Systémy a komponenty používané pro automatizaci budov - integrace systémů
Příspěvek popisuje význam a princip řídicích systémů a regulátorů, které se využívají v systémech automatizace budov. V článku jsou uvedeny softwarové a hardwarové možnosti integrace systémů.
Úvod
Článek, který byl prezentovaný naposledy, uváděl základní přehled sběrnic a komunikačních protokolů v systémech automatizace budov. Je zřejmé, že zdaleka nebyly uvedeny všechny protokoly, které systémy automatizace budov využívají. Využití komunikačních protokolů je závislé na technologiích a systémech instalovaných v budovách a požadavku komunikace mezi jednotlivými systémy. Již v minulém příspěvku byl uveden výčet systémů, které mohou být využity v budovách. Nebylo ovšem uvedeno vysvětlení, co samostatný systém znamená a co všechno může obsahovat. V dnešní době již nezávisí na tom, zda se jedná o budovu administrativní, průmyslovou nebo rodinný dům. Současné trendy totiž neustále vyžadují použití nejnovějších technologií. Hlavní požadavek je dnes kladen na integraci jednotlivých systémů, tedy předávání hodnot různých veličin z jednoho systému do systému druhého. Tento příspěvek se zabývá technologiemi, systémy a komponentami a možnostmi integrace systémů v závislosti na využití různých systémů automatizace budov a komunikačních protokolů. Uvedeny budou možnosti integrace systémů na úrovni softwarové (nadstavby v PC) a procesní.
Technologie, řídicí systémy, regulátory
Současné technologie v inteligentních budovách umožňují řízení a správu jednotlivých zařízení. Ještě než zabředneme do principu a odůvodnění integrace systémů v budovách, považuji za nezbytné osvětlit některé základní pojmy, se kterými se můžeme v následujícím příspěvku setkat. Po opětovném přečtení předchozího článku "Systémy používané v "inteligentních" budovách - přehled komunikačních protokolů" jsem si uvědomil, že jsou některé pojmy pro laika příliš odborné. Opět ovšem musím zdůraznit, že článek byl z důvodu vysvětlení pojmů v oblasti komunikačních protokolů nutně uveden v této sérii jako první.
Obr. 1: Budova s integrovanými systémy
Jako první heslo se nabízí pojem technologie. Pod pojmem technologie je možné považovat systémové celky (soubor komponent a zařízení), které vykonávají specifickou funkci. Pokud vztáhneme pojem technologie na budovy a slaboproudé systémy, můžeme říci, že se jedná o celky, které se starají a řídí budovu z hlediska její automatizace. Již v uvedené definici jsem uvedl pojem systém. Za systém lze považovat skupinu nebo soubor komponent a zařízení. V případě automatizace budov se zmiňujeme o slaboproudých technologiích a systémech. Za technologie budov je tedy možné považovat systémy: vytápění, požární, přístupové, kamerové, zabezpečovací a další. Příklad využití systémů je uveden v obr. 1. Ještě před několika málo lety patřily mezi základní slaboproudé technologie vybavení budov pouze přípojky pro telefonní aparáty, rozhlas po drátě a v některých nadstandardních případech i protipožární signalizace. Technologie v budovách zaznamenala prudký vzrůst s nástupem informačních technologií. Jakým způsobem jsou ovšem uvedené technologie implementované a co jsou jejich hlavní části? Na tuto otázku zkusím odpovědět v následujících několika větách. Pojďme si pro úplnou jednoduchost uvést příklad na systém vytápění. V minulých příspěvcích jsem popisoval prostorové termostaty. Uvedl jsem, že prostorový termostat obsahuje teplotní snímač a výstupní kontakt, který spíná zdroj tepla. Na základě snímané teploty a porovnáním s nastavenou požadovanou teplotou je pak tento kontakt a tedy zdroj tepla ovládán. Termostat tedy obsahuje určitý řídicí a vyhodnocovací algoritmus. Obecně je možné říci, že termostat reguluje svůj výstup v závislosti na vstupní prostorové teplotě. Termostat tedy můžeme obecně nazvat regulátorem nebo jednoduchým řídicím systémem. V oboru automatizace budov se regulátory a řídicí systémy samozřejmě také vyskytují. Jaký je ale hlavní rozdíl mezi regulátorem a řídicím obvodem? V odborné literatuře je možné najít přesné definice pojmu regulátor. Abychom ale regulátor prakticky definovali, můžeme říci, že regulátor je zařízení, které vykonává určitou funkci neboli řídicí strategii. Regulátory se v oblasti automatizace budov označují jako DDC (Direct Digital Control) regulátory. V závislosti na hodnotách vstupních veličin stanovují své výstupy. Řídicím systémem je možné pojmenovat spojení regulátoru a vstupních a výstupních obvodů, modulů nebo komponent. Mezi komponenty je možné zahrnout vstupní snímače (např. teploty, tlaku, pohybu, oxidu uhelnatého apod.) a výstupní zařízení (motory, pohony, houkačky, signalizační světla apod.).
Obr. 2: DDC regulátor bez I/O modulů
Než přejdeme k další kapitole a popisu integrace různých systémů a technologií, pojďme se chvilku pozastavit u řídicích systémů. Považuji poměrně za důležité, pojem řídicí systém představit prakticky. Během své praxe jsem se setkal s několika možnými variantami řídicích systémů a z toho vyplynulo i několik (někdy i mnou nesprávných) pochopení smyslu řídicích systémů. Jak jsem již napsal, řídicí systém se může skládat z regulátoru, vstupních a výstupních obvodů. Řídicí systém je možné rozdělit na dvě skupiny.
- Některé řídicí systémy obsahují pouze samotný regulátor a vstupní a výstupní obvody se k němu připojují prostřednictvím vybraných komunikačních protokolů (např. LON). Samotný regulátor tedy provádí naprogramovanou řídicí strategii a ovládá vstupy/výstupy zasíláním dotazů a povelů prostřednictvím komunikačního protokolu do příslušného vstupně/výstupního (I/O) modulu. V jedné komunikační sběrnici může být připojeno více I/O modulů, kde jsou jednotlivé vstupy a výstupy rozlišeny fyzickou adresou.
- Druhou skupinou řídicích systémů jsou regulátory, které přímo na sobě obsahují vstupně/výstupní obvody a není tedy nutné připojovat vstupně/výstupní obvody pomocí komunikačních sběrnic. Napsal jsem schválně, že není nutné připojovat I/O moduly, protože u většiny řídicích systémů je možné další I/O moduly ještě připojit.
Obr. 3: DDC regulátor s integrovanými I/O moduly
Když už jsem se zmínil o vstupně/výstupních modulech, uvedu zde základní typy vstupně výstupních modulů. Vstupní moduly se rozlišují na moduly obsahující fyzické digitální vstupy a analogové vstupy. Výstupní moduly se stejným způsobem rozlišují na moduly obsahující fyzické digitální výstupy a analogové výstupy. Pod pojmem digitální neboli binární (vstup/výstup) je možné si představit dvě diskrétní hodnoty některých veličin. V praxi se nejčastěji používají hodnoty napětí nebo proudu a jsou definovány logické úrovně například takto: napětí 0 V (proud 0 A) odpovídá logické úrovni 0 a napětí 10 V (proud 20 mA) odpovídá logické úrovni 1. Taktéž jako digitální výstup je možné si představit sepnuté či rozepnuté relé a jako vstup sepnutý či rozepnutý kontakt.
Jinak je tomu u analogových vstupů/výstupů. U analogových vstupů bývá nejčastěji vstupem veličina napětí, proud nebo elektrický odpor. Hodnoty uvedených veličin se mění spojitě v závislosti na tom, jak se mění hodnota měřené veličiny. V praxi se lze nejčastěji setkat s analogovými zdroji u teplotních odporových snímačů s charakteristikou NTC20k, napěťových vstupů 0 - 10 V nebo proudových vstupů s charakteristikou 0 (4) mA - 20 mA. Například tlakové snímače mají v sobě často integrovaný převodník tlak/proud, jehož proudový výstup je snímán modulem analogového vstupu. U analogových výstupů je to samozřejmě obráceně. Výstupem jsou nejčastěji stejnosměrné hodnoty napětí nebo proudu opět v rozsahu 0 - 10 (24, 230) V nebo 0 (4) - 20 mA. To, jaká je hodnota výstupu, je určeno nejčastěji v regulátoru pomocí programu. Ještě jsem nezmínil, že moduly a regulátory jsou samozřejmě napájené ze zdroje stejnosměrného nebo střídavého napětí (nejčastěji 10, 24, 230 V).
Hlavní rozdíly mezi všemi řídicími systémy jsou nejčastěji v hardwarovém (mikroprocesoru a paměti) uspořádání regulátoru. Každý regulátor je totiž schopen pojmou určitý počet vstupů a výstupů. Podle toho se i vybírá regulátor pro určitou aplikaci. Technologie navržená do budov je určena svým počtem připojených vstupů (snímačů, spínačů) a výstupů (pohonů apod.). V tomto případě se právě navrhuje, zda řídicí systém bude použit pouze s integrovanými vstupy a výstupy, nebo se k němu připojí dodatečné vstupy/výstupy.
Integrace řídicích systémů a technologií
Obr. 4: Možné propojení komunikačních protokolů
Téměř všechny nově postavené nebo zrekonstruované moderní budovy již v dnešní době obsahují sofistikované řídicí systémy. Hlavním úkolem těchto systémů je automatizované řízení v rámci dané technologie. Navržené technologie, které jsou instalované v moderních budovách, je nutné vhodným způsobem ovládat a také vizualizovat. V případě využití více systémů instalovaných v jedné budově je také nutné systémy vhodně zaintegrovat tak, aby si jednotlivé systémy mezi sebou předávaly potřebné informace. Jelikož je dnes možné využít celou řadu moderních systémů, jako jsou systémy: vytápění (HVAC), zabezpečení, protipožární ochrany, řízení elektrických rozvodů, osvětlení, přístupu osob a informačních technologií, je nutnost integrace technologií čím dál více aktuální. Nehledě na to, že uvedené technologie většinou využívají různé komunikační protokoly.
Nejčastěji používanými komunikačními protokoly jsou EIB/KNX, Modbus, EcheLON, Mbus, BACnet, OPC a SNMP. Není tedy možné jednoduchým způsobem propojit různé technologie s různými komunikačními protokoly. Složitost propojení je naznačena dle obr. 4. Téměř vždy musí být použit odpovídající adaptér nebo převodník, který je instalován do řídicího počítače. Řídicí počítač obsahuje systém správy budov (BMS - Building Management System) a zprostředkovává komunikaci mezi různými protokoly. V reálné aplikaci to pak může vypadat tak, že řídicí počítač (server obsahující BMS) je mnohdy nestabilní a může docházet k výpadkům předávání informací mezi jednotlivými technologiemi. V současné době existuje mnoho BMS umožňujících ovládání integrovaných technologií a tyto systémy jsou převážně instalované na řídicím počítači (PC) a je tedy nutné vždy brát ohledy na bezpečnost komunikace, stabilitu těchto systémů (po delší době nutnost upgrade), složité nastavení a instalaci použitých převodníků a konfiguraci celého BMS systému.
Obr. 5. Integrátor a regulátor
Jak bylo výše naznačeno, integraci systémů je možné vytvořit využitím zásuvných karet (obsahující převodníky) nebo adaptérů, které jsou připojené do řídicího PC. Řídicí PC pak obsahuje odpovídající systém správy budov, jehož součástí jsou příslušné ovladače a vytváří tak grafickou vizualizaci nad integrovanými technologiemi. Druhou možností integrace technologií je využití regulátoru, který v podstatě nahrazuje PC.
Obr. 6. Propojení komunikačních protokolů systémem HAWK
Takovýto regulátor obsahuje potřebné fyzické vstupy a výstupy (převodníky a adaptéry jsou součástí systému) a umožňuje integraci připojených technologií, vytváření řídicí logiky a grafickou vizualizaci celého systému. Díky tomuto systému je pak možné jednoduchým způsobem integrovat různé technologie, které komunikují různými komunikačními protokoly (obr. 6). Navržený regulátor tak jednoduchým způsobem umožňuje integraci technologií s různými komunikačními protokoly. Pro integraci komunikačních protokolů je nutné pouze zvolit příslušný ovladač a regulátor je následně připraven na integraci dané technologie. Zvolením požadovaných datových bodů (parametrů) může systém operovat s daným datovým bodem a předávat jeho hodnotu do jiné technologie, která třeba komunikuje po jiném komunikačním protokolu. Vybrané regulátory mohou obsahovat konektory pro připojení LAN (TCP/IP a BACnet) a konektory pro připojení sériové linky RS232 a RS485. Dále je možné systémy libovolně doplnit o další komunikační rozhraní LON, Modbus, Mbus, EIB?. Dle uvedených komunikačních rozhraní je patrné, že některé systémy umožňují v jednom zařízení používat několik komunikačních protokolů najednou. Využitím komunikačních protokolů je pak možné předávat hodnoty vybraných veličin z jednoho systému (např. přístupový systém) do systému druhého (např. vytápění). Díky těmto informacím může systém aktivovat vytápění v dané místnosti v budově (místnosti) až po přiložení přístupové karty některého zaměstnance. Takovýto systém se pak významně podílí na snížení vydané energie v budově. Díky tomu se pak regulátory stávají plnohodnotnými systémy pro integraci současných technologií v moderních budovách.
Závěr
Příspěvek popisuje význam a obecný princip řídicích systémů a regulátorů, které se využívají v systémech automatizace budov. V článku jsou uvedeny možnosti integrace systémů a to na bázi softwarové a hardwarové. Softwarové systémy jsou instalovány na počítači, který se nazývá BMS server. Systémy založené na hardwarové platformě jsou samotnými regulátory s možností připojení různých technologií prostřednictvím vybraných komunikačních protokolů.
The paper presents functionallity and basic principal of control systems used in building automation area. Integration of systems based on software and hardware platform is also described.
