Katedra obecné elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava SYSTÉMOVÁ TECHNIKA BUDOV SBĚRNICOVÉ SYSTÉMY STANDARTU EIB Obsah 1. SBĚRNICOVÝ SYSTÉM STANDARDU EIB 2 1.1 PRINCIP ČINNOSTI 2 1.2 TOPOLOGIE SYSTÉMU EIB 4 1.3 ADRESACE 5 1.4 PŘENOS SIGNÁLU A VÝSTAVBA TELEGRAMU 7 1.5 SYSTÉMY EIB VYUŽÍVAJÍCÍ JINÉHO VEDENÍ PRO PŘENOS ŘÍZENÍ 10 Ing. Tomáš Mlčák, Ph.D. Květen 2006 Systémová technika budov 1 Sběrnicové systémy standartu EIB
1. SBĚRNICOVÝ SYSTÉM STANDARDU EIB Systém EIB je decentralizovaný instalační řídící systém pro zařízení budov a bytů. EIB umožňuje měření, řízení, regulaci, zapínání a vypínání, hlídání a kontrolu strojů, přístrojů a zařízení v budovách. [2] Obrázek 1 - Znázornění rozvodu sběrnice v rodinném domku. Pro standart EIB byla vytvořena norma, která je začleněna do soustavy CENELEC (TC 105) a odpovídajícím způsobem rozpracována v evropských normách. 1.1 PRINCIP ČINNOSTI Princip činnosti systému EIB se od běžné elektroinstalace poněkud liší. (obr. 2) U klasické elektroinstalace může být síť 230V použita současně k přenosu energie i k přenosu komunikačních (informačních a řídících) signálů. Instalace některých zařízení, např. topení, klimatizace, osvětlení vyžaduje kromě napájení i řídící signály. Tento požadavek lze realizovat uložením kabelu pro řídící signály souběžně s napájecím kabelem, což je nákladné. Systémová technika budov 2 Sběrnicové systémy standartu EIB
Obrázek 2. Porovnání principu činnosti klasické elektroinstalace s elektroinstalací pomocí systému EIB. V systému EIB se však přenos řídících signálů a napájení pro elektroniku uskutečňuje sběrnicí, se dvěma páry vodičů, například kabelem TCEKEY (Kablo Valašské Mezříčí, http://www.kabloelektro.cz/). Obr.3. Kabel sběrnicového vedení. Na systémovou sběrnici se připojují jednotlivé systémové komponenty (účastníci U), snímače (senzory) a ovladače (aktory). Zadávání informací do systému zprostředkovávají tlačítka či automatické snímače fyzikálních veličin (v řeči techniky EIB jsou to senzory). Spínání, popř. spojitou regulaci na výstupu zajišťují akční členy (nazývají se aktory). Jednotlivým účastníkům lze volně přiřazovat adresy, aplikace a nastavovat jejich provozní parametry. Přenášená informace může reprezentovat okamžitou hodnotu spojité (teplota, intenzita osvětlení) veličiny nebo binární dvojstavové veličiny (zap/vyp, standart/alarm stav). Systémové komponenty zajišťují základní funkce, jako jsou napájení sběrnice malým napětím (DC 24V), jakož i spojení mezi různými úseky sběrnice Každý senzor nebo aktor se skládá z účastnického vazebního členu (též účastnická přípojka ) a z koncového uživatelského modulu (tlačítko). Účastnický vazební člen zabezpečuje komunikaci po datové sběrnici, tj. zpracuje impuls daný stiskem tlačítka a vysílá zapínací a vypínací telegram, aby účastnický vazební člen stejného typu umístěný u aktoru dostal informaci, že má dát povel zapnout či vypnout. Pro napájení elektronických obvodů v účastnickém vazebním členu je nutné ke sběrnici připojit zdroj stejnosměrného napětí 24V. Systémová technika budov 3 Sběrnicové systémy standartu EIB
Obr.4 Instalace s EIB Jeden pár vodičů sběrnicového kabelu potom plní dva základní úkoly: přenáší datové telegramy, napájí jednotlivé účastníky stejnosměrným napětím. Jelikož jsou všechny přístroje připojeny k datové sběrnici paralelně, je pro jednoznačnou identifikaci zapotřebí přesné označení účastníků. Tím je fyzická adresa jež je v systému použita jenom jednou a jednoznačně určuje daného účastníka. 1.2 TOPOLOGIE SYSTÉMU EIB Z hlediska struktury jsou účastníci rozděleny do linií a oddílů. Na jedné linii může být maximálně 64 účastníků. Každá linie má svůj napájecí zdroj. Liniový vazební člen zabezpečuje galvanické oddělení od ostatních při zachování vzájemné komunikace. Dvanáct linii s hlavní linií tvoří jeden oddíl. Až patnáct oddílů může být pomocí vazebních členů navzájem spojeno. Linie nad oddílovými vazebními členy se nazývá oddílová nebo též páteřní (backbone). Páteřní sběrnice může být pomocí přizpůsobovacímu členu (gateway) napojena na jiné systémy a samozřejmě s nimi komunikovat. Systémová technika budov 4 Sběrnicové systémy standartu EIB
Obr.5 Struktura instalační sběrnice 1.3 ADRESACE Fyzická adresa Adresace systému EIB vychází z popsaného dělení do linií a oddílů. Fyzická adresa každého účastníka určuje jeho přesné umístění ve struktuře systému. Skládá se ze tří čísel. První udává oddíl, v němž se účastník nachází. Druhé číslo, oddělené tečkou, podává informaci o linii. Třetí číslice definuje pořadí účastníka na linii. Fyzickou adresou je účastník jednoznačně identifikován a podle ní jeho elektronický obvod rozpozná, že je osloven. Daná adresa je jedinečná v celém systému. Přiřazení adres jednotlivým účastníkům obstará při projektování firemní software ETS (EIB Tool Software), určený pro projektování systému. Příklad: Fyzická adresa 1.12.64 udává, že účastník se nachází v 1. oddílu, 12. linii a jde o 64 přístroj. Nejnižší fyzická adresa je 0.0.1, nejvyšší 15.13.64. (obr.6) Systémová technika budov 5 Sběrnicové systémy standartu EIB
Obr.6 Skladba fyzické adresy účastníka Skupinová adresa Skupinová adresa slouží pro rozlišení jednotlivých provozních činností.(obr. 7) Pro hrubé rozlišení funkcí lze vytvořit 14 hlavních skupin (0/x až 13/x). Pro podrobnou specifikaci funkcí jsou určeny podskupiny, o jaký ovládaný prvek jde a jaký je druh regulace. Maximální počet podskupin je 2 048 (x/0 až x/2 048). Veškeré zadávání obsluhovaných funkcí u systému se uskutečňuje výhradně prostřednictvím skupinových adres, ve tvaru skupina/podskupina. Přiřazení skupinových adres aktorům a senzorům není dáno určitou kombinací fyzického pospojování, jak je tomu běžné u elektroinstalace, ale adresa je do tlačítka (senzoru) a příslušného aktoru naprogramována. Obr.7 Příklady skupinových adres. Výše zmíněné adresy jsou podle přesného předpisu zabudovány do datového telegramu, který je potom dále šířen do systému. Přenosová rychlost je 9600 bit/s. Aby střídavá složka telegramů nebyla zkratována paralelními kondenzátory na výstupu napájecího zdroje, zařazuje se do série tlumivka. Systémová technika budov 6 Sběrnicové systémy standartu EIB
1.4 PŘENOS SIGNÁLU A VÝSTAVBA TELEGRAMU Výměnu mezi jednotlivými účastníky zprostředkovávají datové telegramy. Ty obsahují tyto zakódované údaje: vlastní výkonný povel (ZAP/VYP, stmívat, atd.), prioritu telegramu (běžný, alarm), fyzickou adresu odesilatele, příslušnou skupinovou adresu, routingové číslo (pro telegramy přesahující rámec jedné linie nebo oddílu), kontrolní pole. Telegramy jsou sestaveny dle přesného klíče a digitálně zakódovány pro dvoustavový přenos. Přenosová rychlost je 9 600 bit/s. Přenos jednoho bitu trvá 104 µs. Průměrný čas pro přenos jednoho telegramu včetně potvrzení je 25 µs. Za dobu 1 s lze tedy přenést 40 standardních telegramů. Navíc je potřeba vzít v úvahu, že většina telegramů neputuje celým systémem (jsou zadrženy liniovými či oddílovými vazebními členy) a jedná se o lokální úlohy. Po jenom páru vodičů jsou současně přenášeny datový signál a stejnosměrné napájecí napětí 24V. Informace je na napájecí napětí namodulována, přičemž impuls je interpretován jako logická 0, mezera jako logická 1. K rozlišení znaku 0 a 1 je využíván pouze rozdíl napětí mezi oběma žilami, jde tedy o tzv. symetrický přenos dat. Při vyhodnocování rozdílu napětí mezi oběma žilami je přenos dat bezpečný i při případné indukci rušivých signálů, neboť rušení působí na obě paralelně vedené žíly přibližně stejně, a rozdíl tedy neovlivní. Dlouhé paralelní vodiče sběrnice mají určitou kapacitu, jejíž neustálé nabíjení a vybíjení energeticky zatěžuje vysílající účastníky. Proto je délka sběrnice max. 1000 metrů. Pro odlehlá místa sběrnice platí, že doba přenosu telegramu může být maximálně 100 µs, z čehož vyplývá maximální vzdálenost účastníků sběrnice 700 metrů. Poslední omezení maximální vzdálenost účastníka od napájecího zdroje 350 metrů má příčinu v minimálním dovoleném napětím 21 V. Právě při této délce dochází na činné složce impedance k úbytku napětí přibližně o 3 V (napájecí napětí je 24 V). Standart EIB využívá asynchronní přenos dat se synchronizací bity START-STOP. To znamená, že každým osmi bitům (resp. jednomu bytu (bajtu)) je přiřazen na začátek bit START a na konec bit STOP. Pro ochranu dat je navíc přenášen bit určující paritu (sudý či lichý počet jedniček).celkem se tedy jedná o 11 bitový znakový rámec pro přenos jednoho bytu. Po každém vyslaném bytu následuje mezera odpovídající dvěma bitům. Celkový vysílací čas pro přenos jednoho bytu je 104 µs x 13 bitů = 1,352 ms. Samotný telegram v systému EIB se skládá ze sedmi datových bloků a potvrzovacího pole. Systémová technika budov 7 Sběrnicové systémy standartu EIB
Obr.8 Časový rámec datového bloku Dle základních požadavků na EIB je použit decentralizovaný přístup. Standardem je tzv. CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Acces with Collision Avoidance). Každý z účastníků má stejná práva a tedy neexistuje zde žádná centrální jednotka, která by přidělovala prioritu. S těmito systémy se lze setkat také pod označením systémy s distribuovanou inteligencí. Účastníci zatěžují sběrnici pouze tehdy, mají-li podat zprávu. Přenosová cesta je proto dostatečně volná a je umožněn přenos v dostatečné kvalitě a kvantitě. Aby bylo zabráněno srážce telegramů, musí se účastník nejdříve přesvědčit (Carrier Sense) zda je na sběrnici volno, a pak teprve vysílat. Jestliže začne několik účastníků vysílat naráz (Multiple Acces with Collision Avoidance), dostane přednost ten z nich, který má nejvyšší prioritu nebo nižší fyzickou adresu. Je-li identifikována chyba přenosu, dojde k jeho opakování a to nejvýše třikrát. Pro opakování telegramu stačí, aby alespoň jeden z několika oslovených účastníků potvrdil přijetí negativně. K čemu tedy především lze systémové techniky využít: osvětlení standardní ovládací místa u dveří a průchodů zůstávají zachována a jsou dále doplněna o ovládání např. od sedací soupravy, lůžka, popřípadě ovládání přenosným infračerveným ovladačem. v chodbách, koridorech a na zahradě mohou být použita pohybová čidla. je možné vytvořit skupinu osvětlení, která je při napadení objektu spínána tlačítkem např. od lůžka. při opuštění domu je osvětlení součástí soustavy pro simulaci přítomnosti osob. lze vytvořit možnost centrálního vypnutí při odchodu z domu např. inteligentním zámkem při odchodu. osvětlení lze ovládat přes centrální dohlížecí médium, tzn. přes televizor nebo domácí počítač s vizualizačním programem. zásuvky dálkové a časové ovládání zásuvek, lze zavést kontrolu stavu (vizualizace), zásuvky pro pokojové svítidla mohou být i se stmíváním, vytápění centralizované či necentralizované vytápění, při otevřeném okně je zablokováno vytápění místnosti, dálkové ovládání zapínání a vypínání topení (telefonní linka např. EIB RUBIC), Systémová technika budov 8 Sběrnicové systémy standartu EIB
možnost nastavení denních teplotních režimů v závislosti na čase a přítomnosti osob v místnosti, optimalizace tepelných poměrů v závislosti na účelu využití prostoru kontrola provozního stavu topného agregátu, optimalizace různých zdrojů pro ohřev TUV (slunce, plyn, elektrika), rolety a žaluzie elektronické pohony mohou okamžitě reagovat na okamžitou změnu povětrnostních podmínek a slunečního záření, lokální ovládání z místnosti, možnost zapojení do časové režimů a simulace přítomnosti, vizualizace okamžitého stavu polohy žaluzií, nastavení předdefinovaných stavů, pohyblivé markýzy a sluneční clony možnost reakce na okamžitou povětrnostní situaci a sluneční záření, možnost zapojení do časové režimů a simulace přítomnosti, kontrola uzavření otvorů obvodového pláště (okna, dveře apod.) okamžitý stav oken a dveří a jejich vizualizace, zapojení do managementu vytápění (blokování vytápění), ovládání elektrickými pohony, kontrola vody, plynu a elektrické energie kontrola netěsnosti kontrola spotřeby médií domácí spotřebiče (Home Electronic System) standardní lokální ovládání, časové a dálkové ovládání, zahrada pohybové senzory detekují pohyb na otevřeném prostoru (alarm, rozsvícení světel), zalévání půdy na základě vyhodnocení rezistivity půdy, zabezpečení objektu pomocí pohybových a tříštivých čidel a okenních kontaktů lze zabezpečit objekt proti narušení nepovolanými osobami, vizualizace narušení v budově a avízo na telefon či policejní stanici, nastavení poplachové konfigurace systému při alarmu (zvukový a světelný alarm), signalizace požáru, získání přehledu o energeticko provozní situaci v budově a její zprostředkování přes různá média (zobrazovací panely, monitor počítače, televizní obrazovku, telefoní linku, ISDN linku, Internet, atd.) a zálohování (na paměťová média a v tištěné podobě). Systémová technika budov 9 Sběrnicové systémy standartu EIB
1.5 SYSTÉMY EIB VYUŽÍVAJÍCÍ JINÉHO VEDENÍ PRO PŘENOS ŘÍZENÍ Jedná se o systémy, které nevyžadují pro přenos řídících signálů samostatnou datovou sběrnici k propojení všech přístrojů, které mají spolu komunikovat. V podstatě se tento druh přenosu použije tam, kde nelze vystačit s normálními prostředky pro přenos řídícího signálu. Většinou se jedná o nákladově vyšší záležitost, která je však šetrná k objektu. Používá se také v těch případech, kde by rekonstrukce čí dodatečné ukládání zvyšovalo neúměrně pracnost nebo nemožnost založení nového vedení (historické objekty). Jako jiná přenosová média lze použít: stávající silové vedení (Power Line), rádiový přenos, infračervený přenos a libovolné kombinace. Pro EIB byly při jeho počátečním návrhu stanoveny technické požadavky: síťová struktura vedení musí být bez zakončovacího členu, propojení až 126 větví, maximálně 256 účastníků na jednu větev, přenosová rychlost dat má být 1 200 až 9 600 bit/s, symetrický přenos dat, délka větve do 500 m, sběrnicové vedení má být ze stíněná kroucená dvoulinka (twisted-pair kabel), přenos základního pásma bez další modulace, přístup ke sběrnici CSMA/CD, přenos řeči po samostatném páru vodičů. LITERATURA [1] K.Toman, J.Kunc; Systémová technika budov, FCC PUBLIC, PRAHA, 1998 [2] K.Tkotz a kolektiv; Příručka pro elektrotechnika, Europa Sobotáles cz.s.r.o., PRAHA, 2002 [3] K.Dvořáček; Elektrické instalace v bytové a občanské výstavbě, IN-EL, spol.s r.o., PRAHA, 2000 [4] J.Vlach; Řízení a vizualizace technologických procesů, BEN technická literatura, PRAHA, 1999 [5] K.Daniels; Technika budov, Příručka pro architekty a projektanty, Jaga group, v.o.s., Bratislava, 2003 [6] Elektrotechnický magazín Etm, Brno, duben 1996 Systémová technika budov 10 Sběrnicové systémy standartu EIB