Automatyka budynkowa - realizacja niewielkich sieci lokalnych

Piątek, 01 Grudzień 2023

Automatyka budynkowa zmniejsza koszty eksploatacji i utrzymania obiektów, zapewniając jednocześnie bezpieczniejsze i bardziej komfortowe środowisko życia dla jego mieszkańców. Funkcjonalność systemu automatyki budynkowej polega na uwzględnieniu jak największej ilości danych z różnych czujników, a także na użyciu wielu elementów sterujących. Realizacja takiego systemu wymaga wydajnego, elastycznego i niezawodnego rozwiązania komunikacyjnego do transmisji danych pomiędzy wszystkimi komponentami.

Terminy BAS - Building Automation Systems, lub BMS - Building Management Systems odnoszą się do automatyzacji i zarządzania różnymi systemami w budynkach i w praktyce opisują to samo. Realizują poprawę komfortu użytkowników i wzrost wydajności zainstalowanych systemów, dają obniżkę kosztów eksploatacji oraz zapewniają bezpieczeństwo.

Wdrażanie instalacji zawierających wiele czujników, przekaźników i siłowników, szczególnie w starszych budynkach i tam, gdzie zasilanie nie jest łatwo dostępne, może podnieść koszt inwestycji i będzie wymagało prac budowlanych. Do tej pory sieci RS-485 były często wybierane jako wystarczające w takich przypadkach, ale rosnące wymagania co do skali sieci, szybkości i przepustowości transmisji danych zmuszają do stosowania nowych technologi. W artykule omówimy 3 wybrane rozwiązania: KNX, BACnt oraz DALI.

Klasycznie - RS-485

Do tej pory interfejs TIA/EIA-485, powszechnie znany jako RS-485, był szeroko stosowany w układach automatyki budynkowej, ponieważ pozwala on na realizację niedrogich sieci lokalnych z łączami komunikacyjnymi typu multidrop (połączenie kilku nadajników- odbiorników do tej samej linii). RS-485 to standard wyłącznie elektryczny, który definiuje charakterystykę odbiorników i sterowników przy współpracy z symetryczną linią transmisyjną. Realizuje dwukierunkową, półdupleksową komunikację z użyciem pojedynczej skrętki, co idealnie pasuje do aplikacji budynkowych.

RS-485 może zapewnić dość dużą szybkość transmisji - nawet kilka Mb/s przy długościach magistrali nie przekraczających kilkunastu metrów i 100 kb/s przy linii o długości 1200 m. Jednak duże szybkości w aplikacjach budynkowych z RS-485 są rzadkością. Maksymalna prędkość popularnego protokołu systemów automatyki budynkowej wynosi 115 200 b/s (działającego w warstwie fizycznej RS-485 BACnet MS/TP).

W porównaniu z innymi interfejsami szeregowymi, najważniejszą zaletą RS-485 jest duża odporność na zakłócenia, co przydaje się w trudnych warunkach przemysłowych. Zdolność do tłumienia zakłóceń, dopuszczalne długie kable, obsługa wielu nadajników-odbiorników na jednej linii i stosunkowo duża prędkość transmisji danych dobrze wpisują się też w wymagania aplikacji automatyki budynkowej. Stanowi on tylko warstwę fizyczną, ale jest bazą dal takich protokołów, jak Modbus czy Profibus.

KNX - standard dla techniki budynkowej

KNX funkcjonuje na całym świecie od ponad 20 lat jako uznany standard w technice budynkowej, zgodnie z EN 50090 oraz ISO/IEC 14543. Jest jednolitym protokołem komunikacyjnym, służącym do inteligentnej realizacji różnych funkcji automatyki budynkowej. Wspiera różne media transmisji:

przewody dwużyłowe (KNX TP),
ETHERNET (KNX IP),
komunikacja radiowa (KNX RF),
Powerline (KNX PL).

Technologia KNX jest jednolitym, otwartym standardem, zapewniającym użytkownikowi łatwe i wygodne kształtowanie wszystkich funkcji automatyki budynkowej, zarówno w obiektach użyteczności publicznej, jak i w budynkach mieszkalnych. Oferuje szerokie spektrum aplikacji, pozwala łączyć ze sobą różne urządzenia, także pochodzące od różnych producentów - są kompatybilne i można je łączyć w jeden system.

Ogromną zaletą sieci KNX jest rozproszona budowa - funkcje zawarte są nie w urządzeniu centralnym, lecz w poszczególnych urządzeniach sieciowych. Czujniki, takie jak termostaty czy przyciski generują polecenia w formie telegramów. Telegramy te wyzwalają reakcję elementów wykonawczych, na przykład przekaźników do załączania żaluzji lub oświetlenia. Na bazie tego standardu można zrealizować wydajne energetycznie rozwiązania, zapewniające większą funkcjonalność i komfort przy równoczesnej redukcji kosztów zużycia energii.

KNX TP - najbardziej niezawodny

Spośród wymienionych sposobów komunikacji najbardziej niezawodną i jednocześnie najbardziej rozpowszechnioną jest komunikacja typu TP (twisted pair) bazujaca na 2-parowej skrętce, czyli parze dwóch skręconych i ekranowanych przewodów. Wymiana informacji pomiędzy sensorami (czujnikami) i aktorami (urządzeniami wykonawczymi) odbywa się za pomocą pakietów informacyjnych, zwanych telegramami, o ściśle określonej budowie. Maksymalna prędkość transmisji w tym medium wynosi 9600 b/s.

Za pośrednictwem skrętki mogą być przesyłane dane oraz jednocześnie zasilanie. Napięcie znamionowe w magistrali KNX TP wynosi 24 V, napięcie wyjściowe zasilaczy to 30 V, zaś urządzenia w sieci wymagają zasilania napięciem w przedziale 21...30 V, co zapewnia margines 9 V, który przewidziano, żeby zrekompensować spadki napięć na przewodach.

Magistralę TP tworzy ekranowana skrętka dwuparowa z żyłami w kolorze białym, żółtym, czerwonym i czarnym (fotografia 1). Dwie z nich (czerwona i czarna) są żyłami roboczymi i służą do przenoszenia sygnałów i zasilania, natomiast pozostałe dwie to żyły rezerwowe. Jako skrętkę stosuje się zwykle dwa rodzaje przewodów: YCYM 2×2×0,8 lub J-Y(St)Y 2×2×0,8. Przewód YCYM można układać zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz budynku w kanałach kablowych oraz pod tynkiem. Natomiast przewód J-Y(St)Y może być stosowany tylko wewnątrz budynku. Wymienione typy przewodów mogą być układane obok przewodów zasilających bez żadnego odstępu, jeśli kabel magistralny KNX zawiera podwójnie izolowane żyły. W przeciwnym przypadku minimalny odstęp pomiędzy kablem magistralnym a przewodem zasilającym powinien wynosić 4 mm.

Fotografia 1. Klasyczny przewód stosowany w instalacji KNX

Struktura magistrali

Podstawowym elementem topologicznym systemu KNX TP jest linia, do której przyłączane są elementy magistralne - sensory i aktory, ale topologia może być dowolna: w linę (pętlę), w gwiazdę, drzewo. Niedopuszczalne jest zamknięcie pętli. Różne rodzaje topologii mogą być mieszane ze sobą.

Rozróżnia się tu instalacje KNX uruchomione przed i po 2018 roku. Do 2018 roku włącznie tylko 64 urządzenia mogły zostać zainstalowane na jednym segmencie linii. Segment można było przedłużyć o 3 dodatkowe segmenty dodając 3 wzmacniacze. Linia składała się wtedy z maksymalnie 4 segmentów linii.

Po roku 2018 dozwolone jest zamontowanie 256 urządzeń TP w jednej linii bez użycia wzmacniaczy liniowych. Przy czym jeśli można zainstalować 256 urządzeń TP na kablu o długości 1000 m, to nie trzeba instalować żadnych wzmacniaczy. Jeśli instalacja wymaga długości przewodu większego niż 1000 m (do zainstalowania 256 urządzeń) to należy dla każdego kolejnego segmentu linii o długości 1000 m dołożyć wzmacniacz liniowy. Możemy dołożyć max. 3 wzmacniacze, co daje możliwość uzyskania linii o długości 4000 m łącznie.

Jeśli zachodzi potrzeba zainstalowania większej ilości urządzeń niż pojemność jednej linii, to do linii głównej można podłączyć do 15 linii używając sprzęgieł i tworząc obszar. W jednym obszarze może być zainstalowanych ponad 4000 urządzeń. Gdyby jednak jeszcze więcej urządzeń musiało być zainstalowanych w jednej instalacji można rozbudować ją do 15 obszarów i wtedy w całej sieci TP można zainstalować ponad 61 000 urządzeń.

Komunikacja w KNX TP

Sensory odczytują różne stany i wielkości fizyczne i nadają telegramy o określonej strukturze. Telegramy te rozchodzą się po całej magistrali KNX TP. Aktory, dla których są przeznaczone przesyłane telegramy, odbierają je, potwierdzają nadawcy (sensorowi) prawidłowe przyjęcie telegramu i wykonują zadane polecenia sterownicze. Inne elementy magistralne, których dany telegram nie dotyczy, ignorują go. Średni czas przesyłania i potwierdzenia otrzymania informacji wynosi około 25 ms.

Struktura telegramu została pokazana na rysunku 1. W polu jednobajtowym zapisywany jest priorytet wiadomości i informacja o tym, czy telegram jest przesyłany powtórnie w związku z tym, że poprzednia wiadomość nie została dostarczona do odbiorcy. W kolejnym, liczącym pięć bajtów polu, zapisywane są adresy: nadawcy i odbiorcy bądź odbiorców (adres grupowy). Informacje stanowiące treść wiadomości są przesyłane w polu o zmiennej długości, od jednego do 16 bajtów. Ostatnie jednobajtowe pole służy do sprawdzania sumy kontrolnej telegramu. Dostęp do magistrali jest losowy i wyzwalany zdarzeniami, a kolizjom zapobiega mechanizm CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance).

Rysunek 1. Struktura telegramu w protokole KNX

Każde urządzenie w sieci KNX TP ma unikalny, jednoznacznie go identyfikujący numer (adres). Składa się on z trzech cyfr oddzielonych kropkami. Cyfry określają pozycję urządzenia względem innych komponentów sieci. Pierwsza wskazuje na obszar, do którego należy dane urządzenie, zaś druga linię. Trzecia cyfra odpowiada jego numerowi w linii. W przypadku sprzęgaczy obszarów i sprzęgaczy linii ta ostatnia to 0. Na przykład sprzęgacz, który łączy pierwszą linię z linią główną w obszarze pierwszym, będzie miał adres 1.1.0, zaś urządzeniu piętnastemu z kolei w drugiej linii w trzecim obszarze zostanie przypisany numer 3.2.15. Przykład rozbudowanego systemu KNX, z naniesionymi identyfikatorami urządzeń, pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Schemat przykładowej instalacji w systemie KNX

KNX IP

Wychodząc naprzeciw coraz większym wymaganiom stawianym systemom sterowania w nowoczesnych budynkach został opracowany protokół KNX IP. W szczególności wymagania te związane są z takimi zagadnieniami, jak wzrastająca liczba węzłów (urządzeń) podlegających sterowaniu, stosowanie systemów informatycznych do monitorowania i zdalnego sterowania pracą różnego rodzaju instalacji, konieczność zwiększenia prędkości przesyłu informacji, na duże i bardzo duże odległości. Medium transmisyjnym jest wtedy sieć Ethernet, pozwalająca na przesyłanie informacji (telegramów) z prędkością 10 lub nawet 100 Mb/s.

W protokole KNX IP wyróżnia się dwie podstawowe czynności, procedurę tunelowania (KNXnet/IP Tunneling) i procedurę routingu (KNXnet/IP). Tunelowanie jest niezbędne w przypadku konieczności przesyłu informacji w ramkach IP przez program narzędziowy (ETS). Z sytuacją taką mamy do czynienia, gdy adresem docelowym jest adres fizyczny urządzenia, np. podczas wysyłania aplikacji programowej do urządzenia KNX w czasie jego programowania. Komunikacja tego typu (unicast) jest przeprowadzana za pośrednictwem adresu IP urządzenia KNX IP, które będzie dokonywać tunelowania telegramów.

Z routingiem mamy z kolei do czynienia w przypadku jednoczesnej transmisji telegramów KNX do kilku urządzeń za pośrednictwem routerów IP. Czynność ta odpowiada komunikacji bazującej na adresie grupowym w systemie KNX TP.

W początkowym okresie rozwoju systemu KNX IP routery IP były stosowane jako sprzęgła liniowe lub sprzęgła obszarowe w systemie KNX TP. Ich zadaniem było routowanie telegramów z jednej linii (obszaru) systemu KNX TP na stronę IP, a następnie routowanie tych telegramów na stronę innej linii (obszaru) systemu KNX TP.

Tak jak sprzęgło TP/TP, router KNX IP może być stosowany jako sprzęgło liniowe i obszarowe, tak wszystkie linie główne i szkieletowa zostaną zastąpione przez Ethernet. Obecnie możliwa jest bezpośrednia komunikacja (typu unicast lub multicast) między dwoma urządzeniami KNX IP, za pośrednictwem odpowiednich adresów IP tych urządzeń. Adresem docelowym jest w tej sytuacji adres odbiorcy. W ten sposób możliwe jest wykorzystanie zalet sieci Ethernet i innych technologii IT, takich jak: integracja serwera Web i usług Web, wysyłanie e-maili oraz komunikatów (alarmów) SMS-ów przez urządzenia, udostępnianie przez przeglądarki Web przechowywanych stron HTML itp.

Po wdrożeniu rozwiązania IP możliwy jest zdalny dostęp do magistrali. Za pomocą interfejsu tunelowego KNXnet/IP można zestawić bezpośrednie połączenie zewnętrzne, jeśli znany jest zewnętrzny adres WAN. W routerze sieciowym należy zaimplementować przekierowanie portu. Ponieważ jednak system

KNX nie wymaga hasła, aby uzyskać do tego dostęp, nie jest to bezpieczna metoda połączenia, dlatego nie jest zalecana.

Do nawiązania zdalnego połączenia pomiędzy siecią zewnętrzną a siecią lokalną lepiej jest użyć tunelu VPN. Zapewnia to wyższy poziom bezpieczeństwa i szyfruje ruch w tunelu. Alternatywnie można użyć urządzenia zaprojektowanego specjalnie do zdalnego dostępu KNX.

BACnet - protokuł komunikacyjny

BACnet (Building Automation and Control networks) został opracowany przez American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers Inc. w skrócie ASHRAE. W 1995 roku został opublikowany przez Amerykanów jako standard, a od 2003 roku stał się normą ISO 16484-5. Jest otwartym i publicznym protokołem komunikacyjnym stosowanym w automatyce budynkowej, który upraszcza komunikację pomiędzy produktami w systemie automatyki budynkowej, pochodzącymi od różnych producentów. Standard ten może być zastosowany w dowolnej wielkości budynku, od najmniejszych instalacji składających się z kilku urządzeń aż do bardzo dużych i skomplikowanych instalacji.

BACnet służy do łączenia różnych systemów oraz wyrobów i gwarantuje wymianę danych między urządzeniami w ramach jednolitego systemu. Wspiera liczne technologie i topologie sieciowe, z protokołem IP włącznie. Dzięki temu możliwa jest integracja układów HVAC, sterowania oświetleniem, systemów bezpieczeństwa i techniki przeciwpożarowej, zarówno na poziomie zarządzania, jak i automatyki. Dla użytkownika oznacza to nie tylko większą elastyczność, lecz także mniejsze koszty instalacji i serwisowania.

Architektura protokołu BACnet

Architektura protokołu BACnet jest dostosowana do takich zadań jak sterowanie oświetleniem, czy HVAC. Oferuje wydajną komunikację, zoptymalizowaną pod kątem krótkich wiadomości i małych sieci. Odpowiada 4 warstwom modelu OSI obejmującym aplikację, sieć, łącze danych i warstwę fizyczną, ale tylko warstwa sieciowa i warstwa aplikacji typowy BACnet (rysunek 3).

Rysunek 3. Architektura protokołu BACnet odpowiada 4 warstwom modelu OSI obejmującym aplikację, sieć, łącze danych i warstwę fizyczną, ale tylko warstwa sieciowa i warstwa aplikacji typowy BACnet

Górne warstwy BACnet nie zależą od warstwy fizycznej. Zatem warstwa fizyczna protokołu BACnet umożliwia działanie protokołu BACnet w różnych sieciach - określone zostały ARCNET, Ethernet, BACnet/IP, RS-232 (PTP), RS-485 (MS/TP) i Lonworks/LonTalk. RS-485 obsługuje do 32 węzłów przy odległości do 1200 m i prędkości 76 kb/s.

Obiekty i usługi w BACnet

Wszystkie informacje zawarte systemie BACnet są modelowane w postaci jednego lub większej liczby obiektów informacyjnych. Obiekty reprezentują informacje fizyczne lub wirtualne, takie jak wejścia i wyjścia analogowe i binarne, algorytmy sterowania, określone aplikacje i obliczenia. Obiekty mogą reprezentować pojedyncze informacje lub zbiór wielu informacji, np. w formie logicznego grupowania. Każdy obiekt reprezentuje jakiś ważny element urządzenia lub zbiór informacji, który może być istotny dla innego urządzenia BACnet.

Standard BACnet definiuje 54 różne standardowe typy obiektów (tabela 1). Dane urządzenie może implementować dowolne kombinacje tych standardowych typów obiektów do reprezentowania informacji i logiki sterującej, które są istotne dla konkretnego zastosowania tego urządzenia. Standardowe typy obiektów są przydatne, ponieważ ich znaczenie jest dobrze zdefiniowane, a ich komponenty konsekwentnie implementowane w różnych urządzeniach. Standard BACnet umożliwia także tworzenie obiektów niestandardowych lub zastrzeżonych, dla których interoperacyjność z innymi dostawcami może nie być tak spójna.

Każdy obiekt jest identyfikowany za pomocą identyfikatora obiektu. Identyfikator obiektu to 32-bitowa liczba binarna zawierająca kod określający typ obiektu i numer instancji obiektu. Ponadto każdy obiekt, bez względu na jego przeznaczenie i funkcję, ma zbiór właściwości definiujących obiekt. Każda właściwość zawiera co najmniej nazwę i wartość.

Wszystkie obiekty BACnet zawierają pewną grupę właściwości - zostały one pokazane w symbolicznie na rysunku 4. Pierwsza kolumna zawiera nazwę właściwości, druga kolumna zawiera wartość właściwości.

Rysunek 4. Obiekty BACnet zawierają pewną grupę właściwości

Usługi BACnet to formalne żądania wysyłane przez jedno urządzenie BACnet do innego urządzenia BACnet w celu poproszenia go o wykonanie jakiejś czynności. Usługi pogrupowane są w pięć kategorii funkcjonalności:

dostęp do obiektów (odczyt, zapis, tworzenie, usuwanie);
zarządzanie urządzeniami (wykrywanie, synchronizacja czasu, inicjowanie, tworzenie kopii zapasowych i przywracanie bazy danych);
alarm i zdarzenie (alarmy i zmiany stanu);
przesyłanie plików (dane trendów, przesyłanie programów);
terminal wirtualny (interfejs człowiek-maszyna za pośrednictwem podpowiedzi i menu).

Usługa definiuje każde żądanie, oraz wszelkie parametry, które należy przekazać i odebrać. Obiekty i usługi są kodowanie w strumień danych numerycznych, które reprezentują pożądane funkcje lub usługi do wykonania. To kodowanie jest wspólna dla wszystkich urządzeń BACnet. Urządzenia BACnet wymieniają informacje i wykonują różne czynności poprzez wysyłanie i odbieranie wiadomości elektronicznych zawierających ten zakodowany język. BACnet umożliwia użycie wielu typów systemów transportowych do przesyłania zakodowanych wiadomości między urządzeniami.

DALI - sterowanie oświetleniem

DALI (Digital Addressable Lighting Interface) jest protokołem komunikacyjnym do systemów oświetlenia. Został ujęty w normie IEC 62386. Służy on do komunikacji pomiędzy urządzeniami sterującymi oświetleniem, takimi jak stateczniki elektroniczne, czujniki natężenia oświetlenia lub czujniki obecności. Został opracowany w celu ujednolicenia techniki cyfrowego sterowania urządzeniami związanymi z oświetleniem.

Protokół DALI jest stosowany w automatyce budynkowej do sterowania pojedynczymi oprawami oświetleniowymi i ich grupami. Przyporządkowanie poszczególnych opraw do elementów sterujących oraz grupowanie opraw następuje poprzez adresy. Urządzenie Master może sterować linią złożoną z 64 urządzeń. Każde urządzenie może zostać przypisane do 16 oddzielnych grup i 16 oddzielnych scen. Dzięki temu możliwe jest nie tylko załączanie i ściemnianie, lecz także przekazywanie komunikatów o statusie ze statecznika do systemu sterowania.

DALI zapewnia dużą elastyczność, bo dostosowanie systemu sterowania oświetleniem (programowo, bez wymiany osprzętu) do nowych zadań (inny podział pomieszczeń, zmiana warunków użytkowania itp.) jest bardzo proste. Oprawy oświetleniowe można przyporządkowywać i grupować także po zamontowaniu (na przykład przy okazji zmiany przeznaczenia pomieszczeń), bez zmiany oprzewodowania. W większości przypadków gotowe aplikacje sterowania DALI są integrowane poprzez sieci nadrzędne, takie jak KNX, BACnet lub Modbus, z kompleksowym systemem automatyki budynkowej.

Architektura sieci DALI

Protokół DALI umożliwia tworzenie sieci o różnej topologii: gwiazdy, drzewa lub magistrali. Schemat przykładowej instalacji został pokazany na rysunku 5. Głównym elementem jest para przewodów służących do jednoczesnego przesyłania danych oraz zasilania. Długość przewodów jest ograniczona do 300 metrów. Niezbędnym elementem sieci jest układ zasilania magistrali (bus power supply), zapewniający właściwy poziom napięcia na magistrali - nominalna wartość to 16 V ale może mieścić się w zakresie 9,5...22,5 V; maksymalny dostarczany prąd to 250 mA.

Rysunek 5. Schemat przykładowej instalacji w systemie DALI

Każdy z układów podłączonych do sieci ma swój własny unikatowy adres o wartości od 0 do 63 (adresowanie 6-bitowe). Adresacja poszczególnych węzłów może odbywać się automatycznie, zazwyczaj po fizycznym podłączeniu wszystkich komponentów do sieci. Szybkość transmisji danych wynosi 1200 b/s, format danych to 8 bitów, 1 bit startu, 4 bity stopu, kodowanie Manchester.

Zalety i wady DALI

Podstawową zaletą systemu DALI jest jego prostota i łatwość w tworzeniu instalacji DALI. Ze względu na niską prędkość przesyłu danych, oraz wysoki współczynnik SNR (Signal to Noise Ratio), sam sygnał jest bardzo odporny na zakłócenia. Te cechy pozwalają na prowadzenie kabli sterujących razem z zasilającymi, co znacząco ułatwia montaż całego systemu, oraz obniża jego koszt. W porównaniu systemów analogowych, DALI umożliwia dokładne odczytywanie informacji w systemie, co w połączeniu z dwukierunkową komunikacją umożliwia stałe monitorowanie systemu oświetleniowego i odpowiednie dostosowanie go do warunków panujących na obiekcie. System bazuje na otwartej architekturze, oraz ma możliwość integracji z innymi systemami automatyki budynkowej.

Główną wadą DALI jest fakt, że większość starych opraw nie jest z nim kompatybilna. Podobnie jest z ograniczeniem ilości urządzeń do 64 szt. W przypadku większej ilości urządzeń wymagane jest tworzenie podsieci z dodatkowymi bramkami sterującymi.

Podsumowanie

Zaprezentowane rozwiązania to tylko niewielki fragment całego wachlarza standardów i rozwiązań stasowanych w BMS. Producenci prześcigają się w pomysłach na nowe urządzenia, systemy i nowoczesne technologie automatyzujące budynki. Można przewidywać, że wygra ten, kto będzie w stanie połączyć to wszystko w jeden spójnie funkcjonujący system i sprawi, że domy staną się nie tylko zautomatyzowane, ale naprawdę "inteligentne".

Damian Sosnowski, EP

Źródła przydatnych informacji: