Sådan oprettes et omkostningseffektivt netværk af sensorer til bygningsstyringssystemer

Bygningsautomatisering reducerer omkostningerne til drifts og vedligeholdelse for et anlæg, samtidig med at det giver et mere sikkert og behageligt miljø for bygningens beboere. Forbedringer af et system til bygningsautomatisering (BAS) ydeevne er afhængige af flere data fra et stigende antal sensorer og til et ligeledes stigende antal styringer/aktuatorer, der er placeret i en bygning. Denne implementering kræver en omkostningseffektiv og effektiv måde at transportere de indsamlede data fra sensor-knudepunkterne til en central hub eller Cloud'en, hvor de kan analyseres og behandles, og de nødvendige styresignaler kan leveres.

Udrulning af sensorer og aktuatorer i stor skala, især i ældre bygninger, og hvor strøm ikke er let tilgængelig, kan kræve omfattende og dyre ombygninger for at sikre fuld dækning af bygningen. Hidtil har RS-485 netværk været en omkostningseffektiv løsning til eftermontering, men rigere datasæt og højere datahastigheder kræver et alternativ med højere gennemløb.

For at minimere omkostningerne og samtidig øge transmission kan designere drage fordel af de nuværende installerede Ethernet- eller RS-485 ledninger med enkelt twisted-pair kabler ved at bruge 10BASE-T1L. Baseret på IEEE-standard 802.3cg-2019 grænsefladen til datakommunikation i pakkeformat har 10BASE-T1L en kapacitet på 10 megabit pr. sekund (Mbits/s) over afstande på op til 1000 meter (m). Der er mulighed for, at det totrådede grænseflade også kan levere strøm via datakablet, hvilket eliminerer behovet for lokale strømkilder eller for at skulle føre strømkabler. Dette eliminerer også behovet for strømslugende gateways ved at kunne oprette forbindelse til ubegrænsede enheder.

Denne artikel omhandler kravene til bygningskontrol, og hvordan de er blevet behandlet indtil nu. Derefter introduceres 10BASE-T1L Ethernet og eksempeler p  løsninger fra Analog Devices for at demonstrere, hvor let det kan implementeres. Den viser også, hvordan man kan bruge software I/O-teknologi (SWIO) til at forenkle sensor-grænsefladen til enheder til Ethernet-netværksstyring til bygninger, samtidig med at man bevarer bagud- og fremadrettet kompatibilitet med systemer til bygningsadministration (BMS'er). Der beskrives også et egnet evalkort, der kan hjælpe designere med at komme i gang med SWIO.

Rollen som BAS eller BMS

BAS'er eller BMS'er henviser til automatisering og styring af en bygnings forskellige systemer. BMS-målene spænder fra komfort for brugerne til bygningssystemets effektivitet, drifts- og vedligeholdelsesomkostninger og sikkerhed. De fire lag i et BMS er overvågnings-, server/applikations-, feltcontroller- og input/output-lagene.

Laget til overvågning er fysisk set det totråds+ transmissionslag, hvor enhederne til overvågnings sidder. Enhederne til overvågnings konsoliderer al trafik fra styringsenhederne i marken. Serveren/applikationen modtager data fra forskellige overvågningsenheder. Dette lag understøtter standard Ethernet protokoller som Modbus, KNX, BACnet og LON, der almindeligvis anvendes i bygningsstyringssystemer. Dette lag leverer de konsoliderede data til klienten eller slutbrugeren via brugergrænsefladen. Felt kontrollaget ser på inputdata fra temperatursensorer og afbrydere og styrer systemudgange, f.eks. aktuatorer og relæer.

Den sidste brik i BMS-puslespillet er input/output-laget. Det er i dette lag, at sensorer og kontrolenheder findes. Nogle sensorer og aktuatorer understøtter TCP/IP, hvilket gør det unødvendigt at bruge en controller.

RS-485: En klassisk BMS-tilslutningsløsning

Hidtil har TIA/EIA-485 grænsefladen, almindeligvis kendt som RS-485, været meget udbredt blandt designere af BMS-applikationer, da det er et billigt lokalt netværk med multidrop kommunikationsforbindelser. RS-485 er en standard, der kun er elektrisk, og som definerer de elektriske egenskaber for modtagere og drivere ved implementering af en balanceret multipunkts verførselslinje. Den understøtter en tovejs halv-duplex dataudveksling over en snoet parforbindelse og giver mulighed for multidrop forbindelser (tilslutning af flere transceivere til den samme linje), hvilket er ideelt til BMS'er.

RS-485 understøtter også rimeligt høje datahastigheder: 35 Mbits/s over afstande på op til 10 m og 100 kbit over 1.200 m. Tommelfingerreglen for RS-485 er, at hastigheden i bits/s ganget med kabellængden i meter ikke bør overstige 10E8. Den højeste hastighed for et 50 m langt kabel er derfor 2 Mbits/s. Det er dog ualmindeligt at bruge en så høj hastighed i RS-485 applikationer til bygningsstyring. Den maksimale hastighed for BACnet MS/TP, en almindelig protokol til bygningsautomatisering, der kører på det fysiske lag (PHY) RS-485, er 115.200 bits/s).

Sammenlignet med andre serielle kommunikationsforbindelser er RS-485 kommunikationsforbindelsens største fordel dens høje tolerance over for elektrisk støj i barske industrielle miljøer. RS-485 egenskaberne til afvisning af elektrisk støj, lange kabelstrækninger, understøttelse af flere transceivere på en enkelt linje og en rimelig hurtig dataoverførselshastighed passer godt til BMS-miljøet.

10BASE-T1L Ethernet-protokollen

Efterhånden som kravene til BMS stiger, og datasættene bliver rigere, bliver gennemstrømning stadig vigtigere. 10BASE-T1L giver et alternativ med højere hastighed til punkt-til-punkt kommunikation via twisted-pair kabler, da den understøtter 10 Mbits/s over 1000 m. 10BASE-T1L løser også udfordringer i marken, f.eks. strøm, kabelføring, afstand og data-øer, og eliminerer samtidig behovet for komplekse gateways.

"10" i 10BASE-T1L henviser til transmissionshastigheden på 10 Mbit/s, "BASE" henviser til basisbåndssignaler, "T" står for "twisted-pair", og tallet "1" står for 1 kilometer (km) rækkevidde. Det sidste "L" står for "long range" og angiver segmentlængder på 1 km. 10BASE-T1L, der kan levere 500 milliwatt (mW), bringer Ethernet ind i egensikre Zone 0- eller farlige områdeapplikationer. I ikke-intrinsisk sikre applikationer kan den levere op til 60 watt.

Topologien i et 10BASE-T1L Ethernet-netværk kan være en daisy-chain, en linje eller en ring. Som nævnt er der ingen gateways. Ethernet-pakkerne bevæger sig fra Edge'en til styringsniveauet og til sidst til cloud'en for bedre at opfylde målsætningerne om problemfri kommunikation til bygningsautomatisering.

Uanset om sensoren befinder sig på et produktionsanlæg eller på skrivebordet, gør denne forenklede Ethernet-til-cloud forbindelse det muligt at konfigurere sensorer med en mobiltelefon eller bærbar computer.

Konfigurationer af 10BASE-T1L hardware til bygningsautomatisering

For at udvikle en 10BASE-T1L Ethernet-forbindelse sensing-knude har designere tre færdige muligheder fra Analog Devices. ADIN1100 er en robust, industriel 10BASE-T1L transceiver med lavt strømforbrug og et fysisk Ethernet-lag (PHY); ADIN1110 har både MAC- og PHY-interface (Media Access Control) (figur 1).

Figur 1: ADIN1110 er en 10BASE-T1L transceiver med lav effekt og enkeltport med en integreret Ethernet PHY og MAC. (Billedkilde: Analog Devices)

Den tredje mulighed er ADIN2111, en toports switch med lavt strømforbrug og lav kompleksitet med to integrerede 10BASE-T1L PHY'er og en SPI-port (seriel perifer grænseflade) (Figur 2). Brug af SPI letter kravene til host- processoren og giver brugeren flere muligheder for at optimere en enhed med hensyn til strøm, omkostninger og ydeevne.

Figur 2: ADIN2111 er en to-ports switch med lav effekt og lav kompleksitet med integreret PHY'er. (Billedkilde: Analog Devices)

ADIN1100- og ADIN2111 10BASE-T1L enhederne kan installeres i en daisy-chain (Figur 3), linje- eller ringnetværkstopologi. Sammenlignet med et stjernenetværk reducerer disse netværkstopologier mængden af nødvendig kabling betydeligt.

Figur 3: Her vises en daisy-chain topologi for et 10BASE-T1L netværk ved hjælp af ADIN1100-controlleren og ADIN2111-switchen med to porte. Der kan også anvendes linje- eller ring-topologier. (Billedkilde: Analog Devices)

For at komme i gang med 10BASE-T1L kan designere bruge EVAL-ADIN1100 evalueringskortet til ADIN1100. Kortet giver nem adgang til alle ADIN1100-funktioner og kan konfigureres via en grafisk brugergrænseflade (GUI) på en pc eller via stand-alone hardware-konfigureret drift. Den indeholder to plug-in skrueterminalstik til 10BASE T1L-kabel og en ekstern strømforsyning, Cat 5e Ethernet kabel med RJ45-stik og et USB-A til micro USB-B kabel. Der er også et lille prototypeområde.

Fleksible sensor-grænseflader understøtter 10BASE-T1L

I Edge'en af BMS-netværket er der en kompleks blanding af temperatur-, tryk-, belastnings-, fugtigheds- og spændingsmåler sensorer, som kræver en række analoge kredsløb til at registrere og aktivere BMS-hændelser.

For at imødekomme denne række forskellige grænseflader kan designere bruge Analog Devices' AD74412R, en SWIO interface-IC (SWIO) med firekanals softwareprogrammerbar I/O-grænseflade til processtyring og BMS-applikationer. SWIO giver en unik fleksibilitet for adgang til enhver I/O-funktion på enhver ben, så designere kan konfigurere kanaler til enhver tid. Programmeringen kan ske i farten via 2-leder Ethernet-kanaler, der dækker en hel bygning. Dette resulterer i færre krav til designressourcer og universelle produkter, der hurtigt og bredt kan anvendes i en automatiseret bygning.

AD74412R indeholder en analog indgang, en analog udgang, en digital indgang og mulighed for at udføre målinger af RTD med en kompatibel SPI. Den er vist i figur 4 med dennes 16-bit Σ-Δ analog-til-digital konverter (ADC), en gruppe af diagnostiske funktioner og dennes fire konfigurerbare 13-bit digital-til-analog konverter (DAC), der giver fire konfigurerbare I/O-kanaler.

Figur 4: AD74412R quad-kanals SWIO har fire konfigurerbare 13-bit DAC'er, der giver fire konfigurerbare I/O-kanaler. Der er også inkluderet en 16-bit, Σ-Δ ADC og en gruppe af diagnostiske funktioner. (Billedkilde: Analog Devices)

De tilstande, der er relateret til AD74412R, er strømudgang, spændingsudgang, spændingsindgang, eksternt strømindgang, loop-powered strømindgang, ekstern RTD-måling, digital indgangslogik og loop-drevet digital indgang. AD74412R har også en intern reference på 2,5 volt med høj nøjagtighed til DAC'erne og ADC'en.

Design ved hjælp af evalueringskortet AD7441R

De analoge anvendelser for AD74412R SWIO er næsten utallige. Analog Devices har et evalueringskort, EV-AD74412RSDZ (figur 5), som hjælper designere med at komme i gang. Dette evalueringskort giver mulighed for teknisk udforskning med indbyggede rekonfigurationsmuligheder og PC-baseret programmerbarhed.

Figur 5: EV-AD74412RSDZ er et fuldt udstyret evalueringskort til AD74412R. (Billedkilde: Analog Devices)

AD74412R evalueringssoftwaren kommunikerer med EV-AD74412RSDZ via EVAL-SDP-CS1Z system demonstrationsplatformen(SDP), der tager input- og output-signaler fra kortet. Med sin drop-down menu-grænseflade forenkler den konfigurationen af AD74412R og giver diagnostiske værktøjer.

Konklusion

10BASE-T1L provides for next-generation af BASs with 10 Mbit/s throughput at a distance of up to 1000 m, while supporting legacy totrådede twisted pair installations. Som vist kan designere ved hjælp af en ADIN1100 10BASE-T1L transceiver, ADIN2111 Ethernet-switch med to porte og en AD74412R SWIO-løsning (SWIO) med firekanals software programmerbar I/O til processtyring og BMS-applikationer hurtigt implementere et 10BASE-T1L sensor-netværk, der er bagud- og fremadrettet kompatibelt.