제어 및 통신 시스템 대부분이 모니터링 및 데이터 처리 용량에 제한이 있으며, 일반적으로 효율성을 최적화하기 위한 고급 데이터 분석 및 제어 기능이 부족합니다.
CO2넷제로를 달성하려면 인공 지능(AI) 기반 분석 및 제어를 사용하는 자동화 시스템이 필요합니다.
이렇게 개선하려면 10BASE-T1L 표준 기반의 데이터 전송률이 높은 장거리 단일 쌍 이더넷(SPE)을 사용하여 건물 전체에 센서를 쉽게 배포할 수 있어야 합니다.
데이터 전송률이 높아지면 대기 시간이 최소화되고 건물의 시스템을 실시간으로 제어할 수 있습니다.
CO2넷제로 빌딩의 연결 요구 사항을 간략하게 설명합니다.
그런 다음Analog Devices Inc.의 10BASE-T1L 장치를 사용하여 SPE를 통해 지속 가능성을 강화하면서 통신 및 제어 개선을 지원하는 방법을 보여줍니다.
기존 건물 설계의 한계
기존 건물 설계에서는 건물 관리 시스템(BMS)을 사용하여 전체 구조를 제어하며, 일반적으로 건물 서브 시스템은 분리되어 독립적으로 운영됩니다.
통신 상호 작용과 가용 전력의 한계로 인해 건물이 최고 효율로 운영되지 못해 환경에 영향을 미치는 손실이 발생합니다. 표준 건물의 계층적 구조를 생각해 보겠습니다(그림 1).
그림 1: 기존 건물 시스템은 계층적 구조이지만 기능별로 볼 수도 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices Inc.)
그림 1에서 BMS 피라미드의 맨 아래에 있는 현장/장치 레벨에는 다양한 시스템에 쓰이는 로컬 센서와 액추에이터가 포함되어 있습니다.
건물 및 방 컨트롤러 레벨에서는 현장 데이터와 장치 데이터를 통합하고 장치를 제어합니다.
엔터프라이즈 레벨에서는 전체 건물을 모니터링하고 BMS를 통해 컨트롤러 활동을 조정합니다.
난방, 환기 및 에어컨(HVAC)과 같은 기존 건물 시스템은 수직적인 제어 계층 구조를 가지고 있지만 점유 감지와 같은 시스템과는 분리되어 독립적으로 작동합니다.
즉, 점유 여부에 상관없이 각 층에서는 여전히 HVAC 시스템을 작동하기 위해 에너지를 사용합니다.
이렇게 수직으로 분리되는 이유는 기존 데이터 인터페이스의 성능이 제한적이기 때문입니다. 로우 레벨 아날로그, 4mA ~ 20mA 전류 루프 및 RS485 직렬 인터페이스와, 하이웨이 어드레서블 원격 트랜스듀서(HART), 필드 버스 등 하이 레벨 인터페이스는 속도가 1200bits/s ~ 31.25Kbits/s로 상대적으로 느립니다.
이로 인해 주어진 기간 동안 전송되는 데이터의 양이 제한됩니다.
2019년에 도입된 10BASE-T1L(IEEE 802.3cg) 이더넷 인터페이스는 데이터 전송률을 획기적으로 높여 SPE를 통해 10Mbits/s로 개선했습니다.
또한 동일한 데이터 전송 회선에서 훨씬 더 높은 전력 레벨을 공급하는 기능이 포함되어 있어,
HART를 사용하는 4mA ~ 20mA 전류 루프의 36mW에서 500mW(비분리형) 또는 최대 60W까지 가능합니다(표 1).
표 1: 일부 일반적인 건물 데이터 인터페이스 네트워크의 주요 특징 (표 출처: Art Pini, Analog Devices, Inc.의 데이터 사용)
또한 느린 데이터 인터페이스는 현장 수준 센서 및 액추에이터로의 접근성을 제한하므로 현장에서만 재구성할 수 있습니다.
10BASE-T1L은 모든 기존 이더넷 구현과 호환되며 게이트웨이 없이도 10/100/1000/2.5G/5G/10G BASE-T 변형을 포함한 모든 BASE-T 이더넷 네트워크 설치와 원활하게 통신할 수 있습니다.
10BASE-T1L의 역할
10BASE-T1L은 이더넷 802.3 표준에 속합니다. 이름에 해당 특징이 요약되어 있습니다.
'10'은 10Mbits/s 전송 속도를 의미하고,
'BASE'는 기저대역 신호를 나타내므로,
이더넷 신호만 매체를 통해 전송할 수 있습니다.
'T'는 연선 매체를 나타내고,
'1'은 1km 범위이며,
'L'은 장거리를 의미합니다.
10BASE-T1L의 매체 사양에는 특정 연선 케이블이 표시되어 있지 않습니다.
대신 배선의 반사 및 삽입 손실이 지정되어 있습니다.
이를 통해 필드 버스 Type-A 케이블 등 기존에 설치된 배선을 재사용할 수 있습니다.
10BASE-T1L은 두 가지 진폭 모드를 사용(케이블 길이가 1000m 이상인 경우 2.4V 피크 간(VP-P) 모드, 거리가 최대 200m로 짧고 위험한 환경에서는 1.0VP-P모드 사용)하여 전이중 통신을 지원합니다.
이더넷 표준에는 데이터 통신에 사용되는 것과 동일한 연선 케이블을 통해 전력을 공급하는 규정이 있습니다.
10BASE-T1L에서는 환경의 특성에 따라 전력이 제어됩니다. 500mW는 점화 방전 전력을 제한해야 하는 본질적 안전(즉, 위험한) 영역에 적합합니다.
안전 영역에서는 60W까지 사용할 수 있습니다.
10BASE-T1L의 장점
10BASE-T1L의 가장 큰 장점은 자체 범위는 1km에 불과하지만 모든 범위의 이더넷 BASE-T 네트워크와 호환된다는 점입니다.
따라서 다양한 데이터 네트워크 표준 간에 변환 게이트웨이가 필요하지 않아 현장 수준에서 엔터프라이즈 및 클라우드 수준까지 경로를 개방하여 비용, 복잡성 및 전력 요구 사항을 완화합니다.
10BASE-T1L은 측정된 기본 공정 값을 추가 구성 파라미터, 상태 데이터, 소프트웨어/펌웨어 업데이트와 함께 최대 10Mb/s 속도로 센서 및 액추에이터에 전송할 수 있습니다.
센서 및 액추에이터에는 해당 IP 주소를 사용하여 원격으로 액세스할 수 있습니다.
10BASE-T1L 호환 장치는 게이트웨이와 프로토콜 컨버터가 필요하지 않으므로 장치 구성이 더 간단합니다.
추가 데이터 처리 용량은 완전한 시스템 진단 및 문제 해결 루틴에도 사용할 수 있습니다.
높은 데이터 전송률로 인해 사용 가능하게 된 추가 데이터 용량을 건물 시스템 연결에 활용해 데이터를 교환할 수 있습니다.
AI 기반 분석 및 제어를 통한 보완 규제로 효율적인 공동 운영이 가능합니다.
10BASE-T1L이 장착된 건물의 경우를 고려해 보겠습니다(그림 2).
그림 2: 에지 트랜스듀서부터 클라우드까지 10BASE-T1L 상호 운용성이 추가되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices Inc.)
10BASE-T1L용 SPE를 사용하면 에지 레벨의 여러 트랜스듀서 및 액추에이터를 방 컨트롤러에 연결할 수 있습니다.
레거시 인터페이스로 연결된 기존 장치를 계속 사용하거나 이더넷 호환성으로 변환할 수 있습니다.
적절한 버전의 이더넷을 사용하여 시스템을 여러 수준에서 서로 연결하여 실시간으로 제어할 수 있습니다.
10BASE-T1L 건물 네트워크 토폴로지
여러 장치가 링 또는 인라인 네트워크 토폴로지에서 SPE 네트워크에 연결될 수 있습니다(그림 3).
그림 3: 10BASE-T1L은 다른 이더넷 모델과 마찬가지로 링 및 인라인 토폴로지를 지원하여 여러 장치를 연결할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices Inc.)
각 토폴로지는 대체 스타 네트워크 토폴로지에 비해 케이블 길이가 짧습니다.
링 토폴로지는 장치 고장에 대비하여 중복 경로를 추가로 제공합니다.
두 토폴로지에서 데이터를 네트워크에 전달하려면 각 장치에 두 개의 이더넷 포트가 있어야 합니다.
설계자는 내부 버퍼 대기열을 포함하여 스위치, 미디어 액세스 제어(MAC) 인터페이스가 있는 이더넷 물리층(PHY) 코어 2개, 모든 관련 회로를 통합하는 저전력 이중 포트 10BASE-T1L 트랜시버인 Analog Devices의ADIN2111CCPZ-R7을 사용해 이를 구현할 수 있습니다. 이 장치는 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)를 통해 직접 제어됩니다.
SPI는 다양한 컨트롤러와 호환되므로 성능, 전력 사용 및 가격을 극대화하는 컨트롤러를 쉽게 선택할 수 있습니다.
스위치는 이중 이더넷 및 SPI 포트를 사용하여 다양한 라우팅 구성을 지원하므로 인라인 또는 링 네트워크 토폴로지를 사용할 수 있습니다.
10BASE-T1L 스위치에 MAC 인터페이스가 포함되어 있다는 사실은 컨트롤러에 MAC 인터페이스를 포함할 필요가 없다는 것을 의미하므로 선택 가능한 잠재적 컨트롤러의 수가 늘어납니다.
그림 3은 ADIN2111CCPZ-R7을 2포트 스위치로 사용하는 링 및 인라인 토폴로지를 보여줍니다.
링 구성에서는 모든 장치에 이중 스위치를 사용합니다.
인라인 구성에서는 마지막 장치에ADIN1110CCPZ와 같은 단일 MAC-PHY 트랜시버만 필요하므로 이중 스위치가 필요하지 않습니다.
ADIN1110CCPZ에는 스위치와 마찬가지로 MAC이 포함되어 있으므로 광범위한 결합 컨트롤러를 지원합니다.
따라서 장거리 이더넷을 다양한 저전력 저비용 컨트롤러에 연결할 수 있습니다.
10BASE-T1L을 기존 BMS에 다시 장착하는 경우 내장된 MAC을 통해 기존 컨트롤러를 사용할 수도 있습니다.
각 트랜스듀서 또는 액추에이터는 자체 컨트롤러를 갖추고 있으며, 트랜시버를 통해 이더넷에 액세스하여 IP 주소를 부여합니다.
그림 3에서 링 및 인라인 네트워크 암의 컨트롤러 측에는ADIN1100CCPZ-R7이더넷 트랜시버가 적합합니다. ADIN1100CCPZ-R7에는 MAC이 포함되어 있지 않고 이더넷 PHY만 포함되어 있습니다.
ADIN1100CCPZ-R7은 그림에 나타난 제어 패널에서 사용된 것과 같이 MAC 기능이 통합된 컨트롤러와 함께 작동하도록 설계되었습니다.
MDIO(관리 데이터 입/출력) 인터페이스를 통해 원격 제어 프로세서와 연결됩니다.
MDIO 인터페이스는 호스트 프로세서의 MAC과 ADIN1100CCPZ-R7 간의 통신을 위한 2선식 직렬 인터페이스입니다.
모든 ADIN1100 계열 장치는 10BASE-T1L 사양보다 더 긴 최대 1700m 길이의 케이블에서 작동하도록 정격화되었습니다. 또한 -40°C ~ +85°C의 공칭 온도 범위에서 작동하도록 사양이 지정되었습니다.
나열된 모델(CCPZ)은 -40°C ~ +105°C의 확장된 온도 범위를 가집니다.
SPE를 통한 전력 공급
기존 시스템을 다시 장착할 경우 원격 현장 수준의 장치에 전원을 공급하는 것이 문제가 될 수 있습니다.
10BASE-T1L 사양은 단일 연선 케이블을 통해 표준화된 전력과 이더넷 데이터를 공급하는 단일 쌍 이더넷을 통한 전력 공급(SPoE)을 지원합니다.
이 기능을 위해 설계자는 5포트 PSE(전력 공급 장비) 컨트롤러인LTC4296AUK-1-PBF를 사용할 수 있습니다(그림 4).
ADIN 계열 10BASE-T1L 제품에 쉽게 통합될 수 있는 24V 또는 54V 시스템을 사용하여 802.3cg 구동 장치(PD)와 상호 작용하도록 설계되었습니다.
그림 4: 5포트 PSE 컨트롤러로 사용되는 LTC4296AUK-1. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)
위 LTC4296AUK-1 응용 제품 예에서는 변압기/커패시터 전력 커플링 네트워크를 통해 ADIN1100 이더넷 트랜시버의 5개 인스턴스에 전력을 공급합니다.
ADIN1100은 각각 MAC 매체 독립 인터페이스(MII)를 통해 구동됩니다.
각 PSE는 유입 제어 및 단락 보호를 위해 하이사이드 자동 전류 제한기(ACL)를 통해 보호됩니다. LTC4296AUK-1의 작동 온도 범위는 -40°C ~ +125°C입니다.
결론
건물의 디지털화가 확대되면 관리 시스템이 모든 센서 데이터와 제어 기능에 액세스할 수 있게 되고, 건물 시스템을 상호 연결하여 운영 자동화를 위한 기반을 제공할 수 있습니다.
이를 위해 10BASE-T1L over SPE는 10Mbit/s의 데이터 전송률, 최대 1km의 긴 범위, 표준 이더넷 IP 연결을 건물 구석구석에 제공합니다.
이제 건물 컨트롤러는 클라우드에서 사실상 무제한의 에지 장치까지로 범위를 확장할 수 있습니다.
이를 통해 건물의 전반적인 운영을 최적화하여 입주자에게 최상의 서비스를 제공하면서 CO2를 줄일 수 있습니다.
