Kosteneffiziente Vernetzung von Sensoren für Gebäudemanagementsysteme

Die Gebäudeautomatisierung senkt die Betriebs- und Wartungskosten einer Anlage und sorgt gleichzeitig für eine sicherere und komfortablere Umgebung für die Bewohner des Gebäudes. Um die Leistung eines Gebäudeautomationssystems (BAS) zu verbessern, müssen immer mehr Daten von einer zunehmenden Anzahl von Sensoren - und einer ebenfalls zunehmenden Anzahl von Steuerungen/Aktoren - in einem Gebäude erfasst werden. Dieser Einsatz erfordert ein kostengünstiges und effizientes Mittel zur Übermittlung der erfassten Daten vom Erfassungsknoten zu einem zentralen Knotenpunkt oder einer Cloud, wo sie analysiert und verarbeitet werden können und die erforderlichen Steuersignale bereitgestellt werden.

Der großflächige Einsatz von Sensoren und Aktoren, insbesondere in älteren Gebäuden, in denen die Stromversorgung nicht ohne Weiteres möglich ist, kann umfangreiche und kostspielige Nacharbeiten erfordern, um eine vollständige Gebäudeabdeckung zu gewährleisten. Bislang waren RS-485-Netzwerke eine kostengünstige Nachrüstungslösung, aber umfangreichere Datensätze und höhere Datenraten erfordern eine Alternative mit höherem Durchsatz.

Um die Kosten zu minimieren und gleichzeitig den Durchsatz zu erhöhen, können die Vorteile der derzeit installierten Single-Twisted-Pair-Ethernet- oder RS-485-Verkabelung genutzt werden, indem sie mit 10BASE-T1L verwendet werden. Die auf dem IEEE-Standard 802.3cg-2019 basierende paketorientierte Datenübertragungsschnittstelle 10BASE-T1L hat einen Durchsatz von 10 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) über Entfernungen von bis zu 1000 Metern (m). Optional kann die Zweidrahtschnittstelle auch über das Datenkabel mit Strom versorgt werden, so dass keine lokalen Stromquellen benötigt werden und keine Stromkabel verlegt werden müssen. Dies macht auch stromfressende Gateways überflüssig, da eine unbegrenzte Anzahl von Geräten angeschlossen werden kann.

Dieser Artikel befasst sich mit den Anforderungen an die Gebäudesteuerung und wie sie bisher umgesetzt wurden. Anschließend werden 10BASE-T1L-Ethernet- und Beispiellösungen von Analog Devices vorgestellt, um die Einfachheit der Implementierung zu demonstrieren. Außerdem wird gezeigt, wie die Software-I/O-Technologie (SWIO) zur Vereinfachung der Sensoranbindung für Ethernet-Gebäudesteuerungen eingesetzt werden kann, wobei die Abwärts- und Aufwärtskompatibilität von Gebäudemanagementsystemen (BMS) erhalten bleibt. Außerdem wird ein geeignetes Evaluierungsboard beschrieben, das Entwicklern den Einstieg in SWIO erleichtert.

Die Rolle eines BAS oder BMS

BASs oder BMSs beziehen sich auf die Automatisierung und Verwaltung der verschiedenen Systeme eines Gebäudes. Die Ziele von BMS reichen vom Komfort der Bewohner über die Effizienz des Gebäudesystems bis hin zu Betriebs- und Wartungskosten sowie Sicherheit. Die vier Schichten in einem BMS sind die Überwachungs-, die Server-/Anwendungs-, die Feldsteuerungs- und die Eingabe-/Ausgabeschicht.

Die Überwachungsschicht ist physikalisch die Zweidraht-Übertragungsschicht, in der die Überwachungsgeräte sitzen. Die Überwachungsgeräte konsolidieren den gesamten Datenverkehr der Feldsteuerung. Der Server/die Anwendung empfängt Daten von verschiedenen Überwachungsgeräten. Diese Schicht unterstützt Standard-Ethernet-Protokolle wie Modbus, KNX, BACnet und LON, die häufig in Gebäudemanagementsystemen verwendet werden. Diese Schicht liefert die konsolidierten Daten über die Benutzeroberfläche an den Kunden oder den Endbenutzer. Die Feldsteuerungsebene verarbeitet die Eingangsdaten von Temperatursensoren und Schaltern und steuert die Systemausgänge, z. B. Aktoren und Relais.

Das letzte Teil des BMS-Puzzles ist die Eingabe-/Ausgabeschicht. Auf dieser Ebene befinden sich die Sensoren und Steuergeräte. Einige Sensoren und Aktoren unterstützen TCP/IP, wodurch ein Controller überflüssig wird.

RS-485: Eine klassische BMS-Vernetzungslösung

Bisher wurde die TIA/EIA-485-Schnittstelle, allgemein bekannt als RS-485, von Entwicklern von BMS-Anwendungen sehr häufig verwendet, da sie ein kostengünstiges lokales Netzwerk mit Multidrop-Kommunikationsverbindungen darstellt. RS-485 ist eine rein elektrische Norm, die die elektrischen Eigenschaften von Empfängern und Treibern bei der Implementierung einer symmetrischen Mehrpunkt-Übertragungsleitung definiert. Es unterstützt einen bidirektionalen Halbduplex-Datenaustausch über eine verdrillte Zweidrahtverbindung und ermöglicht Multidrop-Verbindungen (den Anschluss mehrerer Transceiver an dieselbe Leitung), was ideal für BMS ist.

RS-485 unterstützt auch relativ hohe Datenraten: 35 Mbit/s über Entfernungen von bis zu 10 m und 100 Kilobit (kbit/s) über 1200 m. Die RS-485-Faustregel lautet: Die Geschwindigkeit in Bit/s multipliziert mit der Kabellänge in Metern sollte 10E8 nicht überschreiten. Die höchste Geschwindigkeit für ein 50 m langes Kabel beträgt also 2 Mbit/s. Es ist jedoch unüblich, eine so hohe Rate in RS-485-Gebäudekontrollanwendungen zu verwenden. Die maximale Geschwindigkeit für BACnet MS/TP, ein gängiges Gebäudeautomationsprotokoll, das auf der physikalischen Schicht RS-485 (PHY) läuft, beträgt 115.200 Bit/s.

Im Vergleich zu anderen seriellen Kommunikationsverbindungen liegt der Hauptvorteil der RS-485-Kommunikationsverbindung in ihrer hohen Toleranz gegenüber elektrischem Rauschen in rauer Industrieumgebung. Die Rauschunterdrückungseigenschaften von RS-485, die langen Kabelwege, die Unterstützung mehrerer Transceiver auf einer einzigen Leitung und die relativ hohe Datenübertragungsgeschwindigkeit eignen sich gut für die BMS-Umgebung.

Das Ethernet-Protokoll 10BASE-T1L

Da die Anforderungen an BMS steigen und die Datensätze immer umfangreicher werden, wird der Durchsatz immer wichtiger. 10BASE-T1L bietet eine Alternative mit höherer Übertragungsrate für Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über Twisted-Pair-Verkabelung, da es 10 Mbit/s über 1000 m unterstützt. 10BASE-T1L bewältigt auch Herausforderungen im Feld, wie Stromversorgung, Verkabelung, Entfernung und Dateninseln, und macht gleichzeitig komplexe Gateways überflüssig.

Die „10“ in 10BASE-T1L verweist auf die Übertragungsrate von 10 Mbit/s, „BASE“ bezieht sich auf Basisbandsignale, „T“ steht für „Twisted Pair“ (verdrilltes Leitungspaar), und die Ziffer „1“ steht für 1 Kilometer (km) Reichweite. Das abschließende „L“ steht für „Long Range“ (große Reichweite) und gibt die Segmentlänge von 1 km an. Mit einer Leistung von 500 Milliwatt (mW) bringt 10BASE-T1L Ethernet in eigensichere Anwendungen der Zone 0 oder in Gefahrenbereiche. In nicht-eigensicheren Anwendungen kann es bis zu 60 Watt liefern.

Die Topologie eines 10BASE-T1L-Ethernet-Netzwerks kann eine Daisy-Chain-, eine lineare oder eine ringförmige Vernetzung sein. Wie bereits erwähnt, gibt es keine Gateways: Die Ethernet-Pakete wandern vom Netzwerkrand (Edge) zur Steuerungsebene und schließlich in die Cloud, um die Ziele einer nahtlosen Kommunikation für die Gebäudeautomatisierung noch besser zu verwirklichen.

Ganz gleich, ob sich der Sensor in einer Fertigungsanlage oder auf dem Schreibtisch befindet, diese vereinfachte Ethernet-zu-Cloud-Vernetzung ermöglicht die Konfiguration von Sensoren mit einem Mobiltelefon oder Laptop.

10BASE-T1L-Hardwarekonfigurationen für die Gebäudeautomatisierung

Für die Entwicklung eines Sensorknotens für 10BASE-T1L-Ethernet-Netzwerke stehen den Entwicklern drei fertige Optionen von Analog Devices zur Verfügung. Der ADIN1100 ist ein robuster, industrietauglicher, stromsparender 10BASE-T1L-Transceiver mit Ethernet-Physical-Layer (PHY); der ADIN1110 hat sowohl eine Media-Access-Control- (MAC) als auch eine PHY-Schnittstelle (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der ADIN1110 ist ein stromsparender Single-Port-10BASE-T1L-Transceiver mit integriertem Ethernet-PHY und MAC. (Bildquelle: Analog Devices)

Die dritte Option ist der ADIN2111, ein stromsparender Switch mit geringer Komplexität und zwei Ports mit zwei integrierten 10BASE-T1L-PHYs und einem seriellen Peripherie-Interface-Port (SPI) (Abbildung 2). Die Verwendung von SPI vereinfacht die Anforderungen an den Host-Prozessor und gibt dem Benutzer mehr Möglichkeiten, ein Gerät hinsichtlich Energie, Kosten und Leistung zu optimieren.

Abbildung 2: Der ADIN2111 ist ein stromsparender Switch mit zwei Ports und integriertem PHY, der eine geringe Komplexität aufweist. (Bildquelle: Analog Devices)

Die 10BASE-T1L-Geräte ADIN1100 und ADIN2111 können in einer Daisy-Chain- (Abbildung 3), linearen oder Ringnetztopologie eingesetzt werden. Im Vergleich zu einem Sternnetz reduzieren diese Netztopologien den Verkabelungsaufwand erheblich.

Abbildung 3: Dargestellt ist eine Daisy-Chain-Topologie für ein 10BASE-T1L-Netzwerk unter Verwendung des ADIN1100-Controllers und des ADIN2111-Switches mit zwei Ports. Es können auch lineare oder Ringtopologien verwendet werden. (Bildquelle: Analog Devices)

Für die ersten Schritte mit 10BASE-T1L kann das Evaluierungsboard EVAL-ADIN1100 für den ADIN1100 verwenden. Die Karte bietet einen einfachen Zugang zu allen ADIN1100-Funktionen und kann über eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) auf einem PC oder über einen eigenständigen hardwarekonfigurierten Betrieb konfiguriert werden. Es enthält zwei steckbare Schraubklemmen für 10BASE-T1L-Kabel und ein externes Netzteil, ein Cat5e-Ethernet-Kabel mit RJ45-Stecker und ein USB-A- auf Micro-USB-B-Kabel. Ein kleiner Prototyping-Bereich ist ebenfalls vorhanden.

Flexible Sensorschnittstellen unterstützen 10BASE-T1L

Am Rande des BMS-Netzes befindet sich eine komplexe Mischung aus Temperatur-, Druck-, Last-, Feuchtigkeits- und Dehnungsmessstreifen-Sensoren, die eine Vielzahl von Analogschaltungen zur Erfassung und Auslösung von BMS-Ereignissen erfordern.

Um dieser Vielfalt an Schnittstellen gerecht zu werden, kann der AD74412R von Analog Devices eingesetzt werden, ein Vierkanal-IC mit softwareprogrammierbarer I/O-Schnittstelle (SWIO) für Prozesssteuerungs- und BMS-Anwendungen. SWIO bietet ein einzigartiges Maß an Flexibilität für den Zugriff auf jede I/O-Funktion an jedem Pin, so dass Kanäle jederzeit konfiguriert werden können. Die Programmierung kann im laufenden Betrieb über die 2-Draht-Ethernet-Kanäle erfolgen, die ein ganzes Gebäude umfassen. Dies führt zu einem geringeren Bedarf an Entwicklungsressourcen und zu universellen Produkten, die schnell und umfassend in einem automatisierten Gebäude eingesetzt werden können.

Der AD74412R verfügt über einen analogen Eingang, einen analogen Ausgang, einen digitalen Eingang und die Möglichkeit, Messungen per Widerstandstemperaturdetektor (RTD) über eine kompatible SPI durchzuführen. Er ist in Abbildung 4 mit seinem 16-Bit-Σ-Δ-Analog/Digital-Wandler (ADC), einer Gruppe von Diagnosefunktionen und seinen vier konfigurierbaren 13-Bit-Digital/Analog-Wandlern (DACs) dargestellt, die vier konfigurierbare I/O-Kanäle bieten.

Abbildung 4: Der Vierkanal-SWIO AD74412R verfügt über vier konfigurierbare 13-Bit-DACs, die vier konfigurierbare I/O-Kanäle bereitstellen. Ebenfalls enthalten sind ein 16-Bit-Σ-Δ-ADC und eine Reihe von Diagnosefunktionen. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Modi für den AD74412R sind Stromausgang, Spannungsausgang, Spannungseingang, extern gespeister Stromeingang, schleifengespeister Stromeingang, externe RTD-Messung, digitale Eingangslogik und schleifengespeister Digitaleingang. Der AD74412R verfügt außerdem über eine hochgenaue interne 2,5-Volt-Referenz für die DACs und den ADC.

Entwicklung mit Hilfe des Evaluierungsboards AD7441R

Es gibt unzählige analoge Anwendungen für den SWIO AD74412R. Um den Einstieg zu erleichtern, bietet Analog Devices ein Evaluierungsboard, das EV-AD74412RSDZ (Abbildung 5). Dieses Evaluierungsboard ermöglicht die technische Erforschung mit Onboard-Rekonfigurationsoptionen und PC-basierter Programmierbarkeit.

Abbildung 5: Das EV-AD74412RSDZ ist ein voll ausgestattetes Evaluierungsboard für den AD74412R. (Bildquelle: Analog Devices)

Die AD74412R-Evaluierungssoftware kommuniziert mit dem EV-AD74412RSDZ über die Systemdemonstrationsplattform (SDP) EVAL-SDP-CS1Z, die Eingangs- und Ausgangssignale von der Karte abnimmt. Mit seiner Dropdown-Menü-Schnittstelle vereinfacht es die Konfiguration des AD74412R und bietet Diagnosetools.

Fazit

10BASE-T1L ermöglicht BASs der nächsten Generation mit einem Durchsatz von 10 Mbit/s über eine Entfernung von bis zu 1000 m und unterstützt gleichzeitig ältere Zweidraht-Twisted-Pair-Installationen. Wie gezeigt, kann mit einem 10BASE-T1L-Transceiver ADIN1100, dem Ethernet-Switch ADIN2111 mit zwei Ports und einer vierkanaligen softwareprogrammierbaren I/O-Lösung (SWIO) AD74412R für Prozesssteuerungs- und BMS-Anwendungen schnell ein 10BASE-T1L-Sensornetzwerk implementiert werden, das abwärts- und aufwärtskompatibel ist.