envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa

Advertisement










A152nalizując rozwój technologii sterowania dopływem ciepła do pomieszczeń ze źródła ciepła, przedstawiłem (w „PI” 1-2/2021) dość popularny sposób regulacji temperatury kotła lub temperatury w pomieszczeniu za pomocą termostatów. Gdy temperatura była zbyt niska, taki termostat zwierał styki i załączał źródło ciepła. Narodziny techniki komputerowej dały nam jednak zupełnie nowe możliwości. Na rynek wkroczyły regulatory cyfrowe, a także tzw. standardy komunikacji i protokoły przesyłu danych. W branży HVAC są one wykorzystywane w automatyce budynkowej, która pozwala na integrację wszystkich podłączonych urządzeń.

Re153gulacja pogodowa
Jeszcze lepszym sposobem sterowania pracą kotła niż wykorzystanie termostatów (do regulacji pokojowej – „PI” 1-2/2021) jest sterowanie pogodowe, według temperatury zewnętrznej. Polega ono na tym, iż każdej wartości temperatury na zewnątrz budynku odpowiada określona temperatura pracy kotła – taka, aby zapewnić osiągnięcie założonej temperatury w pomieszczeniu. Intuicyjnie czujemy, że im niższa temperatura na zewnątrz, tym większe straty ciepła budynku i tym wyższa musi być temperatura pracy źródła ciepła (a tym samym grzejników). Dobrze obrazuje to tzw. krzywa grzewcza.

Regulatory pogodowe stosowane w branży HVAC realizowane są obecnie w technice cyfrowej. Oczywiście, w technice cyfrowej możliwe jest także skonstruowanie innych regulatorów, np. regulatora termostatycznego czy PID – to tylko kwestia wgrania odpowiedniego programu. Zanim jednak opowiem o dzisiejszych standardach, prześledźmy, jak ta technika się narodziła.

Narodziny techniki komputerowej
Pierwszymi regulatorami cyfrowymi, jakie powstały w technice grzewczej (i nie tylko), były regulatory oparte na scalonych układach cyfrowych TTL i CMOS. Układy scalone w technologii CMOS i TTL zaczęły pojawiać się w pierwszej połowie lat 60. XX w. Składały się z bramek logicznych, przerzutników, dekoderów oraz innych elementów logicznych. Takie układy miały jednak jedną wadę – ich budowa fizyczna decydowała o funkcjach, jakie spełnia regulator. Gdybyśmy chcieli wprowadzić nowe funkcje do takiego układu, musielibyśmy go fizycznie przebudować, zmieniając układ elementów cyfrowych na płytce drukowanej.

Procesory Intel 4004. Pod koniec lat 60. XX w. pojawiła się zatem idea, aby skonstruować układy uniwersalne, mogące spełniać różne funkcje bez konieczności ich przebudowywania. Funkcjonalność miała zależeć tylko od wgranego oprogramowania. Pierwszym komercyjnym układem tego typu był 4-bitowy procesor oznaczony jako Intel 4004. Procesor ten stosowany był w kalkulatorach typu Busicom 141-PF firmy Nippon Calculating Machine Corporation. Początkowo miał być to układ specjalizowany tylko pod kątem kalkulatorów, jednak, na szczęście, jego twórcy w procesie projektowania zdecydowali o umożliwieniu jego programowania. I taki początek miała technika komputerowa.

Co ciekawe, dzisiaj procesory Intel 4004 można kupić w celach kolekcjonerskich i są najbardziej poszukiwanymi chipami. W zależności od typu i stanu układu ich cena sięga od kilkuset do kilku tysięcy złotych (dane z 2021 r.). Najbardziej cenione są chipy w kolorze złoto-białym, z widocznymi szarymi śladami (rys. 2).

Mikroprocesory a mikrokontrolery. Procesor Intel 4004 składał się z 2300 tranzystorów wykonanych w technologii 10 μm. Warto dodać, że dzisiaj zaczyna się budować procesory w technologii 3 nm (zawierające ponad 3000 razy mniejsze elementy).

Sam mikroprocesor do wykonywania użytecznej pracy potrzebuje jeszcze innych elementów:

  • układów wejścia i wyjścia,
  • zegara taktującego
  • oraz portów komunikacyjnych.

154Można jednak to wszystko połączyć w jednym układzie. W ten sposób otrzymamy mikrokontroler. Mikrokontrolery to najbardziej uniwersalne układy elektroniczne,których funkcje można dopasować poprzez zmianę oprogramowania. Służą nam już od końca lat 70. XX w., kiedy powstał mikrokontroler Intel typu 8048 (był jednym z pierwszych mikrokontrolerów, które pojawiły się wtedy na rynku).

! Dzisiaj, z użytecznego punktu widzenia, mikroprocesory od mikrokontrolerów różnią się głównie tym, że mają dużo większą moc obliczeniową niż mikrokontrolery. Wymagają także urządzeń peryferyjnych. Mikrokontrolery z kolei zbudowane są jako kompletne układy o niezbyt dużej mocy obliczeniowej, ale za to są o wiele tańsze niż mikroprocesory. Są też bardziej powszechne w użyciu – ich udział w rynku jest kilka razy większy niż mikroprocesorów.

Regulatory cyfrowe
Regulatory cyfrowe zaliczane są do regulatorów o działaniu quasi-ciągłym, tzn. zmieniają sygnał sterujący tylko w określonych odstępach czasu. Jednak duża częstotliwość próbkowania czyni te przerwy niezauważalne dla samego obiektu sterowania. Za pomocą regulatorów cyfrowych możemy implementować procesy sterowania tak jak w regulatorach PID (o których była mowa w poprzednim artykule w „PI” 1-2/2021) lub sterować urządzeniami grzewczymi przy wykorzystaniu stanów logicznych typu: „Jeżeli temperatura jest za niska, to wykonaj następujące czynności...”.

W zastosowaniach komercyjnych można się spotkać z tzw. sterownikami swobodnie programowalnymi, które po wgraniu programu i wyposażeniu w odpowiednie czujniki i układy wyjściowe mogą służyć do kontrolowania takich wielkości fizycznych, jak: temperatura, ciśnienie, poziom, wilgotność, przepływ.

Możliwość programowania regulatora poprzez wgranie programu pozwala również na jego aktualizację i doposażenie w nowe funkcje.

Sta155ndard przesyłu danych
Wykorzystanie regulatorów cyfrowych dało jeszcze jedną potężną możliwość w technice grzewczej – prostej komunikacji oraz wymiany danych między elementami układu, np. między regulatorem nakotłowym a regulatorem pokojowym. Oczywiście wcześniej, w ograniczonym zakresie, również było to możliwe w przypadku układów analogowych, ale w tym celu konieczne było poprowadzenie kilku przewodów między regulatorami.

Standard CAN. Aby między poszczególnymi regulatorami lub elementami układu sterowania można było przesyłać informacje, potrzebne było opracowanie protokołu przesyłania danych. Podobny problem występował w przemyśle samochodowym. Przypomnę, że pierwsze samochody były wyposażane w niewielką liczbę urządzeń elektrycznych: zapłon, oświetlenie i kierunkowskazy. Schemat takiego samochodu był prosty, a liczba przewodów potrzebnych do spięcia tego wszystkiego w logiczną całość – mała. Jednak od lat 60. XX w. w samochodach stale przybywało urządzeń elektrycznych: do wcześniejszego wyposażenia dołączyły elektryczne wycieraczki, otwierany dach, opuszczane szyby, radio, podgrzewana tylna szyba itd. Tym samym liczba połączeń elektrycznych w samochodach zaczęła szybko rosnąć i trudno je było ukryć we wnękach auta. Przy tak dużej liczbie przewodów łatwo było o ich uszkodzenie, a w przypadku naprawy znalezienie i usunięcie wadliwego połączenia było bardzo trudne. Do tego waga przewodów i wiązek zaczęła osiągać kilkadziesiąt kilogramów, co stanowiło już zauważalną część masy pojazdu.

W połowie lat 80. XX w. firma Bosch znalazła rozwiązanie tego problemu, opracowując protokół i standard przesyłu danych CAN (Controller Area Network). Rok później, w 1987 r. firma Intel opracowała pierwsze układy scalone umożliwiające obsługę nowego protokołu. I tak w roku 1991 pojawił się pierwszy samochód, w którym zastosowano sterowanie oparte na magistrali CAN i był to Mercedes klasy S. Protokół CAN był na tyle dobry, że inni producenci samochodów poszli śladami Mercedesa i również wdrożyli go w swoich samochodach.

157! Zaletą protokołu CAN w stosunku do wynalezionego wcześniej standardu komunikacji RS-485 było to, że CAN zapewniał obsługę błędów transmisji, co w przypadku samochodów i sterowania np. układem hamulcowym ma podstawowe znaczenie. Jednak to RS-485, mimo braku obsługi błędów, zadomowił się w rozwiązaniach przemysłowych i dzisiaj nazywany jest „koniem roboczym” automatyki przemysłowej.

Standard RS-485. Standard przesyłu danych RS-485 został opracowany w 1983 r. przez Sojusz Przemysłu Elektronicznego (Electronics Industries Association – EIA). Stanowił rozwinięcie starszego standardu RS-232, dobrze znanego z pierwszych komputerów. Oba standardy bazują na szeregowym przesyle danych, przy czym RS-485 jest szybszy, bardziej odporny na zakłócenia i pozwala na połączenie kilku urządzeń w ramach sieci. RS-485 ma także większy zasięg do 1200 m – w porównaniu do 15 m dla RS-232.

Przyczyną powstania standardu RS-485, podobnie jak CAN, była potrzeba komunikowania ze sobą wielu urządzeń za pomocą jednego, prostego połączenia w celu uniknięcia plątaniny przewodów (tak jak w samochodach).

Z punktu widzenia instalatora/projektanta ważne jest, ile przewodów potrzebować będą urządzenia do komunikacji. W standardzie RS-485 możemy przesyłać dane za pomocą:

  • czterech przewodów – topologia Full-Duplex, w której nadajnik i odbiornik mogą nadawać jednocześnie (rys. 5);
  • dwóch przewodów – topologia Half-Duplex, kiedy to tylko jedno urządzenie może nadawać na magistrali (rys. 6).

Rezystory terminujące RT. Patrząc na schematy przesyłu danych w standardzie RS-485 (rys. 5 i 6), warto zwrócić uwagę, że na końcach linii znajdują się tzw. rezystory terminujące RT. Można je spotkać także w innych standardach przesyłania danych. Wiąże się to z problemami, jakie mogą stwarzać długie przewody. Okazuje się bowiem, że przy długich przewodach – oprócz rezystancji jednostkowej linii R [Ω/m] oraz konduktancji jednostkowej linii G [S/m] – znaczącą rolę zaczynają odgrywać także:

  • indukcyjność jednostkowa linii L [H/m] – wszak to dużo przewodu, jak cewka;
  • pojemność jednostkowa linii C [F/m] – wszak to co najmniej dwa przewodniki obok siebie, jak kondensator.

Przy takich długich liniach mamy niejako do czynienia z prostym układem elektrycznym opartym na rezystorach, kondensatorach i cewkach (rys. 7). Aby zapobiec zakłóceniom w linii długiej, stosowane są właśnie rezystory terminujące (terminatory).

158Wybór standardów przesyłu i sposobów realizacji połączeń. Co do standardów przesyłu danych to oczywiście jest ich więcej, np. standard RS-232C, RS-422A, RS-423A, IEC625 (IEEE-488) i wiele innych. Nie sposób tutaj omówić ich wszystkich.

Mówiąc o standardach przesyłu danych, trzeba również wiedzieć, że „fizycznie” samo połączenie może być realizowane za pomocą:

  • skrętki UTP,
  • Ethernetu,
  • światłowodów,
  • modemów telefonicznych (kiedyś),
  • komunikacji bezprzewodowej, w tym WLAN,
  • sieci GSM.

Protokół przesyłu danych
Sam standard komunikacyjny RS-485 jest stosowany jako warstwa fizyczna przesyłu danych dla takich protokołów jak Modbus czy Profibus (Process Field Bus). Jednak to protokół pozwala na przyporządkowanie przesyłanym bitom informacji właściwego znaczenia.

Protokół Modbus. Obecnie jednym ze starszych i bardziej popularnych protokołów przesyłu danych jest wyżej wspomniany Modbus. Protokół ten został opracowany w 1979 r. przez firmę Modicon (obecnie Schneider Electric). Co ważne, firma Modicon udostępniła go jako darmowy i otwarty protokół komunikacji. Jak się okazało, darmowe udostępnienie protokołu przyczyniło się do jego popularności. Zupełnie inną drogą poszła firma Echelon Corporation, która opracowała protokół LonWorks, gdzie podłączenie nowych węzłów sieci wymagało opłacenia stosownych „kredytów”.

Pierwsze in159stalacje Modbusa bazowały na standardzie przesyłu danych RS-232, później zastąpił go RS-485 i Ethernet. Obecnie, w zależności od sposobu kodowania przesyłanych danych, rozróżniamy trzy najpopularniejsze odmiany protokołu Modbus:

  • ASCII – dane zapisywane są w standardzie kodów znaków ASCII,
  • RTU – zapis danych w kodzie binarnym,
  • TCP – zapis danych w kodzie binarnym, transmisja poprzez sieć Ethernet.

Protokół Modbus działa na zasadzie Master-Slave. Polega to na tym, że urządzenie nadrzędne Master przepytuje urządzenia podrzędne typu Slave. W sieci Modbus może wystąpić tylko jedno urządzenie Master, w związku z czym w razie jego uszkodzenia przestaje działać cała sieć. Modbus pozwala na podłączenie maksymalnie 255 urządzeń Slave w ramach sieci.

Protokół BACnet. Innym popularnym obecnie protokołem jest BACnet (Building Automation and Control Networks), który również jest protokołem otwartym umożliwiającym współdziałanie urządzeń od różnych producentów. BACnet został opracowany przez amerykańskie zrzeszenie ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers) w 2004 r. Jako warstwę łącza może wykorzystywać: Ethernet, protokół internetowy IP (UDP/IP), standard RS-232 albo RS-485. BACnet pozwala na podłączenie ponad 4 milionów urządzeń w ramach ponad 65 tysięcy podsieci.

Protokół KONNEX/KNX. Na uwagę zasługuje także protokół KONNEX/KNX (dawniej EIB), stworzony do zapewnienia komunikacji między wszystkimi odbiornikami energii elektrycznej, w tym urządzeń i systemów HVAC w budynku. W wersji podstawowej do linii można podłączyć 64 urządzenia. W wersji rozbudowanej, składającej się z wielu linii, można podłączyć ponad 57 tysięcy urządzeń użytecznych. Protokół KNX stosowany jest raczej w automatyce mniejszych budynków, np. w domach jednorodzinnych.160

Od procesora 4004 do automatyki budynkowej
Omówione wyżej wybrane standardy komunikacji i protokoły (nie wszystkie) w branży HVAC wykorzystywane są do podłączenia urządzeń do automatyki zarządzania budynkiem BMS (Building Management System), która pozwala na integrację wszystkich podłączonych urządzeń w jeden system. Dzięki temu możliwe jest proste zarządzanie całością z jednego miejsca, skąd można kontrolować parametry pracy poszczególnych urządzeń oraz otrzymywać informacje na temat ewentualnych problemów i awarii.

Budowanie dzisiaj tak zaawansowanych struktur połączenia i współpracy urządzeń HVAC (ze sobą i z budynkiem) stało się możliwe dzięki przełomowym momentom w historii automatyki, która w kontekście regulatorów cyfrowych zaczęła się wraz z niepozornym procesorem Intel 4004 sprzed pół wieku.161


 

pi