Řízení systémů tvorby prostředí - součást integrovaných řídicích systémů budov (I)
Článek pojednává o řízení vzduchotechnických a vytápěcích systémů budov a monitorování jejich funkce v kontextu integrovaných systémů v budovách, především se zaměřením na budovy pro bydlení a budovy v terciární sféře.
Zvláště v těchto budovách existuje velký potenciál pro uplatnění plně integrovaných řídicích systémů. Dobře (optimálně) řízený a provozovaný systém vytvářející vnitřní prostředí hraje základní úlohu při energetickém managementu budovy. Budovy s integrovaným řídicím, monitorovacím a komunikačním systémem se obvykle nazývají inteligentní (chytré) budovy. Inteligencí systému je obecně v informační a řídicí technice míněna schopnost autonomní adresné komunikace, monitorování a odezvy systému, přičemž systém tvoří adresovatelné prvky s komunikační schopností, rozhodovací schopností a pamětí. Požadavky na inteligentní budovy jsou uvedeny v materiálu normalizační organizace CENELEC - "Smart- House Code of PracticeCWA 50487:2005" [1]. Těmto požadavkům vyhovují pouze tzv. otevřené řídicí systémy. V článku jsou stručně popsány požadavky na tyto řídicí systémy a možné účinky zavedení těchto systémů u vzduchotechnických a vytápěcích systémů na energetické parametry budovy.
ÚVOD
Na základě úrovně a šíře kladených požadavků na multifunkční užití budov a jejich parametry (tzv. chytré nebo inteligentní budovy), je zřejmé, že v blízké budoucnosti mají velkou perspektivu užití integrovatelné řídicí a komunikační systémy v budovách. Tyto systémy dovolují bez podstatných zásahů reagovat na nové požadavky vyvíjející se struktury obyvatel a okolí na využití a provozování a vlastnosti budov, na řízení provozu, zabezpečení objektové i zabezpečení uživatelů (např. zdravotní) a komunikační možnosti. Tyto systémy dovolují také aplikovat vyvíjející se komunikační a řídicí technologie bez významných stavebních úprav.
Definice celé šíře požadavků, vyplývajících z předpokládaného sociálního a demografického vývoje populace, vývoje řídicí, komunikační techniky a možností jejich aplikace, dále energetických a environmentálních prognóz, je uvedena v podrobnostech v materiálu CENELECu "SmartHouse Code of Practice CWA 50487:2005" [1] - (dále jen COP).
UŽIVATELSKÉ POŽADAVKY NA INTEGROVANÉ SYSTÉMY V BUDOVÁCH
V COP jsou popsány požadavky na budovy pro bydlení z hlediska techniky budov. Jednotné požadavky na jiný sektor zatím tak exaktně a komplexně zpracované nejsou, vyjma definice požadavků na řídicí systémy technologických zařízení [2], [3]. Podle COP návrh a implementace systému, služeb a produktů vyžaduje detailní informace týkající se:
- potřeb obyvatel a jejich očekávání;
- uživatelského rozhraní;
- bezpečnosti;
- parametrů širšího okolí a místní sítě;
- požadavků na služby a způsobu jejich používání;
- užitých nebo předpokládaných technických zařízení;
- principů systémové architektury;
- informací o systému týkající se jeho instalace, komponent, provozu a údržby.
Na základě těchto informací může být proveden souhrn oblastí (tříd) zákaznických požadavků. Tyto požadavky jsou uvedeny v tab. 1.
| Třída technických požadavků | Spolehlivost a kvalita služeb |
| Technika prostředí, spotřeba energie a její management | |
| Dostupnost zařízení | |
| Komunikace | |
| Kompatibilita a zaměnitelnost | |
| Třída sociálních požadavků | Kompatibilita s existujícími službami |
| Zdravotní péče | |
| Bezpečnost | |
| Zabezpečení soukromí | |
| Sociální péče | |
| Informační služby | |
| Třída uživatelských požadavků | Nákladová bilance |
| Uživatelské rozhraní | |
| Přátelské prostředí | |
| Možnost personalizace | |
| Komfort a jednoduchost užití |
Z tab. 1 je zřejmé, že integrovaný systém v budově obsahuje nejenom technické položky, ale také institucionální položky.
Výše uvedené položky mohou být sdruženy do základních skupin:
- řízení kvality vnitřního prostředí včetně energetického managementu zahrnující technické alarmy;
- dálkové měření spotřeby energií a medií;
- domovní informační a řídicí systém zahrnující simulace přítomnosti, monitorování zdravotního stavu obyvatele a jeho bezpečnosti;
- domovní zabezpečovací a kamerový systém CCTV;
- detekce neoprávněného vstupu;
- požadavky na údržbu zahrnující vzdálenou diagnózu systému;
- práce z domova;
- vzdělávání (e-learning);
- videokonference;
- společenská péče zahrnující videokonference;
- zábava.
Jak je vidět z výše uvedených skupinových požadavků, inteligentní systémy předpokládají vybudovanou externí síť navazujících služeb a poskytovatelů služeb (SSP).
SSP může vytvářet řetězce služeb, které mohou prostřednictvím určitých indikátorů (například spotřeb energií a látek) monitorovat některé další indikátory jako je stav obyvatel v monitorovaném domě, neoprávněný vstup, ohrožení, havárie apod. Například monitorováním spotřeby vody může být monitorován stav starších osamocených lidí v domě a tento monitorovací systém spotřeby vody monitorovaného zařízení (případně celé budovy) může být napojen na pečovatelské služby zahrnující zdravotní služby apod.
Zařízení v inteligentní budově tak nekomunikují pouze v jedné skupině, ale existuje potenciální potřeba komunikace zařízení v různých skupinách - například vytápěcí a chladící systém v budově řízený podle přítomnosti osob v budově, osvětlovací systém simulující přítomnost osob v jejich nepřítomnosti apod. komunikuje s pohybovými čidly a zabezpečovacím zařízením apod. Seznam možných interakcí by byl velmi obsáhlý a neustále se zvětšuje s rozvojem řídicí a komunikační techniky.
Požadavky na meziskupinovou komunikaci a komunikaci se službami vyžaduje transparentní otevřený systém, který může být snadno udržován, aktualizován a volně rozšiřován v budoucnosti. Tyto požadavky mohou splnit beze zbytku pouze otevřené transparentní sběrnicové systémy.
Komunikační architektura
Takto definované požadavky na sběrnici vytvářejí logiku COP - tedy otevřenou architekturu inteligentní budovy. Podle této logiky i v případě, že v budově již existují skupiny zařízení, jako jsou například zabezpečovací systém, řídicí a monitorovací systém vytápění a větrání, bude existovat společná domovní komunikační brána a jediná informační linie, která podporuje jakýkoliv již instalovaný komunikační a řídicí subsystém.
Komunikace mezi skupinami se vyskytuje řidčeji než komunikace zařízení ve skupině, nicméně pro tuto komunikaci může být v případě různých komunikačních protokolů a komunikačních architektur nutný překlad a přizpůsobení. Jako sjednocovací komunikační páteř může být s výhodou použita internetová síť, která má dostatečnou komunikační kapacitu, jak z hlediska rychlosti přenosu dat, tak i z hlediska objemu přenášených dat. Slabé místo komunikačního systému s IT je bezpečnost dat, zvláště, když k ní mají přístup další instituce (SSP). Zjednodušené schéma takové sjednocené komunikační platformy je uvedeno na obr. 1.
Obrázek 1 - Komunikační platforma založena na síti IT
Příklad propojení skupin do jedné páteřní linie komunikačního systému je uveden na obr. 2.
Obrázek 2 - Příklad propojení skupin do jedné páteřní linie komunikačního systému
Principy komunikace
Vyměňované informace mezi domovními prvky jsou rozděleny do tří nadskupin, které jsou charakterizovány potřebnou šířkou přenosového pásma/ přenosovou rychlostí. Rozdělovací linie mezi těmito skupinami není ostrá, naopak se překrývá.
Pro informační systém inteligentních domů je požadováno, aby všechny prvky tohoto systému komunikující v síti podporovaly systém OSI (Open Systems Interconnection) podle specifikace v ISO/IEC 7498. Podle této specifikace je 7 vrstev. Na základě definice OSI jako otevřený systém může být deklarován pouze systém, který vyhovuje normovým požadavkům na kompatibilitu každé ze sedmi vrstev. Vrstvy podle specifikace OSI (ISO/IEC 7498) jsou uvedeny v tab. 2.
| ISO/IEC 7498-1: Information technology. Open System |
|||||
|---|---|---|---|---|---|
| Uživatelské vrstvy | 7 | Aplikační vrstva | Aplikační kompatibilita | Přenos souborů, konfigurace, síťové služby | Aplikační protokol |
| 6 | Prezentační vrstva | Interpretace dat | Překlad bitových zpráv | ||
| 5 | Relační vrstva | Řízení | Řízení přenosu, navázání na ukončení spojení | ||
| Vrstvy přenosu dat | 4 | Transportní vrstva | Zabezpečení vzájemného spojení | Navázání a ukončení spojení, zamezení duplicit | Transportní protokol |
| 3 | Síťová vrstva | Doručení zpráv | Adresace a směrování paketů | ||
| 2 | Linková (spojová) vrstva | Vstup medií a tvorba rámců | Kódování dat, kontrola chyb, přihlašování do sítě a zabránění kolisím | ||
| 1 | Fyzická vrstva | Elektrické spojení | Schéma modulace signálu, přenosová media (kroucená dvojlinka, silové kabely, koaxiální kabely, infračervený přenos, RF přenos, optické kabely) | ||
| 0 | Media | Tvorba logiky přenosu dat převodníků a tvorba logiky přenosu bitů | Transportní infrastruktura | ||
| -1 | Způsob sběru a konverze základních signálů | ||||
| Poznámka: Vrstvy 0 a -1 nejsou specifikovány ISO/IEC 7498 | |||||
Tabulka 2 - Vrstvy podle specifikace OSI (ISO/IEC 7498)
Fyzická vrstva zahrnuje konektory, kabely a zařízení pro tvorbu digitálních signálů a dále zabezpečuje synchronizaci přijímaných a vysílaných relací.
Linková vrstva zabezpečuje formátování přenášených informací do rámců zahrnující adresu příjemce a odesílatele, vlastní přenášený údaj a případně údaje potvrzující přijetí zprávy příjemcem.
Síťová vrstva zabezpečuje směrování (routing) přes přepínače (routery) spojující komunikační linie.
Transportní vrstva konfiguruje přenášenou relaci (pakety).
Relační vrstva vytváří relace - neboli časové intervaly pro komunikaci mezi aplikačními procesy a synchronizuje komunikaci.
Prezenční vrstva vytváří překlad přenášených bitových řetězců do tvaru dostupného pro uživatele.
Aplikační vrstva pak poskytuje podpůrné služby jako je možnost dálkového programování jednotlivých prvků, výstupy údajů a informace z procesů.
Vrstvy jsou do jisté míry vzájemně závislé, například způsob vytvoření první vrstvy může mít vliv na řešení vyšších vrstev. Na základě systému OSI vrstev může být otevřený systém definovaný jako systém vyhovující stardandizovaným požadavkům všech vrstev (tzn., že není obecně jednoduše možno napojit se na standardizovaný systém v izolovaných jednotlivých vrstvách. Příklad řešení sjednocení různých systémů je uvedeno na obr. 3.
Obrázek 3 - Příklad řešení sjednocení různých systémů
Mezi nejdůležitější dodavatele první vrstvy (vrstvy přenosu dat) pro domovní aplikace, včetně aplikací pro vytápěcí a vzduchotechnické systémy, patří technologie označené jako KNX® (dříve EIB) - zahrnující přední evropské elektrotechnické výrobce (Siemens, Merten, ABB, Bush-Jaeger a další) a jako LON® zahrnující rovněž některé evropské (Schneider-Electric), ale především americké technologie založené na mikroprocesoru firmy Echelon®. Oba informační a řídicí technologické systémy jsou otevřené ve všech vrstvách. Některé řídicí systémy zahrnují pouze vyšší vrstvy (BACnet®).
Filosofie otevřeného systému je taková, že jakýkoliv výrobek nesoucí označení otevřeného systému např. KNX® (EIB) nebo LON®, může být zapojen do systému nesoucí stejné označení a je vzájemně kompatibilní ve všech vrstvách. Pouze v případě, když jednotlivá zařízení jsou zapojena do různých komunikačních sítí (např. kabelová síť a radiofrekvenční síť), je potřebné provedení komunikačního rozhraní.
Komunikační media
Přenos instrukcí a dat se děje všemi vrstvami způsobem, který je definovaný komunikačním protokolem, prostřednictvím komunikačních medií. Skupinové požadavky na komunikaci na nejnižší úrovni (fyzická úroveň komunikačního systému) se označují CCCB (Commands, controls and communications in buildings). Zahrnují požadavky na elektrické instalace, vytápěcí a vzduchotechnické systémy, zabezpečovací zařízení a také tzv. bílé zboží (domácí spotřebiče). Příkladem hardwarových zařízení pracujících v rámci nejnižší (fyzické úrovně) jsou senzory a akční členy.
V principu existují čtyři hlavní skupiny komunikačních medií. Jsou to:
- komunikační kabely;
- infračervené vysílače a přijímače;
- bezdrátová komunikace;
- silové kabely.
Každé z těchto medií má určité výhody i nevýhody a jejich použití závisí na více faktorech. Při jejich volbě je nutno vzít do úvahy délku kabelové sítě, možnost vzdáleného přenosu jednotlivých medií, rychlost přenosu a objem dat apod. V některých případech je pro komunikaci výhodné použití více medíí (např RF přenos a kabelový přenos).
Komunikační kabely
Fyzická architektura řídicího systému ústí ve sběrnicové topologie, které závisí na použitém systému. Mohou být striktně lineární, nebo komplexnější - kruhové, větvené nebo i zcela volné.
Délkové omezení a omezení počtu prvků v jednotlivých systémech souvisí s rychlostí použité komunikace, způsobem tvorby signálu (impedance sítě) a napájením zařízení (běžně jsou jednotlivé prvky napájené ze sběrnice).
V tab. 3 je uvedeno porovnání parametrů sběrnicových systému KNX a LonWorks.
| Parametr | KNX - TPI 64 | KNX - TPI 256 | Echelon LPT - 11 |
|---|---|---|---|
| Přenosové medium | Stíněná kroucená dvojlinka | Stíněná a nestíněná kroucená dvojlinka | |
| Topologie | Lineární, hvězdicová, větvená nebo kombinace | Hvězdicová, větvená nebo kombinace | |
| Přenosová rychlost | 9 600 bps | 78 125 bps (podle počtu zapojených spotřebičů) | |
| Napájení | Sběrnicové nebo individuální | Sběrnicové nebo individuální | |
| Spotřeba zařízení | 3 - 12 mA | Podle aplikace - až 100 mA | |
| Napájecí soustava | 30 V DC SELV, polarizace | 48 V SELV | |
| Maximální počet zdrojů na linii | 2 | 1 | |
| Max. počet zařízení na linii | 64 | 256 | 128 |
| Délka kabelu linie | 1000 m | 320 (750) m | |
| Vzdálenost mezi zařízeními | 700 | podle délky kabelu | |
Tabulka 3 - Porovnání parametrů sběrnicových systému KNX a LonWorks
Z tab. 3 je zřejmý rozdíl v rychlosti přenosu informace obou systémů v důsledku zásadně rozdílné modulace systémů, ale také délky kabelu v jedné linii.
Uvedená délka kabelu muže být zvýšena při použití opakovačů, za předpokladu, že objem přenášených dat není příliš vysoký. U obou systémů se doporučuje spíše než prodlužovat délku linie, použít více linií s liniovými spojkami.
Silové kabely
Použití silových kabelů se řídí normou EN 50065-1. Pro přenos signálu se používá frekvenční modulace o základní frekvenci pod úrovní 150 kHz.
V tab. 4 je uvedeno porovnání parametrů sběrnicových systému KNX a LonWorks.
| Parametr | KNX PL 110 | KNX PL 132 | Echelon PL 3120/PL3150 |
|---|---|---|---|
| Základní frekvence | 90 - 125 kHz | 125 - 140 kHz | 125 - 140 kHz |
| Druhé pásmo | - | - | 110 - 125 kHz |
| Efektivní datový přenos | 1 200 bps | 2 400 bps | 4 800 bps |
| Propustnost | 5 paket/s | 18 paket/s |
Tabulka 4 - Porovnání parametrů silových sběrnicových systému KNX a LonWorks
PL 110 je původní silová sběrnice vyvinutá společností Busch-Jaeger a sběrnice PL 132 je vyvinutá v rámci systému EHS, která má být použita především pro zásuvkové domácí spotřebiče (bílé zboží).
Oboje zařízení splňuje EN50065-1. Nezávislé testy prokázaly, že systémy PL132 a Echelon mohou pracovat nezávisle na stejné silové síti bez nežádoucí interference, kromě omezení datové propustnosti. Systém Echelon je schopen pracovat na vlnových rozsazích 9 až 95 kHz definovaných v EN50065-1 nazývané jako A rozsah.
Radiofrekvenční komunikace
Radiofrekvenkční komunikace není pro aplikace v rámci budovy zatím široce rozšířena. Přenos je na vlnových rozsazích 433 MHz. (LonWorks) a 868 Hz (KNX) a je uskutečňován frekvenční modulací s rychlostí přenosu 16 384 bps. Maximální výkon vysílače je 12 mW. Bezdrátový přenos umožňuje větší volnost zavedení systému především v již existujících objektech bez jakéhokoliv zásahu do stavebních konstrukcí, nicméně systém je omezen v důsledku útlumu signálu ve stavebních konstrukcích.
Volba komunikačního media
Klady a zápory použití jednotlivých druhů komunikačních medií jsou uvedeny v tab. 5.
| Medium | Výhody | Nevýhody | |
|---|---|---|---|
| Nevyžaduje nové kabely | Bezdrátové |
|
|
| Infračervené | Jednoduché, bezpečné | Neproniká stěnami | |
| Silové kabely |
|
|
|
| Nové komunikační kabelové rozvody | Komunikační kabely (zahrnující koaxiální kabely, dvojlinky, optické kabely) |
|
|
Tabulka 5 - Klady a zápory použití jednotlivých druhů komunikačních medií
Architektura monitorovacích a řídicích systémů ústí ve sběrnicovou topologii, která může být striktně lineární - tzv. daisy architektura, se seriově paralelním zapojením jednotlivých prvků, nebo komplexnější, přes stromovou a kruhovou strukturu k úplně volné topologii.
Volná topologie však přináší jisté omezení jako jsou:
- délka kabelů každé větve (v důsledku omezené rychlosti komunikace);
- napájení zařízení prostřednictvím komunikačních kabelů.
Komunikační brány
Pro síťový přístup existuje více technologických možností (kroucená telefonní dvojlinka (xDSL), připojení koaxiálními a světelnými kabely k TV síti, WiFi technologie, přímý přenos satelitní sítí (GPS), napojení na počítačové sítě a další. Tato připojení (komunikační brány) mohou být zatím nekompatibilní v různých OSI vrstvách, což může pro otevřené systémy v blízké budoucnosti způsobit problém. Komunikační brány vhodné pro bytové domy jsou specifikovány v normě ISO/IEC 15045-1. Příklad komunikačních bran pro domovní aplikace HES je uveden na obr. 4.
Obrázek 4 - Příklad komunikačních bran pro domovní aplikace HES
Poděkování
Tento příspěvek by vypracován v rámci grantu MŠMT ČR č. MSM 7088352102 a grantu Grantové Agentury ČR (GAČR) č.102/03/0625. Kontakt na autora: e-mail: zalesak@ft.utb.cz
Použité zdroje:
[1] SmartHouse Code of Practice CWA 50487:2005. CENELEC, 2005
[2] Open System Design Guide. Designing Open Building Control Systems Based on LONworks® Technology. Version 2.0. ECHELON CORPORATION
[3] Open System Specification Famework. A Framework Systems with LONworks® Technology. Version 4.0. ECHELON CORPORATION
[4] EN 50090 Home and building electronic system
[5] ISO 16484 Building Automation and Control Systems
[6] PrEN 14908 Control Networks Protocol
[7] ISO/IEC 15045-1: Information technology - Home electronic system (HES) getaway
[8] "Project Engineering for EIB Installations. Basic Principles", 4th (revised) edition, EIBA, 2005
[9] Zálešák, M., Vašek, V.: Problems of intelligent buildings control and communication systems. Proceedings of 16th International DAAM Symposium, 2005
[10] Balch, T.: A Perspective on Open Systems In Building Controls. Eurotex, 2005
[11] Kell, A., Colebrook, P.: "Open Systems for Homes and Buildings. Comparing LonWorks® and KNX", i&i limited, 2004
[12] Sauter, T., Dietmar, D., Kastner,W.: EIB Installation Bus System. Publicis Kommunikations Agentur GmbH, Munich, 2001
[13] "Investigating open System. Comparing LONworks® and BACnet®". White paper. STRATA RESOURCE INC, 2004.
