10BASE-T1Lでビルオートメーションに革命を起こす

ビルオートメーションの分野は近年目覚ましい進歩を遂げ、商業ビルや住宅をより効果的に管理できるようになりました。

今日、消費電力を最小限に抑え、リアルタイムの高データスループットと制御能力を向上させながら、ビルを居住者にとってより健康的な環境にするために、効率的で持続可能なシステムが広く求められています。

ビルオートメーションの課題

設計者やシステムインテグレータは、次のようなビルオートメーションがもたらすいくつかの課題に直面しています。

• 技術の急速な陳腐化：技術の急速な向上により、既存のシステムが時代遅れになり、その結果、機能、サポート、新技術との統合が低下する可能性があります。
• 効率性および持続可能性の要件：エネルギー効率、故障検出/診断の改善、室内環境品質（IEQ）の監視、水資源管理は、いずれもビルの所有者や運営者にとって必要なものです。
• データ分析および最適化：データ分析と最適化における最近の傾向から、ビルオートメーションシステムにデータ収集、分析、解釈機能を組み込む必要があります。これにより、建物性能のデータ駆動型最適化、非効率の検出、是正措置の実施への道が開かれます。
• 相互運用性：異なるベンダーが提供するシステム間の互換性と統合性を確保するのは難しいことです。さらに、システムの効率は、非互換性、独自のプロトコル、標準化の欠如によって妨げられる可能性があります。

図1に示すように、このような問題に対処するには、以下の機能を備えたスマートビルが必要になります。

• クラウド接続により、企業レベルでの一元的な設定と管理が可能
• コントローラレベルでのトランスレーションゲートウェイへの依存の除去
• センサおよびアクチュエータが大量のデータをやり取りできるように、情報収集および処理機能をエッジ側に移動

図1：相互運用可能なエッジツークラウドコネクティビティをビルに提供します。(提供：ADI）

データ通信の重要性は、産業オートメーションやビルオートメーションの領域で高まっています。現在のデータ量の増加により、従来のソリューションが生理学的閾値に近づいていることが分かってきました。その結果、Ethernetが一般的な通信規格になりつつあります。従来の4線式Ethernetソリューションは、10BASE-T1Lと呼ばれる1対のツイストワイヤからなる2線式ソリューションへと変化しました。

10BASE-T1L規格がどのように変化をもたらすか

2019年にIEEE 802.3cg 10BASE-T1L仕様が導入され、1対のツイストワイヤで最大1,000メートルまでの10Mbps全二重通信が可能になることで、産業用およびビル管理用の通信に関するいくつかの問題が解決されました。

10BASE-T1L規格は、ビルオートメーション分野におけるケーブル配線、帯域幅、距離、電力に関する制限など、従来の通信システムのいくつかの制限を解決しています。ここでは、10BASE-T1L規格がこれらの制限にどのように対処しているかを次に説明します。

• ケーブル配線10BASE-T1L規格は、1本のツイストペアケーブルでEthernet信号と電力を伝送できる物理層ソリューションを提供することで、センサやアクチュエータのようなフィールドレベル機器のシームレスなEthernetコネクティビティを可能にします。これにより、複雑で高価なケーブル配線インフラが不要になり、Ethernetネットワークビルオートメーションの展開と設置が容易になります。それはさておき、Ethernetパケットはエッジからクラウドに直接送ることができるため、ゲートウェイ変換の必要がなくなります。
• 帯域幅：10BASE-T1L規格は最大10Mbpsのデータ転送レートをサポートしており、さまざまなビルオートメーションアプリケーションに適しています。この帯域幅は、従来のフィールドバス（数kbpsに制限されている）よりも広く、センサからの値やアクチュエータへの直接の値、さらにはコンフィギュレーションやパラメーター化データなどの追加デバイスパラメータの伝送を可能にします。
• 距離：10BASE-T1L規格の利点の1つが、長距離Ethernet接続のサポートです。これは従来のEthernet規格よりかなり長距離になります。そのため、工業プラントや自動車組立工場など、広い範囲にデバイスが分散して配置される用途に適しています。

さらに、10BASE-T1L規格は、電力要件が低いため、電力リソースが限られた環境での使用を想定しています。これは、バッテリの寿命と消費電力が重要なフィールドレベルの機器では最も重要なことです。

場合によっては、10BASE-T1Lを介して、データおよび電力（非本質安全エリアでは最大60W）の両方を提供する必要があります。10BASE-T1Lは、次の2つの振幅モードをサポートします。ケーブル長1,000mまでは2.4V、200mまでは1.0V。1.0Vのピークツーピーク振幅モードにより、この技術は防爆環境（危険区域）でも使用でき、適用される厳しい最大消費電流要件を満たします（最大電力は500mWに制限）。

参考ユースケース

10BASE-T1L規格の標準的な使用例を図2に示します。このスマートビルアプリケーションは、10BASE-T1Lの特性を利用して、エンドノード（センサやアクチュエータ）からクラウド上の企業／ITレベルまで、さまざまなレベルでデータを収集および集約します。

ルームコントローラは、フィールド機器と直接（ポイントツーポイント）接続することも、デイジーチェーンでリンクされた一連の機器に接続することもできます。さらに、各ルームコントローラは、旧来の機器からの接続を受け入れるように設定できます。

各ビルにはプラントコントローラがあり、10BASE-T1Lリンク経由で多数のルームコントローラに、また100Mb/Gb産業用Ethernet経由で他のビルのプラントコントローラに接続されています。

図2の右側にあるエレベータの運転台コントローラのように、センサやアクチュエータとの短距離接続（最大25メートル）には、10BASE-T1S規格が適しています。

図2：スマートビルのユースケース。(提供：ADI）

10BASE-T1Lトランシーバ

Analog Devicesは、産業用およびビルオートメーションのEthernetベースアプリケーションに適した超低消費電力、シングルポート、10BASE-T1Lトランシーバ ADIN1110を開発しました。本製品は、IEEE 802.3cg-2019 Ethernet規格の長距離、10MbpsシングルペアEthernet（SPE）に準拠しており、これらのアプリケーションでの使用を目的として設計されています。

図3に示すように、このコンポーネントにはメディアアクセス制御（MAC）インターフェースが組み込まれています。これにより、4本のワイヤを使用するシリアルペリフェラルインターフェース（SPI）を使用して、複数のホストコントローラと直接コンタクトを確立することが可能になります。このSPIは、MACを内蔵する必要がないため、消費電力を抑えたプロセッサの使用を可能にし、その結果、システム全体の消費電力を最低限に抑えることができます。Open Alliance SPIプロトコルと汎用SPIプロトコルの両方が、SPIを設定する際のオプションとして利用可能です。

ADIN1110 は、システムレベルのロバスト性を強化するために、電圧供給監視とパワーオンリセット（POR）回路を内蔵しています。また、低消費電力（標準42mW）で、1VPPと2.4VPPの送信レベルをサポートし、自動ネゴシエーションおよびフレームフィルタリング用の16個のMACアドレスを備えています。

図3：ADIN1110 MAC PHY トランシーバのブロック図。(提供：ADI）

10BASE-T1Lは接続範囲が広いため、シームレスな接続を維持しながら、より大きな建物にオートメーション機器を設置することができます。この柔軟性と拡張性のおかげで、施設管理者は、照明、空調/冷暖房制御、セキュリティ、エネルギー管理などのアプリケーションの設定を簡単に監視し、変更することができます。

さらに、10BASE-T1Lのデータ転送速度の向上により、ビルシステムのリアルタイム監視と制御が可能になり、運用効率の向上につながります。オートメーション機器の通信の応答時間、待ち時間、信頼性はすべて、この技術によって改善されます。

10BASE-T1L Ethernetスイッチ

Ethernet規格と同様に、10BASE-T1Lはさまざまなネットワークセグメントやデバイスを接続するためのスイッチを提供します。接続された機器に電力を供給するために、さまざまなネットワークトポロジを構築し、利用することができます。ビルオートメーションでは、スイッチはコントローラ、センサ、アクチュエータに接続されることが多いです。可用性を高めるために、スイッチはリングトポロジの形でメディアの冗長化を可能にします。

この目的のために、Analog Devicesはビルオートメーションネットワーク用に設計された完全な10BASE-T1L Ethernet 2ポートスイッチ、 ADIN2111を開発しました（図4）。コントローラ、センサ、アクチュエータに長距離Ethernet接続を追加するこのデバイスは、小型で電力に制約のあるエッジデバイス内での使用に適しています。ADIN2111は、ディスクリート実装に比べて消費電力を最大50%節約し、PCBスペースを最大75%拡大します。

図4：ADIN2111 のブロック図。(提供：ADI）

ADIN2111はインラインとリングのデイジーチェーンネットワーク用に設計されており、建物内の既存のシングルツイストペアケーブルインフラを利用するため、改修コストを削減することができます。図5は、リング型（上側）とインライン型（下側）の両方のトポロジを実現するために、複数のデバイスを接続する方法を示しています。最後のエッジセンサは、PHYとMACを備えたトランシーバに接続されていますが、他の2つはスイッチに接続されていることに注意してください。

図5：ADIN2111 10BASE-T1Lは、設計の柔軟性と拡張性を最大限に高めるために、複数のトポロジをサポートしています。(提供：ADI）

16アドレスのMACルックアップテーブルを装備した10BASE-T1Lスイッチは、カットスルーおよびストアアンドフォワード動作をサポートし、データパケットの処理と転送時に待ち時間やエラー処理を優先させることができます。高度なパケットフィルタリングにより、優先トラフィックの処理負担がプロセッサから解放されます。

このスイッチには高度な診断機能が組み込まれており、設置や試運転、システムの停止を減らすことができます。これらの中には、平均二乗誤差（MSE）によるリンク品質インジケータ、リンク診断とIEEEテストモード、時間領域反射率測定法（TDR）によるケーブル欠陥検出などが含まれます。この診断ソリューションは、高精度のオンチップTDRエンジンと、ホストマイクロコントローラ上で動作する一連のアルゴリズムで構成されており、幅広いケーブルに対応する最大限の柔軟性と、より高度なケーブル診断機能を実現しています。

IEEE 802.3cg規格に準拠したこのソリューションは、1.7kmのケーブル配線、リング冗長性、Modbus/TCP、BACnet/IP、リアルタイムKNXを含むソフトプロトコルによるEthernet接続をサポートします。また、ADIN2111を非管理構成のリピータとして使用することで、最大2,000m以上まで到達距離を延長できることも特筆すべき点です。

まとめ

10BASE-T1Lの導入は、ビルオートメーションに新たな機会をもたらし、商業施設や住宅スペースの管理および制御方法に革命をもたらしました。既存のインフラを活用し、柔軟性を提供し、データ伝送を向上させることができるため、オートメーションソリューションの導入に理想的なソリューションです。