Revolutionierung der Gebäudeautomation mit 10BASE-T1L

Der Bereich der Gebäudeautomation hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht, die es ermöglichen, gewerbliche und private Wohnbereiche effizienter zu handhaben.

Heutzutage gibt es einen weit verbreiteten Bedarf an effizienten und nachhaltigen Systemen, um Gebäude zu einer gesünderen Umgebung für die Bewohner zu machen und gleichzeitig den Stromverbrauch zu minimieren und den Echtzeit-Datendurchsatz und die Steuerungsmöglichkeiten zu erhöhen.

Die Herausforderungen der Gebäudeautomation

Planer und Systemintegratoren stehen vor mehreren Herausforderungen, die die Gebäudeautomatisierung mit sich bringt:

• Schnelle Veralterung der Technologie: Bestehende Systeme können durch rasche technologische Verbesserungen veraltet sein, was zu einem Rückgang der Funktionalität, des Supports und der Integration mit neuen Technologien führt.
• Anforderungen an Effizienz und Nachhaltigkeit: Energieeffizienz, Verbesserung der Fehlererkennung und -diagnose, Überwachung der Umweltqualität in Innenräumen (IEQ) und Wasserressourcenmanagement sind allesamt Notwendigkeiten für Gebäudeeigentümer und -betreiber.
• Datenanalytik und -optimierung: Moderne Tendenzen in der Datenanalyse und -optimierung haben die Integration von Funktionen zur Datenerfassung, -analyse und -interpretation in Gebäudeautomationssysteme erforderlich gemacht. Dies ebnet den Weg für die datengesteuerte Optimierung der Gebäudeleistung, die Erkennung von Ineffizienzen und die Umsetzung von Korrekturmaßnahmen.
• Interoperabilität: Es ist schwierig, die Kompatibilität und Integration zwischen Systemen verschiedener Anbieter zu gewährleisten. Außerdem kann die Effizienz eines Systems durch Inkompatibilitäten, proprietäre Protokolle und mangelnde Standardisierung beeinträchtigt werden.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, werden zur Lösung dieser Probleme intelligente Gebäude mit folgenden Merkmalen benötigt:

• Ermöglichung einer zentralisierten Konfiguration und Verwaltung auf Unternehmensebene durch Cloud-Anbindung
• Beseitigung der Abhängigkeit von Übersetzungsgateways auf der Ebene des Controllers
• Verlagerung der Intelligenz an den Netzwerkrand, so dass Sensoren und Aktoren eine große Menge an Daten austauschen können

Abbildung 1: Versorgung von Gebäuden mit interoperabler Edge-to-Cloud-Vernetzung. (Quelle: ADI)

Die Bedeutung der Datenkommunikation nimmt in der Industrie- und Gebäudeautomation zu. Der aktuelle Anstieg der Datenmengen hat zu der Erkenntnis geführt, dass herkömmliche Lösungen an ihre physiologischen Grenzen stoßen. Folglich entwickelt sich Ethernet zum vorherrschenden Kommunikationsstandard. Die herkömmliche 4-Draht-Ethernet-Lösung hat sich in eine 2-Draht-Lösung mit der Bezeichnung 10BASE-T1L verwandelt, die aus einem einzigen Paar verdrillter Leitungen besteht.

Wie der 10BASE-T1L-Standard den Wandel vorantreibt

Die 2019 eingeführte 10BASE-T1L-Spezifikation IEEE 802.3cg hat mehrere Kommunikationsprobleme in der Industrie und im Gebäudemanagement gelöst, indem sie eine 10-Mbit/s-Vollduplex-Kommunikation über eine Entfernung von bis zu 1000 Metern über ein einziges verdrilltes Kabelpaar ermöglicht.

Der 10BASE-T1L-Standard überwindet mehrere Beschränkungen herkömmlicher Kommunikationssysteme, einschließlich der Beschränkungen in Bezug auf Verkabelung, Bandbreite, Entfernung und Leistung im Bereich der Gebäudeautomatisierung. Im Folgenden wird erläutert, wie der 10BASE-T1L-Standard diese Einschränkungen adressiert:

• Verkabelung: Der 10BASE-T1L-Standard ermöglicht eine nahtlose Ethernet-Vernetzung für Geräte auf Feldebene, wie z. B. Sensoren und Aktoren, indem er eine Lösung für die physikalische Schicht bietet, die Ethernet-Signale und Versorgungsstrom über ein einziges verdrilltes Kabelpaar übertragen kann. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer komplexen und kostspieligen Verkabelungsinfrastruktur, was die Einführung und Installation von Ethernet-Netzwerken zur Gebäudeautomatisierung erleichtert. Außerdem können Ethernet-Pakete direkt vom Netzwerkrand (Edge) zur Cloud geleitet werden, so dass keine Gateway-Übersetzung erforderlich ist.
• Bandbreite: Der Standard 10BASE-T1L unterstützt Datenübertragungsraten von bis zu 10 Mbit/s, was für eine Vielzahl von Anwendungen in der Gebäudeautomation ausreichend ist. Diese Bandbreite ist höher als bei herkömmlichen Feldbussen (wo sie auf wenige kbit/s begrenzt ist) und ermöglicht die Übertragung von Werten von Sensoren oder direkt an Aktoren sowie von zusätzlichen Geräteparametern, wie z.B. Konfigurations- und Parametrierdaten.
• Entfernung: Die Fähigkeit des 10BASE-T1L-Standards, Ethernet-Verbindungen über große Entfernungen zu unterstützen, ist einer seiner Hauptvorteile. Er erlaubt Verbindungen mit einer Länge von bis zu 1 Kilometer, was deutlich länger ist als der traditionelle Ethernet-Standard. Dadurch eignet er sich für Anwendungen, bei denen die Geräte über große Flächen verteilt sind, wie z. B. in Industrieanlagen und Automobilmontagewerken.

Darüber hinaus ist der 10BASE-T1L-Standard aufgrund seines geringen Stromverbrauchs für den Einsatz in Umgebungen mit begrenzten Energieressourcen vorgesehen. Dies ist bei Geräten für den Außeneinsatz, bei denen die Batterielebensdauer und der Stromverbrauch entscheidend sind, von größter Bedeutung.

In einigen Fällen ist es erforderlich, über 10BASE-T1L sowohl Daten als auch Leistung (bis zu 60 W in nicht eigensicheren Bereichen) gemäß der Norm bereitzustellen. 10BASE-T1L unterstützt zwei Amplitudenmodi: 2,4 V für Kabellängen bis zu 1000 m und 1,0 V für kürzere Längen bis zu 200 m. Durch den 1,0V-Spitze-zu-Spitze-Amplitudenmodus kann diese Technologie auch in explosionsungeschützten Umgebungen (Gefahrenbereichen) eingesetzt werden und erfüllt die dort geltenden strengen Anforderungen an die maximale Stromaufnahme (die maximale Leistung ist auf 500 mW begrenzt).

Eine Referenzanwendung

Ein typischer Anwendungsfall für den 10BASE-T1L-Standard ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese Anwendung für intelligente Gebäude nutzt die Eigenschaften von 10BASE-T1L, um Daten auf verschiedenen Ebenen zu sammeln und zu aggregieren, vom Endknoten (Sensoren und Aktoren) bis hin zur Unternehmens-/IT-Ebene in der Cloud.

Raumcontroller können direkt (Punkt-zu-Punkt) mit den Feldgeräten verbunden sein oder an eine Reihe von Geräten angeschlossen werden, die miteinander verkettet sind. Außerdem kann jeder Raumregler so konfiguriert werden, dass er Verbindungen von älteren Geräten akzeptiert.

Jedes Gebäude verfügt über einen Anlagencontroller, der über 10BASE-T1L-Verbindungen mit einer Vielzahl von Raumcontrollern sowie über 100 Mb/Gb Industrial Ethernet mit den Anlagencontrollern anderer Gebäude verbunden ist.

Für Kurzstreckenverbindungen zu Sensoren und Aktoren (bis zu 25 Meter), wie im Fall der Kabinensteuerung des Aufzugs rechts in Abbildung 2, ist der Standard 10BASE-T1S besser geeignet.

Abbildung 2: Ein Anwendungsfall für intelligente Gebäude. (Quelle: ADI)

10BASE-T1L-Transceiver

Analog Devices hat den ADIN1110 entwickelt, einen 10BASE-T1L-Transceiver mit extrem niedrigem Stromverbrauch und einem Anschluss, der sich für Ethernet-basierte Anwendungen in der Industrie- und Gebäudeautomatisierung eignet. Er entspricht dem Ethernet-Standard IEEE 802.3cg-2019 für Single-Pair-Ethernet (SPE) mit hoher Reichweite und 10 Mbit/s und wurde für den Einsatz in diesen Anwendungen entwickelt.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, verfügt die Komponente über eine MAC-Schnittstelle (Media Access Control). Dadurch ist es möglich, über eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI), die vier Drähte verwendet, direkten Kontakt mit mehreren Host-Controllern herzustellen. Diese SPI ermöglicht die Verwendung von Prozessoren mit geringerem Stromverbrauch, da kein integrierter MAC erforderlich ist, was zu einem niedrigen Gesamtstromverbrauch des Systems führt. Sowohl das Open-Alliance-SPI-Protokoll als auch ein generisches SPI-Protokoll sind als Optionen für die Verwendung mit der SPI bei dessen Konfiguration verfügbar.

Der ADIN1110 verfügt über eine Spannungsversorgungsüberwachung und einen Power-On-Reset-Schaltkreis (POR), um die Robustheit auf Systemebene zu verbessern. Außerdem bietet er eine geringe Leistungsaufnahme (typischerweise 42 mW) und unterstützt 1 VPP und 2,4 VPP Sendepegel sowie Auto-Negotiation und 16 MAC-Adressen für Frame-Filterung.

Abbildung 3: Blockdiagramm des MAC-PHY-Transceivers ADIN1110. (Quelle: ADI)

Die größere Reichweite von 10BASE-T1L ermöglicht es, Automatisierungsgeräte in größeren Gebäuden zu installieren und dabei eine nahtlose Verbindung aufrechtzuerhalten. Dank dieser Flexibilität und Skalierbarkeit können Gebäudemanager mühelos Einstellungen für Anwendungen wie Beleuchtung, Klima-/HLK-Steuerung, Sicherheit und Energiemanagement überwachen und ändern.

Darüber hinaus ermöglicht die höhere Datenübertragungsrate von 10BASE-T1L die Überwachung und Steuerung von Gebäudesystemen in Echtzeit, was zu einer höheren betrieblichen Effizienz führt. Die Reaktionszeit, die Latenzzeit und die Zuverlässigkeit der Kommunikation von Automatisierungsgeräten werden durch diese Technologie verbessert.

Ethernet-Switch 10BASE-T1L

Wie der Ethernet-Standard bietet auch 10BASE-T1L Switches für die Verbindung verschiedener Netzwerksegmente und Geräte. Für die Stromversorgung der angeschlossenen Geräte können verschiedene Netztopologien aufgebaut und verwendet werden. In der Gebäudeautomation werden Switches häufig mit Steuerungen, Sensoren und Aktoren verbunden. Um die Verfügbarkeit zu erhöhen, ermöglichen Switches Medienredundanz in Form von Ringtopologien.

Zu diesem Zweck hat Analog Devices den ADIN2111 entwickelt, einen kompletten 10BASE-T1L-Ethernet-Switch mit zwei Ports, der für Gebäudeautomatisierungsnetzwerke konzipiert ist (Abbildung 4). Das Gerät ermöglicht die Anbindung von Steuerungen, Sensoren und Aktoren über Ethernet mit großer Reichweite und eignet sich für den Einsatz in kleinen, stromsparenden Edge-Geräten. Der ADIN2111 spart bis zu 50 Prozent Strom und bis zu 75 Prozent mehr Platz auf der Leiterplatte im Vergleich zu diskreten Implementierungen.

Abbildung 4: Blockdiagramm des ADIN2111. (Quelle: ADI)

Der ADIN2111 ist sowohl für Inline- als auch für Ring-Daisy-Chain-Netzwerke konzipiert und nutzt die bestehende Twisted-Pair-Verkabelungsinfrastruktur innerhalb von Gebäuden, was die Kosten für Nachrüstungen reduziert. Abbildung 5 zeigt, wie mehrere Geräte verbunden werden können, um sowohl Ring- (oben) als auch Inline-Topologien (unten) zu realisieren. Beachten Sie, dass der letzte Edge-Sensor an einen Transceiver mit PHY und MAC angeschlossen ist, während die beiden anderen an einen Switch angeschlossen sind.

Abbildung 5: Der ADIN2111 10BASE-T1L unterstützt mehrere Topologien für maximale Designflexibilität und Skalierbarkeit. (Quelle: ADI)

Der Switch 10BASE-T1L ist mit einer MAC-Lookup-Tabelle mit 16 Adressen ausgestattet und unterstützt den Cut-Through- und Store-and-Forward-Betrieb, so dass Benutzer bei der Verarbeitung und Weiterleitung von Datenpaketen Prioritäten für die Latenz- oder Fehlerbehandlung setzen können. Die moderne Paketfilterung entlastet den Prozessor bei der Abwicklung des Prioritätsverkehrs.

Der Switch verfügt über hochentwickelte Diagnosefunktionen, die Installation, Inbetriebnahme und Systemausfälle reduzieren. Dazu gehören ein Indikator für die Verbindungsqualität mit dem mittleren quadratischen Fehler (MSE), Verbindungsdiagnose und IEEE-Testmodi sowie die Erkennung von Kabelfehlern mit Hilfe der Zeitbereichsreflektometrie (TDR). Diese Diagnoselösung besteht aus einer hochpräzisen On-Chip-TDR-Engine und einer Reihe von Algorithmen, die auf einem Host-Mikrocontroller laufen und maximale Flexibilität für eine breite Palette von Kabeln und erweiterte Kabeldiagnosefunktionen bieten.

Diese Lösung entspricht dem Standard IEEE 802.3cg und unterstützt Ethernet-Vernetzung über 1,7 km Verkabelung, Ringredundanz und Softprotokolle wie Modbus/TCP, BACnet/IP und Echtzeit-KNX. Der ADIN2111 kann auch als Repeater in einer nicht verwalteten Konfiguration verwendet werden, um die Reichweite auf bis zu 2000 Meter und darüber hinaus zu erhöhen.

Fazit

Die Einführung von 10BASE-T1L hat neue Möglichkeiten für die Gebäudeautomatisierung geschaffen und die Verwaltung und Steuerung von Geschäfts- und Wohnräumen revolutioniert. Es ist eine ideale Lösung für die Implementierung von Automatisierungslösungen, da es die vorhandene Infrastruktur nutzt, Flexibilität bietet und die Datenübertragung verbessert.