Kiinteistöhallintajärjestelmien anturien kustannustehokas verkottaminen

Rakennusautomaatio vähentää kiinteistöjen käyttö- ja ylläpitokustannuksia ja tarjoaa samalla turvallisemman ja viihtyisämmän ympäristön niiden asukkaille. Rakennusautomaatiojärjestelmän (BAS) suorituskyvyn parantaminen perustuu siihen, että eri puolilla rakennusta otetaan käyttöön yhä suurempi määrä antureita sekä ohjaimia/aktuaattoreita, jolloin saadaan yhä enemmän dataa. Tällainen käyttöönotto edellyttää kustannustehokasta ja muutoinkin tehokasta tapaa siirtää kerätyt tiedot anturisolmusta keskusyksikköön tai pilveen, jossa ne voidaan analysoida ja käsitellä sekä josta voidaan lähettää tarvittavat ohjaussignaalit.

Antureiden ja aktuaattorien laajamittainen käyttöönotto erityisesti vanhoissa rakennuksissa, joissa sähköä ei ole valmiiksi saatavilla, voi vaatia laajamittaisia ja kalliita uudistuksia rakennuksen kattamiseksi riittävällä tavalla. RS-485-verkot ovat olleet tähän saakka kustannustehokas jälkiasennusratkaisu, mutta kookkaammat tietokokonaisuudet ja suuremmat tiedonsiirtonopeudet vaativat suorituskyvyltään parempaa vaihtoehtoa.

Suunnittelijat voivat minimoida kustannukset ja lisätä siirtonopeutta hyödyntämällä valmiiksi asennettuja RS-485- tai yhtä kierrettyä johdinparia käyttäviä Ethernet-kaapeleita ja käyttää niissä 10BASE-T1L-standardia. IEEE-standardiin 802.3cg-2019 perustuvan pakettimuotoisen tietoliikennerajapinnan 10BASE-T1L siirtonopeus on 10 megabittiä sekunnissa (Mbits/s) jopa 1000 metrin (m) kantamalla. Kaksijohtoinen rajapinta mahdollistaa myös virran syötön datakaapelin kautta, jolloin ei tarvita paikallisia virtalähteitä eikä virtakaapelin asennusta. Tämä myös poistaa paljon virtaa vaativien yhdyskäytävien tarpeen, koska laitteita voidaan liittää rajaton määrä.

Tässä artikkelissa käsitellään ensin rakennusten ohjaukseen liittyviä vaatimuksia ja sitä, miten ne on tähän mennessä ratkaistu. Sen jälkeen siinä esitellään valmistajan Analog Devices 10BASE-T1L Ethernet ja esimerkkiratkaisuja, jotka havainnollistavat, kuinka helppoa toteutus on. Artikkelissa osoitetaan myös, miten SWIO-tekniikan (Software I/O) avulla voidaan yksinkertaistaa antureiden liittämistä Ethernet-verkon rakennusohjaimiin ja samalla säilyttää kiinteistöhallintajärjestelmien (BMS) yhteensopivuus taakse- ja eteenpäin. Lopuksi siinä esitellään myös sopiva evaluointikortti, jonka avulla suunnittelijat pääsevät alkuun SWIO:n käytössä.

BAS- tai BMS-järjestelmän rooli

BAS tai BMS viittaa rakennuksen erilaisten järjestelmien automaatioon ja hallintaan. BMS-järjestelmien tavoitteet ulottuvat asukkaan viihtyvyydestä kiinteistöjärjestelmän tehokkuuteen, käyttö- ja ylläpitokustannuksiin sekä turvallisuuteen. BMS-järjestelmän neljä kerrosta ovat valvonta-, palvelin-/sovellus-, kenttäohjaus- ja tulo-/lähtökerrokset.

Valvontakerros on fyysisesti kaksijohtoinen siirtokerros, jossa valvontalaitteet sijaitsevat. Valvontalaitteet yhdistävät kenttäohjainten koko liikenteen. Palvelin-/sovelluskerros vastaanottaa dataa eri valvontalaitteilta. Tämä kerros tukee Ethernet-vakioprotokollia, kuten Modbus, KNX, BACnet ja LON, joita käytetään yleisesti kiinteistöhallintajärjestelmissä. Tämä kerros lähettää yhdistetyn datan asiakkaalle tai loppukäyttäjälle käyttöliittymän kautta. Kenttäohjauskerros käsittelee lämpötila-antureiden ja kytkinten syöttämää dataa ja ohjaa järjestelmälähtöjä, kuten aktuaattoreita ja releitä.

BMS-palapelin viimeinen osa on tulo-/lähtökerros. Tässä kerroksessa sijaitsevat anturit ja ohjauslaitteet. Jotkin anturit ja aktuaattorit tukevat TCP/IP-protokollaa, jolloin ohjainta ei tarvita.

RS-485: klassinen BMS-liitäntäratkaisu

BMS-sovellusten suunnittelijat ovat käyttäneet tähän saakka hyvin yleisesti TIA/EIA-485-rajapintaa (joka tunnetaan myös nimellä RS-485), sillä se on edullinen lähiverkko, jossa väylään voidaan yhdistää useita laitteita. RS-485 on pelkästään sähköstandardi, joka määrittelee vastaanottimien ja ohjainten sähköiset ominaisuudet balansoidun monipisteisen siirtojohdon toteuttamista varten. Se tukee vuorosuuntaista tiedonsiirtoa yhdellä kierretyllä johdinpariliitännällä ja mahdollistaa useiden lähetinvastaanottimien liittäminen samaan johtoon (multidrop), mikä on ihanteellista BMS-järjestelmille.

RS-485 tukee myös kohtuullisen korkeita tiedonsiirtonopeuksia: 35 Mbit/s enintään 10 metrin etäisyydelle ja 100 kilobittiä (kbits/s) 1200 metrin etäisyydelle. RS-485-standardin nyrkkisääntö on, että nopeus bittiä/s kerrottuna kaapelipituudella (metrejä) ei saa ylittää lukua 10E8. Näin ollen 50 metrin kaapelin korkein nopeus on 2 Mbit/s. Näin korkean nopeuden käyttö RS-485-rakennusohjaussovelluksissa on kuitenkin harvinaista. RS-485:n fyysisen kerroksen (PHY) päällä toimivan yleisen rakennusautomaatioprotokollan BACnet MS/TP enimmäisnopeus on 115 200 bittiä/s.

RS-485-tietoliikennelinkin tärkein etu muihin sarjaliikennelinkkeihin verrattuna on sen hyvä sähköinen häiriönsietokyky vaativissa teollisuusympäristöissä. RS-485:n sähköinen kohinanvaimennusominaisuus, pitkät kaapelietäisyydet, useiden lähetinvastaanottimien kytkeminen yhteen ainoaan johtoon ja kohtuullisen nopea tiedonsiirtonopeus sopivat hyvin BMS-ympäristöön.

Ethernet-protokolla 10BASE-T1L

BMS-vaatimusten kasvaessa ja tietokokonaisuuksien monipuolistuessa siirtonopeudesta on tullut yhä tärkeämpi ominaisuus. 10BASE-T1L tarjoaa nopeamman vaihtoehdon kaksipisteviestintään kierretyllä parikaapelilla, koska se tukee nopeutta 10 Mbit/s 1000 metrin etäisyydelle. 10BASE-T1L ratkaisee myös kentällä esiintyvät haasteet, joihin kuuluvat virta, kaapelointi, etäisyys ja datasaarekkeet. Lisäksi se poistaa kompleksisten yhdyskäytävien tarpeen.

Nimessä 10BASE-T1L oleva ”10” viittaa siirtonopeuteen 10 Mbit/s, ”BASE” viittaa kantataajuussignaaleihin, ”T” tarkoittaa "kierrettyä paria" ja numero ”1” tarkoittaa yhden kilometrin (km) etäisyyttä. Lopussa oleva ”L” tarkoittaa ”long range” (suuri etäisyys) eli se viittaa 1 km:n pituisiin segmentteihin. 10BASE-T1L voi syöttää tehoa 500 milliwattia (mW). mikä mahdollistaa Ethernetin käytön luonnostaan vaarattomalla vyöhykkeellä 0 tai vaara-alueilla. Luonnostaan ei-vaarattomissa sovelluksissa se voi syöttää tehoa jopa 60 wattia.

10BASE-T1L-Ethernet-verkon topologiana voi olla ketju, linja tai rengas. Kuten edellä on mainittu, yhdyskäytäviä ei ole: Ethernet-paketit kulkevat reunalta ohjaustasolle ja lopulta pilveen rakennusautomaation saumattoman kommunikaation tavoitteiden täydellisempää toteuttamista varten.

Sijaitseepa anturi sitten tuotantolaitoksessa tai työpöydällä, tämä yksinkertaistettu Ethernet-pilvi-yhteys mahdollistaa antureiden konfiguroinnin matkapuhelimella tai kannettavalla tietokoneella.

10BASE-T1L-laitteistokonfiguraatiot rakennusautomaatiota varten

Analog Devices tarjoaa suunnittelijoille kolme valmista vaihtoehtoa Ethernet-yhteydellä varustetun 10BASE-T1L-anturisolmun kehittämiseen. ADIN1100 on robusti, teollisuuskäyttöön tarkoitettu, vähävirtainen 10BASE-T1L-lähetinvastaanotin Ethernetin fyysisellä kerroksella (PHY). ADIN1110 sisältää sekä MAC- (Media Access Control) että PHY-rajapinnan (kuva 1).

Kuva 1: ADIN1110 on vähävirtainen yhden portin 10BASE-T1L-lähetinvastaanotin, jossa on integroituna Ethernet PHY ja MAC. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kolmas vaihtoehto on ADIN2111, joka on vähävirtainen ja kompleksisuudeltaan alhainen kaksiporttinen kytkin, johon kuuluu kaksi integroitua 10BASE-T1L PHY-rajapintaa ja yksi SPI (Serial Peripheral Interface) -portti (kuva 2). SPI-portin käyttö helpottaa isäntäprosessoriin kohdistuvia vaatimuksia, mikä tarjoaa käyttäjälle enemmän valinnanvaraa laitteen optimointiin tehon, kustannusten ja suorituskyvyn suhteen.

Kuva 2: ADIN2111 on vähävirtainen, kompleksisuudeltaan alhainen kaksiporttinen kytkin, johon on integroitu PHY-rajapinnat. (Kuvan lähde: Analog Devices)

10BASE-T1L-laitteita ADIN1100 ja ADIN2111 voidaan käyttää ketju- (kuva 3), väylä- ja rengasverkkotopologioissa. Nämä verkkotopologiat vähentävät merkittävästi tarvittavan kaapeloinnin määrää tähtiverkkoon verrattuna.

Kuva 3: Tässä näytetään 10BASE-T1L-verkon ketjutustopologia käyttämällä ADIN1100-ohjainta ja ADIN2111-kaksiporttikytkintä. Myös väylä- tai rengastopologiaa voidaan käyttää. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Suunnittelijat voivat aloittaa 10BASE-T1L-verkon suunnittelun käyttämällä apuna EVAL-ADIN1100-evaluointikorttia ADIN1100-piirille. Kortti tarjoaa kaikki ADIN1100-toiminnot helposti käyttöön, ja se voidaan konfiguroida graafisen käyttöliittymän (GUI) kautta tietokoneella tai laitteistoon konfiguroidulla erillisellä toiminnolla. Korttiin kuuluu kaksi plug-in-mallista ruuviliitintä 10BASE-T1L-kaapelia ja ulkoista virtalähdettä varten, RJ45-liittimellä varustettu Cat 5e Ethernet-kaapeli sekä kaapeli USB-A-liittimestä mikro-USB-B-liittimeen. Kortti tarjoaa myös pienen alueen prototyyppitestausta varten.

Joustavat anturirajapinnat tukevat 10BASE-T1L-standardia

BMS-verkon reunalla on kompleksinen yhdistelmä lämpötila-, paine-, kuormitus-, kosteus- ja venymäliuska-antureita, jotka vaativat erilaisia analogiapiirejä BMS-tapahtumien mittaamiseksi ja aktivoimiseksi.

Suunnittelijat voivat lisätä nämä erilaiset rajapinnat käyttämällä prosessinohjaus- ja BMS-sovelluksiin tarkoitettua nelikanavaista Analog Devices AD74412R SWIO-rajapintamikropiiriä. SWIO tarjoaa ainutlaatuisen joustavuuden, jossa mitä tahansa I/O-toimintoa voidaan käyttää missä tahansa nastassa, minkä lisäksi suunnittelijat voivat konfiguroida kanavia milloin tahansa. Ohjelmointi voidaan tehdä käytön aikana koko rakennuksen kattavien 2-johtoisten Ethernet-kanavien kautta. Tämä vähentää suunnitteluresurssien tarpeita ja mahdollistaa yleisten tuotteiden nopean ja laajan käyttöönoton automatisoidussa rakennuksessa.

AD74412R sisältää analogisen tulon, analogisen lähdön, digitaalisen tulon ja valmiuden suorittaa RTD-vastuslämpömittauksia yhteensopivan SPI-liitännän kautta. Tämä tuote on esitetty kuvassa 4, jossa näkyy myös sen 16-bittinen Σ-Δ-analogi-digitaalimuunnin (ADC), erilaisia diagnostiikkatoimintoja sekä neljä konfiguroitavissa olevaa 13-bittistä digitaali-analogimuunninta (DAC), jotka tarjoavat neljä konfiguroitavaa I/O-kanavaa.

Kuva 4: Nelikanavainen SWIO AD74412R sisältää neljä konfiguroitavaa 13-bittistä digitaali-analogimuunninta, jotka tarjoavat neljä konfiguroitavaa I/O-kanavaa. Se sisältää myös 16-bittisen Σ-Δ-analogi-digitaalimuuntimen (ADC) ja erilaisia diagnostiikkatoimintoja. (Kuvan lähde: Analog Devices)

AD74412R-mikropiiriin liittyviä tiloja ovat virtalähtö, jännitelähtö, jännitetulo, ulkoista virtalähdettä käyttävä virtatulo, silmukkaa virtalähteenä käyttävä virtatulo, ulkoinen RTD-mittaus, digitaalinen tulologiikka ja silmukkaa virtalähteenä käyttävä digitaalitulo. AD74412R-mikropiiri sisältää lisäksi erittäin tarkan sisäisen 2,5 voltin referenssin DAC- ja ADC-muuntimia varten.

Suunnittelu AD7441R-evaluointikortin avulla

AD74412R SWIO -mikropiirin analogisten käyttökohteiden määrä on lähes rajaton. Analog Devices tarjoaa evaluointikortin EV-AD74412RSDZ, joka auttaa suunnittelijoita pääsemään alkuun (kuva 5). Tämä evaluointikortti mahdollistaa teknisten ratkaisujen tutkimisen sisäisten uudelleenkonfigurointivaihtoehtojen ja PC-pohjaisen ohjelmoitavuuden avulla.

Kuva 5: EV-AD74412RSDZ on kattavilla ominaisuuksilla varustettu evaluointikortti AD74412R-mikropiiriä varten. (Kuvan lähde: Analog Devices)

AD74412R-evaluointiohjelmisto kommunikoi EV-AD74412RSDZ-kortin kanssa järjestelmäesittelyalustan (SDP) EVAL-SDP-CS1Z kautta, joka saa tulo- ja lähtösignaalit kortilta. Sen pudotusvalikkokäyttöliittymä helpottaa AD74412R-mikropiirin konfigurointia ja tarjoaa diagnostiikkatyökalut.

Yhteenveto

10BASE-T1L tarjoaa seuraavan sukupolven BAS-järjestelmille siirtonopeuden 10 Mbit/s jopa 1000 metrin etäisyydelle ja tukee samalla perinteisiä kierrettyjä kaksijohtimisia parikaapeliasennuksia. Kuten edellä on esitetty, suunnittelijat voivat toteuttaa nopeasti taakse- ja eteenpäin yhteensopivan 10BASE-T1L-anturiverkon prosessinohjaus- ja BMS-sovelluksia varten käyttämällä lähetinvastaanotinta ADIN1100 10BASE-T1L, kaksiporttista Ethernet-kytkintä ADIN2111 ja nelikanavaista SWIO-ratkaisua AD74412R.