Az épületfelügyeleti rendszerek érzékelőinek hálózatba kötése költségtakarékos módon

Az épületautomatizálás csökkenti a létesítmény üzemeltetési és karbantartási költségeit, miközben biztonságosabb és kényelmesebb környezetet biztosít az épületben tartózkodók számára. Az épületautomatizálási rendszer (BAS, building automation system) teljesítményének javítása a szerte az épületben elhelyezett egyre több érzékelőtől – és az ugyancsak egyre több vezérlő-, szabályozó- és működtetőegységtől – kapott több adatra támaszkodik. Ennél a rendszernél valamilyen költségtakarékos és hatékony módszerre van szükség a rögzített adatoknak az érzékelő csomópontból egy központi egységbe vagy a felhőbe történő továbbítására, ahol azokat elemezni lehet, és ahonnan az elemzés eredménye alapján ki lehet adni a szükséges vezérlőjeleket.

Az érzékelők és működtetőegységek szükséges mértékű telepítése, különösen a régebbi épületek esetében – és ahol nincs kiépítve az áramellátás – kiterjedt és költséges átalakításokat igényelhet, hogy a teljes épület le legyen fedve. Ezidáig az RS-485 hálózatok költségtakarékos utólag kiépíthető megoldást jelentettek, de a részletesebb adatkészletek és a nagyobb adatátviteli sebességek nagyobb átviteli sebességű alternatívát igényelnek.

A költségek minimálisra csökkentése és az átviteli sebesség növelése érdekében a tervezők a 10BASE-T1L révén kihasználhatják a már kiépített, egy sodrott érpáros Ethernet- vagy RS-485-kábeleket. Az IEEE 802.3cg-2019 csomagformátumú adatátviteli illesztőfelületen alapuló 10BASE-T1L átviteli teljesítménye 1000 méteres távolságon belül 10 Mb/s (megabit/másodperc). A kétérintkezős csatlakozó lehetőséget ad az adatkábelen keresztül való áramellátásra is, így nincs szükség helyi áramforrásokra, illetve tápkábelek kiépítésére. Ez a megoldás egyben kiküszöböli az energiaigényes átjárók szükségességét is, mivel korlátlan számú eszközhöz képes csatlakozni.

Ez a cikk első lépésben az épületfelügyeletre vonatkozó követelményeket és azok eddigi szabályozását tárgyalja. Ezután ismerteti a 10BASE-T1L Ethernetet, majd szemléltetésképpen mutat néhány példát annak az Analog Devices termékeinek felhasználásával történő megvalósításra. Azt is bemutatja, hogyan lehet szoftveresen programozható be- és kimenetillesztő (SWIO) technikát használni az Ethernet-hálózatra kapcsolt, az épületfelügyelethez tartozó érzékelők csatlakozásainak egyszerűsítésére úgy, hogy az épületfelügyeleti rendszerek a régebbi és a jövőbeni rendszerekkel is kompatibilisek maradjanak. Bemutat a cikk egy a témához kapcsolódó fejlesztőkártyát is, amely segít a tervezőknek a szoftveresen programozható be- és kimenetillesztőkkel végzett munka elkezdésében.

Az épületautomatizálási és épületfelügyeleti rendszerek szerepe

Az épületautomatizálási (BAS) és épületfelügyeleti (BMS) rendszerek az épületek különböző rendszereinek automatizálását és felügyeletét végzik. Az épületfelügyeleti rendszerek szerepe a lakók kényelmétől kezdve az épület rendszereinek hatásfokán, az üzemeltetési és karbantartási költségeken át a biztonságig terjed. Az épületfelügyeleti rendszerek négy rétege a felügyeleti réteg, a kiszolgálói/szerver- és alkalmazási réteg, a helyi szabályozóréteg, valamint a be- és kimeneti réteg.

A felügyeleti réteg fizikailag a kétvezetékes átviteli réteg, ahol a felügyeleti eszközök találhatóak. A felügyeleti eszközök egyesítik az összes helyi szabályozóegység forgalmát. A kiszolgáló (szerver) és az alkalmazás a különböző felügyeleti eszközöktől kap adatokat. Ez a réteg támogatja a szabványos Ethernet-protokollokat, amilyen például a Modbus, a KNX, a BACnet és a LON protokoll, amelyeket az épületfelügyeleti rendszerekben elterjedten használnak. Ez a réteg a felhasználói felületen keresztül juttatja el az egyesített adatokat az ügyfélhez vagy a végfelhasználóhoz. A helyi szabályozóréteg a hőmérséklet-érzékelők és kapcsolók bemeneti adatait vizsgálja, és vezérli a rendszer kimenetén lévő eszközöket, például a működtetőegységeket és a reléket.

Az épületfelügyeleti rendszer alkotta kirakós utolsó darabja a be- és kimeneti réteg. Ebben a rétegben az érzékelők és a vezérlőegységek találhatók. Egyes érzékelők és működtetőegységek támogatják a TCP/IP protokollt, így nincs szükség vezérlőegységre.

RS-485: az épületfelügyeleti rendszerek egyik hagyományos csatlakoztatási módja

A TIA/EIA-485 szabványt, közismert nevén RS-485-ös szabványt mind a mai napig nagyon széles körben használják az épületfelügyeleti rendszerekben használt eszközök és berendezések tervezői, mivel többpontos kommunikációs kapcsolatokkal rendelkező olcsó helyi hálózat kiépítését teszi lehetővé. Az RS-485 egy kizárólag a villamosságra vonatkozó szabvány, amely a szimmetrikus többpontos átviteli vonalak kiépítéséhez használt vevőkészülékek és vezérlőegységek villamos jellemzőit határozza meg. Kétirányú félduplex adatcserét tesz lehetővé egy sodrott érpáros kapcsolaton keresztül, és lehetővé teszi a többpontos kapcsolatokat (több adó-vevő csatlakoztatását ugyanarra a vonalra), ami az épületfelügyeleti rendszerek számára teljesen ideális.

Az RS-485 emellett meglehetősen nagy átviteli sebességet tesz lehetővé, ez 10 m-es távolságig 35 Mb/s, 1200 m távolságig 100 kb/s. Az RS-485 ökölszabálya szerint a b/s-ben (bit/másodperc) kifejezett sebesség és a méterben kifejezett kábelhossz szorzata nem haladhatja meg a 10E8 (azaz 100 000 000) értéket. Ennek értelmében egy 50 m-es kábelen a legnagyobb átviteli sebesség 2 Mb/s lehet. Az RS-485 alapú épületfelügyeleti rendszerekben azonban nem gyakori az ilyen nagy átviteli sebesség használata. A BACnet MS/TP, az RS-485 fizikai rétegében (PHY) futó általános épületautomatizálási protokoll legnagyobb átviteli sebessége 115 200 b/s.

Más soros kommunikációs kapcsolatokkal összehasonlítva az RS-485 kommunikációs kapcsolat fő előnye, hogy nagyon jól elviseli a zord ipari környezetekben gyakori villamos zajt. Az RS-485 villamos zavartűrő tulajdonsága, a hosszú kábelutak, az egy vonalra kapcsolt több adó-vevő lehetővé tétele és a viszonylag nagy átviteli sebesség jól illeszkedik az épületfelügyeleti rendszerek jelentette környezethez.

A 10BASE-T1L Ethernet-protokoll

Az épületfelügyeleti rendszerek követelményeinek és az adathalmazok részletességének és ezzel méretének növekedésével egyre fontosabbá válik az átviteli sebesség. A 10BASE-T1L nagyobb sebességű alternatívát kínál a kép pont között sodrott érpáros kábeleken át megvalósított kommunikációra, mivel 1000 m távolságig 10 Mb/s átviteli sebességet tesz lehetővé. A 10BASE-T1L megoldja a helyi szinten felmerülő problémákat is, amilyen például az áramellátás, a kábelezés, a távolság és az adatszigetek, és egyúttal szükségtelenné teszi a bonyolult átjárók használatát is.

A 10BASE-T1L jelölésben a 10 a 10 Mb/s átviteli sebességre, a BASE az alapsávú (baseband) jelekre, a T sodrott érpárra (twisted pair), az 1 pedig az 1 km-es hatótávolságra utal. A végén az L a nagy hatótávolságot (long range), azaz az 1 km-es szakaszhosszakat jelenti. A 10BASE-T1L 500 mW teljesítmény továbbítására képes, így a vele megvalósított Ethernet-kapcsolat a gyújtószikramentes 0. zónába, illetve a veszélyes területeken használható kategóriába sorolható. Ahol a gyújtószikra-mentesség nem feltétel, ott akár 60 W teljesítmény is továbbítható rajta keresztül.

A 10BASE-T1L Ethernet-hálózat topológiája lehet láncba kapcsolt, sínes vagy gyűrűs. Mint említettük, átjárók nincsenek: az Ethernet-csomagok a helyi eszközökről a vezérlési szintre, majd végül a felhőbe jutnak, hogy teljesebb mértékben megvalósuljon az épületautomatizálás zökkenőmentes kommunikációja.

Akár a gyártóüzemben, akár az íróasztalon van az érzékelő, ez az egyszerűsített Ethernet–felhő kapcsolat lehetővé teszi az érzékelők mobiltelefonon vagy hordozható számítógépen keresztül történő beállítását.

Épületautomatizáláshoz használható 10BASE-T1L hardver-összeállítások

A 10BASE-T1L Ethernet-kapcsolatú érzékelő csomópontok kialakításához az Analog Devices két azonnal használható kész eszközt kínál a tervezőknek. Az ADIN1100 egy nagy tűrőképességű, ipari, kis fogyasztású, 10BASE-T1L adó-vevő Ethernet fizikai réteggel (PHY). Az ADIN1110 adó-vevőnek van médiahozzáférés-szabályozó (MAC) és fizikai (PHY) illesztőfelülete is (1. ábra).

1. ábra: Az ADIN1110 egy kis fogyasztású, egyportos 10BASE-T1L adó-vevő beépített Ethernet fizikai réteggel (PHY) és médiahozzáférés-szabályozással (MAC) (kép: Analog Devices)

A másik eszköz az ADIN2111, egy kis fogyasztású, kis bonyolultságú kétportos kapcsoló két beépített 10BASE-T1L fizikai réteggel (PHY-vel) és egy SPI (serial peripheral interface, soros perifériaillesztő) porttal (2. ábra). Az SPI használata levesz némi terhet a fő processzor válláról, így a felhasználónak több választási lehetősége van az eszköz fogyasztásának, költségeinek és teljesítményének optimalizálására.

2. ábra: Az ADIN2111 egy kis fogyasztású, kis bonyolultságú kétportos kapcsoló beépített fizikai rétegekkel (kép: Analog Devices)

Az ADIN1100 és az ADIN2111 10BASE-T1L eszközök láncba kapcsolt (3. ábra), sínes vagy gyűrűs hálózati topológiába telepíthetők. A csillagpontos topológiához képest ezek a hálózati topológiák jelentősen csökkentik a szükséges kábelek mennyiségét.

3. ábra: A képen a 10BASE-T1L egy ADIN1100 vezérlőegység és ADIN2111 kétportos kapcsolók használatával kialakított láncba kapcsolt hálózati topológiája látható. Ezenkívül sínes és gyűrűs topológia is használható (kép: Analog Devices)

A 10BASE-T1L hálózattal való ismerkedéshez a tervezők használhatják az ADIN1100 vezérlőegységhez kínált EVAL-ADIN1100 fejlesztőkártyát. A kártya könnyű hozzáférést tesz lehetővé az ADIN1100 összes funkciójához, és beállítható számítógépes grafikus felhasználói felületen (GUI, graphical user interface) keresztül vagy önálló hardveres beállítással. A kártyához tartozik még két dugaszolható csavaros csatlakozó a 10BASE-T1L-kábelhez és egy külső tápegységhez, egy Cat 5e Ethernet-kábel RJ45 csatlakozóval, valamint egy USB-A – mikro-USB-B átalakítókábel. A kártyán található egy kis prototípuskészítő terület is.

A 10BASE-T1L rugalmas az érzékelőcsatlakozók tekintetében

Az épületfelügyeleti rendszerek hálózatának peremén hőmérséklet-, nyomás-, terhelés-, páratartalom-érzékelők és nyúlásmérők találhatók, amelyek különféle analóg áramköröket igényelnek az épületfelügyeleti rendszerekben történő események rögzítéséhez, illetve a beavatkozáshoz.

A sokféle csatlakozó illesztésére a tervezők használhatják az Analog Devices AD74412R IC-t, amely egy folyamatirányítási és épületfelügyeleti rendszerekhez készült négycsatornás, szoftveresen programozható be- és kimenetillesztő (SWIO) IC. A szoftveresen programozható be- és kimenetillesztő egyedülálló rugalmasságot biztosít arra, hogy bármelyik be- vagy kimeneti funkciót bármely lábon el lehessen érni, így a tervezők bármikor beállíthatják a csatornákat a nekik megfelelő módon. A programozás menet közben is történhet az egész épületet lefedő kéteres Ethernet-csatornákon keresztül. Ez kevesebb tervezési erőforrást igényel, és univerzális termékeket eredményez, amelyek gyorsan és széles körben használhatók fel az automatizált épületekben.

Az AD74412R IC része egy analóg bemenet, egy analóg kimenet és egy digitális bemenet, és kompatibilis SPI-vel képes ellenállásos hőmérséklet-érzékelős (RTD, resistance temperature detector) mérések elvégzésére is. Az IC (integrált áramkör) blokkvázlata a 4. ábrán látható. Tartalmaz egy 16 bites Σ-Δ analóg-digitális átalakítót (ADC), egy diagnosztikai funkciócsoportot és négy beállítható, 13 bites digitális-analóg átalakítót (DAC), amelyek négy beállítható be- és kimeneti (I/O) csatornát tesznek elérhetővé.

4. ábra: Az AD74412R négycsatornás, szoftveresen programozható be- és kimenetillesztő (SWIO) IC négy beállítható 13 bites digitális-analóg átalakítót tartalmaz, amelyek négy beállítható be- és kimeneti (I/O) csatornát tesznek elérhetővé. Emellett található benne egy 16 bites Σ-Δ analóg-digitális átalakító és egy diagnosztikai funkciócsoport is (kép: Analog Devices)

Az AD74412R IC-hez kapcsolódó üzemmódok az áramkimenet, a feszültségkimenet, a feszültségbemenet, a külső áramellátású árambemenet, a hurkos áramellátású árambemenet, a külső ellenállásos hőmérséklet-érzékelős (RTD) hőmérsékletmérés, a digitális bemeneti logika és a hurkos áramellátású digitális bemenet. Az AD74412R előállít emellett egy nagy pontosságú 2,5 V-os belső referenciafeszültséget is a digitális-analóg (DAC) és az analóg-digitális (ADC) átalakítók számára.

Tervezés az AD7441R fejlesztőkártya használatával

Az AD74412R szoftveresen programozható be- és kimenetillesztő IC analóg eszközökben való lehetséges felhasználási területeinek száma szinte mérhetetlen. Hogy segítsen a tervezőknek, az Analog Devices elkészítette az EV-AD74412RSDZ fejlesztőkártyát (5. ábra). Ez a fejlesztőkártya lehetővé teszi a fejlesztők számára a kártyán való újrabeállítási és a számítógéppel végzett programozási lehetőségek teljes kiaknázását.

5. ábra: Az EV-AD74412RSDZ az AD74412R IC-hez való teljes körű fejlesztőkártya (kép: Analog Devices)

Az AD74412R fejlesztőkártya kiértékelőszoftvere a be- és kimenőjeleket a fejlesztőkártyáról nyerő EVAL-SDP-CS1Z rendszerbemutató platformon (SDP, system demonstration platform) keresztül kommunikál az EV-AD74412RSDZ fejlesztőkártyával. A kiértékelőszoftver a legördülő menüivel leegyszerűsíti az AD74412R beállítását, és diagnosztikai eszközöket is kínál.

Összegzés

A 10BASE-T1L 1000 m távolságig 10 Mb/s átviteli sebességet tesz lehetővé a következő generációs épületautomatizálási rendszerek számára, miközben támogatja a hagyományos kéteres sodrott érpáros huzalozást is. Mint látható, egy ADIN1100 10BASE-T1L adó-vevő, az ADIN2111 kétportos Ethernet-kapcsoló és egy AD74412R négycsatornás, szoftveresen programozható be- és kimenetillesztő (SWIO) IC segítségével a tervezők gyorsan kialakíthatnak egy 10BASE-T1L-re épülő érzékelőhálózatot, amely régebbi és a jövőbeni rendszerekkel is kompatibilis.