Technika systemowa budynku instabus EIB

Paweł Petykiewicz Technika systemowa budynku instabus EIB Podstawy projektowania Warszawa 1999 r.

Skład i łamanie ArsKom 02-792 Warszawa ul. Lasek Brzozowy 5/30 tel. (022) 648-72-59 http://www.arskom.com.pl e-mail: arskom@arskom.com.pl Druk i oprawa WZGraf 00-940 Warszawa ul. Grzybowska 77 tel. (0-22) 620-12-61 Dystrybucja SIEMENS Sp. z o.o. 03-821 Warszawa ul. Żupnicza 11 tel. (0-22) 870-98-13 870-98-12 870-91-16 fax. 870-90-28

Spis treści: 1. Wstęp... 5 2. Podstawy transmisji danych... 7 2.1. Rodzaje transmisji danych... 7 2.1.1. Transmisja równoległa.... 8 2.1.2. Transmisja szeregowa... 8 2.2. Reguły przesyłu informacji... 10 2.2.1. Model ISO/OSI... 10 2.2.2. Protokół transmisji... 11 2.3. Klasyfikacja sieci... 12 2.3.1. Topologia połączeń... 12 2.3.2. Metody dostępu do sieci.... 15 2.3.3. Nośnik sygnału.... 16 2.3.4. Inne środki przesyłu... 17 3. Topologia i organizacja systemu Europejskiej Magistrali Instalacyjnej... 18 3.1. Topologia systemu... 18 3.2. Adresowanie.... 20 3.2.1. Adres fizyczny.... 21 3.2.2. Adres grupowy (logiczny).... 22 3.3. Budowa i mechanizm przesyłu telegramu.... 23 3.3.1. Pole sterujące... 24 3.3.2. Adres nadawcy... 25 3.3.3. Adres docelowy.... 25 3.3.4. Blok kontrolny... 25 4. Techniczna realizacja systemu instabus.... 26 4.1. Technologia transmisji danych.... 26 4.2. Budowa elementów magistralnych... 31 5. Opis przykładowych urządzeń wykorzystywanych w instalacjach.... 37 5.1. Przycisk UP 241....37 5.2. Przycisk UP 243....37 5.3. Przycisk UP 245....37 5.4. Przycisk UP 230....38 5.5. Regulator temperatury UP 252.... 38 5.6. Adapter UP 220...39 3

5.7. Wyjście binarne N 562.... 39 5.8. Wyjście binarne GE 562... 40 5.9. Wyjście binarne GE 563... 40 5.10. Wejście binarne N 261... 41 5.11. Wejście binarne GE 262.... 41 5.12. Aktor załączająco-ściemniający GE 526.... 41 5.13. Łącznik żaluzji typ 520... 42 5.14. Napęd zaworu grzejnikowego EMO... 42 5.15. Moduł scenowy N 300... 43 5.16. Urządzenia do sterowania podczerwienią.... 43 5.17. Łącze szeregowe N 148.... 44 5.18. Zasilacz N 122.... 44 5.19. Sprzęgło liniowo-obszarowe N 140... 44 6. Wprowadzenie do programu ETS.... 45 6.1. Nastawy programu... 46 6.2. Zarządzanie projektami.... 46 6.3. Zarządzanie bankiem danych... 47 6.4. Konwersja... 47 6.5. Uruchamianie i testowanie.... 47 6.6. Projektowanie.... 48 7. Uwagi końcowe.... 53 4

1. Wstęp Rozwój techniki, a w szczególności układów mikroprocesorowych pociągnął za sobą również zmiany w koncepcji budowy instalacji elektrycznej. Powodem tych zmian jest wzrost wymagań dotyczących bezpieczeństwa instalacji elektrycznej, przejrzystość struktury, oszczędności energii, oraz komfortu jej eksploatacji. W wyniku tego opracowano nowy system instalacji - Europejską Magistralę Instalacyjną EIB (European Installation Bus), której celem jest spełnienie tych wymagań. System instabus EIB jest inteligentnym, zdecentralizowanym systemem instalacji elektrycznej służącym do załączania, sterowania, regulacji i nadzoru urządzeń technicznych znajdujących się w obszarze budynku. Poziom inteligencji systemu określany jest możliwościami właściwych, celowych reakcji w zależności od zmieniających się czynników zewnętrznych (zdarzeń, czasu). Każdy element magistralny posiada własny układ, który odpowiada za wymianę informacji pomiędzy nim a magistralą. Wymiana informacji realizowana jest za pomocą telegramów przesyłanych pomiędzy urządzeniami. Transmisja odbywa się poprzez dwie żyły przewodu magistralnego, które służą zarazem do zasilania elementów magistralnych. Standardowym przewodem magistralnym jest ekranowana skrętka dwuparowa 0.8 mm 2. Przesył informacji nie jest odseparowany od napięcia zasilającego 24 VDC, które jest modulowane podczas nadawania. Rys. 1.1 Instalacja instabus EIB. 5

Jednym z głównych zadań Europejskiej Magistrali Instalacyjnej jest integracja instalacji, które w klasycznym wykonaniu pracują jako odrębne. Obniża to w znaczny sposób ilość przewodów i kabli zainstalowanych w budynku, przy zachowaniu poprzednich funkcji urządzeń, a niekiedy rozszerza możliwości ich wykorzystania. Współpraca taka wiąże się również ze wzrostem oszczędności energii. Np. czujnik otwarcia okna generuje informację, która może być wykorzystana przez system antywłamaniowy, jak też przez instalację grzewczą. W tym drugim przypadku, oszczędność energii uzyskuje się dzięki zamykaniu zaworów grzejnikowych przy otwarciu okien. Oprócz kilku urządzeń systemowych wszystkie elementy składają się z trzech podobnych części tj. portu magistralnego, łącza adaptacyjnego i elementu końcowego. Urządzenia dzielą się pod względem budowy na kilka grup tzn. urządzenia do montażu podtynkowego, natynkowego, na szynę 35mm i naturalnie do wbudowania w obudowy innych urządzeń lub w listwy elektroinstalacyjne. Najważniejszą częścią elementu magistralnego jest port magistralny, w którym znajduje się mikroprocesor z pamięcią i modułem komunikacyjnym. To dzięki niemu element końcowy (urządzenie) może się komunikować z innymi użytkownikami magistrali. Elementy końcowe różnią się od siebie, również pod względem funkcjonalnym. Zapewnia to możliwość wykorzystania magistrali do zarządzania, sterowania i nadzoru wielu rożnych urządzeń. Przykładem może być sterowanie oświetleniem, żaluzjami, ogrzewaniem, klimatyzacją, wentylacją. Można do niej podłączyć urządzenia gospodarstwa domowego jak pralka, lodówka, zmywarka i wiele innych. Oprócz tego można ją łączyć za pomocą specjalnych urządzeń sprzęgających (Gateway ang. brama) z innymi systemami np. z siecią telefonii cyfrowej lub analogowej. Jako sensory czyli układy zadające, poza zwykłymi klawiszami, mogą pracować zegary, czujniki podczerwieni, światła, temperatury, wilgotności, wiatru i inne. Zapewnia to ogromną elastyczność wykorzystania wszystkich możliwości i tworzenia funkcji kombinacyjnych. Technika systemowa budynku z powodzeniem przyjęła się w krajach Europy Zachodniej, szczególnie w budownictwie użyteczności publicznej. Głównym powodem stosowania systemu są największe możliwości obniżenia zużycia energii (do 40% oszczędności). Jest on również coraz chętniej stosowany w budownictwie jednorodzinnym także ze względu na prostotę i komfort obsługi. Polska, dążąca do standardów europejskich, jest krajem, który dopiero rozpoczyna swoją drogę ku nowoczesnym instalacjom automatyki budynku. 6

2. Podstawy transmisji danych. Podstawą działania systemów mikroprocesorowych jest przetwarzanie danych, a co za tym idzie również ich przesył. Pociąga to za sobą konieczność stosowania odpowiednich połączeń oraz opracowanych standardowych metod przesyłu, które zapewnią prawidłową wymianę informacji. Najbardziej znanym przykładem nowoczesnych systemów cyfrowej transmisji danych są sieci komputerowe. W zależności od obszaru jaki obejmują, można poszczególne rodzaje sieci podzielić na: GAN (Global Area Network) - sieć globalna łącząca za pomocą przeróżnych łączy satelitarnych i kabli morskich wszystkie kontynenty ze sobą. WAN (Wide Area Network) - sieci kontynentalne łączące ze sobą poszczególne kraje. Prędkość transmisji dochodzi do 100 Kbit/s. MAN (Metropolitan Area Network) - sieci obejmujące obszary większych miast. Rozwój tych sieci ukierunkowany jest na jak największy przesył informacji z dużą prędkością transmisji pomiędzy 50 a 100 Mbit/s. LAN (Local Area Network) - sieci lokalne - samodzielne systemy, których rozległość ogranicza się zazwyczaj do obszarów poszczególnych jednostek organizacyjnych (np. biur). Odległość maksymalnie do kilku kilometrów, zaś prędkość transmisji utrzymuje się na poziomie od 100 Kbit/s do 20 Mbit/s. 2.1. Rodzaje transmisji danych. Wspólna struktura połączeń służących do przesyłu informacji nazywana jest magistralą. Umożliwia ona wymianę danych pomiędzy dużą liczbą uczestników. Konieczne jest jednak określenie zasad sterowania komunikacją. Rys. 2.2 Różnica pomiędzy transmisją szeregową a równoległą. 7

Wyróżniamy zasadniczo dwa rodzaje sposobów transmisji danych: transmisję równoległą i szeregową. Podstawowe różnice pomiędzy nimi to: koszty, pojemność przesyłu, zabezpieczenia transmisji, maksymalna, pokonywana przez informację odległość, elastyczność. Obie technologie przesyłu informacji wymagają układu pozwalającego przyłączyć się mechanicznie i elektrycznie do magistrali. 2.1.1. Transmisja równoległa. Układ transmisji równoległej składa się z szyny danych, szyny adresowej oraz szyny sterującej. W kolejnych taktach zegara po szynie danych przesyłane są wszystkie bity kolejnych słów naraz, każdy bit odrębnym przewodem. Wymaga to istnienia co najmniej ośmiu przewodów, gdyż najmniejszym słowem jest jeden bajt (osiem bitów). Na tej zasadzie osiąga się wysoką prędkość transmisji (bit/s), tym większą im szersza jest szyna. W chwili obecnej stosuje się na codzień już szyny 32 bitowe np. PC EISA. Oznacza to, że przy jednym takcie zegara przesyła się jednocześnie cztery bajty. Szyna sterowania zapewnia nam synchronizację nadajnika i odbiornika. W trybie pracy jednokierunkowej wymagane są dwie linie sterujące, jedna sygnalizująca gotowość pracy nadajnika, druga gotowość odbioru odbiornika. Obustronna sygnalizacja gotowości pracy nadajnika i odbiornika gwarantuje, że żaden z przesyłanych bajtów danych nie zostanie zgubiony ani tez przeczytany dwukrotnie. Odpowiednio do pracy w trybie dwukierunkowym potrzebne są cztery linie sterujące dwie dla synchronizacji wprowadzania danych i dwie dla wyprowadzania danych. Transmisja równoległa oprócz wymagania w postaci dużej ilości linii (przewodów) posiada jeszcze jedną wadę. Przy dużych szybkościach przekazywania danych na duże odległości istotnym ograniczeniem stają się problemy techniczne związane z różnymi prędkościami rozchodzenia się sygnałów w nieidentycznych przewodach oraz z przesłuchami występującymi między sąsiadującymi liniami. Dlatego też znajduje ona zastosowanie głównie przy niewielkich odległościach przesyłu np. wewnątrz jednostki centralnej komputera. 2.1.2. Transmisja szeregowa. Metoda transmisji szeregowej oferuje możliwość większego oddalenia użytkowników od siebie oraz mniejsze koszty okablowania (mniej żył). Różni się od poprzedniej tym, że pojedyncze bity informacji są przesyłane jeden po drugim tym samym przewodem (nośnikiem) i muszą być odczytywane przez odbiornik dokładnie w tempie nadawania, gdyż inaczej niektóre bity mogłyby zostać zgubione lub odczytane dwukrotnie. Obustronna sygnalizacja gotowości przy przekazywaniu każdego bitu nie jest stosowana, gdyż zwolniłaby znacznie szybkość transmisji a ponadto wymagałaby dodatkowo przynajmniej dwóch przewodów sterujących. Podstawową trudnością transmisji szeregowej danych jest więc zapewnienie synchronizacji pracy nadajnika i odbiornika. Zastosowanie zegarów o takiej samej częstotliwości w nadajniku i odbiorniku nie rozwiązuje problemu, 8

ponieważ w długich okresach czasu nawet najmniejsze różnice w częstotliwościach zegarów doprowadziłoby do rozsynchronizowania się urządzeń. W praktyce stosuje się dwa sposoby organizacji transmisji szeregowej: synchroniczną i niesynchroniczną. Transmisja synchroniczna wymaga poprowadzenia pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem dodatkowej linii synchronizującej, po której przekazywany jest wspólny dla urządzeń sygnał zegara. Sygnał ten może być generowany przez nadajnik, odbiornik lub przez zegar zewnętrzny. Rozwiązanie to gwarantuje tę samą prędkość pracy odbiornika i nadajnika i umożliwia rozpoznawanie poszczególnych bitów słowa. Metoda ta jest stosowana rzadko i tylko do przesyłu informacji na nieduże odległości. Rys. 2.3 Transmisja szeregowa synchroniczna. Transmisja asynchroniczna nie wymaga żadnych dodatkowych połączeń sterujących pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Każde przekazywane słowo danych zaopatrzone jest w dodatkowe znaczniki początku i końca słowa. Zarówno nadajnik jak i odbiornik posiadają własne zegary, nastawione na tę samą częstotliwość. Zegar odbiornika uruchamia się w momencie wykrycia znacznika początku słowa i zatrzymuje się przyjąwszy znacznik końca. Ponieważ przekazywane słowa danych składają się z reguły z 5 do 9 bitów, nie licząc znaczników, zegary w tak krótkim czasie nie zdążą się rozsynchronizować. Jednak brak przewodu synchronizującego powoduje obniżenie prędkości transmisji. Rys. 2.4 Transmisja szeregowa asynchroniczna Ze względu na duże odległości transmisji szeregowej istnieje możliwość występowania zakłóceń oraz przekłamań informacji. Z tego powodu konieczne jest zastosowanie mechanizmów kontroli. W układach transmisji synchronicznej stosuje się motodę kodowania z kontrolą CRC przy użyciu nadmiarowych słów kontrolnych, zaś w transmisji synchronicznej prostszą lecz również mniej pewną metodę sprawdzania parzystości. 9

Wyróżnia się sprawdzanie parzystości wprost i nie wporst. Różnica pomiędzy tymi metodami polega na tym, że w przypadku kontroli wprost bit parzystości zostaje tak dobrany aby suma bitów danych i bitu parzystości wynosiła zero, zaś dla kontroli nie wprost jeden. Ta pierwsza metoda sprawdzenia parzystości jest najprostszym i najszerzej stosowanym w komunikacji cyfrowej sposobem sprawdzania poprawności odbieranej informacji. 2.2. Reguły przesyłu informacji. Tak jak już wspomniano wcześniej, aby informacja mogła być przesłana w sieci od nadawcy do odbiorcy nie wystarczy połączenie elektryczne obu uczestników transmisji. Wymiana informacji pomiędzy nimi musi podlegać pewnym regułom. 2.2.1. Model ISO/OSI W roku 1984 opublikowany został przez ISO (International Standards Organization) model komunikacji dla systemów otwartych OSI (Open Systems Interconnection). Stał się on podstawą do opisywania systemów komunikacji, głównie komputerowej. Stosuje się go również do sieci przemysłowych. Model ten jest podzielony na siedem warstw, każda z nich definiuje zbiór usług i związanych z nimi protokółów (zasad komunikacji), manipulowania informacją na poziomie tej warstwy. Każda warstwa otrzymuje informacje z bezpośrednio niższej warstwy i przekazuje ją do bezpośrednio wyższej lub na odwrót. Ponieważ zdefiniowano wiele różnorodnych czynności dla każdej warstwy, model ten może być dopasowany do szerokiej gamy sprzętu i oprogramowania sieciowego. Takie warstwowe ułożenie funkcji i protokółów daje podstawę komunikacji pomiędzy odmiennymi typami sprzętu i oprogramowania sieciowego. Rys. 2.5 Model ISO/OSI Warstwa fizyczna - zapewnia fizyczne dołączenie (okablowanie) do przepływu danych pomiędzy urządzeniami sieci. Definiuje elektryczne i mechaniczne połączenia (złącza) z systemem okablowania sieci oraz funkcje zajmujące się właściwą transmisją bitów danych pomiędzy urządzeniami w sieci. 10

Warstwa łącza - określa metody kontroli dostępu do okablowania. Warstwa łącza określa podstawowe jednostki informacji (zwane pakietami) oraz metody tworzenia, wysyłania i odbierania tych pakietów. Warstwa ta ma zapewniać bezbłędną komunikację pomiędzy urządzeniami sieciowymi. Warstwa sieciowa - określa, w jaki sposób dane są kierowane z jednego urządzenia do drugiego. Może również ukrywać niższe warstwy przed wyższymi, umożliwiając temu samemu oprogramowaniu górno-warstwowemu wykorzystanie różnych rodzajów sprzętu sieciowego. Ponadto, w warstwie tej dane mogą być kierowane z jednego sprzętu sieciowego do innego. Warstwa transportowa - określa procedury rozpoznawania błędów, korekcji ich oraz wymagania dotyczące powtórzeń informacji. Warstwa sesji - koordynuje współdziałanie między funkcjami i programami użytkowymi wykonywanymi na różnych urządzeniach sieciowych. Warstwa prezentacji - określa konwersje kodu i dopasowania formatów danych dla programów użytkowych. Warstwa aplikacji - zajmuje się usługami sieciowymi i komunikacją użytkownika z siecią. W sieciach przemysłowych, np. sieci sterowników programowalnych PLC, nie ma potrzeby stosowania rozbudowanych systemów transmisji jak to jest w sieci komputerowej. Z reguły ich obszar ogranicza się do stosowania warstw: fizcznej, łącza, transportowej oraz aplikacji. 2.2.2. Protokół transmisji. Komunikacja sieciowa odbywa się na zasadzie przesyłania pakietów. Zanim dane zostaną przemieszczone z jednego urządzenia sieciowego do innego, są umieszczane w małych jednostkach informacji. zwanych pakietami. Jeśli strumień danych jest większy niż pojemność pojedyńczego pakietu, dane te są umieszczane w wielu pakietach. Zasady transmisji zwane protokołem opisują zakres, rodzaj i kolejność informacji jaka powinna zostać przesłana po sieci. Określają one m.in. budowę telegramu (komunikatu). Przykładami normowanych protokołów są: MAP (Manufacturing Automation Protocol) oraz TOP (Technical and Office Protocol). Rys. 2.6 Budowa telegramu Standardowy telegram składa się z nagłówka, rdzenia i części kontrolnej. W nagłówku znajduje się adres nadawcy i odbiorcy telegramu, dane sterujące takie jak np. długość informacji właściwej czy też znacznik powtórzeń umieszczany w telegramie powtarzanym przy wadliwej transmisji, potrzebny do rozróżnienia typów wiadomości. W nagłówku umieszcza się również niekiedy bity priorytetu wiadomości. Pozwala to w momencie zawieszenia systemu lub zapętlenia procesu awaryjne, ręczne sterowanie urządzeniami za pomocą telegramów o najwyższym priorytecie. Rdzeń telegramu zawiera właściwą informację przesyłaną. W zależności od rodzaju telegramu mogą one mieć albo stałą (telegramy krótkie) albo zmienną długość (telegramy długie). 11

W skład bloku kontrolnego, znajdującego się zazwyczaj na końcu telegramu, wchodzą informacje zabezpieczające prawidłową transmisję danych. Na podstawie tych informacji odbiorca telegramu może określić czy dane zawarte w telegramie, który otrzymał nie zawierają błędów. Sprawdzenie takie jest konieczna, gdyż w niektórych przypadkach błędna informacja może być odczytana przez odbiornik jako prawidłowa lecz o zupełnie innym znaczeniu. Najbardziej znaną metodą kontroli jest bit parzystości umieszczany na końcu pakietu (paczki danych, ramki). Parzystość określa się wprost. Rodzaj takiej kontroli określany jest mianem parzystości wszerz (VRC - Vertical Redundancy Check). W przypadku transmisji wieloramkowej (wielopakietowej), pomimo sprawdzenia parzystości dla każdej ramki istnieje możliwość występowania błędów transmisji. Dochodzi do tego, gdy błąd wystąpi na miejscu dwóch bitów (lub innej parzystej liczby). Dlatego oprócz sprawdzenia każdej ramki wszerz, wszystkie ramki są sprawdzane pionowo - wzdłuż (LRC - Longitudinal Redundancy Check). Wynik pionowej kontroli parzystości zostaje zapisany w części kontrolnej. Zazwyczaj określenie parzystości wzdłuż odbywa się na zasadzie nie wprost. Połączenie obu metod nazywa się to metodą sprawdzenia krzyżowego i zapewnia największą pewność wykrycia błędów transmisji. 2.3. Klasyfikacja sieci. Powstanie i rozwój sieci odbywał się i trwa nadal wielotorowo. Wynikiem tego było powstanie różnego rodzaju sieci, które różnią się pomiędzy sobą topologią, rodzajem dostępu, sposobem nadzoru oraz nośnikiem. Proces standaryzacji sieci lokalnych pozwolił na połączenie ich w większe struktury (MAN, WAN, GAN). 2.3.1. Topologia połączeń. Podstawowym sposobem klasyfikacji sieci jest rodzaj topologii sieci tzn. rodzaj połączeń pomiędzy uczestnikami transmisji (użytkownikami). Od rodzaju topologi zależy nie tylko sposób okablowania lecz również prędkość transmisji, podatność na zakłócenia, sposób zarządzania siecią oraz sposób zabezpieczeń transmisji. Zasadniczo można je podzielić na dwie grupy: punkt - punkt, systemy magistralne. 12

2.3.1.1. Punkt - punkt. Sieć ta łączy bezpośrednio uczestników ze sobą za pomocą przewodów szeregowych (np. RS 232). Zaletami tego rozwiązania jest możliwość natychmiastowego, bezkolizyjnego przekazywania telegramów. Ponadto w przypadku przerwania jednego z połączeń nie traci się kontaktu z innymi uczestnikami. Niestety przy większej ilości uczestników transmisji sieć połączeń nadmiernie się komplikuje ponieważ każde połączenie wymaga oddzielnego przewodu i oddzielnego portu komunikacyjnego. Rozwiązanie to nie jest praktycznie wykorzystywane na dużą skalę. 2.3.1.2. Gwiazda. Stosuje się ją zazwyczaj w przypadku gdy jeden z uczestników posiada większą moc obliczeniową od pozostałych i pełni rolę uczestnika nadrzędnego (Master). Komunikacja odbywa się na zasadzie punkt - punkt. Albo Master po kolei komunikuje się z jednostkami podrzędnymi (Slave), z potwierdzeniem lub bez albo łączy się ze Slave m po wywołaniu go. Zalety: uszkodzenie jednego Slave a nie wpływa na działanie reszty sieci. Wady: brak bezpośredniego połączenia wszystkich uczestników, uszkodzenie Master a powoduje całkowite unieruchomienie sieci, wysokie koszty okablowania. Rys. 2.7 Połączenie punkt-punkt Rys. 2.8 Połączenie typu gwiazda. 13

2.3.1.3. Pierścień. Przy takim połączeniu wszyscy uczestnicy mogą być równouprawnieni, zaś komunikacja odbywa się przez przekazywanie telegramu sąsiednim uczestnikom, tak aż dotrze do odbiorcy. Zalety: prosta realizacja, niski koszt okablowania. Wady: brak bezpośredniego połączenia wszystkich uczestników, uszkodzenie jednego użytkownika. Rys. 2.9 Połączenie typu pierścień 2.3.1.4. Magistrala. Wszyscy uczestnicy są połączeni za pomocą jednego wspólnego łącza. W jednej chwili czasowej można przesyłać tylko jedną wiadomość. Zalety: bezpośrednie połączenie wszystkich uczestników, uszkodzenie jednego z uczestników nie wpływa na resztę sieci, łatwość rozbudowy. Wady: Rys. 2.10 Magistrala. Przerwanie kabla magistralnego powoduje całkowite uszkodzenie sieci. 2.3.1.5. Struktura drzewiasta. Struktura ta jest połączeniem wcześniej omawianych topologii. Wiadomość jest transportowana od nadawcy do węzła i dalej do wszystkich użytkowników systemu magistralnego. Zalety: dobre dopasowanie do wymagań budynku. 14

Wady: brak bezpośredniego połączenia użytkowników, awaria węzła wyłącza część systemu. 2.3.2. Metody dostępu do sieci. W sieciach o topologii typu gwiazda lub pierścień z wyróżnionym uczestnikiem nadrzędnym, dostęp do sieci koordynuje dany uczestnik. Pełni on rolę centralnego koordynatora, który na ogół cyklicznie odpytuje podrzędnych użytkowników (metoda typu polling). W odpowiedzi na pytanie Master a zgłaszają one potrzebę transmisji określając adresata i ilość danych do przesłania. W sieciach typu pętla o równouprawnionych uczestnikach transmisji stosuje się metodę przekazywania uprawnień (ang. token passing). Jednym z przykładów może być tu sieć typu Arcnet, gdzie przesyłany jest stale blok danych (ang. token) pomiędzy kolejnymi uczestnikami. Użytkownik, który chce nadawać oczekuje na przekazanie bloku. Jeśli bajty sterujące umieszczone w bloku sygnalizują, że jest on wolny, ustawia je na wartości zajęty, dopisuje identyfikator adresata danych oraz wpisuje dane do transmisji i przekazuje blok dalej. Adresat po otrzymaniu informacji przestawia bity sterujące. Obie powyższe metody są metodami o kontrolowanym dostępie do sieci. Procedury sterujące komunikacją uniemożliwiają powstanie takiej sytuacji, w której kilka stacji jednocześnie próbowałoby nadać informację równocześnie. Oczywiście zaletą takiego systemu jest szybkość transmisji ale istnieje konieczność stosowania krótkich bloków danych i odpowiedniej topologii. Większość sieci lokalnych wykorzystuje topologię typu magistrala, gdzie stosowana jest metoda niekontrolowanego (losowego) dostępu do sieci. Bardzo często stosuje się, szczególnie w sieciach komputerowych, metodę testowania nośnika i wspólnego dostępu do sieci z wykrywaniem kolizji CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detected). Taki sposób transmisji dopuszcza do występowania kolizji (więcej niż jeden uczestnik próbuje nadawać) lecz chroni przed jej skutkami. Użytkownik może bowiem nadawać dopiero po stwierdzeniu, że w sieci nie jest prowadzona transmisja. Niemniej, kilku uczestników może rozpocząć nadawanie równocześnie. Dlatego każdy z nich sprawdza w trakcie nadawania, czy nie nadaje ktoś inny. Jeśli zaistnieje taka sytuacja, wszyscy nadawcy przerywają transmisję i każdy z nich po losowo dobranym czasie ponownie rozpoczyna transmisję przez sprawdzenie najpierw, czy łącze jest wolne. Metodę CSMA/CD stosuje m.in. sieć typu Ethernet. Inną metodą losowego dostępu do sieci jest metoda testowania nośnika i wspólnego dostępu do sieci z unikaniem kolizji CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Metoda ta różni się od poprzedniej, że uczestnicy transmisji mają przydzielone priorytety i w momencie gdy proces nadawania rozpoczną dwaj uczestnicy ten z niższym priorytetem wstrzymuje się i kontynuuje po zwolnieniu sieci. Oczywiście może zdarzyć się sytuacja, kiedy obaj uczestnicy posiadają taki sam priorytet. W takim przypadku użytkownik z niższym adresem fizycznym zwalnia magistralę dla użytkownikowi z wyższym adresem. Metoda ta jest często m.in. w magistrali instalacyjnej EIB. 15

2.3.3. Nośnik sygnału. System okablowania stanowi drogę łączącą urządzenia sieciowe. Najwcześniejsze sieci używały kabla koncentrycznego (współosiowego). Obecnie jednak, sieci mogą wykorzystywać wiele różnych innych nośników przenoszących dane. Rodzaj okablowania jest istotnym elementem transmisji danych. Jest z nim związana maksymalna prędkość transmisji, podatność na zakłócenia, no i oczywiście koszt całej instalacji. Dlatego też istnieją różnego rodzaju nośniki transmisji danych, zaś do projektanta należy wybór najlepiej odpowiadającego danej instalacji. 2.3.3.1. Kabel koncentryczny (współosiowy). Kabel koncentryczny składa się z pojedynczego, centralnego przewodu otoczonego warstwą izolacyjną, a następnie ekranującą siateczką, lub folią oraz zewnętrzną izolacją. Dzięki swojej konstrukcji jest on odporny na zakłócenia elektromagnetyczne. Zalety: mało wrażliwy na zakłócenia i szumy, niższy koszt niż kabel skręcany ekranowany, nadaje się do transmisji szerokopasmowej (modulowanej). Wady: łatwy do uszkodzenia, trudny w wykorzystaniu. 2.3.3.2. Kabel skręcany. Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje kabla skręcanego: nieekranowany kabel skręcany (UTP) i ekranowany kabel skręcany (STP). Kabel nieekranowany jest obecnie coraz rzadziej stosowany, głównie ze względu na niską prędkość transmisji oraz dużą podatność na zakłócenia. Nie będzie więc omawiany w niniejszej pracy. Na uwagę zasługuje natomiast przewód STP. Składa się on z jednej lub więcej par przewodów (żył) skręconych ze sobą, otoczonych ekranującą folią lub siatką i zazwyczaj umieszczonych we wspólnej osłonie izolacyjnej. W zależności od zastosowań każda pojedyncza para może mieć lub nie własne ekranowanie. Zalety: wysoka szybkość transmisji, łatwiejsza obsługa niż kabla koncentrycznego. Wady: wyższy koszt instalacji. 2.3.3.3. Światłowód. Przewód światłowodowy składa się z jednej lub więcej żył szklanych lub z tworzywa organicznego. Sygnał jest przesyłany w postaci impulsów światła lub fali świetlnej o odpowiedniej długości. Dzięki swojej zasadzie działania światłowód jest praktycznie niewrażliwy na działanie zakłóceń elektromagnetycznych, a ponadto dzięki małemu tłumieniu może przesyłać sygnały na duże odległości. 16

Zalety: brak podatności na zakłócenia elektromagnetyczne, możliwość izolacji elektrycznej pomiędzy segmentami sieci, duża szybkość przesyłu, możliwość wykorzystania do przesyłu na duże odległości. Wady: wysokie koszty, trudne w instalacji, łatwe do uszkodzenia. 2.3.4. Inne środki przesyłu. Oprócz powszechnie stosowanych kabli miedzianych i światłowodów stosuje się również inne nośniki transmisji danych: Podczerwień - modulowane sygnały świetlne w paśmie podczerwonym przesyłane w otwartej przestrzeni. Promień laserowy - modulowany promień lasera przesyłany w otwartej przestrzeni. Mikrofale - fale elektromagnetyczne wysokiej częstotliwości przesyłane przez szereg przekaźników. Przy transmisjach na dalekie odległości mogą być wykorzystywane satelity. Radio - fale elektromagnetyczne częstotliwości radiowej, również do terenów zabudowanych. Przewód miedziany skręcany (skrętka telefoniczna) Przewód koncentryczny transmisja w paśmie podstawowym (BASEBAND) transmisja modulowana szerokopasmowa (BROADBAND) Światłowód Prędkość transmisji < 16 MBit/s < 500 MBit/s > 1000 MBit/s Bezpieczeństwo danych niskie średnie duże wysokie Rozległość sieci 3 km 1.5-10 km 50 km nieograniczona Liczba użytkowników 1024 1024 do 25 000 1024 Koszty instalacji niskie średnie wysokie b. wysokie 17

3. Topologia i organizacja systemu Europejskiej Magistrali Instalacyjnej. System instabus EIB w znacznej mierze korzysta z doświadczeń i rozwiązań stosowanych w sieciach komputerowych i przemysłowych sieciach automatyki. Dlatego topologia i sposób komunikowania się między sobą użytkowników jest bardzo podobny. Wszystkie urządzenia przyłączone do magistrali są równoprawne, sterowane w sposób zdecentralizowany. Poszczególne aktory i sensory są oznaczane jako elementy magistralne. Elementy specjalne, służące do połączenia poszczególnych części systemu w jedną strukturę określa się mianem sprzęgieł. W zależności od miejsca ich zastosowania wyróżnia się sprzęgła liniowe, obszarowe i wzmacniacze liniowe. 3.1. Topologia systemu. Topologia Europejskiej Magistrali Instalacyjnej opiera się na strukturze drzewiastej, która to z kolei jest rozwinięciem budowy typu magistrala. SO 1 Linia główna Linia obszarowa Obszar n Obszar 3 Obszar 2 Obszar 1 SO = Sprzęgło obszarowe SL = Sprzęgło liniowe EM = Element magistralny SL 1 SL 12 EM 1 EM 1 Linia 1 EM 64 Linia 12 EM 64 Rys. 3.1 Topologia systemu instabus. Podstawową częścią struktury jest linia, do której podłączone są elementy magistralne (maksymalnie 64), aktory bądź sensory. Po dodaniu specjalnych elementów takich jak sprzęgła (liniowe) można połączyć ze sobą maksymalnie dwanaście linii w jeden obszar. Po dodaniu następnych sprzęgieł (obszarowych) można połączyć ze sobą 15 obszarów w jedną linię obszarową. W systemie instabus istnieje możliwość pracy łącznie ponad 10 000 elementów magistralnych. Struktura pomimo swojej wielkości zachowuje jednak logiczną całość i przej- 18

rzystość. Wszyscy uczestnicy wymiany informacji mogą się wspólnie komunikować niezależnie od miejsca w którym są podłączeni do przewodu magistralnego. Komunikacja odbywa się zazwyczaj lokalnie, czyli w obrębie jednej linii. W takim przypadku sensory nadają telegramy, zgodnie z zasadą losowego dostępu do magistrali CSMA/CA (patrz rozdz. Metody dostępu do sieci), które rozchodzą się po całej linii. Aktory, dla których przeznaczone są informacje odbierają je i potwierdzają nadawcy prawidłowe przyjęcie telegramu. Inni użytkownicy, do których dany telegram nie jest przeznaczony ignorują go. Duże znaczenie w tym momencie odgrywają sprzęgła liniowe, zapobiegające rozprzestrzenianiu się informacji po całym systemie. Pełnią one rolę filtrów-wzmacniaczy. W momencie uruchamiania systemu w sprzęgle zapisywana jest tablica filtracyjna określająca, które telegramy należy wzmocnić i przekazać dalej, a które wytłumić. Przepływ informacji, jak również filtracja, są możliwe oczywiście w obie strony. Gdy telegram wysłany np. przez element linii 1, przeznaczony jest dla elementu linii 12, dociera on do sprzęgła liniowego 1 i zostaje przez nie przepuszczony do linii głównej. Następnie przedostaje się przez sprzęgło liniowe 12 i dociera do odbiorcy. W tym czasie sprzęgła liniowe 2 11 nie przepuszczają telegramu znajdującego się w linii głównej do swoich linii. Dzięki temu w obrębie tych linii, równolegle, może odbywać się komunikacja. Identyczne tabele znajdują się w sprzęgach obszarowych tak, że informacja może swobodnie docierać do elementów znajdujących się w innych częściach struktury systemu. Identyczny jest również proces przekazywania telegramu do innych obszarów. W przypadku konieczności podłączenia do linii więcej niż 64 elementy magistralne, jako sześćdziesiąty czwarty element stosuje się wzmacniacz liniowy, który wydłuża linię o następne 64 elementy. 19

SO Linia obszarowa SO SL X/X/0 SL Linia główna EM1 X/X/1 EM1 EM63 X/X/63 WL X/X/64 EM65 X/X/65 SO = Sprzęgło obszarowe SL = Spręgło liniowe WL = Wzmacniacz liniowy EM = Element magistralny EM127 X/X/127 EM64 Rys. 3.2 Sposób zastosowania wzmacniacza liniowego. 3.2. Adresowanie. W systemie instabus istnieją dwa typy adresów: fizyczny i grupowy. Pierwszy z nich ma za zadanie określić miejsce konkretnego elementu w strukturze systemu, drugi z nich przyporządkowuje dany element do funkcji jakie powinien spełniać i zaszeregowuje go do grupy urządzeń, z którymi powinien współpracować. Oba adresy pomimo podobnej notacji są właściwie interpretowane przez program narzędziowy. 20

3.2.1. Adres fizyczny. Adres fizyczny jest to niepowtarzalny numer jaki otrzymuje każdy element w systemie, który określa odbiorcę telegramu. Z punktu widzenia maszyny numer jest dowolną liczbą Linia obszarowa KON SO 1 SO 15 0.0.>0 1.0.0 15.0.0 Linia główna SL 1 SL 12 1.1.0 1.12.0 EM 1 EM 1 1.1.1 1.12.1 Linia 1 EM 64 1.1.64 EM 64 Linia 12 1.12.64 EM = SL = Element magistralny Sprzegło liniowe SO = Sprzęgło obszarowe KON = Kontroler Rys. 3.3 Sposób nadawania adresów fizycznych w systemie EIB. z zakresu od 0 do 65 534 (zarezerwowane jest miejsce na liczbę szesnastobitową), lecz w celu zachowania przejrzystości struktury adres fizyczny zapisuje się w formie uproszczonej: O.L.E (gdzie O - numer obszaru, L - numer linii, E - numer elementu). Sposób nadawania adresów fizycznych jest zobrazowany na rys. 3.3. Poszczególne parametry mogą przybierać następujące wartości: O = 1 15 - numery obszarów 1 15, O = 0 - numer dla elementów umieszczonych na linii obszarowej, L = 1 12 - numery linii 1 12, L= 0 - numer dla elementów umieszczonych na linii głównej, E = 1 64 - numery elementów 1 64. Jak widać istnieją elementy szczególne, posiadające w swoim adresie fizycznym liczbę 0. Elementy te są urządzeniami systemowymi koniecznymi do prawidłowego funkcjonowania systemu i są umieszczone na poziomie linii sprzęgających (głównych i obszarowych). Do takich urządzeń należą m.in. zasilacz linii głównej lub linii obszarowej. 21

3.2.2. Adres grupowy (logiczny). Adres grupowy jest dodatkowym adresem mającym na celu określenie grup urządzeń wspólnie współpracujących. Pod adres wysyłany jest telegram z poleceniem dla kilku urządzeń np. dla wszystkich opraw w pomieszczeniu, żeby zredukowały światło o 50%. SO Linia główna SL 1 SL 12 EM 1 1/1/10 EM 1 15/1/10 EM 2 2/1/7 EM 3 1/5/3 EM 4 1/3/11 EM 64 2/3/10 Linia 1 EM 64 15/3/11 Linia 12 EM = SL = Element magistralny Sprzęgło liniowe SO = Sprzęgło obszarowe Rys. 3.4 Sposób określania adresów grupowych. Sposób zapisu adresu grupowego jest podobny do adresu fizycznego. Zapisuje się go w formie: G/Ś/P, gdzie G - oznacza grupę główną, Ś - grupę pośrednią, P - podgrupę. Poszczególne parametry mogą przybierać następujące wartości: G = 0 15, Ś = 0 7, P = 0 255 Za pomocą tych parametrów możemy różnicować wszelkie funkcje w obiekcie. Przykładowy podział może być następujący: Numer grupy głównej (G) określa pomieszczenie lub grupę pomieszczeń np. parter, Numer grupy pośredniej (Ś) definiuje rodzaj funkcji np. oświetlenie, Numer podgrupy (P) uściśla rodzaj funkcji np. w³¹cz/wy³¹cz lampy L1 i L2 w kuchni. Podział ten nie jest jednak sztywny i może być swobodnie definiowany w miarę potrzeb. Przykładowe przyporządkowanie adresów grupowych dla sterowania oświetleniem objaśnione jest na rys. 3.5. Pierwsza liczba, czyli grupa główna w tym przypadku jest niepotrzebna, gdyż pokoje zawierają niewiele elementów i można je rozpatrywać razem. Potrzeba korzystania z grupy głównej wynika dopiero przy większych obiektach. Druga liczba określa rodzaj urządzeń, w tym przypadku 1 zarezerwowane jest dla oświetlenia. Ostatnim elementem adresu jest numer 22

podgrupy definiujący konkretną funkcję sterowania. I tak liczba 1 określa funkcje w³¹cz/wy³¹cz opraw w pokoju 1. Grupę tworzą oprawy L11, L12 i L13 oraz przycisk P1. Oznacza to, że oprawy te są załączane i wyłączane grupowo za pomocą przycisku P1. Aktory Sensory L11 L12 L13 L21 L22 L23 S1 L11 L21 S1 Adresy grupowe 1/1/11 1/1/11 P1 1/1/1 1/1/1 1/1/1 P2 1/1/2 1/1/2 1/1/2 L12 L22 L13 P1 L23 P2 S = Czujnik światła P = Przycisk L = Oprawa świetlna Rys. 3.5 Przykład zdefiniowania adresów grupowych. Liczba 2 definiuje grupę sterowania funkcją oświetlenia w³¹cz/wy³¹cz dla pokoju drugiego identycznie. Grupa zbudowana jest identycznie jak poprzednia. Następną grupą jest grupa 11. Określa ona sterowanie dla opraw umieszczonych przy oknie (L11 i L21) za pomocą czujnika natężenia światła słonecznego. Oprawy te są przygaszane w momencie dużego nasłonecznienia i rozjaśniane w przypadku zachmurzenia. 3.3. Budowa i mechanizm przesyłu telegramu. Pomiędzy elementami magistralnymi następuje wymiana informacji. Dokonuje się ona za pomocą odpowiednio zbudowanych telegramów i na podstawie ściśle określonych reguł. W momencie wystąpienia zdarzenia (np. naciśnięcia przycisku) element magistralny (sensor) próbuje wysyłać telegram na magistralę. Po odczekaniu czasu t1 (=50 bitów) jeśli magistrala jest wolna zaczyna wysyłać telegram. Po zakończeniu transmisji sensor odczekuje t1 Telegram t2 Potw. Rys. 3.6 Proces przesyłania telegramu. czas t2 (=13 bitów) w celu sprawdzenia poprawności transmisji. Wszyscy uczestnicy odbierający telegram jednocześnie potwierdzają poprawność odbioru. Cała transmisja łącznie z czasami oczekiwania i potwierdzeniem trwa w granicach 20-40 ms. 23

Telegramy składają się, zgodnie z informacjami zawartymi w rozdziale: Podstawy transmisji danych, z trzech podstawowych części nagłówka, rdzenia, oraz części kontrolnej. Rys. 3.7 Struktura telegramu oraz podział telegramu na 8-mio bitowe pakiety informacyjne. Nagłówek tworzy: część sterująca, adres nadawcy, adres odbiorcy, licznik kontroli przejścia oraz część informująca o długość informacji użytecznej. W systemie EIB zastosowano telegramy długie, o zmiennej długości. W sumie maksymalna długość telegramu może wynosić 184 bity. W związku z zapewnieniem synchronizacji zegarów nadajnika i odbiornika podczas transmisji szeregowej asynchronicznej jest on dzielony na pakiety (ramki) po osiem bitów (jeden bajt). Każdy pakiet, oprócz bitów danych, wyposażany jest w bit startu, część kontrolną, którą jest bit parzystości oraz bit stopu. Razem z danymi długość jednej ramki wynosi jedenaście bitów. Bit parzystości pełni funkcję kontrolną i podaje parzystość bitów danych wprost. ST D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P SP ST Pakiet Pakiet Rys. 3.8 Struktura pakietu. Telegram, w zależności od długości informacji może on wynosić od ośmiu aż do dwudziestu trzech pakietów. Razem z bitami sterującymi i kontrolnymi zawiera maksymalnie 253 bity. 3.3.1. Pole sterujące. Określa priorytet przesyłanego telegramu. Może on przybierać cztery wartości. Priorytet najwyższy posiadają telegramy funkcji systemowych, później funkcji alarmowych, a następnie funkcje sterowania ręcznego. Najniższy priorytet posiadają telegramy funkcji sterowania automatycznego. 24

Ponadto w polu sterującym zawarty jest również bit powtórzeń, który określa czy uczestnik, który wykonał już dany rozkaz ma reagować na ten sam rozkaz w bieżącym telegramie. 3.3.2. Adres nadawcy. Pole to zawiera fizyczny adres sensora nadającego telegram. Jest ono potrzebne dla aktora przyjmującego polecenie, w celu wysłania potwierdzenia odebrania polecenia. Ponadto wykorzystuje się je w momencie analizowania transmisji magistralnej do określenia nadawcy telegramu. Rys. 3.9 Budowa adresu fizycznego Rys. 3.10 Struktura adresu grupowego. 3.3.3. Adres docelowy. Adres odbiorcy wyznacza miejsce dostarczenia informacji. Różni się on od adresu nadawcy tym, że posiada o jeden bit więcej. Bit ten określa czy adres docelowy jest adresem fizycznym (wartość 0), czy też adresem grupowym (wartość 1). Rozróżnienie takie jest konieczne, ponieważ gdy adresem docelowym jest adres fizyczny odbiorcą jest jeden konkretny aktor, w przeciwnym razie odbiorcą jest grupa aktorów posiadająca wspólny adres grupowy. Adres grupowy składa się z 15 bitów, a więc o jeden bit mniej niż adres fizyczny. Z tego powodu w adresie logicznym na najbardziej znaczącym miejscu ustawiony jest bit zero. 3.3.4. Blok kontrolny. Zawiera bajt kontroli parzystości pionowej (wzdłuż), określany metodą parzystości nie wprost. Wraz z bitami parzystości każdej ramki służy do sprawdzenia poprawności przesyłu danych metodą krzyżową. 25

4. Techniczna realizacja systemu instabus. System instabus jest systemem o tzw. rozproszonej inteligencji. Oznacza to, że wszystkie elementy są w pewnym zakresie inteligentne i wspólnie tworzą automatykę o zdecentralizowanym sposobie sterowania. Specyficzne rozwiązanie determinuje odpowiednią budowę połączeń i elementów. 4.1. Technologia transmisji danych. W systemie magistralnym EIB przesyłanie danych odbywa się za pomocą przewodu magistralnego tj. miedzianego przewodu dwuparowego, ekranowanego UTP, tzw. skrętki ekranowanej. W rzeczywistości wykorzystuje się jedynie dwie żyły (czerwoną i czarną). Pozostałe dwie są traktowane jako rezerwowe. Uzyskuje się w ten sposób wysoką ochronę przed zewnętrznymi zakłóceniami elektromagnetycznymi, przy zachowaniu niskiego kosztu okablowania i prostej instalacji. Przewód magistralny wraz z dołączonymi do niego elementami magistralnymi zasilany jest napięciem znamionowym 24 V DC typu SELV (Safety Extra Low Voltage). Sieć o napięciu tego typu charakteryzuje się: niską wartością napięcia 50 V AC, 120 V DC, zasilaniem z transformatora bezpieczeństwa, podwójną izolacją od innych sieci, brakiem uziemienia przewodów. Zasilanie tego typu umożliwia transmisję symetryczną sygnałów, co oznacza dodatkową odporność na zakłócenia elektromagnetyczne. W przypadku wystąpienia przepięć, różnica potencjałów obu przewodów, czyli napięcie pomiędzy nimi, pozostaje takie samo chociaż sama wartość potencjału rośnie. Przesyłanie telegramów odbywa się na zasadzie kodowania binarnego. Stany logiczne określane są na podstawie przepływu prądu (logiczne 0), bądź braku przepływu (logiczne 1). EM > = 21 V DC EM > 21 V DC = 26 230 V 50/60 Hz 28 V DC 320 ma 100 ms czas podtrzymania C e w k a EM = Element magistralny Rys. 4.1 Sposób zasilania elementów magistralnych.

Każda linia systemu instabus EIB zasilana jest za pomocą zasilacza napięcia stałego o napięciu wyjściowym 28 V DC i prądzie 320 lub 640 ma. Zapewnia on również 100 ms czas buforowania napięcia. Jest to w zupełności wystarczające dla urządzeń magistralnych, które pracują przy napięciu minimalnym 21 V i pobierają moc rzędu 150-200 mw. W przypadku większego poboru mocy możliwa jest równoległa praca zasilaczy. Zdarzają się również sytuacje, gdy przewód jednej linii jest na tyle długi, że występuje konieczność zastosowania dwóch zasilaczy dla jednej linii. Wymagana jest wtedy minimalna odległość pomiędzy dwoma zasilaczami 200 m. Ponieważ transmisja danych odbywa się za pomocą tych samych przewodów zasilających elementy magistralne, przesyłana informacja nakłada się na to napięcie. Podstawowym zagadnieniem technicznym jest więc oddzielenie od siebie dwóch napięć, stałego - zasilającego od zmiennego, będącego zakodowaną informacją. Magistrala Port magistralny MZ Układy elektroniczne INFO Łącze adaptacyjne MK KPM MK = Moduł komunikacyjny KPM= Kontroler portu magistralnego MZ = Moduł zasilający Rys. 4.2 Budowa modułu komunikacyjnego. Budowa modułu komunikacyjnego bazująca na właściwościach indukcyjności i pojemności umożliwia odseparowanie jednego napięcia od drugiego. Ideę budowy tego modułu, zawartego w porcie magistralnym, przedstawia rys. 4.2. Moduł komunikacyjny składa się z transformatora i szeregowo włączonego kondensatora do uzwojenia strony pierwotnej. Reaktancja indukcyjna transformatora dla zasilacza (napięcie stałe) jest równa zero XL= 2πf ; f = 0 Hz, zaś reaktancja pojemnościowa kondensatora nieskończenie duża. Kondensator traktowany jest jak przerwa. X C = 1/(2πf ); f = 0 Hz Stałe napięcie zasilające odkłada się więc w pełni na kondensatorze. 27

Informacja zakodowana pod postacią napięcia zmiennego traktuje pojemność kondensatora jako małą reaktancję i zamyka obwód uzwojenia pierwotnego transformatora, powodując indukowanie się napięcia po stronie wtórnej. Transformator pełni rolę filtru oddzielającego napięcie zmienne od stałego, czyli informację od zasilania. Telegram odebrany przez moduł komunikacyjny i dostępny po stronie wtórnej jako napięcie zmienne odczytywany jest przez kontroler. Analogicznie jest w przypadku wysyłania telegramów. Informacja zamieniana jest na sygnał zmiennonapięciowy i po przejściu na stronę pierwotną transformatora nakłada się na napięcie stałe. Wykorzystana jest również własność cewki tj. mała impedancja przy napięciu stałym i duża impedancja przy napięciu przemiennym. Stosuje się ją do zabezpieczenia zasilacza, który ma standardowo montowaną cewkę, separującą zasilacz od telegramów. Zastosowanie przewodu miedzianego jako medium przenoszącego sygnały wprowadza nam pewne ograniczenie w postaci maksymalnej odległości pomiędzy uczestnikami transmisji. Po pierwsze oporność przewodu powoduje spadek napięcia i amplitudy sygnału, a ponadto przy większych częstotliwościach dużą rolę odgrywa opóźnienie sygnału. Standardowy przewód magistralny PYCYM 2x2x0.8 ma rezystancje 72 Ω/km i pojemność 0.12 µf/km (przy 800 Hz). Na rys. 4.3 przedstawiony jest przebieg i wartość sygnału nadanego przez element magistralny oraz ten sam sygnał w odległości 700 m przy dołączonych do magistrali sześćdziesięciu czterech elementach czyli pełnym obciążeniu prądowym magistrali. Widać, że sygnał odebrany zmniejszył ok. sześciokrotnie swoją wartość w stosunku do sygnału wyemitowanego. Ze względu na niską wartość sygnału, wykrycie kolizji pomiędzy telegramami uczestników jest możliwe maksymalnie przy odległości do 700 m. Dlatego też taka wartość jest maksymalną odległością pomiędzy najdalej położonymi elementami magistralnymi. 2V/dz U U N U U N = Sygnał nadawany przez element magistralny U O = Sygnał odebrany w odległości 700 m przy 64 elementach U O 0,5 V 0 100 200 300 400 µs 500 t Rys. 4.3 Spadek napięcia sygnału w odległości 700 m. Duża odległość pomiędzy elementami wprowadza także opóźnienie w przesyłaniu sygnału pomiędzy sensorem i aktorem. Główną przyczyną jest występowanie pojemności po- 28

między dwoma żyłami przewodu. Zjawisko to wyjaśnione jest na rys. 4.4. Schemat rozłożony przewodu ukazuje występowanie rozproszonej rezystancji i pojemności. Sygnał wejściowy, prostokątny pod wpływem układu RC zostaje zdeformowany i opóźniony. Założony poziom załączenia zostaje osiągnięty po czasie określonym stałą czasową: 6 6 tv = R C = 72 012. 10 = 8. 64 10 s dla odległości jednego kilometra i częstotliwości 800 Hz. Dla odległości 700 m przy częstotliwości przesyłu 9600 bit/s opóźnienie to wynosi około 10µs. Ue Ue Uz Uz Ua poziom załączania tv t Ua Rys. 4.4 Zależność opóźnienia sygnału w przewodzie magistralnym od jego długości. Parametry przewodu wprowadzają również ograniczenia w odległości elementów magistralnych od zasilacza. Zakładając, że napięcie wyjściowe zasilacza wynosi 28 V, minimalne napięcie, przy którym jeszcze pracuje element wynosi 21 V, zaś maksymalny jego pobór mocy czynnej 200 mw, można obliczyć tę odległość. m U = UZ I R = UZ L = m max UZ U Pmax R U gdzie: U - min. napięcie pracy elementu (21 V), U Z - napięcie zasilające (28 V), N X = max P U N max R 28 21 64 200 10 24 3 X L ; 7 = = 0182. km 38. 4 72 29

U N - napięcie znamionowe (24 V), m max - maksymalna ilość elementów podłączonych do jednego zasilacza (64), P max - maksymalna moc pobierana przez jeden element (200 mw), R X - rezystywność przewodu (72 Ω / km ), L - maksymalna odległość elementu od zasilacza. Z obliczeń wynika, że maksymalna odległość ostatniego elementu magistralnego od zasilacza wynosi nie więcej niż 182 m, pod warunkiem, że wszystkie pozostałe elementy są umieszczone pomiędzy zasilaczem a elementem końcowym. Umieszczając zasilacz pośrodku linii (rozdzielenie ilości elementów na dwa obwody) uzyskuje się rozpływ prądu i przez to zmniejszenie spadku napięcia, a co za tym idzie dwukrotne przedłużenie maksymalnej odległości. Dodatkowo aktor nadający telegram wytwarza sygnały binarne, które można zakwalifikować jako półfalę napięcia zmiennego. Na rys. 4.5 widać przebiegi napięcia w żyle dodatniej. Aktor wytwarza ujemną półfalę napięcia, zaś transformator elementu nadającego wraz z cewką zasilacza wspólnie jako elementy bierne obwodu wytwarzają dodatnią półfalę wyrównawczą. Maksymalna odległość cewki zasilacza od transformatora, tak aby elementy współdziałały ze sobą, wynosi 350 m. W praktyce więc zaleca się umieszczanie zasilacza po środku linii, tzn. tak aby przewody magistralne rozchodziły się od niego promieniście. Elementy magistralne oddalone są wtedy od zasilacza maksymalnie o 350 m, zaś odległość pomiędzy najdalszymi elementami wynosi nie więcej niż 700 m. Odległości te mierzone są długością przewodów. 30

+5 V -5 V bierny aktywny 104µs = 9600 bit/sek t U N praktycznie teoretycznie U N = Sygnał nadawany przez element magistralny Rys. 4.5 Proces tworzenia sygnału w przewodzie magistralnym. 4.2. Budowa elementów magistralnych. Tak jak już wspomniano, system jest systemem zdecentralizowanym, czyli nie ma wydzielonego sterownika, który zarządza całą instalacją. Wszystkie urządzenia, z kilkoma wyjątkami, posiadają porty magistralne tj. układy umożliwiające wymianę informacji za pomocą magistrali. Urządzenia te dzielą się na podstawowe, systemowe i użytkowe. Do pierwszej grupy zaliczają się takie elementy jak zasilacze, cewki, łączniki oraz przewody. Nie posiadają one portów magistralnych, ponieważ pełnią rolę elementów zapewniających zasilanie oraz łączących elektrycznie wszystkie elementy. 31

Pozostałe dwie grupy, chociaż pełnią w instalacji różne zadania, mają bardzo podobną budowę. Urządzenia te można nazwać elementami magistralnymi, czyli urządzeniami, które podłączone do magistrali mogą bezpośrednio realizować komunikację (tworzyć telegramy, wysyłać ew. odbierać je i realizować zakodowane polecenia). Każdy element magistralny składa się zasadniczo z portu magistralnego i jednego specyficznego ze względu na pełnioną funkcję elementu końcowego, który wymienia informację z portem magistralnym poprzez 10- cio pinowe złącze adaptacyjne. Port jest urządzeniem uniwersalnym, które odbiera telegramy Rys. 4.6 Budowa elementu magistralnego z magistrali, dekoduje je i steruje elementem końcowym, a w odwrotnym kierunku otrzymuje od niego informacje, koduje ją i wysyła w postaci telegramu. Zawiera w sobie moduł komunikacyjny zapewniający oddzielenie napięcia zasilającego od informacji oraz moduł kontrolny zarządzający przesyłaniem i odbieraniem telegramów, a także sterowaniem elementem końcowym. Do podstawowych zadań modułu komunikacyjnego jest: oddzielenie zakodowanej informacji od stałego napięcia zasilającego oraz dostarczanie i stabilizację napięć 24 i 5 V potrzebnych do zasilania układu kontrolnego i elementu końcowego. Ponadto moduł ma za zadanie: ochronę przed zmianą polaryzacji i wzrostem temperatury, zabezpieczenie danych przez zapisanie ich przy spadku napięcia zasilającego poniżej 18 V oraz reset procesora przy spadku napięcia zasilającego poniżej 4.5 V. Zawiera w sobie również komponenty odpowiadające za przekształcenie napięcia przemiennego w informację oraz sprawdzenie poprawności przesyłanych telegramów. Rolę serca elementu magistralnego pełni układ kontrolny, którego podstawową częścią jest mikroprocesor. Ma on do swojej dyspozycji trzy rodzaje pamięci: ROM - pamięć tylko do odczytu. Zapisane są w niej informacje producenta dotyczące specyficznych własności portu, EEPROM - pamięć elektrycznie zapisywalna i kasowalna przeznaczona do zapisania parametrów i funkcji określonych na etapie projektowania, 32