Cómo conectar en red de forma rentable los sensores de los sistemas de gestión de edificios

La automatización de edificios reduce los costos de funcionamiento y mantenimiento de una instalación, al tiempo que proporciona un entorno más seguro y confortable a sus ocupantes. La mejora del rendimiento de los sistemas de automatización de edificios (BAS) depende de que se reciban más datos de un número cada vez mayor de sensores -y de un número también cada vez mayor de controles/actuadores- distribuidos por todo el edificio. Este despliegue requiere un medio rentable y eficiente de transportar los datos captados desde el nodo de detección hasta un concentrador central o la nube, donde se pueden analizar y actuar en consecuencia, y enviar las señales de control necesarias.

El despliegue de sensores y actuadores a gran escala, sobre todo en edificios antiguos -y en los que no se dispone de suministro eléctrico-, puede requerir una remodelación extensa y costosa para garantizar la cobertura total del edificio. Hasta la fecha, las redes RS-485 han sido una solución de retroadaptación rentable, pero los conjuntos de datos más ricos y las tasas de datos más altas requieren una alternativa con mayor tasa de producción.

Para minimizar los costos y aumentar al mismo tiempo la tasa de producción, los diseñadores pueden aprovechar el cableado de Ethernet o RS-485 de par trenzado sencillo instalado actualmente utilizando 10BASE-T1L. Basada en la interfaz de comunicación de datos en formato de paquetes 802.3cg-2019 de la norma IEEE, 10BASE-T1L tiene una tasa de producción de 10 megabits por segundo (Mbits/s) en distancias de hasta 1000 metros (m). Existe la opción de que la interfaz de dos hilos también proporcione alimentación a través del cable de datos, lo que elimina la necesidad de fuentes de alimentación locales o de tener que tender el cableado de alimentación. Esto también elimina la necesidad de puertas de enlace que consumen mucha energía al poder conectarse a un número ilimitado de dispositivos.

Este artículo analiza los requisitos de control de la construcción y cómo se han abordado hasta la fecha. A continuación, presenta Ethernet 10BASE-T1L y ejemplos de soluciones de Analog Devices para demostrar su facilidad de implementación. También muestra cómo utilizar la tecnología de E/S por software (SWIO) para simplificar la interconexión de sensores para los controladores de edificios de la red Ethernet, al tiempo que se mantiene la compatibilidad hacia atrás y hacia delante de los sistemas de gestión de edificios (BMS). También se describe una placa de evaluación adecuada para ayudar a los diseñadores a iniciarse en SWIO.

El papel de un BAS o BMS

Los sistemas de gestión de edificios (BAS) o BMS hacen referencia a la automatización y gestión de los distintos sistemas de un edificio. Los objetivos de los sistemas de gestión de edificios van desde el confort de los ocupantes hasta la eficiencia del sistema del edificio, pasando por los costos de funcionamiento y mantenimiento y la seguridad. Los cuatro niveles de un sistema de gestión de edificios son el de supervisión, el de servidor/aplicación, el de controlador de campo y el de entrada/salida.

La capa de supervisión es físicamente la capa de transmisión de dos hilos donde se sitúan los dispositivos de supervisión. Los dispositivos de supervisión consolidan todo el tráfico de los controladores de campo. El servidor/aplicación recibe datos de distintos dispositivos de supervisión. Esta capa admite protocolos Ethernet estándar, como Modbus, KNX, BACnet y LON, utilizados habitualmente en los sistemas de gestión de edificios. Esta capa entrega los datos consolidados al cliente o al usuario final a través de la interfaz de usuario. La capa de controlador de campo examina los datos de entrada procedentes de sensores de temperatura e interruptores y controla las salidas del sistema, como actuadores y relés.

La última pieza del rompecabezas del BMS es la capa de entrada/salida. En esta capa se encuentran los sensores y los dispositivos de control. Algunos sensores y actuadores son compatibles con TCP/IP, lo que elimina la necesidad de un controlador.

RS-485: una solución clásica de conectividad BMS

Hasta la fecha, la interfaz TIA/EIA-485, comúnmente conocida como RS-485, ha sido muy utilizada por los diseñadores de aplicaciones BMS, ya que se trata de una red local económica con enlaces de comunicación multipunto. RS-485 es una norma exclusivamente eléctrica que define las características eléctricas de receptores y controladores cuando se implementa una línea de transmisión multipunto equilibrada. Admite un intercambio de datos bidireccional semidúplex a través de una conexión de par trenzado y permite conexiones multipunto (la conexión de varios transceptores a la misma línea), lo que resulta ideal para los sistemas de gestión de edificios.

RS-485 también admite velocidades de datos razonablemente altas: 35 Mbits/s en distancias de hasta 10 m y 100 kilobits (kbits/s) en 1200 m. La regla general de RS-485 es que la velocidad en bits/s multiplicada por la longitud del cable en metros no debe superar los 10E8. Por consiguiente, la velocidad más rápida de un cable de 50 m es de 2 Mbits/s. Sin embargo, no es habitual utilizar una tasa tan alta en aplicaciones de control de edificios RS-485. La velocidad máxima de BACnet MS/TP, un protocolo común de automatización de edificios que se ejecuta en la capa física RS-485 (PHY), es de 115.200 bits/s).

En comparación con otros enlaces de comunicación serie, la principal ventaja del enlace de comunicación RS-485 es su alta tolerancia al ruido eléctrico en entornos industriales adversos. La característica de rechazo del ruido eléctrico RS-485, los largos tendidos de cable, la compatibilidad de varios transceptores en una sola línea y la velocidad de transmisión de datos razonablemente rápida, se adaptan bien al entorno de los SGE.

El protocolo Ethernet 10BASE-T1L

A medida que aumentan los requisitos de los sistemas de gestión de edificios y se enriquecen los conjuntos de datos, la tasa de producción adquiere mayor importancia. 10BASE-T1L ofrece una alternativa de mayor velocidad para la comunicación punto a punto a través de cableado de par trenzado, ya que admite 10 Mbits/s a más de 1.000 m. 10BASE-T1L también resuelve los problemas sobre el terreno, como la alimentación, el cableado, la distancia y las islas de datos, al tiempo que elimina la necesidad de complejas puertas de enlace.

El "10" en 10BASE-T1L hace referencia a la velocidad de transmisión de 10 Mbit/s, "BASE" se refiere a las señales de banda base, "T" significa "par trenzado" y el dígito "1" representa un alcance de 1 kilómetro (km). La "L" final es de "largo alcance", lo que indica que la longitud de los segmentos es de 1 km. Capaz de suministrar 500 milivatios (mW), 10BASE-T1L lleva Ethernet a aplicaciones intrínsecamente seguras de Zona 0 o áreas peligrosas. En aplicaciones sin seguridad intrínseca, puede suministrar hasta 60 vatios.

La topología de una red Ethernet 10BASE-T1L puede ser en cadena, en línea o en anillo. Como ya se ha mencionado, no hay puertas de enlace: los paquetes Ethernet se mueven desde el borde hasta el nivel de control y, finalmente, a la nube para alcanzar más plenamente los objetivos de comunicaciones sin fisuras para la automatización de edificios.

Tanto si el sensor está en una planta de fabricación como en el escritorio, esta conectividad simplificada de Ethernet a la nube permite configurar los sensores con un teléfono móvil o una computadora portátil.

Configuraciones de hardware 10BASE-T1L para automatización de edificios

Para desarrollar un nodo de detección de conectividad Ethernet 10BASE-T1L, los diseñadores disponen de tres opciones listas para usar de Analog Devices. El ADIN1100 es un transceptor 10BASE-T1L resistente, industrial y de bajo consumo con una capa física Ethernet (PHY); el ADIN1110 dispone tanto de control de acceso a medios (MAC) como de interfaz PHY (Figura 1).

Figura 1: El ADIN1110 es un transceptor 10BASE-T1L de un solo puerto y bajo consumo con PHY Ethernet y MAC integrados. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

La tercera opción es el ADIN2111, un interruptor de dos puertos de bajo consumo y baja complejidad con dos PHY 10BASE-T1L integradas y un puerto de interfaz periférica serial (SPI) (Figura 2). El uso de SPI alivia los requisitos del procesador host, lo que ofrece al usuario más opciones para optimizar un dispositivo en cuanto a potencia, costo y rendimiento.

Figura 2: El ADIN2111 es un interruptor de dos puertos de bajo consumo y baja complejidad con PHY integrado. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Los dispositivos ADIN1100 y ADIN2111 10BASE-T1L pueden desplegarse en una topología de red en cadena (Figura 3), en línea o en anillo. En comparación con una red en estrella, estas topologías de red reducen significativamente la cantidad de cableado necesario.

Figura 3: Se muestra una topología en cadena para una red 10BASE-T1L utilizando el controlador ADIN1100 y el interruptor de dos puertos ADIN2111. También pueden utilizarse topologías en línea o en anillo. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Para empezar a trabajar con 10BASE-T1L, los diseñadores pueden utilizar la placa de evaluación EVAL-ADIN1100 para el ADIN1100. La placa proporciona un fácil acceso a todas las características del ADIN1100 y puede configurarse a través de una interfaz gráfica de usuario (GUI) en un PC o mediante un funcionamiento autónomo configurado por hardware. Incluye dos conectores de terminal de tornillo enchufables para cable 10BASE-T1L y una fuente de alimentación externa, cable Ethernet Cat 5e con conector RJ45, y un cable USB-A a micro-USB-B. También hay una pequeña zona de prototipos.

Interfaces de sensores flexibles compatibles con 10BASE-T1L

En el borde de la red BMS hay una compleja mezcla de sensores de temperatura, presión, carga, humedad y sensores extensómetros que requieren una variedad de circuitos analógicos para capturar y accionar los eventos BMS.

Para dar cabida a esta variedad de interfaces, los diseñadores pueden utilizar el AD74412R de Analog Devices, un CI de interfaz de E/S programable por software (SWIO) de cuatro canales para aplicaciones de control de procesos y BMS. SWIO proporciona niveles únicos de flexibilidad para el acceso de cualquier función de E/S en cualquier pin/clavija, permitiendo a los diseñadores configurar canales en cualquier momento. La programación puede realizarse sobre la marcha a través de los canales Ethernet de 2 hilos que abarcan todo un edificio. El resultado es una menor necesidad de recursos de diseño y productos universales que pueden implantarse rápida y ampliamente en un edificio automatizado.

El AD74412R contiene una entrada analógica, una salida analógica, una entrada digital y la capacidad de realizar mediciones del detector de temperatura de resistencia (RTD) con un SPI compatible. Se muestra en la Figura 4 con su convertidor de analógico a digital (ADC) Σ-Δ de 16 bits, un grupo de funciones de diagnóstico y sus cuatro convertidores de digital a analógico (DAC) configurables de 13 bits que proporcionan cuatro canales de E/S configurables.

Figura 4: El SWIO de cuatro canales AD74412R presenta cuatro DAC configurables de 13 bits que proporcionan cuatro canales de E/S configurables. También incluye un ADC Σ-Δ de 16 bits y un grupo de funciones de diagnóstico. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Los modos relacionados con el AD74412R son salida de corriente, salida de tensión, entrada de tensión, entrada de corriente alimentada externamente, entrada de corriente alimentada por lazo, medición RTD externa, lógica de entrada digital y entrada digital alimentada por lazo. El AD74412R también tiene una referencia interna de alta precisión de 2.5 voltios para los DAC y el ADC.

Diseño utilizando la placa de evaluación AD7441R

Las aplicaciones analógicas para el SWIO AD74412R son casi innumerables. Para ayudar a los diseñadores a empezar, Analog Devices dispone de una placa de evaluación, la EV-AD74412RSDZ (Figura 5). Esta placa de evaluación permite la exploración de ingeniería con opciones de reconfiguración en placa y programabilidad basada en PC.

Figura 5: La EV-AD74412RSDZ es una placa de evaluación con todas las funciones del AD74412R. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El software de evaluación AD74412R se comunica con el EV-AD74412RSDZ a través de la plataforma de demostración del sistema (SDP) EVAL-SDP-CS1Z que toma las señales de entrada y salida de la placa. Con su interfaz de menús desplegables, simplifica la configuración del AD74412R y proporciona herramientas de diagnóstico.

Conclusión:

10BASE-T1L proporciona a las BAS de nueva generación una tasa de producción de 10 Mbit/s a una distancia de hasta 1000 m, al tiempo que admite las instalaciones heredadas de par trenzado de dos hilos. Como se muestra, utilizando un transceptor ADIN1100 10BASE-T1L, el conmutador Ethernet de dos puertos ADIN2111 y una solución de E/S programable por software (SWIO) de cuatro canales AD74412R para aplicaciones de control de procesos y BMS, los diseñadores pueden implementar rápidamente una red de sensores 10BASE-T1L compatible hacia atrás y hacia delante.