Zastosowanie układów 1-Wire do sterowania i diagnostyki układów zasilania odbiorców energii
Applications of 1-wire Circuits for Control and Diagnostics of Power Supply Systems for Energy end-users
Zastosowanie portów 10BASE-T1L w układach monitorowania i sterowania automatycznego wybranych instalacji budynków; DDC – Direct Digital Control; HVAC – Heating, Ventilation, Air Conditioning; VAV – Varied Air Volume, rys. M. Sroczan, E. Sroczan
Od końca XX wieku, w którym powstały rozbudowane systemy komputerowego zbierania danych (CRPD – centralna rejestracja i przetwarzanie danych), również z obiektów związanych z elektroenergetyką, trwa nieustanny rozwój techniki zdalnego pozyskiwania informacji i metod transmisji danych oraz zakresu praktycznego wykorzystania nabytej tym sposobem wiedzy. Analogowe postaci parametrów mierzonych wielkości fizycznych są agregowane i przesyłane w postaci cyfrowej między obiektami i centrum decyzyjnym [8]. Współcześnie stosuje się w tym celu również sieć internet, która działa, wykorzystując różne media transmisji sygnałów. Podobne techniki są obecne w układach automatyki procesów w przemyśle, energetyce, transporcie, budownictwie.
W artykule:
|
StreszczenieUkłady zasilania w energię elektryczną i cieplną tworzą silny związek współczesnych instalacji z tradycyjną techniką wytwarzania, magazynowania, przesyłu, rozdziału i dostawy energii do odbiorcy końcowego. Optymalizacja pracy tej struktury wymaga przetwarzania znacznej liczby informacji zebranych z wykorzystaniem sieci urządzeń pomiarowych i transmisji danych. Systemy zarządzania, od najniższego poziomu optymalizacji, wykorzystują strukturę BIoT zrealizowaną miedzy innymi z wykorzystaniem standardu 1-Wire T1L, związanego z transmisją danych przez pojedynczą skrętkę (TP). Umożliwiają to specjalizowane układy ESP oraz systemy wbudowane i dedykowane oprogramowanie (firmware). AbstractElectrical and thermal energy supply systems create a strong connection between modern installations and the traditional technology of generating, storing, transmitting, distributing and delivering energy to the end user. Optimizing the operation of this structure requires processing a significant amount of information collected using a network of measurement devices and data transmission. Management systems, from the lowest level of optimization, use the BIoT structure implemented, among others, using the 1-Wire T1L standard related to data transmission via a single twisted pair (TP). This is made possible by specialized ESP systems, embedded systems and dedicated software (firmware).
|
Aspekty techniczne procesu pozyskiwania informacji o stanie monitorowanego czy sterowanego obiektu związane są z trzema istotnymi elementami: czujnikiem danej wielkości fizycznej, regulatorem i układem wykonawczym (albo centrum decyzyjnym), a także z medium transmisji informacji przesyłanych między tymi elementami oraz sposobem udostępniania toru łączącego źródło i odbiorcę informacji [5, 6, 7, 9, 21, 23, 26, 27, 29].
W układach rozproszonych, w których współpracują różne urządzenia pomiarowe i wykonawcze, a ich liczba jest znaczna, problemem staje się sieć łącząca te elementy oraz techniczny aspekt dostępu urządzeń transmisyjnych do tej sieci. W tym celu, w wielu przypadkach, stosuje się sieć internet. Technikę i proces przesyłu danych uporządkowano dzięki zastosowaniu protokołów [10, 14, 17].
Początkowo (lata 80. XX wieku) jednym z protokołów komunikacyjnych w układach automatyki przemysłowej był HART (ang. Highway Addressable Remote Transducer), który umożliwiał pracę urządzeń w trybie analogowym i cyfrowym. Elementy układu regulacji łączył dwużyłowy tor transmisji sygnałów, stanowiący jednocześnie ich obwód zasilania energią elektryczną. Sygnał analogowy na składową stałoprądową jest nałożony w postaci sygnału zmiennoprądowego, gdzie logicznej jedynce odpowiada 1200 Hz, a zeru – 2200 Hz.
Średnia wartość przemiennego sygnału cyfrowego jest równa zeru, więc nie zakłóca sygnału stałoprądowego – zasilania. Oprócz podstawowej informacji pomiarowej protokół HART umożliwia przesłanie nastaw kalibracyjnych – zmianę zakresu, komunikatów diagnostycznych określonego punktu pomiarowego.
W tym celu wykorzystuje dwużyłowe łącze. Jako sposób komunikacji cyfrowej HART ma zbyt długie czasy odpowiedzi, wynikające z małej prędkości transmisji, dlatego ma ograniczone zastosowania, ale jest standardem komunikacji urządzeń pomiarowych i automatyki w przemyśle. Jednak sposoby wykorzystania toru zasilania do transmisji informacji zostały zmodyfikowane do postaci obecnie istniejących – m.in. w inteligentnych instalacjach elektrycznych budynków obwody zasilania odbiorników, zawierające dodatkową żyłę, służą do dwukierunkowego przesyłania informacji sterujących w systemie LCN (ang. Local Control Network) [12].
Na najniższym poziomie automatyki budynkowej znajdują się układy pomiarowe [3, 16] i układy wykonawcze. Istotny jest sposób ich połączenia ze sterownikami: prosty, możliwie tani i pewny, odporny na zakłócenia występujące podczas przesyłu danych. Jednym ze sposobów jest zasilanie systemem PoDL (ang. Power over Data Line). Zastosowanie układów scalonych jako czujników pomiarowych, połączonych do magistrali i zasilanych w systemie PoDL, ilustruje struktura produktu firmy Dallas – DS18B20 [25], przedstawiona na rysunku 2.
Zasilanie układów równolegle połączonych modułów Slave (rys. 1.) zapewnia magistrala, która jest jednocześnie linią danych (ang. DL – Data Line).
Rys. 1. Organizacja przesyłu danych w układach PoDL (ang. Power over Data Line), rys. M. Sroczan, E. Sroczan
Rys. 2. Magistrala 1-Wire® – struktura portu 3-stanowego układu scalonego termometru DS18B20 [25]
Transmisje inicjuje stopień nadrzędny Master, przywołując konkretny adres członu podrzędnego Slave, dzięki temu uporządkowany jest dostęp do linii danych, ponieważ odpowiedź nadaje tylko wybrany układ, chociaż sygnał odbierają wszystkie stopnie Slave (rys. 1.). Indywidualna, dwukierunkowa transmisja z/do kilku układów (maksymalnie 16) dołączonych do tej samej linii – magistrali 1-Wire® – jest możliwa dzięki unikatowemu, 64-bitowemu numerowi, który nadał producent układu [26]. Jest w nim zawarty 48-bitowy numer seryjny, 8-bitowy kod CRC i 8-bitowy kod rodziny. Adres jest odczytany przez sterownik Master i przechowywany w pamięci sterownika. Umożliwia to identyfikację układu dołączonego do magistrali 1-Wire® i odczytanie zmierzonej wartości danej wielkości fizycznej. Tę wielkość fizyczną mierzy dedykowany układ scalony i transmituje do modułu Master.
Czujnik transmituje wynik pomiaru, korzystając z protokołu 1-Wire®. Jest zasilany napięciem od 3 do 5,5 V, ma tylko jedno wyjście cyfrowe. Może być zasilany w sposób pasożytniczy, napięciem z magistrali, podawanym przez stopień Master. Energia jest dostarczana przez rezystor R, podciągający do stanu „high” linię danych DQ. W tym stanie linii DQ żaden z modułów nie wysyła danych, ładowany jest wówczas jego wewnętrzny kondensator Cpp, który dostarcza układowi elektronicznemu energię, potrzebną do wysłania odpowiedzi na żądanie Mastera.
Temperaturę w stopniach Celsjusza układ koduje w przedziale od –55 do 125°C, z rozdzielczością od 0,5 do 0,0625°C (zależną odpowiednio od liczby bitów – od 9 do 12). Dla zakresu temperatur od –10 do 85°C dokładność pomiaru wynosi +/– 0,5°C [25].
Układ jako termometr jest stosowany do regulacji temperatury w instalacjach HVAC i IoT [8, 11, 12, 13]. Przesył informacji jest w pełni cyfrowy. W typowej obudowie tranzystora małej mocy zintegrowany jest czujnik, przetwornik i układ realizujący dwukierunkową transmisję.
Do monitorowania i sterowania odbiorników w budynkach w ramach BIoT (ang. Building Internet of Things) zastosowanie łączy cyfrowych jest warunkiem koniecznym ze względu na rozległość i liczbę czujników i układów wykonawczych instalacji technicznych. W tych instalacjach znajdują zastosowanie protokoły transmisji opisane w modelu OSI/ISO RM (ang. Open Systems Interconnection/International Standard Organization).
Standaryzacja transmisji w układach pomiarowych
Transmisja danych z wykorzystaniem sieci internet pozwala rozszerzyć obszar stosowania układów z jednoparowym przewodem (jedna skrętka UTP). Strukturę protokołu transmisji określa model referencyjny ISO/OSI (rys. 3.), a standard IEEE 802 definiuje protokoły transmisji danych od strony realizacji technicznej w lokalnych sieciach komputerowych LAN (ang. Local Area Network) oraz miejskich sieciach komputerowych MAN (ang. Municipal Area Network) [7, 14, 17, 24, 28].
Rys. 3. Warstwy modelu OSI/ISO i standardu IEEE 802; LLC – sterowanie dostępem do łącza (ang. Logical Link Control); MAC – fizyczny adres urządzenia (ang. Multi Acces Control); MAC-PHY – układ zastępujący dwie najniższe warstwy modelu OSI/ISO RM (Open Systems Interconnection/International Standard Organization Reference Model), rys. M. Sroczan, E. Sroczan
Grupę standardów IEEE 802 tworzą między innymi następujące odmiany:
- IEEE 802.15.1 – WPAN (ang. Wireless Personal Area Networks) – stosowany jest w komunikacji Bluetooth;
- IEEE 802.15.3 – WPAN o dużej przepustowości (11 do 55 Mbit/s);
- Standard 802.15.4 definiuje warstwę fizyczną (PHY – ang. physical) i warstwę kontroli dostępu do mediów (MAC – ang. Media Access Control) modelu Open Systems Interconnection (OSI) (rys. 3.). PHY definiuje częstotliwość, moc, modulację i inne parametry bezprzewodowego łącza. MAC określa format przetwarzania danych. Pozostałe warstwy definiują środki przekazywania danych i ulepszenia protokołu, w tym aplikację końcową;
- IEEE 802.15.4 – LR-WPAN o niskiej szybkości (ang. Low Rate WPAN) charakteryzuje się niską szybkością transmisji danych i jednocześnie, dzięki energooszczędności, bardzo długim czasem pracy baterii zasilającej układ źródła sygnału. Standard definiuje zarówno warstwę fizyczną (warstwa 1), jak i łącze danych (warstwa 2) modelu OSI [1, 2, 6, 9, 10].
Adres MAC to unikatowy identyfikator przydzielany sprzętowi sieciowemu (np. karcie bezprzewodowej lub karcie Ethernet) przez producenta. Znając MAC urządzenia, można nawiązać z nim bezpośrednie połączenie, oczywiście musi być zapewniony dostęp do medium transmisyjnego (sieci), co zapewnia protokół warstwy PHY. Scalony moduł MAC-PHY umożliwia przyspieszenie procesu nawiązania łączności i realizacji transmisji.
- IEEE 802.15.5: Sieć kratowa (mesh) – zapewnia urządzeniom WPAN tworzenie stabilnej i skalowalnej sieci bezprzewodowej – sieci WPAN typu mesh o niskiej szybkości (IEEE 802.15.4-2006 MAC) i sieci typu mesh WPAN o dużej szybkości transmisji (IEEE 802.15.3/3b MAC). Wspólne są cechy obu sieci. Obejmują procesy inicjalizacji sieci, adresowania, unicastingu. Sieć LR WPAN (o niskiej przepływności) obsługuje multiemisję, śledzenie tras i funkcję oszczędzania energii.
- IEEE 802.15.6 – projekt standardu dla technologii BAN (ang. Body Area Network), standard bezprzewodowy małej mocy i krótkiego zasięgu, optymalizowany dla urządzeń i działania na ciele ludzkim oraz obsługi różnych zastosowań, w tym medycyny, elektroniki użytkowej i rozrywki osobistej.
- IEEE 802.15.7: Komunikacja w świetle widzialnym.
- IEEE P802.15.8: Komunikacja typu peer-to-peer (p2p) i komunikacja bez infrastruktury, z całkowicie rozproszoną koordynacją działającą w pasmach poniżej 11 GHz.
Standard Ethernet, IEEE 802.3cg, definiuje Ethernet jednoparowy SPE (ang. Single-Pair Ethernet) z dwoma wariantami:
- 10BASE-T1S – opracowany do użytku na krótkich dystansach – np. w samochodach, automatyzacji budynków: windy, HVAC i oświetlenie;
- 10BASE-T1L APL (ang. Advanced Physical Layer) – przeznaczony do komunikacji na większe odległości, punkt-punkt (p2p) – przyłączone są tylko dwa urządzenia.
Internet SPE w standardzie 10BASET1L wykorzystuje tor transmisji danych w postaci pojedynczej pary skręconych żył TP (ang. Twisted Pair). Jego podstawowe cechy opisuje symbolika oznaczenia standardu:
- 10 – prędkość bitowa transmisji 10 Mb/s;
- BASE – transmisja w paśmie podstawowym;
- T – przewód, para skręconych żył;
- 1 – standardowy zasięg, maksymalna długość magistrali 1 km (1000 m);
- L – daleki zasięg ponad 1 km (ponad 1000 m).
Dzięki właściwościom modułu MAC-PHY uzyskano układ, który pozwala w bardzo wygodny sposób realizować funkcje sterowania i optymalizacji parametrów instalacji budynkowych związanych z poborem, dystrybucją energii w ramach wyznaczonych przez BIoT [20, 21, 22].
Układy pomiarowe z siecią 1-Wire®
Sieci bezprzewodowe małej mocy nadawczej (LR WPAN), o bardzo niskim poborze energii, zbudowane są z układów scalonych zawierających układ nadawczo-odbiorczy, współpracujący z czujnikami mierzalnych parametrów wielkości fizycznych i siecią Ethernet. Między innymi są to BSS – bezprzewodowe sieci sensorowe (ang. WSN – Wireless Sensor Networks).
Przykładowe zastosowania to sterowanie inteligentnym oświetleniem ulic i placów oraz sterowanie pracą urządzeń wyposażenia gospodarstwa domowego w szerokim zakresie.
Standard IEEE 802.15.4. definiuje prosty protokół pakietowy o następujących właściwościach:
- transmisja z rozpraszaniem widma metodą sekwencji bezpośredniej,
- mechanizmy zapewniające integralność oraz poufność transmisji,
- wysoka niezawodność dzięki potwierdzaniu odbioru,
- optymalizacja transferu przez ustalenie priorytetu w celu obsługi kolejki,
- możliwość zmiany częstotliwości dla uniknięcia interferencji.
W warstwie fizycznej standard IEEE 802 działa, wykorzystując pojedynczą parę TP (jedną skrętkę) przewodów (SPE).
W układach automatyki procesów przemysłowych i instalacjach budynkowych tor transmisji systemu SPE jest rozwiązaniem ekonomicznym, zwłaszcza gdy wymagane jest przyłączenie większej liczby urządzeń do sieci rozproszonej w dużym (rozległym) obiekcie. W odniesieniu do budynków inteligentnych czujniki i układy zdalnego sterowania (automatycznego) dołączone do sieci zarządzania budynkiem BMS (ang. Building Management System) tworzą obszar, który może być dołączony do strefy BIoT [4, 13, 15, 21]. Celem tego działania jest uzyskanie pożądanego poziomu energochłonności budynku, na przykład w zakresie ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) oraz instalacji oświetlenia i związanego z nim poziomu zużycia energii elektrycznej [4, 19]. Finalnie prowadzi to do uzyskania budynku efektywnego energetycznie, zintegrowanego z siecią GEB (ang. Grid-interactive Efficient Building) [19], między innymi reagującego odpowiedzią DSR (ang. Demand Side Response) na sygnały dostawcy energii [4, 20, 21].
Techniczny aspekt procesu komunikacji między urządzeniami i określonym systemem zarządzania (rys. 4.) rozwiązuje układ scalony interfejsu sieciowego w standardzie 10base-T1L, z wbudowanym modułem MAC-PHY (warstwy 1. i 2. na rysunku 3.) [1, 2].
Rys. 4. Zastosowanie portów 10BASE-T1L w układach monitorowania i sterowania automatycznego wybranych instalacji budynków; DDC – Direct Digital Control; HVAC – Heating, Ventilation, Air Conditioning; VAV – Varied Air Volume, rys. M. Sroczan, E. Sroczan
Zmniejsza on obciążenie procesora DDC wymagane do realizacji komunikacji i eliminuje potrzebę użycia mikrokontrolera ze zintegrowanym blokiem MAC, ponieważ moduł MAC-PHY obsługuje transmisję danych w obu kierunkach [1, 2, 8].
ADIN1110 [1] to pojedynczy port 10BASE-T1L o bardzo niskim poborze mocy, stosowany w przemysłowych sieciach Ethernet. Wyposażony jest w zintegrowany interfejs kontroli dostępu do mediów (MAC), umożliwia bezpośrednią łączność z różnymi kontrolerami przez jednoparową sieć Ethernet SPE (ang. Single Pair Ethernet) o przepustowości 10 Mb/s. Możliwe jest dzięki temu zoptymalizowanie aplikacji dołączanych do sieci – Internet-APL (ang. Advanced Physical Layer).
W aplikacjach inteligentnego budynku będą to: HVAC, systemy przeciwpożarowe, kontrola dostępu, kamery układu kontroli dostępu, systemy sterowania windami, monitorowania stanu wyposażenia technicznego, poboru/dostawy do sieci energii elektrycznej itp.
Układy pomiarowe z siecią bezprzewodową
Alternatywą dla prostoty układów pomiarowych T1L jest sieć bezprzewodowa (rys. 5.).
Rys. 5. Obszary zastosowań rozwiązań IEEE 802.15.4/Zig-Bee; oznaczenia: AMR (ang. Automatic Meter Reading) – automatyczny odczyt liczników, HVAC (ang. Heating, Ventilation, Air Conditioning) – klimatyzacja [14]
Wi-Fi 6 (802.11ax) to standard nowej generacji, który jest następcą Wi-Fi 5 (802.11ac). W porównaniu do swojego poprzednika Wi-Fi 6 umożliwia osiągnięcie dużo większej prędkości przesyłania danych – od 574 Mb/s do 10 Gb/s. Sieć Wi-Fi 6 dostosowana jest do pracy z dużą liczbą urządzeń [20].
Mimo dużej wygody połączenia (brak okablowania), bezprzewodowe monitorowanie i sterowanie układów automatyki budynkowej ma dodatkowe wymagania. Sygnały w sieci bezprzewodowej są ogólnie dostępne, dlatego rozbudowany jest sposób kodowania informacji. Wysłanie zapytania do konkretnego urządzenia (na przykład bez podania adresu MAC) może spowodować reakcję pozostałych adresatów w postaci odpowiedzi, która generuje następne wywołanie adresata. Powstaje pętla, która blokuje pozostałym uczestnikom dostęp do sieci. Przeciwdziała temu protokół drzewa rozpinającego STP (ang. Spanning Tree Protocol).
Zadaniem protokołu jest wykrycie pętli w topologii sieci i zablokowanie jednego (lub więcej) interfejsów w celu wyeliminowania pętli. Przyjmując, że w przypadku zaistnienia możliwości dosłania informacji do danego węzła różnymi połączeniami w analizowanej sieci, wybierane jest połączenie z najmniejszą liczbą węzłów pośrednich. Związane jest to z koniecznością rozbudowania oprogramowania hosta zarządzającego taką siecią.
Podsumowanie
Określenie 1-Wire® zawarte w tytule sugeruje, iż sygnały w układach pomiarowych i układach automatyki przesyłane są jednym drutem, w rzeczywistości przewód musi mieć dwie żyły. Zatem określenie wiąże się z pojęciem pojedynczej skrętki przewodu UTP. Druga żyła pełni funkcję masy – potencjału odniesienia, a obie mogą również służyć do zasilania układu pomiarowego.
Problemem jest dostęp do sieci i prędkość transmisji. Pełna prędkość wymaga zastosowania czterech par (TP), przy dwóch można uzyskać prędkość rzędu 100 Mb/s, jedna para SPE pozwala na transmisję z prędkością 10 Mb/s. To wystarczy dla przesyłu informacji na poziomie monitorowanego albo sterowanego obiektu. Ograniczenie jest spowodowane wartością współczynnika propagacji sygnału w kablu. Przyjmuje się, że nominalny NVP (ang. Nominal Value of Propagation) dla kabla UTP wynosi około 4,7 ns/m. Przy rozległych instalacjach opóźnienie sygnału pomiarowego i sterującego może być niebezpieczne dla jakości sterowanego procesu.
Wykorzystanie układów scalonych upraszczających procesy dostępu do łącza, inicjowania i realizacji transmisji danych, począwszy od źródła informacji do poziomu decydentów, zdecydowanie rozszerzy możliwości optymalizacji zarządzania generacją i poborem energii elektrycznej.
Wydaje się, że zastosowanie sieci 1-Wire® dla określenia jakości stanu układu zasilania odbiorców energii stanowi istotny postęp wynikający z dostępności do aktualnych danych, uzyskiwanych w czasie rzeczywistym, dla dużych grup odbiorców energii cieplnej i elektrycznej [4, 12, 13, 15, 18, 23].
