Cum să conectați în rețea senzorii pentru sistemele de gestionare a clădirilor, într-un mod rentabil

Automatizarea clădirilor reduce costurile de exploatare și întreținere a unei instalații, oferind în același timp un mediu mai sigur și mai confortabil pentru ocupanții clădirii. Îmbunătățirea performanțelor unui sistem de automatizare a clădirilor (BAS) se bazează pe mai multe date provenite de la un număr tot mai mare de senzori – și de la un număr tot mai mare de dispozitive de control/actuatoare – amplasate în întreaga clădire. Această implementare necesită un mijloc rentabil și eficient de a transporta datele înregistrate de la nodul de detecție la un hub central sau la un cloud, unde pot fi analizate și prelucrate, iar semnalele de control necesare pot fi transmise.

Implementarea senzorilor și a actuatoarelor la scară largă, în special în cazul clădirilor vechi – și în cazul în care alimentarea cu energie electrică nu este disponibilă cu ușurință – poate necesita lucrări ample și costisitoare pentru a asigura acoperirea completă a clădirii. Până în prezent, rețelele RS-485 au reprezentat o soluție rentabilă de modernizare, dar seturile de date mai bogate și vitezele mai mari de transfer al datelor necesită o alternativă cu un debit mai mare.

Pentru a reduce la minimum costurile și în același timp pentru a crește debitul, proiectanții pot folosi cablajul Ethernet sau RS-485 cu o singură pereche torsadată instalat în prezent, utilizând 10BASE-T1L. Bazată pe interfața de comunicații de date în format de pachete IEEE 802.3cg-2019, 10BASE-T1L are un debit de 10 megabiți pe secundă (Mbit/s) pe distanțe de până la 1000 de metri (m). De asemenea, există o opțiune pentru interfața cu două fire care furnizează energie prin intermediul cablului de date, eliminând astfel nevoia de surse de alimentare locale sau de trasare a cablurilor de alimentare. În plus, acest lucru elimină necesitatea de a utiliza gateway-uri consumatoare de energie, existând posibilitatea de a se conecta la un număr nelimitat de dispozitive.

Acest articol analizează cerințele de control al construcțiilor și modul în care acestea au fost abordate până în prezent. Apoi, prezintă 10BASE-T1L Ethernet și exemple de soluții de la Analog Devices pentru a demonstra ușurința implementării sale. De asemenea, arată cum se poate utiliza tehnologia SWIO (intrare/ieșire software) pentru a simplifica interfațarea senzorilor pentru controlerele de clădiri cu rețea Ethernet, menținând în același timp compatibilitatea cu sistemele de gestionare a clădirilor (BMS), atât cele anterioare, cât și cele viitoare. De asemenea, este descrisă o placă de evaluare adecvată pentru a-i ajuta pe proiectanți să înceapă să utilizeze SWIO.

Rolul unui BAS sau BMS

BAS sau BMS se referă la automatizarea și gestionarea diferitelor sisteme ale unei clădiri. Obiectivele BMS variază de la confortul ocupanților până la eficiența sistemului clădirii, costurile de operare și întreținere și securitatea. Cele patru niveluri ale unui BMS sunt: supravegherea, serverul/aplicația, controlerul de câmp și nivelurile de intrare/ieșire.

Nivelul de supraveghere este, din punct de vedere fizic, nivelul de transmisie cu două fire în care se află dispozitivele de supraveghere. Dispozitivele de supraveghere consolidează tot traficul controlerelor de câmp. Serverul/aplicația primește date de la diferite dispozitive de supraveghere. Acest nivel acceptă protocoale Ethernet standard, cum ar fi Modbus, KNX, BACnet și LON, utilizate în mod obișnuit în sistemele de gestionare a clădirilor. Acest nivel furnizează datele consolidate clientului sau utilizatorului final prin intermediul interfeței cu utilizatorul. Nivelul controlerului de câmp analizează datele de intrare de la senzorii de temperatură și de la întrerupătoare și controlează ieșirile sistemului, cum ar fi actuatoarele și releele.

Ultima piesă a puzzle-ului BMS este nivelul de intrare/ieșire. Acest nivel este cel în care se află senzorii și dispozitivele de control. Unii senzori și unele actuatoare acceptă TCP/IP, ceea ce elimină necesitatea unui controler.

RS-485: o soluție clasică de conectivitate BMS

Până în prezent, interfața TIA/EIA-485, cunoscută sub numele de RS-485, a fost utilizată pe scară largă de către proiectanții de aplicații BMS, deoarece este o rețea locală ieftină cu legături de comunicare multidrop. RS-485 este un standard exclusiv electric care definește caracteristicile electrice ale receptoarelor și ale driverelor atunci când se implementează o linie de transmisie cu mai multe puncte echilibrată. Acesta acceptă un schimb de date bidirecțional, semiduplex pe o singură conexiune cu o pereche de fire torsadate și permite conexiuni multidrop (conectarea mai multor emițătoare-receptoare la aceeași linie), ceea ce este ideal pentru BMS.

În plus, RS-485 acceptă viteze de transfer de date rezonabil de mari: 35 Mbit/s pe distanțe de până la 10 m și 100 kilobiți (kbit/s) pe distanțe de 1.200 m. Regula generală privind RS-485 este că viteza în biți/s înmulțită cu lungimea cablului în metri nu trebuie să depășească 10E8. Prin urmare, cea mai mare viteză a unui cablu de 50 m este de 2 Mbit/s. Cu toate acestea, este neobișnuit să se utilizeze o viteză atât de mare în aplicațiile de control al clădirilor RS-485. Viteza maximă pentru BACnet MS/TP, un protocol comun de automatizare a clădirilor care rulează pe nivelul fizic (PHY) RS-485, este de 115.200 biți/s.

În comparație cu alte legături de comunicație serială, principalul avantaj al legăturii de comunicație RS-485 este toleranța ridicată la zgomotul electric în medii industriale dure. Caracteristica de respingere a zgomotului electric RS-485, traseele de cablu lungi, suportul pentru multiple emițătoare-receptoare pe o singură linie și viteza rezonabil de mare de transmisie a datelor se potrivește bine mediului BMS.

Protocolul Ethernet 10BASE-T1L

Pe măsură ce cerințele BMS cresc, iar seturile de date devin mai bogate, debitul devine tot mai important. 10BASE-T1L oferă o alternativă de viteză mai mare pentru comunicațiile punct-la-punct prin cabluri cu perechi torsadate, având în vedere că acceptă 10 Mbit/s pe o distanță de 1000 m. De asemenea, 10BASE-T1L abordează provocările din teren, cum ar fi alimentarea, cablarea, distanța și insulele de date, eliminând totodată necesitatea unor gateway-uri complexe.

Cifra „10” din 10BASE-T1L se referă la viteza de transmisie de 10 Mbit/s, „BASE” se referă la semnalele în bandă de bază, „T” înseamnă „pereche torsadată”, iar cifra „1” reprezintă raza de 1 kilometru (km). Ultimul „L” vine de la „long range” (rază lungă de acțiune), ceea ce înseamnă că segmentele au o lungime de 1 km. Capabil să livreze 500 de miliwați (mW), 10BASE-T1L aduce Ethernet în aplicațiile din Zona 0 sau din zonele periculoase cu siguranță intrinsecă. În aplicațiile fără siguranță intrinsecă, acesta poate furniza până la 60 de wați.

Topologia unei rețele Ethernet 10BASE-T1L poate fi o conexiune în cascadă, o linie sau un inel. După cum am menționat, nu există gateway-uri: pachetele Ethernet se deplasează de la periferie la nivelul de control și, în cele din urmă, la cloud pentru a realiza mai bine obiectivele de comunicare fără întreruperi pentru automatizarea clădirilor.

Indiferent dacă senzorul se află într-o unitate de producție sau pe birou, această conectivitate simplificată Ethernet-la-cloud face posibilă configurarea senzorilor cu ajutorul unui telefon mobil sau al unui laptop.

Configurații hardware 10BASE-T1L pentru automatizarea clădirilor

Pentru a dezvolta un nod de detectare prin conectivitate Ethernet 10BASE-T1L, proiectanții au la dispoziție trei opțiuni gata de utilizare de la Analog Devices. ADIN1100 este un emițător-receptor 10BASE-T1L robust, industrial, cu consum redus de energie, cu un nivel Ethernet fizic (PHY); ADIN1110 are atât controlul accesului la media (MAC), cât și interfață PHY (Figura 1).

Figura 1: ADIN1110 este un emițător-receptor 10BASE-T1L cu un singur port, cu consum redus de energie, cu PHY și MAC Ethernet integrate. (Sursă imagine: Analog Devices)

Cea de-a treia opțiune este ADIN2111, un comutator cu două porturi, cu consum redus de energie și complexitate redusă, cu două niveluri PHY 10BASE-T1L integrate și un port de interfață periferică serială (SPI) (Figura 2). Utilizarea SPI ușurează cerințele pentru procesorul gazdă, oferind utilizatorului mai multe opțiuni pentru a optimiza un dispozitiv din punctul de vedere al puterii, costurilor și performanței.

Figura 2: ADIN2111 este un comutator cu două porturi cu consum redus de energie și complexitate redusă, cu niveluri PHY integrate. (Sursă imagine: Analog Devices)

Dispozitivele ADIN1100 și ADIN2111 10BASE-T1L pot fi implementate într-o topologie tip cascadă (Figura 3), linie sau inel. În comparație cu o rețea în stea, aceste topologii de rețea reduc semnificativ cantitatea de cablare necesară.

Figura 3: este prezentată o topologie în cascadă pentru o rețea 10BASE-T1L care utilizează controlerul ADIN1100 și comutatorul cu două porturi ADIN2111. Se pot utiliza, de asemenea, topologii tip linie sau inel. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pentru a începe cu 10BASE-T1L, proiectanții pot utiliza placa de evaluare EVAL-ADIN1100 pentru ADIN1100. Placa oferă acces facil la toate caracteristicile ADIN1100 și poate fi configurată prin intermediul unei interfețe grafice de utilizare (GUI) pe un PC sau printr-o operațiune hardware autonomă configurată. Aceasta include doi conectori terminali cu înșurubare pentru cablu 10BASE-T1L și o sursă de alimentare externă, un cablu Ethernet Cat 5e cu conector RJ45 și un cablu de la USB-A la micro-USB-B. De asemenea, este prevăzută o mică zonă de prototipare.

Interfețele flexibile ale senzorilor acceptă 10BASE-T1L

La periferia rețelei BMS se află o combinație complexă de senzori de temperatură, presiune, sarcină, umiditate și tensiometre care necesită o varietate de circuite analogice pentru a captura și a activa evenimentele BMS.

Pentru a se adapta la această varietate de interfețe, proiectanții pot utiliza AD74412R de la Analog Devices, un circuit integrat de interfață I/O programabilă prin software (SWIO) cu patru canale pentru aplicații de control al proceselor și BMS. SWIO oferă niveluri unice de flexibilitate pentru accesul la orice funcție de I/O pe orice pin, permițând proiectanților să configureze canalele în orice moment. Programarea poate avea loc din mers prin intermediul canalelor Ethernet cu 2 fire care acoperă o întreagă clădire. Acest lucru rezultă în mai puține cerințe de resurse de proiectare și produse universale care pot fi implementate rapid și pe scară largă în cadrul unei clădiri automatizate.

AD74412R conține o intrare analogică, o ieșire analogică, o intrare digitală și capacitatea de a efectua măsurători ale detectorului de temperatură de rezistență (RTD) cu un SPI compatibil. Acesta este prezentat în Figura 4 cu convertorul analogic-digital (ADC) Σ-Δ pe 16 biți, un grup de funcții de diagnosticare și cele patru convertoare digitale-analogice (DAC) configurabile pe 13 biți care oferă patru canale de intrare/ieșire configurabile.

Figura 4: SWIO cu patru canale AD74412R dispune de patru DAC-uri configurabile pe 13 biți care oferă patru canale de I/O configurabile. De asemenea, sunt incluse un ADC pe 16 biți, Σ-Δ și un grup de funcții de diagnosticare. (Sursă imagine: Analog Devices)

Modurile legate de AD74412R sunt: ieșire de curent, ieșire de tensiune, intrare de tensiune, intrare de curent alimentată extern, intrare de curent alimentată în buclă, măsurare RTD externă, logică intrare digitală și intrare digitală alimentată în buclă. De asemenea, AD74412R are o referință internă de înaltă precizie de 2,5 volți pentru DAC-uri și ADC.

Proiectare utilizând placa de evaluare AD7441R

Aplicațiile analogice pentru SWIO AD74412R sunt aproape nenumărate. Pentru a-i ajuta pe proiectanți să înceapă, Analog Devices are o placă de evaluare, EV-AD74412RSDZ (Figura 5). Această placă de evaluare permite explorarea ingineriei cu opțiuni de reconfigurare integrate și programabilitate pe bază de PC.

Figura 5: EV-AD74412RSDZ este o placă de evaluare complet dotată pentru AD74412R. (Sursă imagine: Analog Devices)

Software-ul de evaluare AD74412R comunică cu EV-AD74412RSDZ prin intermediul platformei demonstrative de sistem (SDP) EVAL-SDP-CS1Z care preia semnalele de intrare și ieșire de pe placă. Cu interfața sa cu meniu derulant, acesta simplifică configurarea AD74412R și oferă instrumente de diagnosticare.

Concluzie

10BASE-T1L oferă BAS de ultimă generație cu un debit de 10 Mbit/s la o distanță de până la 1000 m, susținând în același timp instalațiile anterioare cu perechi torsadate cu două fire. După cum s-a arătat, prin utilizarea unui emițător-receptor ADIN1100 10BASE-T1L, un comutator Ethernet cu două porturi ADIN2111 și a unei soluții de I/O programabilă prin software (SWIO) cu patru canale AD74412R pentru aplicații de control al proceselor și BMS, proiectanții pot implementa rapid o rețea de senzori 10BASE-T1L care este compatibilă atât cu sistemele anterioare, cât și cu cele viitoare.