Jak tanio połączyć czujniki w sieć dla systemów zarządzania budynkiem
| TechnikaAutomatyka budynkowa zmniejsza koszty eksploatacji i utrzymania obiektów, zapewniając jednocześnie bezpieczniejsze i bardziej komfortowe środowisko życia dla jego mieszkańców. Rozwój funkcjonalności systemu automatyki budynkowej (BAS, building automation system) opiera się na wykorzystaniu do sterowania i kontroli jak największej ilości danych z coraz większej liczby czujników, a także na użyciu coraz liczniejszych elementów sterujących. Wdrożenie rozbudowanego systemu wymaga użycia tanich, ale wydajnych rozwiązań komunikacyjnych do transmisji danych z czujników do centralnego koncentratora lub chmury, gdzie dalej można je analizować i na tej podstawie reagować i sterować.
Wdrażanie instalacji zawierających wiele czujników i siłowników, szczególnie w starszych budynkach i tam, gdzie zasilanie nie jest łatwo dostępne, może znacząco podrożyć inwestycję i wymagać kosztownych prac budowlanych. Do tej pory sieci RS485 były często wybierane jako opłacalne rozwiązanie w takich przypadkach, ale rosnące wymagania co do przepływności i szybkości transmisji danych zmuszają dzisiaj sięgania alternatywy o większej przepustowości.
Aby zminimalizować koszty inwestycji przy jednoczesnym zwiększeniu przepustowości, projektanci mogą skorzystać z obecnie zainstalowanego okablowania pojedynczej skrętki za pomocą Ethernetu jednoparowego 10BASE-T1L. Ten bazujący na standardzie IEEE 802.3cg-2019 interfejs zapewnia przepustowość 10 Mb/s i działa na odległość do 1000 m. Co więcej, istnieje możliwość, aby pojedyncza para skrętki zapewniała również zasilanie, eliminując potrzebę dodatkowego okablowania zasilającego, baterii itp. W tym rozwiązaniu nie ma potrzeby użycia energochłonnych bram komunikacyjnych, ponieważ liczba urządzeń w sieci jest praktycznie nieograniczona.
Artykuł omawia wymagania związane z systemami automatyki budynkowej oraz przedstawia dotychczasowe rozwiązania. Następnie omawia Ethernet 10BASE-T1L i przykładowe rozwiązania firmy Analog Devices, pokazujące łatwość implementacji. Artykuł przedstawia również, jak wykorzystać oprogramowanie I/O (SWIO), aby uprościć interfejs, przy jednoczesnym zachowaniu kompatybilności wstecznej w istniejących systemach zarządzania budynkiem (BMS, building management systems). Opisano również zestaw ewaluacyjny, który ułatwia rozpoczęcie pracy z SWIO.
BAS lub BMS
Terminy BAS (building automation systems) lub BMS (building management systems) odnoszą się do automatyzacji i zarządzania różnymi systemami w budynkach i w praktyce opisują to samo. Realizują poprawę komfortu użytkowników i wzrost wydajności zainstalowanych systemów, dają obniżkę kosztów eksploatacji oraz zapewniają bezpieczeństwo. Cztery warstwy w systemie BMS to warstwa nadzorcza, serwerowo-aplikacyjna, sterownika polowego i warstwa wejścia/wyjścia.
Warstwa nadzorcza (supervisory layer) to fizyczna dwuprzewodowa linia transmisyjna, w której znajdują się urządzenia nadzorcze. Urządzenia nadzorcze konsolidują cały ruch kontrolerów polowych. Serwer/aplikacja odbiera dane z różnych urządzeń nadzorczych i obsługuje standardowe protokoły Ethernet, takie jak Modbus, KNX, BACnet i LON, powszechnie stosowane w systemach zarządzania budynkiem. Dostarcza skonsolidowane dane klientowi lub użytkownikowi końcowemu za pośrednictwem interfejsu użytkownika. Warstwa kontrolera polowego analizuje dane wejściowe z czujników temperatury i przełączników oraz steruje wyjściami systemu, takimi jak siłowniki i przekaźniki.
RS-485 – klasyczne rozwiązanie łączności
Do tej pory interfejs TIA/EIA-485, powszechnie znany jako RS-485, był szeroko wykorzystywany w układach automatyki budynkowej i BMS-ach, ponieważ pozwala on na realizację niedrogich sieci lokalnych z łączami komunikacyjnymi typu multidrop (połączenie kilku nadajników- odbiorników do tej samej linii). RS-485 to standard wyłącznie elektryczny, który definiuje charakterystykę odbiorników i sterowników przy współpracy z symetryczną linią transmisyjną. Realizuje dwukierunkową, półdupleksową komunikację z użyciem pojedynczej skrętki, co idealnie pasuje do aplikacji budynkowych.
RS-485 zapewnia dość dużą szybkość transmisji: 35 Mb/s na odległościach do 10 m i 100 kbit/s na 1200 m. Praktyczna zasada RS-485 mówi, że prędkość w bitach/ s pomnożona przez długość kabla w metrach nie powinna przekraczać 108, czyli największa prędkość transmisji dla kabla 50 m wynosi 2 Mbit/s. Mimo to, tak duże szybkości w aplikacjach budynkowych z RS-485 są rzadkością. Maksymalna prędkość popularnego protokołu systemów automatyki budynkowej, działającego w warstwie fizycznej (PHY) RS-485 BACnet MS/TP, wynosi 115 200 bps.
W porównaniu z innymi interfejsami szeregowymi, najważniejszą zaletą RS- -485 jest duża odporność na zakłócenia, co przydaje się w trudnych warunkach przemysłowych. Zdolność do tłumienia zakłóceń w RS-485, dopuszczalne długie kable, obsługa wielu nadajników-odbiorników na jednej linii i stosunkowo duża prędkość transmisji danych dobrze wpisują się też w wymagania aplikacje automatyki budynkowej.
Protokół Ethernet 10BASE-T1L
Wraz ze wzrostem wymagań i liczbą urządzeń w sieci automatyki budynkowej przepustowość zyskuje na znaczeniu. 10BASE-T1L jest tu alternatywą dającą lepszy transfer w komunikacji punkt- -punkt za pośrednictwem skrętki dwużyłowej. Standard ten zapewnia 10 Mb/s na odległości 1000 m oraz rozwiązuje problemy z zasilaniem, okablowaniem, dużymi odległościami i wyspami danych, jednocześnie eliminując potrzebę stosowania bram sieciowych.
"10" w 10BASE-T1L odnosi się do szybkości transmisji 10 Mbit/s, "BASE" odnosi się do pasma podstawowego, "T" oznacza "skrętkę", a cyfra "1" oznacza zasięg 1 km. Końcowe "L" oznacza "daleki zasięg, long range" z segmentami do 1 km. Specyfikacja pozwala na dostarczenie 500 mW do węzła sieci, dzięki czemu 10BASE-T1L przenosi Ethernet do bezpiecznych aplikacji strefy 0 lub obszarów niebezpiecznych. W zastosowaniach nieiskrobezpiecznych może dostarczyć do 60 W.
Topologia sieci Ethernet 10BASE-T1L może być łańcuchowa, szeregowa lub pierścieniowa. Jak wspomniano, nie ma tu bram sieciowych – pakiety ethernetowe przechodzą od brzegu sieci (węzła) do hosta, a ostatecznie do chmury.
Rozwiązania układowe z 10BASE-T1L
Do budowy ethernetowego węzła sieci 10BASE-T1L projektanci mogą sięgnąć po trzy przykładowe układy z oferty Analog Devices. ADIN1100 to niezawodny, przemysłowy, energooszczędny transceiver 10BASE-T1L z układem PHY realizującym warstwą fizyczną Ethernetu oraz ADIN1110 zawierający PHY i MAC (rys. 1).
Trzecią propozycją jest ADIN2111. To prosty dwuportowy switch o małym zużyciu energii z dwoma zintegrowanymi blokami PHY 10BASE-T1L i jednym portem interfejsu SPI (rys. 2). Korzystanie z SPI zmniejsza wymagania dotyczące wydajności procesora hosta, dając użytkownikowi więcej możliwości optymalizacji urządzenia pod kątem poboru mocy, ceny i wydajności.
Z użyciem układów ADIN1100 i ADIN- 2111 można tworzyć sieci łańcuchowe (daisy chain) – rysunek 3, szeregowe lub pierścieniowe. W porównaniu z siecią gwiazdową znacznie zmniejszają one ilość wymaganego okablowania.
Topologie liniowe lub pierścieniowe też są możliwe do realizacji
Aby ułatwić sobie pracę z 10BASE-T1L, projektanci mogą sięgnąć po płytkę ewaluacyjną EVAL-ADIN1100 z układem ADIN1100. Pozwala ona na wypróbowanie wszystkich opcji komunikacji i może być konfigurowana z użyciem peceta. Zawiera dwa złącza śrubowe do podłączenia kabla 10BASE-T1L, w zestawie jest ponadto zasilacz, kabel Ethernet Cat 5e ze złączem RJ45 oraz kabel USB-A micro- USB-B. Na płytce dostępny jest również mały obszar na prototyp użytkownika.
Elastyczne interfejsy czujników do 10BASE-T1L
Na końcu sieci znajdują się czujniki temperatury, ciśnienia, wilgotności i podobne, które wymagają użycia obwodów pomiarowych pozwalających na odczyt danych, detekcję zdarzeń i przesłanie ich do BMS. Układ AD74412R ADI pozwala zapanować nad różnorodnością interfejsów i typów czujników. Realizuje on czterokanałowy, programowalny interfejs I/O (SWIO) do aplikacji automatyki procesowej i budynkowej.
SWIO to rozwiązanie o dużej elastyczności, zapewniające możliwość ustawienia do dowolnej funkcji I/O na każdym z pinów, umożliwiając konfigurowanie kanałów pomiarowych w locie za pomocą połączenia ethernetowego SPE, które obejmuje cały budynek. Skutkuje to tańszą i prostszą realizacją i pozwala stworzyć uniwersalne produkty, które można szybko dopasować do wymagań i wdrożyć w budynku.
AD74412R komunikuje się z czujnikami przez wejście i wyjście analogowe, ma wejście cyfrowe oraz obsługuje termorezystory RTD. Komunikacja z hostem następuje przez SPI. Na rysunku 4 pokazano jego schemat wewnętrzny z uwypuklonym 16-bitowym przetwornikiem analogowo- cyfrowym typu Σ-Δ, grupą funkcji diagnostycznych oraz czterema konfigurowalnymi, 13-bitowymi przetwornikami cyfrowo-analogowymi (DAC), które realizują cztery konfigurowalne kanały we/wy.
AD74412R po stronie analogowej realizuje wyjście prądowe i napięciowe, wejście napięciowe i prądowe zasilane zewnętrznie oraz z pętli, a także pomiar oporności RTD. Są też dostępne wejścia i wyjścia cyfrowe, w tym zasilane z pętli. W układzie jest też bardzo dokładne wewnętrzne źródło napięcia odniesienia 2,5 V dla przetworników.
Projektowanie z użyciem płytki ewaluacyjnej AD7441R
Z uwagi na ogromną potencjalną liczbę zastosowań AD74412R SWIO firma Analog Devices przygotowała płytkę ewaluacyjną EV-AD74412RSDZ (rys. 5). Można ją konfigurować z użyciem komputera PC.
Oprogramowanie bazuje na GUI, co pozwala prosto ustawić konfigurację przez wybór z menu. Dla projektanta są też narzędzia diagnostyczne przydatne podczas uruchamiania układu.
Podsumowanie
Ethernet SPE 10BASE-T1L wnosi do systemów automatyki budynkowej przepustowość 10 Mbit/s na odległość do 1000 m i działa na starszych instalacjach ze skrętką dwuprzewodową. Przy użyciu transceivera ADIN1100 10BASE-T1L, dwuportowego przełącznika Ethernet ADIN2111 i czterokanałowego programowalnego układu we/wy (SWIO) AD74412R do sterowania procesami i aplikacji BMS projektanci mogą szybko wdrożyć to rozwiązanie, zapewniając kompatybilność wsteczną i możliwość rozwoju.
Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/
