Come collegare in rete in modo economico i sensori per i sistemi di gestione degli edifici

L'automazione degli edifici riduce i costi operativi e di manutenzione di una struttura, garantendo al contempo un ambiente più sicuro e confortevole per gli occupanti. Il miglioramento delle prestazioni di un sistema di automazione degli edifici (BAS) si basa su un maggior numero di dati provenienti da un numero crescente di sensori e da un numero altrettanto crescente di controlli/attuatori distribuiti nell'edificio. Questa implementazione richiede un mezzo efficiente ed economico per trasportare i dati acquisiti dal nodo di rilevamento a un hub centrale o al cloud, dove possono essere analizzati e utilizzati e dove vengono inviati i segnali di controllo richiesti.

L'implementazione di sensori e attuatori su scala, in particolare per gli edifici esistenti e dove l'alimentazione non è facilmente disponibile, può richiedere una rilavorazione costosa per garantire la copertura completa dell'edificio. Finora le reti RS-485 hanno rappresentato una soluzione di riqualificazione economica, ma i set di dati più ricchi e le velocità di trasmissione più elevate richiedono un'alternativa con un throughput più elevato.

Per ridurre al minimo i costi e aumentare la velocità di trasmissione, i progettisti possono sfruttare il cablaggio Ethernet o RS-485 a doppino intrecciato attualmente installato utilizzando 10BASE-T1L. Basata sull'interfaccia di comunicazione dati in formato a pacchetti dello standard IEEE 802.3cg-2019, 10BASE-T1L ha una velocità di trasmissione di 10 Mbps su distanze fino a 1000 metri. L'interfaccia bifilare può essere alimentata anche tramite il cavo dati, eliminando così la necessità di fonti di alimentazione locali o di posare il cablaggio di alimentazione. In questo modo si elimina anche la necessità di gateway energivori, data la possibilità di connettersi a un numero illimitato di dispositivi.

Questo articolo analizza i requisiti di controllo degli edifici e come sono stati affrontati fino ad oggi. Viene quindi presentata la rete Ethernet 10BASE-T1L e le soluzioni di esempio di Analog Devices che ne dimostrano la facilità di implementazione. Inoltre, mostra come utilizzare la tecnologia I/O software (SWIO) per semplificare l'interfacciamento dei sensori con i controller per edifici della rete Ethernet, mantenendo la compatibilità con i sistemi di gestione degli edifici (BMS). Viene infine descritta una scheda di valutazione adatta per aiutare i progettisti a iniziare a utilizzare SWIO.

Il ruolo di un BAS o BMS

I BAS, o BMS, si riferiscono all'automazione e alla gestione dei vari sistemi di un edificio. Gli obiettivi BMS vanno dal comfort degli occupanti all'efficienza dell'intero edificio, dai costi operativi e di manutenzione alla sicurezza. I quattro livelli di un BMS sono i livelli di supervisione, server/applicazione, controller di campo e ingresso/uscita.

Il livello di supervisione è fisicamente il livello di trasmissione a due fili in cui si trovano i dispositivi di supervisione. I dispositivi di supervisione consolidano tutto il traffico dei controller di campo. Il server/applicazione riceve i dati da diversi dispositivi di supervisione. Questo livello supporta i protocolli Ethernet standard, come Modbus, KNX, BACnet e LON, comunemente utilizzati nei sistemi di gestione degli edifici. Questo livello fornisce i dati consolidati al client o all'utente finale attraverso l'interfaccia utente. Il livello del controller di campo esamina i dati in ingresso dai sensori di temperatura e dagli interruttori e controlla le uscite del sistema, come gli attuatori e i relè.

L'ultimo pezzo del puzzle del BMS è lo strato di ingresso/uscita. In questo strato si trovano i sensori e i dispositivi di controllo. Alcuni sensori e attuatori supportano il protocollo TCP/IP, che elimina la necessità di un controller.

RS-485: una classica soluzione di connettività BMS

Ad oggi, l'interfaccia TIA/EIA-485, comunemente nota come RS-485, è stata ampiamente utilizzata dai progettisti di applicazioni BMS in quanto si tratta di una rete locale economica con collegamenti di comunicazione multidrop. RS-485 è uno standard esclusivamente elettrico che definisce le caratteristiche elettriche dei ricevitori e dei driver quando si implementa una linea di trasmissione multipunto bilanciata. Supporta lo scambio di dati bidirezionale e half-duplex su una connessione su una coppia di fili e consente connessioni multidrop (la connessione di più transceiver alla stessa linea), ideale per i BMS.

RS-485 supporta anche velocità di trasmissione dati ragionevolmente elevate: 35 Mbps su distanze fino a 10 m e 100 kbps su 1.200 m. La regola generale di RS-485 è che la velocità in bit/s moltiplicata per la lunghezza del cavo in metri non deve superare 10E8. Di conseguenza, la velocità massima di un cavo da 50 m è di 2 Mbps. Tuttavia, non è comune utilizzare una velocità così elevata nelle applicazioni di controllo degli edifici RS-485. La velocità massima per BACnet MS/TP, un comune protocollo di automazione degli edifici che funziona sullo strato fisico (PHY) RS-485, è di 115.200 bit/s.

Rispetto ad altri collegamenti di comunicazione seriale, il principale vantaggio del collegamento RS-485 è la sua elevata tolleranza ai disturbi elettrici in ambienti industriali difficili. La caratteristica di reiezione dei disturbi elettrici RS-485, la lunghezza dei cavi, il supporto di più transceiver su una singola linea e la velocità di trasmissione dati ragionevolmente elevata si adattano bene all'ambiente BMS.

Il protocollo Ethernet 10BASE-T1L

Con l'aumento dei requisiti BMS e l'arricchimento dei set di dati, il throughput diventa sempre più importante. 10BASE-T1L offre un'alternativa a velocità più elevata per le comunicazioni punto-punto su cavi a doppino intrecciato, in quanto supporta 10 Mbps su 1000 m. 10BASE-T1L affronta anche le sfide sul campo, come l'alimentazione, il cablaggio, la distanza e le isole di dati, eliminando anche la necessità di gateway complessi.

Il "10" in 10BASE-T1L si riferisce alla velocità di trasmissione di 10 Mbps, "BASE" si riferisce ai segnali in banda base, "T" sta per "doppino intrecciato" e la cifra "1" indica una portata di 1 chilometro. La "L" finale sta per "lungo raggio", che indica la lunghezza dei segmenti di 1 km. In grado di erogare 500 mW, 10BASE-T1L porta Ethernet nella Zona 0 a sicurezza intrinseca o nelle applicazioni in aree pericolose. Nelle applicazioni non a sicurezza intrinseca, può erogare fino a 60 W.

La topologia di una rete Ethernet 10BASE-T1L può essere a margherita, a linea o ad anello. Come già detto, non ci sono gateway: i pacchetti Ethernet si spostano dalla periferia al livello di controllo e infine al cloud per realizzare in modo più completo gli obiettivi di comunicazione senza soluzione di continuità per l'automazione degli edifici.

Che il sensore si trovi in uno stabilimento di produzione o sulla scrivania, questa connettività Ethernet-cloud semplificata consente di configurare i sensori con un cellulare o un laptop.

Configurazioni hardware 10BASE-T1L per l'automazione degli edifici

Per sviluppare un nodo di rilevamento della connettività Ethernet 10BASE-T1L, i progettisti hanno a disposizione tre opzioni pronte all'uso di Analog Devices. ADIN1100 è un robusto transceiver industriale a basso consumo 10BASE-T1L con uno strato fisico (PHY) Ethernet; ADIN1110 è dotato di interfaccia MAC (Media Access Control) e PHY (Figura 1).

Figura 1: ADIN1110 è un transceiver a una porta e basso consumo 10BASE-T1L con PHY e MAC Ethernet integrati. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La terza opzione è ADIN2111, uno switch a due porte a basso consumo e bassa complessità con due PHY 10BASE-T1L integrati e una porta di interfaccia periferica seriale (SPI) (Figura 2). L'uso di SPI semplifica i requisiti del processore host, offrendo all'utente maggiori possibilità di ottimizzazione del dispositivo in termini di potenza, costi e prestazioni.

Figura 2: ADIN2111 è uno switch a due porte a basso consumo e bassa complessità con PHY integrato. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I dispositivi ADIN1100 e ADIN2111 10BASE-T1L possono essere installati in una topologia di rete a margherita (Figura 3), a linea o ad anello. Rispetto a una rete a stella, queste topologie di rete riducono significativamente la quantità di cavi necessari.

Figura 3: Topologia a margherita per una rete 10BASE-T1L che utilizza il controller ADIN1100 e lo switch a due porte ADIN2111. Si possono anche utilizzare le topologie a linea o ad anello. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per iniziare a utilizzare 10BASE-T1L, i progettisti possono utilizzare la scheda di valutazione EVAL-ADIN1100 per ADIN1100. La scheda offre un facile accesso a tutte le funzioni di ADIN1100 e può essere configurata attraverso un'interfaccia grafica utente (GUI) su un PC o attraverso il funzionamento autonomo configurato tramite hardware. Include due connettori a vite per il cavo 10BASE-T1L e un alimentatore esterno, un cavo Ethernet Cat 5e con connettore RJ45 e un cavo USB-A a Micro-USB B. È prevista anche una piccola area di prototipazione.

Le interfacce flessibili del sensore supportano 10BASE-T1L

Alla periferia della rete BMS si trova una complessa combinazione di sensori di temperatura, pressione, carico, umidità ed estensimetri che richiedono una serie di circuiti analogici per acquisire e attivare gli eventi BMS.

Per gestire questa varietà di interfacce, i progettisti possono utilizzare AD74412R di Analog Devices, un circuito integrato di interfaccia SWIO (I/O programmabile via software) a quattro canali per applicazioni di controllo di processo e BMS. SWIO offre livelli unici di flessibilità per l'accesso a qualsiasi funzione di I/O su qualsiasi pin, consentendo ai progettisti di configurare i canali in qualsiasi momento. La programmazione può avvenire al volo attraverso i canali Ethernet a 2 fili che coprono un intero edificio. Ciò si traduce in un minor numero di risorse di progettazione e in prodotti universali che possono essere distribuiti in modo rapido e ampio in un edificio automatizzato.

AD74412R contiene un ingresso analogico, un'uscita analogica, un ingresso digitale e la possibilità di eseguire misurazioni con una termoresistenza (RTD) con un SPI compatibile. La Figura 4 mostra il convertitore analogico/digitale (ADC) Σ-Δ a 16 bit, un gruppo di funzioni diagnostiche e quattro convertitori digitali/analogici (DAC) configurabili a 13 bit che forniscono quattro canali di I/O configurabili.

Figura 4: SWIO quadricanale AD74412R è dotato di quattro DAC a 13 bit configurabili che forniscono quattro canali di I/O configurabili. Sono inoltre inclusi un ADC Σ-Δ a 16 bit e un gruppo di funzioni diagnostiche. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Le modalità relative ad AD74412R sono uscita di corrente, uscita di tensione, ingresso di tensione, ingresso di corrente alimentato esternamente, ingresso di corrente alimentato ad anello, misurazione RTD esterna, logica di ingresso digitale e ingresso digitale alimentato ad anello. AD74412R dispone anche di un riferimento interno da 2,5 V ad alta precisione per i DAC e l'ADC.

Progetto con la scheda di valutazione AD7441R

Le applicazioni analogiche di SWIO AD74412R sono pressoché infinite. Per aiutare i progettisti a iniziare, Analog Devices propone una scheda di valutazione, EV-AD74412RSDZ (Figura 5). Questa scheda di valutazione consente l'esplorazione tecnica grazie alle opzioni di riconfigurazione integrate e alla programmabilità tramite PC.

Figura 5: EV-AD74412RSDZ è una scheda di valutazione a piena funzionalità per AD74412R. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il software di valutazione di AD74412R comunica con EV-AD74412RSDZ attraverso la piattaforma dimostrativa di sistema (SDP) EVAL-SDP-CS1Z che preleva i segnali di ingresso e uscita dalla scheda. Con la sua interfaccia a menu a discesa, semplifica la configurazione di AD74412R e fornisce strumenti di diagnostica.

Conclusione

10BASE-T1L consente di realizzare BAS di nuova generazione con una velocità di trasmissione di 10 Mbps a una distanza massima di 1000 m, supportando al contempo le installazioni tradizionali a due fili con doppino intrecciato. Come illustrato, utilizzando un transceiver 10BASE-T1L ADIN1100, lo switch Ethernet a due porte ADIN2111 e una soluzione di I/O programmabile via software (SWIO) a quattro canali AD74412R per applicazioni di controllo di processo e BMS, i progettisti possono implementare rapidamente una rete di sensori 10BASE-T1L compatibile con le versioni precedenti e successive.