Revolutionerande fastighetsautomation med 10BASE-T1L

Området fastighetsautomation har utvecklats enormt under de senaste åren, vilket har gjort det möjligt för kommersiella byggnader och bostadshus att hanteras mer effektivt.

Idag finns det ett omfattande behov av effektiva och hållbara system för att göra byggnader hälsosammare för de boende samtidigt som energiförbrukningen minimeras och realtidsdata med hög kapacitet för genomströmning och styrning ökar.

Utmaningarna inom fastighetsautomation

Konstruktörer och systemintegratörer ställs inför flera utmaningar i samband med fastighetsautomation, t.ex:

• Snabbt föråldrad teknik: Befintliga system kan bli föråldrade på grund av snabba tekniska förbättringar, vilket leder till minskad funktionalitet, support och integration med ny teknik.
• Krav på effektivitet och hållbarhet: Energieffektivitet, förbättrad feldetektering/diagnostik, kvalitetsövervakning av inomhusmiljö (IEQ) och hantering av vattenresurser är alla nödvändigheter för fastighetsägare och operatörer.
• Dataanalys och optimering: Moderna tendenser inom dataanalys och optimering har gjort det nödvändigt att införliva datainsamling, analys och tolkningsfunktioner i system för fastighetsautomation. Detta banar väg för datadriven optimering av byggnaders prestanda, upptäckt av ineffektivitet och implementering av korrigerande åtgärder.
• Samverkan: Det är svårt att säkerställa kompatibilitet och integration mellan system som erbjuds av olika leverantörer. Dessutom kan effektiviteten i ett system hämmas av inkompatibilitet, proprietära protokoll och brist på standardisering.

Som framgår av figur 1 kommer det för att hantera dessa frågor, krävas smarta byggnader som:

• Möjliggör centraliserad konfiguration och hantering på företagsnivå genom molnanslutning
• Eliminerar beroendet av gateways för översättning på styrenhetsnivå
• Flyttar intelligensen till molnkanten, så att sensorer och ställdon kan utbyta en stor mängd data

Figur 1: Att förse byggnader med samverkande anslutningar från molnkant till moln. (Källa: ADI)

Betydelsen av datakommunikation ökar inom områdena industri- och fastighetsautomation. Den nuvarande ökningen av datavolymer har lett till insikten att traditionella lösningar börjar närma sig sin fysiologiska gräns. Följaktligen håller Ethernet på att växa fram som den rådande kommunikationsstandarden. Den konventionella Ethernet-lösningen med fyra trådar har omvandlats till en lösning med två trådar som kallas 10BASE-T1L, och består av ett enda par partvinnade trådar.

Hur standarden 10BASE-T1L driver på förändringen

Införandet 2019 av specifiktionen IEEE 802.3cg 10BASE-T1L har löst flera kommunikationsproblem inom industri och fastighetsförvaltning genom att möjliggöra kommunikation med 10 Mbit/s och full duplex upp till 1 000 meter över ett enda par partvinnade kablar.

Standarden 10BASE-T1L övervinner flera begränsningar i traditionella kommunikationssystem, inklusive begränsningar relaterade till kablage, bandbredd, avstånd och effekt inom området fastighetsautomation. Här följer en beskrivning av hur standarden 10BASE-T1L hanterar dessa begränsningar:

• Kabelförläggning: Standarden 10BASE-T1L möjliggör sömlös Ethernet-anslutning för enheter på fältnivå som sensorer och ställdon genom att tillhandahålla en lösning för det fysiska lagret som kan överföra Ethernet-signaler och ström över ett enda par partvinnade trådar. Detta eliminerar behovet av komplicerad och kostsam infrastruktur för kabelförläggning och underlättar därmed distribution och installation av Ethernet-nätverk för fastighetsautomation. Ethernet-paket kan dessutom skickas direkt från molnkanten till molnet, vilket eliminerar behovet av gateways för översättning.
• Bandbredd: Standarden 10BASE-T1L har stöd för dataöverföringshastigheter på upp till 10 Mbit/s, vilket är tillräckligt för en mängd olika tillämpningar inom fastighetsautomation. Denna bandbredd är högre än konventionella fältbussar (där den är begränsad till några kbit/s) och möjliggör överföring av värden från sensorer eller direkt till ställdon, samt ytterligare enhetsparametrar, till exempel konfigurations- och parameterinformation.
• Avstånd: En av de främsta fördelarna med standarden 10BASE-T1L är förmågan att stödja långa Ethernet-anslutningar. Det möjliggör anslutningar som är upp till 1 km långa, vilket är betydligt längre än den traditionella Ethernet-standarden. Det gör den lämplig för tillämpningar där enheter är utspridda över stora områden, t.ex. industrianläggningar och bilfabriker.

Standarden 10BASE-T1L är dessutom avsedd för användning i miljöer med begränsade effektresurser tack vare dess låga effektbehov. Detta är av yttersta vikt för enheter på fältnivå, där batteritid och strömförbrukning är kritiska faktorer.

I vissa fall är det nödvändigt att tillhandahålla både data och ström via 10BASE-T1L (upp till 60 W i områden som inte är väsentliga säkra) enligt definitionen i standarden. 10BASE-T1L har stöd för två amplitudlägen: 2,4 V för kabellängder upp till 1000 m, och 1 V för kortare längder upp till 200 m. Genom amplitudläget 1 V topp till topp kan tekniken även användas i explosionsskyddade miljöer (farliga områden) och uppfyller de strikta krav på maximal effektförbrukning som gäller (maximal effekt är begränsad till 500 mW).

Ett referensanvändningsfall

Ett typiskt användningsfall för standarden 10BASE-T1L visas i figur 2. Denna tillämpning för smarta byggnader utnyttjar egenskaperna hos 10BASE-T1L för att samla in och sammanställa information på olika nivåer, från slutnoden (sensorer och ställdon) upp till företags-/IT-nivå i molnet.

Rumsstyrningar kan ha direkta (punkt-till-punkt) anslutningar till fältenheterna eller anslutas till en serie enheter som är länkade i en seriekoppling. Dessutom kan respektive rumsstyrning konfigureras för att acceptera anslutningar från äldre enheter.

Respektive byggnad har sin anläggningsstyrenhet, som är ansluten till en mängd rumsstyrenheter via 10BASE-T1L-länkar samt till andra byggnaders anläggningsstyrenheter via 100 Mb/Gb industriellt Ethernet.

För anslutningar över korta avstånd till sensorer och ställdon (upp till 25 meter), som i fallet med hisskorgens styrenhet till höger i figur 2, är standarden 10BASE-T1S lämpligare.

Figur 2: Ett användningsfall för smarta byggnader. (Källa: ADI)

Transceiver för 10BASE-T1L

Analog Devices har utvecklat ADIN1110, som är en transceiver för 10BASE-T1L med extremt låg effekt och en port, och är lämplig för Ethernet-baserade tillämpningar inom industri- och fastighetsautomation. Den uppfyller Ethernet-standarden IEEE 802.3cg-2019 för lång räckvidd, 10 Mbit/s single pair Ethernet (SPE), och har utformats för användning i dessa tillämpningar.

Som framgår av figur 3 innehåller komponenten ett MAC-gränssnitt (Media Access Control). Detta gör det möjligt att upprätta direktkontakt med flera värdstyrenheter med hjälp av ett seriellt gränssnitt för kringutrustning (SPI) som använder fyra trådar. Denna seriella gränssnitt för kringutrustning gör det möjligt att använda processorer med lägre effektförbrukning eftersom det inte behövs någon integrerad MAC, vilket resulterar i den lägsta totala effektförbrukningen för systemet. Både Open Alliance SPI-protokoll och ett generiskt SPI-protokoll finns som alternativ för användning med SPI när det konfigureras.

ADIN1110 har inbyggd övervakning av spänningsmatningen och kretsar för återställning vid strömtillslag (POR) för att öka stabiliteten på systemnivå. Den har även låg effektförbrukning (typiskt 42 mW) och stöd för sändningsnivåerna 1 VPP och 2.4 VPP, samt automatisk förhandlingsfunktion och 16 MAC-adresser för filtrering av ramar.

Figur 3: Blockschema för transceivern ADIN1110 MAC PHY. (Källa: ADI)

Den större räckvidden med 10BASE-T1L gör det möjligt att installera automationsenheter i större byggnader med bibehållen sömlös anslutning. Tack vare denna flexibilitet och skalbarhet kan fastighetsförvaltare enkelt övervaka och ändra inställningar för tillämpningar som belysning, klimat-/luftbehandlingsstyrning, säkerhet och energihantering.

Dessutom möjliggör den ökade dataöverföringshastigheten i 10BASE-T1L övervakning och styrning av fastighetssystem i realtid, vilket leder till ökad driftseffektivitet. Svarstiden, fördröjningen och tillförlitligheten i automationsenheternas kommunikation förbättras med denna teknik.

Ethernet-switch för 10BASE-T1L

Precis som Ethernet-standarden tillhandahåller 10BASE-T1L switchar för anslutning av olika nätverkssegment och enheter. Olika nätverkstopologier kan konstrueras och användas för att strömförsörja anslutna enheter. Inom fastighetsautomation är switchar ofta anslutna till styrenheter, sensorer och ställdon. För ökad tillgänglighet möjliggör switchar medieredundans i form av ringtopologier.

För detta ändamål har Analog Devices utvecklat ADIN2111, en komplett Ethernet-switch för 10BASE-T1L med två portar som är avsedd för nätverk inom fastighetsautomation (bild 4). Enheten ger Ethernet-anslutning med lång räckvidd till styrenheter, sensorer och ställdon och är lämplig för användning i små, strömbegränsade enheter i molnkanten. ADIN2111 ger upp till 50 % lägre strömförbrukning och upp till 75 % mer kretskortsutrymme än diskreta implementeringar.

Bild 4: Blockschema för ADIN2111. (Källa: ADI)

ADIN2111 är konstruerad för både in-line och seriekopplade ringnätverk och utnyttjar den befintliga kabelinfrastrukturen med enkel partvinnad kabel i byggnader, vilket minskar kostnaderna för eftermontering. Figur 5 visar hur flera enheter kan anslutas för att implementera både ring- (övre delen avsidan) och in-line-topologier (nedre delen av sidan). Observera att den sista sensorn i molnkanten är ansluten till en transceiver med PHY och MAC, medan de andra två är anslutna till en switch.

Figur 5: ADIN2111 för 10BASE-T1L stöder flera topologier för maximal konstruktionsflexibilitet och skalbarhet. (Källa: ADI)

Switchen för 10BASE-T1L är utrustad med en MAC-uppslagstabell med 16 adresser och har stöd för genomsläppning, samt lagra och vidarebefordra, så att användarna kan prioritera fördröjning eller felhantering vid bearbetning och vidarebefordran av datapaket. Avancerad paketfiltrering frigör processorn från bördan att hantera prioriterad trafik.

Switchen har sofistikerade diagnostikfunktioner som minskar installations-, driftsättnings- och systemavbrott. Bland dessa finns en indikering för länkkvalitet med medelkvadratfel (MSE), länkdiagnostik och IEEE-testlägen samt detektering av kabeldefekter med hjälp av tidsdomänreflektometri (TDR). Denna diagnostiklösning består av en mycket noggrann TDR-motor i kretsen och en uppsättning algoritmer som körs på en värdmicrocontroller, vilket ger maximal flexibilitet för ett brett utbud av kablar och mer avancerade funktioner för kabeldiagnostik.

Lösningen är kompatibel med standarden IEEE 802.3cg och har stöd för Ethernet-anslutningar med över 1,7 km kablage, ringredundans och mjuka protokoll inklusive Modbus/TCP, BACnet/IP och KNX i realtid. Det bör även noteras att ADIN2111 kan användas som repeater i en ohanterad konfiguration för att öka räckvidden upp till och bortom 2000 meter.

Sammanfattning

Introduktionen av 10BASE-T1L har skapat nya möjligheter för fastighetsautomation och revolutionerat hur kommersiella lokaler och bostadsområden hanteras och kontrolleras. Det är en perfekt lösning för att implementera automatiseringslösningar tack vare dess förmåga att utnyttja befintlig infrastruktur, skapa flexibilitet och förbättra dataöverföringen.