Датчики и системы управления зданиями BAS и BMS

Автоматизация зданий снижает затраты на эксплуатацию и обслуживание объектов, обеспечивая при этом более безопасную и комфортную среду обитания для жильцов. Развитие функциональности систем автоматизации зданий (BAS) основано на использовании как можно большего количества данных от все большего количества датчиков для управления и контроля. Внедрение разветвленной системы требует использования дешевых, но эффективных коммуникационных решений для передачи данных от датчиков в центральный хаб или облако, где их можно будет дополнительно анализировать и на этой основе реагировать или контролировать.

Развертывание устройств с несколькими датчиками и исполнительными механизмами, особенно в старых зданиях и там, где электроэнергия недоступна, может привести к значительным расходам и дорогостоящим монтажным работам. Раньше сети RS485 часто выбирались в качестве экономичного решения в таких случаях, но растущие требования к скорости передачи данных теперь вынуждают использовать альтернативу с более высокой пропускной способностью.

Чтобы свести к минимуму затраты, при одновременном увеличении пропускной способности, проектировщики могут использовать установленную кабельную систему с одной витой парой с Ethernet 10BASE-T1L. Основанный на стандарте IEEE 802.3cg-2019, этот интерфейс обеспечивает пропускную способность 10 Мбит/с и работает на расстоянии до 1000 метров. Более того, витая пара может обеспечивать питание, что устраняет необходимость в дополнительной проводке БП или аккумуляторах. В данном решении нет необходимости использовать энергоемкие шлюзы связи, так как количество устройств в сети практически не ограничено.

Давайте рассмотрим требования, связанные с системами автоматизации зданий, и изучим существующие решения на примерах от Analog Devices, чтобы продемонстрировать простоту реализации. Посмотрим как использовать программное обеспечение ввода-вывода (SWIO) для упрощения интерфейса при сохранении обратной совместимости с существующими системами управления зданием.

Системы BAS и BMS

Термины BAS (системы автоматизации зданий) или BMS (системы управления зданиями) на практике описывают одно и то же. Они улучшают комфорт пользователей и повышают эффективность установленных систем, снижают эксплуатационные расходы и обеспечивают безопасность. Четыре уровня в системе BMS — это уровень контроля, уровень сервера и приложений, уровень контроллера присоединения и уровень ввода/вывода.

Супервизорный уровень — это физическая двухпроводная линия передачи, в которой расположены супервизорные устройства. Устройства контроля объединяют весь трафик полевых контроллеров. Сервер/приложение получает данные от различных устройств контроля и поддерживает стандартные протоколы Ethernet, такие как Modbus, KNX, BACnet и LON, обычно используемые в системах управления зданием. Предоставляет консолидированные данные заказчику или конечному пользователю через пользовательский интерфейс. Уровень полевого контроллера анализирует входные данные от датчиков температуры и переключателей, а также управляет выходами системы, такими как приводы и реле.

Классическое решение с RS-485

До сих пор интерфейс TIA/EIA-485, известный как RS-485, широко использовался в системах автоматизации зданий и BMS, поскольку позволяет реализовать недорогие локальные сети с многоточечными каналами связи (подключение нескольких приемопередатчиков к одному месту). RS-485 — чисто электрический стандарт, определяющий характеристики приемников и контроллеров при взаимодействии с симметричной линией передачи. Он реализует двустороннюю полудуплексную связь с использованием одной витой пары, что идеально подходит для построения.

RS-485 обеспечивает достаточно высокую скорость передачи: 35 Мбит/с на расстояниях до 10 м и 100 кбит/с на расстояниях до 1200 м. Эмпирическое правило для RS-485 заключается в том, что скорость в бит/с, умноженная на длину длина кабеля в метрах не должна превышать 108, то есть максимальная скорость передачи по кабелю длиной 50 м составляет 2 Мбит/с. Тем не менее, такие высокие скорости в строительных сферах с RS-485 встречаются редко. Максимальная скорость популярного протокола систем автоматизации зданий, работающего на физическом уровне (PHY) RS-485 BACnet MS/TP, составляет 115 200 бит/с.

По сравнению с другими последовательными интерфейсами, важнейшим преимуществом RS-485 является высокая устойчивость к помехам, что полезно в суровых промышленных условиях. Способность подавлять помехи в RS-485, приемлемая длина кабелей, поддержка нескольких приемопередатчиков на одной линии и относительно высокая скорость передачи данных также хорошо вписываются в требования приложений автоматизации зданий.

Ethernet-протокол 10BASE-T1L

По мере роста требований и увеличения количества устройств в сети автоматизации зданий, пропускная способность становится все более важной. 10BASE-T1L — это альтернатива для лучшей передачи данных при двухточечной связи по витой паре. Стандарт обеспечивает скорость 10 Мбит/с на расстоянии 1000 метров и решает проблемы электропитания, прокладки кабелей, больших расстояний и массивов данных, устраняя при этом необходимость в сетевых шлюзах.

«10» в 10BASE-T1L относится к скорости передачи 10 Мбит/с, «BASE» относится к основной полосе частот, «T» означает «витая пара», а число «1» означает дальность 1 км. Конечная буква «L» означает «большая дальность, большая дальность» с сегментами до 1 км. Спецификация позволяет доставлять 500 мВт к сетевому узлу, таким образом, 10BASE-T1L позволяет использовать Ethernet в безопасных приложениях Зоны 0 или опасных зон. В неискробезопасных приложениях он может выдавать до 60 Вт.

Топология сети 10BASE-T1L Ethernet может быть последовательной или кольцевой. Как уже упоминалось, здесь нет шлюзов — Ethernet-пакеты идут от края сети (узла) к хосту и, наконец, в облако.

Системные решения с 10BASE-T1L

Разработчики могут использовать 3 образца чипов от Analog Devices для построения Ethernet-узла 10BASE-T1L. ADIN1100 — надежный промышленный энергосберегающий приемопередатчик 10BASE-T1L с чипом PHY, реализующим физический уровень Ethernet, и ADIN1110, содержащим PHY и MAC.

Третье предложение — ADIN2111. Это простой двухпортовый маломощный коммутатор с двумя встроенными физическими блоками 10BASE-T1L и одним интерфейсным портом SPI. Использование SPI снижает требования к производительности центрального процессора, предоставляя пользователю больше возможностей для оптимизации устройства по энергопотреблению, цене и производительности.

С помощью систем ADIN1100 и ADIN-2111 можно создавать гирляндные, последовательные или кольцевые сети. По сравнению со звездообразной сетью они значительно сокращают количество необходимых кабелей.

Также возможна линейная или кольцевая топология. Чтобы упростить работу с 10BASE-T1L, разработчики могут использовать оценочную плату EVAL-ADIN1100 с микросхемой ADIN1100. Она позволяет опробовать все варианты связи и может быть настроена с помощью ПК. Сюда входят два винтовых разъема для подключения кабеля 10BASE-T1L, блок питания, кабель Ethernet Cat 5e с разъемом RJ45 и кабель USB-A micro-USB-B. Также на плате есть небольшая область для пользовательского прототипа.

Гибкие интерфейсы к 10BASE-T1L

В конце сети находятся датчики температуры, давления, влажности и тому подобные, которые требуют использования измерительных цепей, позволяющих считывать данные, обнаруживать события и отправлять их в BMS. Микросхема ADI AD74412R позволяет управлять множеством интерфейсов и типов датчиков. Она реализует четырехканальный программируемый интерфейс ввода-вывода (SWIO) для приложений автоматизации.

SWIO — это очень гибкое решение, обеспечивающее возможность настройки любой функции ввода-вывода на каждом из контактов, что позволяет настраивать измерительные каналы «на лету» с использованием Ethernet-соединения SPE, охватывающего все здание. Это приводит к более дешевому и простому внедрению и позволяет создавать универсальные продукты, которые можно быстро адаптировать и внедрить в здание.

AD74412R обменивается данными с датчиками через аналоговый вход и выход, имеет цифровой вход и поддерживает терморезисторы RTD. Связь с хостом происходит через SPI. Тут показана его внутренняя схема с заметным 16-разрядным аналого-цифровым преобразователем, группой диагностических функций и четырьмя конфигурируемыми 13-разрядными цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП), которые обеспечивают 4 настраиваемых входа/выхода.

Что касается аналоговой стороны, AD74412R обеспечивает выходы тока и напряжения, входы напряжения и тока с внешним питанием и входы с питанием от контура, а также измерение сопротивления RTD. Имеются также цифровые входы и выходы, в том числе с питанием от контура. Имеется очень точный внутренний источник опорного напряжения 2,5 В для преобразователей.

Использование оценочной платы AD7441R

Из-за огромного потенциального количества SWIO-приложений AD74412R компания подготовила оценочную плату EV-AD74412RSDZ, которую можно настроить с помощью ПК.

Программное обеспечение основано на графическом интерфейсе, который позволяет легко устанавливать конфигурацию, выбирая из меню. Для проектировщика есть также инструменты диагностики, полезные при вводе системы в эксплуатацию.