건물 관리 시스템을 위한 네트워크 센서를 비용 효율적으로 구현하는 방법

건물 자동화는 시설의 운영 및 유지 보수 비용을 절감하면서, 건물 입주자를 위한 더 안전하고 더 편리한 환경을 제공합니다. 건물 자동화 시스템(BAS)의 성능 향상은 건물 전체에 배포되는 늘어나는 센서와 늘어나는 제어/액추에이터에서 수집된 더 많은 데이터에 달려 있습니다. 이렇게 배포하려면 감지 모드에서 캡처되는 데이터를 중앙 허브 또는 클라우드로 전송한 다음 분석 및 작동하고 필요한 제어 신호를 제공할 수 있는 비용 효율적이고 효과적인 방법이 필요합니다.

특히, 전력이 즉시 공급되지 않는 기존 건물에 대해 센서 및 액추에이터를 대규모로 배포하려면 건물 전체 적용 범위를 보장하기 위해 많은 비용을 들여 포괄적으로 재작업해야 할 수 있습니다. 지금까지는 RS-485 네트워크가 비용 효율적인 레트로핏 솔루션이지만, 풍부한 데이터 세트와 높은 데이터 전송률을 높은 처리량으로 대체해야 합니다.

처리량을 높이면서 비용을 최소화하기 위해 설계자는 10BASE-T1L을 사용하여 현재 설치된 단일 연선 이더넷 또는 RS-485 배선을 활용할 수 있습니다. IEEE 표준 802.3cg-2019 패킷 형식 데이터 통신 인터페이스를 기반으로 하는 10BASE-T1L은 최대 1000m 거리에서 10Mbit/s의 처리량을 지원합니다. 또한 데이터 케이블을 통해 전력을 공급하여 로컬 전원 또는 전력 케이블이 필요하지 않은 2선식 인터페이스 옵션이 있습니다. 따라서 무제한 장치에 연결할 수 있어서 많은 전력을 소비하는 게이트웨이가 필요하지 않습니다.

이 기사에서는 건물 제어 요구 사항에 대해 살펴보고 지금까지 어떻게 다루어졌는지를 알아봅니다. 그런 다음 쉬운 구현을 입증하기 위해 Analog Devices의 예제 솔루션과 10BASE-T1L 이더넷을 소개합니다. 그리고 소프트웨어 I/O(SWIO) 기술을 사용하여 건물 관리 시스템(BMS)의 이전 버전 및 이후 버전 호환성을 유지하면서 이더넷 네트워크 건물 컨트롤러에 대한 센서 연결을 간소화하는 방법을 보여줍니다. 또한 설계자가 SWIO를 시작하는 데 도움이 되는 적절한 평가 기판을 설명합니다.

BAS 또는 BMS의 역할

BAS 또는 BMS는 다양한 건물 시스템의 자동화 및 관리를 말합니다. BMS의 목적은 입주자의 편리성과 건물 시스템의 효율성, 운영 및 유지 보수 비용, 보안 등 다양합니다. BMS의 네 계층은 감시 회로, 서버/응용 제품, 현장 컨트롤러, 입/출력 계층입니다.

감시 회로 계층은 일반적으로 감시 회로 장치가 실장되는 2선식 변속기 계층입니다. 감시 회로 장치는 모든 현장 컨트롤러 트래픽을 통합합니다. 서버/응용 제품은 다양한 감시 회로 장치에서 데이터를 수신합니다. 이 계층은 건물 관리 시스템에 일반적으로 사용되는 Modbus, KNX, BACnet, LON과 같은 표준 이더넷 프로토콜을 지원합니다. 이 계층에서는 사용자 인터페이스를 통해 클라이언트 또는 최종 사용자에게 통합 데이터를 제공합니다. 현장 컨트롤러 계층에서는 온도 센서 및 스위치(예: 액추에이터 및 계전기)에서 입력 데이터를 조사하고 시스템 출력을 제어합니다.

BMS 퍼즐의 마지막 부분은 입/출력 계층이며 이 계층에는 센서 및 제어 장치가 있습니다. 일부 센서 및 액추에이터는 TCP/IP를 지원하므로 컨트롤러가 필요하지 않습니다.

RS-485: 클래식 BMS 연결 솔루션

지금까지 TIA/EIA-485 인터페이스(일반적으로 RS-485라고 함)는 멀티드롭 통신 링크가 있는 저렴한 로컬 네트워크이기 때문에 BMS 응용 제품 설계자가 매우 널리 사용하고 있습니다. RS-485는 대칭 다중점 변속기 라인을 구현할 때 수신기와 구동기의 전기적 특성을 정의하는 전기 전용 표준이며 단일 연선 연결을 통해 양방향 반이중 데이터 교환을 지원하고, BMS에 이상적인 멀티드롭 연결(여러 트랜시버를 동일한 라인에 연결)을 허용합니다.

또한 RS-485는 합리적으로 높은 데이터 전송률(최대 10m 거리에서 35Mbit/s, 최대 1,200m 거리에서 100kbit/s)을 지원합니다. RS-485는 경험적으로 속도(bit/s)에 케이블 길이(m)를 곱한 값이 10E8을 초과해서는 안 됩니다. 따라서 50m 케이블의 최고 속도는 2Mbit/s입니다. 하지만 RS-485 건물 제어 응용 분야에서 이 정도로 높은 속도가 사용되는 경우는 드뭅니다. RS-485 물리층(PHY)에서 실행되는 일반 건물 자동화 프로토콜인 BACnet MS/TP의 최고 속도는 115,200bit/s입니다.

다른 직렬 통신 링크에 비해 RS-485 통신 링크의 주요 이점은 열악한 산업 환경에서 전기 잡음에 대한 허용 오차 범위가 높다는 것입니다. RS-485 전기 잡음 제거 특성, 긴 케이블 길이, 단일 라인에서 여러 트랜시버 지원, 합당하게 빠른 데이터 전송 속도 등은 BMS 환경에 잘 매핑됩니다.

10BASE-T1L 이더넷 프로토콜

BMS 요구 사항이 증가하고 데이터 세트가 많아질수록 처리량이 점점 더 중요해지고 있습니다. 10BASE-T1L은 1000m 이상 거리에서 10Mbit/s를 지원한다는 점에서 연선 케이블을 통한 지점 간 통신에 대한 고속 대안을 제공합니다.

10BASE-T1L에서 '10'은 10Mbit/s 전송 속도를 나타내고, 'BASE'는 기저대역 신호를 나타내고, 'T'는 '연선'을 나타내고, 숫자 '1'은 1km 범위를 나타냅니다. 마지막 'L'은 "장거리", 즉 1km 세그먼트 길이를 나타냅니다. 500mW를 공급할 수 있는 10BASE-T1L은 이더넷을 본질적으로 안전 지대 0 또는 위험 영역 응용 분야로 끌어옵니다. 비본질적 안전 영역에서는 최대 60W를 공급할 수 있습니다.

10BASE-T1L 이더넷 네트워크의 토폴로지는 데이지 체인, 라인 또는 링입니다. 앞서 언급한 대로 게이트웨이는 없습니다. 이더넷 패킷이 에지에서 제어 수준으로 이동하고, 최종적으로 클라우드로 이동하여 건물 자동화를 위한 원활한 통신 목표를 완벽하게 실현합니다.

센서가 제조 공장에 있든 책상 위에 있든 이 단순화된 이더넷-클라우드 연결을 사용하면 휴대 전화 또는 랩톱으로 센서를 구성할 수 있습니다.

건물 자동화 10BASE-T1L 하드웨어 구성

설계자가 10BASE-T1L 이더넷 연결 감지 노드를 개발할 수 있도록 Analog Devices는 즉시 사용 가능한 세 가지 옵션을 제공합니다. ADIN1100은 이더넷 물리층(PHY)이 있는 강력한 산업용 저전력 10BASE-T1L 트랜시버이고, ADIN1110에는 미디어 액세스 제어(MAC)와 PHY 인터페이스가 모두 있습니다(그림 1).

그림 1: ADIN1110은 통합 이더넷 PHY 및 MAC을 포함하는 저전력 단일 포트 10BASE-T1L 트랜시버입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

세 번째 옵션은 통합 10BASE-T1L PHY 2개와 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI) 1개를 포함하는 복잡성이 낮은 저전력 2포트 스위치인 ADIN2111입니다(그림 2). SPI를 사용하면 호스트 프로세서에 대한 요구 사항이 완화되어 사용자가 전력, 비용, 성능에 맞게 장치를 최적화할 수 있는 더 많은 선택권이 제공됩니다.

그림 2: ADIN2111은 PHY가 통합된 복잡성이 낮은 저전력 2포트 스위치입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

ADIN1100 및 ADIN2111 10BASE-T1L 장치는 데이지 체인(그림 3), 라인 또는 링 네트워크 토폴로지에 배포할 수 있습니다. 스타 네트워크에 비해 이러한 네트워크 토폴로지는 필요한 배선을 크게 줄입니다.

그림 3: ADIN1100 컨트롤러 및 ADIN2111 2포트 스위치를 사용하는 10BASE-T1L 네트워크에 대한 데이터 체인 토폴로지를 보여줍니다. 라인 또는 링 토폴로지를 사용할 수도 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

10BASE-T1L로 시작하기 위해 설계자는 ADIN1100에 대한 EVAL-ADIN1100 평가 기판을 사용할 수 있습니다. 이 기판에서는 모든 ADIN1100 기능에 쉽게 액세스할 수 있으며 PC의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 또는 독립형 하드웨어 구성 작업을 통해 기판을 구성할 수 있습니다. 이 기판에는 10BASE-T1L 케이블용 플러그인 나사 단자 커넥터 2개, 외부 전원 공급 장치, RJ45 커넥터가 있는 Cat 5e 이더넷 케이블, USB-A ~ micro-USB-B 케이블이 포함되어 있습니다. 또한 소형 시제품 제작 영역이 제공됩니다.

10BASE-T1L을 지원하는 유연한 센서 인터페이스

BMS 네트워크의 에지에는 BMS 이벤트를 캡처하고 작동하기 위해 다양한 회로가 필요한 온도, 압력, 부하, 습도, 스트레인 게이지 센서가 복잡하게 혼합되어 있습니다.

이 다양한 인터페이스를 사용하기 위해 설계자는 공정 제어 및 BMS 응용 분야를 위한 4채널 소프트웨어 프로그래밍 가능 I/O(SWIO) 인터페이스 IC인 Analog Devices의 AD74412R을 사용할 수 있습니다. SWIO는 모든 핀에서 I/O 기능에 액세스할 수 있도록 고유한 수준의 유연성을 제공하므로 설계자가 언제든지 채널을 구성할 수 있습니다. 건물 전체에 걸쳐 있는 2선식 이더넷 채널을 통해 즉시 프로그래밍할 수 있습니다. 따라서 설계 관련 자료 요구 사항이 완화되고 자동화된 건물에서 범용 제품을 빠르고 광범위하게 배포할 수 있습니다.

AD74412R은 아날로그 입력, 아날로그 출력, 디지털 입력을 포함하며 호환되는 SPI를 통해 저항 온도 감지기(RTD) 측정을 수행할 수 있습니다. 그림 4에서는 16비트 Σ-Δ 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 진단 기능 그룹, 구성 가능한 I/O 채널 4개를 제공하는 구성 가능한 13비트 디지털 아날로그 컨버터(DAC) 4개를 보여줍니다.

그림 4: AD74412R 4채널 SWIO에는 구성 가능한 I/O 채널 4개를 제공하는 구성 가능한 13비트 DAC 4개가 탑재되어 있습니다. 또한 16비트 Σ-Δ ADC 및 진단 기능 그룹이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

AD74412R 관련 모드는 전류 출력, 전압 출력, 전압 입력, 외부 전원 공급 전류 입력, 루프 전원 공급 전류 입력, 외부 RTD 측정, 디지털 입력 논리, 루프 전동식 디지털 입력입니다. 또한 AD74412R에는 DAC 및 ADC에 대한 높은 정확도의 2.5V 내부 레퍼런스가 있습니다.

AD7441R 평가 기판을 사용하여 설계

AD74412R SWIO를 위한 아날로그 응용 분야는 거의 무한합니다. 설계자가 시작할 수 있도록 돕기 위해 Analog Devices는 EV-AD74412RSDZ 평가 기판을 제공합니다(그림 5). 이 평가 기판을 사용하면 기판 실장 재구성 옵션과 PC 기반 프로그래밍 기능을 통해 엔지니어링 탐색이 가능합니다.

그림 5: EV-AD74412RSDZ는 AD74412R을 위한 완전한 기능을 갖춘 평가 기판입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

AD74412R 평가 소프트웨어는 기판에서 입력 및 출력 신호를 가져오는 EVAL-SDP-CS1Z 시스템 데모 플랫폼(SDP)을 통해 EV-AD74412RSDZ와 통신합니다. 드롭다운 메뉴 인터페이스를 통해 AD74412R 구성을 간소화하고 진단 도구를 제공합니다.

결론

10BASE-T1L은 기존 2선식 연선 설치를 지원하면서 최대 1000m 거리에서 10Mbit/s 처리량을 지원하는 차세대 BAS를 제공합니다. 위에서 살펴본 바와 같이 ADIN1100 10BASE-T1L 트랜시버, ADIN2111 2포트 이더넷 스위치, 공정 제어 및 BMS 응용 분야를 위한 AD74412R 4채널 소프트웨어 프로그래밍 가능 I/O(SWIO) 솔루션을 사용하여 설계자는 이전 버전 및 이후 버전과 호환되는 10BASE-T1L 센서 네트워크를 빠르게 구현할 수 있습니다.