10BASE-T1L mullistaa rakennusautomaation

Rakennusautomaatio on kehittynyt valtavasti viime vuosina, mikä on mahdollistanut kaupallisten ja asuinrakennusten tehokkaamman hallinnan.

Nykyään on paljon tarvetta tehokkaille ja kestäville järjestelmille, jotka tekevät rakennuksista terveellisempiä ympäristöjä asukkaille ja minimoivat samalla virrankulutuksen ja lisäävät reaaliaikaisen korkean tiedonsiirtokapasiteetin ja valvontaominaisuuksien määrää.

Rakennusautomaation haasteet

Rakennusautomaatio asettaa paljon haasteita suunnittelijoille ja järjestelmäintegraattoreille, esimerkiksi:

• Teknologian nopea vanhentuminen: Nykyiset järjestelmät voivat vanhentua teknologian nopean kehittymisen vuoksi, mikä johtaa toiminnallisuuden, tuen ja uusiin teknologioihin integroinnin vähenemiseen.
• Tehokkuutta ja kestävää kehitystä koskevat vaatimukset: Energiatehokkuus, vikojen havaitsemisen/diagnostiikan parantaminen, sisäympäristön laadun (IEQ) seuranta ja vesivarojen hallinta ovat kaikki välttämättömiä vaatimuksia rakennusten omistajille ja käyttäjille.
• Data-analytiikka ja optimointi: Nykyiset suuntaukset data-analytiikassa ja optimoinnissa edellyttävät, että rakennusautomaatiojärjestelmiin lisätään tiedonkeruu-, analysointi- ja tulkintaominaisuuksia. Tämä valmistelee järjestelmää tietoon perustuvaa rakennuksen suorituskyvyn optimointia, tehottomuuden havaitsemista ja korjaavien toimien toteuttamista varten.
• Yhteentoimivuus: Eri toimittajien tarjoamien järjestelmien yhteensopivuuden ja integroinnin varmistaminen on vaikeaa. Lisäksi järjestelmän tehokkuutta voivat heikentää yhteensopimattomuus, valmistajakohtaiset protokollat ja standardoinnin puute.

Kuten kuvasta 1 käy ilmi, näiden ongelmien ratkaiseminen edellyttää älykkäitä rakennuksia, jotka tarjoavat:

• Keskitetyn konfiguroinnin ja hallinnan mahdollistaminen yritystasolla pilviyhteyden avulla.
• Käännösyhdyskäytävä-riippuvuuden poistaminen ohjaintasolla.
• Älykkyyden siirto reunalle, jolloin anturit ja toimilaitteet voivat vaihtaa suuria tietomääriä.

Kuva 1: Reunasta-pilveen-verkkoyhteyden lisääminen rakennuksiin. (Lähde: ADI)

Tietoliikenteen merkitys kasvaa teollisuudessa ja rakennusautomaatiossa. Tietomäärien nykyinen kasvu on johtanut siihen, että perinteiset ratkaisut lähestyvät fysiologisia rajojaan. Näin ollen Ethernet on nousemassa vallitsevaksi viestintästandardiksi. Konventionaalinen 4 johtimen Ethernet-ratkaisu on muuttunut 2 johtimen ratkaisuksi, jota kutsutaan nimellä 10BASE-T1L ja joka koostuu yhdestä kierretystä johdinparista.

Miten 10BASE-T1L-standardi ohjaa muutosta?

IEEE 802.3cg 10BASE-T1L -spesifikaation julkaisu vuonna 2019 on ratkaissut useita teollisuuden ja rakennusten hallinnan viestintäongelmia mahdollistamalla 10 Mbps:n kaksisuuntaisen viestinnän jopa 1000 metrin etäisyydelle yhdellä kierretyllä johdinparilla.

10BASE-T1L-standardi ratkaisee useita perinteisten viestintäjärjestelmien rajoituksia, kuten kaapelointiin, kaistanleveyteen, etäisyyteen ja virransyöttöön liittyvät rajoitukset rakennusautomaatiossa. Seuraavassa selvitetään, miten 10BASE-T1L-standardi vastaa näihin rajoituksiin:

• Kaapelointi: 10BASE-T1L-standardi mahdollistaa saumattoman Ethernet-yhteyden kenttätason laitteille, kuten antureille ja toimilaitteille, tarjoamalla fyysisen kerroksen ratkaisun, joka pystyy siirtämään Ethernet-signaaleja ja virtaa yhdellä kierretyllä kaapeliparilla. Tämä poistaa tarpeen monimutkaiselle ja kalliille kaapelointi-infrastruktuurille, mikä helpottaa Ethernet-verkon ja rakennusautomaation käyttöönottoa ja asennusta. Tämän lisäksi Ethernet-paketit voidaan siirtää suoraan reunalta pilveen, jolloin yhdyskäytävän ei enää tarvitse kääntää niitä.
• Kaistanleveys: 10BASE-T1L-standardi tukee jopa 10 Mbps:n tiedonsiirtonopeuksia, mikä riittää useisiin rakennusautomaatiosovelluksiin. Tämä kaistanleveys on korkeampi kuin tavanomaisilla kenttäväylillä (joissa se on muutama kbps), ja se mahdollistaa arvojen lähettämisen antureilta tai suoraan toimilaitteille sekä laitteiden lisäparametrien, kuten konfigurointi- ja parametrointitietojen, lähettämisen.
• Etäisyys: 10BASE-T1L-standardin tuki pitkän matkan Ethernet-yhteyksille on yksi sen tärkeimmistä eduista. Se mahdollistaa jopa kilometrin pituiset yhteydet, mikä on huomattavasti enemmän kuin perinteinen Ethernet-standardi. Tämän ansiosta se soveltuu käyttökohteisiin, joissa laitteet on sijoitettu laajoille alueille, kuten teollisuuslaitoksiin ja autojen kokoonpanolaitoksiin.

Lisäksi 10BASE-T1L-standardi sopii käytettäväksi ympäristöissä, joissa tehoresurssit ovat rajalliset, koska sen tehovaatimukset ovat alhaiset. Tämä on ensiarvoisen tärkeää kenttätason laitteissa, joissa akun kesto ja virrankulutus ovat kriittisiä tekijöitä.

Joissakin tapauksissa 10BASE-T1L:n kautta voidaan siirtää sekä dataa että virtaa (enintään 60 W ei-luonnostaan turvalliset alueet), kuten standardissa on määritelty. 10BASE-T1L tukee kahta amplituditilaa: 2,4 V enintään 1000 metrin pituisille kaapeleille ja 1,0 V lyhyemmille, enintään 200 metrin pituisille kaapeleille. 1,0 voltin huipusta-huippuun-amplituditilan ansiosta tätä tekniikkaa voidaan käyttää myös räjähdyssuojatuissa ympäristöissä (räjähdysvaaralliset alueet) ja se täyttää vaadittavat tiukat enimmäisvirrankulutusvaatimukset (enimmäistehoksi on rajoitettu 500 mW).

Referenssikäyttötapaus

Kuvassa 2 on esitetty 10BASE-T1L-standardin tyypillinen käyttötapaus. Tässä älyrakennuksessa hyödynnetään 10BASE-T1L-standardin ominaisuuksia tietojen keräämiseen ja yhdistämiseen eri tasoilla, loppusolmusta (anturit ja toimilaitteet) aina yritys/IT-tasolle pilvipalveluun asti.

Huoneohjaimilla voi olla suora (point-to-point) yhteys kenttälaitteisiin tai ne voivat olla yhteydessä sarjaan laitteita, jotka on yhdistetty ketjuksi. Lisäksi jokainen huoneohjain voidaan konfiguroida hyväksymään yhteydet vanhoista laitteista.

Jokaisessa rakennuksessa on oma laitosohjain, joka on yhdistetty lukuisiin huoneohjaimiin 10BASE-T1L-linkkien kautta sekä muiden rakennusten laitosohjaimiin 100 Mb/Gb:n teollisuus-Ethernetin kautta.

Lyhyen kantaman yhteyksiin anturien ja toimilaitteiden kanssa (enintään 25 metriä), kuten kuvassa 2 oikealla olevan hissin koriohjaimen tapauksessa, soveltuu paremmin 10BASE-T1S-standardi.

Kuva 2: Käyttötapauksena älyrakennus. (Lähde: ADI)

10BASE-T1L-lähetin-vastaanotin

Analog Devices on kehittänyt piirin ADIN1110, joka on erittäin vähävirtainen, yksiporttinen 10BASE-T1L-lähetin-vastaanotin, joka soveltuu Ethernet-pohjaisiin sovelluksiin teollisuudessa ja rakennusautomaatiossa. Se noudattaa IEEE 802.3cg-2019 Ethernet-standardin mukaisia pitkän kantaman 10 Mbit/s SPE (Single Pair Ethernet) -vaatimuksia, ja se on suunniteltu käytettäväksi tällaisessa sovelluksissa.

Kuten kuvassa 3 on esitetty, komponentti sisältää MAC-liitännän (Media Access Control). Tämä mahdollistaa suoran yhteyden muodostamisen useisiin isäntäohjaimiin käyttämällä neljän johtimen SPI-sarjaliitäntää (Serial Peripheral Interface). Tämä SPI mahdollistaa sellaisten prosessoreiden käytön, joiden virrankulutus on alhainen, koska se ei tarvitse integroitua MAC-toimintoa. Tämä mahdollistaa pienimmän mahdollisen järjestelmän kokonaisvirrankulutuksen. SPI voidaan konfiguroida käyttämään Open Alliancen SPI-protokollaa tai yleistä SPI-protokollaa.

ADIN1110 sisältää syöttöjännitteen seurannan ja POR-piirin (Power-on-reset), jotka parantavat järjestelmätason robustisuutta. Piiri tarjoaa alhaisen virrankulutuksen (tyypillisesti 42 mW) ja se tukee lähetystasoja 1 VPP ja 2,4 VPP sekä automaattista neuvottelua ja 16 MAC-osoitetta kehysten suodatusta varten.

Kuva 3: Lohkokaaviossa ADIN1110 MAC PHY-lähetin-vastaanotin. (Lähde: ADI)

10BASE-T1L-standardin pidempi kantama mahdollistaa automaatiolaitteiden asentamisen suurempiin rakennuksiin ja saumattoman yhteyden säilyttämisen. Tämän joustavuuden ja skaalautuvuuden ansiosta laitospäälliköt voivat vaivattomasti valvoa ja muuttaa asetuksia esimerkiksi valaistuksessa, ilmastoinnissa/LVI-ohjauksessa, rakennusturvallisuudessa ja energianhallinnassa.

Lisäksi 10BASE-T1L-standardin korkeampi tiedonsiirtonopeus mahdollistaa rakennusjärjestelmien reaaliaikaisen valvonnan ja ohjauksen, mikä lisää toiminnan tehokkuutta. Tämä tekniikka parantaa vasteaikaa, viiveaikaa ja luotettavuutta automaatiolaitteiden tiedonsiirrossa.

10BASE-T1L Ethernet-kytkin

Ethernet-standardin tavoin 10BASE-T1L tarjoaa kytkimiä eri verkkosegmenttien ja -laitteiden yhdistämiseen. Erilaisia verkkotopologioita voidaan muodostaa ja niitä voidaan käyttää verkkoon liitettyjen laitteiden virransyöttöön. Rakennusautomaatiossa kytkimet yhdistetään usein ohjaimiin, antureihin ja toimilaitteisiin. Käytettävyyden parantamiseksi kytkimet mahdollistavat mediaredundanssin käyttämällä rengastopologiaa.

Analog Devices on kehittänyt tätä tarkoitusta varten ADIN2111-kytkimen, joka on täydellinen kaksiporttinen 10BASE-T1L-Ethernet-kytkin, joka on tarkoitettu rakennusautomaatioverkkoihin (kuva 4). Laite lisää pitkän kantaman Ethernet-yhteyden ohjaimiin, antureihin ja toimilaitteisiin ja soveltuu käytettäväksi pienissä reunalaitteissa, joiden teho on rajoitettu. ADIN2111 säästää jopa 50 prosenttia virrankulutuksessa ja jopa 75 prosenttia piirilevytilassa erillistoteutuksiin verrattuna.

Kuva 4: Lohkokaaviossa ADIN2111. (Lähde: ADI)

ADIN2111 on suunniteltu sekä lineaarisiin että renkaan muotoisiin ketjutettaviin verkkoihin, joissa hyödynnetään rakennusten nykyistä yhden kierretyn parikaapelin tarjoamaa infrastruktuuria, ja se vähentää näin jälkiasennuskustannuksia. Kuvassa 5 näytetään, miten useita laitteita toisiinsa liittämällä voidaan toteuttaa sekä rengas- (yläpuolella) että lineaarinen (alapuolella) topologia. Huomaa, että viimeinen reuna-anturi on kytketty lähetin-vastaanottimeen PHY- ja MAC-protokollien avulla, kun taas kaksi muuta on kytketty kytkimeen.

Kuva 5: ADIN2111 10BASE-T1L tukee useita topologioita, mikä parantaa suunnittelun joustavuutta ja skaalautuvuutta. (Lähde: ADI)

10BASE-T1L-kytkin käyttää 16 osoitteen MAC-hakutaulua ja tukee suoralähetystä sekä tallennusta ja edelleenlähetystä. Näiden ansiosta käyttäjät voivat priorisoida viivettä tai virheiden käsittelyä, kun datapaketteja käsitellään ja välitetään. Kehittynyt pakettisuodatus vapauttaa prosessorin prioriteettiliikenteen käsittelystä.

Kytkin tarjoaa diagnostiikkaominaisuudet, jotka nopeuttavat asennusta ja käyttöönottoa ja vähentävät järjestelmän käyttökatkoksia. Näihin kuuluvat muun muassa linkin laatuindikaattori MSE-arvolla (Mean Square Error), linkkidiagnostiikka ja IEEE-testitilat sekä kaapelivikojen havaitseminen TDR-mittauksen (Time Domain Reflectometry) avulla. Tämä diagnostiikkaratkaisu koostuu erittäin tarkasta piirin sisäisestä TDR-tuesta ja algoritmeista, jotka toimivat isäntämikrokontrollerissa. Tämä mahdollistaa maksimaalisen joustavuuden laajalle kaapelivalikoimalle ja kehittyneemmät kaapelien diagnostiikkaominaisuudet.

IEEE 802.3cg -standardin mukainen ratkaisu tukee Ethernet-yhteyttä 1,7 km:n kaapelietäisyydellä, rengasredundanssia sekä pehmeitä protokollia, kuten Modbus/TCP, BACnet/IP ja reaaliaikainen KNX. On myös huomattava, että ADIN2111-kytkintä voidaan käyttää toistimena hallitsemattomassa konfiguraatioissa, jolloin etäisyys voi olla jopa 2000 metriä tai enemmän.

Yhteenveto

10BASE-T1L-standardin julkaisu on luonut uusia mahdollisuuksia rakennusautomaatioon ja mullistanut kaupallisten ja asuintilojen hallinnan ja ohjauksen. Se on ihanteellinen ratkaisu automaatioratkaisujen toteuttamiseen, koska se pystyy hyödyntämään olemassa olevaa infrastruktuuria, tarjoamaan joustavuutta ja parantamaan tiedonsiirtoa.