Revoluce v oblasti automatizace budov se standardem 10BASE-T1L

Oblast automatizace budov zaznamenala v posledních letech obrovské zlepšení, což umožnilo efektivnější správu komerčních a obytných budov.

V současné době je široce rozšířená potřeba účinných a udržitelných systémů, aby se budovy staly zdravějším prostředím pro obyvatele a zároveň se minimalizovala spotřeba energie a zvýšila propustnost a možnosti řízení v reálném čase s vysokým objemem dat.

Výzvy automatizace budov

Konstruktéři a systémoví integrátoři jsou postaveni před řešení několika problémů, které přináší automatizace budov, včetně následujících:

• Rychlé zastarávání technologií: stávající systémy mohou být zastaralé kvůli rychlým technologickým pokrokům, což vede ke snížení funkčnosti, podpory a integrace s novými technologiemi.
• Požadavky na účinnost a udržitelnost: energetická účinnost, zlepšení detekce/diagnostiky poruch, monitorování kvality vnitřního prostředí (IEQ) a správa vodních zdrojů jsou pro vlastníky a provozovatele budov nezbytností.
• Analytika a optimalizace dat: moderní tendence v analýze a optimalizaci dat si vyžádaly začlenění možností sběru, analýzy a interpretace dat do systémů automatizace budov. Tento krok otevírá cestu datově řízené optimalizaci výkonu budovy, detekci neefektivity a implementaci nápravných opatření.
• Interoperabilita: zajištění kompatibility a integrace mezi systémy nabízenými různými prodejci je obtížné. Účinnost systému může být dále omezena nekompatibilitou, speciálními protokoly a nedostatkem standardizace.

Jak je znázorněno na obrázku 1, řešení těchto problémů bude vyžadovat inteligentní budovy s následujícími schopnostmi:

• Možnost centralizované konfigurace a správy na podnikové úrovni prostřednictvím cloudového připojení
• Odstranění závislosti z překladových bran na úrovni řadiče.
• Posun inteligence na okraj, aby si senzory a akční členy mohly vyměňovat si velké objemy dat.

Obrázek 1:vybavení budov interoperabilní konektivitou edge-to-cloud. (Zdroj: ADI)

Význam datové komunikace v oblasti průmyslové automatizace a automatizace budov roste. Současný nárůst objemu dat vedl k poznání, že tradiční řešení se blíží svému fyziologickému prahu. V důsledku toho se převládajícím komunikačním standardem stává Ethernet. Konvenční 4vodičové ethernetové řešení se transformovalo na 2vodičové řešení s jedním párem kroucených vodičů označované jako 10BASE-T1L.

Jak standard 10BASE-T1L řídí změnu

Zavedení specifikace IEEE 802.3cg 10BASE-T1L v roce 2019 vyřešilo několik problémů s komunikací v průmyslu a správě budov tím, že umožnilo plně duplexní komunikaci rychlostí 10 Mb/s na vzdálenost až 1000 m přes jediný pár kroucených vodičů.

Standard 10BASE-T1L překonává několik omezení tradičních komunikačních systémů v oblasti automatizace budov včetně omezení souvisejících s kabeláží, šířkou pásma, vzdáleností a výkonem. Zde je výčet toho, jak standard 10BASE-T1L tato omezení řeší:

• Kabeláž: standard 10BASE-T1L podporuje hladkou ethernetovou konektivitu pro zařízení v místě provozu, jako jsou senzory a akční členy, poskytováním řešení fyzické vrstvy schopné přenášet ethernetové signály a napájení prostřednictvím jediného krouceného páru kabelů. Toto řešení eliminuje potřebu složité a nákladné kabelové infrastruktury, a usnadňuje tak nasazení a instalaci automatizace budování ethernetové sítě. Kromě toho mohou ethernetové pakety přecházet přímo z okraje do cloudu, čímž odpadá nutnost překladu brány.
• Šířka pásma: standard 10BASE-T1L podporuje přenos dat rychlostí až 10 Mbps, která je dostatečná pro různé aplikace automatizace budov. Tato šířka pásma je větší než u konvenčních provozních sběrnic (kde je omezena na několik kb/s) a umožňuje přenos hodnot ze senzorů nebo přímo do akčních členů, stejně jako dalších parametrů zařízení, jako jsou konfigurační a parametrizační data.
• Vzdálenost: schopnost standardu 10BASE-T1L podporovat dálková ethernetová připojení je jednou z jeho hlavních výhod. Umožňuje připojení až do délky 1 km, což je podstatně více než u tradičního standardu Ethernet. Díky tomu je vhodný pro aplikace, kde jsou zařízení rozptýlená na velkých plochách, jako jsou průmyslové závody a montážní závody automobilů.

Standard 10BASE-T1L je díky jeho nízkým enegetickým nárokům dále určen pro použití v prostředích s omezenými zdroji energie. To má prvořadý význam u zařízení na provozní úrovni, kde je životnost baterie a spotřeba energie rozhodující.

V některých případech je nutné prostřednictvím standardu 10BASE-T1L poskytovat data i napájení (až 60 W v jiskrově bezpečných oblastech), jak je definováno v rámci standardu. Standard 10BASE-T1L podporuje dva režimy amplitudy: 2,4 V pro kabely s délkou do 1 000 m a 1,0 V pro kabely v kratších délkách do 200 m. Prostřednictvím režimu1,0 V amplitudy špička-špička lze tuto technologii používat také v prostředích chráněných proti výbuchu (v nebezpečných oblastech). Technologie také splňuje přísné platné požadavky na maximální odběr proudu (maximální výkon je omezen na 500 mW).

Referenční případ použití

Typický případ použití standardu 10BASE-T1L je znázorněn na obrázku 2. Tato aplikace pro inteligentní budovy využívá vlastnosti standardu 10BASE-T1L ke shromažďování a agregaci dat na různých úrovních, od koncového uzlu (senzory a akční členy) až po podnikovou/IT úroveň v cloudu.

Řídicí jednotky místnosti mohou používat přímé (point-to-point) spojení s provozními zařízeními, nebo se mohou připojit k řadě zařízení propojených v řetězci. Každý pokojový ovladač lze navíc nakonfigurovat tak, aby přijímal připojení ze starších zařízení.

Každá budova má vlastní centrální řídicí jednotku, která je prostřednictvím linek 10BASE-T1L připojena k velkému množství řídicích jednotek místností a prostřednictvím průmyslového Ethernetu 100 Mb/Gb také k řídicím jednotkám dalších budov.

Pro připojení na krátkou vzdálenost k senzorům a akčním členům (do 25 m), jako v případě kabinového ovladače výtahu vpravo na obrázku 2, je vhodnější standard 10BASE-T1S.

Obrázek 2: případ použití chytré budovy. (Zdroj: ADI)

Transceiver 10BASE-T1L

Společnost Analog Devices vyvinula model ADIN1110, což je jednoportový transceiver 10BASE-T1L s extrémně nízkou spotřebou energie vhodný pro aplikace založené na Ethernetu v automatizaci průmyslu a budov. Díky velkému dosahu transceiver vyhovuje standardům IEEE 802.3cg-2019 Ethernet a 10 Mbps single pair Ethernet (SPE) a pro použití v těchto aplikacích byl také navržen.

Jak je znázorněno na obrázku 3, součást obsahuje rozhraní media access control (MAC). Toto řešení umožňuje navázat přímý kontakt s několika hostitelskými řadiči pomocí sériového periferního rozhraní (SPI) používajícího čtyři vodiče. Vzhledem k tomu, že není potřeba integrované rozhraní MAC, toto rozhraní SPI umožňuje použití procesorů se sníženou spotřebou energie, což má za následek nejnižší celkovou spotřebu energie systému. Při konfiguraci rozhraní SPI lze volitelně používat protokol Open Alliance SPI i obecný protokol SPI.

Transceiver ADIN1110 zahrnuje monitorování napájecího napětí a obvody POR (power-on reset), které zvyšují odolnost na úrovni systému. Transceiver také nabízí nízkou spotřebu energie (typicky 42 mW) a podporuje úrovně přenosu 1 VPP a 2,4 VPP, stejně jako automatické vyjednávání a 16 MAC adres pro filtrování rámců.

Obrázek 3: blokové schéma transceiveru ADIN1110 MAC PHY. (Zdroj: ADI)

Větší řada 10BASE-T1L umožňuje instalovat automatizační zařízení ve větších budovách při zachování hladké konektivity. Díky této flexibilitě a škálovatelnosti mohou správci zařízení snadno monitorovat a upravovat nastavení aplikací, jako je osvětlení, ovládání klimatizace/HVAC, zabezpečení a správa energie.

Navíc zvýšená rychlost přenosu dat 10BASE-T1L dále umožňuje monitorování a řízení systémů budovy v reálném čase, což vede k vyšší provozní efektivitě. Tato technologie zlepšuje dobu odezvy, latenci a spolehlivost komunikace automatizačních zařízení.

Ethernetový přepínač 10BASE-T1L

Stejně jako standard Ethernet poskytuje standard 10BASE-T1L přepínače pro připojení různých segmentů sítě a zařízení. K napájení připojených zařízení lze konstruovat a využívat různé topologie sítě. V automatizaci budov jsou přepínače často připojeny k ovladačům, senzorům a akčním členům. Pro větší dostupnost umožňují přepínače redundanci médií ve formě kruhových topologií.

Pro tento účel vyvinula společnost Analog Devices model ADIN2111, kompletní dvouportový ethernetový přepínač 10BASE-T1L určený pro sítě automatizace budov (obrázek 4). Díky ethernetové konektivitě s dlouhým dosahem k ovladačům, senzorům a akčním členům je zařízení vhodné pro použití v malých okrajových zařízeních s omezeným výkonem. Přepínač ADIN2111 poskytuje až 50 % úspory spotřeby energie a až o 75 % více místa na desce plošných spojů než diskrétní implementace.

Obrázek 4: Blokové schéma přepínače ADIN2111. (Zdroj: ADI)

Přepínač ADIN2111 je navržen pro in-line i sériové kruhové sítě s využitím stávající infrastruktury kroucené dvoulinky v budovách, čímž snižuje náklady na modernizaci. Obrázek 5 ukazuje, jak lze připojit několik zařízení pro implementaci kruhové (horní strana) i in-line (spodní strana) topologie. Všimněte si, že poslední senzor na okraji je připojen k transceiveru s fyzickou vrstvou (PHY) a MAC, zatímco zbylé dva jsou připojeny k přepínači.

Obrázek 5: přepínač ADIN2111 10BASE-T1L podporuje více topologií pro maximální flexibilitu návrhu a škálovatelnost. (Zdroj: ADI)

Přepínač 10BASE-T1L je vybaven vyhledávací tabulkou MAC s 16 adresami a podporuje operace cut-through, ukládání a předávání, což uživatelům umožňuje upřednostnit latenci nebo zpracování chyb při zpracování a předávání datových paketů. Pokročilé filtrování paketů uvolňuje břemeno zpracování prioritního provozu z procesoru.

Přepínač obsahuje sofistikované diagnostické funkce, které snižují nároky na instalaci, uvedení do provozu a výpadky systému. Mezi ně patří indikátor kvality spojení se střední kvadratickou odchylkou (MSE), diagnostika spojení a testovací režimy IEEE a detekce defektů kabelu pomocí reflektometrie v časové doméně (TDR). Toto diagnostické řešení se skládá z vysoce přesného enginu TDR na čipu a sady algoritmů běžících na hostitelském mikrokontroléru, což umožňuje maximální flexibilitu pro širokou škálu kabelů a pokročilejší možnosti diagnostiky kabelů.

V souladu se standardem IEEE 802.3cg toto řešení podporuje ethernetové připojení přes kabely v délce 1,7 km, kruhovou redundanci a měkké protokoly včetně Modbus/TCP, BACnet/IP a KNX v reálném čase. Je třeba také pamatovat, že přepínač ADIN2111 lze používat jako opakovač v neřízené konfiguraci pro zvýšení dosahu až na 2 000 m a dále.

Závěr

Představení standardu 10BASE-T1L vytvořilo nové příležitosti pro automatizaci budov a přineslo revoluci ve způsobu správy a řízení komerčních a rezidenčních prostor. Díky schopnosti využití stávající infrastruktury, poskytnutí flexibility a zlepšení přenosu dat se jedná o ideální způsob implementace automatizačních řešení.