Zastosowanie systemów automatyki budynkowej w obiektach wielkopowierzchniowych
Rys. 1. Topologia systemu KNX, gdzie: UM – urządzenie magistralne, Z/C – zasilacz, SL – sprzęgło liniowe, SO – sprzęgło obszarowe [1]
Stosowane obecnie systemy automatyki budynkowej można podzielić na systemy zdecentralizowane oraz scentralizowane. W systemach zdecentralizowanych nie występuje jeden, centralny sterownik zarządzający pracą całej instalacji.
Zobacz także
Redakcja Jaki system inteligentnego budynku wybrać? Przegląd systemów smart home
Smart Home staje się coraz powszechniejszym zjawiskiem na rynku. Wiele osób decyduje się na nabycie takich rozwiązań chcąc zmniejszyć zużycie prądu przy jednoczesnym zwiększeniu swojego komfortu życia....
Smart Home staje się coraz powszechniejszym zjawiskiem na rynku. Wiele osób decyduje się na nabycie takich rozwiązań chcąc zmniejszyć zużycie prądu przy jednoczesnym zwiększeniu swojego komfortu życia. Jakie firmy oferują nam takie rozwiązania?
Redakcja, S-LABS Sp. z o.o. Inteligentny system automatyki mieszkaniowej Appartme
Obecnie dzięki inteligentnym rozwiązaniom IoT możemy przez telefon zarządzać naszym mieszkaniem. Wystarczy jedna aplikacja, która pozwala na bieżąco monitorować zużycie energii elektrycznej, decydować...
Obecnie dzięki inteligentnym rozwiązaniom IoT możemy przez telefon zarządzać naszym mieszkaniem. Wystarczy jedna aplikacja, która pozwala na bieżąco monitorować zużycie energii elektrycznej, decydować o ogrzewaniu w mieszkaniu oraz jeśli zapomnimy zgasić światło, możemy je wyłączyć zdalnie. Wszystko to dzięki systemowi automatyki mieszkaniowej, który oferuje firma S-Labs. Co ważne system jest nie tylko oszczędny, dba o środowisko, ale też nie wymaga dodatkowego okablowania.
De Dietrich Sanktuarium w Kałkowie-Godowie z nowoczesnym systemem ogrzewania marki De Dietrich
Zakończono półtoraroczny projekt termomodernizacji w Sanktuarium Matki Bożej Bolesnej, Pani Ziemi Świętokrzyskiej, zlokalizowanym w Kałkowie-Godowie. Obecnie zarówno duchowni, jak i pielgrzymi odwiedzający...
Zakończono półtoraroczny projekt termomodernizacji w Sanktuarium Matki Bożej Bolesnej, Pani Ziemi Świętokrzyskiej, zlokalizowanym w Kałkowie-Godowie. Obecnie zarówno duchowni, jak i pielgrzymi odwiedzający to miejsce, mają dostęp do zaawansowanego technologicznie systemu grzewczego.
Rozwiązanie to opiera się na wzajemnej komunikacji pomiędzy urządzeniami połączonymi magistralą. Urządzenia przesyłają między sobą rozkazy bądź informacje o stanie, na podstawie których wykonywane są polecenia. Do systemów zdecentralizowanych można zaliczyć systemy KNX, LCN i LonWorks (LON). W obu tych systemach nie występują centralne sterowniki, obecna jest natomiast magistrala komunikacyjna służąca do wymiany informacji pomiędzy urządzeniami.
Topologia systemu KNX składa się z następujących elementów (rys. 1.):
- linia, do której podłącza się elementy magistralne (maksymalnie 255 urządzeń),
- obszar, który buduje się poprzez łączenie wielu linii razem za pośrednictwem sprzęgieł liniowych (do 15 linii),
- system, który tworzony jest przez obszary połączone wzajemnie za pomocą sprzęgieł obszarowych (do 15 obszarów).
W ten sposób jeżeli urządzenia z różnych linii lub obszarów nie wymagają łączności pomiędzy sobą, to nie zachodzi konieczność przesyłania pomiędzy nimi telegramów. Takie podejście pozwala na zmniejszenie obciążenia magistrali i zwiększa jej przepustowość.
W systemie KNX magistrala komunikacyjna może zostać wykonana jako przewodowa lub bezprzewodowa. Jako magistralę przewodową stosuje się skrętkę dwuparową (twistedpair KNX.TP) 2x2x0,8, w której to jedna para żył, czerwono-czarna, wykorzystywana jest do komunikacji, a druga para żółto-biała jest rezerwowa (rys. 2.).
Podstawowym medium transmisyjnym wykorzystywanym w instalacji KNX jest skrętka dwuparowa. Medium to służy do zapewnienia zasilania urządzeniom magistralnym oraz do przekazywania informacji pomiędzy nimi. Informacje przekazywane są w postaci telegramów, czyli paczek bitów zawierających dane, między innymi o nadawcy, odbiorcy oraz rozkazie do wykonania. Każde urządzenie magistralne posiada swój własny, niepowtarzalny adres fizyczny składający się z trzech liczb. Określają one położenie danego elementu w topologii systemu. Do identyfikacji odbiorcy lub grupy odbiorców wykorzystuje się adres grupowy. Każdy element magistralny może posiadać więcej niż jeden adres grupowy. W systemie LCN wykorzystuje się do transmisji danych dodatkową żyłę transmisyjną oraz żyłę neutralną tradycyjnej instalacji elektrycznej (rys. 3.). Każdy moduł LCN może dzięki tym dwóm żyłom komunikować się z całą magistralą.
Technologia LonWorks (LON) została opracowana w drugiej połowie lat 80. XX wieku. Sieć sterowania składa się z węzłów sieci, połączonych magistralą transmisji danych. Każdy węzeł sieci realizuje zadany algorytm sterowania i zajmuje się kontrolą wejść i wyjść oraz komunikacją z innymi węzłami. Sieć sterowania oparta jest na standardowym protokole wymiany danych. W systemie LonWorks możliwe jest stosowanie wielu rodzajów magistrali, przy czym za najpopularniejszy uznaje się ten oparty na skrętce dwuparowej o prędkości transmisji 78 Kb/s w topologii swobodnej (rys. 6.). Możliwe jest również wykorzystanie topologii magistrali (rys. 7.). Sieć LON oparta jest na strukturze hierarchicznej, składającej się z następujących elementów (w kolejności od najwyższego na najniższego poziomu): domeny, podsieci oraz węzłów sieci. Dla potrzeb tego systemu stworzony został protokół LonTalk. Protokół ten określa między innymi zakresy poszczególnych identyfikatorów struktury logicznej w odniesieniu do części fizycznej systemu (tab. 1.). Przykładowa fizyczna struktura sieci LON przedstawiona została na rysunku 5. W jednej domenie może istnieć maksymalnie 32 385 węzłów.
Dopuszczalne odległości pomiędzy elementami systemu
W obiektach o niewielkiej powierzchni dopuszczalne maksymalne długości magistrali najczęściej nie stanowią większego problemu. Zarówno w systemie KNX, jak i LCN pojedynczy odcinek magistrali dwużyłowej może mieć długość 1000 m, co jest wystarczające dla większości budynków mieszkalnych jednorodzinnych czy też małych obiektów biurowych. Dopiero w kontekście obiektów budowlanych o znacznych powierzchniach, jak na przykład centra handlowe bądź całych kompleksów budynków oddalonych od siebie, należy brać pod uwagę zarówno maksymalne, jak i minimalne odległości pomiędzy elementami systemu.
Magistrala dwużyłowa, tzw. twisted-pair, w systemie KNX musi spełniać pewne ograniczenia związane z odległościami pomiędzy elementami systemu, przedstawione w tabeli 2. Należy pamiętać, że magistrala ta wymaga dodatkowych zasilaczy, co wiąże się z ostatnim, przedstawionym w tabeli 2., ograniczeniem minimalnej odległości pomiędzy zasilaczami wyposażonymi w dławik. Odległość ta liczona jest według długości przewodu magistralnego, a nie odległości między samymi urządzeniami.
Dopuszczalne odległości pomiędzy elementami magistralnymi, w odniesieniu do długości jednej linii, przedstawiono na rysunku 8. Maksymalne i minimalne odległości pomiędzy elementami magistralnymi a zasilaczami przedstawiono na rysunku 9.
Magistrala w systemie LCN nie wymaga dodatkowego zasilacza, ponieważ każde z urządzeń ma własne zasilanie. Niemniej jednak nadal występuje ograniczenie maksymalnej długości żyły danych wynoszące 1000 m. Ograniczenie to występuje w obu systemach i wynika z możliwości przesyłania telegramów na skończoną odległość.
W systemie LonWorks można stosować różne media transmisyjne (tab. 3.). Każde z nich ma inne ograniczenia co do długości pojedynczego segmentu sieci i prędkości transmisji danych. Porównując podstawowe medium transmisyjne, jakim jest skrętka dwuparowa w systemie LON, z mediami w systemie KNX, widać znaczne różnice w tym zakresie. Podstawowy segment sieci może być dłuższy, a w szczególnych przypadkach, przy zastosowaniu światłowodów, zasięg jednego segmentu sieci może wynosić nawet 30 km.
Przedłużanie magistrali przewodowej
Dla obiektów budowlanych o znacznych powierzchniach, jak na przykład centra handlowe, bądź całych kompleksów budynków oddalonych od siebie, dopuszczalna odległość 1 km może okazać się zbyt mała. Twórcy systemów przewidzieli takie okoliczności i zaproponowali swoje rozwiązania problemu.
W systemie KNX jako zastępczą magistralę można wykorzystać sieć komputerową IP. Pozwala to na zastosowanie dostępnych urządzeń, takich jak przełączniki czy routery, oraz okablowania strukturalnego. Typowa budowa systemu KNX wykorzystującego skrętkę dwuparową przedstawiona została na rysunku 11.
W takiej strukturze każda część systemu ma ścisłą budowę hierarchiczną typu linia ® obszar ® system. Wszystkie urządzenia wykorzystują skrętkę dwuparową. Dodatkowo na każdym poziomie do zasilania magistrali konieczne jest zastosowanie dodatkowych zasilaczy. Przy czym każda część systemu nadal posiada ograniczenia opisane wcześniej.
Możliwe jest zastąpienie części systemu z magistralą KNX.TP i wykorzystanie sieci IP. W tym celu stosuje się sprzęgła KNXnet/IP jako sprzęgła obszarowe (rys. 12.). Pozwala to zdjąć ograniczenia odległościowe narzucone tradycyjnej magistrali i wykorzystując sieć okablowania strukturalnego rozszerzyć zasięg działania automatyki budynkowej.
Przy takiej budowie systemu należy pamiętać, że hierarchicznie nad sprzęgłami KNXnet/IP nie może znajdować się żadne urządzenie magistralne KNX.TP.
Można również sprzęgła te wykorzystać na poziomie linii, tak jak przedstawione to zostało na rysunku 13. W takim rozwiązaniu tylko pojedyncze linie magistralne wykonane są za pomocą skrętki dwuparowej, a reszta systemu wykorzystuje sieć teleinformatyczną.
W systemie LCN nie wykorzystuje się sieci internetowej (poza produktami firm trzecich). Istnieje natomiast kilka możliwości przedłużenia długości pojedynczego segmentu magistrali. Jedną z nich jest zastosowanie modułu galwanicznej separacji i wzmacniacza LCN-IS (rys. 14.). Moduł ten pozwala na wykorzystanie pojedynczego odcinka żyły danych o długości do 1 km. W pojedynczym segmencie można zamontować maksymalnie 10 takich modułów, oddalonych od siebie o nie więcej niż 20 m (całkowita długość magistrali dwuprzewodowej, stosowanej do łączenia LCN-IS). Daje to łącznie możliwość stworzenia segmentu składającego się z 10 odcinków po 1000 m każdy. Należy zaznaczyć, że moduły te nie tworzą dodatkowego segmentu, a jedynie pozwalają na wydłużenie żyły danych, która nadal traktowana jest jako pojedynczy segment.
Jeżeli konieczne jest połączenie magistralne pomiędzy dwoma budynkami (rys. 15.), to w tym celu można wykorzystać światłowód plastikowy (odległość do 100 m) lub światłowód optyczny (odległość do 2000 m).
Nie ma modułu, który w sposób bezpośredni zamieniałby telegramy z żyły D na sygnał światłowodowy. Należy zastosować moduły LCN-IS, które zamieniają żyłę danych D na dwuprzewodową, do której następnie dołącza się odpowiednie moduły światłowodowe (LCN-LLK lub LCN‑LLG).
Możliwe jest szeregowe podłączenie kilku sprzęgów światłowodowych. Wykorzystanie tych sprzęgów nie dzieli jednak magistrali na segmenty, a jedynie przedłuża jej zasięg. Wykorzystując sprzęgło LCN-SK dzieli w sposób logiczny instalacje na segmenty. Długość odcinka magistrali w pojedynczym segmencie może zostać przedłużona na kilka sposobów (rys. 16.). Wykorzystane zostały dwa rodzaje sprzęgów światłowodowych, dla światłowodu plastikowego i optycznego. Wykorzystanie ich w segmencie możliwe jest poprzez magistralę dwużyłową, którą tworzy się za pomocą modułu LCN‑IS. W ułożeniu gwiazdowym instalacji w pojedynczym węźle mogą być połączone ze sobą maksymalnie trzy urządzenia, np. LCN-IS + LCN-LLK + LCN-LLG.
Propozycja rozwiązania komunikacji w obiektach rozległych
Na podstawie powyższych informacji przedstawiona zostanie propozycja rozwiązania komunikacji pomiędzy częścią budynków kampusu jednej z uczelni wyższych. Na rysunku 17. zaprezentowano podział na segmenty w systemie LCN.
Jeden segment może obsłużyć do 250 urządzeń, jednak żaden nie jest w pełni wykorzystany. Zastosowanie większej liczby sprzęgieł, w tym wypadku 25, ma poprawić komunikację, a także umożliwić dalszą rozbudowę poszczególnych segmentów. Istotnym elementem jest pojawienie się rozdzielnicy głównej RG, w której znajdują się wszystkie sprzęgi systemowe LCN-SK (rys. 18.).
System pracuje w sposób zdecentralizowany na poziomie połączeń logicznych (komunikacja pomiędzy modułami). Natomiast połączenia elektryczne pomiędzy sprzęgami LCN-SK należy wykonać w jednej rozdzielnicy. Takie rozwiązanie wynika z ograniczenia, jakim jest możliwość wykorzystania tylko jednej magistrali dwużyłowej, łączącej moduły LCN‑SK, w danej instalacji.
Każdy segment instalacji, który ma być w innym budynku lub odległej części tego samego obiektu, należy przedłużyć. W tym celu zastosowano moduł wzmacniacza LCN‑IS, do którego następnie podłączono moduł światłowodowy (LCN-LLK lub LCN-LLG). W ten sposób zamieniono tradycyjną żyłę komunikacyjną D na światłowód. Na drugim końcu należy zamontować kolejny sprzęg światłowodowy oraz moduł wzmacniacza, aby stworzyć żyłę danych D. Wykorzystanie światłowodu plastikowego lub optycznego uzależnione jest od faktycznej długości połączenia, liczonej wzdłuż przewodu.
Wykonanie połączeń segmentów w jednej rozdzielnicy może wpłynąć na jej działanie w przypadku przerwy w zasilaniu. Jeżeli tak się stanie, to utracona zostanie możliwość komunikacji pomiędzy poszczególnymi częściami budynku lub pomiędzy budynkami. Poszczególne segmenty, dopóki będą zasilone, dopóty będą mogły działać niezależnie od siebie. Z tego powodu można rozważyć, czy zastosowanie zasilania gwarantowanego, przynajmniej w minimalnym stopniu – tylko do zasilania sprzęgieł systemowych, nie byłoby zasadne.
Rozprowadzenie poszczególnych linii w instalacji KNX przedstawiono na rysunku 19. Ponieważ system dzieli się na linie i obszary, a nie tylko na segmenty, jak LCN, zastosowano inną numerację.
Dla przykładu, identyfikator 1/3 oznacza pierwszy obszar i trzecią linię, a 4/5 oznacza czwarty obszar i piątą linę. Jak pokazano na rysunkach 6. oraz 7., topologia sieci możliwa jest do wykonania na dwa sposoby. W pierwszym z nich tylko linia obszarowa oparta jest na sieci informatycznej. W takim rozwiązaniu połączenia pomiędzy poszczególnymi sprzęgłami liniowymi w danym obszarze muszą być wykonane w sposób tradycyjny, na przykład skrętką dwuparową KNX.TP. Przykładowo linie 4/1 do 4/9 powinny być w ten sposób ze sobą połączone. Ze względu na ograniczenia nałożone na skrętkę dwuparową mogłoby to okazać się zadaniem trudnym. Z kolei przy zastosowaniu sprzęgieł KNXnet/IP, jako sprzęgieł liniowych (rys. 13.), można wszystkie przedstawione na rysunku 19. połączenia wykonać na bazie sieci informatycznej. Przy takim rozwiązaniu należy zaznaczyć, że pojawia się w systemie większa liczba sprzęgieł liniowych. W instalacji KNX.TP możliwe jest wykorzystanie tylko 15 linii w każdym obszarze. Natomiast w przedstawionym układzie każdy sprzęg KNXnet/IP spełnia podwójną funkcję (rys. 20.). Zastosowany został ten sam podział, co w przypadku instalacji LCN, na liczbę linii z tych samych powodów. W tym rozwiązaniu nie występuje rozdzielnica główna, w której byłyby umieszczone wszystkie sprzęgła liniowe. Część okablowania strukturalnego, na bazie którego jest wykonane połączenie pomiędzy liniami, nie stanowi przedmiotu niniejszych rozważań.
Zastosowane sprzęgła KNXnet/IP z jednej strony połączone są do sieci teleinformatycznej, z drugiej, podłączone są tradycyjne skrętki dwuparowe KNX.TP. Zaznaczone zostały przykładowe adresy fizyczne. Dla każdej linii obowiązują podstawowe zasady tworzenia topologii KNX, stąd musi pojawić się przynajmniej jeden zasilacz z dławikiem.
Podsumowanie
Zastosowanie systemów automatyki budynkowej w obiektach rozległych stawia przed projektantem takiego systemu dodatkowe trudności. Oprócz zaprojektowania elementów systemu, przeznaczonego do sterowania pracą instalacji w budynku, należy także zaplanować sposób komunikacji pomiędzy poszczególnymi częściami instalacji. Sposób komunikacji jest silnie związany z wybranym systemem automatyki i nie można podać ogólnego rozwiązania tego problemu.
Zarówno w systemie LCN, jak i KNX możliwe jest stworzenie rozległej sieci komunikacyjnej, umożliwiającej wykonanie automatyki nawet dla tak rozległego terenu, jaki został przedstawiony w przykładzie. Różnice w rozwiązaniu problemu rozległej komunikacji dla tych dwóch systemów są znaczne, a stworzenie działającego systemu wymaga wiedzy z zakresu działania tych systemów.
Literatura
- KNX Association, KNX Basic Course Documentation, 2009.
- LCN, Katalog produktów, 2009/2010.
- LCN, Inteligentne Instalacje Elektryczne, 2010.
- H. J. Langels, KNX IP – using IP networks as KNX medium, KNX Scientific Conference, 2010.
- INPE, Wprowadzenie do technologii LonWorks, SEP-COSiW, Warszawa 2010.
- Dane mapy dostępne są na licencji Open Database License http://www.openstreetmap.org/copyright