Automatización de edificios revolucionaria con 10BASE-T1L

El campo de la automatización de edificios ha experimentado enormes mejoras en los últimos años, lo que ha hecho posible una gestión más eficaz de los edificios comerciales y residenciales.

Actualmente, existe una necesidad generalizada de sistemas eficientes y sostenibles para hacer que los edificios sean entornos más saludables para sus ocupantes, al tiempo que se minimiza el consumo de energía y se aumentan las capacidades de control y de alta tasa de producción de datos en tiempo real.

Los retos de la automatización de edificios

Los diseñadores e integradores de sistemas se enfrentan a varios retos que plantea la automatización de edificios, entre ellos:

• Rápida obsolescencia de la tecnología: Los sistemas existentes pueden quedar obsoletos debido a las rápidas mejoras de la tecnología, lo que se traduce en una reducción de la funcionalidad, la asistencia y la integración con las nuevas tecnologías.
• Requisitos de eficiencia y sostenibilidad: La eficiencia energética, las mejoras en la detección/diagnóstico de fallos, la supervisión de la calidad ambiental interior (IEQ) y la gestión de los recursos hídricos son necesidades de los propietarios y operadores de edificios.
• Análisis de datos y optimización: Las tendencias modernas en análisis y optimización de datos han hecho necesaria la incorporación de capacidades de recopilación, análisis e interpretación de datos en los sistemas de automatización de edificios. Esto allana el camino para la optimización basada en datos del rendimiento de los edificios, la detección de ineficiencias y la aplicación de medidas correctoras.
• Interoperabilidad: Es difícil garantizar la compatibilidad e integración entre sistemas ofrecidos por distintos proveedores. Además, la eficacia de un sistema puede verse obstaculizada por incompatibilidades, protocolos propietarios y falta de normalización.

Como se muestra en la Figura 1, para abordar estos problemas se necesitarán edificios inteligentes capaces de:

• Permitir la configuración y gestión centralizadas a nivel de empresa mediante la conexión a la nube
• Eliminación de la dependencia de las puertas de enlace de la transmisión a nivel de controlador
• Traslado de la inteligencia a los extremos, lo que permite a sensores y actuadores intercambiar un gran volumen de datos.

Figura 1: Proporcionar a los edificios conectividad interoperable de borde a nube. (Fuente: ADI)

La importancia de la comunicación de datos es cada vez mayor en los ámbitos de la automatización industrial y de edificios. El aumento actual de los volúmenes de datos ha llevado a constatar que las soluciones tradicionales se acercan a su umbral fisiológico. En consecuencia, Ethernet se perfila como la norma de comunicación predominante. La solución Ethernet convencional de 4 hilos se ha transformado en una solución de 2 hilos denominada 10BASE-T1L, que consta de un único par trenzado de hilos.

Cómo la norma 10BASE-T1L impulsa el cambio

La introducción en 2019 de la especificación IEEE 802.3cg 10BASE-T1L ha resuelto varios problemas de comunicación industriales y de gestión de edificios al permitir comunicaciones dúplex completas a 10 Mbps de hasta 1000 metros a través de un único par trenzado de cables.

La norma 10BASE-T1L supera varias limitaciones de los sistemas de comunicación tradicionales, entre ellas las relacionadas con el cableado, el ancho de banda, la distancia y la potencia en el campo de la automatización de edificios. A continuación, se explica cómo la norma 10BASE-T1L aborda estas limitaciones:

• Cableado: La norma 10BASE-T1L permite una conectividad Ethernet sin fisuras para dispositivos de campo, como sensores y actuadores, al proporcionar una solución de capa física capaz de transmitir señales Ethernet y alimentación a través de un único par trenzado de cables. Esto elimina la necesidad de una infraestructura de cableado compleja y costosa, lo que facilita el despliegue y la instalación de la automatización de edificios mediante redes Ethernet. Además, los paquetes Ethernet pueden ir directamente del borde a la nube, eliminando la necesidad de la transmisión de puerta de enlace.
• Ancho de banda: la norma 10BASE-T1L admite tasas de transferencia de datos de hasta 10 Mbps, adecuadas para diversas aplicaciones de automatización de edificios. Este ancho de banda es superior al de los buses de campo convencionales (en los que se limita a unos pocos kbps) y permite transmitir valores desde los sensores o directamente a los actuadores, así como parámetros adicionales de los dispositivos, como datos de configuración y parametrización.
• Distancia: La capacidad de la norma 10BASE-T1L para soportar conexiones Ethernet de larga distancia es una de sus principales ventajas. Permite conexiones de hasta 1 kilómetro de longitud, bastante más que la norma Ethernet tradicional. Esto lo hace adecuado para aplicaciones en las que los dispositivos están dispersos en grandes áreas, como plantas industriales y plantas de ensamblaje de automóviles.

Además, el estándar 10BASE-T1L está pensado para su uso en entornos con recursos energéticos limitados debido a sus bajos requisitos de potencia. Esto es de vital importancia en los dispositivos de campo, donde la duración de la batería y el consumo de energía son fundamentales.

En algunos casos, es necesario suministrar a través de 10BASE-T1L tanto datos como alimentación (hasta 60 A en zonas no intrínsecamente seguras), tal como se define en la norma. 10BASE-T1L admite dos modos de amplitud: 2.4 V para longitudes de cable de hasta 1.000 m y 1.0 V para longitudes más cortas de hasta 200 m. Gracias al modo de amplitud pico a pico de 1.0 V, esta tecnología también puede utilizarse en entornos protegidos contra explosiones (zonas peligrosas) y cumple los estrictos requisitos de consumo máximo de corriente aplicables (la potencia máxima está limitada a 500 mW).

Un caso práctico de referencia

En la Figura 2 se muestra un caso de uso típico de la norma 10BASE-T1L. Esta aplicación para edificios inteligentes aprovecha las propiedades de 10BASE-T1L para recopilar y agregar datos a distintos niveles, desde el nodo final (sensores y actuadores) hasta el nivel de empresa/TI en la nube.

Los controladores de sala pueden tener conexiones directas (punto a punto) con los dispositivos de campo o conectarse a una serie de dispositivos conectados en cadena. Además, cada controlador de sala puede configurarse para aceptar conexiones de dispositivos heredados.

Cada edificio tiene su controlador de planta, que está conectado a una plétora de controladores de sala a través de enlaces 10BASE-T1L, así como a los controladores de planta de otros edificios a través de Ethernet industrial de 100 Mb/Gb.

Para conexiones de corto alcance a sensores y actuadores (hasta 25 metros), como en el caso del controlador de cabina del ascensor a la derecha de la Figura 2, el estándar 10BASE-T1S es más apropiado.

Figura 2: Caso de uso de un edificio inteligente. (Fuente: ADI)

Transceptor 10BASE-T1L

Analog Devices ha desarrollado el ADIN1110, un transceptor 10BASE-T1L de un solo puerto y consumo ultrabajo adecuado para aplicaciones basadas en Ethernet en la automatización industrial y de edificios. Cumple la norma Ethernet IEEE 802.3cg-2019 para Ethernet de largo alcance y 10 Mbps de un solo par (SPE), y se diseñó para su uso en esas aplicaciones.

Como se muestra en la figura 3, el componente incorpora una interfaz de control de acceso a los medios (MAC). Esto permite establecer contacto directo con varios controladores host mediante una interfaz periférica serial (SPI) que utiliza cuatro cableados. Esta Interfaz periférica serial (SPI) permite utilizar procesadores con un consumo de energía reducido, ya que no es necesaria una MAC integrada, lo que se traduce en el menor consumo total de energía para el sistema. Tanto el protocolo Open Alliance SPI como un protocolo SPI genérico están disponibles como opciones para su uso con el SPI a la hora de configurarlo.

El ADIN1110 incorpora circuitos de monitorización de la fuente de alimentación y reinicialización por activación (POR) para mejorar la resistencia del sistema. También tiene un bajo consumo (normalmente 42 mW) y admite niveles de transmisión de 1 VPP y 2.4 VPP, así como negociación automática y 16 direcciones MAC para filtrado de tramas.

Figura 3: Diagrama de bloques del transceptor MAC PHY ADIN1110. (Fuente: ADI)

El mayor alcance de 10BASE-T1L permite instalar dispositivos de automatización en edificios más grandes manteniendo una conectividad perfecta. Gracias a esta flexibilidad y escalabilidad, los gestores de instalaciones pueden supervisar y modificar sin esfuerzo la configuración de aplicaciones como la iluminación, el control de climatización/HVAC, la seguridad y la gestión energética.

Además, la mayor velocidad de transmisión de datos de 10BASE-T1L permite supervisar y controlar en tiempo real los sistemas de los edificios, lo que se traduce en una mayor eficacia operativa. Esta tecnología mejora el tiempo de respuesta, la latencia y la fiabilidad de la comunicación de los dispositivos de automatización.

Interruptor Ethernet 10BASE-T1L

Al igual que el estándar Ethernet, 10BASE-T1L proporciona interruptores para conectar varios segmentos de red y dispositivos. Se pueden construir y utilizar diferentes topologías de red para alimentar los dispositivos conectados. En la automatización de edificios, los interruptores suelen estar conectados a controladores, sensores y actuadores. Para una mayor disponibilidad, los interruptores permiten la redundancia de medios en forma de topologías de anillo.

Para ello, Analog Devices ha desarrollado el ADIN2111, un completo interruptor Ethernet 10BASE-T1L de dos puertos diseñado para redes de automatización de edificios (Figura 4). El dispositivo, que añade conectividad Ethernet de largo alcance a controladores, sensores y actuadores, es adecuado para su uso en dispositivos periféricos pequeños y de consumo limitado. El ADIN2111 proporciona hasta un 50 por ciento de ahorro en el consumo de energía y hasta un 75 por ciento más de espacio en la placa de circuito impreso que las implementaciones discretas.

Figura 4: Diagrama de bloques del ADIN2111. (Fuente: ADI)

El ADIN2111 está diseñado para redes en línea y en anillo en cadena, utilizando la infraestructura de cableado de par trenzado existente en los edificios, lo que reduce los costes de modernización. La Figura 5 muestra cómo se pueden conectar varios dispositivos para implementar topologías en anillo (parte superior) y en línea (parte inferior). Observe que el último sensor de borde está conectado a un transceptor con PHY y MAC, mientras que los otros dos están conectados a un interruptor.

Figura 5: El ADIN2111 10BASE-T1L admite múltiples topologías para ofrecer la máxima flexibilidad de diseño y escalabilidad. (Fuente: ADI)

Equipado con una tabla de búsqueda MAC de 16 direcciones, el interruptor 10BASE-T1L admite operaciones de corte y almacenamiento y reenvío, lo que permite a los usuarios priorizar la latencia o la gestión de errores al procesar y reenviar paquetes de datos. El filtrado avanzado de paquetes libera al procesador de la carga de gestionar el tráfico prioritario.

El interruptor incorpora sofisticadas funciones de diagnóstico que reducen la instalación, la puesta en servicio y las interrupciones del sistema. Entre ellos se incluyen un indicador de calidad de enlace con error cuadrático medio (MSE), diagnósticos de enlace y modos de prueba IEEE, y detección de defectos en el cable mediante reflectometría en el dominio del tiempo (TDR). Esta solución de diagnóstico se compone de un motor TDR en chip de alta precisión y un conjunto de algoritmos que se ejecutan en un microcontrolador host, lo que permite la máxima flexibilidad para una amplia gama de cables y funciones de diagnóstico de cables más avanzadas.

Esta solución, que cumple la norma IEEE 802.3cg, admite conectividad Ethernet en 1,7 km de cableado, redundancia en anillo y protocolos de software como Modbus/TCP, BACnet/IP y KNX en tiempo real. Cabe señalar también que el ADIN2111 puede utilizarse como repetidor en una configuración no gestionada para ampliar el alcance hasta 2000 metros o más.

Conclusión:

La introducción de 10BASE-T1L ha creado nuevas oportunidades para la automatización de edificios, revolucionando el modo en que se gestionan y controlan los espacios comerciales y residenciales. Es una solución ideal para implantar soluciones de automatización por su capacidad para aprovechar la infraestructura existente, proporcionar flexibilidad y mejorar la transmisión de datos.