Revolutionerende bygningsautomatisering med 10BASE-T1L

Inden for bygningsautomatisering er der sket enorme forbedringer i de senere år, hvilket har gjort det muligt at styre erhvervs- og boligbygninger mere effektivt.

I dag er der et udbredt behov for effektive og bæredygtige systemer, der kan gøre bygninger sundere for beboerne, samtidig med at strømforbruget minimeres, og datagennemstrømningen og kontrolmulighederne øges i realtid.

Udfordringerne ved bygningsautomatisering

Designere og systemintegratorer står over for flere udfordringer i forbindelse med bygningsautomatisering, herunder:

• Hurtig forældelse af teknologi: Eksisterende systemer kan blive forældet på grund af hurtige forbedringer i teknologien, hvilket resulterer i reduceret funktionalitet, support og integration med nye teknologier.
• Krav til effektivitet og bæredygtighed: Energieffektivitet, forbedring af fejldetektering/diagnostik, overvågning af indendørs miljøkvalitet (indoor environmental quality/IEQ) og forvaltning af vandressourcer er alle nødvendigheder for bygningsejere og -operatører.
• Dataanalytik og optimering: Moderne tendenser inden for dataanalytik og -optimering har gjort det nødvendigt at indarbejde dataindsamling, -analyse og -fortolkning i bygningsautomatiseringssystemer. Det baner vejen for datadrevet optimering af bygningens ydeevne, afsløring af ineffektivitet og implementering af korrigerende handlinger.
• Interoperabilitet: Det er svært at sikre kompatibilitet og integration mellem systemer, der tilbydes af forskellige leverandører. Derudover kan et systems effektivitet hæmmes af inkompatibilitet, proprietære protokoller og mangel på standardisering.

Som vist i figur 1 vil det kræve intelligente bygninger, der er i stand til at løse disse problemer ved at:

• muliggøre centraliseret konfiguration og administration på virksomhedsniveau via cloud-forbindelse
• fjerne afhængigheden af oversættelsesgateways på styringsniveauet
• flytte intelligensen til kanten, så sensorer og aktuatorer kan udveksle en stor mængde data

Figur 1: Forsyning af bygninger med interoperabel kant-til-sky-forbindelse. (Kilde: ADI)

Datakommunikationens betydningen vokser inden for industri- og bygningsautomatisering. Den nuværende stigning i datamængder har ført til erkendelsen af, at traditionelle løsninger nærmer sig deres fysiologiske tærskel. Derfor er Ethernet ved at blive den fremherskende kommunikationsstandard. Den konventionelle 4-tråds Ethernet-løsning er blevet til en 2-tråds løsning kaldet 10BASE-T1L, som består af en enkelt parsnoet ledning.

Hvordan 10BASE-T1L-standarden driver forandringen frem

Introduktionen af IEEE 802.3cg-10BASE-T1L-specifikationen i 2019 har løst flere kommunikationsproblemer i industrien og i bygningsadministrationen ved at muliggøre 10 Mbps fuld-duplex kommunikation op til 1.000 meter over en enkelt parsnoet ledning.

10BASE-T1L-standarden overvinder flere begrænsninger ved traditionelle kommunikationssystemer, herunder begrænsninger relateret til kabler, båndbredde, afstand og strøm inden for bygningsautomatisering. Her er en oversigt over, hvordan 10BASE-T1L-standarden håndterer disse begrænsninger:

• Kabling: 10BASE-T1L-standarden muliggør problemfri Ethernet-forbindelse til enheder på feltniveau som sensorer og aktuatorer ved at levere en fysisk lagløsning, der er i stand til at overføre Ethernet-signaler og strøm over de samme parsnoede kabler. Det eliminerer behovet for kompleks og dyr kabelinfrastruktur og gør det dermed lettere at implementere og installere Ethernet-netværksautomatisering i bygninger. Derudover kan Ethernet-pakker gå direkte fra kanten til skyen, hvilket fjerner behovet for gateway-oversættelse.
• Båndbredde: 10BASE-T1L-standarden understøtter dataoverførselshastigheder på op til 10 Mbps, hvilket er tilstrækkeligt til en række bygningsautomatiseringsapplikationer. Denne båndbredde er højere end konventionelle feltbusser (hvor den er begrænset til et par kbps) og muliggør overførsel af værdier fra sensorer eller direkte til aktuatorer samt yderligere enhedsparametre, såsom konfigurations- og parametreringsdata.
• Afstand: 10BASE-T1L-standardens evne til at understøtte Ethernet-forbindelser over lange afstande er en af dens primære fordele. Det giver mulighed for forbindelser på op til 1 kilometer, hvilket er betydeligt længere end den traditionelle Ethernet-standard. Det gør den velegnet til applikationer, hvor enhederne er spredt over store områder, som f.eks. industrianlæg og bilsamlefabrikker.

Desuden er 10BASE-T1L-standarden beregnet til brug i omgivelser med begrænsede strømressourcer på grund af dens lave strømforbrug. Dette er af afgørende betydning i enheder på feltniveau, hvor batterilevetid og strømforbrug er kritisk.

I nogle tilfælde er det nødvendigt at levere både data og strøm (op til 60 W i områder, der ikke er egensikre) via 10BASE-T1L som der er defineret i standarden. 10BASE-T1L understøtter to amplitude-tilstande: 2,4 V for kabellængder på op til 1.000 m og 1,0 V for kortere længder på op til 200 m. Takket være 1,0 V spids-til-spids-amplitude-tilstanden kan denne teknologi også bruges i eksplosionsbeskyttede miljøer (eksplosionsfarlige områder) og opfylder de strenge krav til maksimalt strømforbrug, der gælder (maksimal effekt er begrænset til 500 mW).

En reference-brugssituation

En typisk brugssituation for 10BASE-T1L-standarden er vist i figur 2. Denne intelligente bygningsapplikation udnytter egenskaberne ved 10BASE-T1L til at indsamle og aggregere data på forskellige niveauer, fra slutnoden (sensorer og aktuatorer) op til virksomheds-/IT-niveauet i skyen.

Enheder til styring af rum (rumcontrollere) kan have direkte (punkt-til-punkt) forbindelser med feltenhederne eller forbindes til en række enheder, der er serieforbundet i en ”daisy chain”. Desuden kan hver rumcontroller konfigureres til at acceptere forbindelser fra ældre enheder.

Hver bygning har sin egen anlægscontroller, som er forbundet til et væld af rumcontrollere via 10BASE-T1L-links samt til andre bygningers anlægscontrollere via 100 Mb/Gb industrielt Ethernet.

Til kortrækkende forbindelser til sensorer og aktuatorer (op til 25 meter), som i tilfældet med elevatorens kabinecontroller til højre i figur 2, er 10BASE-T1S-standarden mere passende.

Figur 2: en brugssituation for intelligente bygninger. (Kilde: ADI)

10BASE-T1L transceiver

Analog Devices har udviklet ADIN1110, som er en 10BASE-T1L-transceiver med ultralavt strømforbrug og en enkel port, der er velegnet til Ethernet-baserede applikationer inden for industri- og bygningsautomatisering. Det overholder IEEE 802.3cg-2019 Ethernet-standarden for 10 Mbps enkelt par Ethernet (single pair Ethernet/SPE) med lang rækkevidde og er designet til disse anvendelsessituationer.

Som det fremgår af figur 3, indeholder komponenten en MAC(Media Access Control) -grænseflade. Det gør det muligt at etablere direkte kontakt med flere værtscontrollere ved hjælp af en seriel perifer grænseflade (SPI), der bruger fire ledninger. Denne SPI gør det muligt at bruge processorer med reduceret strømforbrug, fordi der ikke er behov for en integreret MAC, hvilket resulterer i det laveste samlede strømforbrug for systemet. Både Open Alliance SPI-protokollen og en generisk SPI-protokol er tilgængelige som valgmuligheder til brug med SPI'en, når den konfigureres.

ADIN1110’en indeholder spændingsforsyningsovervågning og POR(power-on reset) -kredsløb for at forbedre robustheden på systemniveau. Den har også et lavt strømforbrug (typisk 42 mW) og understøtter 1 VPP- og 2,4 VPP-transmissionsniveauer, samt automatisk forhandling (auto-negotiation) og 16 MAC-adresser til rammefiltrering.

Figur 3: Blokdiagram over ADIN1110 MAC PHY-transceiver. (Kilde: ADI)

10BASE-T1L's større rækkevidde gør det muligt at installere automatiseringsenheder i større bygninger og samtidig opretholde en problemfri forbindelse. Takket være denne fleksibilitet og skalerbarhed kan facility managers nemt overvåge og ændre indstillinger for applikationer som belysning, klima/HVAC-kontrol, sikkerhed og energistyring.

Derudover muliggør 10BASE-T1L's øgede datatransmissionshastighed overvågning og kontrol af bygningssystemer i realtid, hvilket fører til større driftseffektivitet. Responstiden, latenstiden og pålideligheden af automatiseringsenhedernes kommunikation forbedres med denne teknologi.

10BASE-T1L Ethernet-switch

Ligesom Ethernet-standarden giver 10BASE-T1L switche mulighed for at forbinde forskellige netværkssegmenter og enheder. Forskellige netværkstopologier kan konstrueres og bruges til at forsyne tilsluttede enheder med strøm. I bygningsautomatisering er switches ofte forbundet med controllere, sensorer og aktuatorer. For større tilgængelighed muliggør switche medieredundans i form af ringtopologier.

Til dette formål har Analog Devices udviklet ADIN2111, en komplet 10BASE-T1L Ethernet-switch med to porte designet til bygningsautomatiseringsnetværk (figur 4). Enheden tilføjer Ethernet-tilslutning med lang rækkevidde til controllere, sensorer og aktuatorer og er velegnet til brug i små, strømbegrænsede kant-enheder. ADIN2111 giver op til 50 procent besparelse i strømforbrug og op til 75 procent mere plads på printkort end diskrete implementeringer.

Figur 4: Blokdiagram over ADIN2111. (Kilde: ADI)

ADIN2111 er designet til både in-line og ring daisy-chain-netværk, der udnytter den eksisterende kabelinfrastruktur baseret på anvendelse af kabler med enkelt parsnoede ledninger (single twisted pair/STP) i bygninger, hvilket reducerer omkostningerne i forbindelse med eftermontering. Figur 5 viser, hvordan flere enheder kan forbindes for at implementere både ring- (øverste side) og in-linetopologier (nederste side). Bemærk, at den sidste kantsensor er forbundet til en transceiver med PHY og MAC, mens de to andre er forbundet til en switch.

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

10BASE-T1L-switchen er udstyret med en MAC-opslagstabel med 16 adresser og understøtter ’cut-through’ (gennemskæring) og gem-og-videresend (store and forward) -funktion, så brugerne kan prioritere latenstid eller fejlhåndtering, når de behandler og videresender datapakker. Avanceret pakkefiltrering letter processoren fra belastningen med at håndtere prioriteret trafik.

Switchen har sofistikerede diagnosticeringsfunktioner, der reducerer installation, idriftsættelse og systemnedbrud. Blandt disse er en link-kvalitetsindikator med middelkvadratsafvigelse (mean square error/MSE), link-diagnostik og IEEE-testtilstande samt detektering af kabeldefekter ved hjælp af tidsdomæne-reflektometri (TDR). Denne diagnoseløsning består af en meget nøjagtig ’on-chip’ TDR-motor og et sæt algoritmer, der kører på en værtsmikrocontroller, hvilket giver maksimal fleksibilitet til en bred vifte af kabler og mere avancerede kabeldiagnosefunktioner.

I overensstemmelse med IEEE 802.3cg-standarden understøtter denne løsning Ethernet-forbindelse over 1,7 km kabelføring, ringredundans og bløde protokoller, herunder Modbus/TCP, BACnet/IP og KNX i realtid. Det skal også bemærkes, at ADIN2111 kan bruges som en repeater i en ikke-styret konfiguration for at udvide rækkevidden op til og ud over 2.000 meter.

Konklusion

Introduktionen af 10BASE-T1L har skabt nye muligheder for bygningsautomatisering og revolutioneret den måde, hvorpå kommercielle og boliger områder administreres og kontrolleres. Det er en ideel løsning til implementering af automatiseringsløsninger på grund af dets evne til at udnytte eksisterende infrastruktur, give fleksibilitet og forbedre datatransmissionen.