Historie systému KNX (1. část)

S rozvojem vědy a techniky se ve světě vždy vyskytovaly snahy o využití nejnovějších poznatků pro zvýšení pohodli, pro zjednodušeni různých pracovních činnosti, pro zvýšení produktivity práce a rovněž pro co nejefektivnější využiti energie. Proto také se již od počátků elektrifikace elektřina prosazovala při použiti k osvětlováni a pro použiti v různých technologických procesech. Zpočátku zcela izolovaně – manuálně ovládané jednotlivé okruhy osvětlováni, individuálně spínané spotřebiče bez jakýchkoliv možných vzájemných vazeb.

Proto zpočátku také jakákoliv optimalizace spotřeby energie, spojená s nutností regulovat spotřebu, závisela pouze na člověku, tedy na ruční regulaci. Nebudeme se zabývat průmyslovými automatizačními systémy, kde již v 19. století byly k dispozici různé pneumatické a hydraulické systémy regulace některých technologických procesů. Zajímat se budeme pouze o řízení funkcí v budovách – tedy o řízení těch funkcí, jejichž činnost při správném způsobu provozu ani nemusíme vnímat.

Lze říci, že samotný počátek vzniku všech systémových elektrických instalací je společný. Teprve po dosažení určité úrovně techniky bylo možné začít vyvíjet a vyrábět různé elektronické řídicí systémy určené pro specifikovaná použití.

S rozvojem výpočetní techniky se výzkumné laboratoře různých výrobců zabývaly i možnostmi využívání nejnovějších vědeckotechnických poznatků v praxi, ve svých produktech, tedy i v oblasti řízení spotřeby energie v budovách. Například v polovině 60. let minulého století proběhla naším tiskem krátká zpráva o snahách japonských výzkumníků využít samočinný počítač k ovládání provozu osvětlení a vytápění v rodinném domě. Výsledek zkoumání byl pozitivní, ovšem praktické využití počítače, jehož cena patrně převyšovala cenu rodinného domu, nebylo vůbec reálné. Avšak ukázalo se, že řízení spotřeby energie využitím výpočetní techniky v budoucnosti, po snížení cen a také po zmenšení rozměrů počítače (tehdy byl v několika skříních a vyžadoval umístění v klimatizované místnosti), bude možné. Podstatou tohoto technického pokusu tedy bylo pouze zjištění, že moderní výpočetní technikou lze ovládat i funkce v domech a bytech, včetně možností jejich vzájemné interakce.

Obr. 1. Centrální počítač s vnitřní paralelní sběrnicí

Je však nutné poznamenat, že snižování spotřeby energie se tehdy nejevilo příliš praktickým. Vždyť barel ropy se na světových trzích prodával za cenu nejvýše kolem tří amerických dolarů, což znamená, že náklady na energii byly zanedbatelné ve srovnání s náklady na pořízení vhodné regulační techniky a nezbytného zateplení budov. Teprve první ropná krize v roce 1973, s výrazným nárůstem cen, spojeným se snížením těžby, a dokonce i s embargem na dodávky ropy, způsobila zásadní obrat v pohledu na význam úspor energie a na technická řešení směřující ke snížení energetické náročnosti. Na významu nabylo také hledání nových zdrojů energie.

V té době začal značný tlak na snižování tepelných ztrát budov širším využíváním tepelných izolací. Protože jedině ve správně zateplených budovách je skutečně vysoce efektivní i využívání různých systémů, jejichž účelem je optimální nakládání s energiemi, a tedy dosažení vysoké energetické efektivity.

V tehdejším Československu však nebyla všem těmto světovým trendům věnována dostatečná pozornost. Naopak vzrostlo tempo výstavby energeticky náročných (nezateplených) panelových domů a o úsporách energie se pouze hovořilo.

Obr. 2. Obtížné zajištění vazeb mezi funkcemi v klasických instalacích

A jaké důvody vedly různá vývojová centra k úvahám o důležitosti zavedení systémových instalací pro zajištění úspor energií? Bylo tomu tak proto, že v klasických instalacích, byť vybavených dílčími řídicími systémy určenými k řízení jen jedné funkční oblasti (např. vytápění), je problematické vytvářet vzájemné vazby mezi různými funkcemi. Bez těchto vazeb nelze zabezpečit potřebnou úroveň provázanosti ekonomického provozu všech funkcí, jimiž je budova vybavena. Kromě toho, ovládání a popř. i informace o provozních stavech funkcí není možné zjednodušit. Funkce v klasické instalaci znázorněné na obr. 2 vyžadují na sobě nezávislé ovládací prvky. Není možné provázat jednotlivé činnosti ani zajistit vzdálené přístupy (nebo společnou vizualizaci) v libovolném rozsahu.

V klasické instalaci má uživatel k dispozici zcela neměnné zapojení všech použitých přístrojů a dílčích technologických jednotek, bez možnosti anebo se značně omezenou možností vzájemné spolupráce různých funkčních oblastí. Každá pozdější změna uspořádání nebo doplnění o další funkce zpravidla znamená výrazný zásah do uspořádání kabelových vedení. Mnohé z požadovaných vzájemných vazeb jsou neuskutečnitelné, anebo je lze zabezpečit pouze s neúměrně vysokými náklady.

Pro odstranění naznačených nedostatků se jevila jako nejvhodnější cesta využití elektronických obvodů začleněných do vzájemně kooperujícího systému, přičemž cílem bylo zjednodušení ovládání i při značném počtu použitých funkcí, a především takové propojení činností, které zajistí vysokou energetickou efektivitu.

Ve druhé polovině 70. let 20. století již byly k dispozici osobní počítače, jejichž cena i rozměry byly výrazně menší ve srovnání s cenami sálových počítačů. Přitom činnost těchto zařízení byla možná v běžném vnitřním prostředí bez nutnosti klimatizace.

Proto tehdy technici ze SRN mohli prezentovat konkrétní výsledky státem dotovaného programu – řízení spotřeby tepla a elektrické energie v objektu školy. Tato prezentace se uskutečnila v Praze na významné mezinárodní konferenci Vytapěni, větrani, klimatizace, konané za účasti velkého počtu zástupců renomovaných světových firem z oblasti regulace a automatizace. Konference byla doprovázena rozsáhlou výstavou konanou na brněnském výstavišti. Prezentované řešení demonstrovalo velké úspory energie na vytápění a také na osvětlování při využití osobního počítače jako centrální řídicí jednotky určené k časovému řízení režimů vytápění v jednotlivých učebnách podle rozvrhu hodin a se spínáním osvětlení podle úrovně venkovního osvětlení.

Jiné technické řešení umožňující vyšší stupeň automatizace provozu řízení funkcí nepřicházelo do úvahy, protože ještě nebyly k dispozici nyní již běžné přístroje, jakými jsou např. snímače přítomnosti. Proto využívání místností bylo zapracováno do časových programů vycházejících z rozvrhů hodin. I tak se ukázalo, že lze dosáhnout skutečně významných úspor energie.

V téže době se také rozběhl vývoj, výroba a následné dodávky programovatelných automatů určených především pro použití v průmyslu.

Další technický rozvoj přinášel postupně stále větší hustotu integrace součástek v integrovaných obvodech. V 80. letech minulého století tak již byly k dispozici mikroprocesory a mikrokontroléry, tedy mikroprocesory s vestavěnými pamětmi, dovolující vytvářet programovatelné přístroje. Každý z těchto přístrojů totiž může mít naprogramovány dílčí činnosti a způsoby komunikace s dalšími přístroji. Takto bylo umožněno vytváření systémů nejen s centrálními řídicími jednotkami, ale i systémů zcela decentralizovaných, které ke své činnosti nevyžadují žádnou řídicí jednotku. Zpočátku ovšem byly tyto prvky využívány pro sběrnicové systémy s centrálními řídicími jednotkami. Mezi ně patřil i americký systém X-10, dovolující řídit jen několik základních funkcí. Využíval komunikaci po silovém vedení. Po určitou dobu se dokonce vyráběl i v Evropě, přičemž zásoby jejich komponent byly doprodávány v 90. letech minulého století i v Československu. Mezi první evropské systémy určené k řízení funkcí v budovách, vyráběné od roku 1983, patřil nyní již nedodávaný systém Sigma i-bus^®s centrální řídicí jednotkou.

Obr. 3. Princip řízení funkcí v systémové instalaci

Cílem těchto snah bylo dosažení stavu, kdy provoz mnoha funkcí bude automatizován s pouze příležitostnými zásahy obsluhujících osob. Přitom především energeticky náročné funkce by měly být provozovány tak, aby energie byla spotřebovávána jen v takovém množství a v těch prostorách, kdy a kde je to právě zapotřebí. K tomu jsou nezbytné programovatelné systémy s činností naznačenou na obr. 3. Přitom závislosti mezi funkcemi v dokonalé systémové instalaci, vytvářené softwarově, mohou mít libovolně složitě stanovené podmínky pro svoji činnost. Jen pro názornost lze naznačit některé z těchto vazeb.

Představme si např. centrální funkci – zjednodušeně představující pouze vypnutí všech svítidel v objektu nebo v jeho části. V klasické instalaci je její realizace uskutečnitelná např. použitím speciálních elektronických impulzních relé. Tato relé jsou vybavena dvěma vstupními obvody. Každý proudový pulz přivedený do prvního z nich způsobí překlopení do opačného stavu, kdežto proudové pulzy ve druhém vstupním obvodu zabezpečí vždy jen vypnutí (tedy u relé s rozepnutými kontakty nenastane změna provozního stavu). Princip zapojení v klasické instalaci je znázorněn na obr. 4.

Obr. 4. Realizace centrální funkce v klasické instalaci

V systémové instalaci pro realizaci centrální funkce nejsou zapotřebí žádné přídavné nebo jiné než původně použité přístroje. Pouze se vytvoří jednoduché softwarové vazby. Jedním příkazem je potom možné uvést celý objekt (nebo jeho část) do požadovaného stavu. Lze tak zajistit vypnutí všech svítidel, uvedení vytápění či klimatizace do úsporného režimu činnosti, nastavení žaluzií do požadovaných poloh, vypnutí určitých zásuvkových obvodů nebo pevně připojených spotřebičů. Může být současně aktivován také elektronický systém zabezpečení atd.

Takovýchto centrálních funkcí přitom může být vytvořen libovolný počet, přičemž mnohé funkce mohou být současně zúčastněny i v několika centrálních funkcích, jak je znázorněno na obr. 5.

Obr. 5. Centrální funkce v systémových instalacích

Běžné je vytváření vazeb mezi stínicími prostředky (obvykle venkovními lamelovými žaluziemi) řízenými v závislosti na povětrnostních podmínkách a na směru dopadu paprsků, se zamezením oslnění přímým slunečním světlem. Současně je řízeno vnitřní osvětlení na stálou osvětlenost, optimalizován provoz vytápění ventilace a klimatizace, vše navíc s propojením na informace o přítomnosti osob. Propojením všech těchto funkcí lze dosáhnout skutečně velmi vysokých úspor energie.

Alternativně po otevření oken bude zablokována činnost vytápění a chlazení, přičemž potřebné okenní kontakty mohou současně sloužit i pro zabezpečovací účely.

Jiným příkladem vazeb může být spouštění vyhřívání okapových žlabů nebo chodníků při mrznoucích srážkách apod. Lze vytvářet skutečně libovolné závislosti, jen je zapotřebí umět definovat požadavky na způsoby činností funkcí. Přitom buďto nejsou potřebné žádné přídavné přístroje, nebo lze vazby vytvořit logickými operacemi v přídavném logickém modulu či ve vizualizačním programu.

(pokračovani)

---

Vyšlo v časopise Elektro č. 1/2018 na straně 40. 
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.