Jak nákladově efektivní síťové senzory pro systémy řízení budov

Automatizace budov snižuje náklady na provoz a údržbu zařízení a zároveň poskytuje bezpečnější a pohodlnější prostředí pro obyvatele budovy. Zlepšení výkonnosti systému automatizace budov (BAS) se spoléhají na více dat z rostoucího počtu senzorů, jakož i na rostoucí počet ovládacích prvků/aktuátorů rozmístěných v celé budově. Toto nasazení vyžaduje nákladově efektivní a účinné prostředky pro přenos zachycených dat ze snímacího uzlu do centrálního uzlu nebo cloudu, kde je lze analyzovat, reagovat na ně a dodat požadované řídicí signály.

Nasazení senzorů a aktuátorů ve velkém měřítku, zejména ve starších budovách - a tam, kde není snadno dostupné napájení - může vyžadovat rozsáhlé a nákladné přepracování, aby bylo zajištěno plné pokrytí budovy. Nákladově efektivním řešením modernizace byly dosud sítě RS-485, bohatší datové sady a vyšší datové rychlosti však vyžadují alternativu s vyšší propustností.

Aby se minimalizovaly náklady a zároveň zvýšila propustnost, mohou konstruktéři využívat výhod aktuálně instalovaných jednoduchých kroucených dvojlinek Ethernet nebo kabelů RS-485 pomocí rozhraní 10BASE-T1L. Na základě datového komunikačního rozhraní paketového formátu IEEE 802.3cg-2019 má standard 10BASE-T1L propustnost 10 Mbit/s na vzdálenost až 1000 m. Dvouvodičové rozhraní může také poskytovat napájení přes datový kabel, čímž odpadá potřeba místních zdrojů napájení nebo vedení napájecích kabelů. Toto řešení také eliminuje potřebu energeticky náročných bran díky možnosti připojení neomezeného počtu zařízení.

Tento článek pojednává o požadavcích na řízení budov a o způsobu jejich dosavadních řešení. Poté představuje standard 10BASE-T1L Ethernet a demonstruje jednoduchost jeho implementace na příkladech řešení od společnosti Analog Devices. Ukazuje také, jak používat technologii softwarovou I/O (SWIO) technologii ke zjednodušení rozhraní senzorů pro ethernetové řídicí jednotky budov při zachování zpětné a dopředné kompatibility se systémy řízení budov (BMS). Článek též popisuje vhodnou vyhodnocovací desku, která konstruktérům pomáhá začít s rozhraním SWIO.

Úloha systému BAS nebo BMS

Systémy BAS nebo BMS se týkají automatizace a správy různých systémů budovy. Cíle systému BMS sahají od pohodlí uživatele až po efektivitu systému budovy, náklady na provoz a údržbu a bezpečnost. Systém BMS obsahuje čtyři vrstvy: dohlížecí, serverová/aplikační, provozní řídicí jednotka a vstupně/výstupní vrstvy.

Dohlížecí vrstva je fyzicky dvouvodičová přenosová vrstva, ve které jsou umístěna dohlížecí zařízení. Dohlížecí zařízení konsolidují veškerý provoz řídicích jednotek. Server/aplikace přijímá data z různých dohlížecích zařízení. Tato vrstva podporuje standardní ethernetové protokoly, jako jsou Modbus, KNX, BACnet a LON běžně používané v systémech správy budov. Tato vrstva dodává konsolidovaná data klientovi nebo koncovému uživateli prostřednictvím uživatelského rozhraní. Vrstva provozní řídicí jednotky sleduje vstupní data z teplotních senzorů a spínačů a řídí systémové výstupy, jako jsou akuátory a relé.

Posledním dílem stavebnice BMS je vstupní/výstupní vrstva. Tato vrstva je místem, kde se nacházejí senzory a řídicí jednotky. Některé senzory a aktuátory podporují protokol TCP/IP, což odstraňuje potřebu ovladače.

RS-485: klasické řešení konektivity systému BMS

K dnešnímu dni bylo rozhraní TIA/EIA-485, běžně známé jako RS-485, velmi široce používáno konstruktéry aplikací BMS, protože se jedná o levnou lokální síť s komunikačním spojením typu multidrop. RS-485 je pouze elektrický standard, který definuje elektrické charakteristiky přijímačů a ovladačů při implementaci vyváženého vícebodového přenosového vedení. Podporuje obousměrnou, poloduplexní výměnu dat přes jednu kroucenou dvojlinku a umožňuje připojení typu multidrop (připojení několika transceiverů na stejnou linku), což je ideální řešení pro systémy BMS.

Rozhraní RS-485 dále podporuje přiměřeně vysoké přenosové rychlosti: 35 Mbit/s na vzdálenost až 10 m a 100 kbit/s na vzdálenost 1 200 m. Podle praktických zkušeností s rozhraním RS-485 by rychlost v bitech/s vynásobená délkou kabelu v metrech neměla překročit 10E8. V důsledku toho je nejvyšší rychlost 50m kabelu 2 Mbit/s. V aplikacích řízení budov pomocí rozhraní RS-485 však použití tak vysoké rychlosti není obvyklé. Maximální rychlost pro BACnet MS/TP, běžný protokol automatizace budov běžící na fyzické vrstvě RS-485 (PHY), je 115 200 bitů/s.

Ve srovnání s jinými sériovými komunikačními linkami je hlavní výhodou linky RS-485 vysoká odolnost proti elektrickému šumu v náročných průmyslových prostředích. Charakteristika potlačení elektrického šumu RS-485, dlouhé kabelové trasy, podpora více transceiverů na jedné lince a přiměřeně vysoká rychlost přenosu dat dobře korespondují s prostředím BMS.

Ethernetový protokol 10BASE-T1L

S rostoucími požadavky na systémy BMS a bohatšími datovými sadami je propustnost stále důležitější. Standard 10BASE-T1L poskytuje alternativu vyšší rychlosti pro komunikaci typu point-to-point přes kroucenou dvoulinku, neboť podporuje rychlost 10 Mbit/s na vzdálenost 1000 m. 10BASE-T1L také řeší problémy v této oblasti, jako je napájení, kabeláž, vzdálenost a datové ostrovy, a zároveň eliminuje potřebu složitých bran.

„10“ ve standardu 10BASE-T1L označuje přenosovou rychlost 10 Mbit/s, „BASE“ označuje signály v základním pásmu, „T“ znamená „twisted pair“ (kroucená dvojlinka) a číslice „1“ označuje dosah 1 km. Konečné písmeno „L“ znamená „dlouhý dosah“ znamenající segmenty o délce 1 km. Standard 10BASE-T1L schopný dodávat výkon 500 mW přenáší síť Ethernet do jiskrově bezpečné zóny 0 nebo do aplikací v nebezpečných oblastech. V aplikacích, které nejsou jiskrově bezpečné, může dodávat výkon až 60 W.

Topologie sítě Ethernet 10BASE-T1L může být řetězová, linková nebo kruhová. Jak již bylo zmíněno, neexistují žádné brány: ethernetové pakety se přesouvají z okraje na řídicí úroveň a nakonec do cloudu, aby plněji realizovaly cíle hladké komunikace pro automatizaci budov.

Bez ohledu na skutečnost, zde se senzor nachází ve výrobním závodě nebo na pracovním stole, toto zjednodušené připojení sítě Ethernet ke cloudu umožňuje konfigurovat senzory pomocí mobilního telefonu nebo notebooku.

Hardwarové konfigurace pro automatizaci budov 10BASE-T1L

Pro vývoj snímacího uzlu s konektivitou Etherner 10BASE-T1L mají konstruktéři připraveny tři možnosti od společnosti Analog Devices. ADIN 1100 je robustní, průmyslový, nízkoenergetický transceiver 10BASE-T1L s ethernetovou fyzickou vrstvou (PHY); transceiver ADIN1110 je vybaven jak adresou kontroly přístupu k médiím (MAC), tak rozhraním PHY (obrázek 1).

Obrázek 1: ADIN1110 je nízkoenergetický jednoportový transceiver 10BASE-T1L s integrovanou fyzickou vrstvou Ethernet PHY a MAC. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Třetí možností je dvouportový přepínač s nízkou spotřebou a nízkou složitostí ADIN2111 se dvěma integrovanými fyzickými vrstvami 10BASE-T1L PHY a jedním portem sériového periferního rozhraní (SPI) (obrázek 2). Použití rozhraní SPI zjednodušuje požadavky na hostitelský procesor a dává uživateli více možností optimalizace zařízení z hlediska výkonu, nákladů a kvality.

Obrázek 2: ADIN2111 je nízkoenergetický dvouportový přepínač s nízkou složitostí a integrovanými fyzickými vrstvami PHY. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Zařízení ADIN1100 a ADIN2111 10BASE-T1L lze nasadit v řetězové (obrázek 3), linkové nebo kruhové síťové topologii. Ve srovnání s hvězdicovou sítí tyto síťové topologie sítě výrazně snižují objem potřebné kabeláže.

Obrázek 3: znázornění řetězové topologie pro síť 10BASE-T1L využívající řadič ADIN1100 a dvouportový přepínač ADIN2111. Lze také použít liniovou nebo kruhovou topologii. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

V začátcích práce s rozhraním 10BASE-T1L mohou konstruktéři použít vyhodnocovací desku EVAL-ADIN1100 pro přepínač ADIN1100. Deska poskytuje snadný přístup ke všem funkcím přepínače ADIN1100 a lze ji konfigurovat prostřednictvím grafického uživatelského rozhraní (GUI) v počítači nebo pomocí samostatné hardwarové konfigurace. Deska dva zásuvné šroubovací konektory pro kabel 10BASE-T1L a externí napájecí zdroj, ethernetový kabel Cat 5e s konektorem RJ45 a kabel s konektorem USB-A na micro-USB-B. K dispozici je také malá oblast pro prototypování.

Flexibilní senzorová rozhraní podporují standard 10BASE-T1L

Na okraji sítě BMS se nachází komplexní kombinace snímačů teploty, tlaku, zatížení, vlhkosti a tenzometrů, které vyžadují různé analogové obvody pro zachycení a aktivaci událostí systému BMS.

Pro přizpůsobení této široké škály rozhraní mohou konstruktéři využívat čtyřkanálový, softwarové programovatelný IO rozhraní I/O (SWIO) AD74412R od společnosti Analog Device pro řízení procesů a aplikace systému BMS. Rozhraní SWIO poskytuje jedinečnou úroveň flexibility pro přístup k jakékoli I/O funkci na jakémkoli pinu, což umožňuje kdykoli konfigurovat kanály. Programování může probíhat za chodu prostřednictvím 2vodičových ethernetových kanálů, které pokrývají celou budovu. To má za následek snížení požadavků na prostředky návrhu a možnost využití univerzálních produktů, které lze v automatizované budově rychle a široce instalovat.

Obvod AD74412R obsahuje analogový vstup, analogový výstup, digitální vstup a nabízí možnost měření odporovým teplotním detektorem (RTD) pomocí kompatibilního rozhraní SPI. Obvod znázorněn na obrázku 4 se 16bitovým analogově-digitálním převodníkem (ADC) Σ-Δ, skupinou diagnostických funkcí, a čtyřmi konfigurovatelnými 13bitovými digitálně-analogovými převodníky (DAC), které poskytují čtyři konfigurovatelné I/O kanály.

Obrázek 4: čtyřkanálový obvod SWIO AD74412R obsahuje čtyři konfigurovatelné 13bitové DAC převodníky, které poskytují čtyři konfigurovatelné I/O kanály. Obvod zahrnuje také 16bitový ADC převodník Σ-Δ a skupinu diagnostických funkcí. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Režimy související s obvodem AD74412R zahrnují proudový výstup, napěťový výstup, napěťový vstup, externě napájený proudový vstup, proudový vstup napájený ve smyčce, externí měření RTD, logiku digitálního vstupu a digitální vstup napájený ve smyčce. Rozhraní AD74412R používá také vysoce přesné interní referenční napětí 2,5 V pro DAC a ADC převodníky.

Návrh pomocí vyhodnocovací desky AD7441R

Pro obvod AD74412R SWIO je k dispozici téměř nespočet analogových aplikací. Jako pomoc při začátcích nabízí společnost Analog Devices konstruktérům vyhodnocovací desku EV-AD74412RSDZ (obrázek 5). Tato vyhodnocovací deska umožňuje provádět technický průzkum s možnostmi rekonfigurace na desce a programováním v počítači.

Obrázek 5: EV-AD74412RSDZ je plně vybavená vyhodnocovací deska pro obvod AD74412R. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Vyhodnocovací software AD74412R komunikuje s deskou EV-AD74412RSDZ prostřednictvím systémové demonstrační platformy (SDP) EVAL-SDP-CS1Z, která odebírá vstupní a výstupní signály z desky. Díky rozevírací nabídce zjednodušuje konfiguraci AD74412R a poskytuje diagnostické nástroje.

Závěr

Rozhraní 10BASE-T1L zajišťuje realizaci systémů BAS nové generace s propustností 10 Mbit/s na vzdálenost až 1000 m, přičemž podporuje i starší kroucené dvoulinky. Bylo ukázáno, že pomocí transceiveru ADIN1100 10BASE-T1L, dvouportového ethernetového přepínače ADIN2111 a čtyřkanálového softwarově programovatelného I/O (SWIO) řešení AD74412R pro řízení procesů a aplikace BMS mohou konstruktéři rychle implementovat senzorovou síť 10BASE-T1L, která je zpětně i dopředně kompatibilní.