Popis řídicích systémů a obvodů využívaných pro řízení technologií v moderních budovách
V článku je uveden základní popis řídicích systémů a vstupně/výstupních modulů a jejich dělení. Stručně jsou uvedeny příklady vybraných systémů pro různé aplikace. Součástí článku je i popis komunikačních protokolů, které se pro používají pro komunikaci jednotlivých periférií řídicích systémů.
Aby byla splněna volná návaznost obecného tématu zaměřeného na prvky, komponenty a systémy využívané v současných moderních budovách pro řízení různých technologií, navazuje tento článek na článek předchozí. Hlavním nosným tématem tohoto článku jsou řídicí systémy, které se používají pro řízení technologií vytápění. V rámci tohoto článku jsou dále popsány vstupně/výstupní obvody, které slouží pro záznam a ovládání prvků polní instrumentace, které byly popsány posledně. V článku jsou detailněji popsány technické parametry analogových a digitálních vstupně/výstupních obvodů. Vzhledem k tomu, že se vybrané vstupně/výstupní obvody připojují k regulátorům prostřednictvím komunikačních protokolů, bude zde uveden i základní přehled komunikačních protokolů k tomuto využívaných. Čtenář by měl získat obecný přehled o řídicích systémech a vstupně/výstupních obvodech využívaných pro řízení technologií vytápění v moderních budovách.
Řídicí systémy
Obr. 1: Příklad řídicího systému
Předchozí článek byl zaměřen na přehled prvků polní instrumentace, které slouží pro záznam měřených veličin a poskytují informace o stavu nějaké technologie. Pokud se zaměříme na technologie vytápění (přímé nebo dálkové vytápění, vzduchotechnické jednotky, VAV boxy (VAV = Variable Air Volume) apod.), tak například využitím technologického termostatu dojde k sepnutí nebo rozepnutí relé při překročení nebo poklesu měřené teploty přes nastavený limit. Co se ovšem obecně děje s touto informací, pokud není jednoduše zobrazena na ukazateli konkrétního prvku polní instrumentace? Aby bylo možné nějakým způsobem na překročení nebo pokles měřené teploty vhodným způsobem reagovat, je nutné informaci z technologického termostatu předat do řídicího systému, který tuto informaci vyhodnocuje. Z toho je zřejmá důležitost využití systému, který se pro řízení různých technologií využívá. Řídicí systém je obecně soubor prvků a komponent, které zprostředkovávají, využitím naprogramované řídicí strategie, různé řídicí funkce. Řídicí systémy zpracovávají data zaznamenaná pomocí prvků polní instrumentace a na základě naprogramované řídicí strategie provádějí různé akční zásahy. Řídicí systém je v podstatě jádrem celého technologického systému, např. vytápění, který ovládá prvky polní instrumentace nainstalované v daném systému.
Obr. 2: Řídicí systém s připojenými I/O moduly
V předchozím článku jsem popsal prvky polní instrumentace a uvedl jsem, že slouží pro měření hodnot některých, většinou neelektrických, veličin a snímání stavů z technologických procesů. Cílem systémů pro automatizaci budov je tyto informace předat koncovému uživateli nebo operátorovi. Jakým způsobem, ale celý proces funguje? Princip funkce si uvedeme na praktickém příkladu, na kterém celý řetězec popíšeme a vysvětlíme. Pro jednoduchost si představme, že prostřednictvím příložného teplotního snímače na potrubí, měříme teplotu otopného média. Na základě této teploty chceme sepnout čerpadlo, které uvede otopné médium do otopných těles a zároveň budeme chtít měřenou teplotu a stav (sepnutí/vypnutí) čerpadla někde pozorovat (například na obrazovce domácího PC). Jakým způsobem toto celé provedeme? Výstupem z příložného teplotního snímače jsou dva vodiče. Tyto vodiče se připojují na svorky modulu vstupních obvodů, který je součástí nebo vzdáleně připojen k řídicímu systému (regulátoru). Měřená (analogová) hodnota teploty (odporu) se tedy přivede do modulu, kde je poté transformována do digitální formy, se kterou pak regulátor dále pracuje. Řídicí logika naprogramovaná v regulátoru pak rozhoduje o aktivaci stavů příslušných výstupních obvodů. Jednoduše řečeno, pokud měřená teplota překročí nastavenou mez, dojde k aktivaci – sepnutí výstupního relé na výstupním obvodu, na které je připojeno čerpadlo, které chceme ovládat. Tento výstupní obvod – svorka, je buď přímo součástí regulátoru, nebo je výstupní modul k regulátoru připojen vzdáleně prostřednictvím příslušné komunikační sběrnice. Ovšem, nepředbíhejme! Uvedený příklad popisuje princip funkce a distribuci informací mezi technologií a řídicím obvodem systému automatizace budov. Abychom informaci o sepnutí nebo vypnutí regulátoru zobrazili na PC, propojíme regulátor pomocí komunikační sběrnice s grafickou centrálou, kde hodnotu vhodně graficky znázorníme.
Obr. 3: Řídicí systém s integrovanými I/O moduly
Jak jste si jistě všimli, v uvedeném příkladu jsem zmínil, že regulátor může obsahovat vstupní nebo výstupní obvody přímo na sobě nebo se tyto obvody mohou k regulátoru připojit prostřednictvím příslušné komunikační sběrnice. Z toho logicky vyplývá první členění regulátorů: a) regulátory s integrovanými vstupně/výstupními (I/O – Input/Output) moduly a b) regulátory, které tyto vstupně/výstupní obvody na svém těle neobsahují. Toto jednoduché dělení vyplývá ze samotné konstrukce regulátoru. Regulátory, které obsahují integrované vstupně/výstupní obvody se nejčastěji používají v jednodušších aplikacích (řízení jedné vzduchotechniky nebo topného systému) a nevyznačují se příliš velkou kapacitou a možností ovládání různých výstupů. Neznamená to ovšem, že se k těmto regulátorům nedají dodatečné I/O moduly dále připojit. Existují určité druhy regulátorů, které jednak obsahují integrované I/O moduly a navíc ještě svorky komunikační sběrnice, které umožňuje přídavné I/O moduly připojit. O komunikačních sběrnicích se zmíním v poslední kapitole tohoto článku. Jednotlivé regulátory se především odlišují aplikační pamětí, rychlostí procesoru (a tedy zpracováním dat) a možným počtem současně připojených komunikačních protokolů. Z tohoto důvodu dnes existuje celá řada regulátorů, které jsou cenově odlišné, a každý se využívá pro určitý typ aplikací. Je pak na projektantovi, který regulátor pro ovládání dané technologie využije. Pokud tedy např. chceme ovládat vzduchotechnickou jednotku, která ve složitějším případě vyžaduje cca 30 vstupních a výstupních svorek, není nutné využít regulátor, který svou kapacitou umožňuje připojení až 100 vstupů nebo výstupů. V případě vzduchotechnické jednotky je také nutné rozhodnout, zda má být tato technologie vytápění vizualizovaná v nějaké grafické centrále a bude tedy požadavek na nějaký komunikační protokol, jehož prostřednictvím budou předávána data z technologické části do části vizualizační. Není tedy vůbec jednoduché odpovídající regulátor vybrat a tento pak „napasovat“ na technologický proces, který má ovládat.
Obr. 4: Řídicí systém s integrovanými I/O moduly, web serverem a GPRS komunikací
V technické literatuře a obchodními zástupci společností vyrábějící řídicí systémy pro budovy, jsou v současné době nabízeny řídicí systémy obsahující takzvaný „web server“. Co toto označení znamená? Regulátor – řídicí systém, který obsahuje „web server“ je systém, který kromě zpracovávání dat a provádění řídicí strategie obsahuje server umožňující vzdálené (prostřednictvím internetu) prohlížení stavů a hodnot jednotlivých veličin, se kterými je v rámci řídicího systému pracováno. Regulátor obsahující „web server“ je adresovatelný IP adresou (nejčastěji statickou) a připojením tohoto regulátoru do sítě ethernet je možné pouhým zadáním IP adresy prohlížet hodnoty a stavy vybraných dat. Data jsou pak nejčastěji prezentovaná prostřednictvím grafické vizualizace s přiřazenými grafickými prvky (otáčení ventilátorů, pohyb čerpadel, barvou zobrazené alarmové stavy). Funkcí grafické vizualizace implementované přímo ve web serveru regulátoru jsou vybaveny dnes nejmodernější regulátory.
Vstupně/výstupní moduly
Obr. 5: Modul analogových vstupních obvodů
V minulé kapitole byly popsány řídicí systémy formou uvedených příkladů. Zjednodušeně řečeno, řídicí systém komunikuje se vstupními nebo výstupními moduly a obvody, vyčítá z nich data (hodnoty a stavy) a provádí naprogramovanou nebo nakonfigurovanou řídicí strategii. Hlavním úkolem řídicího systému je tedy ovládat vybranou technologii na základě strategie, která je pro systém navržena. Nicméně řídicí systém jako takový by neznamenal nic, kdyby k němu nebyly připojeny jednotlivé vstupy a výstupy, kterými jsou uváděna data z prvků polní instrumentace do logiky řídicího systému. Vstupní a výstupní obvody jsou tedy v celém systému automatizace budov jedním z důležitějších prvků. Jaké typy vstupních a výstupních modulů existují? Již ze samotného názvu modulů vyplývá, že obecně existují typy dva: vstupní moduly a výstupní moduly. Vstupní moduly slouží k záznamu a čtení hodnot z prvků polní instrumentace. Výstupní moduly oproti tomuto slouží k zápisu nebo ovládání vybraných prvků polní instrumentace. Zde je vidět plná návaznost na předchozí článek! Jednotlivé vstupní a výstupní moduly se dále rozlišují podle toho, jaké informace vyčítají nebo zapisují. Pokud jsou k modulům připojeny prvky polní instrumentace, které umožňují snímání analogových hodnot (jako napětí, proud, odpor, teplota, tlak apod.) nebo tyto moduly umožňují ovládat prvky polní instrumentace, jejichž výstupem je nějaká spojitá veličina (napětí, proud, odpor), jedná se o analogové vstupní nebo výstupní moduly. Pokud moduly zaznamenávají aktuální stav nějakého termostatu (sepnutí nebo rozepnutí relé) nebo ovládají (spínají) různé prvky polní instrumentace, jedná se o digitální (někdy se používá binární) vstupní nebo výstupní moduly. Z tohoto popisu vyplývá, že obecně existují čtyři typy modulů: analogové vstupy, digitální vstupy, analogové výstupy a digitální výstupy. V následujícím odstavci se pokusím stručně uvést základní charakteristiky jednotlivých vstupů a výstupů. Odborného čtenáře ovšem upozorňuji, že jsou uvedeny pouze obecné charakteristiky.
1. Analogové vstupy
Moduly analogových vstupů se používají pro záznam analogových hodnot, jako jsou napětí, proud a odpor a také další neelektrické veličiny, které se na elektrické dají snadno převést (teplota, tlak, poloha apod.). Charakteristika analogového vstupu může vypadat následovně:
- Počet analogových vstupů na modulu = například hodnota 8
- Technické parametry analogových vstupů:
- typy připojitelných odporových snímačů (např. NTC20kΩ (−50 … +150 °C), NTC10kΩ (−30 … +100 °C), PT1000-1 (−50 … +150 °C), PT1000-2 (0 … +400 °C), NI1000TK5000 (−30 … +130 °C), PT3000 (−50 … +150 °C), BALCO500 (−30 … +120 °C))
- vstupní napětí (lineární vstup: 0–10 V a 2–10 V stejnosměrné.
- vstupní proud (0–20 mA, 4–20 mA)
- Některé vstupní obvody je možné nakonfigurovat jako digitální vstupy. Konfigurace se provádí v řídicí strategii regulátoru. V tomto případě pak vstupní hodnota 0 V odpovídá například logickému stavu 0 (stav vypnuto) a vstupní hodnota 10 V odpovídá logickému stavu 1 (stav sepnuto).
- Další možnou specifikací analogových vstupů je například rozlišení (v počtu bitů) a možnost nastavení offsetu. U analogových vstupů se také uvádí maximální proudová zatížitelnost vstupu.
2. Digitální vstupy
Moduly digitálních vstupů se používají pro záznam stavů termostatů, manostatů, koncových spínačů apod. Charakteristika těchto vstupů může být následující:
- Počet digitálních vstupů na modulu.
- Typ digitálních vstupů – zde se specifikuje, zda se jedná o typ suchý (bezpotenciálový) kontakt nebo napěťový kontakt. Toto označuje, že na vstup se přivede informace po sepnutí nějakého relé z odpovídajícího zařízení. Například výstupem z termostatu je sepnutí relé, které se právě může připojit na vstupní svorku digitálního modulu.
- Některé vstupní digitální obvody se mohou využít jako čítače, což umožňuje záznam rychle proměnných výstupů s určitou periodou spínání (nejčastěji 20 Hz).
3. Analogové výstupy
Moduly analogových výstupů se nejčastěji používají pro ovládání různých pohonů. Přivedením příslušného napětí na pohon, který je nasazen na ventilu, pak dochází ke spojitému otevírání nebo uzavírání tohoto ventilu. Charakteristika analogových výstupů může být následující:
- Počet analogových výstupů na modulu.
- Rozsah výstupního napětí z analogového výstupu. Tato hodnota se nejčastěji pohybuje v rozsahu 0–10 V. Ovšem závisí na konkrétním modulu.
- Výstupní proud z analogového výstupu a rozlišení.
- Některé analogové výstupy se dají nakonfigurovat jako digitální výstupy. Výstupní napětí z analogového výstupu pak již není spojité, ale skokové.
4. Digitální výstupy
Moduly digitálních výstupních obvodů se nejčastěji používají jako spínací výstupy, které ovládají (spínají nebo rozpínají) některá zařízení (např. čerpadla). Výstupem z digitálního výstupu je nejčastěji sepnutí relé nebo triaku. Charakteristiky těchto modulů jsou následující:
- Počet digitálních výstupů na modulu
- Informace, zda digitální výstup obsahuje relé nebo triaky.
- Napěťová a výkonová zatížitelnost kontaktu – ve specifikacích se uvádí, jaká je zatížitelnost výstupního relé. Uvádí se tedy rozsah napětí a maximální proud, který může skrze sepnutý kontakt relé téci.
Obr. 6: Modul kombinovaných vstupů a výstupů
Uvedené vstupní a výstupní obvody se nejčastěji vyrábějí jako modulární obvody, které se jednoduchým způsobem, pomocí komunikační sběrnice, připojují k řídicímu systému. V praktických aplikacích se nejčastěji používají jednotlivé moduly, které obsahují určitý počet vstupních a výstupních svorek, přičemž každá svorka umožňuje připojení pouze jednoho prvku polní instrumentace. V praxi to pak vypadá tak, že například jeden modul analogových vstupů obsahuje 10 analogových vstupů (a tedy svorek). Pokud je nutné k řídicímu systému připojit více analogových vstupů, použije se další modul analogových vstupů a tyto moduly se jednoduše propojí mezi sebou a společně pak k řídicímu systému. Stejný postup platí i pro ostatní analogové nebo digitální vstupní nebo výstupní moduly. Tyto moduly se označují jako individuální. Druhým typem I/O modulů jsou kombinované I/O moduly (obr. 6). Tyto moduly obsahují na jednom těle (jednom modulu) kombinaci vstupů a výstupů (ať již analogových nebo digitálních). Výhodou těchto modulů je především jejich cena, která bývá nižší než kombinace individuálních modulů.
Z praktického hlediska pak může systém pro řízení velké technologie obsahovat několik individuálních vstupních a výstupních modulů (analogových nebo digitálních) a kombinovaných modulů. Celkový počet vždy závisí na počtu připojených zařízení a samozřejmě návrhu projektanta měření a regulace.
Komunikační sběrnice pro připojení I/O modulů
V předchozích kapitolách byly popsány řídicí systémy a vstupně/výstupní moduly. Jakým způsobem se tato zařízení mezi sebou propojují a jak spolu komunikují? Nejprve je nutné zopakovat, že jednotlivé I/O moduly slouží pro záznam a zápis hodnot popřípadě stavů z a do prvků polní instrumentace. Data zaznamenaná I/O moduly musí být zaslána do řídicího systému, který provádí navrženou řídicí strategii. Z tohoto vyplývá, že jednotlivé moduly musejí zasílat do řídicího systému digitální data a následně pak řídicí systém zasílá zpracovaná a nová data na konkrétní výstupy modulů. Přenos dat probíhá v digitální formě a je obousměrný. Logicky tedy vyplývá, že pro obousměrnou komunikaci dat mezi jednotlivými I/O moduly a řídicími systémy se využívá komunikační sběrnice s vhodným protokolem. A jaké komunikační sběrnice se tedy nejčastěji používají? Nebudu zde uvádět proprietární komunikační sběrnice, ale zaměřím se pouze na komunikační sběrnice, které jsem již popisoval v předchozích článcích (např. článek „Systémy používané v "inteligentních" budovách – přehled komunikačních protokolů“). Nejčastěji používanou komunikační sběrnicí v systémech automatizace budov je sběrnice LON. Druhou, v současné době ne moc používanou komunikační sběrnicí, je sběrnice Modbus. V praxi tedy existují LONovské vstupně/výstupní moduly, a pokud jsou navíc označeny značkou LONMARK, dají se tyto moduly různě kombinovat mezi jednotlivými výrobci. Ostatní komunikační protokoly, jako je například M-bus, BACnet apod. se používají pro komunikaci mezi řídicím systémem a ostatními prvky (jako jsou grafické centrály nebo systémy pro měření energie).
Závěr
V uvedeném článku byl uveden popis řídicích systémů a vstupně/výstupních modulů a jejich dělení. Stručně byly uvedeny příklady aplikací vybraných systémů pro různé aplikace. Z hlediska řídicích systémů je důležité uvést hlavní členění řídicích systémů na systémy s integrovanými vstupy-výstupy a systémy bez integrovaných I/O modulů. V současnosti je dále možné označit za pokročilé řídicí systémy ty, které obsahují internetový (web) server. Prostřednictvím tohoto internetového serveru je možné vzdáleným připojením přímo pozorovat hodnoty zvolených měřených veličin a stavů v textové nebo přímo grafické formě. U uvedených vstupně/výstupních modulů byly popsány nejpoužívanější charakteristiky vstupů a výstupů, ke kterým se připojují jednotlivé prvky polní instrumentace. V článku je také stručně zmíněn popis základních komunikačních protokolů, které se využívají pro připojení I/O modulů k řídicím systémům.
Paper describes an overview of control systems and input/output modules used for modern building control. Basic examples are briefly mentioned and recommendations for different applications indicates usage of control systems in building automation. The paper also describes an overview of protocols used for communication between different components of control systems.
