Revolucionando a automação predial com o 10BASE-T1L

A área da automação predial passou por um tremendo aprimoramento nos últimos anos, o que possibilitou o gerenciamento mais eficaz de edifícios comerciais e residenciais.

Atualmente, há uma necessidade generalizada de sistemas eficientes e sustentáveis para tornar os edifícios ambientes mais saudáveis para os ocupantes e, ao mesmo tempo, minimizar o consumo de energia e aumentar os recursos de controle e a alta taxa de transferência de dados em tempo real.

Os desafios da automação predial

Os projetistas e integradores de sistemas enfrentam vários desafios impostos pela automação predial, incluindo:

• Rápida obsolescência da tecnologia: Os sistemas existentes podem se tornar obsoletos devido às rápidas melhorias na tecnologia, resultando em redução da funcionalidade, do suporte e da integração com novas tecnologias.
• Requisitos de eficiência e sustentabilidade: Eficiência energética, melhorias na detecção/diagnóstico de falhas, monitoramento da qualidade ambiental interna (IEQ) e gerenciamento de recursos hídricos são necessidades dos proprietários e operadores de edifícios.
• Análise e otimização de dados: As tendências modernas de análise e otimização de dados exigiram a incorporação de recursos de coleta, análise e interpretação de dados nos sistemas de automação predial. Isso abre caminho para a otimização orientada por dados do desempenho do edifício, detecção de ineficiência e implementação de ações corretivas.
• Interoperabilidade: É difícil garantir a compatibilidade e a integração entre sistemas oferecidos por diferentes fornecedores. Além disso, a eficiência de um sistema pode ser prejudicada por incompatibilidades, protocolos proprietários e falta de padronização.

Conforme mostrado na Figura 1, a solução desses problemas exigirá edifícios inteligentes capazes de:

• Possibilitar a configuração e o gerenciamento centralizados ao nível empresarial por meio da conexão com a nuvem
• Remoção da dependência dos gateways de tradução no nível do controlador
• Transferir a inteligência para a borda, permitindo que sensores e atuadores troquem um grande volume de dados

Figura 1: Fornecendo aos edifícios conectividade interoperável da borda à nuvem. (Fonte: ADI)

A importância da comunicação de dados está crescendo nos domínios da automação industrial e predial. O atual aumento do volume de dados levou à constatação de que as soluções tradicionais estão se aproximando de seu limite fisiológico. Consequentemente, a Ethernet está surgindo como o padrão de comunicação predominante. A solução Ethernet convencional de 4 fios se transformou em uma solução de 2 fios conhecida como 10BASE-T1L, que compreende um único par de fios trançados.

Como o padrão 10BASE-T1L leva a mudança

A introdução, em 2019, da especificação IEEE 802.3cg 10BASE-T1L resolveu vários problemas de comunicação industrial e de gerenciamento de edifícios, permitindo comunicações full-duplex de 10 Mbps a até 1.000 metros em um único par de fios trançados.

O padrão 10BASE-T1L supera várias limitações dos sistemas de comunicação tradicionais, incluindo limitações relacionadas a cabeamento, largura de banda, distância e energia no campo da automação predial. Aqui está um detalhamento de como o padrão 10BASE-T1L aborda essas limitações:

• Cabeamento: O padrão 10BASE-T1L permite a conectividade Ethernet perfeita para dispositivos ao nível de campo, como sensores e atuadores, fornecendo uma solução de camada física capaz de transmitir sinais Ethernet e energia em um único par trançado de cabos. Isso elimina a necessidade de uma infraestrutura de cabeamento complexa e cara, facilitando, assim, a implantação e a instalação da automação de edifícios com rede Ethernet. Além disso, os pacotes Ethernet podem ir diretamente da borda para a nuvem, eliminando a necessidade da tradução de gateway.
• Largura de banda: o padrão 10BASE-T1L suporta taxas de transferência de dados de até 10 Mbps, o que é adequado para uma variedade de aplicações de automação predial. Essa largura de banda é maior do que a dos barramentos de campo convencionais (em que é limitada a alguns kbps) e permite a transmissão de valores dos sensores ou diretamente para os atuadores, além de parâmetros adicionais do dispositivo, como dados de configuração e parametrização.
• Distância: A capacidade do padrão 10BASE-T1L de suportar conexões Ethernet de longa distância é uma de suas principais vantagens. Ele permite conexões de até 1 quilômetro de comprimento, o que é consideravelmente maior do que o padrão Ethernet tradicional. Isso o torna adequado para aplicações em que os dispositivos estão dispersos em grandes áreas, como plantas industriais e fábricas de montagem de automóveis.

Além disso, o padrão 10BASE-T1L foi projetado para ser usado em ambientes com recursos de energia limitados devido aos seus requisitos de baixa potência. Isso é de suma importância em dispositivos ao nível de campo, em que a duração da bateria e o consumo de energia são críticos.

Em alguns casos, é necessário fornecer, via 10BASE-T1L, dados e energia (até 60 W em áreas não intrinsecamente seguras), conforme definido no padrão. O 10BASE-T1L suporta dois modos de amplitude: 2,4 V para comprimentos de cabo de até 1.000 m e 1,0 V para comprimentos menores de até 200 m. Por meio do modo de amplitude de pico a pico de 1,0 V, essa tecnologia também pode ser usada em ambientes protegidos contra explosão (áreas de risco) e atende aos rigorosos requisitos de consumo máximo de corrente aplicáveis (a potência máxima é limitada a 500 mW).

Um caso de uso como referência

Um caso de uso típico do padrão 10BASE-T1L é mostrado na Figura 2. Essa aplicação de edifício inteligente explora as propriedades do 10BASE-T1L para coletar e agregar dados em diferentes níveis, desde o nó final (sensores e atuadores) até o nível da empresa/TI na nuvem.

Os controladores de sala podem ter conexões diretas (ponto a ponto) com os dispositivos de campo ou conectar-se a uma série de dispositivos ligados em um encadeamento. Além disso, cada controlador de sala pode ser configurado para aceitar conexões de dispositivos antigos.

Cada edifício tem seu controlador de planta, que é conectado a uma infinidade de controladores de sala por meio de links 10BASE-T1L, bem como a controladores de planta de outros edifícios por meio de Ethernet industrial de 100 Mb/Gb.

Para conexão de curto alcance a sensores e atuadores (até 25 metros), como no caso do controlador da cabine do elevador à direita na Figura 2, o padrão 10BASE-T1S é mais adequado.

Figura 2: Caso de uso de um edifício inteligente. (Fonte: ADI)

Transceptor 10BASE-T1L

A Analog Devices desenvolveu o ADIN1110, que é um transceptor 10BASE-T1L de potência ultrabaixa e porta única, adequado para aplicações baseadas em Ethernet na automação industrial e predial. Ele está em conformidade com o padrão Ethernet IEEE 802.3cg-2019 para Ethernet de par único (SPE) de 10 Mbps de longo alcance e foi projetado para uso nessas aplicações.

Conforme mostrado na Figura 3, o componente incorpora uma interface de controle de acesso à mídia (MAC). Isso possibilita estabelecer contato direto com vários controladores host usando uma interface periférica serial (SPI) que utiliza quatro fios. Essa interface SPI permite o uso de processadores com consumo de energia reduzido porque não há necessidade de um MAC integrado, resultando no menor consumo geral de energia do sistema. Tanto o protocolo SPI da Open Alliance quanto um protocolo SPI genérico estão disponíveis como opções para uso com o SPI ao configurá-lo.

O ADIN1110 incorpora o monitoramento da fonte de tensão e o circuito de reinicialização ao ligar (POR) para aumentar a robustez ao nível de sistema. Ele também tem baixo consumo de potência (normalmente 42 mW) e suporta níveis de transmissão de 1 VPP e 2,4 VPP, além de negociação automática e 16 endereços MAC para filtragem de quadros.

Figura 3: Diagrama de blocos do transceptor MAC PHY ADIN1110. (Fonte: ADI)

O maior alcance do 10BASE-T1L possibilita a instalação de dispositivos de automação em edifícios maiores, mantendo a conectividade perfeita. Graças a essa flexibilidade e escalabilidade, os gerentes de instalações podem monitorar e modificar sem esforço as configurações das aplicações como iluminação, controle de climatização/HVAC, segurança e gerenciamento de energia.

Além disso, a maior taxa de transmissão de dados do 10BASE-T1L permite o monitoramento e o controle em tempo real dos sistemas prediais, levando a uma maior eficiência operacional. O tempo de resposta, a latência e a confiabilidade da comunicação do dispositivo de automação são aprimorados por essa tecnologia.

Comutador de Ethernet 10BASE-T1L

Assim como o padrão Ethernet, o 10BASE-T1L fornece comutadores para conectar vários segmentos e dispositivos de rede. Diferentes topologias de rede podem ser construídas e utilizadas para alimentar os dispositivos conectados. Na automação predial, os comutadores geralmente são conectados a controladores, sensores e atuadores. Para maior disponibilidade, os comutadores permitem a redundância de mídia na forma de topologias em anel.

Para isso, a Analog Devices desenvolveu o ADIN2111, um comutador completo de duas portas Ethernet 10BASE-T1L projetado para redes de automação predial (Figura 4). Adicionando conectividade Ethernet de longo alcance a controladores, sensores e atuadores, o dispositivo é adequado para uso em dispositivos de borda pequenos e com restrição de energia. O ADIN2111 proporciona até 50% de economia no consumo de energia e até 75% mais espaço na PCI do que as implementações discretas.

Figura 4: Diagrama de blocos do ADIN2111. (Fonte: ADI)

O ADIN2111 foi projetado para redes de encadeamento em linha e em anel, utilizando a infraestrutura de cabeamento de par trançado simples existente nos edifícios, reduzindo assim os custos da reforma. A Figura 5 mostra como vários dispositivos podem ser conectados para implementar as topologias em anel (lado superior) e em linha (lado inferior). Observe que o último sensor de borda está conectado a um transceptor com PHY e MAC, enquanto os outros dois estão conectados a um comutador.

Figura 5: O ADIN2111 10BASE-T1L suporta várias topologias para máxima flexibilidade e escalabilidade do projeto. (Fonte: ADI)

Equipado com uma tabela de pesquisa MAC de 16 endereços, o comutador 10BASE-T1L suporta operações de corte, armazenamento e encaminhamento, permitindo que os usuários priorizem a latência ou o tratamento de erros ao processar e encaminhar pacotes de dados. A filtragem avançada de pacotes libera do processador o ônus de lidar com o tráfego prioritário.

O comutador incorpora recursos sofisticados de diagnóstico que reduzem a instalação, o comissionamento e as interrupções do sistema. Entre eles estão um indicador de qualidade do link com erro médio quadrático (MSE), diagnóstico de link e modos de teste IEEE, além de detecção de defeitos em cabos usando reflectometria no domínio do tempo (TDR). Essa solução de diagnóstico é composta por um mecanismo de TDR no chip altamente preciso e um conjunto de algoritmos executados em um microcontrolador host, o que permite flexibilidade máxima para uma ampla variedade de cabos e recursos mais avançados de diagnóstico de cabos.

Compatível com o padrão IEEE 802.3cg, essa solução oferece suporte à conectividade Ethernet em mais de 1,7 km de cabeamento, redundância em anel e protocolos flexíveis, incluindo Modbus/TCP, BACnet/IP e KNX em tempo real. Deve-se observar também que o ADIN2111 pode ser usado como um repetidor em uma configuração não gerenciada para estender o alcance para até 2.000 metros ou mais.

Conclusão

A introdução do 10BASE-T1L criou novas oportunidades para a automação predial, revolucionando a forma como os espaços comerciais e residenciais são gerenciados e controlados. É uma solução ideal para implementar soluções de automação devido à sua capacidade de aproveitar a infraestrutura existente, oferecer flexibilidade e melhorar a transmissão de dados.