Hur man på ett kostnadseffektivt sätt kan skapa nätverk av givare för styrsystem i fastigheter

Fastighetsautomation minskar drifts- och underhållskostnaderna för en anläggning, samtidigt som den ger en säkrare och bekvämare miljö för de som bor i fastigheten. Förbättringar av ett system för fastighetsautomation bygger på mer information från ett ökande antal givare - och till ett ökande antal styrenheter/ställdon - som är utplacerade i hela fastigheten. För denna användning krävs ett kostnadseffektivt och effektivt sätt att transportera de insamlade uppgifterna från givarnoden till en central hubb eller ett moln, där de kan analyseras och användas och där de nödvändiga styrsignalerna kan levereras.

Att installera givare och ställdon i stor skala, i synnerhet i äldre fastigheter - och där ström inte är lätt tillgängligt - kan kräva omfattande och kostsamma ombyggnationer för att säkerställa full täckning av fastigheten. Hittills har nätverk med RS-485 varit en kostnadseffektiv lösning vid eftermontering, men större informationsmängder och högre datahastigheter kräver ett alternativ med högre genomströmning.

För att minimera kostnaderna och samtidigt öka genomströmningen kan konstruktörer dra nytta av redan installerade partvinnade kablar för Ethernet eller RS-485 genom att använda 10BASE-T1L. 10-BASE-T1L, som är baserat på standarden IEEE 802.3cg-2019 för datakommunikationsgränssnitt i paketformat, har en kapacitet på 10 Mbit/s över avstånd på upp till 1000 m. Det finns ett alternativ för gränssnitt med två trådar för att även tillhandahålla ström via datakabeln, för att eliminera behovet av lokala strömkällor eller förläggning av strömkablar. Detta eliminerar även behovet av strömslukande gateways genom möjligheten att ansluta ett obegränsat antal enheter.

Artikeln går igenom kraven för fastighetsstyrning och hur dessa har hanterats hittills. Därefter presenteras 10BASE-T1L Ethernet och exempellösningar från Analog Devices som visar hur lätt det är att implementera. Den visar även hur man kan använda programstyrd I/O för att förenkla givarens gränssnitt för fastighetsstyrenheter med Ethernet, samtidigt som man bibehåller bakåt- och framåtkompatibiliteten för fastighetshanteringssystemet. Ett lämpligt utvärderingskort för att hjälpa konstruktörer att komma igång med programstyrd I/O beskrivs också.

Fastighetshanteringssystemets roll

System för fastighetsstyrning avser automatisering och hantering av olika system i en fastighet. Målen för fastighetshanteringssystem sträcker sig från komfort för de boende till fastighetssystemets effektivitet, drifts- och underhållskostnader samt säkerhet. De fyra lagren i fastighetshanteringssystem är övervakningslagret, server/program, fältstyrenhet och in-/utgångslagret.

Övervakningslagret är fysiskt sett det tvåtrådiga överföringslagret där övervakningsenheterna är placerade. Övervakningsenheterna sammanställer all trafik från fältstyrenheterna. Servern/programmet tar emot information från olika övervakningsenheter. Detta lager har stöd för standardprotokoll via Ethernet, som t.ex. Modbus, KNX, BACnet och LON, som ofta används i fastighetshanteringssystem. Detta lager levererar den sammanställda informationen till klienten eller slutanvändaren via användargränssnittet. Lagret med fältstyrenheten hanterar indata från temperaturgivare och omkopplare, och styr systemets utgångar, som t.ex. ställdon och reläer.

Den sista pusselbiten i fastighetshanteringssystemet är in-/utgångslagret. I detta lager finns givare och styrenheter. Vissa givare och ställdon har stöd för TCP/IP, vilket gör att du inte behöver en styrenhet.

RS-485: En klassisk lösning för anslutning av fastighetshanteringssystem

Hittills har gränssnittet TIA/EIA-485, allmänt kallat RS-485, använts i stor utsträckning av konstruktörer av tillämpningar inom fastighetsautomation eftersom det är ett billigt lokalt nätverk med multidrop-kommunikationslänkar. RS-485 är en standard som endast är elektrisk och definierar de elektriska egenskaperna hos mottagare och drivkretsar när en balanserad överföringsledning med flera punkter används. Den har stöd för ett tvåvägs informationsbyte med halv duplex över en partvinnad tvåtrådsförbindelse och möjliggör multidrop-anslutningar (anslutning av flera transceivrar till samma linje), vilket är perfekt för fastighetshanteringssystem.

RS-485 har även stöd för relativt höga datahastigheter: 35 Mbits/s över avstånd på upp till 10 m och 100 kbits/s över 1 200 m. Tumregeln för RS-485 är att hastigheten i bitar/s multiplicerat med kabellängden i meter inte bör överstiga 10E8. Den snabbaste hastigheten för en 50 m lång kabel är följaktligen 2 Mbits/s. Det är dock ovanligt att använda en så hög hastighet i RS-485-tillämpningar för fastighetsstyrning. Den maximala hastigheten för BACnet MS/TP, ett vanligt protokoll för fastighetsautomation som körs i det fysiska lagret (PHY) RS-485, är 115 200 bitar/s).

Jämfört med andra seriella kommunikationslänkar är den främsta fördelen med RS-485 dess höga tolerans mot elektriska störningar i tuffa industrimiljöer. Egenskaperna hos RS-485 när det gäller avvisning av elektriska störningar, långa kabeldragningar, stöd för flera transceivers på en enda linje och relativt snabb dataöverföringshastighet passar bra för fastighetsmiljöer.

Ethernet-protokollet 10BASE-T1L

I takt med att kraven på fastighetshanteringssystemen ökar och informationsmängderna blir större blir genomströmningen allt viktigare. 10BASE-T1L erbjuder ett alternativ med högre hastighet för punkt-till-punkt-kommunikation via tvinnad parkabel, eftersom den har stöd för 10 Mbits/s över 1 000 m. 10BASE-T1L löser även utmaningar på fältet, som t.ex. ström, kabelförläggning, avstånd och dataöar, samtidigt som den eliminerar behovet av komplicerade gateways.

"10" i 10BASE-T1L hänvisar till överföringshastigheten 10 Mbit/s, "BASE" hänvisar till basbandssignaler, "T" står för "Twisted pair" (partvinnad) och siffran "1" står för en räckvidd på 1 km. Det sista "L" står för "långt avstånd", vilket anger att segmenten är 1 km långa. 10BASE-T1L, som kan leverera 500 mW, gör att Ethernet kan användas som sådan i skyddszon 0 eller för tillämpningar i farliga områden. I icke-skyddstillämpningar kan den ge upp till 60 W.

Topologin i ett 10BASE-T1L Ethernet-nätverk kan vara en seriekoppling, linje eller ring. Som nämnts finns det inga gateways: Ethernet-paketen går från kanten till styrnivån och slutligen till molnet för att uppnå målen om sömlös kommunikation för fastighetsautomation.

Oavsett om givaren finns i en tillverkningsanläggning eller på skrivbordet gör denna förenklade anslutning mellan Ethernet-till-molnet det möjligt att konfigurera givare med en mobiltelefon eller bärbar dator.

Konfiguration av hårdvara med 10BASE-T1L för fastighetsautomation

För att utveckla en givarnod med 10BASE-T1L Ethernet har konstruktörer tre färdiga alternativ från Analog Devices att välja på. ADIN1100 är en robust, industriell 10BASE-T1L-transceiver med låg effekt och ett fysiskt Ethernet-lager (PHY); ADIN1110 har både MAC- och PHY-gränssnitt (figur 1).

Figur 1: ADIN1110 är en transceiver med en 10BASE-T1L port och integrerad Ethernet PHY och MAC. (Bildkälla: Analog Devices)

Det tredje alternativet är ADIN2111, en switch med två portar, låg komplexitet och låg strömförbrukning med två integrerade 10BASE-T1L PHY:er och en SPI-port (Serial Peripheral Interface) (figur 2). SPI minskar kraven på värdprocessorn och ger användaren fler valmöjligheter att optimera en enhet med avseende på ström, kostnad och prestanda.

Figur 2: ADIN2111 är en switch med två portar, låg komplexitet och låg strömförbrukning med PHY:er. (Bildkälla: Analog Devices)

10BASE-T1L-enheterna ADIN1100 och ADIN2111 kan installeras i en serie- (figur 3), linje- eller ringnätverkstopologi. Jämfört med ett stjärnnätverk minskar dessa nätverkstopologier avsevärt den mängd kablage som krävs.

Figur 3: Här visas en seriekopplad topologi i ett 10BASE-T1L-nätverk med styrenheten ADIN1100 och switchen ADIN2111 med två portar. Linje- eller ringtopologier kan också användas. (Bildkälla: Analog Devices)

För att komma igång med 10BASE-T1L kan konstruktörer använda utvärderingskortet EVAL-ADIN1100 för ADIN1100. Kortet ger enkel tillgång till alla funktioner i ADIN1100 och kan konfigureras via ett grafiskt användargränssnitt (GUI) på en PC eller genom fristående hårdvarukonfigurerad drift. Den innehåller två skruvanslutningar för 10BASE-T1L-kabel och ett externt nätaggregat, Cat 5e Ethernet-kabel med RJ45-kontakt och en USB-A- till mikro-USB-B kabel. Det finns även ett litet område för prototyptillverkning.

Flexibla givargränssnitt stöder 10BASE-T1L

I utkanten av fastighetsautomationsnätverket finns en komplicerad blandning av givare för mätning av temperatur, tryck, belastning, fukt och töjning som kräver en mängd analoga kretsar för att fånga och utföra händelser i fastighetshanteringssystemet.

För att tillgodose denna mängd olika gränssnitt kan konstruktörer använda AD74412R från Analog Devices, en programmerbar I/O med fyra kanaler för processtyrning och tillämpningar inom fastighetshanteringssystem. Programmerbar I/O ger en unik flexibilitet för åtkomst till alla I/O-funktioner på alla stift, vilket gör att konstruktörer kan konfigurera kanaler när som helst. Programmeringen kan ske direkt via två-tråds Ethernet-kanaler som sträcker sig över en hel fastighet. Detta medför lägre behov av konstruktionsresurser och universella produkter som snabbt kan användas på bred front i en automatiserad fastighet.

AD74412R har en analog ingång, analog utgång, digital ingång och förmågan att utföra mätningar med resistanstemperaturdetektorer (RTD) med en kompatibel SPI. Den visas i figur 4 med sin 16-bitars Σ-Δ analog-till-digitalomvandlare (ADC), en grupp diagnostiska funktioner och sina fyra konfigurerbara 13-bitars digital-till-analogomvandlare (DAC) som tillhandahåller fyra konfigurerbara I/O-kanaler.

Figur 4: AD74412R är en fyra kanalers programmerbar I/O med fyra konfigurerbara 13-bitars DAC:er som tillhandahåller fyra konfigurerbara I/O-kanaler. Dessutom ingår en 16-bitars Σ-Δ ADC och en grupp diagnostiska funktioner. (Bildkälla: Analog Devices)

De lägen som är relaterade till AD74412R är strömutgång, spänningsutgång, spänningsingång, externt strömförsörjd strömingång, slingdriven strömingång, extern RTD-mätning, digital ingångslogik och slingdriven digital ingång. AD74412R har även en intern referens på 2,5 V med hög noggrannhet för DAC:arna och ADC:n.

Konstruktion med hjälp av utvärderingskortet AD7441R

De analoga tillämpningarna för AD74412R SWIO är nästan oändliga. För att hjälpa konstruktörer att komma igång har Analog Devices tagit fram ett utvärderingskort, EV-AD74412RSDZ (figur 5). Utvärderingskortet gör det möjligt att utforska tekniken med omkonfiguration på kortet och PC-baserad programmerbarhet.

Figur 5: EV-AD74412RSDZ är ett fullt utrustat utvärderingskort för AD74412R. (Bildkälla: Analog Devices)

Utvärderingsprogrammet AD74412R kommunicerar med EV-AD74412RSDZ via systemdemonstrationsplattformen EVAL-SDP-CS1Z som tar emot in- och utsignaler från kortet. Med sitt gränssnitt med listmenyer förenklar det konfigurationen av AD74412R och tillhandahåller diagnostiska verktyg.

Sammanfattning

10BASE-T1L ger nästa generations fastighetshanteringssystem en genomströmning på 10 Mbit/s på ett avstånd upp till 1 000 m, samtidigt som den har stöd för äldre installationer med två partvinnade kablar. Som visat, kan konstruktörer snabbt implementera ett givarnätverk med 10BASE-T1L som är bakåt- och framåtkompatibelt med hjälp av en ADIN1100 10BASE-T1L-transceiver, ADIN2111 Ethernet-switch med två portar och en programmerbar I/O-lösning med fyra kanaler (AD74412R) för processtyrning och tillämpningar i fastighetshanteringssystem.