Decentralizované sběrnicové systémy

Centralizovaný verzus decentralizovaný systém

Budovy jsou pro nasazení decentralizovaných systémů vzhledem ke své prostorové rozlehlosti více než vhodné. Má-li být zajištěn dokonalý přehled a kontrola nad jednotlivými technologiemi včetně jejich optimálního spolupůsobení, musí být lokální regulace organicky začleněna do systému řízení celého objektu. Příkladem může být propojení individuální regulace místnosti (IRC - Individual Room Control) s centrálním systémem ovládání objektu: po identifikaci uživatele (docházkovým systémem, přítomnostním čidlem apod.) je v příslušné sekci aktivováno větrání a vytápění je přepnuto do režimu komfort. Na tuto událost přiměřeně reagují primární zdroje: připravují více tepla a zvyšují otáčky ventilátoru pro výměnu vzduchu. U rozlehlých budov je těžko představitelné, že by se takováto výměna informací mohla provádět fyzickým vydrátováním každé jednotlivé informace do centrální řídicí jednotky.

Obvyklým řešením, zvláště u tzv. inteligentních budov, je lokální regulace, ať už primárních zdrojů (kotelny, VZT jednotky atd.), či funkcí distribuovaných po budově (individuální regulace místností), a vzájemné sdílení dat pomocí decentralizované datové sběrnice. Ta je většinou reprezentována metalickým krouceným párem vodičů, po nichž jsou pomocí přesně stanoveného kódování (protokolu) distribuovány povelové příkazy i stavové informace. Kromě výměny dat uvnitř systému jsou zprostředkovávány i uživatelům či dispečerům. To se děje buď vizuální cestou pomocí různých kontrolek, displejů nebo vizualizačních programů na PC, nebo pomocí různých textových zpráv a varování pomocí telefonu, sms služby, lokálního reproduktoru a podobně.

Decentralizovaných systémů používaných v budovách je celá řada. V následujícím pojednání budeme věnovat pozornost nejznámějším z nich. Uvedeme i odkazy na zdroje informací pro případ podrobnějšího zájmu.

V celosvětovém měřítku se u decentralizovaných systémů nejčastěji používají technologie LON (Local Operating Network), EIB (European Installation Bus), který po konvergenci se systémy EHS a Batibus vytváří nově standard KNX (Konnex), a německý systém LCN. Pro řízení osvětlení má velký význam systém Luxmate společnosti Zumtobel. Zajímavé možnosti skýtá také systém Xcomfort společnosti Moeller. Inteligentní decentralizovaně komunikující moduly můžeme najít i u českých firem. Příkladem mohou být výrobci Amit, Elsaco a další.

Typická struktura decentralizovaného systému je znázorněna na obr. 1.

Obr. 1 - Decentralizovaný systém

Evropská Instalační sběrnice - EIB (European Installation Bus)

Základy tohoto systému začaly vznikat v osmdesátých letech minulého století u německého koncernu Siemens, konkrétně u subdivize elektroinstalační techniky, která dodnes sídlí v bavorském Regensburgu. Právě v období osmdesátých let začínalo být zřejmé, že klasická elektroinstalace není schopna nadále plnit vzrůstající nároky na komfort při zachování požadavku hospodárného zacházení s energetickými zdroji. Centralizované systémy, které již byly tou dobou na trhu, naopak nebyly schopny odpovídajícím způsobem plošně pokrýt celou rozlohu budovy. Vývojovým pracovníkům společnosti Siemens bylo ale rovněž jasné, že nutným předpokladem pro rozšíření systému je široké spektrum produktů různých výrobců umožňující vzájemné doplňování i konkurenci. Přišli proto s myšlenkou standardizované datové komunikace jednotlivých prvků. Pro tento nápad se podařilo nadchnout další přední německé firmy, a tak byl v roce 1987 založen spolek Instabus - Gemeinschaft, jehož cílem bylo vyvinout decentralizovaný systém pro měření, regulaci a sledování provozních stavů v budovách. Řešení mělo splňovat základní požadavky na instalační a projekční jednoduchost, volnou rozšiřovatelnost a otevřenost pro pozdější nové aplikace. Samotný název Instabus vznikl složeninou z Installationsbus - česky instalační sběrnice; u některých výrobců lze produkty s tímto označením nalézt dodnes.

Počátkem devadesátých let byly první prvky s komerčním označením Instabus na světě. Avšak opět začalo být zřejmé, že se nelze soustředit pouze na německý trh a německé výrobce; zejména se zřetelem ke kontextu nově se formující Evropy. Pionýrským činem v tomto směru bylo založení nadnárodní nezávislé certifikační a koordinační asociace EIBA (European Installation Bus Assotiation) se sídlem v Bruselu v květnu 1990. K ní se začali velmi rychle přidávat další a další výrobci, takže v roce 1993 měla již 70 členů. Produkty členů asociace, více než čtyři tisíce různých typů s certifikačním označením konformity EIB (obr. 2), jsou k dostání prakticky dodnes.

Přes veškerá integrační úsilí přetrvávaly v Evropě kromě EIB i další standardy decentralizované domovní inteligence - francouzský Batibus a evropsky normovaná komunikace pro domácí spotřebiče EHS. Teprve v prosinci 2003 byl definován standard konnex (KNX) zastřešující všechny tři zmíněné technologie. Z mezinárodní organizace EIBA vznikla asociace Konnex opět se sídlem v Bruselu. Označení EIBA bylo ponecháno pro servisní složku asociace Konnex, která se stará především o prodej konfiguračního softwaru. Standard KNX je zakotven v evropské normě EN 50090. Výsledkem dlouholetého integračního a certifikačního úsilí je široká paleta produktů (kolem 5000) od více než sto dvaceti výrobců z různých oborů techniky prostředí budov (umělé osvětlení, větrání, zastiňování, vytápění, chlazení atd.). Podrobnější informace najde zájemce na internetové adrese www.konnex.org, popřípadě na www.eiba.com.

LON (Local Operating Network) - univerzální řešení

V posledních letech vznikly stovky sběrnicových systémů, ať již pro využití v průmyslové automatizaci, v palubní technice automobilů, lodí a letadel, nebo v budovách. Pokaždé se museli vývojoví pracovníci vypořádat s následujícími otázkami: Jak přenesu data? Jak má vypadat topologie? Jaká má být rychlost přenosu? Jak zabránit kolizi informací? Jak má vypadat software a hardware? A tak dále. Nebylo by lepší, kdyby všechny předchozí problémy vyřešil jeden stavební prvek, na němž by se následně budovaly požadované aplikace? Za účelem průzkumu této varianty založilo v americké Kalifornii několik investorů a inženýrů v roce 1986 firmu ACM Research. O dva roky později tuto společnost přejmenovali na Echelon. Koncem roku 1991 přinesl výzkum své ovoce a světlo světa spatřil první dodnes používaný produkt - neuronový čip. Jednalo se o integrovaný obvod, který kromě procesoru obsahoval sběrnicové připojení a firmware (pevně nahraný software) zajišťující sběrnicovou komunikaci.

Sběrnicová technologie dostala jméno Local Operating Network (lokálně pracující síť), zkráceně LON. Měla se stát univerzálním řešením pro decentralizované sběrnicové systémy. Především tři oblasti nasazení měli vývojáři na zřeteli: automobilní automatizaci, průmysl a budovy. Ale jak už to bývá, univerzální řešení se ne vždy setkají s univerzálním úspěchem. V našem případě se ukázalo, že zejména autory myšlenky velmi upřednostňovaný automobilový průmysl má trochu jiné požadavky a vývoj se ubíral diametrálně odlišným směrem. O co méně se systému LON dařilo v automobilní branži, o to více úspěchů začaly produkty společnosti Echelon postupně sklízet v oblasti průmyslu a automatizace budov. Dnešní poměrové rozvrstvení je odhadováno na 35 % v systémech budov, 15 % v domácích aplikacích, 35 % v průmyslové automatizaci a 15 % v ostatních oblastech.

Výhodou, ale tak trochu i překážkou systému LON je jeho obrovská flexibilita v aplikačních vývojových možnostech. Lze používat různá přenosová média, různé přenosové rychlosti, definovat vlastní proměnné atd. V prvním divokém období systému vedla tato neřízená vývojářská svoboda k vývoji mnoha nekompatibilních různorodých produktů, které, přestože měly společný základ na komunikaci LON, nebylo možné navzájem spojovat do decentralizovaných inteligentních struktur. Protože byla situace nadále neúnosná, vzniklo na popud výrobce čipů společnosti Echelon v květnu 1994 v kalifornském San Jose standardizační uskupení LonMark International, které v dnešní době čítá okolo tří set výrobců. Kromě propagace systému je hlavním úkolem sdružení standardizovat jednotlivé produkty tak, aby byly navzájem kompatibilní. Takovéto výrobky se označují, podobně jako u systému EIB/KNX, značkou konformity LonMark (obr. 3). Další informace najde zvídavý zájemce na internetových stránkách www.lonmark.org.

Local Control Network (LCN) - chytré řešení z Německa

S vývojem systému bylo započato v roce 1992 v německé firmě Issendorff. V roce 1994 byly na trhu první produkty a začaly vznikat první projekty. Přestože se produktová paleta skládá z velmi omezeného množství prvků, našel systém uplatnění i na velmi rozlehlých a aplikačně náročných objektech. To je dáno především jeho jednoduchostí a vysokou spolehlivostí. Postupně se systém rozšiřuje i za hranice Německa, avšak systematické podpoře v podobě silné mezinárodní asociace s účastí významných světových výrobců se těšit nemůže. Více informací lze nalézt na www.lcn.de.

Luxmate - systém pro management osvětlení

Dosti známým a koncepčně promyšleným systémem pro řízení osvětlení a souvisejících funkcí je produkt Luxmate pocházející z provenience rakouské firmy Zumtobel. Z hlediska stupně decentralizované komunikace rozlišuje výrobce Luxmate Basic, Luxmate Emotion a Luxmate Professional.

U Luxmate Basic se jedná o jednotlivé vzájemně nespolupracující moduly pro realizaci různých funkcí řízení osvětlení v jednom prostoru - místnosti. Tyto prvky většinou ovládají elektronické stmívatelné předřadníky či transformátory buď na základě povelů uživatele prostřednictvím lokálních či dálkově (IR) ovládaných tlačítek, nebo v automatizovaném režimu v závislosti na příspěvku denního světla. Pro stmívání elektronických předřadníků jsou používány dva standardy: starší DSI (Digital Serial Interface) nebo novější a efektivnější DALI (Digital Adressable Lighting Interface). Neopomenutelnou funkcí je rovněž možnost ukládání a následného volání světelných scén.

Jakýmsi mezistupněm mezi opravdu výkonným systémem Luxmate Professional a variací Luxmate Basic je Luxmate Emotion. Jeho základem je barevný dotykový displej (5,7"), který zároveň slouží jako řídicí jednotka pro dva výstupy sběrnice DALI. Každý z nich může ovládat maximálně 64 elektronických adresovatelných předřadníků či transformátorů s funkcemi spínání i stmívání. V řídicí jednotce je zakomponována možnost řízení v reálném čase či v časových sekvencích, tvorba a ukládání světelných scén, možnost řízení barevných osvětlovacích soustav RGB, signalizace poruchy svítidla a mnohé další funkce. Pro ovládání z dalšího místa mimo dotykový panel lze systém doplnit jednotkou čtyřnásobných vstupů pro běžná instalační tlačítka.

Luxmate Professional je systém pro komplexní ovládání technologií umělého osvětlení včetně integrace zastiňovacích elementů. Přestože budovu pokrývá decentralizovanou sběrnicí, rozhodující optimalizačně regulační úkoly plní centrálním počítačovým pracovištěm. Podle světelnětechnických referenčních údajů a povětrnostních podmínek rozhoduje řídicí počítač na základě zadaných matematických algoritmů v automatickém režimu o aktuálním nastavení žaluzií, osvětlení, slunolamů apod. Ve spojení s návazným řídicím systémem může řešení s Luxmate Professional pokrýt prakticky všechny potřebné funkce individuálního řízení techniky prostředí budov.

Systém samozřejmě zahrnuje jako základ všechny výše popsané funkce nižších variací Luxmate. Pro manuální ovládání je vybaven decentralizovanými vstupními moduly umožňujícími připojení běžných tlačítek. Zajímavou funkcí je možnost instalace speciálního softwaru na osobní počítače jednotlivých uživatelů, přes které je následně možné přístupem k centrálnímu počítači po počítačové síti rovněž ovládat příslušné obvody osvětlení.

Další podrobnosti lze nalézt na stránkách www.luxmate.at.

Xcomfort

V posledních letech společnost Moeller velice intenzivně propaguje systém domovní automatizace s názvem Xcomfort. Jádrem tohoto řešení je decentralizovaný sběrnicový systém belgické firmy Niko nazývaný Nikobus. Pro svoji jednoduchost a uživatelskou dostupnost nachází vhodné uplatnění v méně rozlehlých stavbách.

První komponenty s názvem Nikobus byly komerčně představeny v roce 1997. Jedná se o stavebnici modulových rozváděčových prvků (spínací jednotka, žaluziová jednotka a stmívací jednotka) navzájem propojených s interiérovými či exteriérovými prvky (tlačítky, detektory pohybu, termostaty, binárními vstupy apod.).

Systém našel větší uplatnění v Belgii, Nizozemsku, Velké Británii a po zařazení do odbytového programu společnosti Moeller i v České republice.

Bližší informace lze nalézt na adrese www.nikobus.com.

ZigBee - bezdrátová inteligentní síť budoucnosti?

Teprve před několika lety spatřil světlo světa nový komunikační standard s názvem ZigBee. Přesto budí velkou pozornost jak u průkopnických nadšenců, tak i u světoznámých výrobců automatizační techniky. V současné době je vyvinuta bezdrátová komunikace pracující na principu přenosu informací pomocí rádiových vln. K existujícímu hardwaru v podobě čipové sady zajišťující komunikaci ovšem nejsou dosud k dispozici žádné aplikace umožňující praktické využití. Úvahy a ambice vývojářů jsou velmi široké: počínaje malou domácí automatizací přes automatizaci budov a průmyslových procesů až po plošný sběr a distribuci informací.

Zda budou očekávání naplněna, můžeme pouze s napjetím sledovat. Pro zájemce jsou k dispozici stránky asociace www.zigbee.org.

U nás v Česku

Kromě toho, že celá řada nadnárodních společností dováží produkty pro decentralizovanou automatizaci budov ze zahraničí, existují na českém trhu výrobci, kteří vyvíjejí a vyrábějí produkty vlastní. Za tímto účelem využívají většinou známé komunikační standardy. Například pražská společnost AMiT nabízí modulární stavebnicový systém decentralizovaných modulů s názvem ADiS založený na komunikačním standardu CAN (Controller Area Network). Stejný typ komunikace a podobnou filozofii využívá rovněž kolínská společnost ELSACO. Počátky vývoje standardu CAN sahají do roku 1983, kdy u společnosti Bosch vznikla myšlenka uplatnit decentralizovanou sběrnicovou síť u palubního elektrického rozvodu automobilů. Počátkem devadesátých let skutečně sjely z výrobní linky automobilky Mercedes-Benz první vozy vybavené ovládacím a regulačním systémem na bázi CAN. Další podrobnosti lze nalézt na adrese www.can-cia.org.

Trutnovská firma ZPA zase vyrábí komunikační moduly elektroměrů s implementací již zmíněného standardu LON. Technologii LON používá rovněž moravský výrobce teplotních čidel a příslušenství společnost Regment.

Podobných menších výrobců bychom v České republice našli ještě několik, žádný z nich však svým významem na poli komunikujících decentralizovaných modulů výrazně nepřekračuje hranice našeho území.

Závěr

Tolik v krátkosti o decentralizovaných systémech využívaných pro automatizaci a sběr informací v budovách. Kromě výše popsaných systémů se lze s decentralizovanou komunikací setkat rovněž u zabezpečovacích systémů (u požární signalizace, u zabezpečovacích či docházkových systémů apod.). Na decentralizovaném principu funguje i standard pro sběr dat z měřičů spotřeby energií M-bus (www.m-bus.com) a další.