Ridurre al minimo le emissioni di CO2 con Single-Pair Ethernet

L'obiettivo globale di azzerare le emissioni di anidride carbonica (CO₂) riguarda tutti i comparti industriali. Nel caso degli edifici, l'obiettivo è difficile da centrare, a causa dell'elevato numero di strutture inefficienti dal punto di vista ambientale. Molti sistemi di controllo e comunicazione installati hanno una limitata capacità di monitoraggio e gestione dei dati, e in genere mancano di analisi e controllo avanzati dei dati per ottimizzare l'efficienza.

Azzerare le emissioni nette di CO₂ richiederà sistemi di automazione che utilizzino analisi e controllo basati sull'intelligenza artificiale (IA). La chiave di questo miglioramento è la possibilità di distribuire facilmente i sensori in tutto l'edificio utilizzando la tecnologia Single-Pair Ethernet (SPE) a lunga portata e ad alta velocità di trasmissione dei dati, basata sullo standard 10BASE-T1L. La maggiore velocità dati ridurrà al minimo la latenza e consentirà il controllo in tempo reale dei sistemi di un edificio.

Questo articolo descrive brevemente i requisiti di connettività degli edifici a CO₂ zero. Utilizza poi i dispositivi 10BASE-T1L di Analog Devices Inc. per mostrare come SPE possa supportare miglioramenti nelle comunicazioni e nel controllo, migliorando al contempo la sostenibilità.

Limitazioni degli edifici tradizionali

Gli edifici tradizionali utilizzano sistemi di gestione (BMS) per il controllo generale della struttura, con i sottosistemi dell'edificio che generalmente operano in modo isolato. Le limitazioni nell'interattività delle comunicazioni e nell'energia disponibile impediscono agli edifici di funzionare al massimo dell'efficienza, con conseguenti perdite che hanno un impatto sull'ambiente. Consideriamo la struttura gerarchica di un edificio standard (Figura 1).

Figura 1: Gli impianti di edifici tradizionali sono gerarchici, ma possono essere visti in base alla funzione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Il livello di campo/dispositivo alla base della piramide del BMS nella Figura 1 contiene sensori e attuatori locali per i vari impianti. Il livello dei controller di un edificio e delle sale consolida i dati del campo e dei dispositivi e li controlla. Il livello enterprise monitora l'intero edificio e coordina l'attività del controller attraverso il BMS.

Gli impianti di edifici tradizionali, come il riscaldamento, la ventilazione e il condizionamento dell'aria (HVAC), hanno una gerarchia di controllo verticale, ma operano in modo isolato da sistemi come il rilevamento della presenza. Ciò significa che, indipendentemente dall'occupazione, i singoli piani consumano comunque energia per far funzionare l'impianto HVAC.

Il motivo di questo isolamento verticale è da ricercare nelle prestazioni limitate delle interfacce dati esistenti. Le interfacce analogiche di livello inferiore, quelle su circuito di corrente da 4 mA a 20 mA e le interfacce seriali RS485, oltre a quelle di livello superiore come HART (trasduttore remoto indirizzabile in rete) e fieldbus, sono relativamente lente, con velocità comprese tra 1200 bps e 31,25 kpbs. Questo limita la quantità di dati trasmessi in un determinato periodo.

L'interfaccia Ethernet 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg) è stata introdotta nel 2019 e ha aumentato enormemente la velocità di trasmissione dei dati, portandola a 10 Mbps rispetto a SPE. Include anche la capacità di fornire livelli di potenza molto più elevati sulle stesse linee di trasmissione dati, passando da 36 mW per i circuiti di corrente 4-20 mA con HART a 500 mW (non isolati) o 60 W al massimo (Tabella 1).

Tabella 1: Caratteristiche principali di alcune comuni reti di interfaccia dati per edifici. (Tabella per gentile concessione di Art Pini, basata su dati di Analog Devices, Inc.)

Le interfacce dati più lente limitano anche l'accessibilità ai sensori e agli attuatori a livello di campo, il che significa che possono essere riconfigurati solo in loco. 10BASE-T1L è compatibile con tutte le implementazioni Ethernet esistenti e può comunicare senza problemi con tutte le installazioni di rete Ethernet BASE-T, comprese le varianti 10/100/1000/2,5G/5G/10G BASE-T, senza bisogno di un gateway.

Il ruolo di 10BASE-T1L

10BASE-T1L fa parte del più ampio standard Ethernet 802.3. Il nome riassume le sue caratteristiche. "10" è la velocità di trasmissione di 10 Mbps e "BASE" indica un segnale in banda base, nel senso che solo i segnali Ethernet possono essere inviati sul mezzo. La "T" indica il mezzo come doppino intrecciato, "1" indica la portata di 1 km e "L" indica il lungo raggio.

La specifica del supporto per 10BASE-T1L non indica un particolare cavo a doppino intrecciato. Invece, specifica l'attenuazione di riflessione e la perdita di inserzione del cablaggio. Ciò consente di riutilizzare il cablaggio esistente, come i cavi fieldbus Type-A.

10BASE-T1L supporta la comunicazione full-duplex utilizzando due modalità di ampiezza: 2,4 V_P-P) su 1000 m di cavo e 1,0 V_P-P per distanze ridotte fino a 200 m e in ambienti pericolosi.

Lo standard Ethernet prevede la possibilità di fornire l'alimentazione attraverso lo stesso cavo a doppino intrecciato utilizzato per la comunicazione dei dati. In 10BASE-T1L, la potenza è controllata in base alla natura dell'ambiente. Il modello da 500 mW è adatto alle aree a sicurezza intrinseca (cioè, pericolose) in cui si deve limitare la potenza di scarica delle scintille. Il limite superiore di 60 W è disponibile per le aree sicure.

I vantaggi di 10BASE-T1L

Il vantaggio più significativo di 10BASE-T1L, a parte la portata di 1 km, è la sua compatibilità con l'intera gamma di reti Ethernet BASE-T. Ciò elimina la necessità di gateway di traduzione tra diversi standard di rete dati e apre la strada dal livello di campo a quello aziendale e al cloud, riducendo i costi, la complessità e i requisiti energetici.

La velocità 10BASE-T1L, fino a 10 Mbps, consente di trasmettere a sensori e attuatori i valori di processo fondamentali misurati, oltre a parametri di configurazione aggiuntivi, dati di stato e persino aggiornamenti software/firmware. È possibile accedere a sensori e attuatori da remoto utilizzando i rispettivi indirizzi IP. La configurazione dei dispositivi è più semplice, perché i dispositivi compatibili con 10BASE-T1L eliminano i gateway e i convertitori di protocollo. La maggiore capacità di gestione dei dati può essere utilizzata anche per una diagnostica più completa del sistema e per le routine di risoluzione dei problemi.

La capacità di dati aggiuntiva disponibile grazie alla maggiore velocità di trasmissione è utilizzabile anche per collegare i sistemi degli edifici per lo scambio di dati. L'analisi e il controllo basati sull'IA assicurano una regolazione complementare per ottenere le operazioni congiunte più efficienti. Si osservi l'aspetto di un edificio dotato di 10BASE-T1L (Figura 2).

Figura 2: L'aggiunta dell'interoperabilità 10BASE-T1L dai trasduttori edge al cloud. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

SPE per 10BASE-T1L consente il collegamento di più trasduttori e attuatori a livello edge ai controller di sala. I dispositivi esistenti collegati da interfacce legacy possono essere sempre utilizzati o convertiti alla compatibilità Ethernet. I sistemi sono collegati tra loro a più livelli utilizzando la versione appropriata di Ethernet, e questo dà la possibilità di un controllo in tempo reale.

Topologie di rete di edifici 10BASE-T1L

Si possono collegare più dispositivi alla rete SPE in una topologia di rete ad anello o in linea (Figura 3).

Figura 3: 10BASE-T1L, come altre varianti di Ethernet, supporta topologie ad anello e in linea per collegare più dispositivi. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Ogni topologia offre una riduzione della lunghezza dei cavi rispetto alla topologia di rete a stella. La topologia ad anello fornisce inoltre un percorso ridondante in caso di guasto del dispositivo. Ogni dispositivo richiede due porte Ethernet per trasmettere i dati sulla rete in entrambe le topologie.

Per realizzarla, i progettisti possono utilizzare ADIN2111CCPZ-R7 di Analog Devices, un transceiver 10BASE-T1L a due porte a basso consumo che integra uno switch, due core di strato fisico (PHY) Ethernet con un'interfaccia MAC (Media Access Control) e tutti i circuiti associati, comprese le code di buffer interne. È controllato direttamente tramite un'interfaccia periferica seriale (SPI). L'SPI è compatibile con molti controller, per una facile selezione che massimizza le prestazioni, il consumo energetico e il costo. Lo switch supporta numerose configurazioni di indirizzamento utilizzando le due porte Ethernet e SPI, per realizzare topologie di rete in linea o ad anello. Il fatto che lo switch 10BASE-T1L contenga un'interfaccia MAC significa che non è necessario che il controller ne preveda una, il che aumenta il numero di scelte dei potenziali controller. La Figura 3 mostra topologie ad anello e in linea che utilizzano ADIN2111CCPZ-R7 come switch a due porte.

La configurazione ad anello utilizza uno switch a due porte per tutti i dispositivi. La configurazione in linea non necessita di uno switch a due porte, poiché l'ultimo dispositivo richiede solo un singolo transceiver MAC-PHY come il modello ADIN1110CCPZ. Come lo switch, questo transceiver Ethernet include un MAC e quindi supporta una gamma più ampia di controller di accoppiamento. Ciò apre la connettività Ethernet a lungo raggio a molti controller a basso consumo e meno costosi. Un MAC integrato può anche consentire l'uso dei controller esistenti se si installa 10BASE-T1L in un BMS esistente. Con un indirizzo IP, ogni trasduttore o attuatore avrà il suo controller e l'accesso a Ethernet attraverso i transceiver.

Osservando il lato controller dei bracci di rete ad anello e in linea nella Figura 3, il transceiver Ethernet ADIN1100CCPZ-R7 è una buona scelta. Questo transceiver non include un MAC, ma solo un PHY Ethernet. ADIN1100CCPZ-R7 è destinato a funzionare con controller che incorporano la funzionalità MAC, come quelli utilizzati nel pannello di controllo illustrato. Si interfaccia con il processore di controllo remoto tramite un'interfaccia con ingresso/uscita per i dati di gestione (MDIO). L'interfaccia MDIO è un'interfaccia seriale a due fili per la comunicazione tra il MAC di un processore host e ADIN1100CCPZ-R7.

Tutti i dispositivi della serie ADIN1100 sono in grado di funzionare su cavi di lunghezza fino a 1700 m, superiore alla specifica 10BASE-T1L. Sono inoltre caratterizzati per il funzionamento nell'intervallo di temperatura nominale da -40 a +85 °C. I modelli elencati (CCPZ) hanno un intervallo di temperatura esteso da -40 a +105 °C.

Alimentazione tramite SPE

L'alimentazione di dispositivi remoti a livello di campo può essere problematica, soprattutto quando si tratta di riqualificazione di sistemi esistenti. La specifica 10BASE-T1L supporta l'alimentazione su Single-pair Power over Ethernet (SPoE), che fornisce alimentazione e dati Ethernet standardizzati su un unico cavo a doppino intrecciato. Per questa funzione, i progettisti possono utilizzare LTC4296AUK-1-PBF, un controller PSE a cinque porte (Figura 4). È progettato per l'interoperabilità con i dispositivi alimentati da 802.3cg (PD) che utilizzano sistemi a 24 o 54 V e che possono essere facilmente integrati nei prodotti 10BASE-T1L della serie ADIN.

Figura 4: LTC4296AUK-1 è utilizzato come controller PSE a cinque porte. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Questo esempio di applicazione con LTC4296AUK-1 alimenta cinque istanze del transceiver Ethernet ADIN1100 tramite le reti di accoppiamento di potenza del trasformatore/condensatore. I dispositivi ADIN1100 sono pilotati ciascuno da un'interfaccia MAC indipendente dal mezzo (MII). Ogni PSE è protetto da un limitatore automatico di corrente (ACL) high-side per la protezione controllata da inserzione e cortocircuito. LTC4296AUK-1 ha un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +125 °C.

Conclusione

La maggiore digitalizzazione degli edifici consentirà ai sistemi di gestione di accedere a tutti i dati dei sensori e alle capacità di controllo, e il collegamento incrociato dei sistemi degli edifici fornirà le basi per l'automazione operativa. A tal fine, 10BASE-T1L su SPE offre una velocità di trasmissione dati di 10 Mbps, una lunga portata fino a 1 km e una connettività IP Ethernet standard in ogni angolo dell'edificio. I controller degli edifici possono ora raggiungere un numero praticamente illimitato di dispositivi edge dal cloud. Ciò consente di ottimizzare le operazioni complessive di un edificio per ridurre le emissioni di CO₂ e servire al meglio gli occupanti.