Minimieren der CO2-Emissionen mit Single-Pair-Ethernet

Das globale Ziel, die Kohlendioxid(CO₂)-Emissionen auf Null zu reduzieren, betrifft alle Industriesegmente. Im Falle von Gebäuden ist das Ziel eine Herausforderung, da es viele ökologisch ineffiziente Strukturen gibt. Viele installierte Steuerungs- und Kommunikationssysteme verfügen nur über begrenzte Überwachungs- und Datenverarbeitungskapazitäten, und in der Regel fehlt es ihnen an fortschrittlicher Datenanalyse und -steuerung zur Optimierung der Effizienz.

Das Erreichen von Netto-CO₂-Emissionen erfordert Automatisierungssysteme, die auf künstlicher Intelligenz (KI) basierende Analysen und Steuerungen einsetzen. Der Schlüssel zu dieser Verbesserung ist die Möglichkeit, Sensoren im gesamten Gebäude mit Hilfe von Single-Pair-Ethernet (SPE) mit hoher Datenrate und großer Reichweite, basierend auf dem 10BASE-T1L-Standard, einfach zu installieren. Durch die höheren Datenraten werden die Latenzzeiten minimiert und die Echtzeitsteuerung der Gebäudesysteme ermöglicht.

Dieser Artikel beschreibt kurz die Anforderungen an die Vernetzung von Netto-Null-CO₂-Gebäuden. Anschließend wird anhand von 10BASE-T1L-Komponenten von Analog Devices Inc. gezeigt, wie SPE Verbesserungen in der Kommunikation und Steuerung unterstützen und gleichzeitig die Nachhaltigkeit verbessern kann.

Grenzen der traditionellen Bauweise

Herkömmliche Gebäudekonzepte verwenden Gebäudemanagementsysteme (BMS), um die Gesamtstruktur zu steuern, wobei die Teilsysteme des Gebäudes im Allgemeinen isoliert arbeiten. Einschränkungen bei der Interaktivität der Kommunikation und der verfügbaren Energie sorgen dafür, dass Gebäude nicht mit maximaler Effizienz betrieben werden können, was zu Verlusten führt, die die Umwelt belasten. Betrachten wir die hierarchische Struktur eines Standardgebäudes (Abbildung 1).

Abbildung 1: Traditionelle Gebäudesysteme sind hierarchisch aufgebaut, können aber auch nach Funktionen betrachtet werden. (Bildquelle: Analog Devices Inc.)

Die Feld-/Geräteebene an der Basis der BMS-Pyramide in Abbildung 1 enthält lokale Sensoren und Aktoren für die verschiedenen Systeme. Die Ebene der Gebäude- und Raumcontroller konsolidiert die Feld- und Gerätedaten und steuert die Geräte. Die Unternehmensebene überwacht das gesamte Gebäude und koordiniert die Aktivitäten der Regler über die BMS.

Herkömmliche Gebäudesysteme wie Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HLK) haben eine vertikale Steuerungshierarchie, arbeiten aber isoliert von Systemen wie der Belegungserkennung. Das bedeutet, dass die einzelnen Etagen unabhängig von der Belegung immer noch Energie für den Betrieb des HLK-Systems verbrauchen.

Der Grund für diese vertikale Isolierung ist die begrenzte Leistungsfähigkeit der bestehenden Datenschnittstellen. Untergeordnete analoge und 4mA- bis 20mA-Stromschleifen- und serielle RS485-Schnittstellen sowie übergeordnete Schnittstellen wie Highway Addressable Remote Transducer (HART) und Fieldbus sind mit Raten von 1200 Bit pro Sekunde (bit/s) bis 31,25 Kilobit pro Sekunde (kbit/s) relativ langsam. Dadurch wird die Menge der in einem bestimmten Zeitraum übertragenen Daten begrenzt.

Die Ethernet-Schnittstelle 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg) wurde 2019 eingeführt und erhöhte die Datenübertragungsrate drastisch auf 10 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) über SPE. Außerdem können über dieselben Datenübertragungsleitungen wesentlich höhere Leistungen bereitgestellt werden, von 36 Milliwatt (mW) für 4- bis 20-mA-Stromschleifen mit HART bis zu 500 mW (nicht isoliert) oder maximal 60 W (Tabelle 1).

Tabelle 1: Hauptmerkmale einiger gängiger Schnittstellen für Gebäudedatennetze. (Quelle der Tabelle: Art Pini, unter Verwendung von Daten von Analog Devices, Inc.)

Die langsameren Datenschnittstellen schränken auch die Zugänglichkeit zu den Sensoren und Aktoren auf der Feldebene ein, was bedeutet, dass sie nur vor Ort neu konfiguriert werden können. 10BASE-T1L ist mit allen bestehenden Ethernet-Implementierungen kompatibel und kann nahtlos mit allen BASE-T-Ethernet-Netzwerkinstallationen, einschließlich der BASE-T-Varianten 10/100/1000/2.5G/5G/10G, kommunizieren, ohne dass ein Gateway erforderlich ist.

Die Rolle von 10BASE-T1L

10BASE-T1L ist Teil des umfangreicheren Ethernet-Standards 802.3. Der Name fasst seine Eigenschaften zusammen. „10“ steht für die Übertragungsrate von 10 Mbit/s und „BASE“ für ein Basisbandsignal, d. h. es können nur Ethernet-Signale über das Medium gesendet werden. Das „T“ steht für das Medium als Twisted Pair, „1“ für die Reichweite von 1 Kilometer (km) und „L“ für „Long Range“ (große Reichweite).

Die Medienspezifikation für 10BASE-T1L gibt kein bestimmtes Twisted-Pair-Kabel an. Stattdessen wird die Rückfluss- und Einfügedämpfung der Verkabelung angegeben. Dies ermöglicht die Wiederverwendung bereits installierter Leitungen, wie z.B. Feldbus-Kabel vom Typ A.

10BASE-T1L unterstützt Vollduplex-Kommunikation mit zwei Amplitudenmodi: 2,4 Volt Spitze-Spitze (V_P-P) über 1000 m Kabel und 1,0 V_P-P für geringere Entfernungen von bis zu 200 m und in gefährlichen Umgebungen.

Der Ethernet-Standard sieht vor, dass die Stromversorgung über das gleiche Twisted-Pair-Kabel erfolgt, das auch für die Datenübertragung verwendet wird. Bei 10BASE-T1L wird die Leistung in Abhängigkeit von der Art der Umgebung gesteuert. 500 mW eignet sich für eigensichere (d. h. gefährliche) Bereiche, in denen die Funkenentladungsleistung begrenzt werden muss. Die Obergrenze von 60 Watt ist für sichere Bereiche verfügbar.

Die Vorzüge von 10BASE-T1L

Der wichtigste Vorteil von 10BASE-T1L ist neben der Reichweite von 1 km seine Kompatibilität mit allen Ethernet-BASE-T-Netzen. Dadurch sind keine Übersetzungsgateways zwischen verschiedenen Datennetzstandards mehr erforderlich. Es öffnet den Weg von der Feldebene zur Unternehmens- und Cloud-Ebene und reduziert Kosten, Komplexität und Energiebedarf.

Die 10BASE-T1L-Geschwindigkeit von bis zu 10 Mbit/s ermöglicht die Übertragung der grundlegenden Prozessmesswerte an Sensoren und Aktoren sowie zusätzlicher Konfigurationsparameter, Statusdaten und sogar Software-/Firmware-Updates. Auf Sensoren und Aktoren kann über ihre IP-Adressen aus der Ferne zugegriffen werden. Die Gerätekonfiguration ist einfacher, da 10BASE-T1L-kompatible Geräte keine Gateways und Protokollkonverter benötigen. Die zusätzliche Datenverarbeitungskapazität kann auch für eine umfassendere Systemdiagnose und Fehlerbehebungsroutinen genutzt werden.

Die zusätzliche Datenkapazität, die durch die höhere Datenrate zur Verfügung steht, kann auch für die Verknüpfung von Gebäudesystemen zum Datenaustausch genutzt werden. KI-gestützte Analyse und Steuerung ermöglichen eine ergänzende Regulierung, um die effizientesten gemeinsamen Operationen zu erreichen. Stellen Sie sich vor, wie dies in einem mit 10BASE-T1L ausgestatteten Gebäude aussieht (Abbildung 2).

Abbildung 2: Gezeigt wird das Hinzufügen der 10BASE-T1L-Interoperabilität von den Edge-Transducern zur Cloud. (Bildquelle: Analog Devices Inc.)

SPE für 10BASE-T1L ermöglicht den Anschluss von mehreren Transducern und Aktoren in der Randebene des Netzwerks an Raumregler. Vorhandene Geräte, die über alte Schnittstellen verbunden sind, können weiter verwendet oder auf Ethernet-Kompatibilität umgestellt werden. Die Systeme sind auf mehreren Ebenen über die entsprechende Ethernet-Version miteinander verbunden, was die Möglichkeit einer Echtzeitsteuerung bietet.

10BASE-T1L-Topologien für Gebäudenetze

Mehrere Geräte können in einer Ring- oder Inline-Netztopologie an das SPE-Netzwerk angeschlossen werden (Abbildung 3).

Abbildung 3: 10BASE-T1L unterstützt, wie andere Ethernet-Varianten, Ring- und Inline-Topologien zum Anschluss mehrerer Geräte. (Bildquelle: Analog Devices Inc.)

Jede Topologie bietet eine geringere Kabellänge im Vergleich zur alternativen Sternnetztopologie. Die Ringtopologie bietet zusätzlich einen redundanten Pfad für den Fall eines Geräteausfalls. Jedes Gerät benötigt zwei Ethernet-Ports, um in beiden Topologien Daten über das Netzwerk zu übertragen.

Um dies zu realisieren, kann der ADIN2111CCPZ-R7 von Analog Devices verwendet werden, ein stromsparender 10BASE-T1L-Transceiver mit zwei Anschlüssen, der einen Switch, zwei Ethernet-PHY-Kerne (PHY: Physical Layer) mit einer MAC-Schnittstelle (MAC: Media Access Control) und alle zugehörigen Schaltungen, einschließlich interner Puffer, integriert. Er wird direkt über eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI) gesteuert. SPI ist mit vielen Controllern kompatibel und ermöglicht eine einfache Auswahl, die Leistung, Stromverbrauch und Preis optimiert. Der Switch unterstützt zahlreiche Routing-Konfigurationen unter Verwendung der dualen Ethernet- und SPI-Ports, die Inline- oder Ring-Netzwerktopologien ermöglichen. Die Tatsache, dass der 10BASE-T1L-Switch eine MAC-Schnittstelle enthält, bedeutet, dass der Controller nicht über eine solche Schnittstelle verfügen muss, wodurch sich die Anzahl der potenziellen Controller erhöht, die ausgewählt werden können. Abbildung 3 zeigt Ring- und Inline-Topologien mit dem ADIN2111CCPZ-R7 als Switch mit zwei Ports.

Die Ringkonfiguration verwendet einen Zwei-Port-Switch für alle Geräte. Die Inline-Konfiguration benötigt keinen Zwei-Port-Switch, da das letzte Gerät nur einen einzigen MAC-PHY-Transceiver wie den ADIN1110CCPZ benötigt. Wie der Switch verfügt auch dieser Ethernet-Transceiver über einen MAC und unterstützt daher eine breitere Palette von Controllern. Dies ermöglicht Ethernet-Vernetzung mit großer Reichweite für viele stromsparende und weniger teure Steuerungen. Ein integrierter MAC kann auch die Verwendung vorhandener Steuerungen ermöglichen, wenn 10BASE-T1L in ein bestehendes BMS nachgerüstet wird. Jeder Transducer oder Aktuator verfügt über eine eigene Steuerung und hat über die Transceiver Zugang zum Ethernet, wodurch er eine IP-Adresse erhält.

Betrachtet man die Controllerseite der Ring- und Inline-Netzwerkarme in Abbildung 3, ist der Ethernet-Transceiver ADIN1100CCPZ-R7 eine gute Wahl. Dieser Transceiver verfügt nicht über einen MAC, sondern nur über einen Ethernet-PHY. Der ADIN1100CCPZ-R7 ist für den Betrieb mit Steuerungen vorgesehen, die über MAC-Funktionen verfügen, wie sie in der abgebildeten Steuertafel verwendet werden. Er ist über eine MDIO-Schnittstelle (Management Data Input/Output) mit dem Fernsteuerungsprozessor verbunden. Die MDIO-Schnittstelle ist eine serielle Zweidraht-Schnittstelle für die Kommunikation zwischen dem MAC in einem Host-Prozessor und dem ADIN1100CCPZ-R7.

Alle Geräte der Serie ADIN1100 sind für den Betrieb über eine Kabellänge von bis zu 1700 m ausgelegt, mehr als die 10BASE-T1L-Spezifikation. Außerdem sind sie für den Betrieb in einem Nenntemperaturbereich von -40°C bis +85°C ausgelegt. Die aufgeführten Modelle (CCPZ) haben einen erweiterten Temperaturbereich von -40°C bis +105°C.

Stromversorgung über SPE

Die Stromversorgung dezentraler Geräte auf der Feldebene kann problematisch sein, insbesondere bei der Nachrüstung bestehender Systeme. Die 10BASE-T1L-Spezifikation unterstützt Single-Pair-Power-over-Ethernet (SPoE), das standardisierten Strom und Ethernet-Daten über ein einziges Twisted-Pair-Kabel liefert. Für diese Funktion kann der LTC4296AUK-1-PBF verwendet werden, ein PSE-Controller (Power Sourcing Equipment) mit fünf Ports (Abbildung 4). Er wurde für die Interoperabilität mit 802.3cg-gespeisten Geräten (PDs) entwickelt, die 24-Volt- oder 54-Volt-Systeme verwenden und leicht in die 10BASE-T1L-Produkte der ADIN-Serie integriert werden können.

Abbildung 4: Der LTC4296AUK-1 wird als PSE-Controller mit fünf Ports eingesetzt. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

In diesem Anwendungsbeispiel versorgt der LTC4296AUK-1 fünf Instanzen des Ethernet-Transceivers ADIN1100 über das Transformator/Kondensator-Leistungskoppelnetzwerk mit Strom. Die ADIN1100 werden jeweils über eine medienunabhängige MAC-Schnittstelle (MII) betrieben. Jeder PSE ist durch einen automatischen High-Side-Strombegrenzer (ACL) für kontrollierten Einschalt- und Kurzschlussschutz geschützt. Der LTC4296AUK-1 besitzt einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C.

Fazit

Die zunehmende Digitalisierung von Gebäuden wird es den Managementsystemen ermöglichen, auf alle Sensordaten und Steuerungsmöglichkeiten zuzugreifen, und die Vernetzung von Gebäudesystemen wird die Grundlage für die Betriebsautomatisierung bilden. Um dies zu ermöglichen, bringt 10BASE-T1L über SPE 10 Mbit/s Datenübertragungsraten, eine große Reichweite von bis zu 1 km und Standard-Ethernet-IP-Vernetzung in jeden Winkel eines Gebäudes. Gebäudesteuerungen können nun eine größere Reichweite von der Cloud zu einer praktisch unbegrenzten Anzahl von Edge-Geräten erzielen. Dies ermöglicht die Optimierung des Gesamtbetriebs eines Gebäudes, um den CO₂-Ausstoß zu verringern und gleichzeitig den Bewohnern bestmöglich zu dienen.