Minimice las emisiones de CO2 con Ethernet de un solo par

El objetivo mundial de cero emisiones netas de dióxido de carbono (CO₂) afecta a todos los segmentos de la industria. En el caso de los edificios, el objetivo supone un reto debido a la gran base de estructuras ineficientes desde el punto de vista medioambiental. Muchos sistemas de control y comunicaciones instalados tienen una capacidad limitada de supervisión y tratamiento de datos, y suelen carecer de análisis y control avanzados de datos para optimizar la eficiencia.

Para lograr unas emisiones netas nulas de CO₂, se necesitarán sistemas de automatización que utilicen análisis y control basados en la inteligencia artificial (IA). La clave de esta mejora es la posibilidad de desplegar fácilmente sensores por todo un edificio utilizando Ethernet de un solo par (SPE) de largo alcance y alta velocidad de datos basada en la norma 10BASE-T1L. Las mayores velocidades de datos minimizarán la latencia y permitirán controlar en tiempo real los sistemas de un edificio.

Este artículo describe brevemente los requisitos de conectividad de los edificios con emisiones netas cero de CO₂. A continuación, utiliza dispositivos 10BASE-T1L de Analog Devices Inc. para mostrar cómo la SPE puede contribuir a mejorar las comunicaciones y el control, al tiempo que mejora la sostenibilidad.

Limitaciones de los diseños tradicionales de edificios

Los diseños tradicionales de edificios emplean sistemas de gestión de edificios (BMS) para gestionar el control general de la estructura, y los subsistemas del edificio suelen funcionar de forma aislada. Las limitaciones en la interactividad de las comunicaciones y la potencia disponible impiden que los edificios funcionen con la máxima eficiencia, lo que provoca pérdidas que repercuten en el medio ambiente. Consideremos la estructura jerárquica de un edificio estándar (figura 1).

Figura 1: Los sistemas de construcción tradicionales son jerárquicos, pero pueden considerarse por funciones. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El nivel de campo/dispositivo, en la base de la pirámide del SGE de la Figura 1, contiene sensores y actuadores locales para los distintos sistemas. El nivel de controladores de edificios y salas consolida los datos de campo y dispositivos y controla los dispositivos. El nivel empresarial supervisa todo el edificio y coordina la actividad de los controladores a través del BMS.

Los sistemas tradicionales de los edificios, como la calefacción, la ventilación y el aire acondicionado (HVAC), tienen una jerarquía de control vertical, pero funcionan aislados de sistemas como la detección de ocupación. Esto significa que, independientemente de la ocupación, las plantas individuales siguen consumiendo energía para hacer funcionar el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado.

La razón de este aislamiento vertical es el rendimiento limitado de las interfaces de datos existentes. Las interfaces analógicas de nivel inferior y de bucle de corriente de 4 mA a 20 mA y serie RS485, junto con las interfaces de nivel superior como Highway Addressable Remote Transducer (HART) y Fieldbus, son relativamente lentas, con velocidades de 1200 bits por segundo (bits/s) a 31.25 kilobits por segundo (Kbits/s). Esto limita la cantidad de datos transmitidos en un periodo determinado.

La interfaz Ethernet 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg) se introdujo en 2019 y aumentó drásticamente la velocidad de transmisión de datos, elevándola a 10 megabits por segundo (Mbits/s) sobre SPE. También incluye la capacidad de suministrar niveles de potencia mucho más altos a través de las mismas líneas de transmisión de datos, pasando de 36 milivatios (mW) para bucles de corriente de 4-20 mA con HART a 500 mW (no aislados) o 60 W como máximo (Tabla 1).

Cuadro 1: Características principales de algunas redes comunes de interfaz de datos de edificios. (Fuente de la tabla: Art Pini, con datos de Analog Devices, Inc.)

Las interfaces de datos más lentas también limitan la accesibilidad a los sensores y actuadores de campo, lo que significa que solo pueden reconfigurarse en el lugar. 10BASE-T1L es compatible con todas las implementaciones Ethernet existentes y puede comunicarse sin problemas con todas las instalaciones de red Ethernet BASE-T, incluidas las variantes 10/100/1000/2,5G/5G/10G BASE-T, sin necesidad de una puerta de enlace.

Función de 10BASE-T1L

10BASE-T1L forma parte de la norma Ethernet 802.3. El nombre resume sus características. "10" es la velocidad de transmisión de 10 Mbits/s y "BASE" indica una señal de banda base, lo que significa que solo pueden enviarse señales Ethernet a través del medio. "T" significa que el medio es un par trenzado, "1" es el alcance de 1 kilómetro (km) y "L" significa largo alcance.

La especificación del medio para 10BASE-T1L no indica un cable de par trenzado concreto. En cambio, especifica la pérdida de retorno y de inserción del cableado. Esto permite reutilizar el cableado ya instalado, como los cables de bus de campo de tipo A.

10BASE-T1L admite la comunicación dúplex completo utilizando dos modos de amplitud: 2.4 voltios pico a pico (V_P-P) en 1000 m de cable, y 1.0 V_P-P para distancias reducidas de hasta 200 m y en entornos peligrosos.

La norma Ethernet prevé el suministro de energía a través del mismo cable de par trenzado utilizado para las comunicaciones de datos. En 10BASE-T1L, la potencia se controla en función de la naturaleza del entorno. El de 500 mW es adecuado para zonas intrínsecamente seguras (es decir, peligrosas) en las que debe limitarse la potencia de descarga de chispas. El límite superior de 60 vatios está disponible para zonas seguras.

Ventajas de 10BASE-T1L

La ventaja más significativa de 10BASE-T1L, después de su alcance de 1 km, es su compatibilidad con toda la gama de redes Ethernet BASE-T. Esto elimina la necesidad de puertas de enlace de transmisión entre distintos estándares de redes de datos. Abre el camino desde el nivel de campo hasta los niveles de empresa y nube y reduce los costes, la complejidad y los requisitos de potencia.

La velocidad 10BASE-T1L de hasta 10 Mbits/s permite transmitir los valores de proceso medidos fundamentales a sensores y actuadores junto con parámetros de configuración adicionales, datos de estado e incluso actualizaciones de software/firmware. Se puede acceder a distancia a los sensores y actuadores utilizando sus direcciones IP. La configuración de los dispositivos es más sencilla porque los dispositivos compatibles con 10BASE-T1L eliminan las puertas de enlace y los convertidores de protocolo. La capacidad adicional de tratamiento de datos también se puede utilizar para realizar diagnósticos más completos del sistema y rutinas de solución de problemas.

La capacidad adicional de datos disponible gracias a la mayor velocidad de datos también se puede utilizar en la conexión de sistemas de edificios para el intercambio de datos. El análisis y el control basados en IA permiten una regulación complementaria para obtener las operaciones conjuntas más eficientes. Considera el aspecto que tiene esto en un edificio equipado con 10BASE-T1L (Figura 2).

Figura 2: Se muestra la adición de interoperabilidad 10BASE-T1L desde los transductores de borde a la nube. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

SPE para 10BASE-T1L permite la conexión de múltiples transductores y actuadores en el nivel de borde a los controladores de sala. Los dispositivos existentes conectados mediante interfaces heredadas pueden seguir utilizándose o convertirse para ser compatibles con Ethernet. Los sistemas se conectan entre sí a varios niveles utilizando la versión adecuada de Ethernet, lo que permite la posibilidad de control en tiempo real.

Topologías de red de construcción 10BASE-T1L

Varios dispositivos pueden conectarse a la red SPE en una topología de red en anillo o en línea (Figura 3).

Figura 3: 10BASE-T1L, como otras variantes de Ethernet, admite topologías en anillo y en línea para conectar varios dispositivos. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Cada topología ofrece una longitud de cable reducida en comparación con la topología de red en estrella alternativa. La topología en anillo proporciona además una ruta redundante en caso de fallo del dispositivo. Cada dispositivo necesita dos puertos Ethernet para transmitir datos por la red en cualquiera de las dos topologías.

Para ponerlo en práctica, los diseñadores pueden utilizar el ADIN2111CCPZ-R7 de Analog Devices, un transceptor 10BASE-T1L de doble puerto y bajo consumo que integra un conmutador, dos núcleos de capa física (PHY) Ethernet con una interfaz de control de acceso a medios (MAC) y todos los circuitos asociados, incluidas las colas de búfer internas. Controla directamente a través de una interfaz periférica serial (SPI). La Interfaz periférica serial (SPI) es compatible con muchos controladores, lo que permite una selección sencilla que maximiza el rendimiento, el consumo de energía y el precio. El interruptor admite numerosas configuraciones de enrutamiento utilizando los puertos duales Ethernet y SPI, lo que permite topologías de red en línea o en anillo. El hecho de que el interruptor 10BASE-T1L contenga una interfaz MAC significa que no es necesario que el controlador incluya una, lo que aumenta el número de controladores potenciales que se pueden elegir. La Figura 3 muestra topologías en anillo y en línea utilizando el ADIN2111CCPZ-R7 como interruptor de dos puertos.

La configuración en anillo utiliza un interruptor doble para todos los dispositivos. La configuración en línea no necesita un interruptor doble, ya que el último dispositivo sólo requiere un único transceptor MAC-PHY como el ADIN1110CCPZ. Al igual que el interruptor, este transceptor Ethernet incluye una MAC y, por tanto, admite una gama más amplia de controladores de acoplamiento. Esto abre la conectividad Ethernet de largo alcance a muchos controladores de bajo consumo y menor costo. Una MAC integrada también puede permitir que se utilicen los controladores existentes si 10BASE-T1L se está reequipando en un BMS existente. Cada transceptor o actuador tendrá su controlador y acceso a Ethernet a través de los transceptores, lo que le proporcionará una dirección IP.

Si nos fijamos en la parte del controlador de los brazos de red en anillo y en línea de la Figura 3, el transceptor Ethernet ADIN1100CCPZ-R7 es una buena elección. Este transceptor no incluye una MAC, solo una Ethernet PHY. El ADIN1100CCPZ-R7 está diseñado para funcionar con controladores que incorporan funcionalidad MAC como los utilizados en el panel de control mostrado. Interactúa con el procesador de control remoto a través de una interfaz de entrada/salida de datos de gestión (MDIO). La interfaz MDIO es una interfaz serie de dos hilos para la comunicación entre la MAC de un procesador host y el ADIN1100CCPZ-R7.

Todos los dispositivos de la serie ADIN1100 están preparados para funcionar con una longitud de cable de hasta 1700 m, superior a la especificación 10BASE-T1L. También están preparados para funcionar en un rango de temperatura nominal de -40 °C a +85 °C. Los modelos de la lista (CCPZ) tienen un rango de temperatura ampliado de -40 °C a +105 °C.

Potencia sobre SPE

La alimentación de dispositivos remotos sobre el terreno puede resultar problemática, sobre todo cuando se reequipan sistemas existentes. La especificación 10BASE-T1L admite alimentación de par único a través de Ethernet (SPoE), que suministra alimentación normalizada y datos Ethernet a través de un único cable de par trenzado. Para esta función, los diseñadores pueden utilizar el LTC4296AUK-1-PBF, un controlador de equipos de suministro de energía (PSE) de cinco puertos (Figura 4). Está diseñado para la interoperabilidad con dispositivos (PD) alimentados por 802.3cg que utilicen sistemas de 24 ó 54 voltios y que puedan integrarse fácilmente en los productos 10BASE-T1L de la serie ADIN.

Figura 4: Se muestra el LTC4296AUK-1 utilizado como controlador PSE de cinco puertos. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Este ejemplo de aplicación del LTC4296AUK-1 suministra alimentación a cinco instancias del transceptor Ethernet ADIN1100 a través de las redes de acoplamiento de alimentación del transformador/capacitor. Los ADIN1100 están controlados por una interfaz MAC independiente del medio (MII). Cada PSE está protegido por un limitador automático de corriente (ACL) de lado alto para protección controlada contra irrupciones y cortocircuitos. El LTC4296AUK-1 tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C. a +125 °C.

Conclusión:

La mayor digitalización de los edificios permitirá a los sistemas de gestión acceder a todos los datos de los sensores y a las capacidades de control, y la interconexión de los sistemas de los edificios sentará las bases de la automatización operativa. Para ello, 10BASE-T1L sobre SPE aporta velocidades de transmisión de datos de 10 Mbit/s, un largo alcance de hasta 1 km y conectividad IP Ethernet estándar a todos los rincones de un edificio. Ahora, los controladores de edificios pueden lograr un mayor alcance desde la nube hasta un número prácticamente ilimitado de dispositivos periféricos. Esto permite optimizar el funcionamiento general de un edificio para reducir las emisiones de CO₂ y ofrecer el mejor servicio a sus ocupantes.