Комуникации в сградната автоматизация

През годините са разработени десетки протоколи за автоматизация на сградите. Някои от тях, като BACnet и LonWorks, са конструирани за почти всеки тип оборудване за автоматизация на сградите. Други протоколи са по-специализирани. Например протоколът DALI е създаден специално за системи за осветление, а Modbus е предназначен основно за промишлен контрол.
Понякога различни протоколи могат да работят заедно, но понякога не могат. Например, BACnet и LonWorks могат да работят с осветителни системи DALI, но не и помежду си (поне не е лесно). Освен това има отделна категория безжични протоколи за тези устройства, като сензори за пътници и стайни контролери, които комуникират с помощта на радио сигнали.

Комуникационните протоколи представляват приетите правила и стандарти, които позволяват комуникацията и споделянето на данни между оборудването за автоматизация на сградите. Устройствата и системите, които съответстват на даден протокол, могат лесно да комуникират един с друг, но не и непременно с други протоколи.

Сградна автоматизация
Автоматизацията на сградите най-общо се отнася до създаването на централизирани мрежови системи за хардуерен и софтуерен мониторинг и контрол на сградните инсталации (електричество, осветление, ОВК, водоснабдяване и др.). Когато съоръженията се наблюдават и контролират безпроблемно, това създава много по-надеждна работна среда за наемателите на сградата. Освен това ефективността, въведена чрез автоматизацията, позволява на екипа за управление на сградата да приеме по-устойчиви практики и да намали разходите за енергия. Четирите основни функции на система за автоматизация на сградите са контрол на сградната среда, управление на системите в зависимост от заетостта и енергийното търсене, наблюдение и коригиране на работата на системите, предупреждение или звуков сигнал (аларма) при необходимост.

Основна категоризация
Системите и протоколите за автоматизация на сградите могат да бъдат разделени на много категории, като се използват много и различни правила. В този широк набор от класификационни свойства могат да се определят няколко основни и интересни класификатора: отвореност, централизация и гъвкавост на дадена система. Тези категории предоставят важна информация, която е от решаващо значение при оценката на използваемостта на протокол или система за проект.

Характеристиката за отвореност на системата описва зависимостта и от производителя. Съществуват две основни категории - отворени и частни протоколи. Отворените протоколи се основават на отворени стандарти или отворени спецификации, достъпни за всички. Най-същественото предимство на този подход е очевидно - отворената спецификация осигурява голяма гъвкавост за проектанта на системите за управление на сградата, тъй като обикновено съществува повече от един производител на устройство с желаната функция. Тези системи са икономически ефективни за по-големи сгради, като например молове, офис сгради, болници, хотели или летища.

Спецификацията на частните протоколи не е достъпна за всички, а само за компанията от разработчици. Основният проблем е, че потребителите, които използват затворени системи, са зависими само от един производител и когато производителят спре производството на дадено устройство, няма да може да се разшири инсталацията и да се подменят повредените устройства.

Централизация на системата
Централизираната система се базира на един или няколко централни контролера (PLC), които контролират функциите на цялата система. Затова такава система не се нуждае от интелигентни сензори и изпълнителни устройства, но е много чувствителна към повреда на централния контролер. Ако той се повреди, тогава цялата система няма да работи. Днес тези системи обикновено използват топология обща шина, но понякога те все още използват директни връзки към сензори и изпълнителни устройства (топология звезда).

Разпределените системи нямат централен PLC. Това означава, че всеки контролер е интелигентен и знае какво да прави, например кога и къде да изпрати данни. Това разбира се, е голямо предимство, защото системата е по-надеждна и когато един контролер се повреди, тогава останалите работят. Разпределените системи винаги използват топология шина (споделена среда). Недостатъкът е, че PLC са по-скъпи, отколкото в случай на централизирана система. Хибридните системи са някъде между тях, където входовете (сензорите) са свързани чрез шина, а изходите (изпълнителните устройства) са свързани директно чрез използване на топология звезда.

Сложност и гъвкавост на системата
Този параметър представлява способността на дадена система да покрива една или повече контролни задачи в сградната автоматизация. Комплексната система за управление (KNX, LON) е в състояние да реши всяка основна задача за автоматизация на сградите, например отопление, осветление, щори, визуализация или осигуряване на сигурност. Съществуват системи и протоколи, които са фокусирани върху една задача като например DALI, специализирана в управлението на осветление или OpenTherm, фокусирана върху управлението на отопление.

Физически слой - комуникационна среда
Стандартизираните сложни протоколи обикновено предлагат повече от един физически слой (до пет или шест), а комерсиалните затворени системи за управление на сгради традиционно предлагат само един. Някои типични физически слоеве, използвани в автоматизацията на сградите, са усукана двойка/RS-485, електрическа мрежа 230V, Ethernet чрез Cat5 или Cat6 кабел, безжична - InfraRed, RF, ZigBee, WiFi.

Жична или безжична комуникационна среда
Един от важните избори на комуникационна среда е дали да се използват жични или безжични комуникации, или комбинация от двете. Най-често използваните безжични опции използват безжичен протокол. Повечето устройства за управление - като контролери за стая, сензори за заетост, управление на вентилатори и сензори за врати - се предлагат с жични или безжични комуникации. Захранването на устройството се осъществява независимо от комуникациите и изисква да се свърже със захранващата система на сградата.

Предимствата на безжичните комуникации включват лекота и ниска цена на инсталиране (особено за съществуващи сгради), мащабируемост чрез лесно добавяне на устройства, съвместимост обикновено достъпна чрез шлюз с жични протоколи като BACnet®, LonWorks® и Modbus®. Предимствата на жичните комуникации включват инсталиране на проводници при ново строителство, където те не представляват значителен допълнителен разход, наличие на високоенергийна апаратура, която може да пречи на безжичната връзка, производителността и надеждността са критични.

BACnet комуникационен протокол
Протоколът BACnet® е съсредоточен изключително върху автоматизацията на сградите. Създаден през 1987г. в университета Корнел, Итака, Ню Йорк, е станал ANSI стандарт през 1995г. под егидата на ASHRAE. BACnet поддържа повечето сградни инсталации включително ОВК, осветление, противопожарна защита и устройства за физическа сигурност.

Предимствата са милиони инсталирани устройства, разработени специално за сградна автоматизация, поддържани от повече от 800 производители, налични в широк спектър от продукти, 5 оперативно съвместими области - споделяне, аларми и събития, график, тенденции и управление на устройствата. Гъвкавият стандарт позволява на доставчиците да предлагат уникални и персонализирани приложения, поддържани и актуализирани от ASHRAE.

Мрежовите топологии са последователно свързване, звезда или смесена топология. Медията е усукана двойка. Транспортните протоколи са IP, Ethernet, LonTalk, Zigbee, ARCnet, MS/TP.

LonWorks комуникационен протокол
LonWorks® е широко използван стандарт за много видове приложения за управление, включително автоматизация на сградите. Той е създаден от Echelon през 1988г., а през 1999г. е приет като ANSI стандарт за контрол на работата в мрежа. По-голямата част от LonWorks устройствата включват проекти за сгради, включително ОВК и осветление.

Характеристиките са милиони инсталирани устройства, разработени специално за сградна автоматизация, стандартизирани приложения, осигуряващи съгласуваност независимо от доставчика, поддържана от стотици производители, лесна инсталация.

Мрежовите топологии са последователна свързаност, звезда или смесена топология. Медиите са усукана двойка (до 2700m), захранващи линии, оптични влакна, безжични. Свързва се с приложения за отдалечен достъп или отдалечени мрежови средства за управление, като използва стандарта за (IP) тунелиране ISO/IEC 14908-4.

KNX комуникационен протокол
KNX е световен стандарт за комуникация за контрол на сградите. Той е създаден през 1999г. от асоциацията Konnex и е комбинация от три предишни стандарта: EHS, BatiBUS и EIB. KNX се използва в автоматизация на сгради за ОВК, осветление, охрана, отдалечен достъп, контрол на щори и жалузи, визуализация и управление на енергията.

Характеристиките са милиони инсталирани устройства, разработени специално за сградна автоматизация, стандартизирани приложения, осигуряващи съвместимост, независимо от доставчика, поддържана от стотици производители, топология дърво, подходяща за големи мрежи, обратно съвместима с EIB.

Мрежовите топологии са дърво, линия и звезда (или комбинация от тях). Медиите са - усукана двойка (KNX TP); през захранваща мрежа (KNX PL); чрез радио сигнали (KNX RF); чрез маршрутизиране на пакети по IP/Ethernet (KNXnet/IP). KNX може да комуникира с други протоколи чрез шлюзове.

DALI комуникационен протокол
DALI е водещият протокол за управление на осветление в сградната автоматизация. Разработен от група производители, водена от Филипс, протоколът за първи път е изготвен като отворен стандарт през 2000г. DALI 2 заменя оригиналния протокол DALI през 2014г. и е обратно съвместим с него. DALI осигурява изключително фино управление на осветлението, като всяко устройство може да се адресира отделно. Използва се изключително за осветление и свързаните с него управления. Устройствата DALI включват флуоресцентни високочестотни баласти, нисковолтови трансформатори, РЕ клетки, детектори за движение, стенни ключове и шлюзове към други протоколи.

Предимствата са високо съотношение сигнал/шум за надеждна комуникация, фино управление на интензитета на осветеност, двупосочна комуникация позволява обратна връзка на работното състояние, осветлението може да бъде интегрирано в осветителни системи, в една DALI мрежа могат да бъдат свързани до 64 устройства, множество DALI мрежи могат да бъдат свързани чрез шлюзове.

Мрежовите топологии са линия или звезда или комбинация от тях. Медиите са една двойка кабели, които образуват шината за DALI мрежа (до 300m) и има безжично разширение.

Clipsal C-Bus комуникационен протокол
C-Bus е комуникационен протокол за автоматизация на сградите, базиран на седем слойния OSI мрежов модел. Той е създаден от Clipsal Австралия (сега част от Schneider Electric) за контрол на сградното осветление. C-Bus става отворен протокол през 2008г. За командни и управляващи сигнали се използва специален кабел за ниско напрежение до 1000m. Обикновено се използва за управление на осветлението, но също така може да контролира помпи, двигатели и практически всеки друг вид електрически товар.
Предимствата му са високопроизводителна и надеждна система за управление, интерфейси както за PC-базирани, така и за вградени системи, устройства, контролирани от един кабел, лесни за инсталиране и експлоатация. Мрежовата топология е със свободна архитектура. Медията е неекранирана усукана двойка (до 1000m). Транспортният протокол е частен, но C-Bus позволява интегриране с DALI, OPC, Web Services и ZigBee. Данните могат да се транспортират през RS232 и TCP/IP.

Modbus комуникационен протокол
Modbus® е сериен комуникационен протокол, разработен от Modicon (сега Schneider Electric) през 1979г. Първоначално създаден за използване с PLC на Modicon, той бе пуснат като отворен протокол през 2004г. и се превръща в дефакто стандарт за свързване на широка гама промишлени електронни устройства. Протоколът Modbus използва архитектура клиент/сървър за управление на комуникацията между хост и интелигентни устройства. В автоматизацията на сградите се използва за управление на оборудване като охладители, котли и вентилатори. Разработен за индустриални приложения, широко използван в сградите, милиони Modbus възли, лесен за инсталиране и поддръжка. Мрежовата топология е линия. Медията може да бъде двужична, четирижична или безжична. Транспортните протоколи са IP/Ethernet, а данните могат да се транспортират чрез ASCII или RTU.

M-Bus комуникационен протокол
M-Bus (meter-bus) е европейски стандарт за дистанционно отчитане на разходомери (топлоенергия, газ и др.) в сградите. Той е разработен през 90-те години на миналия век в университета в Падерборн и сега се използва широко за интелигентно измерване. Протоколът се основава на OSI модела, за да осигури откритост и лесна интеграция с други протоколи. В автоматизацията на сградите M-Bus се използва за отчитане на показанията от водни, газови, топлинни и електрически измервателни уреди, както и от клапани и задвижващи механизми. Понякога се използва и за алармени системи и гъвкави системи за осветление.

Предимствата са единични кабели, които могат да свързват всички измерватели в сградата, безжична версия за максимална гъвкавост, индивидуално адресируеми измервателни уреди, осигурява интегриране на енергийния мониторинг за оптимизиране на сградите.

Мрежовата топология е линия. Типовете медия са усукана двойка и безжична връзка. Транспортните протоколи не са дефинирани в стандарта.

OPC софтуерен интерфейс
OPC е глобален софтуерен интерфейс, който позволява обмен на данни между устройства, системи за управление и приложения от различни доставчици. Първоначално е разработен през 1996г. за комуникация между машини в индустриални условия. През 2008г. бе въведен и приет по-нов и по-отворен стандарт на протокола OPC UA. Той може да работи с почти всяка контролна система на пазара. OPC UA се използва в автоматизацията на сградите, за да осигури връзка между различните протоколи. Той позволява различни системи като сигурност, осветление, асансьор и HVAC да бъдат свързани в мрежа, използвайки един стандарт.

Предимствата са хиляди продукти, съвместими с OPC, оперативна съвместимост между различните платформи, избягва се "заключване" към конкретен доставчик или протокол, увеличават опциите и гъвкавостта за интеграторите и крайните потребители.

Мрежовата топология е клиент/сървър. Медия и транспорт - OPC клиентските приложения могат да комуникират с OPC сървърите чрез всяка подходяща комуникационна технология, като TCP/IP, HTTP, HTTPS или XML.

WEB услуги
Web услугите са стандартен начин да се даде възможност на различни приложения и ИТ системи да взаимодействат чрез Интернет. Web услугите всъщност са съвкупност от протоколи, които работят заедно, за да поддържат действия като отваряне на файлове, достъп до и обмен на данни, качване и изтегляне на информация между платформи. В автоматизацията на сградите Web услугите често се използват за интегриране на сградни системи, които имат различни протоколи в употреба, за интегриране на отчитането в различните съоръжения и за осигуряване на мост между наследените и новите системи.

Предимствата са изключително отворен уеб базиран стандарт, позволява комуникация между почти всяко устройство, система или приложение, надежден метод за интегриране и взаимодействие в бъдеще, лесен за внедряване в повечето приложения. Комуникира чрез всяка валидна интернет връзка.

Безжичен стандарт EnOcean
Стандартът EnOcean® за безжична мрежа първоначално е разработен като търговско предприятие на Siemens AG. През 2008г. става отворен протокол. Най-типичните приложения в сградната автоматизация са за управление на осветление и сензори.

Характеризира се с повече от 800 сертифицирани продукта, повечето от които са за автоматизация на сградите, безжична инсталация е евтина и без разрушаване.

Мрежовата топология е комуникация от точка до точка. Медията e безжична и устройствата трябва да са на разстояние до 30m едно от друго.

Безжичен стандарт ZigBee
ZigBee® е безжичен стандарт за комерсиална употреба, разработен от ZigBee Alliance, създаден през 2002г., базиран на стандарта IEEE 802.15.4. Версия на стандарта, известна като ZigBee Pro, е публикувана през 2007г. Zigbee 3.0 увеличава избора и гъвкавостта на потребителите и разработчиците и гарантира, че продуктите и услугите ще работят заедно чрез стандартизиране на всички слоеве на стека. Решението Zigbee 3.0 включва тестване, сертифициране, маркетинг и маркетингова подкрепа, за да се улесни разработването и продажбата на оперативно съвместими продукти и решения. Zigbee 3.0 е изграден на базата на Zigbee PRO, който подобрява стандарта IEEE 802.15.4, като добавя мрежови и защитни слоеве. Обикновено устройствата ZigBee се използват като контролери за помещения и ОВК, контакти за врати/прозорци и сензори за заетост.

Предимствата му са дълги разстояния, подходящи за по-големи сгради, безжичната инсталация е евтина и без разрушаване, а крайните устройства с ниска консумация на енергия могат да работят с батерии в продължение на години, като защитени мрежи използват 128-битови ключове за шифроване.

Мрежовата топология e взаимосвързаност между устройства или възли. Медията е безжична, която работи на 2,4GHz за по-дълъг обхват (до 100m).

Няколко лесни стъпки към безпроблемна комуникация
Първо, изберете продукти, които използват отворен протокол, т. е. такъв, който се използва от много и различни доставчици. Това ще предостави повече възможности за избор, отколкото ако се избере частен протокол.

Второ, изберете продукти с протокол, който е широко използван, поне във вашия регион. Това е важно, защото някои протоколи са глобални, докато други са ограничени до конкретни региони.

Трето, разчитайте на партньор - основен доставчик или системен интегратор - който може да се консултира с вас и да ви насочи към избора. Четвърто, задайте въпроси. Не е нужно да сте експерт по протоколи за избор на система за автоматизация на сградите.