Ekonomiczne łączenie czujników w sieć w celu stworzenia systemu zarządzania budynkiem

Automatyka budynków zmniejsza koszty eksploatacji i konserwacji obiektu, zapewniając jednocześnie bezpieczniejsze i bardziej komfortowe środowisko dla osób znajdujących się wewnątrz. Poprawa wydajności systemu automatyki budynku polega na dostępie do większej ilości danych z coraz większej liczby czujników, a także na coraz większej liczbie elementów sterujących lub aktuatorów wdrożonych w całym budynku. Wdrożenie to wymaga ekonomicznych i efektywnych środków przesyłu przechwyconych danych z węzła pomiarowego do centralnego koncentratora lub chmury, gdzie można je przeanalizować i wykorzystać, oraz wymaganych sygnałów sterujących.

Wdrożenie czujników i aktuatorów w wymaganej skali, szczególnie w budynkach starszego typu, gdzie nie ma łatwego dostępu do zasilania, może wymagać przeprowadzenia szeroko zakrojonych i kosztownych przeróbek, aby zapewnić pełne pokrycie budynku. Do tej pory sieci RS-485 były ekonomicznym rozwiązaniem modernizacyjnym, ale bogatsze zbiory danych i wyższe szybkości ich transmisji wymagają alternatywy o większej przepustowości.

Aby zminimalizować koszty przy jednoczesnym zwiększeniu przepustowości, projektanci mogą użyć zainstalowanego obecnie okablowania Ethernet lub RS-485 z pojedynczą skrętką dwużyłową, wykorzystując standard 10BASE-T1L. Technologia 10BASE-T1L opierająca się na standardzie IEEE 802.3cg-2019 interfejsu transmisji danych w formacie pakietów zapewnia przepustowość 10Mbit/s na odległość do 1000m. Interfejs dwuprzewodowy daje również możliwość zasilania za pośrednictwem kabla danych, eliminując konieczność korzystania z lokalnych źródeł zasilania lub prowadzenia okablowania zasilającego. Dzięki możliwości łączenia się z nieograniczoną liczbą urządzeń, takie rozwiązanie eliminuje również potrzebę korzystania z bram.

W niniejszym artykule omówiono wymagania w zakresie sterowania budynkami oraz dotychczasowe metody ich spełnienia. W dalszej części przedstawiono standard Ethernet 10BASE-T1L oraz przykładowe rozwiązania firmy Analog Devices w celu zademonstrowania łatwości wdrożenia. Przedstawiono również sposób korzystania z technologii wejść-wyjść konfigurowanych programowo (SWIO) w celu uproszczenia współpracy czujników z kontrolerami sieci Ethernet w budynku, przy jednoczesnym zachowaniu wstecznej i przyszłej kompatybilności systemów zarządzania budynkiem (BMS). Opisano również odpowiednią płytkę ewaluacyjną, która pomoże projektantom rozpocząć pracę z technologią wejść-wyjść konfigurowanych programowo (SWIO).

Rola systemu automatyki budynku (BAS) lub systemu zarządzania budynkiem (BMS)

Systemy automatyki budynków (BAS) i systemy zarządzania budynkami (BMS) służą do automatyzacji i zarządzania różnymi systemami budynków. Zakres przeznaczeń systemów zarządzania budynkami (BMS) jest bardzo szeroki, od zapewnienia komfortu osobom w nich przebywającym, przez zapewnienie sprawności instalacji budynków, po optymalizację kosztów eksploatacji i utrzymania oraz zapewnienie bezpieczeństwa. System zarządzania budynkiem (BMS) zawiera cztery warstwy: warstwę nadzorującą, warstwę serwerową i aplikacyjną, warstwę kontrolera obiektowego i warstwę wejść-wyjść.

Warstwa nadzorująca jest pod względem fizycznym dwuprzewodową warstwą transmisyjną, w której znajdują się urządzenia nadzorujące. Urządzenia nadzorujące konsolidują cały ruch kontrolera obiektowego. Serwer i aplikacje odbierają dane z różnych urządzeń nadzorujących. Warstwa ta obsługuje standardowe protokoły Ethernet, takie jak Modbus, KNX, BACnet i LON, powszechnie stosowane w systemach zarządzania budynkami. Warstwa ta dostarcza skonsolidowane dane do klienta lub użytkownika końcowego za pośrednictwem interfejsu użytkownika. Warstwa kontrolera obiektowego analizuje dane wejściowe z łączników i czujników temperatury oraz steruje wyjściami systemu, takimi jak aktuatory i przekaźniki.

Ostatnim elementem układanki systemu zarządzania budynkiem (BMS) jest warstwa wejść-wyjść. Warstwa ta zawiera czujniki i urządzenia sterujące. Niektóre czujniki i aktuatory obsługują protokół TCP/IP, co eliminuje konieczność stosowania kontrolera.

RS-485: klasyczne rozwiązanie na potrzeby łączności w systemie zarządzania budynkiem (BMS)

Dotychczas projektanci systemów zarządzania budynkami (BMS) często stosowali interfejs TIA/EIA-485, powszechnie znany jako RS-485, ponieważ stanowi on niedrogą sieć lokalną z łączami komunikacyjnymi typu multidrop. RS-485 to standard wyłącznie elektryczny, który określa charakterystykę elektryczną odbiorników i sterowników podczas wdrażania zrównoważonej wielopunktowej linii przesyłowej. Obsługuje on dwukierunkową, półdupleksową wymianę danych przez jedną skrętkę dwużyłową i umożliwia połączenia multidrop (podłączenie kilku nadajniko-odbiorników do tej samej linii), co jest idealne dla systemu zarządzania budynkiem (BMS).

Interfejs RS-485 obsługuje również stosunkowo wysokie szybkości transmisji danych: 35Mbit/s na odległość do 10m i 100kbit/s na odległość do 1200m. Interfejs RS-485 podlega regule, że szybkość transferu danych w bitach na sekundę pomnożona przez długość kabla w metrach nie powinna przekraczać 10E8. W rezultacie największa szybkość transferu dla kabla 50m wynosi 2Mbit/s. Jednak rzadko zdarza się używać tak dużej szybkości interfejsu RS-485 w systemach sterowania budynkami. Maksymalna prędkość dla protokołu BACnet MS/TP, czyli powszechnego protokołu automatyki budynku działającego na warstwie fizycznej (PHY) RS-485 wynosi 115200bit/s.

W porównaniu z innymi szeregowymi łączami komunikacyjnymi główną zaletą łącza komunikacyjnego RS-485 jest jego wysoka tolerancja na zakłócenia elektryczne w trudnych warunkach przemysłowych. W środowisku systemu zarządzania budynkiem (BMS) dobrze sprawdza się charakterystyka tłumienia zakłóceń elektrycznych, długie odcinki kabli, obsługa wielu nadajniko-odbiorników w jednej linii i stosunkowo szybka transmisja danych, charakterystyczne dla interfejsu RS-485.

Protokół Ethernet 10BASE-T1L

Wraz ze wzrostem wymagań systemów zarządzania budynkami (BMS) i bogatszymi zbiorami danych, przepustowość staje się coraz ważniejsza. Standard 10BASE-T1L zapewnia wyższą szybkość komunikacji punkt-punkt za pomocą kabli wykorzystujących skrętki dwużyłowe, ponieważ obsługuje prędkość transmisji danych 10Mbit/s na odległości powyżej 1000m. Standard 10BASE-T1L umożliwia także sprostanie wyzwaniom w terenie, takim jak doprowadzenie zasilania, instalacja okablowania, odległości i wyspy danych, eliminując jednocześnie konieczność stosowania skomplikowanych bram.

Liczba „10” w nazwie standardu 10BASE-T1L odnosi się do szybkości transmisji 10Mbit/s, słowo „BASE” (ang. podstawa) odnosi się do sygnałów pasma podstawowego, litera „T” oznacza „Twisted pair” (ang. skrętka dwużyłowa), a cyfra „1” oznacza zasięg 1km. Ostatnie „L” to skrót od „long range” (ang. daleki zasięg) oznaczający odcinki o długości 1km. Dzięki mocy 500mW standard 10BASE-T1L pozwala wprowadzić sieć Ethernet do zastosowań dla samoistnie bezpiecznych stref 0 lub stref niebezpiecznych. W zastosowaniach innych niż samoistnie bezpieczne może dostarczać moc do 60W.

Topologia sieci Ethernet 10BASE-T1L może mieć konfigurację łańcuchową, liniową lub pierścieniową. Jak już wspomniano, nie ma tu bram: pakiety Ethernet przemieszczają się od brzegu do poziomu układu sterowania, a w końcu do chmury, aby jeszcze lepiej realizować cele płynnej komunikacji na potrzeby automatyki budynków.

Bez względu na to, czy czujnik znajduje się w zakładzie produkcyjnym, czy na biurku, ta uproszczona łączność Ethernet-chmura umożliwia konfigurowanie czujników za pomocą telefonu komórkowego lub laptopa.

Konfiguracje sprzętowe interfejsu 10BASE-T1L w automatyce budynków

Do tworzenia węzłów pomiarowych w łączności w standardzie Ethernet 10BASE-T1L projektanci mają do dyspozycji trzy gotowe opcje firmy Analog Devices. ADIN1100 to solidny, przemysłowy nadajniko-odbiornik 10BASE-T1L niskiej mocy z warstwą fizyczną (PHY) Ethernet. Nadajniko-odbiornik ADIN1110 ma zarówno interfejs kontroli dostępu do mediów (MAC), jak i warstwę fizyczną (PHY) (ilustracja 1).

Ilustracja 1: ADIN1110 to jednoportowy nadajniko-odbiornik 10BASE-T1L niskiej mocy ze zintegrowaną warstwą fizyczną (PHY) Ethernet oraz funkcją kontroli dostępu do mediów (MAC). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Trzecią opcją jest dwuportowy przełącznik niskiej mocy ADIN2111, o niskiej złożoności z dwiema zintegrowanymi warstwami fizycznymi (PHY) 10BASE-T1L i jednym portem szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI) (ilustracja 2). Użycie szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI) zmniejsza wymagania dotyczące procesora hosta, dając użytkownikowi więcej możliwości optymalizacji urządzenia pod kątem mocy, kosztów i parametrów działania.

Ilustracja 2: ADIN2111 to dwuportowy przełącznik niskiej mocy o niskiej złożoności ze zintegrowanymi warstwami fizycznymi (PHY). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Urządzenia 10BASE-T1L ADIN1100 i ADIN2111 mogą pracować w topologii łańcuchowej (ilustracja 3), liniowej lub pierścieniowej. Topologie te, w porównaniu z topologią gwiazdy, znacznie zmniejszają ilość wymaganego okablowania.

Ilustracja 3: topologia sieci 10BASE-T1L z połączeniami łańcuchowymi z wykorzystaniem kontrolera ADIN1100 i dwuportowego przełącznika ADIN2111. Istnieje również możliwość zastosowania topologii liniowej lub pierścieniowej. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Aby rozpocząć korzystanie ze standardu 10BASE-T1L, projektanci mogą użyć płytki ewaluacyjnej EVAL-ADIN1100 dla nadajniko-odbiornika ADIN1100. Wspomniana płytka zapewnia łatwy dostęp do wszystkich funkcji nadajniko-odbiornika ADIN1100 i można ją skonfigurować za pomocą graficznego interfejsu użytkownika (GUI) na komputerze PC lub poprzez autonomiczną konfigurację sprzętu. W zestawie znajdują się dwa złącza wtykowe z zaciskami śrubowymi dla kabla 10BASE-T1L i zewnętrznego zasilacza, kabel Ethernet Cat 5e ze złączem RJ45 oraz kabel USB-A - micro-USB-B. Dostępny jest również niewielki obszar prototypowania.

Elastyczne interfejsy czujników obsługują standard 10BASE-T1L

Na krawędzi sieci systemu zarządzania budynkiem (BMS) znajdują się liczne i zróżnicowane czujniki temperatury, ciśnienia, obciążenia, wilgotności oraz czujniki tensometryczne, które wymagają różnych obwodów analogowych do rejestrowania i uruchamiania zdarzeń w systemie zarządzania budynkiem (BMS).

W celu obsługi różnych interfejsów, projektanci mogą skorzystać z układu scalonego AD74412R, czyli czterokanałowego modułu wejść-wyjść konfigurowanych programowo (SWIO) do sterowania procesami i aplikacjami systemu zarządzania budynkiem (BMS). Moduł wejść-wyjść konfigurowanych programowo (SWIO) zapewnia wyjątkowy poziom elastyczności dostępu do dowolnej funkcji wejścia-wyjścia na dowolnym wtyku, umożliwiając projektantom konfigurowanie kanałów w dowolnym momencie. Programowanie może odbywać się w czasie rzeczywistym za pośrednictwem 2-przewodowych kanałów Ethernet, które obejmują cały budynek. Dzięki takiemu rozwiązaniu w całym zautomatyzowanym budynku można szybko i kompleksowo wdrożyć wymagania dotyczące zasobów projektowych i produktów uniwersalnych.

Czterokanałowy moduł wejść-wyjść konfigurowanych programowo (SWIO) AD74412R posiada wejście analogowe, wyjście analogowe, wejście cyfrowe oraz funkcję wykonywania pomiarów rezystancyjnym czujnikiem temperatury (RTD) przy zastosowaniu kompatybilnego szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI). Przedstawiono go na ilustracji 4 wraz z 16-bitowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC) typu Σ-Δ, zestawem funkcji diagnostycznych i czterema konfigurowanymi 13-bitowymi przetwornikami cyfrowo-analogowymi (DAC), które zapewniają cztery konfigurowalne kanały wejścia-wyjścia.

Ilustracja 4: czterokanałowy moduł wejść-wyjść konfigurowanych programowo (SWIO) AD74412R jest wyposażony w cztery konfigurowane 13-bitowe przetworniki cyfrowo-analogowe (DAC), które zapewniają cztery konfigurowalne kanały wejścia-wyjścia. Zawiera on również 16-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) typu Σ-Δ oraz zestaw funkcji diagnostycznych. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Tryby pracy urządzenia AD74412R to: wyjście prądowe, wyjście napięciowe, wejście napięciowe, wejście prądowe z zasilaniem zewnętrznym, wejście prądowe z zasilaniem z pętli, zewnętrzny pomiar RTD, logika wejścia cyfrowego i wejście cyfrowe z zasilaniem z pętli. Urządzenie AD74412R posiada również wysoce precyzyjny wewnętrzny wzorzec napięcia 2,5V dla przetworników cyfrowo-analogowych i przetwornika analogowo-cyfrowego.

Projektowanie z wykorzystaniem płytki ewaluacyjnej AD7441R

Analogowe zastosowania czterokanałowego modułu wejść-wyjść konfigurowanych programowo (SWIO) AD74412R są praktycznie nieograniczone. Aby ułatwić projektantom rozpoczęcie pracy, firma Analog Devices opracowała płytkę ewaluacyjną EV-AD74412RSDZ (ilustracja 5). Omawiana płytka ewaluacyjna umożliwia przeprowadzanie analiz inżynierskich dzięki wbudowanym opcjom ponownej konfiguracji oraz możliwościom programowania komputerowego.

Ilustracja 5: EV-AD74412RSDZ to płytka ewaluacyjna posiadająca wszystkie niezbędne funkcje do pracy z urządzeniem AD74412R. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Oprogramowanie ewaluacyjne urządzenia AD74412R komunikuje się z płytką ewaluacyjną EV-AD74412RSDZ za pośrednictwem platformy demonstracyjnej systemu (SDP) EVAL-SDP-CS1Z, wyprowadzającej sygnały wejściowe i wyjściowe poza płytkę. Interfejs z menu rozwijanymi upraszcza konfigurację urządzenia AD74412R i posiada dodatkowe narzędzia diagnostyczne.

Podsumowanie

Standard 10BASE-T1L umożliwia budowę systemów automatyki budynków nowej generacji o przepustowości 10Mbit/s z przesyłem na odległości do 1000m, a jednocześnie obsługuje starsze dwuprzewodowe instalacje ze skrętki dwużyłowej. Używając nadajniko-odbiornika 10BASE-T1L ADIN1100, dwuportowego przełącznika Ethernet ADIN2111 oraz czterokanałowego modułu wejść-wyjść konfigurowanych programowo (SWIO) AD74412R do sterowania procesami i aplikacjami w systemie zarządzania budynkiem (BMS), projektant może szybko wdrożyć sieć czujników 10BASE-T1L z zapewnieniem zarówno kompatybilności wstecznej jak i przyszłej.