Como utilizar os sensores de rede para sistemas de gerenciamento de edifícios de forma econômica

A automação predial reduz os custos operacionais e de manutenção de uma instalação, ao mesmo tempo em que proporciona um ambiente mais seguro e confortável para os ocupantes do edifício. As melhorias no desempenho de um sistema de automação predial (BAS) dependem de mais dados de um número crescente de sensores — e também de um número crescente de controles/atuadores — implantados em todo o edifício. Esta implantação requer um meio econômico e eficiente de transportar os dados capturados do nó sensor para um hub central ou nuvem, onde eles podem ser analisados e utilizados, e onde os sinais de controle necessários são enviados.

A implantação de sensores e atuadores em escala, particularmente para edifícios antigos — e onde a energia não está prontamente disponível — pode exigir um retrabalho extenso e dispendioso para garantir a cobertura total do edifício. Até hoje, as redes RS-485 têm sido uma solução econômica de renovação, mas conjuntos de dados mais ricos e taxas de dados mais altas requerem uma alternativa com maior taxa de transferência.

Para minimizar o custo enquanto aumenta a taxa de transferência, os projetistas podem aproveitar as vantagens da fiação Ethernet de par trançado simples ou RS-485 atualmente instalada, usando a 10BASE-T1L. Com base na interface de comunicação de dados em formato de pacote da norma IEEE 802.3cg-2019, a 10BASE-T1L tem uma taxa de transferência de 10 megabits por segundo (Mbits/s) em distâncias de até 1000 metros (m). Há uma opção para que a interface de dois fios também forneça energia através do cabo de dados, eliminando a necessidade de fontes de alimentação locais ou ter que passar os cabos de energia. Isto também elimina a necessidade de gateways famintos por energia elétrica, podendo ser conectados a dispositivos ilimitados.

Este artigo discute os requisitos do controle de edifícios e como eles têm sido abordados até o momento. Em seguida, apresenta a Ethernet 10BASE-T1L e exemplos de soluções da Analog Devices para demonstrar sua facilidade de implementação. Também mostra como usar a tecnologia de software de E/S (SWIO) para simplificar a interface de sensores para controladores de edifícios de rede Ethernet, enquanto mantém a compatibilidade com seus antecessores e sucessores dos sistemas de gerenciamento de edifícios (BMSs). Também é descrita uma placa de avaliação adequada para ajudar os projetistas a começar com o SWIO.

O papel do BAS ou BMS

BASs, ou BMSs, referem-se à automação e gerenciamento dos vários sistemas de um edifício. Os objetivos do BMS vão desde o conforto de um ocupante até a eficiência do sistema predial, custos operacionais e de manutenção, e segurança. As quatro camadas em um BMS são as camadas de supervisão, servidor/aplicação, controlador de campo e entrada/saída.

A camada de supervisão é fisicamente a camada de transmissão a dois fios, onde se encontram os dispositivos de supervisão. Os dispositivos de supervisão consolidam todo o tráfego de controladores de campo. O servidor/aplicação recebe dados de diferentes dispositivos de supervisão. Esta camada suporta protocolos Ethernet padrão, tais como Modbus, KNX, BACnet e LON, comumente usados em sistemas de gerenciamento de edifícios. Esta camada entrega os dados consolidados ao cliente ou ao usuário final através da interface do usuário. A camada de controle de campo analisa os dados de entrada dos sensores de temperatura e comutadores e controla as saídas do sistema, tais como atuadores e relés.

A peça final do quebra-cabeça BMS é a camada de entrada/saída. Esta camada é onde os sensores e dispositivos de controle existem. Alguns sensores e atuadores suportam TCP/IP, o que elimina a necessidade de um controlador.

RS-485: Uma solução clássica de conectividade BMS

Até o momento, a interface TIA/EIA-485, comumente conhecida como RS-485, tem sido muito utilizada pelos projetistas de aplicações BMS por ser uma rede local barata com links de comunicação multidrop. O RS-485 é um padrão somente elétrico que define as características elétricas dos receptores e drivers ao implementar uma linha de transmissão multiponto equilibrada. Suporta uma troca de dados bidirecional, half-duplex sobre uma conexão de par de fios trançados, e permite conexões multidrop (a conexão de vários transceptores à mesma linha), o que é ideal para BMSs.

O RS-485 também suporta taxas de dados razoavelmente altas: 35 Mbits/s em distâncias de até 10 m e 100 quilobits (kbits/s) em 1.200 m. A regra básica do RS-485 é a velocidade em bits/s multiplicada pelo comprimento do cabo em metros não deve exceder 10E8. Consequentemente, a velocidade mais rápida de um cabo de 50 m é de 2 Mbits/s. Entretanto, é incomum usar uma taxa tão alta em aplicações RS-485 para controle de edifícios. A velocidade máxima para BACnet MS/TP, um protocolo comum de automação predial rodando na camada física (PHY) RS-485 é de 115.200 bits/s.

Em comparação com outros links de comunicação serial, a principal vantagem do link de comunicação RS-485 é sua alta tolerância ao ruído elétrico em ambientes industriais severos. A característica de rejeição do ruído elétrico do RS-485, cabos longos, suporte de vários transceptores em uma única linha e velocidade de transmissão de dados razoavelmente rápida, define bem o ambiente BMS.

O protocolo Ethernet 10BASE-T1L

À medida que as exigências do BMS aumentam e os conjuntos de dados ficam mais ricos, a taxa de transferência se torna cada vez mais importante. A 10BASE-T1L oferece uma alternativa de taxa mais alta para comunicação ponto a ponto sobre cabeamento de par trançado, uma vez que suporta 10 Mbits/s em 1000 m. A 10BASE-T1L também aborda desafios no campo, tais como energia, cabeamento, distância e ilhas de dados, ao mesmo tempo em que elimina a necessidade de gateways complexos.

O "10" em 10BASE-T1L refere-se à taxa de transmissão de 10 Mbit/s, "BASE" refere-se a sinais da banda base, "T" significa "par trançado", e o dígito "1" representa o alcance de 1 quilômetro (km). O "L" final é para "longo alcance", indicando os comprimentos de segmento de 1 km. Capaz de fornecer 500 miliwatt (mW), a 10BASE-T1L traz a Ethernet para aplicações intrinsecamente seguras de Zona 0 ou área de risco. Em aplicações não-intrinsecamente seguras, pode fornecer até 60 watts.

A topologia de uma rede Ethernet 10BASE-T1L pode ser um encadeamento, linha ou anel. Como mencionado, não há gateways: os pacotes Ethernet se movem da borda para o nível de controle, e eventualmente para a nuvem para realizar mais plenamente os objetivos de comunicação sem interrupção para a automação predial.

Quer o sensor esteja em uma fábrica ou na mesa de trabalho, esta conectividade simplificada de Ethernet para nuvem torna possível configurar os sensores com um telefone celular ou laptop.

Configurações de hardware 10BASE-T1L para automação predial

Para desenvolver um nó de detecção de conectividade Ethernet 10BASE-T1L, os projetistas têm três opções prontas para uso da Analog Devices. O ADIN1100 é um transreceptor 10BASE-T1L robusto, industrial, de baixa potência, com uma camada física Ethernet (PHY); o ADIN1110 tem tanto o controle de acesso à mídia (MAC) quanto a interface PHY (Figura 1).

Figura 1: O ADIN1110 é um transceptor 10BASE-T1L de porta única e baixa potência com uma PHY e MAC Ethernet integrados. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A terceira opção é o ADIN2111, um comutador de baixa potência e baixa complexidade, com duas portas e duas PHYs 10BASE-T1L integrados e uma porta de interface periférica serial (SPI) (Figura 2). O uso do SPI facilita os requisitos para o processador host, dando ao usuário mais opções para otimizar um dispositivo em termos de potência, custo e desempenho.

Figura 2: O ADIN2111 é um comutador de duas portas, baixa potência e baixa complexidade com PHYs integradas. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Os dispositivos 10BASE-T1L ADIN1100 e ADIN2111 podem ser implantados em uma topologia de encadeamento (Figura 3), linha ou anel. Em comparação com uma rede de estrela, estas topologias de rede reduzem significativamente a quantidade de cabeamento necessário.

Figura 3: É mostrada uma topologia de encadeamento para uma rede 10BASE-T1L usando o controlador ADIN1100 e o comutador de duas portas ADIN2111. Topologias de linha ou anel também podem ser usadas. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Para começar com a 10BASE-T1L, os projetistas podem usar a placa de avaliação EVAL-ADIN1100 para o ADIN1100. A placa proporciona fácil acesso a todos os recursos do ADIN1100 e pode ser configurada através de uma interface gráfica de usuário (GUI) em um computador ou através de uma operação autônoma configurada por hardware. Inclui dois conectores de terminal de parafuso para cabo 10BASE-T1L e uma fonte de alimentação externa, cabo Ethernet Cat 5e com conector RJ45 e um cabo USB-A para micro-USB-B. Uma pequena área de prototipagem também é fornecida.

Interfaces flexíveis de sensores suportam 10BASE-T1L

Na borda da rede BMS está uma mistura complexa de sensores de temperatura, pressão, carga, umidade e medidores de deformação/extensômetros que requerem uma variedade de circuitos analógicos para capturar e acionar eventos BMS.

Para acomodar esta variedade de interfaces, os projetistas podem usar o AD74412R da Analog Devices, um CI de interface SWIO (software programável de quatro canais de entrada/saída) para controle de processos e aplicações BMS. SWIO proporciona níveis únicos de flexibilidade para o acesso de qualquer função de E/S em qualquer pino, permitindo aos projetistas configurar canais a qualquer momento. A programação pode ocorrer em tempo real através dos canais Ethernet de 2 fios que atravessam todo um edifício. Isto resulta em menos requisitos de recursos de projeto e produtos universais que podem ser implantados de forma rápida e ampla em um edifício automatizado.

O AD74412R contém uma entrada analógica, saída analógica, entrada digital e a capacidade de realizar medições por um detector resistivo de temperatura/termorresistor (RTD) com um SPI compatível. É mostrado na Figura 4 com seu conversor analógico-digital (ADC) de 16 bits Σ-Δ, um grupo de funções de diagnóstico, e seus quatro conversores digitais-analógicos (DACs) configuráveis de 13 bits que fornecem quatro canais configuráveis de E/S.

Figura 4: O SWIO de quatro canais AD74412R apresenta quatro DACs configuráveis de 13 bits que fornecem quatro canais configuráveis de E/S. Também estão incluídos um ADC de 16 bits Σ-Δ e um grupo de funções de diagnóstico. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Os modos relacionados com o AD74412R são a saída de corrente, saída de tensão, entrada de tensão, entrada de corrente alimentada externamente, entrada de corrente alimentada por malha, medição externa de RTD, lógica de entrada digital e entrada digital alimentada por malha. O AD74412R também tem uma referência interna de 2,5 volts de alta precisão para os DACs e o ADC.

Projeto utilizando a placa de avaliação AD7441R

As aplicações analógicas para o SWIO AD74412R são quase incontáveis. Para ajudar os projetistas a começar, a Analog Devices tem uma placa de avaliação, a EV-AD74412RSDZ (Figura 5). Esta placa de avaliação permite explorar a engenharia com opções de reconfiguração na placa e programabilidade baseada em computador.

Figura 5: A EV-AD74412RSDZ é uma placa de avaliação completa para o AD74412R. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O software de avaliação AD74412R se comunica com a EV-AD74412RSDZ através da plataforma de demonstração do sistema (SDP) EVAL-SDP-CS1Z que capta os sinais de entrada e saída da placa. Com sua interface de menu suspenso, simplifica a configuração do AD74412R e fornece ferramentas de diagnóstico.

Conclusão

A 10BASE-T1L fornece BASs de última geração com 10 Mbit/s de taxa de transferência a uma distância de até 1000 m, ao mesmo tempo em que suporta instalações antigas de dois fios de par trançado. Como mostrado, usando um transceptor ADIN1100 10BASE-T1L, o comutador Ethernet de duas portas ADIN2111 e uma solução de software programável de E/S de quatro canais (SWIO) AD74412R para aplicações de controle de processo e BMS, os projetistas podem implementar rapidamente uma rede de sensores 10BASE-T1L que seja compatível com versões anteriores e posteriores.