Inteligentní sběrnice LonWorks® ve službách energetiky

Inteligentní sběrnice LonWorks® ve službách energetiky

Ve svých začátcích byla oblast průmyslové automatizace vždy doménou hrstky inženýrů, kteří se snažili pomoci v řízení značně složitých technologií, na které člověk svými schopnostmi již nestačil. S rostoucí složitostí velkých technologií obsluha už nebyla schopna pojmout obrovské množství údajů, v reálném čase je zpracovat a orientovat technologii tím či oním směrem, aby výsledky výrobního procesu odpovídaly požadavkům zákazníka. V té době nastal „zlatý věk“ konvenčních centralizovaných řídicích systémů. Pod pojmem konvenční řídicí systém si můžeme představit robustní průmyslový počítač, který je schopen přijmout velké množství údajů ze senzorů, zpracovat je a dát zpětně povel akčním členům ke změně. Inženýři měli tu výhodu, že v době, kdy na svět přišly numerické počítače, které byly schopny zvládnout tyto operace, mohli již stavět na teorii automatizovaného řízení, jež v té době byla již velmi dobře zpracována a nabízela celou řadu nástrojů, které stačilo jen uchopit a použít. Pojmy jako fuzzy nebo LQG regulace, které jsou v současné době moderní, byly již dávno na světě. Na první pohled by se mohlo zdát, že i současné požadavky kladené na automatizaci by konvenční řídicí systém byl schopen zvládnout. Čas však ukázal, že s centralizovanou inteligencí bychom dlouho nevystačili. V první řadě to byl požadavek bezpečnosti a modularity, který přispěl k tomu, aby se jeden centralizovaný systém rozdělil na několik menších, navzájem mezi sebou komunikujících. Přestože řídicí vlastnosti byly téměř stejné, zejména větší bezpečnost při poruchách, nižší náklady na opravy i instalaci a menší komplikovanost a lepší celková přehlednost celého systému byly důvody, proč distribuovaná inteligence nastoupila svou vítěznou cestu. A ta neskončila u formálního rozdělení jednoho celku na více menších částí.

Na konci osmdesátých let již byl rozvoj mikroelektroniky natolik daleko, že konečně bylo možné zpracovat signál mikroprocesorem přímo u senzoru a dále ho posílat jako digitální. V tu chvíli začaly ztrácet důležitost jednotlivé moduly automatizace a do popředí se dostala komunikace mezi nimi. Metoda decentralizované automatizace zpočátku narážela na vysoké ceny inteligentních přístrojů. Tento problém se podařilo vyřešit velmi elegantně. To, že vývoj půjde stále dopředu a výrobní cena se bude neustále snižovat, bylo předem jasné. Obchodní blokádu cen výrobků se však podařilo v zájmu zákazníka prorazit tím, že firmy své komunikační systémy standardizovaly a jako otevřené je poskytly libovolnému zájemci, který chtěl vyrábět kompatibilní přístroje. Na scénu tak vstoupil hlavní fenomén automatizace současnosti, kterým jsou inteligentní otevřené sběrnice.

Komunikační sběrnicí se nazývá fyzické propojení několika zařízení podle komunikačního modelu ISO/OSI (International standard organization/Open system interconnection). Tento komunikační model definuje sedm vrstev, od fyzické (definice přenosového média) až po aplikační (vrstva aplikačních programů), ve kterých je sběrnice standardizována, a tak přístupná všem výrobcům. Jednou ze světově nejvíce rozšířených sběrnic je systém s názvem LonWorks®, vyvinutý americkou firmou Echelon.

Sběrnice LonWorks® je plnohodnotná průmyslová sběrnice, která zaujme svým velmi příznivým poměrem ceny a výkonu. Je použitelná pro aplikace do 32 000 navzájem propojených zařízení s typickou dobou odezvy zařízení v desítkách milisekund. Největší uplatnění nachází v automatizaci budov, dálkových odečtech, domácích i průmyslových strojích i v průmyslu. Pro sběrnici LonWorks je vyvinut protokol LonTalk®, který je definován ve druhé až sedmé vrstvě standardu ISO/OSI. Fyzická vrstva není ve standardu přímo definována, ale jelikož firma Echelon sama vyrábí hlavní transceivery pro nejdůležitější média, všichni výrobci je používají a nenastávají problémy s kompatibilitou. Jako přenosové médium se nejvíce používá kroucená dvojlinka a domovní rozvod 0,4 kV (tzv. power-line). Dále se pro náročnější aplikace používá optický kabel nebo rádiový či infračervený přenos. Typem média je určena i přenosová rychlost a většinou i topologie. K přístupu na médium se používá metoda CSMA/CD, resp. prediktivní p-perzistivní CSMA. Všechna připojená zařízení mají nastavenou prioritu, podle níž se řídí přístup ke sběrnici. Je-li priorita povolena, jsou do vysílaného rámce vloženy časové sloty. Přenášené rámce jsou zabezpečeny šestnáctibitovým cyklickým redundantním kódem (cyclic redundant code, CRC) a mohou mít maximální velikost 255 bytů. Při adresování je nejnižší adreso vatelnou jednotkou zařízení, které je charakterizováno 48bitovým jednoznačným číslem – neuron ID. Toto zařízení je částí podsítě a několik podsítí tvoří doménu. Doména je nejvyšší jednotka v úrovni adresování. Domény se spojují pomocí komunikačních bran (gateway). Topologie většinou vychází z použitého média, požadované rychlosti a volby projektanta sítě. Nejčastější je sběrnicová struktura, ale běžné jsou i hvězdicové, stromové nebo volné topologie.

Transportní vrstva povoluje potvrzované i nepotvrzované spojení. Tak jako ve většině jiných systémů je podporována komunikace jednoho zařízení s druhým (unicast), s několika jinými (multicast) a se všemi zařízeními na síti (broadcast).

Sběrnice LonWorks je hojně používána k decentralizovaném sběru dat z měřicích přístrojů. Ve velkých aglomeracích jsou monitorována data z elektroměrů, vodoměrů, měřičů tepla a plynu, která jsou použita pro vizualizaci, ukládána do archivů, popř. pro fakturaci. Výhody takovýchto systémů jsou zřejmé. Výrazně šetří náklady na provoz inženýrských sítí a dovolují výrazně efektivnější údržbu, jelikož operátor má stav celého systému ihned k dispozici.

Z těchto důvodů i firma ZPA CZ s. r. o. Trutnov zvolila pro svoje přístroje jako standard komunikační sběrnici LonWorks. Firma ZPA CZ je renomovaným výrobcem přístrojů hromadného dálkového ovládání zátěže a v roce 1999 představila první série svých elektroměrů. Protože možnost dálkového sběru dat z takovýchto přístrojů je v současné době již takřka samozřejmostí, nemohla firma ZPA CZ zůstat pozadu. Rozhodla, že začne vyvíjet decentralizovaný systém sběru dat z elektroměrů i dalších přístrojů schopných komunikovat po sběrnici LonWorks. Základním kamenem takovéhoto systému je zásuvný modul do elektroměru LONEL.

Komunikační modul LONEL
Jádrem komunikačního modulu LONEL je neuronový čip (neuron), který je tvořen třemi osmibitovými procesory sdílejícími společnou paměť a I/O zařízení. První a druhá procesorová jednotka se používá pro implementaci protokolu LonTalk a třetí může uživatel volně programovat, a to i po síti. Procesor má volně k dispozici sériový kanál, po kterém komunikuje s procesorem elektroměru. Tím získává všechna požadovaná data, která elektroměr měří, na rozdíl od většiny konkurenčních přístrojů, které čtou pouze celkovou spotřebu elektrické energie pomocí impulsního výstupu. Tato data neuron předává procesorovým částem obsluhujícím sběrnici LonWorks. Další důležitou částí zařízení je transceiver, který zajišťuje přístup na vybraný druh sběrnice. U modulu LONEL je to kroucená dvojlinka ve volné topologii a silový rozvod 0,4 kV (power-line). U power-line pochopitelně odpadá jakýkoliv další rozvod kabelů, systém komunikuje po přívodním napájecím silovém rozvodu. Pomocí routerů lze přenést data na všechna podporovaná média. Moduly komunikují podle standardu DLMS (Device Language Message Specification), což je specifikace odečtu a výměny dat u měřicích zařízení.

Sumační člen SUMOLON
Druhým důležitým prvkem systému je sumační člen, který přečtená data uchovává a poskytuje k dalšímu zpracování. V závislosti na množství ukládaných dat existují dva základní druhy sumátoru. Pro použití v transformovnách velkých sídlišť s několika tisíci odběrnými body je to sumátor s velkou odkládací kapacitou. Archiv je standardně dvouměsíční s až 8 000 odběrnými místy a vzorkovacím intervalem řádově v minutách. Přístup na sběrnici je pomocí karty ISO LonWorks. Sumátor načítá data ze sítě LonWorks a ukládá je do databází. Tyto databáze jsou poskytovány oprávněnému uživateli ke zpracování. Vzdálený uživatel si může data vyžádat přes komunikační službu nebo může být přímo napojen po síti LAN k sumátoru.

Druhý modul, určený pro menší odběrové lokality, je samostatný přístroj, který čte po sběrnici data ze sběrných modulů a ukládá je do paměti. Periodicky tento sumátor předává data do nadřízeného systému, který o data požádá. Komunikace se může dít pomocí telefonního modemu nebo modemu GSM.

Toto jsou jen dva členy distribuovaného monitorovacího a řídicího systému, který firma ZPA CZ vyvíjí jako podporu svých výrobků. Celý systém je navrhován modulárně, ostatně jako celá sběrnice LonWorks, což je také jejich největší výhoda. Vlastností, kterou uživatelé od tohoto systému požadují, je bezpečnost proti napadení z vnějšku. Sběrnice LonWorks umožňuje využít mechanismus ověření zpráv. Napadnout takový systém vyžaduje v reálném čase dekódovat ověřovací algoritmus, což je v podstatě nemožné. Lze také použít ověřovací servery, které ověřují příslušnost připojených zařízení k dané doméně a reagují na přítomnost narušitele.

Do tohoto sytému je možné připojit libovolný jiný přístroj s komunikací po sběrnici LonWorks a jeho síťové proměnné načíst v modulu Sumolon nebo zobrazit v libovolné vizualizační aplikaci. Velkou výhodou je možnost použít v podstatě libovolné přenosové médium. Díky připojení modemů GSM není dálkový odečet omezen na místa s telefonem nebo s fungující rádiovou sítí. Celulární síť GSM je dostupná téměř všude a datový přenos je ve vysoké kvalitě. Data ze systému lze přenést i na síť Internet, a tak je zpřístupnit oprávněným operátorům po celém světě. Pomocí technologie Active Server Pages lze systém plně ovládat z internetu a nechat si např. posílat data do své e-mailové schránky.

Firma ZPA CZ vložila velké úsilí do vývoje sběrných systémů ze svých elektroměrů, protože si je vědoma, že pouze výrobky na špičce technického rozvoje budou mít v budoucnosti u zákazníků šanci na úspěch.