg kan et systems effektivitet hindres av inkompatibiliteter, proprietære protokoller og mangel på standardisering.

Som vist i figur 1, vil det kreve smarte bygg som kan:

• Muliggjøre sentralisert konfigurasjon og administrasjon på bedriftsnivå gjennom skytilkobling
• Fjerne avhengigheten fra oversettelsesgatewayer på kontrollernivå
• Flytte intelligensen til inngangspunktet (edge-en), slik at sensorer og aktuatorer kan utveksle et stort datavolum

Figur 1: Gir bygninger interoperabel tilkobling fra kant til sky. (Kilde: ADI)

Betydningen av datakommunikasjon vokser i industri- og bygningsautomatiseringsdomenene. Den nåværende økningen i datavolumer har ført til erkjennelsen av at tradisjonelle løsninger nærmer seg sin fysiologiske terskel. Følgelig fremstår Ethernet som den rådende kommunikasjonsstandarden. Den konvensjonelle 4-leders Ethernet-løsningen har blitt forvandlet til en 2-tråds løsning referert til som 10BASE-T1L, som består av et enkelt par vridde ledninger.

Slik driver 10BASE-T1L-standarden endringen

2019-introduksjonen av IEEE 802.3cg 10BASE-T1L-spesifikasjonen har løst flere problemer med industri- og bygningsadministrasjon ved å muliggjøre 10 Mbps full-dupleks kommunikasjon opptil 1000 meter over et enkelt par vridde ledninger.

10BASE-T1L-standarden overvinner flere begrensninger i tradisjonelle kommunikasjonssystemer, inkludert begrensninger knyttet til kabling, båndbredde, avstand og strøm innen bygningsautomatisering. Her er en oversikt over hvordan 10BASE-T1L-standarden håndterer disse begrensningene:

• Kabling: 10BASE-T1L-standarden muliggjør sømløs Ethernet-tilkobling for enheter på feltnivå, for eksempel sensorer og aktuatorer, ved å tilby en fysisk lag-løsning som kan overføre Ethernet-signaler og strøm over ett enkelt tvunnet kabelpar. Dette eliminerer behovet for komplisert og kostbar kablingsinfrastruktur, og forenkler dermed distribusjon og installasjon av Ethernet-nettverk for byggingsautomatisering. I tillegg kan Ethernet-pakker gå direkte fra Edge til skyen, noe som fjerner behovet for gateway-oversettelse.
• Båndbredde: 10BASE-T1L-standarden støtter dataoverføringshastigheter på opptil 10 Mbps, noe som er tilstrekkelig for en rekke bygningsautomasjonsutrustninger. Denne båndbredden er høyere enn konvensjonelle feltbusser (hvor den er begrenset til noen få kbps) og muliggjør overføring av verdier fra sensorer eller direkte til aktuatorer, så vel som ekstra enhetsparametere, som konfigurasjons- og parameteriseringsdata.
• Avstand: 10BASE-T1L-standardens evne til å støtte langdistanse-Ethernet-tilkoblinger er en av hovedfordelene. Den tillater tilkoblinger på opptil 1 kilometer, noe som er betydelig lengre enn den tradisjonelle Ethernet-standarden. Dette gjør den egnet for utrustninger der enheter er spredt over store områder, for eksempel industrianlegg og bilmonteringsanlegg.

I tillegg er 10BASE-T1L-standarden beregnet for bruk i innstillinger med begrensede strømressurser på grunn av det lave strømbehovet. Dette er av avgjørende betydning i enheter på feltnivå, der batterilevetid og strømforbruk er avgjørende.

I noen tilfeller er det nødvendig å gi via 10BASE-T1L både data og strøm (opptil 60 W i ikke-egensikre områder) som definert i standarden. 10BASE-T1L støtter to amplitudemoduser: 2,4 V for kabellengder opptil 1000 m, og 1,0 V for kortere lengder opptil 200 m. Gjennom 1,0 V topp-til-topp-amplitudemodus (peak-to-peak amplitude mode) kan denne teknologien også brukes i eksplosjonsbeskyttede miljøer (farlige områder) og oppfyller de strenge kravene til maksimalt strømforbruk som gjelder (maksimal effekt er begrenset til 500 mW).

Et brukstilfelle som referanse

Et typisk brukstilfelle av 10BASE-T1L-standarden er vist i figur 2. Denne smarte bygningsutrustningen utnytter egenskapene til 10BASE-T1L til å samle inn og aggregere data på forskjellige nivåer, fra sluttnoden (sensorer og aktuatorer) til bedrifts-/IT-nivået i skyen.

Romstyringer kan ha direkte (punkt-til-punkt) tilkoblinger med feltenhetene eller koble til en serie enheter koblet i en seriekobling. I tillegg kan hver romstyring konfigureres til å godta tilkoblinger fra eldre enheter.

Hver bygning har sin anleggsstyringer, som er koblet til en mengde romstyringer via 10BASE-T1L-koblinger, samt til andre bygningers anleggsstyringer via 100 Mb/Gb industrielt Ethernet.

For kortdistansetilkobling til sensorer og aktuatorer (opptil 25 meter), som i tilfellet med heisens førerhusstyring til høyre i figur 2, er 10BASE-T1S-standarden mer hensiktsmessig.

Figur 2: Et brukstilfelle for smartbygning. (Kilde: ADI)

10BASE-T1L-transceiver

Analog Devices har utviklet ADIN1110, som er en 10BASE-T1L-sender/mottaker med svært lav effekt og én port, egnet for Ethernet-baserte utrustninger innen industri- og bygningsautomasjon. Den er i samsvar med IEEE 802.3cg-2019 Ethernet-standarden for lang rekkevidde, 10 Mbps enkeltpars Ethernet (SPE), og ble utviklet for bruk i disse utrustningene.

Som vist i figur 3, inkorporerer komponenten et MAC-grensesnitt (Media Access Control). Dette gjør det mulig å etablere direkte kontakt med flere vertsstyringer (vertskontroller) ved hjelp av et serielt perifert grensesnitt (SPI) som bruker fire ledninger. Denne SPI-en tillater bruk av prosessorer med redusert strømforbruk fordi det ikke er behov for en integrert MAC, noe som resulterer i det laveste totale strømforbruket for systemet. Både Open Alliance SPI-protokollen og en generisk SPI-protokoll er tilgjengelige som alternativer for bruk med SPI når du konfigurerer den.

ADIN1110 inkorporerer overvåking av spenningsforsyning og tilbakestillingskretser for påslag for å forbedre robustheten på systemnivå. Den har også et lavt strømforbruk (vanligvis 42 mW) og støtter 1 VPP- og 2,4 VPP-sendingsnivåer, i tillegg til automatisk forhandling og 16 MAC-adresser for rammefiltrering.

Figur 3: Blokkskjema av ADIN1110 MAC PHY-transceiver. (Kilde: ADI)

10BASE-T1Ls større utvalg gjør det mulig å installere automatiseringsenheter i større bygninger samtidig som sømløse tilkoblingsmuligheter opprettholdes. Takket være denne fleksibiliteten og skalerbarheten kan anleggsledere enkelt overvåke og endre innstillinger for utrustninger som belysning, klima/HVAC-kontroll, sikkerhet og energistyring.

I tillegg muliggjør 10BASE-T1Ls økte dataoverføringshastighet sanntidsovervåking og kontroll av bygningssystemer, noe som fører til større driftseffektivitet. Responstiden, latenstiden (forsinkelse) og påliteligheten til automatiseringsenhetens kommunikasjon er alle forbedret med denne teknologien.

Ethernet-switch 10BASE-T1L

I likhet med Ethernet-standarden tilbyr 10BASE-T1L switcher for tilkobling av ulike nettverkssegmenter og enheter. Ulike nettverkstopologier kan konstrueres og brukes til strømtilkoblede enheter. I bygningsautomasjon er switcher ofte koblet til styringer, sensorer og aktuatorer. Switcher muliggjør medieredundans i form av ringtopologier for større tilgjengelighet.

Til dette formål har Analog Devices utviklet ADIN2111, en komplett 10BASE-T1L Ethernet to-porters switch konstruert for å bygge automatiseringsnettverk (figur 4). Ved å legge til langdistanse Ethernet-tilkobling til styringer, sensorer og aktuatorer, er enheten egnet for bruk i små, strømbegrensede kantenheter. ADIN2111 gir opptil 50 prosent besparelser i strømforbruk og opptil 75 prosent mer PCB-plass enn diskrete implementeringer.

Figur 4: Blokkskjema for ADIN2111. (Kilde: ADI)

ADIN2111 er konstruert for både seriekoblede og seriekoblede nettverk, og utnytter den eksisterende kablingsinfrastrukturen med ett vridd par i bygninger, og reduserer dermed ettermonteringskostnadene. Figur 5 viser hvordan flere enheter kan kobles til for å implementere både ring (overside) og in-line (underside) topologier. Merk at den siste kantsensoren er koblet til en transceiver med PHY og MAC, mens de to andre er koblet til en switch.

Figur 5: ADIN2111 10BASE-T1L støtter flere topologier for maksimal designfleksibilitet og skalerbarhet. (Kilde: ADI)

Switchen 10BASE-T1L er utstyrt med en MAC-OPPSLAGSTABELL med 16 adresser og støtter rask drift og lagring og videresending, slik at brukerne kan prioritere ventetid eller feilhåndtering ved behandling og videresending av datapakker. Avansert pakkefiltrering frigjør byrden med å håndtere prioritert trafikk fra prosessoren.

Switchen har avanserte diagnostiske funksjoner som reduserer installasjon, igangkjøring og systembrudd. Innbefattet blant disse er en koblingskvalitetsindikator med gjennomsnittlig kvadratfeil (MSE), koblingsdiagnostikk og IEEE-testmoduser, og deteksjon av kabeldefekter ved hjelp av tidsdomenereflektometri (TDR). Denne diagnostikkløsningen består av en svært nøyaktig on-chip TDR-motor og et sett med algoritmer som kjører på en verts-mikrokontroller, noe som gir maksimal fleksibilitet for et bredt spekter av kabler og mer avanserte kabeldiagnostiske funksjoner.

Denne løsningen er i samsvar med IEEE 802.3cg-standarden og støtter Ethernet-tilkobling over 1,7 km med kabling, redundans i ringesignaler og myke protokoller, inkludert Modbus/TCP, BACnet/IP og KNX i sanntid. Det bør også bemerkes at ADIN2111 kan brukes som en repeater i en uadministrert konfigurasjon for å utvide rekkevidden opptil, og til mer enn, 2000 meter.

Konklusjon

Innføringen av 10BASE-T1L har skapt nye muligheter for bygningsautomatisering, og revolusjonerer hvordan kommersielle og boligområder forvaltes og styres. Det er en ideell løsning for å implementere automatiseringsløsninger på grunn av kapasiteten til å utnytte eksisterende infrastruktur, gi fleksibilitet og forbedre dataoverføring.