1.2 Протоколы передачи для автоматизации зданий

На сегодняшний день насчитывается более трех сотен разных протоколов передачи данных в системах автоматики. Все они должны соответствовать определённым требованиям.

В системах автоматизации ошибка в передаваемых от контроллера или к нему данных означает сбой исполнительного механизма. Стоимость такой ошибки может быть очень велика. Поэтому краеугольными требованиями, предъявляемыми к протоколу передачи данных, является надежность протокола, его устойчивость к ошибкам и возможным обрывам линии.

Системы контроля и управления зданий подвергаются расширению несколько раз в течение жизненного цикла. Как правило, если предприятие осваивает новую продукцию или расширяет производство, существующие датчики либо заменяются, либо дополняются более точными. При этом, протягивая линии связи к новым контроллерам или интеллектуальным адресным датчикам, зачастую приходится сталкиваться с жесткими требованиями топологии используемого протокола. Поэтому в данном случае, идеальным будет протокол, имеющий минимальные требования к топологии линий. Такой протокол принято называть протоколом со свободной топологией. Вторым крайне необходимым свойством является возможность добавления новых физических сегментов сети при помощи репитеров без останова всей системы. Однако для этого требуется наличие энергонезависимой памяти в каждом узле сети и наличие как локальной (на самом узле) так и удаленной процедур добавления нового устройства в протоколе управления устройствами. Эти процедуры должны быть определены недвусмысленно, ясно и четко и быть безошибочно реализованы так, чтобы всевозможные узлы и контроллеры могли взаимодействовать между собой.

Основными доступными сейчас и в будущем вариантами протоколов являются:

– решения, основанные на CAN, такие как CAN автоматизация;

DeviceNet, J1850 и SDS;

– шины простых сенсоров Seriplex и Bitbus;

– технология LonWorks;

– CEBus;

– BACnet;

– промышленная шина EtherCat;

– инструментальные шины IEEE488.

Естественно существуют и другие схемы, предназначенные для решения специфических задач. Компании, разработчики протоколов, не предполагали продавать их третьим организациям, а планировали использовать их в своей работе. В таблице 1.2 сведены несколько характеристик вышеприведенных протоколов.

Таблица 1.2 – Основные характеристики протоколов передачи

Характеристики	BACnet	CAN-based (SDS, DeviceNet	CEBus	EtherCat		LONWORKS
Область применения	Автоматизация зданий	Трнаспорт (J1850,J1939) Дискретная автоматиза-ция (SDS, DeviceNet)	Автоматизация жилища	Автомати-зация здания		Автоматиза-ция зданий Управление производ-ством Автоматиза-ция фабрик Транспорт Автоматиза-ция жилища
Уровни OSI/ISO	1,2,3,7	1,2,7	1,2,3,7	1,2,3,4,5,6,7		1,2,3,4,5,6,7
Поддержи-ваемые среды передачи	Витая пара. Коаксиаль-ный кабель Оптоволок-но	Витая пара (SDS, DeviceNet) Альтернатив-ные решения на основе оптоволокна для сетей CAN	Силовые электричес-кие линии (FCC) Коаксиальный кабель RF	Витая пара. Оптоволокно		Витая пара со свободной топологией Витая пара Линии электропита-ния (решение, совместимое со стандартами FCC и CENELEC) Оптоволокно Коаксиальный кабель RF (несколько диапазонов)
Характеристики	BACnet	CAN-based (SDS, DeviceNet	CEBus		EtherCat	LONWORKS
Скорость передачи данных	10 Mb/s	1 Mb/s(CAN) 1 Mb/s (SDS) 500 Kb/s (DeviceNet)	6.7 kb/s (или 10 kb/s)		10 Mb/s	До 1.25 Mb/s
Максимальное адресное пространство	248	27=128 (SDS) 26=64 (DeviceNet) 211 (CAN 1) 229 (CAN 2)	216		65535 узлов в сети	248 доменов, 32000 узлов в домене
Поддержка маршрутизаторов сетевого уровня	Есть	Нет	Нет		Есть	Есть
Аутентификация	Есть	Нет	На уровне проложения		Есть	Есть

Промышленная шина EtherCAT разработана немецкой фирмой Beckhoff. EtherCAT - это Ethernet-решение для автоматизации, которое отличается высокой производительностью и простотой использования. С помощью EtherCAT можно дополнить Ethernet-топологию типа «звезда» простой линейной структурой. Однако выборочно EtherCAT может быть соединен с «классическими» коммутаторами для интеграции дополнительных Ethernet устройств. Таким образом EtherCAT подходит не только для сложных, но и для малых систем автоматизации, таких как автоматизация небольшого офиса или загородного коттеджа.

С позиции Ethernet шина EtherCAT является ни чем иным, как самостоятельным большим пользователем Ethernet. Этот «пользователь» принимает и посылает Ethernet-пакеты. Но внутри «пользователя» нет никакого Ethernet-контроллера с подсоединенным процессором. Вместо этого там находится множество подчиненных EtherCAT компонентов системы. Они обрабатывают поступающий поток пакетов и вынимают из них необходимые данные или, говоря другими словами, они обрабатывают и передают пакет дальше следующему подчиненному компоненту EtherCAT. Последний подчиненный EtherCAT компонент системы возвращает уже полностью обработанный пакет первому компоненту в виде ответа для осуществления процесса управления. При этом прохождение пакета через каждый компонент EtherCAT замедляется только на несколько наносекунд. Благодаря оптимальному использованию полосы пропускания Ethernet с помощью EtherCAT могут эффективно передаваться также и небольшие объемы данных. Достоинством шины EtherCAT является короткое время цикла и высокая скорость осуществления передачи. EtherCAT может в 30 мс опрашивать 1000 устройств ввода-вывода с любым цифровым распределением, при этом считывая и записывая с полным дублированием. Для передачи 200 аналоговых значений необходимо 50 мс. EtherCAT поддерживает почти любую сетевую топологию. При использовании кабеля UTP максимальное расстояние между двумя пользователями может достигать 100 м. Количество узлов в сети практически неограниченно, так как их число может доходить до 65535.

С точки зрения аппаратного обеспечения технология EtherCAT находит применение в модулях ввода-вывода. В отличие от контроллеров ввода-вывода, у которых отличается внешний и внутренний протокол обмена, протокол EtherCAT полностью сохраняется вплоть до отдельного модуля ввода-вывода.

Следующий протокол передачи для управления системами «умного дома» – это протокол X 10. Торговая марка Х-10 принадлежит американской корпорации, расположенной в Сиэтле. За годы существования технологии (с 1978 года) продано уже более 100 миллионов устройств. И популярность систем Х-10 продолжает нарастать.

X-10 это протокол передачи управляющих сигналов по проводам силовой сети (220В, 50Гц) внутри дома. Формат кода был впервые представлен в 1978 для Sears Home Control System and the Radio Shack Plug 'n Power System. С тех пор многие компании, включая такие как Leviton Manufacturing Co., General Electric, C & K Systems, Schlage Lock Co., Stanley and Heath/Zenith Co развили и воспроизвели стандарт X-10 в своих изделиях, предназначенных для систем управления домом. Система Х-10 получила широкое распространение во многих развитых странах.

Большое преимущество Х-10 состоит в том, что любой модуль начинает работать сразу после установки. Поэтому, используя технологию Х10, можно начать с установки пульта и одного модуля, чтобы убавлять яркость торшера при просмотре телевизора или готовить кофе к моменту выхода хозяев к завтраку и добавляя модули, постепенно построить грандиозную систему, полностью управляющую домом. Потребности, вкусы и интересы обитателей любого дома со временем меняются. Технология X-10 позволяет создавать системы управления домом, которые несложно перестраивать и развивать в соответствии с меняющимися запросами. Несмотря на то, что у X10 существует множество конкурентов и она имеет свои недостатки, на сегодня это едва ли не самая популярная технология автоматизации домов и квартир. Поскольку для внедрения и возможной последующей модернизации практически не требует прокладки дополнительных сетевых проводов. При переезде на новое место жительства систему можно забрать с собой.

На рисунке 1.3 изображена система EIB, которая также предназначена для создания микропроцессорной сети «умного дома». Она устанавливается как в больших зданиях (банки, больницы, школы, производство), так и в частных коттеджах и квартирах. Система управляет всем комплексом электрики.

1-3 - датчики (освещённости, температуры, движения, дыма );

4 - устройства мониторинга и контроля; 5-8 - исполнительные устройства (освещение, кондиционеры, приводы ворот, жалюзи);

9 - управляющий элемент

Рисунок 1.3 – Пример системы EIB

EIB протокол поддерживает обмен по витой паре (Twisted Pair), непосредственно по силовой линии (Power Line), по радиочастоте (Radio Frequency), по ИК-каналу (Infra-Red). [12] Предусмотрена совместимость с другими системами. Таким образом, возможны различные варианты физической топологии системы - как соединение специальными линиями так и беспроводные связи, при одинаковых функциональных возможностях.

Выбор протоколов для системы «умный дом» во многом зависит от свойств технологического процесса, имеющегося инженерного оборудования, которое является объектом автоматизации и типа применяемых ПЛК.