Sieci Przemysłowe. Sieci HVAC i BEMS LON

Transkrypt

1 Sieci Przemysłowe Sieci HVAC i BEMS LON KNX

2 HVAC and BEMS HVAC - Heating, Ventilation & Air Conditioning BEMS - Building & Energy Management Systems 2

3 Instalacje Rozwiązanie konwencjonalne system zamknięty 3

4 Instalacje Te same funkcje w systemie sieciowym otwartym 4

5 Elementy systemów sieciowych Oświetlenie Silniki Żaluzje Ogrzewanie, chłodzenie, klimatyzacja Elementy wykonawcze Zasilanie magistrali 24 V DC Czujniki Czujniki wiatru Detektory ruchu Detektory światła Przyciski i przełączniki 5

6 LONWORKS (Local Operating Networks) Rozwiązanie otwarte dla automatyki budynków, przemysłu, transportu i ogólno- dostępnych sieci sterowniczych. Protokół LONWORKS = ANSI/EIA Control Networking Standard Podstawy systemu LONWORKS: System sieciowy musi być elastyczny, gdyż zależnie od aplikacji, systemy sterowania mają różne wymagania. Sieciowe systemy sterowania są znacznie bardziej wydajne, skalowalne niż systemy nie sieciowe. Sieciowe systemy sterowania są oszczędniejsze od systemów nie sieciowych. 6

7 Protokół LONWORKS LONWORKS jest protokołem warstwowym, opartym na pakietach, typu peer-to-peer 7 6 APPLICATION PRESENTATION Standard Objects and Types; Configuration Properties; File Transfer; Network Services Network Variables; Application Messages; Foreign Frames 5 SESSION Request-Response; Authentication TRANSPORT NETWORK LINK PHYSICAL End-to-End Acknowledgement; Service Type; Packet Sequencing; Duplicate Detection Unicast & Multicast Addressing; Packet Routing Media access control (MAC) - predictive p-persistent CSMA protocol Media-Specific Interfaces and Modulation Schemes (twisted pair, power line, radio frequency, coaxial cable, infrared, fiber optic) 7

8 Warstwa fizyczna Nazwa kanału *) TP/FT-10 TP/XF Medium Para przewodów, magistrala lub topologia swobodna, możliwa zasilanie poprzez sieć Para przewodów, magistrala Prędkość Symbol Liczba Dopuszczalna transmisji nadajnika urządzeń odległość 78kbps PL-20 Linia zasilająca 5.4kbps FTT-10, FTT- 10A, LPT m (topologia swobodna) 2200m (magistrala) 1.25Mbps TPT/XF m PLT-20, PLT-21, Zależy od Zależy od PLT-22 środowiska środowiska IP-10 LonWorks over IP Zależne od sieci Zależne od sieci Zależne od sieci Zależne od sieci *) Kanał medium komunikacyjne, do którego urządzenia podłączone są poprzez nadajnik 8

9 Warstwa łączna dostęp do medium Protokół LONWORKS używa unikalnego algorytmu dostępu do medium (Media Access Control - MAC) nazywanym predictive p-persistent CSMA (Carrier Sense Multiple Access). W protokole LONWORKS urządzenia losują co najmniej 16 różnych wartości opóźnień nazywanych oknami Beta2: liczba dostępnych okien Beta2 ustawiana dynamicznie przez każde urządzenie liczba dostępnych okien Beta2 zmienia się w granicach od 16 do

10 Warstwa sieci - adresowanie Adres fizyczny : niepowtarzalny 48-bitowy identyfikator (Neuron ID) Adres sieciowy: ID domeny (32385 urządzeń w domenie) ID podsieci (zbiór do 127 urządzeń na kanale. W domenie może być do 255 podsieci) ID węzła (urządzenie w podsieci) Adres grupowy: do 64 urządzeń w grupie, do 256 grup w domenie Adres rozgłoszeniowy Każdy pakiet transmitowany w sieci LONWORKS zawiera adres nadajnika (source address) i odbiornika (destination address), który może być adresem fizycznym, sieciowym, grupowym lub rozgłoszeniowym. 10

11 Warstwa transportowa wiadomości serwisowe Wiadomości potwierdzane (potwierdzania nadajnik-odbiornik) Wiadomości niepotwierdzane (wysyłane raz do urządzenia lub grupy urządzeń bez wymaganej odpowiedzi) Wiadomości powtarzalne (przesyłane do urządzenia lub grupy urządzeń wielokrotnie) Usługi autoryzacyjne (decydują, czy nadawca jest uprawniony do przesyłania wiadomości) 11

12 Warstwa prezentacji zmienne sieciowe Zmienna sieciowa jest dowolną daną, którą jedno urządzenie chce pobrać z innego urządzenia w sieci (wejściowa zmienna sieciowa) lub chce udostępnić innym urządzeniom w sieci (wyjściowa zmienna sieciowa) Wirtualne połączenie: Tworzone i zmieniane za pomocą narzędzi sieciowych (oprogramowania) Przełącznik zał/wył Zmieniane bez konieczności przeprogramowywania urządzeń Żarówka zał/wył 12

13 Limity wprowadzone przez warstwy 1-6 Liczba urządzeń w podsieci 127 Liczba podsieci w domenie 255 Liczba urządzeń w domenie Liczba domen w sieci 2 48 Liczba urządzeń w systemie 32K x 2 48 Liczba członków grup Nie potwierdzanych lub powtarzanych No Limit Potwierdzanych lub potwierdzanych 63 Liczba grup w domenie 256 Kanałów (typów medium) w sieci No Limit Bajtów w zmiennej sieciowej 31 Bajtów w ramce wiadomości 228 Bajtów w zbiorze danych

14 Warstwy 1-6: Neuron Chip Neuron Chip wypełnia pierwszych 6 warstw modeluosi Neuron Chip jest urządzeniem półprzewodnikowym zaprojektowanym w celu wprowadzenia własności sieciowych sieci LON do urządzania końcowego (sterownika, modułu wejściowego lub wyjściowego). Neuron Chip zawiera 3 procesory odpowiedzialne za komunikację i przetwarzanie danych 14

15 Urządzenie LONWORKS Budowa urządzenia sieci LONWORKS: 15

16 Warstwa aplikacja Obiekty i profile funkcjonalne Profile funkcjonalne implementowane jako obiekty LONMARK Obiekty LONMARK zdefiniowane jako zbiór jednej lub więcej wejściowych i/lub wyjściowych zmiennych sieciowych Własności konfiguracyjne definiują konfigurację danych obiektów: Standard Configuration Property Types (SCPTs) User-defined Configuration Property Types (UCPTs) Typ obiektu Indeks urządzenia Obowiązkowe zmienne sieciowe implementacja minimalna Używają SNVTs Opcjonalne zmienne sieciowe Implementowane w typowych przypadkach Używają SNVTs Własności konfiguracyjne stosowane w urządzeniu, obiekcie lub zmiennej sieciowej część definiowana przez producenta zmienne sieciowe i typy definiowane przez producenta interfejs firmowy 16

17 Identyfikator programu (Program ID) Identyfikator programu niepowtarzalny numer aplikacji urządzenia zawarty w urządzeniu sieciowym LONWORKS. Zawiera: Format (4 bity) definiuje strukturę programu ID producenta (20 bity) kod producenta Klasa urządzenia (16 bitów) definiuje najważniejsze cechy urządzenia Podklasa urządzenia (16 bitów) definiuje typ nadajnika i dodatkowe cechy urządzenia Numer modelu (8 bitów) model produktu nadawany przez producenta, unikalny w danej klasie urządzeń 17

18 Podsumowanie Protokół LONWORKS: Wspiera szeroką gamę mediów komunikacyjnych od pary przewodów, linii zasilającej po komunikację w sieciach IP Umożliwia pracę w sieciach mieszanych, z różnymi rodzajami mediów i prędkościami transmisji Realizuje wydajną transmisję krótkich wiadomości optymalizując sieć pod kątem aplikacji sterowania Umożliwia komunikację z ochroną przed nieautoryzowanym dostępem do sieci Zapewnia przewidywalny czas odpowiedzi (determinizm), niezależny od wielkości sieci Minimalizuje koszty instalacji i rekonfiguracji sieci Umożliwia pracę tysięcy urządzeń w sieci, lecz jest równie efektywny w sieciach zawierających kilka urządzeń Realizuje elastyczne i rekonfigurowalne połączenie urządzeń Umożliwia komunikację każdy z każdym zarówno w systemie zcentralizowanym jak i rozproszonym Posiada efektywne mechanizmy współdziałania różnorakich produktów (zmienne sieciowe, obiekty, Neuron Chip) 18

19 KNX (Konnex) Konnex sieć powstała po połączeniu trzech najważniejszych systemów automatyki budynków: Normy: KNX: EIB, EHS and Batibus CENELEC EN the only European Standard for Home and Building Electronic Systems (HBES) based on KNX. CEN EN the European Standard for Building Automation based on KNX. ISO / IEC ISO/IEC the World`s only Standard for Home Electronic Systems (HES) based on KNX. 19

20 Model OSI sieci KNX 7 6 APPLICATION PRESENTATION services depending on the type of communication used at transport layer; network management, runtime operation EMPTY 5 SESSION EMPTY 4 TRANSPORT Multicast, broadcast 3 NETWORK routing functionality 2 LINK CSMA/CA 1 PHYSICAL TP 0, TP 1, PL 110, PL 132, RF, IR, Ethernet (IEEE 802.2), Bluetooth, WiFi /Wireless LAN (IEEE ), FireWire (IEEE 1394) 20

21 Warstwa fizyczna media w KNX Para przewodów - Twisted Pairs (TP) Linia zasilająca - Power Lines (PL) Fale radiowe - Radio Frequency (RF) Media wykorzystywane dla protokołu TCP/IP (KNX-Anubis) 21

22 Warstwa fizyczna media w KNX TP 0 (BatiBUS), TP 1 (EIB) data and power transmission with one pair, asynchronous character oriented data transfer, half duplex bi-directional communication, transmission rate 4.8kbits/s (TP 0 ), 9.6 kbits/s (TP 1 ), CSMA/CA, mixed topology PL 110 (EIB), PL 132 (EHS) Spread frequency shift keying signalling, asynchronous transmission of data packets, half duplex bi-directional communication, frequency 110 and 132 khz, PL110 =1200 bits/sec; PL132 = 2400 bits/sec, CSMA. RF (KNX) 868 MHz IR (EIB) Ethernet (IEEE 802.2), Bluetooth, WiFi /Wireless LAN (IEEE ), FireWire (IEEE 1394) 22

23 Warstwa fizyczna topologia Magistrala Drzewo Gwiazda 23

24 Podstawy działania KNX zasilacz 24 V DC, ma Czujniki: Przełącznik, wejście analogowe, wejście binarne Element wykonawczy: kanałowe wyjścia przekaźnikowe Regulator oświetlenia Wyjścia analogowe 230V 24

25 Komunikacja za pomocą telegramów 25

26 Struktura magistralowa Każda magistrala ma swoje zasilanie Na magistrali może być do 64 urządzeń Odległości pomiędzy zasilaczem a najdalszym urządzeniem nie może przekroczyć: 350 m. Maksymalna odległość między dwoma urządzeniami: 700 m. Maksymalna długość magistrali: 1000 m. 350 m urządzenie 300 m zasilanie 350 m 26

27 Struktura systemu Zasilacz Główna linia (magistrala) Strefa Wtyczka linii 1 Wtyczka linii 2 Wtyczka linii 15 Sensor Sensor Zasilacz zasilacz Linia 1 Linia 2 Linia 15 Element wykonawczy Element wykonawczy 27

28 Struktura systemu 15 stref Wtyczka strefowa Wtyczka linii Linia Strefa 15 linii na strefę 1000 m na linię 64 urządzeń na linię urządzeń Element magistrali 28

29 Adresy fizyczne Bit 15 O O O O O L L L L D D D D D D D D Area 1-15 Line 1-15 Bus Device 1-64 (255) Adres fizyczny jest używany tylko dla potrzeb identyfikacji urządzenia na magistrali przy pomocy oprogramowania ETS

30 Bit 15 Adresy grupowe M M M M S(M) S(M) S(M) S S S S S S S S Main Group 0-15 (Middle Group 0-7) /10 1/5 1/5 Sub Group (0-255) Wiadomości rozsyłane po magistrali są identyfikowane poprzez adres grupowy. 1/3 1/10 1/10 Dzieli się na dwie części (grupa główna i podgrupa) lub na trzy części (z dodatkową grupą pośrednią). Może być zdefiniowanych: 16 grup głównych i 2048 podgrup lub 16 grup głównych, 8 grup pośrednich i 256 podgrup Daje to razem adresów grupowych. 30

31 Model urządzenia KNX 31

32 Aplikacje, powiązania punków danych Idea punktów danych Wejścia, wyjścia, parametry, dane diagnostyczne Obiekty grupowe Zredukowana lista instrukcji do poleceń ustawiania i odczytu wartości punków danych Ustandaryzowane typu punków danych zgrupowanych w bloki funkcjonalne Mechanizmy uni-cast i multi-cast mechanizmy dostępu do punktów danych z poziomu różnych aplikacji Schemat powiązania punków danych 32

33 Podstawowy schemat konfiguracyjny Dwa poziomy konfigurowania instalacji: Topologii sieci Indywidualnych węzłów lub urządzeń Etapy konfiguracji: Wybór schematu konfiguracyjnego i powiązania urządzeń Mapowanie do adresów na schemacie Wybór procedur zarządzających 33

34 Zarządzanie siecią Zarządzanie siecią Ustawiania inicjalizujące, Integracja instalacji, Diagnostyka Rozbudowa i rekonfiguracja Procedury (sekwencja wiadomości) dostępu do wartości źródeł danych sieciowych dla urządzenia: Adresy, parametry komunikacyjne, parametry aplikacji, zbiór danych (tablice połączeń, programy wykonywalne) Usługi oferowane przez warstwę aplikacji 34

35 Profile urządzeń KNX Ustandaryzowane profile dla urządzeń: Oświetleniowych Kolektorów słonecznych HVAC (Heating, Ventilation, Airconditioning) Zarządzania energią Systemów bezpieczeństwa Gospodarstwa domowego (we współpracy z Ceced *) ) Pomiarowych (we współpracy w CEN 294) *) Conseil Europeen de la Construction d Appareils Domestiques (ang. European Committee of Manufacturers of Domestic Equipment) jest komitetem europejskich producentów AGD 35