Systémy používané v "inteligentních" budovách - přehled komunikačních protokolů
Článek popisuje základní úvod do systémů automatizace budov. V článku jsou detailněji popsány protokoly a sběrnice, které se v systémech automatizace budov nejčastěji používají.
Úvod
Série dříve prezentovaných článků popisovala jednotlivé prvky (od termostatických hlavic až po ekvitermní regulátory), které se především používají v našich domovech. Jak si jistě každý z nás všiml, v posledních několika letech se velice rozmohla výstavba administrativních budov. Nově postavené budovy se v současnosti čím dál více pojmenovávají heslem "moderní" (architektonicky) nebo dokonce "inteligentní" budova. Nemusí se však vždy jednat o budovu novou, ale také rekonstruovanou. Ve všech nově postavených i rekonstruovaných budovách je hlavním požadavkem využívat moderní systémy a technologie, které se o budovu starají, řídí a monitorují její stav. Na tomto základě vznikl nový obor, který se nazývá "automatizace budov". Obor automatizace budov je v současné době jedním z oborů, který je v popředí a prožívá velký rozvoj. V dnešní době již každá moderní budova obsahuje různé technologie, které zajišťují komplexní řízení a správu celé budovy. Tyto technologické systémy automatizace budov ovšem využívají různých komunikačních protokolů. Obor automatizace budov je relativně složitý a popis systémů a technologií není zcela jednoduchý. Velice jsem váhal, jak následující sérii článků vhodně prezentovat. Rozhodl jsem se (abych čtenáře později příliš neunavil), že nejprve popíši teoretické základy jednotlivých systémů a pak se zaměřím na jednodušší popis systémů pro automatizaci "inteligentních" budov. Článek tedy úvodem popisuje přehled sběrnic a protokolů, které se v současných systémech automatizace budov nejčastěji používají.
Sběrnice a protokoly
Obr. 1: Možné propojení komunikačních protokolů
Velice oblíbeným názvoslovím v oblasti automatizace budov se stalo slovo "inteligentní". Je samozřejmě otázkou, jakou budovu je možné pokládat za inteligentní a co vůbec pojmenování "inteligentní budova" znamená. Je možné vyslovit myšlenku, že budova je inteligentní v případě, kdy obsahuje takové technologie a systémy, které si mezi sebou předávají důležitá data. Na základě výměny dat a analýzy je systém (budova) zpětně ovládán a efektivněji řízen. Dochází tedy k postupné optimalizaci navržených řídících algoritmů tak, aby se dospělo k co nejlepší energetické účinnosti. Jakým způsobem si jednotlivé systémy mezi sebou předávají data? Tato otázka je zvláště důležitá v případě, kdy má dojít k integraci implementovaných systémů. Všechny systémy totiž mohou (a v praxi to tak bývá) komunikovat po různých komunikačních sběrnicích a taktéž různými protokoly. Pokud uvedeme stručný výčet systémů, může se jednat o následující: vytápění (HVAC), zabezpečení, protipožární ochrana, řízení elektrických rozvodů, řízení osvětlení, sledování přístupu osob a ovládání informačních technologií. Všechny tyto systémy využívají odlišné komunikační protokoly. Důvodem jistě není náladovost výrobce. Hlavním důvodem je především to, že každý výrobce nejčastěji implementuje do svého zařízení svůj vlastní protokol.
Je nutné zmínit, že systémy automatizace budov byly v začátcích přebírány z průmyslové automatizace. V průmyslové automatizaci byla již dříve vytvořena řada standardů, zatímco v systémech automatizace budov byly formovány první komunikační standardy teprve v druhé polovině 80. let. V roce 1990 byl pak na evropské úrovni ustanoven technický výbor, který pro automatizaci budov vybíral sběrnice ze stávajících standardů. V následujícím článku jsou popsány základní technické parametry komunikačních sběrnic a protokolů využívaných v systémech automatizace budov. Detailněji budou popsány následující protokoly: EIB/KNX, Modbus, EcheLON, Mbus a BACnet. U jednotlivých protokolů bude vždy uveden jednoduchý praktický příklad využití komunikace. Vzhledem k tomu, že v následujícím textu budou velice často používány pojmy komunikační sběrnice a protokol, uvedeme na začátek definice těchto pojmů:
Protokol: soubor pravidel pro komunikaci mezi dvěma nebo více uzly (systémy, regulátory).
Sběrnice: (anglicky: Bus) je skupina signálových vodičů, kterou lze rozdělit na skupiny řídicích, adresových a datových vodičů v případě paralelní sběrnice nebo sdílení dat a řízení na společném vodiči (nebo vodičích) u sériových sběrnic. Sběrnice má za účel zajistit přenos dat a řídicích povelů mezi dvěma a více elektronickými zařízeními. Přenos dat na sběrnici se řídí stanoveným protokolem.
Sběrnice EIB
Evropská instalační sběrnice EIB (European Installation Bus) vznikla z elektroinstalační sběrnice Instabus firmy Siemens. Sběrnice EIB má decentralizovanou strukturu s liniovou, kruhovou nebo větvenou topologií. Maximální délka jedné větve/linky je 1000 m a může k ní být připojeno maximálně 64 zařízení. Informace po sběrnici jsou předávány v tzv. telegramech (zprávách). Pomocí liniových spojek lze k páteřní síti připojit až 12 větví. Liniové spojky pak zajišťují, aby telegram putoval jen do té větve, pro kterou je určen. Důležitým signálům může být přidělena vyšší priorita a tyto jsou pak upřednostňovány (rychlejší postup celou sítí, kratší odezva). Systém EIB je otevřený pro všechny další obory, avšak primárně je určen pro elektroinstalaci. Pomocí signálových vodičů jsou jednotlivá zařízení propojena a také napájena.
Programování jednotlivých účastníků a celého systému EIB se provádí počítačem pomocí programu ETS (EIB Tool Software). Jako základní přenosové médium je použito krouceného páru vodičů (označováno jako EIB-TP). Dále může být použito síťové vedení (EIB-PL - Power Line) nebo přenos signálů rádiem (EIB-RF - Radio Frequency). Výhodou sběrnice je ta, že mohou být bez problému propojovány zařízení různých výrobců.
Obr. 2: Příklad komunikace na sběrnici EIB
Jednoduchost zařízení využívající sběrnici EIB zaručuje především bezproblémovou instalaci a uvedení do provozu. Montáž, instalaci a nastavení zařízení tak jednoduše zvládne vyškolený elektroinstalatér. V procesu nastavování parametrů systému se zadáním příslušných adres určí, který snímač má dané akční členy ovládat. Přiřazení snímačů lze jednoduchým přeprogramováním kdykoliv změnit a tedy je možné elektroinstalaci přizpůsobit změnám dispozic bez jakéhokoliv fyzického zásahu do elektrické instalace.
Aby funkce sběrnice byla prakticky vysvětlena, pojďme popsat následující příklad. Předpokládejme dvě místnosti, obsahující elektroinstalaci s využití prvků vypínačů a termoregulátorů. Stisknutím vypínače (případně poklesem teploty zaznamenaným termoregulátorem) je vyvolána vstupní informace. Tato informace bude dále přenesena na snímač. Snímač odešle telegram adresovaný akčnímu členu, v našem případě ovladači osvětlení, který vyhodnotí danou informaci a provede příslušný úkon - například zhasne svítidlo. Je možné nastavit i "automatickou odpověď", což v praxi znamená, že po splnění úkolu akční člen odešle do snímače informaci o splnění požadavku.
Z praktického hlediska, při využití sběrnice EIB například u osvětlovací soustavy regulované v závislosti na denním světle, mohou být dosaženy úspory elektrické energie až 60 %.
Sběrnice KNX
Jako základ pro mezinárodní standard KNX byla zvolena sběrnice EIB pro její technický charakter i úspěch na trhu (bylo již realizováno přes sedmdesát tisíc projektů). Hovořily pro ni v zásadě tři výhody EIB: kompatibilita výrobků různých firem, jasná certifikace a jednotné uvádění do provozu (EIB-Tools).
Veškeré výrobky a zařízení určené pro sběrnici EIB vyhovují automaticky standardu KNX (a často bývají současně označovány oběma ochrannými známkami EIB a KNX). Standard KNX má oproti EIB mnohem větší objem funkcí, odpovídající požadovanému cíli: spojení nejrůznějších přístrojů. Možnost využití dalších přenosových médií, integrace různých zařízení (pro vytápění, větrání, klimatizaci a dále domácích spotřebičů), jakož i nové druhy uvádění do provozu (odpovídající rozšířenému spektru použití) umožňují propojení automatizace budov s automatizací domácností do skutečného "inteligentního" domu. Vytvořením standardu KNX se dostalo evropské sběrnici EIB mezinárodního zhodnocení.
Sběrnice M-Bus
Obr. 3: Komunikace na sběrnici M-Bus
Sběrnice M-Bus (z anglického Meter-Bus) je určena pro aplikace sběru dat z měřičů odběru nejrůznějších médií (například pitné a užitkové vody, plynu, tepla, elektrické energie). Sběrnice musí zajistit propojení relativně velkého počtu zařízení (řádově několika set) na vzdálenost až několika kilometrů. Přenos dat musí být kvalitně zabezpečen proti chybám. Na druhé straně typickou vlastností aplikace je nepříliš časté odečítání naměřených hodnot s nízkými nároky na odezvy v reálném čase. To spolu s přenosovými rychlostmi do 9600 Bd a obvykle nízkými požadavky měřičů na výpočetní výkon procesoru umožňuje implementovat všechny protokolové vrstvy ISO-OSI modelu programově a to včetně programové emulace sériového řadiče (UARTu).
Obr. 4: Sběr dat na sběrnici M-Bus
Data na sběrnici M-bus jsou přenášena asynchronně s délkou 8 bitů a sudou paritou (sudý počet jedničkových bitů ve slově). Mezi jednotlivými znaky nesmí být časové mezery. Přenos dat na sběrnici odpovídá komunikaci Master-Slave. To znamená, že na sběrnici je vždy jedna řídící jednotka (Master), která posílá a přijímá data od jednotlivých účastnických stanic (SLAVE). Přenos dat (bitů) mezi řídicí jednotkou a účastnickou stanicí odpovídá hodnotám log. 0 a log. 1, přičemž tyto logické úrovně jsou odlišeny hodnotami napětí a proudu. Maximální počet stanic, které mohou komunikovat na sběrnici je 250. Přenosová rychlost je úzce svázána s délkou kabelového segmentu a může se pohybovat v rozsahu 300 - 9600 Bd. Maximální délka kabelového segmentu nesmí překročit 1000 m (350 m pro 9600 Bd). Pro rozsáhlejší systémy je nezbytné přejít ke složitějším konfiguracím, kdy je celý systém rozdělen na tzv. zóny. Jednotlivé zóny se skládají ze segmentů připojených prostřednictvím vzdálených opakovačů a jsou řízeny tzv. řadiči zóny.
V praxi se tato sběrnice výlučně používá pro sběr dat z měřičů odběru médií. Nejčastěji se lze setkat s měřiči spotřeby tepla, průtočného množství, odběru plynu, apod. Zařízení jsou propojena k řídící jednotce a prostřednictvím koncentrátoru jsou data ukládána do počítače, kde mohou být dále zpracovávána. Komunikace mezi koncentrátorem a počítačem se uskutečňuje prostřednictvím sériové linky RS-232. Některé koncentrátory obsahují i optické rozhraní a je možné data vyčítat pomocí optické čtečky. Příklad sběru dat z jednotlivých měřičů do PC je uveden na obr. 4.
Sběrnice LON
Standard LON (Local Operating Network) byl vyvinut počátkem 90. let americkou firmou Echelon jako univerzální a levné komunikační spojení pro všechna možná technická použití na nejnižší automatizační úrovni.
Cílem byla výroba čipu s názvem Neuron, obsahujícího všechny potřebné funkce. Použitý protokol se nazývá LonTalk a celá technika se označuje souborně jako LonWorks. Topologie je odvozena z počítačových sítí.
Obr. 5: Sběrnice LON
Sběrnice LON je otevřený decentralizovaný sběrnicový systém využívající sériového přenosu dat (zpráv). Sestává z uzlů (řídicí systémy, regulátory), které si mezi sebou vyměňují informace. Každý regulátor obsahuje univerzální čip, obsahující neuronový čip a připojení na sběrnici. Neuronový čip obsahuje tři osmibitové procesory, paměti, časovací jednotku, vstupní/výstupní část a komunikační sběrnici.
Digitální signál sběrnice LON je přenášen sériově ve tvaru zpráv (telegramů) na různých přenosových mediích: kroucené páry vodičů, elektrorozvodná síť, vysokofrekvenční rádiové vlny, infračervené spojení, koaxiální kabel a skleněná vlákna. Přenosová rychlost se pohybuje mezi 600 b/s až 1,25 Mb/s podle použitého média a délky spojení. U kroucených párů vodičů se na vzdálenost 2 700 m dosahuje rychlosti 10 kb/s, zatímco na vzdálenost 1500 m až 78 kb/s a na 130 m až 1 250 kb/s.
V systému LON použitý protokol LonTalk je částí firemního programu (firmware) a je dnes již otevřený (standardizován v EIA-709), takže jej lze implementovat i mikroprocesory nezávislými na čipu Neuron.
V praxi se sběrnice LON s výhodou využívá v aplikacích, kde je kladen nárok na délku sběrnice (nikoliv na rychlost přenosu dat). Základní využití sběrnice je v případě propojování různých systémů (vytápění, CCTV, přístupové systémy, řízení spotřeby energií, apod.). Pro připojení sběrnice LON do PC je nutné využít vhodného adaptéru (více lze nalézt na www.echelon.com). Adaptérem jsou data transformována ze sběrnice do příslušného vizualizačního systému, který umožňuje data zobrazit.
Protokol BACnet
Komunikační protokol BACnet je především určený pro automatizační a operátorskou úroveň automatizace budov. Podstatou protokolu BACnet je formulace univerzálního popisu všech možných funkcí zařízení.
Protokol BACnet je celosvětovou normou, výkonným standardem automatizace budov. Používá se bez licenčních poplatků. Evropské a americké skupiny pracují na možnosti certifikace zařízení BACnet, aby byla zaručena zaměnitelnost produktů různých výrobců.
Přenos zpráv protokolem BACnet lze realizovat několika různými způsoby:
- Prostřednictvím sítě Ethernet (BACnet/IP). V současnosti je tato komunikace v systémech automatizace budov nejvyužívanější. Přenos dat se na tomto přenosovém médiu pohybuje rychlostí 10MBps a 100MBps.
- Prostřednictvím sítě RS-485. Sběrnice RS-485 je sériová linka, typ protokolu Master-Slave/Token-Passing (MS/TP). MS/TP má jeden nebo více uzlů (MASTER), kteří spolupracují v logickém kruhu. Sběrnice může mít i účastnické uzly (SLAVE), které ovšem nemohou vysílat zprávy bez jejich vyžádání MASTERem.
Protokol BACnet specifikuje tři hlavní části:
- Definuje"OBJEKTY" jako datové body, požadované hodnoty, časové programy, kalendáře
- Definuje "SLUŽBY" jako sdílení dat, alarmy a správu událostí, časování, trendy, správu zařízení a sítě
- Definuje standardy komunikačních médií: BACnet přes Ethernet, BACnet přes LonTalk, BACnet přes RS232
Vzhledem k výše popsanému, je výhodné použití protokolu BACnet v aplikacích, kde se využívá komunikace po Ethernetu (internetového připojení). Některá zařízení, která mají implementovanou komunikaci po protokolu BACnet, mají integrovaný webserver a je tedy možné k těmto zařízením přistupovat zádáním odpovídající IP adresy.
Protokol Modbus
Obr. 6: Protokol ModBus
Modbus je otevřený protokol vhodný pro vzájemnou komunikaci různých zařízení (programovatelné automaty, vstupně/výstupní zařízení), který umožňuje přenášet data po různých sítích a sběrnicích. Tento protokol má hlavní využití v průmyslových aplikacích, nicméně využití v systémech automatizace budov má také již své pevné postavení. Komunikace protokolu funguje na principu předávání datových zpráv mezi klientem a serverem (master a slave).
Protokol MODBUS definuje strukturu zprávy na úrovni protokolu (PDU - Protocol Data Unit) nezávisle na typu komunikační vrstvy. V závislosti na typu sítě, na které je protokol použit, je PDU rozšířena o další části a tvoří tak zprávu na aplikační úrovni (ADU - Application Data Unit). Kód funkce udává serveru jaký druh operace má provést. Rozsah kódů je 1 až 255, přičemž kódy 128 až 255 jsou vyhrazeny pro oznámení záporné odpovědi (chyby). Některé kódy funkcí obsahují i kód podfunkce upřesňující blíže požadovanou operaci. Obsah datové části zprávy poslané klientem slouží serveru k uskutečnění operace určené kódem funkce. Obsahem může být například adresa a počet vstupů, které má server přečíst nebo hodnota registrů, které má server zapsat. U některých funkcí nejsou pro provedení operace zapotřebí další data a v tom případě může datová část ve zprávě úplně chybět. Zabezpečení je CRC pro RTU Mode a LRC (kontrolní součet) pro ASCII Mode, které jsou vysvětleny níže.
Protokol MODBUS definuje dva sériové vysílací režimy, MODBUS RTU a MODBUS ASCII. Režim určuje, v jakém formátu jsou data vysílána a jak dekódována. Každá jednotka musí podporovat režim RTU, režim ASCII je nepovinný. Všechny jednotky na jedné sběrnici musejí pracovat ve stejném vysílacím režimu.
- MODBUS RTU - V režimu RTU obsahuje každý 8-bitový byte zprávy dva 4-bitové hexadecimální znaky. Vysílání zprávy musí být souvislé, mezery mezi znaky nesmějí být delší než 1.5 znaku. Začátek a konec zprávy je identifikován podle pomlky na sběrnici delší než 3.5 znaku.
- MODBUS ASCII - V režimu ASCII je každý 8-bitový byte posílán jako dvojice ASCII znaků. Oproti režimu RTU je tedy pomalejší, ale umožňuje vysílat znaky s mezerami až 1 s. Začátek a konec zprávy je totiž určen odlišně od RTU módu. Začátek zprávy je indikován znakem ":" a konec zprávy dvojicí řídicích znaků CR, LF. Tato verze protokolu je tak "lidsky čitelnější".
Jak již bylo zmíněno, používá se tento protokol převážně v průmyslových aplikacích. V systémech automatizace budov se tento protokol využívá spíše pro integrace průmyslových zařízení do centrální stanice systému automatizace budov. Většina systémů v budovách dnes vyžaduje informace i z průmyslových zařízení (například z frekvenčních měničů, které ovládají čerpadla nebo pohony).
Závěr
Z uvedeného přehledu komunikačních sběrnic a protokolů je patrné, že v současné době se v systémech automatizace budov využívá více sběrnic a protokolů. Je nutné poznamenat, že nebyly uvedeny všechny komunikační protokoly, které se v budovách využívají (např. SNMP, C-bus). Popsány ovšem byly ty nejvíce používané. V systémech automatizace budov se v současné době nejvíce prosazují sběrnice EIB/KNX, LON a BACnet. V menších projektech se používají levnější individuální řešení. Většinou je na projektantovi a dodavateli, kterou komunikační sběrnici navrhne a použije. Je pak na příslušném technikovi (programátorovi), jakým způsobem provede komunikaci vybraných sběrnic a protokolů. Zvláště obtížná je situace v případě integrace systémů využívajících jiný druh komunikačních protokolů. Na tyto integrace již dnes ale existuje řešení v podobě řídicího integračního systému (softwarové nebo hardwarové řešení). Shrnutí používaných protokolů a sběrnic je uvedeno v závěrečné tabulce, která uvádí základní parametry a využití. Sběrnice EIB je jednoznačně evropská, s poměrně přehlednou topologií srozumitelnou i pro zaškoleného elektroinstalatéra; sběrnice LON naproti tomu typicky americká a je možné ji počítačově ovlivňovat.
The presented article describes the basic introduction into building automation systems. The overview of main standards and protocol used in building automation systems are described in detail.