Rivoluzionare l'automazione degli edifici con 10BASE-T1L

Negli ultimi anni il settore dell'automazione degli edifici ha registrato un forte incremento, che ha reso possibile una gestione più efficace degli edifici commerciali e residenziali.

Oggi è diffusa l'esigenza di sistemi efficienti e sostenibili per rendere gli edifici più salubri per gli occupanti, riducendo al minimo il consumo energetico e aumentando le capacità di controllo e di trasmissione dei dati in tempo reale.

Le sfide dell'automazione degli edifici

I progettisti e gli integratori di sistemi devono affrontare diverse sfide poste dall'automazione degli edifici, tra cui:

• Rapida obsolescenza della tecnologia: i sistemi esistenti possono diventare obsoleti a causa dei miglioramenti tecnologici, con conseguente riduzione delle funzionalità, del supporto e dell'integrazione con le nuove tecnologie.
• Requisiti di efficienza e sostenibilità: l'efficienza energetica, il miglioramento nel rilevamento e nella diagnostica dei guasti, il monitoraggio della qualità ambientale interna (IEQ) e la gestione delle risorse idriche sono tutte necessità per i proprietari e gli operatori degli edifici.
• Analisi e ottimizzazione dei dati: le moderne tendenze nell'analisi e nell'ottimizzazione dei dati hanno reso necessaria l'incorporazione di capacità di raccolta, analisi e interpretazione dei dati nei sistemi di automazione degli edifici. Questo apre la strada all'ottimizzazione delle prestazioni degli edifici basata sui dati, al rilevamento delle inefficienze e all'implementazione di azioni correttive.
• Interoperabilità: è difficile garantire la compatibilità e l'integrazione tra sistemi offerti da fornitori diversi. Inoltre, l'efficienza di un sistema può essere ostacolata da incompatibilità, protocolli proprietari e mancanza di standardizzazione.

Come illustrato nella Figura 1, per affrontare questi problemi saranno necessari edifici intelligenti in grado di:

• Consentire la configurazione e la gestione centralizzata a livello aziendale attraverso la connessione al cloud
• Eliminare la dipendenza dai gateway di traslazione a livello di controller
• Spostare l'intelligenza all'edge, consentendo a sensori e attuatori di scambiare un elevato volume di dati

Figura 1: Esempio di come fornire agli edifici una connettività edge-to-cloud interoperabile. (Immagine per gentile concessione di ADI)

L'importanza della comunicazione dei dati sta crescendo nei settori dell'automazione industriale e degli edifici. L'attuale aumento dei volumi di dati ha portato alla consapevolezza che le soluzioni tradizionali stanno raggiungendo la loro soglia fisiologica. Di conseguenza, Ethernet sta emergendo come standard di comunicazione prevalente. La soluzione Ethernet convenzionale a 4 fili si è trasformata in una soluzione a 2 fili denominata 10BASE-T1L, che comprende un singolo doppino intrecciato.

Lo standard 10BASE-T1L come guida del cambiamento

L'introduzione nel 2019 della specifica IEEE 802.3cg 10BASE-T1L ha risolto diversi problemi di comunicazione industriale e di gestione degli edifici, consentendo comunicazioni full-duplex a 10 Mbps fino a 1.000 metri su un singolo doppino intrecciato.

Lo standard 10BASE-T1L supera diverse limitazioni dei sistemi di comunicazione tradizionali, tra cui quelle relative al cablaggio, alla larghezza di banda, alla distanza e alla potenza nel campo dell'automazione degli edifici. Ecco come lo standard 10BASE-T1L affronta queste limitazioni:

• Cablaggio: lo standard 10BASE-T1L consente la connettività Ethernet senza soluzione di continuità per i dispositivi sul campo, come sensori e attuatori, fornendo una soluzione di strato fisico in grado di trasmettere segnali Ethernet e alimentazione su un singolo doppino intrecciato. Ciò elimina la necessità di un'infrastruttura di cablaggio complessa e costosa, facilitando così l'implementazione e l'installazione di reti Ethernet per l'automazione degli edifici. Inoltre, i pacchetti Ethernet possono essere trasferiti direttamente dall'edge al cloud, eliminando la necessità di traslazione da parte del gateway.
• Larghezza di banda: lo standard 10BASE-T1L supporta velocità di trasferimento dati fino a 10 Mbps, adeguate per molte applicazioni di automazione degli edifici. Questa larghezza di banda è superiore a quella dei fieldbus convenzionali (dove è limitata a pochi kbps) e consente la trasmissione di valori dai sensori o direttamente agli attuatori, nonché di parametri aggiuntivi del dispositivo, come i dati di configurazione e parametrizzazione.
• Distanza: la capacità dello standard 10BASE-T1L di supportare connessioni Ethernet a lunga distanza è uno dei suoi principali vantaggi. Permette connessioni fino a 1 chilometro, una lunghezza considerevole rispetto allo standard Ethernet tradizionale. Questo lo rende adatto ad applicazioni in cui i dispositivi sono sparsi su grandi aree, come gli impianti industriali e gli stabilimenti di assemblaggio delle automobili.

Inoltre, lo standard 10BASE-T1L è destinato all'uso in ambienti con risorse energetiche limitate grazie ai suoi bassi requisiti di potenza. Questo aspetto è importante nei dispositivi sul campo, dove la durata della batteria e il consumo energetico sono considerazioni cruciali.

In alcuni casi, è necessario fornire tramite 10BASE-T1L sia i dati che l'alimentazione (fino a 60 W in aree non a sicurezza intrinseca) come definito nello standard. 10BASE-T1L supporta due modalità di ampiezza: 2,4 V per cavi di lunghezza fino a 1.000 m e 1,0 V per cavi di lunghezza inferiore fino a 200 m. Grazie alla modalità di ampiezza picco-picco di 1,0 V, questa tecnologia può essere utilizzata anche in ambienti protetti dalle esplosioni (aree pericolose) e soddisfa i severi requisiti di massimo consumo di corrente (la potenza massima è limitata a 500 mW).

Un caso d'uso di riferimento

Un tipico caso d'uso dello standard 10BASE-T1L è illustrato nella Figura 2. Questa applicazione per edifici intelligenti sfrutta le proprietà di 10BASE-T1L per raccogliere e aggregare dati a diversi livelli, dal nodo finale (sensori e attuatori) fino al livello aziendale/IT sul cloud.

I controller di sala possono avere connessioni dirette (punto-punto) con i dispositivi sul campo o connettersi a una serie di dispositivi collegati a margherita. Inoltre, ogni controller di sala può essere configurato per accettare connessioni da dispositivi legacy.

Ogni edificio ha un proprio controller di impianto, collegato a una moltitudine di controller di sala tramite collegamenti 10BASE-T1L e ai controller di impianto di altri edifici tramite Industrial Ethernet a 100 Mb/Gb.

Per il collegamento a corto raggio a sensori e attuatori (fino a 25 metri), come nel caso del controller di cabina dell'ascensore sulla destra nella Figura 2, è più appropriato lo standard 10BASE-T1S.

Figura 2: Caso d'uso di un edificio intelligente. (Immagine per gentile concessione di ADI)

Transceiver 10BASE-T1L

Analog Devices ha sviluppato ADIN1110, un transceiver 10BASE-T1L a singola porta, a bassissimo consumo, adatto per applicazioni basate su Ethernet nell'automazione industriale e degli edifici. È conforme allo standard Ethernet IEEE 802.3cg-2019 per Single-Pair Ethernet (SPE) a lunga portata di 10 Mbps ed è stato progettato per l'uso in queste applicazioni.

Come illustra la Figura 3, il componente incorpora un'interfaccia MAC (Media Access Control). In questo modo è possibile stabilire un contatto diretto con diversi controller host utilizzando un'interfaccia periferica seriale (SPI) a quattro fili. Questa SPI consente l'uso di processori con un consumo energetico ridotto, poiché non è necessario un MAC integrato, con il risultato di un consumo energetico complessivo più basso per il sistema. Il protocollo SPI Open Alliance e un protocollo SPI generico sono disponibili come opzioni da utilizzare con SPI durante la configurazione.

ADIN1110 incorpora un circuito di monitoraggio della tensione e di reset all'accensione (POR) per migliorare la robustezza del sistema. Inoltre, ha un basso consumo energetico (tipicamente di 42 mW) e supporta i livelli di trasmissione 1 VPP e 2,4 VPP, nonché l'auto-negoziazione e 16 indirizzi MAC per il filtraggio dei frame.

Figura 3: Diagramma a blocchi del transceiver MAC PHY ADIN1110. (Immagine per gentile concessione di ADI)

La maggiore portata di 10BASE-T1L consente di installare dispositivi di automazione in edifici più grandi mantenendo una connettività continua. Grazie a questa flessibilità e scalabilità, i gestori delle strutture possono monitorare e modificare senza problemi le impostazioni di applicazioni come illuminazione, climatizzazione/HVAC, sicurezza e gestione dell'energia.

Inoltre, la maggiore velocità di trasmissione dei dati di 10BASE-T1L consente il monitoraggio e il controllo in tempo reale dei sistemi degli edifici, con conseguente maggiore efficienza operativa. I tempi di risposta, la latenza e l'affidabilità della comunicazione tra dispositivi di automazione sono migliorati grazie a questa tecnologia.

Switch Ethernet 10BASE-T1L

Come lo standard Ethernet, il 10BASE-T1L fornisce switch per il collegamento di vari segmenti e dispositivi di rete. È possibile costruire e utilizzare diverse topologie di rete per alimentare i dispositivi collegati. Nell'automazione degli edifici, gli switch sono spesso collegati a controller, sensori e attuatori. Per una maggiore disponibilità, gli switch consentono la ridondanza di mezzi sotto forma di topologie ad anello.

A tal fine, Analog Devices ha sviluppato ADIN2111, uno switch completo a due porte Ethernet 10BASE-T1L progettato per le reti di automazione degli edifici (Figura 4). Aggiungendo la connettività Ethernet a lungo raggio a controller, sensori e attuatori, il dispositivo è adatto all'uso in dispositivi edge di piccole dimensioni e a basso consumo energetico. ADIN2111 consente di risparmiare fino al 50% di consumo energetico e fino al 75% di spazio sulla PCB rispetto alle implementazioni discrete.

Figura 4: Diagramma a blocchi di ADIN2111. (Immagine per gentile concessione di ADI)

ADIN2111 è progettato per reti in collegamento a margherita sia in linea che ad anello, utilizzando l'infrastruttura di cablaggio a singolo doppino intrecciato esistente negli edifici, riducendo così i costi di riqualificazione. La Figura 5 mostra come sia possibile collegare diversi dispositivi per implementare topologie ad anello (in alto) e in linea (in basso). Si noti che l'ultimo sensore edge è collegato a un transceiver con PHY e MAC, mentre gli altri due sono collegati a uno switch.

Figura 5: ADIN2111 10BASE-T1L supporta diverse topologie per la massima flessibilità e scalabilità del progetto. (Immagine per gentile concessione di ADI)

Dotato di una tabella di ricerca MAC a 16 indirizzi, lo switch 10BASE-T1L supporta il funzionamento cut-through e store and forward, consentendo agli utenti di dare priorità alla latenza o alla gestione degli errori durante l'elaborazione e l'inoltro dei pacchetti di dati. Il filtraggio avanzato dei pacchetti solleva il processore dall'onere di gestire il traffico prioritario.

Lo switch incorpora sofisticate capacità diagnostiche che riducono i tempi di installazione e di messa in servizio e le interruzioni del sistema. Tra questi, un indicatore della qualità del collegamento con errore quadratico medio (MSE), la diagnostica del collegamento e le modalità di test IEEE, nonché il rilevamento dei difetti del cavo mediante la riflettometria nel dominio del tempo (TDR). Questa soluzione diagnostica è composta da un motore TDR su chip molto accurato e da una serie di algoritmi ospitati su un microcontroller host, assicurando la massima flessibilità a un'ampia gamma di cavi e capacità diagnostiche più avanzate.

Questa soluzione conforme allo standard IEEE 802.3cg supporta la connettività Ethernet su 1,7 km di cablaggio, la ridondanza ad anello e i protocolli soft, tra cui Modbus/TCP, BACnet/IP e KNX in tempo reale. Si noti inoltre che ADIN2111 può essere utilizzato come ripetitore in una configurazione non gestita per estendere la portata fino a 2.000 metri e oltre.

Conclusione

L'introduzione di 10BASE-T1L ha creato nuove opportunità per l'automazione degli edifici, rivoluzionando le modalità di gestione e controllo degli spazi commerciali e residenziali. È una soluzione ideale per l'implementazione di soluzioni di automazione grazie alla sua capacità di sfruttare l'infrastruttura esistente, di fornire flessibilità e di migliorare la trasmissione dei dati.