Úvod do regulačních jednotek (DDC) v budovách
Článek pojednává o regulačních jednotkách, které se využívají v systémech automatizace budov a které patří do skupiny tzv. DDC (Direct Digital Control) systémů. Tyto regulátory se nejčastěji používají pro řízení systémů, pro něž se vžila anglická zkratka HVAC (Heat, Ventilation and Air Condition – Topení, ventilace a klimatizace). Cílem těchto systémů je dosáhnout tepelné pohody v budovách. Celé odvětví se pak nazývá Měření a Regulace (MaR). Konkrétní aplikací je např. řízení vzduchotechnické jednotky dle předem definového projektu.
V článku je velmi podrobně popsána funkce regulátoru, druhy regulačních jednotek a z jakých všech komponent se mohou skládat. Dále je vysvětleno, jakým způsobem může probíhat programování regulátorů, jaké jsou druhy regulace, a které komunikační protokoly jsou nejčastěji využívány pro spojení s prvky polní instrumentace popř. s nadřazenou grafickou centrálou v budově. Celý výklad je prováděn formou nejprve teoretického úvodu a následně praktického příkladu.
Co je DDC systém?
DDC systém, tedy systém přímého číslicového řízení, provádí automatické řízení stavu nebo procesu prostřednictvím číslicové jednotky (regulátoru, počítače, apod.). Samotné vyhodnocení řízení probíhá pomocí softwarové aplikace, která je uložena v paměti regulátoru. V odborné terminologii se tato softwarová aplikace nazývá algoritmus, což je soubor pravidel, které vedou k výsledku neboli výstupu z algoritmu. Na Obr. 1 můžeme vidět podrobně rozkreslený princip přímého číslicového řízení.
Obr. 1 – Princip přímého číslicového řízení
Aby vůbec bylo možné provádět řízení nějakého stavu, musíme mít vstupní veličinu, kterou měříme a jíž nazýváme regulovaná veličina (y). Samotná měřená vstupní hodnota by nebyla dostačující, je nutné mít další hodnotu, vůči níž budeme regulovanou veličinu porovnávat. Tato hodnota se nazývá žádaná hodnota regulované veličiny (w). Jak již z názvu vyplývá, jedná se o námi požadovanou hodnotu. Tyto dvě hodnoty jsou vstupní veličiny do regulační jednotky, kde je následně proveden odečet žádané hodnoty od hodnoty regulované veličiny. Výsledkem tohoto rozdílu je regulační odchylku (e).
Výstupem regulační jednotky je akční veličina (u), která vznikne vyhodnocením regulační odchylky dle softwarové aplikace, která je uložena v paměti regulátoru. Akční veličina je zároveň vstupní veličina do regulované soustavy, která přímo nebo nepřímo ovlivňuje regulovanou veličinu (y). Jak jste si mohli všimnout, opět jsme se dostali na začátek celého popisu přímého číslicového řízení. Jak je patrné z Obr. 1, je to způsobené zpětnou vazbou, která vytvoří regulační smyčku. Regulační smyčka provádí opakované vyhodnocení regulační odchylky a způsobuje, aby její hodnota byla v ideálním případě nula, v reálném světě co možná nejmenší. To vše prostřednictvím působení akční veličiny na regulovanou soustavu.
Pokud bychom měli předchozí teoretický úvod do DDC systémů aplikovat na konkrétní situaci z oblasti automatizace budov, můžeme si představit regulaci teploty v místnosti. Jak je patrné z Obr. 3, regulovanou veličinou je v tomto případě myšlena teplota v místnosti (tm), kterou měříme pomocí snímače teploty. Žádanou hodnotu regulované veličiny reprezentuje žádaná teplota v místnosti (ts), kterou si nastavuje uživatel buď pomocí termostatu, nebo v případě větší budovy je teplota nastavována pomocí nadřazené centrály. Tyto veličiny jsou vstupními hodnotami do regulační jednotky. Na základě naprogramovaného algoritmu, který v sobě nejčastěji obsahuje PID (proporcionálně-integračně-derivační) smyčku, dochází k výpočtu výsledné akční veličiny, která odpovídá nastavení polohy třícestného směšovacího ventilu u vodního ohřívače vzduchotechnické jednotky, pokud je požadavek na vytápění, nebo nastavení polohy třícestného rozdělovacího ventilu u vodního chladiče, pokud je zapotřebí místnost chladit. Předpokládejme pro náš příklad, že je nutné místnost vytápět. Samotná vzduchotechnická jednotka obsahuje vodní ohřívač (Obr. 2), kterým proudí vzduch a ohřívá se na požadovanou teplotu. Ohřátí vzduchu je založené na principu sdílení tepla mezi vzduchem a vodou, která proudí uvnitř ohřívače. Teplota této vody je regulována pomocí směšovacího ventilu (SV na Obr. 2), který je osazen pohonem. Akční veličina tedy odpovídá poloze, do které se má pohon nastavit.
Obr. 2 – Schematické znázornění vodního ohřívače
Obr. 3 – Příklad DDC řídicí smyčky
Poměr přívodní a cirkulační vody mění teplotu přívodní vody do ohřívače, kde dochází k ohřátí procházejícího vzduchu, který směřuje do regulované soustavy. Čím více se teplota v místnosti blíží žádané hodnotě, tím méně teplá voda je přiváděna do výměníku tepla.
Architektura DDC regulátoru
Hned na úvod je třeba poznamenat, že DDC regulátor je malý počítač, tedy alespoň z hlediska architektury. DDC regulační jednotka obsahuje stejně jako klasický stolní počítač procesorovou jednotku, paměť a vstupní a výstupní obvody. Jak můžeme vidět na Obrázku 4, regulační jednotka je založena na slavné Von Neumannově architektuře, jejíž koncept publikoval již v roce 1945 stejnojmenný geniální vědec John Von Neumann. Hlavní výhoda této architektury spočívá v tom, že je nezávislá na typu řešené úlohy. Jinými slovy počítač zpracuje data dle programu, který je naprogramován a uložen v paměti společně s daty (na rozdíl od Harvardské architektury, která má samostatnou paměť pro data a program).
Obr. 4 – Von Neumannova architektura
Celý princip činnosti Von Neumannovy architektury je následující. Nejprve se do paměti uloží program pomocí vstupních obvodů, který bude provádět výpočty nad danými daty. Obdobným způsobem se do paměti umístí data, která se budou zpracovávat. Proběhne vlastní výpočet, jehož jednotlivé kroky provádí aritmeticko-logická jednotka (ALU). Tato jednotka je v průběhu výpočtu spolu s ostatními moduly řízena řadičem. Mezivýsledky výpočtu jsou ukládány do operační paměti. Po skončení výpočtu jsou výsledky poslány přes ALU na výstupní zařízení. Ještě je dobré poznamenat, že ALU a řadič společně tvoří procesor.
Předchozí popis architektury je zjednodušen, ale tento článek si nedává za cíl popisovat do detailu činnost počítače. Důležité je, aby si čtenář dal do souvislosti, jakým způsobem pracuje regulační jednotka pod svým krytem a co se tam odehrává. Pokud bychom předcházející popis architektury převedli do řeči systémů automatizace budov, tak za vstup a výstup bychom dosadili buď integrované V/V nebo rozhraní pro komunikační sběrnice, které umožňují komunikaci s ostatními zařízení. Paměť a procesor je totožná s běžným počítačem, na kterém si právě čtete tento článek.
Shrňme si, co jsme se zatím dověděli. V úvodu jsme si definovali základní pojmy a vysvětlili si, co je DDC systém a jakým způsobem probíhá regulace regulované veličiny. Předvedli jsme si, že DDC regulační jednotka se prakticky neliší od běžného počítače a již víme, že se uvnitř regulátoru nachází program, který obsahuje algoritmy pro obsluhu dat, které přijímá přes integrované V/V nebo přes rozhraní komunikačních sběrnic. V následující části si popíše rozdělení DDC regulátoru.
Rozdělení regulátorů
DDC regulátor je v podstatě mozek celého systému, který neustále přijímá vstupní hodnoty, které zpracuje dle naprogramované aplikace, a vysílá výstupní signály, kterými řídí celý systém.
V této sekci se budeme věnovat rozdělení regulátorů dle různých pohledů. Jako první je na základě přítomnosti vstupů a výstupů (V/V) přímo na regulační jednotce nebo možnosti připojení externích V/V modulů. DDC regulátor může mít integrované analogové a digitální V/V. Jakým způsobem jsou rozděleny a využívány V/V je podrobně popsáno v článku zde. Jen pro rychlé shrnutí:
- Analogový vstup, např. signál z teplotního snímače
- Analogový výstup, např. signál od regulátoru do pohonu ventilu nebo klapek
- Digitální vstup, např. signál od motoru ventilátoru indikující, jestli ventilátor běží
- Digitální výstup, např. signál od regulátoru pro start nebo stop motoru ventilátoru
Obr. 5 – Ukázka regulátoru bez integrovaných V/V
Obr. 6 – Ukázka regulátoru s integrovanými V/V
V současné době na trhu existují regulační jednotky jak s integrovanými V/V (Obr. 5), tak bez V/V (Obr. 6). Jelikož lze ve velkých aplikacích předpokládat, že projekt bude obsahovat stovky až tisíce V/V, výrobci na výkonné regulační jednotky téměř neosazují integrované V/V. V takovém případě je zbytečné pořizovat regulátory s integrovanými V/V, jelikož bude nutné pořídit velké množství externích V/V modulů. Z toho vyplývá, že regulátory bez integrovaných V/V jsou většinou výkonnější a robustnější pro větší aplikace. Naopak pro menší aplikace (řádově jednotky až desítky V/V) je výhodnější pořídit pouze regulační jednotku s integrovanými V/V, kde máme vše potřebné obsaženo v jednom zařízení. Toto samozřejmě neplatí vždy, ale obecně se dá říci, že výrobci se snaží nastavit podobný trend.
Dále lze DDC regulátory rozdělit podle způsobu programování. V současné době existují dva hlavní přístupy pro programování regulátorů. Prvním je přímé programování kódu v programovacím jazyce (Obr. 7). Při tomto druhu programování je nutná hluboká znalost jak programovacího jazyka, tak samotného regulátoru. Programátor si musí být vědom limitů a omezení regulační jednotky. Musí umět správně adresovat a zpracovávat informace od jednotlivých portů a V/V.
Obr. 7 – Ukázka programování pomocí kódu
Vzhledem k těmto okolnostem již dnes většina předních světových výrobců umožňuje programování tzv. logickým propojováním funkčních bloků (Obr. 8). U tohoto typu není nutná znalost žádných příkazů, ale jak je patrné z Obr. 8, jedná se propojování funkčních bloků mezi sebou. Funkční blok představuje jednu přesně definovanou funkci. Řekněme, že chceme regulovat vnitřní teplotu v místnosti pomocí PID smyčky. K vytvoření celé této logiky nám stačí pouze čtyři funkční bloky! Potřebujeme funkční blok reprezentující analogový vstup (AI1), který slouží ke čtení hodnoty regulované veličiny (současné teploty v místnosti) a funkční blok představující žádanou hodnotu regulované veličiny (Setp1). Dále máme funkční blok, který reprezentuje celou PID smyčku (PID1), na jehož vstupy přivedeme AI1 a Setp1. Výstupem z funkčního bloku PID smyčky je výsledné nastavení třícestného ventilu, který představuje analogový výstup (AO1). Již z tohoto příkladu je jasné, že tento přístup k programování regulačních jednotek je mnohem jednodušší, komfortnější a především méně náchylný k chybám.
Obr. 8 – Ukázka programování pomocí logického propojování funkčních bloků
Posledním typem jsou tzv. konfigurovatelné regulátory. Tyto regulátory jsou již předprogramovány z výroby a umožňují výběr algoritmu pro konkrétní aplikaci. Používají se např. pro řízení jednoduchých kotelen, výměníkových stanic či menších vzduchotechnik. Aplikaci si uživatel vybere buď pomocí uživatelského rozhraní přímo na regulátoru (typicky displej s tlačítky) nebo pomocí specializovaného softwarového nástroje. Velkou výhodou těchto konfigurovatelných regulátorů je fakt, že jsou poměrně levné oproti volně programovatelným regulátorům. Je zde zároveň nutné zdůraznit, že tyto regulátory se používají spíše v menších aplikacích.
Dalším důležitým hlediskem pro rozdělení regulátorů je přítomnost web-serveru. Co je vlastně web-server? Tímto pojmem se rozumí zařízení, které je odpovědné za vyřizování HTTP požadavků od klientů (nejčastěji webových prohlížečů). Vyřízením požadavků se rozumí odeslání cíle specifikovaného URL (typicky webová stránka, ale též statický text, obrázek či jiný soubor).
Pokud bychom to měli napsat úplně jednoduše, regulátor s vestavěným webovým serverem umožňuje, aby k němu bylo přistupováno přes webové rozhraní (internet). V současné době, kdy je internet všude kolem nás, je toto téměř základní požadavek. Dalším aspektem, dle kterého lze dělit regulátory, je výčet rozhraní, která regulátor obsahuje. Pokud např. regulátor obsahuje rozhraní pro RS485 lze předpokládat, že umožňuje připojit zařízení přes protokoly Modbus či BACnet/MS-TP. Pokud obsahuje rozhraní RS232, může pak podporovat připojení M-Bus sběrnice nebo obsahuje-li RJ-45 port, pak téměř jistě bude podporovat připojení přes BACnet/IP. Toto je klíčové při koupi regulátorů, protože potřebujeme, aby podporoval protokoly, přes které chceme komunikovat.
Literatura
- [1] DRKAL F., ZMRHAL V., SCHWARZER J. a LAIN M. Klimatizace a průmyslová vzduchotechnika [online]. 2009 [cit. 2012-03-27].
- [2] DRKAL F., ZMRHAL V., SCHWARZER J. a LAIN M. Vzduchotechnika [online]. 2009 [cit. 2012-03-27].
- [3] HIRŠ, Jiří. Vzduchotechnika v příkladech [online]. Vyd. 1. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2006, 230 s. [cit. 2012-03-27]. ISBN 80-720-4486-9.
- [5] CHYSKÝ J., HEMZAL K. A KOL. Větrání a klimatizace. Vyd. 3., zcela přeprac. Praha: Česká Matice technická, 1993, 490 s. ISBN 80-901-5740-8.
- [6] BAŠTA J., HEMZAL V. Regulace v technice prostředí [online]. 2009 [cit. 2012-04-27].
- [7] LOM M., MATZ V. Model řízení vzduchotechnické jednotky [online]. 2013 [cit 2015-06-26]
http://vetrani.tzb-info.cz/regulace-vetrani-klimatizace/9796-model-rizeni-vzduchotechnicke-jednotky - [8] http://products.centraline.com/cz/
This paper describes the controller functions, types of control units and from which all components can be composed. Next part is about explaining how to program the controllers can take place, what are the types of controlling and communication protocols that are most frequently used for connection to field devices and supervisor. The whole interpretation is conducted through first theoretical introduction followed by practical example. The whole paper is written exclusively on control units, which are used in building automation and belonging to the group DDC (Direct Digital Control) systems. These controllers are most often used to HVAC systems (Heat, Ventilation and Air Condition). The aim of these systems is to achieve thermal comfort in buildings. The whole industry is then called Measurement and Control. Specific application is e.g. controlling of Air handling unit according to pre-defined project.
