Rewolucja w automatyce budynków dzięki standardowi 10BASE-T1L

W dziedzinie automatyki budynków nastąpił w ostatnich latach ogromny postęp, co umożliwiło bardziej efektywne zarządzanie budynkami komercyjnymi i mieszkalnymi.

Obecnie istnieje powszechne zapotrzebowanie na wydajne i zrównoważone systemy, które sprawią, że budynki będą zdrowsze dla środowiska i dla użytkowników przy jednoczesnej minimalizacji zużycia energii oraz zwiększeniu przepustowości przesyłu danych oraz możliwości sterowania w czasie rzeczywistym.

Wyzwania związane z automatyką budynków

Przed projektantami i integratorami systemów stoi szereg wyzwań związanych z automatyką budynków. Są to między innymi:

• Szybkie starzenie się technologii: istniejące systemy mogą stać się przestarzałe z powodu szybkiego postępu technologicznego, co skutkuje ograniczeniem funkcjonalności, wsparcia i integracji z nowymi technologiami.
• Wymagania dotyczące sprawności i zrównoważonego rozwoju: sprawność energetyczna, udoskonalenia w zakresie wykrywania i diagnostyki usterek, monitorowanie jakości środowiska wewnętrznego (IEQ) oraz zarządzanie zasobami wodnymi - to wszystko jest niezbędne dla właścicieli i operatorów budynków.
• Analiza i optymalizacja danych: nowoczesne tendencje w analizie i optymalizacji danych wymusiły konieczność włączenia do systemów automatyki budynków możliwości gromadzenia, analizy i interpretacji danych. Toruje to drogę do optymalizacji parametrów działania budynków w oparciu o dane, do wykrywania nieefektywności oraz wdrażania działań naprawczych.
• Interoperacyjność: zapewnienie kompatybilności i integracji pomiędzy systemami oferowanymi przez różnych dostawców jest trudne. Ponadto na sprawność systemu mogą wpływać niekompatybilności, zastrzeżone protokoły oraz brak standaryzacji.

Jak pokazano na ilustracji 1, rozwiązanie tych problemów wymaga budynków inteligentnych, które będą:

• pozwalały na scentralizowaną konfigurację i zarządzanie na poziomie przedsiębiorstwa za pośrednictwem połączenia z chmurą
• zapewniały niezależność od bramek translacyjnych na poziomie kontrolera
• charakteryzowały się przeniesieniem komponentu inteligencji do rozwiązań brzegowych, umożliwiając czujnikom i aktuatorom wymianę dużych ilości danych

Ilustracja 1: realizacja interoperacyjnej łączności między urządzeniami brzegowymi w budynkach a chmurą. (Źródło: ADI)

Znaczenie transmisji danych w automatyce przemysłowej i automatyce budynków rośnie. Obecny wzrost ilości danych doprowadził do sytuacji, w której tradycyjne rozwiązania zbliżają się do progu fizycznych możliwości. W związku z tym, dominującym standardem komunikacji staje się Ethernet. Konwencjonalne rozwiązanie 4-przewodowej sieci Ethernet przekształciło się w rozwiązanie 2-przewodowe, określane jako 10BASE-T1L, które składa się z pojedynczej skrętki dwużyłowej.

Jak standard 10BASE-T1L stymuluje zmiany?

Wprowadzenie w 2019 r. specyfikacji IEEE 802.3cg 10BASE-T1L rozwiązało kilka problemów związanych z komunikacją w przemyśle i zarządzaniu budynkami, umożliwiając komunikację 10Mbps w trybie pełnodupleksowym na odległość do 1000m przy użyciu jednej skrętki dwużyłowej.

Standard 10BASE-T1L przezwycięża szereg ograniczeń znanych z tradycyjnych systemów komunikacyjnych, w tym ograniczenia związane z okablowaniem, szerokością pasma, odległością i mocą w dziedzinie automatyki budynków. Poniżej przedstawiono sposób, w jaki standard 10BASE-T1L radzi sobie z tymi ograniczeniami:

• Okablowanie: standard 10BASE-T1L zapewnia bezproblemową łączność Ethernet dla urządzeń polowych, takich jak czujniki i aktuatory, oferując rozwiązanie w postaci warstwy fizycznej zdolnej do przesyłania sygnałów Ethernet i zasilania za pomocą jednej skrętki dwużyłowej. Eliminuje to potrzebę stosowania skomplikowanej i kosztownej infrastruktury kablowej, ułatwiając w ten sposób wdrożenie i instalację automatyki budynków bazującej na sieci Ethernet. Poza tym pakiety danych w sieci Ethernet mogą być przesyłane bezpośrednio z sieciowych urządzeń brzegowych do chmury, eliminując potrzebę stosowania translacji z użyciem bram.
• Szerokość pasma: standard 10BASE-T1L obsługuje prędkości przesyłu danych do 10Mbps, czyli właśnie takie, które występują w różnych zastosowaniach automatyki budynków. Szerokość pasma jest większa niż w przypadku konwencjonalnych magistral polowych (gdzie jest ograniczona do kilku kilobitów na sekundę) i umożliwia przesyłanie wartości z czujników lub bezpośrednio do aktuatorów, a także dodatkowych parametrów urządzeń, takich jak dane konfiguracyjne i parametryzacyjne.
• Odległość: jedną z głównych zalet standardu 10BASE-T1L jest jego zdolność do obsługi połączeń Ethernet na duże odległości. Pozwala to na wykonywanie połączeń o długości do 1km, czyli znacznie dłuższych w porównaniu z oferowanymi przez tradycyjny standard Ethernet. Dzięki temu jest odpowiedni do zastosowań, w których urządzenia są rozproszone na dużych obszarach, takich jak zakłady przemysłowe i montownie samochodów.

Ponadto standard 10BASE-T1L jest przeznaczony do użytku w środowiskach o ograniczonych zasobach zasilania ze względu na niskie zapotrzebowanie na moc. Ma to ogromne znaczenie w urządzeniach polowych, gdzie czas pracy baterii i pobór mocy mają znaczenie krytyczne.

W niektórych przypadkach konieczne jest dostarczenie zarówno danych, jak i zasilania (do 60W w obszarach innych niż samoistnie bezpieczne) przez interfejs 10BASE-T1L, zgodnie z definicją w normie. Standard 10BASE-T1L obsługuje dwa tryby amplitudy: 2,4V dla długości kabla do 1000m oraz 1,0V dla mniejszych długości do 200m. Dzięki trybowi amplitudy międzyszczytowej 1,0V, technologia ta może być również stosowana w środowiskach chronionych przed wybuchem (obszary zagrożone wybuchem) i spełnia surowe obowiązujące wymagania dotyczące maksymalnego poboru prądu (moc maksymalna jest ograniczona do 500mW).

Przykład użycia

Typowy przykład użycia standardu 10BASE-T1L przedstawiono na ilustracji 2. W omawianym zastosowaniu, w budynku inteligentnym wykorzystano właściwości standardu 10BASE-T1L do zbierania i agregowania danych na różnych poziomach, od węzła końcowego (czujników i aktuatorów) do poziomu przedsiębiorstw i działów informatycznych w chmurze.

Kontrolery pomieszczeń mogą mieć bezpośrednie połączenia (punkt-punkt) z urządzeniami polowymi lub łączyć się z szeregiem urządzeń połączonych łańcuchowo. Ponadto każdy regulator pomieszczenia można skonfigurować tak, aby akceptował połączenia z urządzeń starszego typu.

Każdy budynek ma swój kontroler budynkowy, który jest połączony z wieloma kontrolerami pomieszczeń za pośrednictwem łączy 10BASE-T1L, a także z kontrolerami budynkowymi w innych budynkach za pośrednictwem przemysłowej sieci Ethernet 100Mb/Gb.

W przypadku połączenia na niewielką odległość (do 25m) z czujnikami i aktuatorami, jak w przypadku kontrolera kabiny windy po prawej stronie na ilustracji 2, bardziej odpowiedni jest standard 10BASE-T1S.

Ilustracja 2: przykład użycia w budynku inteligentnym. (Źródło: ADI)

Nadajniko-odbiornik 10BASE-T1L

Firma Analog Devices opracowała jednoportowy nadajniko-odbiornik 10BASE-T1L ultraniskiej mocy ADIN1110, który jest przeznaczony do zastosowań w automatyce przemysłowej i budynkowej, opartych na sieci Ethernet. Jest on zgodny z normą IEEE 802.3cg-2019 dotyczącą jednoparowych sieci Ethernet o dużym zasięgu 10Mbps (SPE) i został zaprojektowany do użycia w tych zastosowaniach.

Jak pokazano na ilustracji 3, komponent ten zawiera interfejs kontroli dostępu do mediów (MAC). Umożliwia on nawiązanie bezpośredniego kontaktu z kilkoma kontrolerami hosta za pomocą szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI), który wykorzystuje cztery przewody. Wspomniany szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych (SPI) pozwala na użycie procesorów o zmniejszonym poborze mocy, ponieważ nie ma potrzeby stosowania zintegrowanej kontroli dostępu do mediów (MAC), co skutkuje najniższym ogólnym zużyciem energii przez system. Podczas jego konfiguracji, spośród opcji można wybrać zarówno protokół szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI) Open Alliance, jak i ogólny protokół szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI).

Nadajniko-odbiornik ADIN1110 zawiera obwody monitorowania napięcia zasilania i resetowania w momencie włączenia zasilania (POR), które zwiększają odporność na poziomie systemowym. Charakteryzuje się on również niskim poborem mocy (zwykle 42mW) i obsługuje poziomy transmisji 1VPP oraz 2,4VPP, a także automatyczną negocjację i 16 adresów MAC do filtrowania ramek.

Ilustracja 3: schemat blokowy nadajniko-odbiornika z układem warstwy fizycznej (PHY) i kontrolera dostępu do mediów (MAC) ADIN1110. (Źródło: ADI)

Większy zasięg standardu 10BASE-T1L umożliwia instalowanie urządzeń automatyki w większych budynkach przy zachowaniu bezproblemowej łączności. Dzięki elastyczności i skalowalności, zarządcy obiektów mogą bez trudu monitorować i modyfikować ustawienia np. instalacji oświetleniowej, sterowania klimatyzacją i wentylacją, zabezpieczeń oraz zarządzania energią.

Ponadto zwiększona szybkość transmisji danych w standardzie 10BASE-T1L umożliwia monitorowanie systemów budynkowych w czasie rzeczywistym oraz sterowanie nimi, co zwiększa sprawność operacyjną. Technologia ta poprawia czas reakcji, latencję i niezawodność komunikacji urządzeń automatyki.

Przełącznik Ethernet 10BASE-T1L

Podobnie jak w standardzie Ethernet, w 10BASE-T1L przewiduje się przełączniki do łączenia różnych segmentów i urządzeń w sieci. W celu zasilania podłączonych urządzeń można budować i wykorzystywać różne topologie sieci. W automatyce budynków, przełączniki są często łączone z kontrolerami, czujnikami i aktuatorami. W celu zwiększenia dostępności, topologia pierścieniowa przełączników zapewniają redundancję mediów.

Aby to osiągnąć, firma Analog Devices opracowała kompletny dwuportowy przełącznik Ethernet 10BASE-T1L ADIN2111, przeznaczony do sieci automatyki budynków (ilustracja 4). Dzięki łączności Ethernet dalekiego zasięgu z kontrolerami, czujnikami i aktuatorami, omawiane urządzenie może być używane w niewielkich rozwiązaniach brzegowych o ograniczonej mocy. Urządzenie ADIN2111 zapewnia do 50% oszczędności pod względem poboru mocy i nawet 75% więcej miejsca na płytce drukowanej w porównaniu z rozwiązaniami dyskretnymi.

Ilustracja 4: schemat blokowy urządzenia ADIN2111. (Źródło: ADI)

Przełącznik ADIN2111 został zaprojektowany zarówno do sieci liniowych, jak i pierścieniowych w układzie łańcuchowym, wykorzystujących istniejącą infrastrukturę okablowania z pojedynczą skrętką dwużyłową w budynkach, co obniża koszty modernizacji. Ilustracja 5 pokazuje, w jaki sposób można połączyć kilka urządzeń w celu wdrożenia zarówno topologii pierścieniowej (strona górna), jak i liniowej (strona dolna). Należy zauważyć, że ostatni czujnik brzegowy jest podłączony do nadajniko-odbiornika za pomocą warstwy fizycznej (PHY) i kontroli dostępu do mediów (MAC), podczas gdy pozostałe dwa są podłączone do przełącznika.

Ilustracja 5: przełącznik ADIN2111 10BASE-T1L obsługuje różne topologie, zapewniając maksymalną elastyczność projektowania i skalowalność. (Źródło: ADI)

Wyposażony w 16-adresowe tablicowanie (LUT) kontroli dostępu do mediów (MAC) przełącznik 10BASE-T1L obsługuje operacje przełączania bezzwłocznego oraz operacje typu „zapamiętaj i wyślij”, umożliwiając użytkownikom ustalanie priorytetów obsługi latencji lub błędów podczas przetwarzania i przekazywania pakietów danych. Zaawansowane filtrowanie pakietów odciąża procesor, uwalniając go od obsługi ruchu priorytetowego.

Przełącznik zawiera zaawansowane funkcje diagnostyczne, które skracają czas instalacji i przekazania do użytkowania oraz ograniczają liczbę przestojów systemu. Należy do nich wskaźnik jakości łącza z wykorzystaniem błędu średniokwadratowego (MSE), diagnostyka łącza i tryby testowe IEEE, a także wykrywanie wad kabla za pomocą reflektometrii w dziedzinie czasu (TDR). To rozwiązanie diagnostyczne składa się z mikroukładowego aparatu TDR o wysokiej dokładności oraz zestawu algorytmów działających na mikrokontrolerze hosta, co zapewnia maksymalną elastyczność dla szerokiego zakresu kabli oraz bardziej zaawansowane możliwości ich diagnostyki.

Rozwiązanie to jest zgodne ze standardem IEEE 802.3cg, obsługuje łączność Ethernet o długości okablowania 1,7km, redundancję pierścieniową oraz protokoły programowe, w tym Modbus/TCP, BACnet/IP oraz KNX czasu rzeczywistego. Należy również zauważyć, że przełącznik ADIN2111 może być używany jako powtarzacz w konfiguracji niezarządzanej w celu zwiększenia zasięgu do 2000m i powyżej.

Podsumowanie

Wprowadzenie na rynek standardu 10BASE-T1L otworzyło nowe możliwości w automatyce budynków, rewolucjonizując sposób zarządzania przestrzeniami komercyjnymi i mieszkalnymi oraz sterowania nimi. Jest to idealne rozwiązanie do wdrażania rozwiązań automatyki ze względu na możliwość wykorzystania istniejącej infrastruktury, zapewnienia elastyczności i poprawy transmisji danych.