Gebouwautomatisering revolutioneren met 10BASE-T1L

De afgelopen jaren is de gebouwautomatisering enorm verbeterd, waardoor commerciële en residentiële gebouwen effectiever kunnen worden beheerd.

Vandaag de dag is er een wijdverspreide behoefte aan efficiënte en duurzame systemen om gebouwen gezonder te maken voor bewoners, terwijl het stroomverbruik wordt geminimaliseerd en de real-time doorvoer van hoge gegevens en de regelmogelijkheden worden vergroot.

De uitdagingen van gebouwautomatisering

Ontwerpers en systeemintegrators worden geconfronteerd met verschillende uitdagingen die gebouwautomatisering met zich meebrengt, zoals:

• Snelle veroudering van technologie: Bestaande systemen kunnen verouderd raken door snelle technologische verbeteringen, wat leidt tot verminderde functionaliteit, ondersteuning en integratie met nieuwe technologieën.
• Vereisten voor efficiëntie en duurzaamheid: Energie-efficiëntie, verbeteringen op het gebied van foutdetectie/diagnose, bewaking van de kwaliteit van het binnenmilieu (IEQ) en waterbeheer zijn allemaal noodzakelijk voor eigenaars en beheerders van gebouwen.
• Gegevensanalyse en optimalisatie: Moderne trends op het gebied van gegevensanalyse en -optimalisatie hebben de integratie van gegevensverzameling, -analyse en -interpretatie in gebouwautomatiseringssystemen noodzakelijk gemaakt. Dit maakt de weg vrij voor gegevensgestuurde optimalisatie van gebouwprestaties, detectie van inefficiëntie en implementatie van corrigerende maatregelen.
• Interoperabiliteit: Het is moeilijk om compatibiliteit en integratie te garanderen tussen systemen van verschillende leveranciers. Daarnaast kan de efficiëntie van een systeem worden belemmerd door incompatibiliteiten, propriëtaire protocollen en een gebrek aan standaardisatie.

Zoals te zien is in Afbeelding 1, zijn voor het aanpakken van deze problemen slimme gebouwen nodig die in staat zijn om:

• Gecentraliseerde configuratie en beheer op bedrijfsniveau mogelijk maken via cloudverbinding
• De afhankelijkheid van vertaalgateways op controllerniveau verwijderen
• De intelligentie naar de rand verplaatsen, zodat sensoren en actuatoren een grote hoeveelheid gegevens kunnen uitwisselen

Afbeelding 1: Gebouwen voorzien van interoperabele edge-to-cloud connectiviteit. (Bron: ADI)

Datacommunicatie wordt steeds belangrijker in de industriële en gebouwautomatiseringsdomeinen. De huidige toename van gegevensvolumes heeft geleid tot het besef dat traditionele oplossingen hun fysiologische drempel naderen. Bijgevolg is Ethernet in opkomst als de heersende communicatiestandaard. De conventionele 4-draads Ethernet-oplossing is veranderd in een 2-draads oplossing die 10BASE-T1L wordt genoemd en bestaat uit één paar getwiste draden.

Hoe de 10BASE-T1L-standaard de verandering aandrijft

De introductie in 2019 van de IEEE 802.3cg 10BASE-T1L specificatie heeft verschillende industriële en gebouwbeheer communicatieproblemen opgelost door 10 Mbps full-duplex communicatie tot 1000 meter over een enkel paar getwiste draden mogelijk te maken.

De 10BASE-T1L-standaard overwint verschillende beperkingen van traditionele communicatiesystemen, waaronder beperkingen met betrekking tot bekabeling, bandbreedte, afstand en vermogen op het gebied van gebouwautomatisering. Hier volgt een uitsplitsing van hoe de 10BASE-T1L-standaard deze beperkingen aanpakt:

• Bekabeling: De 10BASE-T1L standaard maakt naadloze Ethernetverbindingen mogelijk voor apparaten op veldniveau, zoals sensoren en actuatoren, door een oplossing voor de fysieke laag te bieden die Ethernet-signalen en stroom via een enkel getwist kabelpaar kan verzenden. Hierdoor is er geen complexe en dure bekabelingsinfrastructuur nodig, wat de implementatie en installatie van Ethernet-netwerk-gebouwautomatisering vergemakkelijkt. Daarnaast kunnen Ethernet-pakketten rechtstreeks van de rand naar de cloud gaan, waardoor er geen gatewayvertalingen meer nodig zijn.
• Bandbreedte: De 10BASE-T1L-standaard ondersteunt gegevensoverdrachtsnelheden tot 10 Mbps, wat voldoende is voor een verscheidenheid aan toepassingen voor gebouwautomatisering. Deze bandbreedte is hoger dan bij conventionele veldbussen (waar de bandbreedte beperkt is tot enkele kbps) en maakt de overdracht van waarden van sensoren of rechtstreeks naar actuators mogelijk, evenals extra apparaatparameters, zoals configuratie- en parametreergegevens.
• Afstand: Het vermogen van de 10BASE-T1L-standaard om Ethernet-verbindingen over lange afstanden te ondersteunen is een van de belangrijkste voordelen. Het maakt verbindingen tot 1 kilometer mogelijk, wat aanzienlijk langer is dan de traditionele Ethernet-standaard. Dit maakt het geschikt voor toepassingen waarbij apparaten over grote oppervlakken verspreid zijn, zoals industriële installaties en auto-assemblagefabrieken.

Bovendien is de 10BASE-T1L-standaard bedoeld voor gebruik in omgevingen met beperkte energiebronnen vanwege de lage stroomvereisten. Dit is van het grootste belang voor apparaten in het veld, waar de levensduur van de batterij en het stroomverbruik kritisch zijn.

In sommige gevallen is het nodig om via 10BASE-T1L zowel data als voeding (tot 60 W in niet-intrinsiek veilige omgevingen) te leveren, zoals gedefinieerd in de standaard. 10BASE-T1L ondersteunt twee amplitudemodi: 2,4 V voor kabellengtes tot 1000 m en 1 V voor kortere lengtes tot 200 m. Dankzij de 1 V piek-tot-piek amplitudemodus kan deze technologie ook worden gebruikt in explosiebeveiligde omgevingen (gevaarlijke gebieden) en voldoet deze aan de strenge vereisten voor maximaal stroomverbruik die van toepassing zijn (maximaal vermogen is beperkt tot 500 mW).

Een referentiegebruiksgeval

Een typische gebruikssituatie van de 10BASE-T1L-standaard wordt weergegeven in Afbeelding 2. Deze toepassing voor slimme gebouwen maakt gebruik van de eigenschappen van 10BASE-T1L om gegevens op verschillende niveaus te verzamelen en samen te voegen, van het eindknooppunt (sensors en actuators) tot het bedrijfs-/IT-niveau op de cloud.

Ruimtecontrollers kunnen rechtstreekse (punt-tot-punt) verbindingen hebben met de veldapparaten of verbinding maken met een reeks apparaten die zijn gekoppeld in een serieschakeling. Bovendien kan elke ruimteregelaar worden geconfigureerd om verbindingen van oudere apparaten te aanvaarden.

Elk gebouw heeft zijn eigen fabriekscontroller, die via 10BASE-T1L-verbindingen is verbonden met een groot aantal fabriekscontrollers en via 100 Mb/Gb industrieel Ethernet met de fabriekscontrollers van andere gebouwen.

Voor korteafstandsverbindingen met sensors en actuators (tot 25 meter), zoals in het geval van de liftcabinebesturing rechts in Afbeelding 2, is de 10BASE-T1S-standaard geschikter.

Afbeelding 2: Een smart building use case. (Bron: ADI)

10BASE-T1L-zendontvanger

Analog Devices heeft de ADIN1110 ontwikkeld, een ultralaag vermogen, enkele poort, 10BASE-T1L-zendontvanger geschikt voor Ethernet-gebaseerde toepassingen in industriële en gebouwautomatisering. Het voldoet aan de IEEE 802.3cg-2019 Ethernet-standaard voor lange reikwijdte, 10 Mbps single pair Ethernet (SPE), en is ontworpen voor gebruik in deze toepassingen.

Zoals getoond in Afbeelding 3, bevat de component een media access control (MAC) interface. Dit maakt het mogelijk om direct contact te maken met verschillende hostcontrollers via een seriële perifere interface (SPI) die vier draden gebruikt. Deze SPI maakt het gebruik van processors met lager stroomverbruik mogelijk omdat er geen geïntegreerde MAC nodig is, wat resulteert in het laagste totale stroomverbruik voor het systeem. Zowel het Open Alliance SPI-protocol als een generiek SPI-protocol zijn beschikbaar als opties voor gebruik met de SPI bij het configureren.

De ADIN1110 bevat spanningsbewaking en POR-circuits (power-on reset) om de robuustheid op systeemniveau te verbeteren. Hij heeft ook een laag stroomverbruik (typisch 42 mW) en ondersteunt 1 VPP en 2,4 VPP zendniveaus, evenals auto-negotiation en 16 MAC-adressen voor framefiltering.

Afbeelding 3: Blokschema van de ADIN1110 MAC PHY-zendontvanger. (Bron: ADI)

Het grotere bereik van 10BASE-T1L maakt het mogelijk om automatiseringsapparaten in grotere gebouwen te installeren met behoud van naadloze connectiviteit. Dankzij deze flexibiliteit en schaalbaarheid kunnen facilitair managers moeiteloos instellingen bewaken en wijzigen voor toepassingen zoals verlichting, klimaat- en HVAC-regeling, beveiliging en energiebeheer.

Bovendien maakt de hogere gegevenstransmissiesnelheid van 10BASE-T1L real-time bewaking en besturing van gebouwsystemen mogelijk, wat leidt tot een grotere operationele efficiëntie. De responstijd, latentie en betrouwbaarheid van de communicatie tussen automatiseringsapparaten worden allemaal verbeterd door deze technologie.

10BASE-T1L Ethernet-switch

Net als de Ethernet-standaard biedt 10BASE-T1L-switches voor het verbinden van verschillende netwerksegmenten en apparaten. Er kunnen verschillende netwerktopologieën worden geconstrueerd en gebruikt om aangesloten apparaten van stroom te voorzien. In gebouwautomatisering worden switches vaak aangesloten op controllers, sensors en actuators. Voor een grotere beschikbaarheid maken switches mediaredundantie mogelijk in de vorm van ringtopologieën.

Hiertoe heeft Analog Devices de ADIN2111 ontwikkeld, een complete 10BASE-T1L Ethernet-tweepoortswitch ontworpen voor gebouwautomatiseringsnetwerken (Afbeelding 4). Het apparaat, dat Ethernet-connectiviteit over lange afstand toevoegt aan controllers, sensoren en actuatoren, is geschikt voor gebruik in kleine randapparaten met een beperkt vermogen. De ADIN2111 bespaart tot 50 procent op stroomverbruik en biedt tot 75 procent meer PCB-ruimte dan discrete implementaties.

Afbeelding 4: Blokschema van de ADIN2111. (Bron: ADI)

De ADIN2111 is ontworpen voor zowel in-line als ring serieschakelnetwerken, waarbij gebruik wordt gemaakt van de bestaande enkele twisted pair bekabelinginfrastructuur in gebouwen, waardoor de kosten voor retrofit worden verlaagd. Afbeelding 5 laat zien hoe meerdere apparaten kunnen worden aangesloten om zowel ring (bovenkant) als in-line (onderkant) topologieën te implementeren. Merk op dat de laatste sensor is verbonden met een zendontvanger met PHY en MAC, terwijl de andere twee zijn verbonden met een switch.

Afbeelding 5: De ADIN2111 10BASE-T1L ondersteunt meerdere topologieën voor maximale ontwerpflexibiliteit en schaalbaarheid. (Bron: ADI)

De 10BASE-T1L-switch is uitgerust met een MAC-opzoektabel met 16 adressen en ondersteunt doorknippen en opslaan en doorsturen, zodat gebruikers prioriteit kunnen geven aan latentie of foutafhandeling bij het verwerken en doorsturen van gegevenspakketten. Geavanceerde pakketfiltering bevrijdt de processor van de last van het afhandelen van prioritair verkeer.

De switch bevat geavanceerde diagnostische mogelijkheden die installatie, inbedrijfstelling en systeemuitval verminderen. Hiertoe behoren een indicator voor linkkwaliteit met gemiddelde vierkante fout (MSE), linkdiagnostiek en IEEE-testmodi en detectie van kabeldefecten met behulp van tijddomeinreflectometrie (TDR). Deze diagnoseoplossing bestaat uit een zeer nauwkeurige on-chip TDR-engine en een set algoritmen die draaien op een hostmicrocontroller, waardoor maximale flexibiliteit mogelijk is voor een breed scala aan kabels en meer geavanceerde kabeldiagnostische mogelijkheden.

Deze oplossing voldoet aan de IEEE 802.3cg-standaard en ondersteunt Ethernet-connectiviteit over 1,7 km bekabeling, ringredundantie en zachte protocollen zoals Modbus/TCP, BACnet/IP en KNX in realtime. Er moet ook worden opgemerkt dat de ADIN2111 kan worden gebruikt als een repeater in een onbeheerde configuratie om het bereik uit te breiden tot en meer dan 2.000 meter.

Conclusie

De introductie van 10BASE-T1L heeft nieuwe mogelijkheden gecreëerd voor gebouwautomatisering en een revolutie teweeggebracht in de manier waarop commerciële en residentiële ruimtes worden beheerd en bestuurd. Het is een ideale oplossing voor het implementeren van automatiseringsoplossingen omdat het gebruik kan maken van bestaande infrastructuur, flexibiliteit biedt en de gegevensoverdracht verbetert.