Sensoren voor gebouwbeheersystemen kosteneffectief in een netwerk opnemen

Gebouwautomatisering verlaagt de exploitatie- en onderhoudskosten van een faciliteit en zorgt tegelijkertijd voor een veiligere en comfortabelere omgeving voor de gebruikers van het gebouw. Verbeteringen in de prestaties van een gebouwautomatiseringssysteem (BAS) zijn afhankelijk van meer gegevens van een toenemend aantal sensoren en een eveneens toenemend aantal regelaars/actuators in een gebouw. Deze inzet vereist een kosteneffectieve en efficiënte manier om de vastgelegde gegevens van het sensorknooppunt naar een centrale hub of wolk te transporteren, waar ze kunnen worden geanalyseerd en verwerkt, en de vereiste controlesignalen kunnen worden geleverd.

Om sensoren en actuatoren op schaal in te zetten, met name in oude gebouwen - en waar stroom niet direct beschikbaar is - kan veel en kostbaar werk nodig zijn om een volledige dekking van het gebouw te garanderen. Tot nu toe waren RS-485-netwerken een kosteneffectieve retrofit-oplossing, maar rijkere datasets en hogere datasnelheden vereisen een alternatief met een hogere verwerkingscapaciteit.

Om de kosten te minimaliseren en tegelijkertijd de doorvoer te verhogen, kunnen ontwerpers profiteren van de momenteel geïnstalleerde single-twisted-pair Ethernet- of RS-485-bekabeling door 10BASE-T1L te gebruiken. 10BASE-T1L is gebaseerd op de IEEE-norm 802.3cg-2019 voor datacommunicatie in pakketvorm en heeft een doorvoercapaciteit van 10 megabits per seconde (Mbits/s) over afstanden tot 1000 meter (m). De tweedraadsinterface kan ook stroom leveren via de datakabel, zodat er geen lokale stroombronnen nodig zijn of stroomkabels moeten worden aangelegd. Hierdoor zijn er ook geen energieverslindende gateways meer nodig, omdat er verbinding kan worden gemaakt met een onbeperkt aantal apparaten.

Dit artikel bespreekt de eisen inzake bouwcontrole en hoe deze tot dusver zijn aangepakt. Vervolgens worden 10BASE-T1L Ethernet en voorbeeldoplossingen van Analog Devices geïntroduceerd om het implementatiegemak ervan aan te tonen. Het laat ook zien hoe software I/O-technologie (SWIO) kan worden gebruikt om de interface tussen sensoren voor gebouwencontrollers in Ethernet-netwerken te vereenvoudigen, met behoud van achterwaartse en voorwaartse compatibiliteit met gebouwbeheersystemen (BMS). Ook wordt een geschikt eval board beschreven om ontwerpers op weg te helpen met SWIO.

De rol van een BAS of GBS

BAS's, of BMS's, verwijzen naar de automatisering en het beheer van de verschillende systemen van een gebouw. De doelstellingen van het BMS variëren van het comfort van de gebruiker tot de efficiëntie van het gebouwsysteem, de exploitatie- en onderhoudskosten en de veiligheid. De vier lagen in een GBS zijn de toezichtlaag, de server/toepassing, de veldcontroller en de input/outputlaag.

De toezichthoudende laag is fysiek de tweedraads transmissielaag waar de toezichthoudende apparaten zitten. De controleapparaten consolideren al het verkeer van veldcontrollers. De server/toepassing ontvangt gegevens van verschillende controleapparaten. Deze laag ondersteunt standaard ethernetprotocollen, zoals Modbus, KNX, BACnet en LON, die vaak in gebouwbeheersystemen worden gebruikt. Deze laag levert de geconsolideerde gegevens aan de cliënt of de eindgebruiker via de gebruikersinterface. De veldregelaarlaag kijkt naar invoergegevens van temperatuursensoren en schakelaars en regelt systeemuitgangen, zoals actuators en relais.

Het laatste stukje van de BMS-puzzel is de input/output-laag. In deze laag bevinden zich de sensors en regelapparatuur. Sommige sensoren en actuatoren ondersteunen TCP/IP, waardoor er geen controller nodig is.

RS-485: een klassieke BMS-connectiviteitsoplossing

Tot op heden is de TIA/EIA-485-interface, algemeen bekend als RS-485, zeer veel gebruikt door ontwerpers van GBS-toepassingen omdat het een goedkoop lokaal netwerk is met multidrop communicatieverbindingen. RS-485 is een uitsluitend elektrische norm die de elektrische kenmerken van ontvangers en stuurprogramma's definieert bij de implementatie van een gebalanceerde multipunt transmissielijn. Hij ondersteunt een tweewegs, half-duplex gegevensuitwisseling over één getwiste aderpaarverbinding, en maakt multidrop-verbindingen mogelijk (de aansluiting van meerdere zendontvangers op dezelfde lijn), wat ideaal is voor BMS'en.

RS-485 ondersteunt ook redelijk hoge datasnelheden: 35 Mbits/s over afstanden tot 10 m en 100 kilobits (kbits/s) over 1.200 m. De RS-485-vuistregel is dat de snelheid in bits/s vermenigvuldigd met de kabellengte in meters niet meer dan 10E8 mag bedragen. Bijgevolg is de hoogste snelheid van een kabel van 50 m 2 Mbits/s. Het is echter ongebruikelijk om een dergelijke hoge snelheid te gebruiken in RS-485 toepassingen voor gebouwenbeheer. De maximumsnelheid voor BACnet MS/TP, een gangbaar gebouwautomatiseringsprotocol dat op de RS-485 fysieke laag (PHY) draait, is 115.200 bits/s).

Vergeleken met andere seriële communicatieverbindingen is het belangrijkste voordeel van de RS-485 communicatieverbinding de hoge tolerantie voor elektrische ruis in zware industriële omgevingen. De RS-485 elektrische ruisonderdrukking, de lange kabelloop, de ondersteuning van meerdere transceivers op één lijn en de redelijk hoge datatransmissiesnelheid passen goed in de BMS-omgeving.

Het 10BASE-T1L Ethernet-protocol

Naarmate de BMS-eisen toenemen en de datasets rijker worden, wordt de verwerkingscapaciteit steeds belangrijker. 10BASE-T1L biedt een alternatief met een hogere snelheid voor point-to-point communicatie over twisted-pair bekabeling, aangezien het 10 Mbits/s over 1000 m ondersteunt. 10BASE-T1L pakt ook uitdagingen in het veld aan, zoals stroom, bekabeling, afstand en data-eilanden, terwijl het ook de noodzaak van complexe gateways wegneemt.

De "10" in 10BASE-T1L verwijst naar de transmissiesnelheid van 10 Mbit/s, "BASE" verwijst naar basisbandsignalen, "T" staat voor "twisted pair" en het cijfer "1" staat voor 1 kilometer (km) bereik. De laatste "L" staat voor "long range", waarmee de segmentlengte van 1 km wordt aangegeven. Met een vermogen van 500 milliwatt (mW) brengt 10BASE-T1L Ethernet naar intrinsiek veilige zone 0 of toepassingen in gevaarlijke gebieden. In niet-intrinsiek veilige toepassingen kan hij tot 60 watt leveren.

De topologie van een 10BASE-T1L Ethernet-netwerk kan een daisy chain, lijn of ring zijn. Zoals gezegd zijn er geen gateways: de Ethernet-pakketten gaan van de rand naar het besturingsniveau, en uiteindelijk naar de cloud om de doelstellingen van naadloze communicatie voor gebouwautomatisering beter te realiseren.

Of de sensor zich nu in een fabriek of op het bureau bevindt, deze vereenvoudigde Ethernet-to-cloud connectiviteit maakt het mogelijk om sensoren te configureren met een mobiele telefoon of laptop.

Gebouwautomatisering 10BASE-T1L hardwareconfiguraties

Om een 10BASE-T1L Ethernet-connectiviteitssensing node te ontwikkelen, beschikken ontwerpers over drie kant-en-klare opties van Analog Devices. De ADIN1100 is een robuuste, industriële, laagvermogen 10BASE-T1L-zendontvanger met een Ethernet fysieke laag (PHY); de ADIN1110 heeft zowel een media access control (MAC) als een PHY-interface (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De ADIN1110 is een single-port 10BASE-T1L-zendontvanger met laag vermogen en geïntegreerde Ethernet PHY en MAC. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De derde optie is de ADIN2111, een laag-vermogen, laag-complexiteit, tweepoorts switch met twee geïntegreerde 10BASE-T1L PHY's en een seriële perifere interface (SPI) poort (figuur 2). Het gebruik van SPI verlicht de eisen voor de hostprocessor, waardoor de gebruiker meer mogelijkheden heeft om een apparaat te optimaliseren wat betreft vermogen, kosten en prestaties.

Afbeelding 2: De ADIN2111 is een laag-vermogen, laag-complexiteit, tweepoorts switch met geïntegreerde PHYs. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De ADIN1100 en ADIN2111 10BASE-T1L-apparaten kunnen in een daisy chain (Afbeelding 3), lijn- of ringnetwerktopologie worden ingezet. In vergelijking met een sternetwerk verminderen deze netwerktopologieën de hoeveelheid benodigde bekabeling aanzienlijk.

Afbeelding 3: Weergegeven is een topologie in serie voor een 10BASE-T1L netwerk met de ADIN1100-controller en de ADIN2111 tweepoorts switch. Ook lijn- of ringtopologieën kunnen worden gebruikt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Om met 10BASE-T1L aan de slag te gaan, kunnen ontwerpers het evaluatiebord EVAL-ADIN1100 voor de ADIN1100 gebruiken. De kaart biedt gemakkelijk toegang tot alle ADIN1100 functies en kan worden geconfigureerd via een grafische gebruikersinterface (GUI) op een PC of via een standalone hardware geconfigureerde bediening. Hij bevat twee plug-in schroefaansluitingen voor 10BASE-T1L kabel en een externe voeding, Cat 5e Ethernetkabel met RJ45-connector, en een USB-A naar micro-USB-B-kabel. Er is ook een kleine prototypingruimte voorzien.

Flexibele sensorinterfaces ondersteunen 10BASE-T1L

Aan de rand van het BMS-netwerk bevindt zich een complexe mix van temperatuur-, druk-, belastings-, vochtigheids- en spanningsmetersensoren die een verscheidenheid aan analoge circuits nodig hebben om BMS-gebeurtenissen op te vangen en te activeren.

Om aan deze verscheidenheid van interfaces tegemoet te komen, kunnen ontwerpers de AD74412R van Analog Devices gebruiken, een quad-channel software programmeerbare I/O (SWIO) interface IC voor procescontrole en BMS-toepassingen. SWIO biedt unieke niveaus van flexibiliteit voor de toegang tot elke I/O-functie op elke pin, zodat ontwerpers op elk moment kanalen kunnen configureren. De programmering kan on-the-fly plaatsvinden via de 2-draads Ethernetkanalen die een heel gebouw bestrijken. Dit resulteert in minder ontwerpmiddelen en universele producten die snel en breed kunnen worden ingezet in een geautomatiseerd gebouw.

De AD74412R bevat een analoge ingang, analoge uitgang, digitale ingang, en de mogelijkheid om weerstandstemperatuurdetector (RTD) metingen uit te voeren met een compatibele SPI. Hij wordt getoond in figuur 4 met zijn 16-bit Σ-Δ analoog-digitaalomzetter (ADC), een groep diagnostische functies en zijn vier configureerbare, 13-bit digitaal-analoogomzetters (DAC's) die vier configureerbare I/O-kanalen bieden.

Afbeelding 4: De AD74412R vierkanaals SWIO heeft vier configureerbare, 13-bit DAC's die vier configureerbare I/O-kanalen bieden. Ook inbegrepen zijn een 16-bit, Σ-Δ ADC en een groep diagnostische functies. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De modi met betrekking tot de AD74412R zijn stroomuitgang, spanningsuitgang, spanningsingang, extern gevoede stroomingang, lusgevoede stroomingang, externe RTD-meting, digitale ingangslogica en lusgevoede digitale ingang. De AD74412R heeft ook een zeer nauwkeurige interne referentie van 2,5 volt voor de DAC's en de ADC.

Ontwerp met behulp van het AD7441R-evaluatiebord

De analoge toepassingen voor de AD74412R SWIO zijn bijna ontelbaar. Om ontwerpers op weg te helpen heeft Analog Devices een evaluatiebord, de EV-AD74412RSDZ (Afbeelding 5). Dit evaluatiebord maakt technische verkenning mogelijk met herconfiguratieopties aan boord en programmeerbaarheid via de pc.

Afbeelding 5: De EV-AD74412RSDZ is een volledig evaluatiebord voor de AD74412R. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De AD74412R evaluatiesoftware communiceert met de EV-AD74412RSDZ via het EVAL-SDP-CS1Z systeemdemonstratieplatform (SDP) dat in- en uitgangssignalen van de kaart haalt. Met zijn drop-down menu-interface vereenvoudigt het de configuratie van de AD74412R en biedt het diagnostische hulpmiddelen.

Conclusie

10BASE-T1L voorziet in BAS's van de volgende generatie met 10 Mbit/s doorvoer op een afstand tot 1000 m, terwijl traditionele tweedraads installaties met getwiste paren worden ondersteund. Zoals getoond kunnen ontwerpers met behulp van een ADIN1100 10BASE-T1L-zendontvanger, de ADIN2111 tweepoorts Ethernet-switch en een AD74412R vierkanaals software programmeerbare I/O (SWIO) oplossing voor procesbesturing en BMS-toepassingen snel een 10BASE-T1L-sensornetwerk implementeren dat achterwaarts en voorwaarts compatibel is.