Instalace komunikační sběrnice M-Bus, 1. část
Staré technické přísloví praví, že měřit znamená vědět. Měřit pohodlně znamená odečítat měřiče, umístěné v energetických uzlech, na dálku: v objektech (s výjimkou poměrových rozdělovačů tepla, kde je častější radiový přenos) většinou pomocí metalické sběrnice. Klasickým sběrnicovým systémem pro odečet měřičů energií je M-Bus, jehož mírně zastaralou domovskou stránku najdeme na stránkách www.m-bus.com [1]. Aktuální informace pak poskytne nejlépe norma EN 13757-2 (fyzická a linková vrstva) EN 13757-3 (aplikační vrstva) [2] a výrobci jednotlivých zařízení. M-Bus je pro podobný název často zaměňován s Modbusem; jedná se ovšem o dva různé protokoly s rozdílnými vlastnostmi.
V tomto textu se nebudeme věnovat podrobným principům komunikace protokolem M-Bus, ale soustředíme se na praktické aspekty, projektování, konfiguraci a uvádění sběrnice do chodu. Zvídavější čtenáři a vývojáři mohou navštívit např. stránky automatizace.hw.cz [3].
Projektování
Zde platí v první řadě, že specifikované a použité měřiče musí být rozhraním M-Bus vybaveny. Zdá se to jako zbytečná připomínka, ovšem pozor – kalorimetry a vodoměry jsou obvykle dodávkou topenářskou a topenáři se často v různých přídavných modulech, kartách a rozhraních nevyznají. Ověřte proto u výrobce nebo místního zastoupení, zda měřič rozhraní M-Bus již obsahuje, nebo zda je pro ně pouze připraven a je nutné dokoupit bateriový modul, napájecí modul, M-Busovou kartu nebo podobné zařízení. Řada měřičů (např. elektroměry Schrack DIZ/EIZ, vodoměry Actaris +m atd.) tvoří s M-Busovou částí jeden nedělitelný celek, čímž se projektování zjednodušuje. K jiným přístrojům, jako Siemens Ultraheat UH50 nebo Actaris CF Echo II, je ovšem nutné dospecifikovat M-Busovou kartu. Je to proto, že do slotu v měřiči je možné vložit i karty podporující jiné způsoby komunikace, například GSM kartu pro zasílání odečtů pomocí SMS. (Pokud se jako projektanti setkáme s nutností tyto systémy vzájemně kombinovat, třeba u centralizovaného zdroje tepla, kde jsou měřiče propojeny kabelem, a vzdálených výměníkových stanic, využívajících GSM odečty, je třeba s tím počítat předem a zvolit odečtový systém, který dokáže komunikovat oběma cestami – např. Domat SoftPLC Runtime, který obsahuje drivery jak pro protokol M-Bus, tak pro odečet pomocí SMS modulů, jež dodává např. firma Enbra.)
Čtěte také druhou část článku s tipy pro práci s komunikačními převodníky.
Ujistěte se, že pro systém měření a regulace bude na měřiči volné rozhraní. Může se stát, že distribuční firmy (rozvodné závody, plynárny...) budou chtít využít komunikační linku měřiče pro své fakturační odečty. Na jedno rozhraní nelze připojit více odečtových systémů! Tyto situace se řeší buď volbou měřiče s více pozicemi, které lze osadit dvěma kartami, nebo použitím tzv. M-Bus splitteru – přístroje, který dovoluje na jednu M-Busovou sběrnici připojit dva mastery [4].
Topologie sběrnice M-Bus je poměrně volná, na sběrnici lze dělat odbočky, větve atd., podle toho, jak jsou umístěny měřiče; kruhová topologie se však nedoporučuje. Není nutné sběrnici ukončovat různými odpory, zakončovacími členy atd., jak jsme zvyklí z linek RS485 nebo LON. Propojení v krabicích doporučujeme realizovat pomocí šroubových svorek, u tzv. Wago svorek volte typy pro sdělovací účely, nikoli silnoproudé typy. Je dobré topologii navrhnout tak, aby sběrnice šla snadno rozpojit na několik sekcí – to se hodí při servisních zásazích, kdy je třeba lokalizovat zkrat.
Protokol M-Bus je navržen tak, že maximální počet adresovatelných měřičů je 250. Master adresu nemá. Několik adres je vyhrazených pro hromadné zprávy čili broadcasty a servisní telegramy, nicméně při osazování sběrnice je hlavním omezovacím faktorem výkon převodníku, který sběrnici napájí. Všichni výrobci udávají maximální počet měřičů, který lze na jejich převodník připojit, někdy se uvádí i maximální proud převodníku a z něj lze počet měřičů spočítat vydělením této hodnoty tzv. jednotkovou zátěží (1,5 mA), tedy typickým odběrným proudem jednoho měřiče (pokud tento měřič nekomunikuje). Sběrnice M-Bus je z převodníku napájena, v klidu by výstupní napětí převodníku mělo být 36 V ss, při vysílání převodník napětí sníží na 24 V a tím vyšle log. 0.
Problém nastává v souvislosti s odporem sběrnicového vedení. Vlivem konstantního odběru měřičů na něm vzniká úbytek napětí, takže na vzdálenějších měřičích již nenaměříme 36 V, ale hodnotu nižší. V žádném bodě sběrnice by ale napětí nemělo klesnout (v klidovém stavu) pod 24 V. Při vysílání pak pokles 12 V představuje minimální napětí na sběrnici 12 V, což je hodnota nutná pro úspěšné napájení měřičů.
Při odpovědi na dotaz měřič komunikuje tak, že zmenšuje svůj vnitřní odpor a tím zvyšuje proud odebíraný z převodníku. Převodník tyto výkyvy vyhodnocuje jako logické signály. Klidový proud měřiče je max. 1,5 mA, proud v aktivním stavu je 11 až 20 mA. Je dobré si uvědomit, že v případě 200 měřičů na jedné sběrnici, což není žádná výjimka, je celkový klidový proud 300 mA a proud při komunikaci 315 mA, což je relativně malý rozdíl, který musí být převodník schopen detekovat.
Při projektování zvláště delších nebo více osazených sběrnic tedy musíme dbát i na to, aby napětí v kterémkoli bodě sběrnice v jakémkoli stavu (nejkritičtější bude asi vysílání mastera, tedy snížení napájení na 24 V) nekleslo pod zmíněných 12 V. M-Bus má sice jeden vodič kladný a druhý záporný, ale podle standardu musejí být měřiče konstruovány tak, že jim na polaritě nezáleží. To je příjemná vlastnost, která snižuje chybovost při zapojování. V projektech proto není nutné polaritu u měřičů nějak zvlášť značit, vhodná je poznámka „libovolná polarita“, aby si montér byl jist, že nad tím opravdu nemusí přemýšlet.
Topologie sběrnice pro následující příklady výpočtu úbytků napětí
Výpočet úbytku napětí na sběrnici
Podle [1] je maximální délka sběrnice 1000 m. Pro vedení je doporučen standardní sdělovací kabel JYStY 2×0,8 mm2. Tento kabel má jmenovitý odpor 3,8 Ohm / 100 m. Podívejme se nyní na několik příkladů, které ukáží úbytky napětí na vedení pro případ delšího počátečního vedení, z jehož konce se větví několik kratších stoupaček do pater. Na nich jsou pro každý byt dva měřiče, TV a SV. Úbytky na stoupačkách zanedbáme.
Při vedení d = 300 m a jedné stoupačce o 7 patrech × 4 byty × 2 měřiče (SV+TV) na stoupačce = 4 × 7 × 2 × 1,5 mA = 84 mA; úbytek = 3 × 3,8 Ohm/100m × 2 (tam a zpátky) × 0,084 A = 1,9 V ... v pořádku,
při vedení d = 800 m a jedné stoupačce o 7 patrech × 4 byty × 2 měřiče (SV+TV) na stoupačce = 84 mA; úbytek = 8 × 3,8 × 2 (tam a zpátky) Ohm × 0,084 A = 5,1 V ... v pořádku,
při vedení d = 600 m a 4 stoupačkách na konci, každá 7 pater × 4 byty × 2 měřiče (SV+TV) = 336 mA; úbytek = 6 × 3,8 × 2 (tam a zpátky) Ohm × 0,336 A = 15,3 V ... není v pořádku, protože 24 V − 15,3 V = 8,7 V, což je méně než předepsaných 12 V.
Je zřejmé, že i při bohaté rezervě v délce vedení (řekněme do 600 m včetně stoupaček) i korektním počtu měřičů (224 ks) může dojít k situaci, kdy úbytky na vedení znemožní komunikaci.
Při nasazení silnějšího vodiče o průřezu 1 mm2 a jmenovitém odporu 1,76 Ohm / 100 m se poměry z třetího příkladu změní takto:
při vedení d = 600 m a 4 stoupačkách na konci, každá 7 pater × 4 byty × 2 měřiče (SV+TV) = 336 mA; úbytek = 6 × 1,76 × 2 (tam a zpátky) Ohm × 0,336 A = 7 V ... v pořádku, protože 24 V − 7 V = 17 V, což je více než předepsaných 12 V.
Vidíme, že volba typu kabelu může mít na chod sběrnice dosti významný vliv.
Příklad: Použití UTP kabelu
V projektu nebyl typ kabelu dostatečně důrazně specifikován, montéři použili běžný UTP kabel o průměru žíly 0,5 mm, tedy průřezu 0,35 mm2. Topologie byla podobná té z příkladů, byť ne s takovými vzdálenostmi. Sběrnice se chovala „záhadně“, některé měřiče občas byly vidět, občas ne, diagnostika byla i vzhledem ke způsobu montáže, kdy konce stoupaček byly zkrouceny do jednoho svazku a zaizolovány páskou, obtížná. Technik se navíc domníval, že problém je v mechanických kontaktech ve svorkách v místech připojení kabelů z měřičů na stoupačku. Pomohlo až paralelní spojení více žil (a tím zvýšení efektivního průřezu vodiče) – díky nízkým komunikačním rychlostem není nutné používat kroucenou dvojlinku.
Nastavování měřičů, komunikační rychlosti
Počítejme s tím, že měřiče budou instalovány na těžko dostupných místech: v instalačních šachtách, podhledech, pod zámky kanceláří, obchodů, nájemců atd. Snažme se tedy vyhnout nutnosti jakékoli další manipulace s měřičem poté, co je nainstalován. Na druhou stranu se často stává, že perfektně přednastavené, naadresované a označené měřiče topenářská firma instaluje jak ji napadne a připravené formuláře s adresami, čísly místností a názvy okruhů zůstanou nevyplněny nebo jsou vyplněny nedbale. Náprava si žádá spoustu času a energie – a není se na kom hojit.
Zmiňovaný adresní rozsah 1 až 250 se týká tzv. primárního adresování. Kromě něj existuje ještě sekundární adresování, což je – zjednodušeně řečeno – označování měřičů „unikátními“ osmimístnými čísly, která vycházejí ze sériových čísel měřičů. S pravděpodobností hraničící s jistotou tedy na sběrnici nenajdeme více stejných sekundárních adres. Sekundární adresu zpravidla nelze v měřiči měnit. Některé drivery sekundární adresování podporují, více se ale využívá adresace primární, mj. z důvodů většího komfortu při případné výměně měřiče, kdy stačí nastavit na novém měřiči stejnou adresu, jako měl měřič starý. U sekundárního adresování bychom museli změnit nastavení v odečtové aplikaci.
Častá otázka je, zda je možné na sběrnici kombinovat různé typy přístrojů. V principu to možné je, velmi však záleží na tom, jak je napsaný odečítací software – přesněji řečeno M-busový driver v „masteru“ – hlavní jednotce. Vždycky je lepší nechat si potvrdit tuto možnost od dodavatele odečtové jednotky. Některé drivery podporují pouze limitovanou množinu měřičů.
Projektanti měření a regulace tedy mohou v rámci požadavků na ostatní profese vyžadovat, aby dodavatel měřiče (topenáři, chlaďaři, plynaři, sanita nebo profese silnoproudu) již v rámci své dodávky poskytl naadresované a předkonfigurované měřiče bezpečně podporovaných typů. Dosahují toho v projektu přibližně těmito texty:
„Profese dodávající měřiče tepla, chladu, vody, elektrické energie s komunikací M-Bus dodají tyto měřiče již nastavené s primárními adresami v rozsazích podle požadavků profese MaR, která tyto odečty integruje. Přednostně je třeba použít měřiče (zde jsou vyjmenovány typy, s nimiž dodavatel MaR umí bez problémů komunikovat a má to odzkoušeno). Jiné typy měřičů je potřebné nechat odsouhlasit dodavatelem MaR. Součástí dodávky měřičů bude tabulka s těmito údaji:
- typ měřiče (např. "Actaris +m")
- jeho umístění (zejména číslo místnosti, např. "1.145")
- název okruhu, který je měřen (např. "voda Bistro")
- nastavená primární adresa (např. "21").
Adresace pouze sekundárními adresami (výrobní čísla) není přípustná.“
Výčet preferovaných typů se ve specifikacích objevuje z toho důvodu, že vnitřní struktury telegramů se u různých výrobců i pro různé typy (a verze firmwaru!) měřičů mohou lišit. Odečtový software pak může u neznámých typů načítat nesmyslné hodnoty, resp. některé typy nemusí jít vůbec vybrat ze seznamu podporovaných měřičů. Proto je nutné u dodavatele softwaru nebo PLC ověřit zda
- musíme vybírat z pevné množiny podporovaných typů
- nové typy je možné nechat od výrobce odečtového programu za úplatu do driveru doplnit
- nové typy výrobce doplní zdarma v rámci rozšiřování svého systému
- nové typy si může zkušenější aplikační programátor dokonfigurovat sám, pokud dostane potřebné informace.
Mezi předposlední a poslední možností je ten rozdíl, že vydání nového driveru výrobcem může nějakou dobu trvat, přičemž předávací termín nepočká. Při „ruční“ dokonfiguraci stačí vyplnit v tabulce několik parametrů (tzv. DIF, VIF, offsety), případně dokopírovat XML soubor s definicemi. To je nejpohodlnější a nejrychlejší cesta. Sehnat podklady u výrobce nebo dodavatele měřiče není již dnes problém a firmy obvykle vědí, co se po nich chce, protože podobný dotaz na ně vzneslo již více dodavatelů odečítacích softwarů.
Příklad části konfiguračního XML souboru měřičů v prostředí Domat SoftPLC
Je také vhodné předem určit rozsahy adres pro jednotlivé profese, aby nedošlo ke kolizím – například kalorimetry 1...100, elektroměry 101...150, vodoměry 151...200. Adresy na sběrnici nemusí jít za sebou, musí být ovšem unikátní.
Sběrnice M-Bus podporuje standardní komunikační rychlosti 300 až 9600 bps. Nejčastěji se používá rychlost 2400 bps, bývá to i výchozí nastavená rychlost u většiny měřičů. Pokud měřič umí komunikovat více rychlostmi, rychlost se nastavuje buď přes displej a tlačítka na měřiči, nebo po sběrnici pomocí konfiguračního programu a převodníku, podobně jako adresa. Před uváděním do provozu je tedy vhodné zjistit jak se tato nastavení provádějí, obstarat si příslušné programy a převodníky a pokud možno si nastavení i vyzkoušet v klidu kanceláře. Možná zjistíme, že pro nastavení dalších parametrů měřiče potřebujeme speciální kabel (např. pro impulsní převodník Siemens AEW 310.2 je třeba mít USB kabel, pro jiné měřiče optickou hlavu atd.). Pokud potřebujeme nakonfigurovat jen několik přístrojů, vyplatí se objednat je od dodavatele již přednastavené.
Všechny přístroje na sběrnici by měly komunikovat stejnou rychlostí. Teoreticky by sice bylo možné komunikovat s různými měřiči různými rychlostmi, ale v praxi se to z pochopitelných důvodů nepoužívá. Zároveň by tuto funkci musel podporovat driver odečítacího systému. Obvykle se používá rychlost 2400 bps, která je dostatečně nízká na to, aby odolala i staršímu vedení a případnému elektromagnetickému rušení. Na rychlosti přenosu dat v tomto případě tolik nezáleží, odečty nás zajímají v řádu hodin nebo vyšším, takže doba odezvy v minutách je více než dostačující.
Někdy se v distribučních sítích využívají pomocné hodnoty z měřičů, jako teplota náběhu a zpátečky, pro optimalizaci ranního zátopu a další regulační funkce. I zde ale vzhledem k delším přenosovým trasám zůstáváme u rychlosti 2400 bps.
V druhém díle nás čeká několik tipů pro práci s komunikačními převodníky, kterými je sběrnice M-Bus propojována s PLC nebo PC s vizualizací, a taktéž tipy pro zapojení pulsních převodníků..
Zdroje
- [1] http://www.m-bus.com
- [2] EN 13757-2 (fyzická a linková vrstva) EN 13757-3 (aplikační vrstva)
- [3] http://automatizace.hw.cz/mbus-meterbus-zakladni-popis-komunikacniho-modelu
- [4] http://www.elvaco.com/en/products/other-accessories/m-bus-splitter, dodává i firma www.relay.de
Domat Control System s.r.o. patří k evropské špičce dodavatelů řídicích systémů a regulací pro inteligentní budovy, průmysl a energetiku. Cílem této ryze české společnosti je vyvíjet, vyrábět a dodávat řídící systémy v mezinárodním měřítku.