シングルペアEthernetでCO2排出を最小化

二酸化炭素（CO₂）排出量実質ゼロという世界的な目標は、あらゆる産業分野に影響を及ぼします。建物の場合、環境的に非効率な構造物が多いため、この目標の達成は困難です。設置された制御・通信システムの多くは、モニタリングやデータ処理能力に限界があり、一般的に、効率を最適化するための高度なデータ分析や制御が不十分です。

CO₂排出量実質ゼロを達成するには、人工知能（AI）に基づく分析と制御を用いた自動化システムが必要になります。この目標を達成する鍵は、10BASE-T1L規格に基づく長距離・高データレートのシングルペアEthernet（SPE）を使用して、建物全体にセンサを簡単に配置できることです。高いデータレートは、待ち時間を最小限に抑え、建物のシステムをリアルタイムで制御することを可能にします。

この記事では、CO₂排出量実質ゼロの建物に必要な接続性について簡単に説明します。そして、Analog Devices Inc.の10BASE-T1Lデバイスを使用し、SPEが持続可能性を向上させながら、通信と制御の改善をどのようにサポートできるかをご紹介します。

従来の建物設計の限界

従来の建物設計では、建物管理システム（BMS）が構造全体の制御を担っており、建物のサブシステムは一般的に分離して動作しています。通信の双方向性と利用可能な電力に限界があるため、建物はピーク効率で稼動できず、環境に影響を与える損失をもたらします。標準的な建物の階層構造を考えてみましょう（図1）。

図1：従来の建物システムは階層構造になっていますが、機能別に見ることもできます。（画像提供：Analog Devices Inc.）

図1のBMSピラミッドの底辺にあるフィールド/デバイスレベルには、さまざまなシステムのローカルセンサとアクチュエータが含まれます。ビルディング & ルームコントローラレベルは、フィールドとデバイスのデータを統合し、デバイスを制御します。企業レベルでは、建物全体をモニタし、BMSを通じてコントローラの活動を調整します。

暖房、換気、空調（HVAC）のような従来の建物システムは、垂直制御階層を持ちますが、占有検知のようなシステムとは分離して動作します。つまり、占有の有無に関わらず、各フロアはHVACシステムの運転にエネルギーを使用します。

このように垂直的に分離されている理由は、既存のデータインターフェースの性能に限界があるためです。低レベルのアナログや4mA～20mAの電流ループ、RS485シリアルインターフェースは、HART（Highway Addressable Remote Transducer）やフィールドバスなどの高レベルのインターフェースとともに、1200ビット/秒（bit/s）から31.25キロビット/秒（Kbit/s）と比較的低速です。これにより、一定期間に送信されるデータ量が制限されます。

10BASE-T1L（IEEE 802.3cg）Ethernetインターフェースは2019年に導入され、データ伝送速度を劇的に向上させ、SPEで10メガビット/秒（Mbit/s）にまで引き上げました。また、同じデータ伝送ライン上ではるかに高い電力レベルを供給する能力も備えています。電力レベルは、HARTによる4～20mA電流ループの36ミリワット（mW）から、500mW（非絶縁）または最大60Wに増加しています（表1）。

表1：一般的な建物データインターフェースネットワークの主な特徴。（表提供：Art Pini、Analog Devices, Inc.のデータを使用）

データインターフェースの速度が遅いため、フィールドレベルのセンサやアクチュエータへのアクセスも制限されます。これは、これらのセンサやアクチュエータが現場でしか再構成できないことを意味します。10BASE-T1Lは、既存のすべてのEthernet実装と互換性があり、ゲートウェイを必要とせず、10/100/1000/2.5G/5G/10G BASE-Tバリエーションを含むすべてのBASE-T Ethernetネットワーク設備とシームレスに通信できます。

10BASE-T1Lの役割

10BASE-T1LはEthernet 802.3規格の一部です。名前がその特徴を要約しています。「10」は10Mビット/秒の伝送速度で、「BASE」はベースバンド信号を示し、Ethernet信号のみが媒体上で送信できることを意味します。「T」はツイストペアとしての媒体、「1」は1キロメートル（km）の距離、「L」は長距離を表します。

10BASE-T1Lの媒体仕様は、特定のツイストペアケーブルを示すものではありません。その代わりに、配線のリターンロスや挿入損失を指定します。これにより、フィールドバスType-Aケーブルのような既存の配線を再利用することができます。

10BASE-T1Lは、1000mのケーブルで2.4ボルトピークツーピーク（V_P-P）、200m以下の距離や危険な環境では1.0V_P-Pという2つの振幅モードを使用する全二重通信をサポートします。

Ethernet規格には、データ通信に使われるのと同じツイストペアケーブルで電力を供給する規定があります。10BASE-T1Lでは、電力は環境の性質に基づいて制御されます。500mWは、火花放電電力を制限しなければならない本質安全（危険）区域に適しています。安全な区域では上限60ワットまで使用可能です。

10BASE-T1Lの利点

10BASE-T1Lの最も重要な利点は、その1kmの距離に次いで、Ethernet BASE-Tネットワークの全範囲との互換性です。これにより、異なるデータネットワーク規格間の変換ゲートウェイが不要になります。フィールドレベルから企業やクラウドレベルまで接続性を拡張し、コスト、複雑さ、必要な電力を削減します。

最大10Mビット/秒の10BASE-T1L速度により、センサやアクチュエータに基本的な測定プロセス値を、追加構成パラメータ、ステータスデータ、さらにはソフトウェア/ファームウェアのアップデートとともに送信することが可能です。センサやアクチュエータは、IPアドレスを使ってリモートアクセスできます。10BASE-T1L対応デバイスはゲートウェイやプロトコルコンバータを必要としないため、デバイスの構成は簡単です。余分なデータ処理能力は、より完全なシステム診断やトラブルシューティングルーチンに使用することもできます。

高いデータレートによる追加のデータ容量は、データ交換のために建物システムをリンクする際にも利用できます。AIベースの分析と制御は、最も効率的な共同運用を得るための補完的な調整を可能にします。10BASE-T1Lを導入した建物の例を考えてみましょう（図2）。

図2：エッジトランスデューサからクラウドまでの10BASE-T1L相互運用性の追加を示します。（画像提供：Analog Devices Inc.）

10BASE-T1L用のSPEにより、エッジレベルの複数のトランスデューサとアクチュエータをルームコントローラに接続することができます。レガシーインターフェースでリンクされた既存のデバイスをそのまま使用したり、Ethernet互換に変換したりすることができます。システムは、適切なバージョンのEthernetを使用して複数のレベルでリンクされており、リアルタイムの制御を可能にします。

10BASE-T1L建物ネットワークトポロジ

複数のデバイスをリングまたはインラインネットワークトポロジでSPEネットワークに接続できます（図3）。

図3：10BASE-T1Lは、他のバージョンのEthernetと同様に、複数のデバイスを接続するリングとインラインのトポロジをサポートしています。（画像提供：Analog Devices Inc.）

各トポロジでは、代替のスター型ネットワークトポロジよりもケーブル長が短くなります。リングトポロジはさらに、デバイスの故障時に冗長パスを提供します。各デバイスは、どちらのトポロジでも、データをネットワークに転送するために2つのEthernetポートを必要とします。

これを実現するために、設計者はAnalog DevicesのADIN2111CCPZ-R7を使用することができます。ADIN2111CCPZ-R7は、スイッチ、メディアアクセスコントロール（MAC）インターフェースを備えた2つのEthernet物理層（PHY）コア、および内部バッファキューを含むすべての関連回路を集積した低消費電力デュアルポート10BASE-T1Lトランシーバです。シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）を介して直接制御されます。SPIは多くのコントローラと互換性があり、性能、電力使用量、価格を最適化するコントローラを容易に選択できます。このスイッチは、デュアルEthernetポートとSPIポートを使用して多数のルーティング構成をサポートし、インラインまたはリングネットワークトポロジを可能にします。10BASE-T1LスイッチにMACインターフェースが含まれているということは、コントローラにMACインターフェースを含める必要がないということであり、選択できるコントローラの数が増えます。図3は、ADIN2111CCPZ-R7を2ポートスイッチとして使用したリングトポロジとインライントポロジを示しています。

リング構成では、すべてのデバイスにデュアルスイッチを使用します。最後のデバイスはADIN1110CCPZのようなシングル MAC-PHYトランシーバしか必要としないので、インライン構成ではデュアルスイッチは必要ありません。スイッチと同様、このEthernetトランシーバにはMACが搭載されているため、より幅広い嵌合コントローラをサポートします。これにより、多くの低消費電力で低コストなコントローラへの長距離Ethernet接続が可能になります。10BASE-T1Lを既存のBMSに組み込む場合、内蔵MACにより既存のコントローラを使用することもできます。各トランスデューサまたはアクチュエータにはコントローラがあり、独自のIPアドレスを持つトランシーバを通じてEthernetにアクセスします。

図3のリングとインラインネットワークアームのコントローラ側を見ると、ADIN1100CCPZ-R7 Ethernetトランシーバは良い選択肢です。このトランシーバはMACを含まず、Ethernet PHYだけです。ADIN1100CCPZ-R7は、図のコントロールパネルで使用されているようなMAC機能を組み込んだコントローラで動作することを意図しています。これは、管理データ入出力（MDIO）インターフェースを介してリモートコントロールプロセッサとインターフェースします。MDIOインターフェースは、ホストプロセッサのMACとADIN1100CCPZ-R7間の通信用の2線シリアルインターフェースです。

ADIN1100シリーズの全デバイスは、10BASE-T1L仕様よりも長い、最大1700mのケーブル長で動作します。また、公称温度範囲-40°C～+85°Cで動作します。記載されているモデル（CCPZ）は、温度範囲が-40°C～+105°Cに拡張されています。

SPEを介した電力供給

遠隔地にあるフィールドレベルのデバイスに電力を供給することは、特に既存のシステムを組み込む場合において問題になることがあります。10BASE-T1L仕様では、シングルペアPower over Ethernet（SPoE）がサポートされており、標準化された電力とEthernetデータを1本のツイストペアケーブルで供給します。この機能のために、設計者は5ポートの電源供給装置（PSE）コントローラであるLTC4296AUK-1-PBFを使用することができます（図4）。このコントローラは、24ボルトまたは54ボルトシステムを使用する802.3cg電源デバイス（PD）との相互運用性を考慮して設計されています。24ボルトまたは54ボルトシステムは、ADINシリーズ 10BASE-T1L製品に簡単に統合することができます。

図4：LTC4296AUK-1は、5ポートのPSEコントローラとして使用されています。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

このアプリケーション例では、LTC4296AUK-1がトランス/コンデンサパワーカップリングネットワークを介して5個のADIN1100 Ethernetトランシーバに電力を供給します。ADIN1100はそれぞれMACメディア非依存インターフェース（MII）で駆動されます。各PSEはハイサイド自動電流リミッタ（ACL）で保護され、制御された突入および短絡保護が行われます。LTC4296AUK-1の動作温度範囲は-40°C～+125°Cです。

まとめ

建物のデジタル化が進めば、管理システムがすべてのセンサデータと制御機能にアクセスできるようになり、建物システムの相互リンクが運用自動化の基盤となります。これを可能にするため、SPEでの10BASE-T1Lは、10Mビット/秒のデータ伝送レート、最大1kmの長距離、標準Ethernet IP接続を実現します。ビルディングコントローラは、クラウドから事実上無制限の数のエッジデバイスまで、より長い距離を実現できるようになりました。これにより、建物全体の運用を最適化し、CO₂を削減しながら、占有者に最高のサービスを提供することが可能になります。