Integrovaná nevýrobní automatizace

VUT v Brně Fakulta strojního inženýrství Ústav automatizace a informatiky

Studijní opora magisterského studia předmětu

Integrovaná nevýrobní automatizace

Zpracovali: Doc.Ing.Branislav LACKO, CSc. Ing. Miroslav HOLÝ

Brno 2003

1

Obsah 1. Úvod do problematiky nevýrobní automatizace 2. Systémový přístup k automatizaci 3. Systémová integrace v automatizaci 4. Řídící a regulační systémy ústředního vytápění 5. Systémy pro střežení prostor. 6. Systémy elektrické požární signalizace. 7. Přístupové a identifikační systémy 8. Technologie EIB 9. Technologie LONWORKS 10. Integrované systémy řízení budov 12. Literatura 13. Kontrolní otázky a cvičení

str. str. str. str. str. str. str. str. str. str. str. str.

3 4 8 11 27 32 33 43 50 58 61 61

2

1.Úvod do problematiky nevýrobní automatizace V období od začátku padesátých let do roku 1989 byl vedoucími představiteli minulého režimu kladen v oblasti automatizace velký důraz na výrobní automatizaci. Základní důvody byly dva: • Preferování tvorby výrobních prostředků před spotřebními statky společnosti, jako to vyplývalo z tehdy uplatňované politické ekonomie. • Začlenění automatizace mezi nástroje zvyšování produktivity práce, aby se dosáhlo takového zvýšení výroby, které by umožnilo v komunismu rozdělovat výrobky občanům zadarmo V důsledku tohoto pojetí úlohy automatizace se kladl důraz především na automatizaci v energetice, na automatizaci výrobních strojů a celých výrobních linek, automatizaci procesů v těžkém strojírenství, automatizaci výroby v chemickém průmyslu a využití automatizace v zemědělské výrobě. Automatizace ostatních procesů a výrobků byla pochopitelně také aplikována, byla však často odsouvána při rozdělování plánovaných finančních prostředků a dalších zdrojů (např. výzkumných a vývojových kapacit) za prioritní výrobní automatizaci těžkého a všeobecného strojírenství.. Tomuto přístupu se logicky podřizovala i výuka automatizace na technických vysokých školách. V tržní ekonomice je hnacím motorem průmyslových i neprůmyslových firem snaha vybudovat takovou firmu, která by byla dostatečně konkurenčně schopná a dosahovala na trhu vysokých zisků po co možná dlouhou dobu. Zisk lze realizovat prodejem různých výrobků a nabízením různých služeb. Dokonce lze řadou příkladů dokázat, že klasické firmy těžkého průmyslu (hutě, válcovny, slévárny, koksovny, doly, apod.) dosahují zisky velmi obtížně na rozdíl od firem elektrotechnického průmyslu (např. výroba spotřební elektroniky) nebo firmy, které poskytují služby (poradenské firmy, provozovatelé portálů na sítí Internet, apod.). Není proto překvapením, že řada firem využívá automatizaci v nevýrobních oblastech, kde podnikají: prodejní nápojové automaty, bankovní výběrové automaty, zabezpečovací systémy, apod. Protože tento požadavek přichází v současné době, kdy automatizace je na vysoké technické úrovni, dochází při realizaci konkrétních automatizačních projektů v důsledku komplexního přístupu k řešení, které označujeme jako integrovaná neprůmyslová automatizace. Ta představuje paralelní větev k integrovaní průmyslové automatizaci, tak jak ji známe z komplexně automatizovaných výrobních závodů současnosti (např. Cyber Manufacturing System japonské firmy MAZAK). Integrovaná nevýrobní automatizace představuje tu oblast automatizace, která se zabývá automatizací nevýrobních procesů a automatizací funkcí nevýrobních soustav. Objektivní potřeba integrované nevýrobní automatizace vyplývá ze dvou důvodů. Jednak z potřeby rovnoměrného vývoje všech oblastí automatizace. Není dost dobře možné, aby se určitá oblast automatizace vyvíjela velmi progresivně a druhá významně zaostávala. Např. Inteligentní robotické systémy nemohou mít jen inteligentní řídicí systémy a současně zastaralé automatické pohony. Nebo programovatelné automaty by nemohly dobře využívat třicetidvoubitové velmi rychlé A/D převodníky a požívat málo citlivá měřící čidla a pomalé procesorové jednotky s malou operační pamětí.. Složité automatizované CNC třískové obráběcí stroje se neobejdou bez vyspělé automatické diagnostiky a automatického měření. Z toho vyplývá, že vývoj výrobní automatizace musí být doprovázen vývojem nevýrobní 3

automatizace. Např. i v kybernetickém výrobní firmě budoucnosti se musíme umět vypořádat s jejím zabezpečením proti páchání trestné činnosti (krádeže zařízení, surovin, apod.) i teroristickým útokům. V tomto směru navazuje oblast integrované nevýrobní automatizace na takové koncepty jakými jsou např. Total Integrated Automation firmy Siemens, Transparent Automation Factory firmy Schneider Electric nebo Complete Autmation firmy Rockwell Automation. Druhý důvod spočívá v její společenské objednávce. Světový trh je např. překvapen poptávkou po kybernetických psech AIBO, které s velkým úspěchem prodává firma SONY. V ČR poptávka po automatických zabezpečovacích systémech představuje nejdynamičtěji rostoucí segment na trhu automatizace u nás v průběhu minulých devadesátých let. Přitom počet prodaných automobilů u nás, které jsou vybaveny náročnou a rozsáhlou automatizační technikou, bude klást v nejbližších letech velké nároky na potřebné servisní služby v oblasti diagnostiky a údržby použitých mikroelektonických automatizačních prvků. Proto současná nevýrobní automatizace má i pro naši tržní ekonomiku velký význam a odborníci v oblasti automatizace se musí s ní důkladně seznámit. Jedná se o takové oblasti jako: • Zabezpečovací systémy pro ochranu majetku a osob • Velkokapacitní budovy (řízení jejich energetického hospodářství, řízení klimatizace, automatická evidence příchozích osob, řízení osvětlení, apod.) • Automatizace různých funkcí v automobilech a v letadlech • Využití automatizace ve výrobcích spotřební elektroniky • Domotechnika, tj. využití automatizace ve spojení s elektronikou v domácnosti • Automatizace medicinských soustav ve zdravotnictví (EKG, tomograf, ARO, EEG, sonar, apod.) • Veřejně přístupné automaty 2.Systémový přístup k automatizaci Za systémový přístup považujeme způsob myšlení, způsob řešení problémů či způsob jednání, při němž jsou jevy chápány komplexně ve svých vnitřních a vnějších souvislostech ( J.HabrJ.Vepřek:Systémová analýza a syntéza) Systémový přístup se uplatňuje hlavně při řešení komplikovaných problémů, které zasahují do několika rozličných oborů lidského poznání a vědění (tzv. interdisciplinární problémy). Přitom návrh a realizace automatizace je právě takovým problémem, při kterém je nutno řešit současně řadu prolínajících se dílčích problémů: - problém znalosti potřeb trhu a vývoje požadavků zákazníků - technické problémy technologického procesu, který se automatizuje - technické problémy návrhu mechanických, hydraulických, pneumatických a elektronických automatizačních prostředků využívaných pro automatizaci - problémy technického a programového vybavení použitých počítačů - sociální a psychologické problémy dopadu automatizace - ekonomické aspekty automatizace - organizační problémy při zavádění a využívání automatizace - personální problémy spojené s výcvikem a výukou obsluhy automatizace

4

- stavební úpravy stávajících prostorů nebo výstavba nových prostorů souvisejících s automatizací - atd. Již staří Čechové ne nadarmo připomínali: „Aby se na něco nezapomnělo!“ Jako příklad nesystémového přístupu můžeme uvést skutečný případ, kdy se automatizovala jen část výrobního řetězce - stáčecí linka v pivovaru - vysoce výkonným dovozovým zařízením, aby se vzápětí zjistilo, že předchozí pracoviště není schopno stáčecí automat plynule zásobovat čistými láhvemi a následné pracoviště není schopno plynule odebírat plné láhve, takže plnící automat byl zcela nevyužit. Poté, co se k výkonu automatu přizpůsobila další automatizací obě navazující pracoviště se zjistilo, že zákazníci stejně dávají přednost pivu v plechovkách před pivem v klasických láhvích, takže pivovar nepotřeboval tolik piva v láhvích, bohužel však neměl zařízení na stáčení piva do plechovek. Abychom automatizaci v následujícím období zaváděli na kvalitativně vyšší úrovni ve srovnání s dosavadní praxí, měli bychom k jejímu řešení přistupovat vždy systémově. Systémový pohled na skutečnost, co vše ovlivňuje automatizaci ve firmě ukazuje následující schéma: Organizaci práce

Konstrukci výrobku

Technologické postupy

Strojní vybavení

Automatizace ovlivňuje

Kvalifikaci pracovníků

Pracovní podmínky

Prosperitu firmy

Sociální status regionu

Obr.2.1. Vlivy automatizace Účel systémového přístupu k automatizaci můžeme stručně vyjádřit jako nutnost aplikovat komplexní přístup k automatizaci tak , aby navržené automatizační řešení přineslo firmě co největší užitek. Při systémovém přístupu musíme především definovat zkoumaný systém. Systém chápeme jako účelově definovanou množinu prvků a množinu vazeb mezi prvky, jež společně určují vlastnosti celku. Např. je-li předmětem našeho zkoumání programový systém, definujeme jednotlivé programové moduly jako prvky systému a řídicí vztahy jako vazby v systému. Strukturu systému můžeme definovat na různé rozlišovací úrovni. Např. u programového systému můžeme prvky a vazby definovat na úrovni hlavních programových modulů, ale postupně můžeme definovat systém podrobněji na nižší rozlišovací úrovni programových procedur a funkcí (dekomposice systému). Můžeme také postupovat obráceně

5

a příliš rozsáhlý, složitý systém účelově zjednodušit tím, že seskupujeme některé prvky a vazby (agregace systému). Obvykle nezkoumáme izolované systémy, ale tzv. relativně uzavřené systémy, které mají styk se svým okolí, takže musíme definovat vstupní a výstupní prvky systému, které zajišťují styk s okolním prostředím a vstupní a výstupní vazby s okolním prostředím. Okolí

Vstup do systému

systému

Výstup ze systému

SYSTÉM

Obr. 2.2. Systém na nejvyšší rozlišovací úrovni Dekomposice systému Redukce systému

V1

V2

P1

P2 V3

V4

V5 V6

P3

P4 V7

V9

V11 V8

V10 P5

P6

Hraniční prvky systému: P1, P2, P4, P5

Vnitřní prvky systému: P3, P6

Vstupní vazby: V1, V2

Výstupní vazby : V9, V11

Vnitřní vazby : V3,V4, V5, V6, V7, V8, V10

6

Obr. 2.3. Sytém a jeho dekomposice na nižší rozlišovací úrovni

Na systém nepohlížíme staticky, tj. pouze z hlediska struktury systému. Zajímá nás chování systému - jak systém mění svoje stavy na základě podnětů z okolí a jak působí na své okolí. Pro toto zkoumání uvažujeme systém často jako celek se vstupem a výstupem – metoda Black-Box (černá skříňka):

Vstup

Systém

Výstup

Obr.2.4. Systém jako černá skříňka Pokud vstup a výstup můžeme popsat spojitými funkcemi, hovoříme o spojitých systémech. Pokud vstup a výstup vyšetřujeme jen v určitých časových okamžicích, hovoříme o diskrétních systémech. K popisu chování systému je možno použít různých způsobů: -

pro spojité systémy používáme nejčastěji diferenciální rovnice

-

pro diskrétní systémy s číslicovými vstupy a výstupy různé formy tabulek Pro popis chování systémů se nejčastěji používají tzv. stavové diagramy.

Při systémovém přístupu uplatňujeme následující principy:: - princip abstrakce (odhlížíme od nepodstatných jevů a vlastností a všímáme si především podstatných vlastností systému) - princip postupu od jednoduchých vlastností systému ke složitějším projevům chování a k prohlubování struktury systému - princip systematického zkoumání systému, který opíráme o propracované metody zkoumání systému podložené teoretickými znalostmi o systémech, a kdy systém i naše poznatky o něm se snažíme jednoznačně popsat - princip týmové práce, kdy se snažíme složit tým z různých specialistů, kteří mohou přispět ke zkoumání systému z různých hledisek své odbornosti -

princip postupu zkoumání shora dolů (TOP DOWN), kdy postupujeme od nejvyšší rozlišovací úrovně struktury i chování systému k detailnější struktuře systému pomocí dekomposičních kroků

-

princip zdola nahoru (BOTTOM UP), kdy postupujeme od nejnižší rozlišovací úrovně struktury i chování k nejvyšší úrovni systému prostřednictvím redukčních kroků

7

-

princip rozdělení systému na jednodušší prvky, které jsou pro nás snadněji popsatelné a pochopitelné.

Systémový přístup má dva typické případy pro použití: - ANALÝZA Tento případ představuje rozbor nějakého problému, rozbor problematického nebo zadaného systému, rozbor určité situace nebo stavu zadaného systému. Cílem je dokonale poznat předmět našeho zájmu, porozumět mu a odhalit principy jeho chování. - NÁVRH (někdy též syntéza) Na základě systémové analýzy můžeme přistoupit k návrhu nového požadovaného systému, k návrhu řešení zadaného problému, k návrhu na zlepšení dosavadního průběhu problémového procesu apod. V české terminologii se též používá pojmu syntéza systému. Systémový přístup nás nabádá, že bychom neměli přistupovat bezprostředně k návrhu čehokoliv, co jsme před tím nepodrobili dostatečně důkladné analýze! Systémový přístup vyžaduje, abychom uvažovali o automatizaci z různých hledisek. Nejdůležitější jsou následující pohledy na automatizaci: a) Hledisko historického vývoje b) Hledisko společenského pokroku c) Hledisko sociálních dopadů automatizace d) Hledisko důvodů pro zavádění automatizace e) Hledisko zpracování technického návrhu automatizace f) Hledisko zpracování projektu automatizace g) Hledisko jakosti návrhu automatizace h) Hledisko systémové integrace v automatizaci i) Hledisko ekonomických aspektů automatizace j) Hledisko bezpečnosti automatizace 3.Systémová integrace v automatizaci Systémovou integrací při automatizaci rozumíme návrh a realizaci automatizace formou komplexní, vysoce jakostní služby s cílem maximálních přínosů žadateli služby. Tohoto cíle se dosahuje integrací zdrojů, postupů, prostředků a znalostí tak, aby se vytvořil komplexní, vysoce jakostí automatizovaný systém. Poznamenejme, že systémová integrace se dnes používá i u návrhu a realizace celé řady dalších systémů - informační systémy, dodávky výrobních provozů na klíč, řešení a dodávky zbraňových systémů apod. V podmínkách tržní ekonomiky je nositelem systémové integrace firma, která poskytuje službu systémové integrace na objednávku konkrétního zákazníka. Firma - systémový integrátor - vystupuje vůči zákazníkovi jako hlavní dodavatel a zodpovídá na základě kontraktu za jakostní návrh a dodávku požadované automatizace zákazníkovi, přičemž tato služba je prováděna jako externí činnost. Na systémového integrátora tak přechází zodpovědnost za koordinaci a dodávky všech zúčastněných subdodavatelů.

8

Firma, která potřebuje zavést automatizaci = koordinátor + řešitel

Subdodavatel 1 .................................................................Subdodavatel n Obr.3.1 Zajišťování automatizace vlastními silami realizátora přímými dodávkami

Firma, která potřebuje zavést automatizaci = ZÁKAZNÍK

Systémový integrátor

Subdodavatel 1 ............................................................ Subdodavatel n Obr.3.2. Postavení systémového integrátora

Aby firma mohla plnit funkci systémového integrátora, musí splňovat následující podmínky:

9

- Musí se opírat o některého výrobce, který dodává ucelený sortiment automatizačních prostředků. - Musí mít navázány obchodní kontakty s řadou firem, vyrábějících ostatní doplňkové komponenty pro automatizaci a poskytující různé specializované služby pro automatizaci. - Musí mít k dispozici dostatečný počet kvalifikovaných odborníků, schopných zajistit návrh a realizaci automatizace - Musí mít zvládnuty metody systémové integrace, metody systémové analýzy a návrhu, metody projektového řízení a další potřebné pracovní metody, které jsou požadovány při řešení automatizovaných systémů, které dodává - Její pracovníci musí mít dostatečné zkušenosti v oboru a být nositeli příslušných znalostí, což by měla firma prokázat různými dokumenty, osvědčeními, certifikáty a odkazem na úspěšně realizované případy (tzv. referenční akce) - Kromě primárních činností, spojených s návrhem a dodávkou automatizace musí být firma schopna poskytovat i doplňkové poradenské služby v oblasti automatizace, odborná školení, pomoc při zajišťování investičních prostředků apod. - Musí být finančně silná a stabilní, aby mohla vykonávat služby systémového integrátora dlouhodobě včetně garancí příslušných záruk a zajištění minimálních rizik. Výše uvedené skutečnosti mohou sloužit také jako kritéria při výběru systémového integrátora. S tím, že lze doplnit požadavky na reference, což jsou zprávy o tom, jak probíhaly a jaký měly výsledek již realizované akce, jejichž nositelem byla dotyčná firma. S ohledem na význam automatizace pro firmu a složitost procesu zavádění automatizace má správný výběr vhodného systémového integrátora strategický význam a proto je potřeba věnovat výběru dodavatelské firmy velkou pozornost. Často je otázka správného výběru systémového integrátora důležitější než výběr firmy, která vyrábí určitý sortiment automatizační techniky! Firmy, které dodávají automatizační techniku se mohou vyskytnout v obojí roli: • Role systémového integrátora. Např. Firma se rozhodne pro zavést rozsáhlý zabezpečovací systém, který kromě automatické ostrahy svého firemního objektu, zahrnuje i automatickou evidenci a přístupu do objektu. Plánuje zavést i automatickou požární signalizaci a automatické monitorování kvality okolního ovzduší. Za tím účelem objedná u jedné automatizační firmy komplexní dodávky všech těchto subsystémů. V rámci zavádění se předpokládají i vyvolané dílčí stavební úpravy v objektu, které jsou chápány jako součást celé investiční akce, proto se předpokládá, že na příslušné stavební práce si automatizační firma dohodne provedení potřebných činností jak s firmami provádějící stavební návrhy, tak se stavebními firmami. • Role subdodavatele. Např. V rámci výstavby nového administrativního centra, dodává automatizační firma generálnímu dodavateli stavby návrhové i realizační práce, související automatickou evidenci vstupu osob do budovy a dodávku elektrické požární signalizace.

10

4. Řídící a regulační systémy ústředního vytápění 4.1. Úvod Vytápění prostor představuje jednu z nejvýznamnějších položek energetické spotřeby. Náklady na vytápění tvoří v našich zeměpisných šířkách významnou položku energetických nákladů ve všech oblastech výroby, v nevýrobní sféře se jedná zpravidla o položku většinovou. V nákladech na bydlení se podle způsobu bydlení a typu vytápění pohybuje podíl těchto nákladů v mezích 30 – 60 i více procent celkových nákladů na bydlení. Ve vyspělých státech představuje podobně významný podíl energetické spotřeby na bydlení i klimatizace prostor v letním období. V ČR je podle statistických údajů roku 2001 cca 3,8 mil. bytů, z toho 1,4 mil. v rodinných domcích a cca 2,4 miliony bytů nájemních nebo družstevních. Většina z tohoto počtu bytů je vybavena ústředním vytápěním a tento podíl se neustále zvyšuje, jednak vlivem stoupajících požadavků na kvalitu bydlení a částečně také vlivem státní podpory. Ta je již řadu let prostřednictvím obcí zaměřena na odstraňování klasických topných zdrojů na tuhá paliva a jejich náhradu ekologičtějšími zdroji, užívajících jako zdroj energie zejména zemní plyn, elektřinu a v menší míře i některé alternativní zdroje energie. Pro ilustraci lze uvést odhad roční energetické spotřeby na vytápění průměrného bytu ve výši cca 40 GJ, což při průměrné ceně tepelné energie 300 Kč/GJ znamená roční náklady ve výši 12 tisíc Kč na jeden byt. V celostátním měřítku lze pak roční spotřebu odhadovat na cca 150 mil GJ v ceně cca 45 miliard Kč, tj. cca 4500 Kč na obyvatele ročně. V posledních letech se do popředí zájmu dostávají technická opatření na snížení energetické spotřeby na vytápění. Hlavní zdroje úspor představují stavebně technická opatření, tj, zvýšení tepelné izolace obvodových prvků, a vhodné prostředky pro měření, řízení a regulaci topných soustav. Výrobci řídících a regulačních systémů ústředního vytápění uvádějí dosažitelné úspory tepelné energie v rozmezí 20 – 30 %. V roce 2002 byla na našem ústavu v rámci DP zpracována porovnávací studie možných přínosů řídícího a regulačního systému pro typický sídlištní panelový dům. Vycházela z konkrétních stavebně technických parametrů a porovnání skutečné spotřeby tepla za sledované období s vypočítanou tepelnou ztrátou. Ta byla vypočítána pro definovaný průběh teplot a objem výměny vzduchu v místnostech a pro skutečný průběh venkovních teplot, síly větru a slunečního svitu podle pozorování ČHMÚ za sledované období. Dosažitelná úspora podle této studie je až 45% tepelné energie na vytápění ročně bez dalších stavebně technických opatření. Návratnost investic při použití levnějších systémů IRC s poměrovým měřením spotřeby tepla tedy může být nižší než 2 roky. Přes výše uvedené vysoké hodnoty ekonomické efektivnosti je v našich podmínkách úroveň řízení a regulace topných soustav velmi nízká. Naprostá většina topných soustav je regulována nanejvýš ekvitermně na straně zdroje. Poněkud větší rozšíření doznalo v posledních letech používání termostatických ventilů u radiátorů, doplněných lokálními poměrovými měřiči množství tepla. Nasazení integrovaných řídících a regulačních systémů, které umožňují dosažení shora uvedených ekonomických parametrů, je v obytných domech spíše ojedinělé. Za hlavní příčiny tohoto stavu lze považovat následující: 1. Investice do úspor tepla v nájemních domech nepřinášejí ekonomický efekt vlastníkům domů, ale jejich nájemníkům. Regulace nájemného neumožňuje promítnout výši nákladů na teplo do nájemného (logicky by měl byt s nižšími náklady na teplo mít vyšší nájemné oproti stejnému bytu, kde jsou náklady na teplo vyšší) a vlastníci domů tedy nemají žádnou motivaci k investicím do úspor tepla. Opatření ze strany ústředních orgánů, kterými se snaží některé vlády či ministerstva donutit vlastníky domů k investicím v této oblasti, se ukazují jako neúčinná. Příkladem může být zákon o hospodaření energií z roku 2002, podle nějž byli vlastníci povinni vybavit byty minimálně radiátorovými ventily do konce roku 2004. Žádný

11

velký efekt se neprojevil a uvedené ustanovení bylo po roce zrušeno. Přitom se jedná pouze o minimální řešení nepříliš vysoké technické úrovně. 2. Významnou roli hraje lidský faktor – zvyk na způsob vytápění v těchto objektech a placení nákladů na vytápění v posledních desetiletích, t.j. převážně ekvitermní regulaci a rozpočítávání nákladů podle podlahové plochy bez ohledu na skutečně dodané množství tepla do jednotlivých místností. Přitom zpravidla dochází k přetápění většiny obytných místností a většina lidí si na tento stav zvykla. Lidé si zvykli i více větrat (mnohdy to byl jediný možný způsob regulace teploty v místnosti). Návrat k přiměřené a ze zdravotního hlediska i rozumnější teplotě vnímají jako újmu a zvyknout si na přiměřené vytápění a větrání vyžaduje opět nějakou dobu. 3. Ekonomický efekt je i při dokonalém systému měření spotřeby tepla pro jednotlivé uživatele různý. Lidé spořiví a schopní přizpůsobit se nižšímu komfortu vytápění z realizace takového systému profitují více, lidé požadující vyšší teploty a úroveň větrání naopak méně a v krajním případě mohou i doplácet. Tím je ztížena možnost dohody o společném financování ze strany nájemníků či družstevníků. Situaci komplikuje i skutečnost, že dnes dodávané systémy poměrového měření a rozpočítávání nákladů na topení jsou technicky nedokonalé, málo spravedlivé a nedůvěryhodné. 4. Přes uvedené skutečnosti lze předpokládat, že řídící a regulační systémy ústředního vytápění se v nejbližších letech stanou u nás i ve světě významnou položkou v celkovém objemu odvětví, souvisejících s výrobou a dodávkami automatizačních prostředků a elektroniky, srovnatelnou např. s boomem po realizaci systémů mobilní komunikace. Současná nízká úroveň automatizace obrovského počtu bytových jednotek představuje dosud nenasycený segment trhu automatizačních prostředků. Je jen otázkou času, kdy významní výrobci tento prostor „objeví“ a zaplní levnými, hromadně vyráběnými výrobky podobně, jako se stalo např. v oblasti počítačů nebo mobilních telefonů. V pozdějších letech lze očekávat i rozvoj oboru klimatizace obytných prostor, který je podmíněn především vyšší celkovou ekonomickou úrovní a vyšší životní úrovní obyvatelstva. V našich podmínkách po jistou dobu zůstane spíše luxusní záležitostí. V nejbližších letech lze očekávat zvýšenou poptávku po odbornících v oboru automatizace se znalostmi v oblasti ústředního vytápění a souvisejících oblastech. 4.2. Základní typy a komponenty soustav ústředního vytápění 4.2.1 Zdroje tepla Podle umístění zdroje tepla rozlišujeme vytápění na: a) lokální – zdroj tepla je umístěn přímo ve vytápěném prostoru. Kromě klasického vytápění kamny na tuhá či plynná paliva se dnes užívá především u elektrického vytápění přímotopnými či akumulačními zdroji nebo klimatizačními jednotkami. b) ústřední – zdroj tepla je mimo vytápěný prostor, teplo je rozváděno pomocí spotřebitelské soustavy. Zdrojem tepla pro ústřední vytápění může být: a) vlastní kotelna – zdroj tepla je umístěn přímo v objektu a slouží zpravidla pouze pro něj. b) systém centralizovaného zásobování teplem (CZT) – teplo je vyráběno v centrálním zdroji (teplárna, výtopna, bloková (okrsková) kotelna), rozváděno pomocí teplovodní sítě a předáváno do spotřebitelské soustavy buď přímo nebo pomocí předávací stanice.

12

Podle teplonosného media rozlišujeme ÚT : a) parní – pro přenos energie slouží pára (předává se skupenské teplo), může přenášet vyšší tepelné výkony, systém je technicky i provozně náročnější, má však nižší měrné náklady na přenos jednotky energie. Používá se zpravidla pro vytápění velkých prostor v průmyslu nebo jako součást dálkových přenosových soustav. Systém musí zajistit, aby ve vratném potrubí byl kondenzát a nikoli pára (skupenské teplo se musí předávat v topném tělese). b) teplovodní – nosným mediem je zpravidla upravená voda (výjimečně např. nemrznoucí směs). Předává se specifické teplo nosné kapaliny. Provozně i technicky jednodušší systém používaný v převážné většině spotřebitelských topných soustav. K dálkovému přenosu tepelné energie se používají rovněž horkovody, od teplovodních systémů se odlišují pouze vyššími provozními hodnotami tlaku a teploty přenosového media a obvykle též větším tepelným spádem (rozdíl mezi teplotou přiváděného a vratného media). Používané zdroje tepla: a) kotel na tuhá paliva - jako lokální zdroje dnes na ústupu zejména z ekologických důvodů a z důvodu vyšší náročnosti na obsluhu a obtížnou regulaci. Jednotky většího výkonu jsou běžné ve velkých centrálních výtopnách a teplárnách. Představují stále nejlevnější zdroj tepelné energie. b) kotel na kapalná paliva - kotle na lehký topný olej (LTO, topná nafta) jsou sporadicky používány v menších kotelnách, zejména pro rodinné domky tam, kde.není zaveden plyn.. Výhodou je snadná obsluha a regulace, nevýhodou vysoká cena vyrobeného tepla. Kotle na těžký topný olej (TTO, mazut) se vyskytují ve větších kotelnách nebo výtopnách. Vyžadují složitější provozní vybavení pro skladování a dopravu paliva (předehřev, tlakové čerpadlo), pro lokální kotelny je zařízení příliš.složité a nákladné. Vážným problémem je vysoký obsah síry v palivu a tím i jejích oxidů ve spalinách. Dnes platné imisní limity jsou hlavním důvodem ústupu od tohoto paliva a nahrazování zemním plynem i za cenu vyšších nákladů na jednotku vyrobeného tepla. c) plynový kotel - představuje dnes nejběžnější zdroj tepelné energie. Řízení a regulace je jednoduché, určitým problémem je snad pouze bezpečnost provozu vzhledem k výbušnosti směsi paliva se vzduchem. Palivem je dnes zemní plyn všude tam, kde je zaveden. V oblastech bez plynového rozvodu se setkáváme i s použitím dražšího kapalného propanbutanu. d) elektrický kotel - investičně nejlevnější zdroj s nejjednodušším provozem a regulací, avšak s dnes nejvyššími náklady na provoz. Často uváděná ekologičnost je diskutabilní s ohledem na způsob a účinnost výroby a rozvodu elektrické energie. Ekonomicky výhodné je využití v kombinaci s akumulací tepla v období zlevněné sazby za elektřinu nebo jako bivalentního zdroje v systémech s tepelnými čerpadly. d)

alternativní zdroje: - solární kolektory - v našich zeměpisných šířkách jako hlavní zdroj využitelné pouze za cenu vysokých investičních nákladů na akumulaci tepelné energie a lze se s nimi setkat pouze u různých experimentálních projektů dotovaných z jiných zdrojů. Ekonomicky výhodné může být využití jednoduchého levného solárního systému jako doplňkového zdroje pro ohřev teplé užitkové vody v letním období.

13

- kotle na netradiční tuhá paliva, např. slámu, dřevní odpad (štěpku) a pod. Za předpokladu zajištění pravidelného přísunu levného paliva mohou představovat nejlevnější zdroj tepelné energie i přes nutnost čištění spalin.V dnešních podmínkách jsou rentabilní a sporadicky využívané spíše tam, kde palivo je odpadem z výroby (např. dřevozpracující závody). - tepelná čerpadla - perspektivní a stále více se uplatňující zdroj zejména pro lokální systémy klimatizace (možnost funkce topeni i chlazení). Představují perspektivní a rentabilní zdroj tepelné energie všude tam, kde je k dispozici zdroj levné nízkopotenciální tepelné energie (např. odpadní medium o nízké teplotě), ale v posledních letech se stále více uplatňují i jako hlavní tepelný zdroj pro vytápění obytných domů. Vzhledem ke zvýhodněné sazně za elekřinu při jejich použití jako hlavního tepelného zdroje dnes v ČR představují nejlevnější zdroj tepelné energie. - ostatní alternativní zdroje - např. geotermální, větrná a pod. pro vytápění mají pouze lokální význam. e) systém centrálního zásobování teplem (CZT) přívod tepla přímo nebo prostřednictvím předávací stanice lze chápat jako zdroj pro systém ústředního vytápění objektu. Oproti vlastnímu zdroji uživatel nemá možnost přímé regulace parametrů topného media a systém musí pracovat s teplotou a tlakem řízeným dodavatelem (obvykle ekvitermně). Kromě toho je třeba při návrhu topné soustavy a jejího řídícího systému zpravidla respektovat skutečnost, že ze společného horkovodu je napájeno více objektů a systém musí být hydrodynanicky vyvážen. Přes často opakovaná opačná tvrzení je systém centrálního zásobování zpravidla nejdražším z možných zdrojů v dané lokalitě. 4.2.2. Spotřebitelská soustava Spotřebitelská soustava je tvořena topnými tělesy (radiátory) v jednotlivých místnostech, které jsou spojeny potrubím tak aby byl zajištěn oběh topného media a systém je opatřen příslušnými armaturami. Systém ústředního vytápění bývá zpravidla doplněn systémem pro ohřev a rozvod teplé užitkové vody. Používané typy radiátorů: a) článkové - umožňují variabilitu plochy změnou počtu článků, v litinovém provedení jsou trvanlivější, ale i dražší. b) deskové - modernější design, nastavení plochy omezeně počtem desek, pouze v plechovém provedení. c) žebříčkové - provedení do koupelen d) trubkové registry - topná trubka silnějšího průřezu, opatřená plechovým žebrováním nejlevnější provedení, použití zpravidla v nebytových prostorech. e) konvektory - registry z paralelních tenkých trubek se společnými žebry - používají se u systémů teplovzdušného vytápění v kombinaci s ventilátorem nebo u klimatizačních jednotek f) podlahové vytápění - topné těleso je tvořeno soustavou trubek zabudovaných v podlaze místnosti. U moderních systémů vytápění a klimatizace se někdy používá soustavy trubek v podlaze i ve stropu místnosti, kdy podlahová sekce slouží k vytápění a stropová ke chlazení.

14

Umístění radiátorů musí respektovat cirkulaci vzduchu v místnosti tak, aby byla dosažena pokud možno rovnoměrná teplota a žádoucí poměry teplot stěn k dosažení tzv. tepelné pohody. 4.3 Teplovodní otopné soustavy Teplovodní vytápění je jedním z nejrozšířenějších druhů ústředního vytápění. Teplonosným médiem je voda s maximální teplotou 110 oC. Dobrou vlastností vody je její velká tepelná kapacita, což umožňuje přenášet velké množství tepelné energie. Otopné těleso předává dodané teplo svému okolí v místnosti. Množství předaného tepla za jednotku času je úměrné průtoku a rozdílu teplot vody mezi přívodním a zpětným potrubím. Tento rozdíl nazýváme také teplotní spád. Množství tepla dopravované otopnou soustavou je tedy závislé na velikosti teplotního spádu. Maximální velikost teplotního spádu určují také hygienické normy, které mají zabránit rozkladu prachu na otopných tělesech. Ekonomickým požadavkem je stanovení co nejmenší výhřevné plochy otopného tělesa při nejmenší velikosti potrubí za předpokladu dosažené optimální teploty. Teplotními spády teplovodního vytápění jsou teploty 90/70, 75/65, 70/55, 55/45 oC v přívodním a ve vratném potrubí. Cirkulace topné vody může být zabezpečena využitím rozdílu hustoty mezi teplejší vodou v přívodním a chladnější ve vratném potrubí a z toho vyplývajícím rozdílem hydrostatického tlaku v obou větvích. Soustavy s takto zabezpečeným oběhem vody se nazývají gravitační a setkáváme se s nimi většinou u menších soustav s lokálním zdrojem tepla ve vícepodlažních objektech. Většina topných soustav je řešena s nuceným oběhem, kdy cirkulace media je zajišťována oběhovým čerpadlem, umístěným zpravidla v lokální nebo okrskové kotelně či předávací stanici CZT. Podle způsobu připojení jednotlivých radiátorů k rozvodu mohou být teplovodní otopné dostavy řešeny různým způsobem: 4.3.1 Teplovodní otopná soustava jednotrubková Jednotrubkové rozvodné systémy můžeme rozdělit na dva charakteristické způsoby montážního provedení: - vertikální neboli svislý systém, při němž jsou jednotlivá otopná tělesa napojována v jednotlivých podlažích na svislé potrubí, zvláště u výškových staveb; - horizontální neboli vodorovný systém, při němž jsou všechna otopná tělesa připojována v každém podlaží na vodorovné potrubí. Dle průtoku topného média jednotrubkovým systémem lze tyto systémy ještě rozdělit na: - průtočné (bez obtoku) se zkratem (s obtokem). Jednotrubkové systémy jsou převážně využívány jen s horním rozvodem. Pro přívod teplé vody do těles i pro odvod ochlazené vody je jen jedna soustava trubek. Teplá voda vstupuje do těles, ochlazuje se a u soustav průtočných klesá přímo do tělesa spodního. U soustav se zkratem se nejprve mísí voda z otopných těles a zkratu a potom vstupuje k tělesům nižšího patra. Výhřevná plocha spodních těles proto musí být větší, než je výhřevná plocha ve vyšších patrech pro stejný tepelný výkon. Tím se zásadně liší jednotrubkové systémy od dvoutrubkových, kdy do všech otopných těles vstupuje voda přibližně o stejné teplotě.

15

Vstupní teploty vody do těles jsou rozdílné, což je velkou nevýhodou pro výpočet průměru potrubí i regulace. Možnost uzavírání těles v horních patrech není vhodná, protože každou manipulací s ventilem se mění vstupní teplota vody níže položených těles a tím se ovlivňuje optimální teplota v místnosti. Cirkulace vody v těchto systémem může být s přirozeným nebo s nuceným oběhem. V případě jednotrubkové soustavy svislé průtočné je možná individuální regulace jednotlivých otopných těles vzhledem k tomu, že u těles není montován uzavírací a regulační člen. Žádné těleso v místnosti tedy nelze uzavřít a vyřadit jej z provozu. Proto tuto soustavu nelze použít v bytových jednotkách a setkáváme se s ní spíše ojediněle u otopných systémů velkých budov. Teplovodní systém jednotrubkový svislý se zkratem je používán pro vytápění výškových objektů, uzavírací třícestné kohouty umožňují uzavření průtoku vody tělesem a současně regulační zásah do oběhové vody tělesem. Vstupní teploty do spodních těles klesají mírněji než v předchozím případě. V případě použití pro výškovou stavbu je nutný nucený oběh. Takto uspořádaná soustava může být opatřena individuální regulací teploty v místnostech, je však třeba počítat s vlivem regulace v každé místnosti na ostatní topná tělesa větve. Lokální regulace bez nadřazeného integrovaného systému je proto obtížná. Výhodou jednotrubkových systémů je kromě nižších nákladů především vysoká hodnota celkového teplotního spádu a tím i vyšší celková účinnost výroby či přenosu tepla. A)

B)

Obr 4.1. Jednotrubková soustava A) - se zkratem B) – průtočná 4.3.2. Otopná soustava dvoutrubková Dvoutrubková soustava s dolním rozvodem je vhodná jak pro provedení oběhu vody samotížné (gravitační), tak pro oběh vody nucený. Rozvodné i vratné potrubí je zavěšeno nejčastěji pod stropem v suterénu, kde volné zavěšení většinou není na závadu. Základním požadavkem u tohoto systému je, aby vodorovný potrubní rozvod byl vždy pod nejníže položenými tělesy a vyspádování vodorovného potrubí bylo ke zdroji. Cirkulace vody zahřáté

16

na odpovídající teplotu prochází vodorovným potrubím k jednotlivým svislým přívodním větvím. Dále proudí voda do všech otopných těles, kde předává teplo určené tepelným spádem systému. Ochlazená voda se vrací opačnou cestou zpět do zdroje (obr.4.2.). V případě nuceného oběhu jsou čerpadla zapojena do otopného systému nejčastěji do vratného potrubí, tj. před kotel. Čerpadlo tlačí vodu do kotle, kde je pod stálým tlakem. Voda z kotle vystupuje ven v ustáleném toku. Výhodou spodního vodorovného rozvodu je snadná přístupnost k uzavíracím armaturám jednotlivých svislých vedení, také při údržbě. Teplo odevzdané potrubím v suterénu stoupá do užitných místností nad suterénem. Nevýhodou je ohřívání prostoru suterénu, kde může být teplo nežádoucí s ohledem na využití těchto prostor např. jako skladu potravin (sklepy apod.). Dvoutrubková soustava s horním rozvodem se používá, není-li budova podsklepená. Opět je využívána pro nucený i přirozený oběh, kde se liší pouze spádem potrubí (obr.4.3). horního rozvodu je samočinné odvětrání všech těles do expanzní nádoby. Hlavní stoupací potrubí je izolované a u vodorovného potrubí nastává ochlazování úměrné velikosti potrubí, můžeme mluvit o výhodném účinném tlaku. Nevýhodou horního rozvodu je teplo ztracené horním rozvodným potrubím, které nelze nijak využít. Tato nevýhoda odpadá pouze tehdy, jeli rozvodné potrubí zavěšeno pod stropem posledního patra.

Obr. 4.2. Dvoutrubková soustava se spodním rozvodem

17

Obr. 4.3. Dvoutrubková soustava s horním rozvodem Všechny dosud uvedené typy teplovodních soustav se vyznačují společným stoupacím potrubím pro radiátory v jednotlivých podlažích podle jejich umístění v půdorysu objektu bez ohledu na jejich příslušnost k bytům. Tato řešení pocházejí z dob, kdy se neuvažovalo s měřením a úhradou tepla podle skutečné spotřeby a skutečné měření množství tepla u nich není technicky proveditelné. Při návrhu řídícího systému se proto musí počítat s vhodnou nepřímou metodou měření a poměrového rozpočítávání spotřeby tepla. Dvoutrubková soustava rozdělená na bytové sekce je moderní řešení teplovodní otopné soustavy, zohledňující požadavek na možnost přímého měření spotřeby tepla pro jednotlivé domácnosti. V domě je jedno společné stoupací a vratné potrubí. Z něho jsou v jednotlivých podlažích provedeny odbočky k bytovým rozvaděčům. Ty jsou zpravidla umístěny ve zdi předsíně nebo chodby a obsahují bytový rozvaděč a měřič tepla pro byt. Potrubí do jednotlivých místností k radiátorům je vedeno zpravidla podlahou. Výhodou tohoto systému kromě možnosti objektivního měření je i možnost oprav topení v jednotlivých bytech bez nutnosti vypouštění stoupacího vedení. Při projektování nových soustav vytápění pro bytové domy by použití této soustavy mělo být pravidlem. 4.4. Základní pojmy a metody tepelně technických výpočtů 4.4.1 Tepelná pohoda K definování požadavků na vytápění se používá pojmu tepelná pohoda. Tepelná pohoda je dosažení takových tepelných poměrů, kdy člověku není ani chladno, ani příliš teplo a člověk se cítí příjemně. Vnímání teploty člověkem závisí na jeho rozlišovacích schopnostech a na pocitovém vnímání člověka. V praxi vytápění a jeho regulace to je tedy spokojenost lidí s uměle vytvořeným mikroklimatem. Je však nutno počítat s tím, že vždy budou někteří nespokojeni. Uplatňuje se zde množství jiných (psychologických) vlivů, jako

18

např. dřívější zkušenosti, sociálně-kulturní vlivy a zvyky. Člověk, který vyrůstal v panelovém domě s ústředním vytápěním s centrálním řízením, které v jeho bytě přetápělo a jedinou regulací bylo otevírání okna, má jiné zkušenosti než člověk, který vyrůstal v rodinném domě, kde bylo chladněji a teplota se řídila individuálním nastavením regulátoru kotle. Dle výzkumů tepelné pohody lze předpokládat, že z lidí vystavených stejnému prostředí bude vždy alespoň 5 % nespokojených. Stanovit hranice tepelné pohody tak, aby podmínky vyhovovaly všem, je prakticky nemožné. Ke stanovení hranic pohody může pomoci graf z normy ASHRAE 55-1992 (americká norma), evropská norma ISO 7730, která byla jako ČSN EN ISO 7730 převzata do soustavy českých technických norem. 4.4.2. Součtová teplota Tepelný stav vnitřního prostředí budov patří k základním požadavkům kladeným na budovy. Proto hledání možností zmenšování tepelných ztrát a spotřeby energie na vytápění budov musí být spojováno vždy s kontrolou hodnot veličin, které požadovaný tepelný stav vnitřního prostředí charakterizují. Tepelný stav vnitřního prostředí je dán teplotou vzduchu, průměrnou teplotou vnitřních ploch v místnosti, rychlostí proudění vzduchu a relativní vlhkostí vzduchu. Při hodnocení tepelné pohody je teplota vnitřního vzduchu neoddělitelně spjatá s teplotami na vnitřním povrchu konstrukcí. Součtová teplota místnosti má být v obytných a občanských budovách 38 °C, počítá se s teplotou vzduchu 20 °C a s průměrnou teplotou vnitřních ploch místnosti 18 °C. Podle diagramu na obr. 4.4 však může být součtová teplota místnosti zajištěna i jinou kombinací teploty vzduchu a průměrné teploty vnitřních ploch v místnosti.

Obr. 4.4.Součtová teplota místnosti tM při různé teplotě vzduchu ti a průměrné povrchové teplotě stavebních konstrukcí tp

19

4.4.3. Tepelný výkon radiátoru Tepelný výkon radiátoru je dán vztahem:

  t1 + t 2 Q = k ⋅S ⋅ − tm    2 kde

[W]

(4.1.)

k je součinitel prostupu tepla [W/m2 K] S - otopná plocha tělesa [m2] t1 – teplota vody v přívodním potrubí [°C] t2 – teplota vody ve vratném potrubí [°C] tm – teplota vzduchu ve vytápěné místnosti [°C]

Pro rozdíl teplot vody v přívodním a vratném potrubí je zaveden pojem teplotní spád a tento parametr je základním parametrem, podle něhož jsou pro daný prostor dimenzována topná tělesa. Uvedený vztah pro tepelný výkon platí samozřejmě za předpokladu, že průtok radiátorem není omezen např. škrticím orgánem (regulačním ventilem). V případě omezeného průtoku je střední teplota radiátoru nižší a uvedený vztah je používán pro dimenzování topného tělesa pro místnost tak aby stačilo na kompenzování tepelných ztrát. 4.4.4. Tepelné ztráty budov K zajištění požadovaného tepelného stavu vnitřního prostředí v zimním období se musí přivádět do budovy tepelná energie. V důsledku rozdílného tepelného stavu vnitřního a vnějšího prostředí dochází k šíření tepla z budovy do vnějšího prostředí. Šíření tepla se uskutečňuje prostupem tepla stavebními konstrukcemi, vzduchem proudícím spárami, styky a netěsnostmi oken, dveří a stavebních konstrukcí. Toto teplo je ztrátové teplo neboli tepelná ztráta. Je třeba si uvědomovat, že veškerá tepelná energie přiváděná do objektu slouží ke krytí tepelných ztrát a v konečném stavu je převedena do okolního prostředí. a) ztráty vedením tepla stěnami Průběh teploty homogenním zdivu má v ustáleném stavu lineární průběh a pro tepelnou ztrátu lze použít vztah:

Q=

λ ⋅ S ⋅ (t − t ) i

e

h

(4.2.)

kde: Q ─ tepelný tok (W) λ ─ součinitel tepelné vodivosti (m-2.K-1.W) S ─ plocha stěny (m2) h ─ tloušťka stěny (m) ti ─ vnitřní (interní) teplota (°C) te ─ vnější (externí) teplota místnosti (°C)

20

Obr.4.5 Vedení tepla ve stěně Součinitel přestupu tepla mezi zdivem a okolním vzduchem α je dán vztahem:

α =α +α k

kde:

α = 5,6 + 4w

s

k

α = 10,8 + 4 ⋅ w

α s = 5,2W ⋅ K −1 ⋅ m −2 (4.3.)

αk ─ součinitel přestupu tepla konvekcí (W. K-1.m-2) αs ─ součinitel přestupu tepla sáláním (W. K-1.m-2)

w ─ rychlost větru (m.s-1)

Pro výpočet tepelných ztrát prostupem se používají tzv. normové hodnoty teplot a rychlosti větru, dané pro jednotlivé lokality na základě dlouhodobého sledování klimatických podmínek. Tyto hodnoty a metodika výpočtů je obsahem normy ČSN 73 0510. Skutečná velikost tepelné ztráty je samozřejmě funkcí náhodného rozložení teploty okolí a síly větru a je časově proměnná. Hodnoty zjištěné pomocí normových hodnot slouží k dimenzování topných soustav. Obecně platí, že zvýšení teplotního rozdílu mezi vytápěným prostorem a okolím znamená zvýšení ztrát prostupem tepla o 6%.Celková tepelná ztráta budovy Celková tepelná ztráta Qc je rovná součtu tepelné ztráty prostupem tepla konstrukcemi a tepelné ztráty větráním snížená o tepelné zisky. Je tedy dána vztahem (4.4.) Qc = Qp + Qv − Qz kde:

Qp ─ tepelná ztráta prostupem tepla Qv ─ tepelná ztráta větráním Qz ─ tepelný zisk

Tepelná ztráta větráním Větráním dochází k výměně vzduchu v místnosti o její vnitřní teplotě za vzduch s teplotou v okolí. Tepelná ztráta větráním se stanoví z kalorimetrické rovnice.

Q = m ⋅ c ⋅ ∆T = ρ ⋅ V ⋅ c ⋅ ∆T v

v

(4.5.)

kde: m ─ hmotnost (kg) c ─ měrná tepelná kapacita (J.kg-1.K-1) ∆Τ −rozdíl teplot (K) ρ ─ hustota (kg.m-3)

21

Měrná tepelná kapacita vzduchu při teplotě 0°C

c = 1005J ⋅ kg ⋅ K −1

−1

Hustota se vypočítá ze stavové rovnice

p ⋅ v = r ⋅T kde:

=>

p ─ tlak, atmosférický

p

ρ

= r ⋅T

=>

ρ=

p r ⋅T

(4.6.)

p = 0,101325M . pa

3

v ─ měrný objem (m .kg-1) r ─ měrná plynová konstanta, pro vzduch

r = 287,04 J ⋅ kg ⋅ K −1

−1

T ─ teplota (K), při střední teplotě tm

t = 0,5 ⋅ (t + t ) ; T = t + 273,15 m

i

e

m

(4.7.)

Tepelný zisk Tepelný zisk v objektech vzniká působením slunečního záření, které snižuje tepelné ztráty a spotřebu energie na vytápění budov. Z hlediska využití slunečního záření dopadajícího na budovu má největší podíl sluneční záření dopadající na zasklené plochy resp. sluneční záření pronikající zasklenými plochami. V budově dopadá na vnitřní konstrukce a předměty, čímž se krátkovlnné záření mění v dlouhovlnné, které již nemá potřebnou energii k průchodu sklem ven z objektu. Tento jev se nazývá skleníkový efekt a vede ke zvyšování vnitřní teploty budovy. Tepelný zisk ze slunečního záření je významnou položkou energetické bilance místností obrácených na jih a částečně východ a západ. Přínos energie od slunečního záření může podle polohy budovy a celkové plochy oken krýt 10 - 30% celkové energetické spotřeby za topnou sezónu. V oboru klimatizace je pro tento a ostatní energetické přínosy zaveden pojem tepelná zátěž. 4.5. Regulace topných soustav Ekonomický provoz celé soustavy ústředního vytápění vyžaduje řízení a regulaci na všech úrovních od zdroje tepla až ke spotřebiči. Proto se musí regulace provádět ve třech na sebe vzájemně navazujících stupních: a) ve zdroji tepla, resp. na vstupu do tepelné sítě, b) ve spotřebitelské předávací stanici, c) ve spotřebitelské soustavě Podle regulované veličiny rozlišujeme regulaci: a) kvalitativní Mw = konst , reguluje se změnou teplotního spádu b) kvantitativní konstantní teplotní spád, reguluje se změnou hm. průtoku Mw c) kvantitativně-kvalitativní, která je kombinací obou. U nás je nejrozšířenějším způsobem kvalitativní regulace, což znamená, že se v teplárně mění teplota vody na vstupu do tepelné soustavy podle venkovní teploty. Průtočné množství vody v tepelné síti se mění skokem pouze při přechodu na letní provoz po skončení otopného období, kdy se síť provozuje pro ohřev užitkové vody. Pro požadavek provozu odběratelských zařízení s konstantní teplotou topné vody a zároveň zajištění ekonomického hospodaření s teplem u spotřebitelů s proměnným odběrem tepla se reguluje tepelná síť kvantitativně. Při tomto způsobu řízení se mění průtočné množství vody, ale její teplota v přívodním potrubí je stále stejná. Při kvantitativně-kvalitativní regulaci se reguluje teplota vody i její množství dle předem stanoveného diagramu. 22

Regulací ve spotřebitelské soustavě se při vytápění bytů rozumějí především individuální zásahy spotřebitelů na otopných tělesech, tj. jejich škrcení nebo odstavování, přičemž je lhostejné, je-li tento zásah proveden ručně, nebo automatickým termoregulačním ventilem či regulátorem. Regulační zařízení ve spotřebitelských předávacích stanicích má za těchto okolností plnit dvojí funkci: a) přizpůsobit odběr tepla z tepelné sítě okamžitým objektivním podmínkám (např. venkovní teplota) a zároveň i požadavkům odběratelů, b) vyloučit nekvalitní a drahou obsluhu předávacích stanic tím, že umožní hospodárný a spolehlivý automatický provoz zařízení. Cílem automatické regulace tepelného výkonu otopných soustav je dodržet požadovanou teplotu ve vytápěných místnostech. Tento požadavek je dosažitelný při zásahu přímo ve spotřebitelské soustavě (nejčastěji přímo na otopném tělese nebo v bytové přípojce), nebo ve spotřebitelské předávací stanici (bez zřetele ke způsobu připojení otopné soustavy k tepelné síti). Podle vstupní veličiny rozlišujeme následující metody regulace: Na úrovni zdroje či vstupu do otopné soustavy a) regulace podle referenční místnosti, resp. modelu ref. místnosti b) regulace ekvitermní Regulace podle referenční místnosti Při dosavadním uspořádání otopných soustav není možné řešit centrální regulaci v předávací stanici tak, aby reagovala na změny teplot ve všech vytápěných místnostech současně. Pro regulaci v předávací stanici se proto bere jako vstup teplota z jedné nebo několika zvolených vytápěných místností, které je možno považovat za reprezentativní pro celý soubor místností ve vytápěné budově. Nevýhodou tohoto způsobu regulace však je, že uživatel reprezentativních místností má při změně teploty v místnosti vliv na provoz otopné soustavy v celém domě, např. otevřením okna apod. Po experimentech s těmito systémy provedených na několika postavených sítích se na základě výše zmíněných nevýhod od jejich využití upustilo, byl však dále vyvíjen systém, kdy se teplota snímá z modelu vytápěné místnosti, který se umísťoval na fasádu vytápěné budovy. Výhodou tohoto řešení bylo, že model místnosti byl vystaven stejným povětrnostním podmínkám jako skutečná vytápěná místnost, tj. stejně intenzivnímu větru a stejnému slunečnímu záření. Nevýhodou bylo, že není jednoduché napodobit vliv sousedních vytápěných prostor a že z architektonického hlediska není snadné umístit model na fasádě tak, aby nerušil celkový vzhled stavby. Ani toto řešení se příliš nerozšířilo. Regulace ekvitermní Doposud nejrozšířenějším způsobem automatické regulace výkonu otopné soustavy je regulace vody na vstupu do otopné soustavy v závislosti na venkovní teplotě. Tato teplota spolu s vnitřní teplotou ve vytápěném objektu jsou veličinami, které mají rozhodující vliv na tepelnou ztrátu vytápěné budovy. Snímá se velikost teploty vody na vstupu do otopné soustavy a teplota venkovního vzduchu. Tyto dvě hodnoty se udržují ve vzájemném vztahu dle zadaného programu, který se nastavuje na regulátoru pomocí tzv. teplotní křivky. Některé z regulátorů mají tuto charakteristiku pevnou, jiné umožňují měnit její sklon a případně ji i posouvat. Změnou

23

charakteristik lze kompenzovat případné změny na otopných soustavách, tzn. změny ztráty (zateplení budov) nebo výměny a modernizaci otopných soustav. V zásadě se jedná o kvalitativní regulaci tepelného výkonu do celého objektu v závislosti na teplotě okolí tak, aby dodávaný tepelný výkon byl rovný celkovým tepelným ztrátám objektu Regulace na úrovni odběrů - IRC (Individual Room Control) Metody regulace zdroje tepla jsou na hranici svých možností a s výjimkou nepatrného zvyšování účinnosti jednotlivých prvků otopné soustavy je již nelze dále rozvíjet. Zásadním krokem vpřed je metoda nesoučasného vytápění jednotlivých místností; jejím cílem je vytápět jednotlivé místnosti na takové teploty, které jsou v daném čase požadované a potřebné. Znamená to ovšem jednoznačně přechod od regulace zdroje k regulaci výkonu otopných těles (u teplovodních radiátorů tedy omezováním průtoku otopného média radiátorovým ventilem). Nejde již o regulaci teploty otopné vody, ale o regulaci průtoku - tedy množství otopné vody. Tato změna regulačního principu má rovněž dopad na hydrauliku otopné soustavy (zabezpečení rovnoměrného zaplavování jednotlivých větví otopné soustavy a dodržení určitého rozmezí diferenčního tlaku vyvozovaného oběhovým čerpadlem). Rozvoj elektroniky umožnil reálnou a cenově přístupnou konstrukci systémů pro individuální regulaci vytápění jednotlivých místností (IRC - individual room control). Celková spotřeba tepelné energie v objektu se skládá ze součtu energetických spotřeb jeho jednotlivých částí (místností). Snížení teploty v kterékoliv místnosti se svým dílem příznivě projeví ve snížení celkové spotřeby energie. Elektronické regulační soupravy snadno dosahují vyšší přesnosti regulace a mají bohaté programové možnosti. Jednou z mnoha samozřejmostí bývá např. občasné automatické "procvičení" ventilu zabraňující usazování vodního kamene s nebezpečím zatuhnutí ventilu.Jednotlivé druhy systémů IRC se mezi sebou liší především typem použitého akčního členu (termopohon, servopohon) a také systémem komunikace řídicí centrály s akčními členy. 4.6. Radiátorové regulační ventily Akčními členy regulačního moderních regulačních systémů ústředního vytápění jsou radiátorové regulační ventily. Jejich úlohou je řídit průtočné množství teplonosného média, a to v tomto případě vody. Klasické regulační ventily se sevopohonem jsou pro tuto aplikaci příliš robustní a radiátorové regulační ventily jsou dnes specializovaným sortimentem řady výrobců regulační techniky. Významnými požadavky na tyto prvky jsou malé rozměry, vhodný design a co nejnižší cena. Nejpoužívanější způsob pohonu je termický, který se vyvinul z původních přímočinných termostatických ventilů. Princip funkce: Po připojení ovládacího napětí topné tělísko ohřívá médium, které se rozpíná. Toto rozpínání je převedeno na lineární přímočarý pohyb vřetena, které se zasouvá. Ventil je otevřen tlakem pružiny. Po odpojení ovládacího napětí se vřeteno pohonu vysune a uzavře ventil. Termické pohony nemají žádné rotační části a tudíž nevzniká žádné tření. Výhodou termických pohonů je, že neobsahují žádné rotační části, a tak je zajištěn naprosto tichý chod s minimálním opotřebením. Pohyb a okamžitá poloha bývají indikovány jezdcem, který se pohybuje nahoru a dolů spolu s vřetenem pohonu. Termické ventily jsou vyráběny ve dvou typech, "bez přívodu proudu otevřeno" nebo "bez přívodu proudu zavřeno". Řízení je možné dvoustavově (zavřeno - otevřeno), nebo i

24

plynule pomocí pulzně šířkové modulace budicího proudu (PWM). U integrovaných systémů se používají pohony přímo připojitelné na systémovou sběrnici EIB nebo LON. V menší míře jsou používány radiátorové ventily s pohonem elektromotorem, zejména pro výrazně vyšší cenu, přestože mají řadu provozních výhod. Je to zejména nižší spotřeba energie, zachování polohy při výpadku a snadné proporcionální řízení.

Obr. 4.6. Schema funkce a zapojení termického radiátorového ventilu Mezi důležité vlastnosti termických ventilů patří doba otevření a zavření ventilu. Tato doba je závislá na typu použitého ventilu a na teplotě okolí. Z velkého dopravního zpoždění vyplývá, že tyto ventily nejsou vhodné pro některé aplikace v automatizaci, ale je dostačující pro aplikace v otopných soustavách k otevírání ventilů radiátorů.

Obr. 4.7. Závislost otevření na vstupním signálu u termického ventilu.

25

4.7. Integrované řídící a regulační systémy ústředního vytápění. Soupravy IRC nabízí řada významných světových výrobců. Jedná se většinou o velké hierarchické struktury značně vysoké ceny. Některé dnešní koncepce používají i bezdrátovou komunikaci mezi řídicí centrálou a elektronickými hlavicemi, většina systémů ale používá ke spojení některé z datových sběrnic. U starších nebo levnějších systémů je to zpravidla RS485, u modernějších řešení se používá technologie LONWORKS nebo EIB, které ovšem vyžadují vybavení všech komponent příslušnými prostředky pro síťovou komunikaci a v současných podmínkách v ČR jsou pro občanské využití poměrně drahé. Na trhu jsou také samostatné elektronické hlavice s programátorem, napájené bateriemi (bez vazby na centrální řízení). Centrální řízení má při regulaci domků, bytů, škol nebo hotelů nezastupitelnou roli. Umožňuje totiž prostřednictvím řídicí jednotky: •

ovládat další zařízení (kotel) v závislosti na dosažení požadovaných teplot v místnostech,

•

uvedení celé soupravy do žádaného stavu podle různých podmínek (např. otevřít všechny hlavice při hrozícím přetopení kotle na tuhá paliva),

•

provádět diagnostiku regulační i otopné soustavy

•

evidovat údaje využitelné pro rozdělování topných nákladů mezi jednotlivé uživatele, atd.

Běžnou možností dnešních regulací s centrální řídicí jednotkou (nebo jednotkami) je jejich připojení k osobnímu počítači. Pomocí dodaného programu lze řídicí jednotku programovat, konfigurovat i jinak ovládat s mnohem vyšším komfortem. PC rovněž umožní archivaci mnohých dat, sad programů atd. S rychlým průnikem PC do domácností je tato funkce regulační soupravy vysoce oceňována. U velkých objektů (hotely, školy, ...) je využití PC praktickou nutností. V současné době existuje na trhu řada systémů tohoto typu, z tuzemských výrobců jsou ke studiu dostupné podklady k systému ETATHERM (http://www.etatherm.cz) nebo TRASCO (http://www.trasco.cz) . Z větších modulárních IRC systémů zahraničních výrobců jsou asi nejlépe dostupné podklady o systému EXCEL IRC firmy Honeywell (http://www.honeywell.cz). Samozřejmě existuje celá řada dalších výrobců a zde uvedené příklady nejsou zdaleka vyčerpávající.

26

5. Systémy pro střežení prostor. Do této kategorie neprůmyslových automatizačních prostředků řadíme systémy pro střežení prostor proti vniknutí nepovolaných osob ( elektronické zabezpečovací systémy – EZS) a systémy pro detekci a hlášení vzniku požáru (elektrická požární signalizace – EPS). U obou těchto systémů současné generace je jádrem centrální procesorová jednotka, zpracovávající signály speciálních detekčních čidel. Pro tuto jednotku se vžil název ústředna EPS, resp. EZS. Výstupem čidel je zpravidla rozpínací kontakt a sdružují se do okruhů (smyček) tak, aby při co nejmenším počtu vodičů bylo možno s požadovanou přesností lokalizovat místo detekce narušení objektu nebo vzniku požáru. Ústředna detekuje vznik události a podle konfigurace reaguje vhodným akustickým nebo optickým poplašným signálem, hlášením události majiteli či správci objektu., vyvoláním poplachu u příslušné policejní či požární složky a podobně.

Obr. 5.1. Příklad zapojení EZS.

27

Ústředna: je základem celého systému EZS a existuje řada typů, vhodných pro různě velké objekty. Každá z ústředen je určena pro určitý počet smyček (4,8,16), na každou smyčku je možné připojit jedno nebo více čidel. Každá z ústředen je modifikovatelná podle konkrétního přání zákazníka - např. je možné ústřednu rozdělit na podsystémy s tím, že každý podsystém může být aktivován zvlášť (podle toho, která část objektu má být hlídána). Jedná se vlastně o výkonný minipočítač, který na základě vloženého programu vyhodnocuje stav celého objektu. V případě nestandardní situace ústředna vyšle na PCO hlášení o druhu napadení a čísle smyčky na které byla poplachová zpráva vyvolána. Čidla: sledují parametry svého okolí a po překročení nastavených hodnot reagují předáním informace o této události ústředně. Klávesnice: Slouží jako ke komunikaci mezi uživatelem a ústřednou. Z klávesnice je možné systém zapínat, vypínat nebo programovat. Klávesnic může být k systému připojeno i více - např. podle množství přístupových cest do objektu. Sirény: Se používají vnější nebo vnitřní. Je prokázané, že vnitřní sirény s pronikavým zvukem ve většině případů odradí pachatele od další činnosti. Naopak vnější siréna má za úkol upozornit okolí, že se v objektu něco děje. Některé sirény bývají doplněny intenzivním blikačem. Pult Centralizované Ochrany - PCO Moderním řešením je přenos informace o vniku události (narušení objektu nebo vzniku požáru) na tzv. pult centralizované ochrany, který ve větších městech provozují některé bezpečnostní agentury nebo přímo policie či hasiči. Reakcí pak je okamžitý výjezd příslušné zásahové jednotky. Přenos informací mezi ústřednou a PCO je po telefonní lince nebo pomocí rádiového spojení. Tam, kde není k dispozici státní linka nebo pro zvýšení spolehlivosti lze s výhodou využít spojení pomocí bezdrátové komunikace nebo GSM.

28

5.1. Typy čidel pro systémy EZS. PIR (Passive Infra Red) detektory Tato čidla jsou dnes nejpoužívanějším prvkem zabezpečovacích systémů. Základem je ferroelektrický keramický senzor, snímající změny tepelného pole vyvolané pohybem osob ve střeženém prostoru. Tyto změny jsou po zesílení digitálně vyhodnoceny a v případě dosažení prahové hodnoty odpovídající pohybu osoby je vyslán signál ústředně. Podobné senzory se používají např. i k automatickému ovládání světel. pohybem osob. Pro aplikaci v zabezpečovacích systémech hraje velkou roli jejich směrová přijímací charakteristika, která se upravuje pomocí fressnelových čoček z plastické hmoty.

Obr. 5.2 Vstupní obvody detektoru PIR Podle směrových charakteristik se rozlišují tři typy těchto čidel: Typ vějíř – nejpoužívanější směrová charakteristika,při vhodném umístění umožňuje sledování většiny prostoru v místnosti. Typ záclona – svislá směrová charakteristika, umožňuje sledovat průchod její rovinou, např. vstupem do střeženého prostoru. Typ dlouhý dosah – úzká směrová charkteristika umožňuje díky větší koncentraci tepelného pole sledování do větší vzdálenosti např. v chodbách. Duálni detektory Pro zvýšení spolehlivosti detekce pohybu se PIR detektory někdy doplňují mikrovlnným detektorem. Mikrovlnné detektory určují energii elektromagnetického záření odraženého od objektu. Do hlídaného prostoru je vysíláno elektromagnetické vlnění, zpravidla v kmitočtovém pásmu X (10.525Ghz) nebo v pásmu K (24.125Ghz). Úroveň vyzářeného výkonu je volena tak, aby odražený výkon zajistil činnost přijímacích obvodů nad úrovní vlastního šumu přijímače zvýšeného o účinky pronikajícího externího rušení. Detektor přijímá vyslaný a odražený signál. Obsahuje obvod měřící rozdíl kmitočtů, vyslaný - přijatý, vzniklý při pohybu objektu na základě Dopplerova jevu.

29

Obr. 5.3. Zapojení vstupních obvodů mikrovlnného detektoru Akustické detektory Akustické senzory jsou založeny na analýze akustického signálu, který vzniká jako důsledek při vniku do střeženého prostoru. V drtivé většině se jedná detekci zvuku tříštění skla při rozbití skleněné zábrany. Volbou vhodného algoritmu zpracování akustického signálu snímaného mikrofonem zcela minimalizuje možnost vzniku falešného poplachu. Algoritmus může být nastaven tak, aby detektor reagoval pouze na zvuk tříštění tabulového, dráťěného případně fóliového skla (rozbití zábrany vstupu do střeženého objektu) a zůstal inertní k jiným zvukům a to i zvuku tříštění jiných typů skel (např. rozbití láhve před střeženým objektem).

Obr. 5.4 . Zapojení vstupních a vyhodnocovacích obvodů akustického detektoru Postup vyhodnocení snímaného akustického signálu z mikrofonu spočívá v jeho rozdělení pásmovou filtrací do oblasti nízkých a vysokých kmitočtů a jeho dalším číslicovém zpracování mikroprocesorem. Je-li mikroprocesorem vyhodnocena situace jako kladná detekce, objeví se tato informace na výstupu obvodu detektoru. Optoelektrické detektory - světelné závory Světelné závory detekují přerušení světelného svazku nebo změny kontrastu či osvětlení vyvolaných přítomností nebo pohybem v objektu. Sestávají z vysílací a přijímací části. Části se instalují naproti sobě tak, aby tvořily pomyslnou závoru v místech, kde je možný vstup do střeženého objektu.Vysílaný světelný paprsek bývá volen mimo oblast viditelného světla, v drtivé většině v infračervené části spektra. Přerušení paprsků jako důsledek nežádoucího

30

vstupu detekuje přijímací část. Postupným přerušením několika paprsků vzniká časový průběh, který může být dále digitalizován a číslicově zpracován v mikropočítači algoritmy. Rozměr a tvar svazku paprsků bývá volen tak, aby detektor eliminoval falešný poplach způsobený například padajícím listem nebo přeletem ptáka. Tyto typy detektorů bývají často používány ve venkovním prostředí, v tomto případě bývají obě části vybaveny vyhřívacím tělesem s termostatem, aby byl zaručen bezporuchový chod i zimním období. V praxi bývají v systémech elektrické zabezpečovací signalizace používány ještě další speciální typy detektorů. Jejich princip detekce a systém detekčního obvodu přesahuje rámec nejčastěji používaných detektorů ke zjištění přítomnosti či pohybu nežádoucích osob ve střeženém prostoru. Kromě uvedených typů detektorů jsou v systémech EZS běžně používány kontaktní (zpravidla magnetické) snímače otevření oken či dveří a řada speciálních typů detektorů, nejčastěji se však setkáváme s typy zde uvedenými. 5.3

Kamerové sledovací systémy. V posledních letech se v systémech zabezpečení objektů a prostor stále víc uplatňují kamerové sledovacé systémy. Vhodným doplňkem systému EZS je uzavřený televizní okruh (Closed Circuit Television). Systém CCTV umožní efektivním způsobem monitorovat střežený prostor a kontrolovat tak i velmi rozsáhlé prostory v reálném čase. Díky moderním technologiím není dnes již zvláštností přenos obrazu datovými linkami nebo pomocí internetu. Systém zpravidla umožňuje obraz ze střeženého prostoru zaznamenat na pásku nebo na digitální datové médium. Tento záznam slouží k následnému vyhodnocení poplachových situací, ke zpětnému dohledávání dříve zaznamenaných informací apod. Systém CCTV lze vhodně provázat se systémem EZS nebo jej provozovat jako samostatnou bezpečnostní aplikaci.

Obr.5.5. Video systém na monitorování a střežení objektů pomocí videokamer s dálkovým přenosem obrazu po telefonních sítích, sítích LAN a po Internetu

31

6.

Systémy elektrické požární signalizace.

Systém elektrické požární signalizace (dále jen EPS) slouží k detekci počátečních fází požáru ve střeženém prostoru. Signál detekce požáru předává na určené místo ve střeženém prostoru, nebo je přes dálkový přenos přenášen na pult centrální ochrany hasičského záchranného sboru. Dále systém EPS ovládá ostatní elektrická zařízení sloužící k protipožárnímu zásahu (zařízení pro odvod kouře a tepla, zvukový systém pro nouzové účely, odblokování dveří určených k požárnímu úniku atd.). Jádrem systému je řídící mikroprocesorové centrum - ústředna EPS, která zpracovává a vyhodnocuje veškeré stavy systému, přijímá informace od detekční části systému (hlásičových linek) a řídí ovládání ostatních zařízení. V ústředně bývá zakomponován několika řádkový LCD displej a numerická klávesnice s několika dalšími klávesami. Přes tyto prvky je systém obsluhován a programován. Případný vznik požáru detekují požární hlásiče.Hlásiče se zapojují do hlásičových linek, nejčastěji kruhových, počet hlásičů na lince je dán typem zařízení EPS. Ovládání ostatních elektrických zařízení je řešeno nejčastěji bezpotenciálovými reléovými kontakty na samostatném modulu v ústředně, nebo na externích reléových skříních, tzv. kopplerech. Systém EZS zpravidla je proveden zpravidla jako samostatný subsystém i ve větších integrovaných systémech řízení budov. Jeho konfigurace a způsob činnosti je však velmi podobný jako u systémů EZS a liší se v zásadě pouze v používaných detektorech. Detektory používané v systémech EZS: a) Detektory překročení teploty ve střeženém prostoru nebo ve stavebních konstrukcích. Používané principy jsou shodné jako u běžných snímačů teplot. Speciální provedení odporových snímačů teploty se používá k zabudování do konstrukcí objektů, omítek a pod. b) Pyrometrické detektory plamene nebo překročení povrchové teploty. Snímají statickou úroveň infračerveného záření (na rozdíl od detektorů PIR, které snímají pouze změny tepelného pole na povrchu senzoru), jde tedy o klasické pyrometry s detekcí překročení nastavené úrovně. V posledních letech se v této funkci stále více uplatňují infračervené videokamery s příslušným vyhodnocovacím zařízením. c) Hlásiče kouře jsou dvojího typu. - Optické hlásiče kouře detekují snížení prostupnosti prostředí pro světelné nebo infračervené paprsky, tedy zakouření prostoru- Ionizační hlásiče jsou nejpoužívanějším typem detektorů v systémech EPS. Pracují na principu wilsonovy mlžné komory. V prostoru snímací komůrky je umístěn radioaktivní zářič a podél drah částic dochází ke kondenzaci odpařených, ale v raném stadiu vzniku požáru ještě neviditelných molekul hořící látky. Proto ionizační hlásič reaguje při vzniku požáru mnohem dříve než hlásič optický. d) Tlačítkové hlásiče požáru – nejedná se o detektory v obvyklém smyslu tohoto pojmu, ale v systémech EZS plní tutéž funkci jako ostatní senzory a jsou zapojeny v příslušných smyčkách jednotlivých střežených prostor. Systémy EPS jsou zpravidla vybaveny výstupy pro vyvolání poplachu obdobnými jako systémy EZS. Obvyklým výstupem je i připojení na pult centrální ochrany nebo častěji přímo na ústřednu hasičského záchranného sboru.

32

7.

Přístupové a identifikační systémy.

7.1. Úvod Systémem řízení přístupu (Accsess Control System – ACS) rozumíme zapojení elektronických komponentů, které na základě prokázání oprávněnosti umožní osobě vstup do objektu, případně do střežené části objektu. Nejběžnějším příkladem bývá využití např. u vstupu do hromadných garáží, vstupu do lékařských prostor v nemocnicích a vyhrazených prostor v úředních a správních budovách. Oprávněnost je možné prokázat elektronickým kódem zakódovaným na čteném médiu, tímto může být karta nebo např. přívěsek na klíče. Po vložení a vyhodnocení kódu systémem je přístup povolen, nebo zamítnut.Vstup je umožněn elektrickým otevřením dveří či garážových vrat, nebo dočasným odblokováním elektrického zámku v zárubni přístupových dveří. Historie žádostí o přístup bývá lokálně nebo centrálně ukládána do paměti, a může být přehledně monitorována a sledována prostřednictví příslušného software na PC. Do společné databáze bývají ukládány kódy a uživatelé, kterým médium s tímto kódem náleží, dále čas a místo žádosti o oprávněný nebo neoprávněný přístup. Velmi často se setkáváme se spojením přístupového systému se systémem sledování docházky. Vyhrazené terminály pro snímání elektronického kódu v přístupovém systému bývají vybaveny i tlačítky s displejem pro zadávání důvodu odchodu či příchodu. Tyto terminály předávají kód dále i s důvodem žádosti o vstup, a systém elektromotoricky otevírá příslušný vchod, případně odblokovává elektrický zámek. Do databáze se u tohoto terminálu zaznamená i důvod příchodu či odchodu. Při zpracování historie na PC jsou využívány programy pro systém sledování docházky, přičemž informace o důvodu odchodu či příchodu bývá zpracovávána k dispozici pouze od některých (vybraných) terminálů. Technické a programové prostředky automatické identifikace osob nebo věcí (např. zboží) je součástí mnoha dalších aplikací, například již dříve probíraných systémů EZS, velmi rozsáhlé je využití v systémech automatické obsluhy a výdeje zboží či služeb (sem patří např. sítě bankomatů, ale také např. systém výdeje a placení stravy v menzách naší VŠ, turniketové systémy u vleků a lanovek v horských střediscích, mobilní i pevné telefonní sítě) a lze říci, že se s nimi setkáváme doslova na každém kroku. 7.2

Prostředky automatické identifikace Základním požadavkem na přístupové a identifikační systémy je kromě spolehlivosti především bezpečnost a ochrana proti zneužití. Požadavek bezpečnosti vede k používání kombinace různých metod identifikace osob, které lze dělit v zásadě do tří kategorií. a) Technické identifikační prostředky – (něco mít). Do této kategorie patří všechny prostředky mající funkci "elektronického klíče", t.j. čárové kódy, magnetické nebo čipové karty, různé přívěsky nebo klíčenky opatřené obvody pro vyslání identifikačního kódu atd. Tyto prostředky jsou v dnešních systémech ACS používány nejvíce. b) Biometrické metody identifikace – (někým být). Do této kategorie počítáme metody a prostředky identifikace lidí na základě jejich osobních charakteristik, jako jsou např. hlas, otisky prstů, vzorek sítnice oka, a podobně, které jsou každému jedinci vlastní a neopakovatelné. Tyto metody jsou předmětem rozsáhlého výzkumu a vývoje a jejich masivní nasazení je spíše otázkou budoucnosti.

33

c) Verifikační metody – (něco vědět). Tyto metody jsou hlavním používaným prostředkem pro ochranu před odcizením a zneužitím technických identifikačních prostředků. Jedná se o kombinaci technického prostředku a zadání přístupového hesla, které by měla znát pouze oprávněná osoba. Asi nejznámější z těchto metod je používání osobního identifikačního čísla (PIN) u peněžních karet. 7.2.1. Čárové kódy. Čárové patří k nejstarším, ale také nejlevnějším technickým identifikačním prostředkům. Dnes jsou nejvíce využívány k identifikaci zboží, ale poměrně často i u identifikačních karet v méně náročných systémech (např. identifikace klientů Moravské zemské knihovny nebo zdravotní pojištění). Za počátek éry čárového kódu lze považovat rok 1932, kdy vznikl projekt malé skupiny studentů Harvardské univerzity pod vedením Wallace Flinta. Projekt předpokládal, že si zákazníci zvolí zboží z katalogu odtržením odpovídajících kupónů z katalogu. Kupóny pak byly dodány skladníkovi, který je vložil do čtečky. Systém pak vyjmul zboží ze skladu a dopravil k přepážce, kde byl vystaven kompletní účet. Každý kód se skládá z tmavých čar a ze světlých mezer, které se čtou pomocí snímačů vyzařujících většinou červené světlo. Toto světlo je pohlcováno tmavými čárami a odráženo světlými mezerami. Snímač zjišťuje rozdíly v reflexi a ty přeměňuje v elektrické signály odpovídající šířce čar a mezer. Tyto signály jsou převedeny v číslice, popř. písmena, jaká obsahuje příslušný čárový kód. To tedy znamená, že každá číslice či písmeno je zaznamenáno v čárovém kódu pomocí předem přesně definovaných šířek čar a mezer. Data obsažená v čárovém kódu mohou zahrnovat takřka cokoliv: číslo výrobce, číslo výrobku, místo uložení ve skladu, číslo série nebo dokonce jméno určité osoby, které je např. povolen vstup do jinak uzavřeného prostoru. Technologie čárových kódů je mnohoúčelová, spolehlivá a má snadné užití. Čárové kódy se mohou užívat v nejrůznějších a extrémních prostředích a terénech. Je možné je tisknout na materiály odolné vysokým teplotám nebo naopak extrémním mrazům, na materiály odolné kyselinám, obroušení, nadměrné vlhkosti. Jejich rozměry mohou být dokonce přizpůsobeny tak, aby mohly být užity i na miniaturní elektronické součástky. Zahraniční materiály uvádějí, že např. využíváním čárových kódů v supermarketech se produktivita odbavování u pokladny zvýší nejméně o 30 %. Kromě toho je možno v jakémkoliv okamžiku a velice detailně zjistit stav zásob jednotlivého zboží na skladě. Studie zpracovaná pro americké Ministerstvo obrany ukázala, že v některých oblastech se při zavedení čárových kódů zvýší efektivita práce až o 400 %. Typy čárových kódů Existuje několik typů čárových kódů, z nichž každý má svou vlastní charakteristiku. Některé mohou kódovat pouze číslice, jiné mohou kódovat i písmena a některé dokonce i speciální znaky jako znak "$" nebo znaménka ">" a "<". EAN8: Jedná se o nejznámější kód užívaný pro zboží prodávané v obchodní síti. Tento kód může užívat každý stát zapojený do mezinárodního sdružení I.A.N.A EAN (International Article Numbering Association EAN). Čárový kód EAN dokáže kódovat číslice 0 až 9, přičemž každá číslice je kódována dvěma čárami a dvěma mezerami. Může obsahovat buďto 8 číslic (EAN-8) nebo třináct číslic (EAN-13). EAN13 První dvě nebo tři číslice vždy určují stát původu (např. ČR má číslo 859), dalších několik číslic (většinou čtyři až šest) určují výrobce a zbývající číslice kromě poslední určují

34

konkrétní zboží. Poslední číslice je kontrolní; ta ověřuje správnost dekódování. Čísla jednotlivým státům přiděluje sdružení I.A.N.A EAN se sídlem v Bruselu. Čísla výrobcům přiděluje v ČR EAN Česká republika Code 128: Tento kód patří rovněž do systému EAN. Umožňuje zakódovat mnoho užitečných informací o daném výrobku, jako jsou např. číslo dodávky, datum výroby, datum balení, minimální trvanlivost, hmotnost, délka, šířka, plocha, objem, komu má být zboží zasláno atd. Každá z informací má svůj vlastní číselný prefix, který jednoznačně určuje o jaký typ údaje se jedná. Tento kód je schopen kódovat celkem 102 znaků. Každý znak je reprezentován třemi čarami a třemi mezerami. Code 39: Velmi rozšířený kód používaný v nejrůznějších aplikacích s výjimkou prodeje v malém. Je přizpůsoben jako norma v automobilovém průmyslu, ve zdravotnické službě, v obraně a v mnoha dalších odvětvích průmyslu a obchodu. Je schopen kódovat číslice 0 až 9, písmena A až Z a dalších sedm speciálních znaků, přičemž každý znak je reprezentován pěti čárami a čtyřmi mezerami. Odhaduje se, že při užití Code 39 může dojít k chybě dekódování až po přečtení cca 30 miliónů znaků. Interleaved 2 of 5 - ITF: Protože tento kód dovoluje vysokou hustotu zápisu (až 8 znaků na 1 cm), je velmi často využíván v nejrůznějších odvětvích průmyslu. Rovněž se používá při označování přepravních jednotek. Dokáže kódovat číslice 0 až 9, přičemž každá číslice je reprezentována buď pěti linkami nebo pěti mezerami. Jednotlivé znaky se kódují v párech, tzn. že první znak daného páru se kóduje linkami a druhý znak mezerami mezi tyto linky umístěnými, takže kód ITF musí vždy obsahovat sudý počet znaků. Codabar: Jedná se o jeden z nejstarších kódů. Tento kód je mezinárodně využíván při označování krevních bank v transfuzních stanicích. Je schopen kódovat číslice 0 až 9 a šest speciálních znaků. Každý znak je reprezentován čtyřmi čárami a třemi mezerami a nabízí výběr čtyř znaků začátku a konce, které se mohou využít pro oddělení typů dat. PDF 417: Nová generace čárového kódu - dvoudimenzionální kód s velmi vysokou informační kapacitou a schopností detekce a oprav chyb (při porušení kódu). PDF 417 je patentem firmy SYMBOL. Označení PDF 417 (Portable Data File) vychází ze struktury kódu: každé kódové slovo se sestává ze 4 čar a 4 mezer o šířce minimálně jednoho a maximálně šesti modulů. Celkem je však modulů ve slově vždy přesně 17. Na rozdíl od tradičních čárových kódů, které obvykle slouží jako klíč k vyhledání údajů v nějaké databázi externího systému, si PDF 417 nese všechny údaje s sebou a stává se tak nezávislý na vnějším systému. Do PDF 417 lze zakódovat nejenom běžný text, ale i grafiku nebo speciální programovací instrukce. Velikost datového souboru může přitom být až 1,1 kB. Příkladem použití mohou být nejrůznější identifikační karty, řidičské průkazy (v některých státech USA), PDF 417 lze využít i pro zakódování diagnózy pacientů atd. Zápis a čtení . Zápis čárového kódu probíhá na tiskárně jako jedna z funkcí systému. K tomuto kódu jsou poté v obslužném programu na PC přiřazeny identifikační údaje uživatele a přiřazena

35

příslušná práva a nastavení. V systémech identifikace zboží se takto opatřuje kódem zboží přímo ve výrobě, ale je možné i použití dodatečně vytištěných štítků. Čtečka tohoto kódu je rovněž ekonomicky nenáročná. Jedná se o optoelektronický snímač, který převede optickou informaci na elektrickou. Čtečka vysílá světelný paprsek (nejčastěji infračervený), a optoelektronickým prvkem sleduje, zdali je odražen na bílém pozadí nebo pohlcen černým proužkem. První a poslední proužky bývají určeny pro synchronizaci hodinového kmitočtu čtení (tento hodinový kmitočet je závislý od rychlosti posunu média před čtečkou). Tímto je zajištěno správné dekódování digitální informace. U většiny dnes používaných snímačů se místo pohybu proužku s čárovým kódem používá rozmítání světelného paprsku. 7.2.2 Magnetické karty. Základem magnetické karty je klasický magnetický pásek. Po zmagnetování se na jeho povrchu vytvoří oblasti opačného směru magnetizace, tzv. reverzace, průchodem v blízkosti štěrbiny v hlavě záznamového zařízení. Stejným způsobem, t.j. pohybem v blízkosti štěrbiny čtecí hlavy, se informace také čte. Životnost samotné karty je velmi vysoká, a spolehlivost na ní uložených dat také. Na kartu je možno ukládat záznam a později jej přepsat. To může být v určitých aplikacích výhodné, na druhé straně že při vystavení karty magnetickému poli se mohou data poškodit.Ve standardu ISO pro magnetické karty jsou definovány 3 stopy záznamu, které mohou být v jednom magnetickém proužku . Systémy s magneticky uloženým kódem na proužku karet si získaly velkou oblibu především svou ekonomickou nenáročností. Z tohoto důvodu jsou poměrně hodně rozšířeny. jak v přístupových systémech tak i v systémech sledování docházky. Běžné je použití v sítích bankomatů. přístupových systémech i v systémech sledování docházky. 7.2.3 Čipové karty Čipové karty prošly dlouhodobou praxí a existuje mnoho různých druhů. V zásadě se dělí na paměťové a mikroprocesorové, dále pak na kontaktní a bezkontaktní. Bezkontaktní neboli radiofrekvenční karty komunikují prostřednictvím elektromagnetických vln a není potřeba je zasouvat do čtečky. Paměťové karty jsou základní, levné a snadno dostupné, mohou nabízet bezpečnostní funkce související s ochranou přístupu k uloženým informacím. Tyto karty jsou vhodné hlavně jako bezpečné médium, nenabízejí kryptografické funkce a jejich bezpečnostní nevýhodou je například to, že je lze zkopírovat. Vstupní jednotka vysílá pulsy do vzdálenosti cca 30 cm a pokud se v této oblasti nachází bezkontaktní čipová karta, příjme vlastní anténou energii z vysílaných pulsů a tu využije k nabití svého kapacitoru. Ten poskytuje dostatečnou energii k aktivaci a následné odpovědi zpět snímači.

Obr. 7.1. Princip funkce bezkontaktní čipové karty 36

Mikroprocesorové karty jsou aktivní karty s procesorem a s operačním systémem nabízející potřebné kryptografické, souborové a další funkce. Dobré karty obsahují například hardwarový kryptografický koprocesor urychlující náročné matematické operace, kvalitní hardwarové generátory náhodných čísel a nejrůznější bezpečnostní obvody.

Obr. 7.2. Struktura procesorové karty dle ISO 7816 7.2.4 Čipové přívěsky. Jedná se v podstatě o miniaturní obvody s pamětí (nejčastěji EEPROM), do které je (v drtivé většině již při výrobě) zadán unikátní elektronický kód v digitální podobě. Tento kód (uložený již při výrobě) je čtečkou načten do přístupového, docházkového nebo objednávkového systému při jeho nastavování a na příslušném konfiguračním programu k němu přiřazeny údaje o jeho držiteli a příslušných právech. Výrobce těchto čipů (ukládá-li kód přímo při výrobě čipu) zaručuje, že jeho výrobní linky neopustí dva se stejným kódem. To znamená, že veškeré čipy budou nositeli zcela unikátního kódu. Jednovodičová sběrnice DALLAS Jednovodičová sběrnice DALLAS je používána řadou obvodů, které realizují elektronickou identifikaci, adresovatelné spínače, dotykové paměti, multipřístupové klíče atd. Ve skutečnosti nejde jen o jeden vodič, ale o dva. Jeden společný vede zem a druhý slouží pro napájení připojených obvodů přenosu dat až o délky 300m.

Obr 7.3. Realizace jednovodičové sběrnice DALLAS Komunikace po sběrnici DALLAS probíhá v režimu master/slave. Základními komunikačními sekvencemi je sekvence RESET/PRESENCE, ZÁPIS BITU jedničky a nuly a ČTENÍ BITU.

37

Obr: 7.4. Časové průběhy RESET/PRESENCE Jednotka DALLAS master (dále jen DM) vyšle na sběrnici v úrovni L RESET puls dlouhý 480 µ s. Pokud je ke sběrnici připojen alespoň jeden obvod DALLAS slave (dále již jen DS), vyšle do 60 µ s svůj PRESENCE puls. Test presence pulsu je dobré prováděl 60 µ s po ukončení RESET pulsu. Jakákoliv další komunikace může být až po 480 µ s od RESET pulsu.

Obr. 7.5. Časové průběhy zápisu „nuly" a „jedničky" do DS Při zápisu nuly do DS vyšle DM 60 µ s dlouhou úroveň L. Jakákoliv další komunikace může pokračovat nejméně po 1 µ s. Zápis jedničky se doporučuje zahájit 5 µ s dlouhou úrovní L a po ní pokračovat v jakékoliv komunikaci nejméně po 56 µ s

Obr. 7.6. Časové průběhy čtení bitu z DS

38

Čtení bitu z DS je odstartováno 5 µ s dlouhou úrovní L, přičemž vzorkování dat na sběrnici se provádí 10 µ s po ukončení této nízké úrovně. Má-li být přečtena nula, DS podrží data v úrovni L ještě alespoň 55 µ s. V časových diagramech bylo použito následující značení, aby bylo vidět která část zajišťuje danou úroveň. upínací odpor DALLAS master DALLAS slave 7.3. Příklad realizace systému ACS. Na obr. 7.7. je jako příklad uvedena konfigurace sběrnicového systému ACS-line (http://www.acsline.cz) pro evidenci docházky zaměstnanců a ovládání přístupových míst (dveře, závory atd.) do celého objektu nebo jeho částí. Napojením do počítače a příslušným softwarem jsou načtená data zpracována pro další použití. Modulární koncepce systému zajišťuje otevřenost pro dodatečné rozšiřování (přidávání dalších modulů). Dále nabízí možnost sestavení aplikace přesně na míru s použitím pouze skutečně potřebných komponent. Všechny moduly jsou plně programovatelné z PC přímo v instalaci, je tedy možné kdykoliv změnit parametry celého systému bez nutnosti jakéhokoliv zásahu do nainstalovaných součástí.

Obr. 7.7. Příklad konfigurace systému ACS - line Každá procházející osoba musí přiložit svůj ID klíč na snímač přístupového terminálu, který tento průchod uloží v paměti spolu s datem a časem události a dle nastavení a přístupových práv provede další činnosti například otevření dveří. Typ průchodu se jednoduše volí na terminálu pomocí klávesnice a displeje. Jednodušší moduly kontrolují pouze příchod a povolují přístup dle nastavených přístupových práv. Zpracování dat Programové vybavení v počítači automaticky zajišťuje komunikaci s veškerým hardwarem. Informace ze systému mohou být načítány v intervalech (v případě potřeby kdykoliv mimo interval) nebo v On-line konfiguraci se všechny události přenášejí do počítače téměř okamžitě a jsou ihned k disposici. Servisní programy umožňují programování a konfiguraci celého systému popřípadě jeho monitorování. a) Sběr dat o docházce

39

Komunikace s terminály probíhá přes sériový port počítače. Pokud nepotřebujete mít okamžitou informaci o pohybu zaměstnanců probíhá režim ručního výběru dat z terminálů. Terminály v tomto režimu pracují samostatně, bez vazby na výpočetní techniku. Po připojení terminálu k počítači se provede výběr dat a jejich následné zpracování. Pokud potřebujete dostat okamžitou informaci o pohybu zaměstnanců na pracovišti (monitorování) lze nastavit automatický režim přenosu dat v reálném čase - stahování dat z terminálů probíhá ve zvoleném intervalu, nebo každý den ve stanovený čas. b) Zpracování dat Načtená data z terminálů jsou uložena do databáze původní docházky tak jak byly pořízeny přes jednotlivé terminály. Program kontroluje správnost a logickou návaznost načtených dat a upozorní na chyby nebo chybějící záznamy. Např.: zaměstnanec si zaznamenal dvakrát příchod a žádný odchod. Některé vadné záznamy jsou vyloučeny automaticky na ostatní je pouze upozorněno a program dává možnost k jejich ručnímu opravení. c) Kontrola a editace údajů Zpracovaná data z terminálů Vám program přehledně zobrazí s možností manuální úpravy. Do již zobrazených dat můžete vkládat operace. V případě chyby můžete záznamy upravovat nebo rušit. Veškeré provedené změny jsou označeny tak, aby ruční úprava dat byla jasně odlišena. Právo měnit jakékoliv záznamy může být přiděleno pouze některým osobám a je chráněno heslem. d) Výstup dat Program poskytuje komplexní údaje o docházce pro zpracování mezd. Přehledně Vám ukáže využívaní pracovní doby, plnění nebo neplnění pracovního úvazku, pozdní příchody, absence. Všechny sestavy lze pořizovat za libovolné časové období (měsíční, týdenní...). Výsledky zpracované docházky je možno tisknout nebo exportovat pro zpracování ve mzdových systémech. Identifikační médium je čip, karta nebo přívěšek, který musí mít každý uživatel systému. Každé médium obsahuje kódovanou informaci která při načtení do systému určí identitu svého majitele. Systém ACS-line byl původně navržen pro kontaktní čipy DALLAS, v rámci komplexnosti nabídky umožňuje také bezkontaktní snímání. Použité ID čipy jsou produktem firmy Dallas semiconductor. Nejčastější podobou bezkontaktních transpondérů jsou karty (velikost kreditní plastové karty) s možností umístění firemního potisku, ale mohou to být také nejrůznější přívěsky ke klíčům. Aplikace systému: a) Evidence docházky je základní aplikací systému ACS-line. Jako sběrné terminály pro evidenci průchodů jsou použity moduly SET, MT a RT, zapojené na sběrnici. Připojení k počítači je realizováno přes převodník DL232 nebo přímo na RS232. Pro každé evidenční místo (místo kudy přicházejí nebo odcházejí zaměstnanci) musí být použit samostatný terminál. Informace o uživatelích systému se definují v databázi programu v počítači a odešlou do všech terminálů. Každý terminál pak samostatně ukládá do vnitřní paměti události o průchodech na základě volby uživatele a přečteného identifikačního kódu.

40

Obr. 7.8. Subsystém evidence docházky b) Kontrola přístupu. Používá se v prostorách nebo objektech kde je třeba zamezit vstupu neoprávněných osob, případně omezit vstupu pouze do určitých častí objektu nebo dle časového harmonogramu. Pro realizaci takového systému musí být příslušná přístupová místa vybavena elektromechanickým zařízením pro jejich blokování (elektromagnetické zámky, závory, turnikety apod.). Vlastní ovládání těchto prvků se děje pomocí reléových výstupů, kterými je vybavena většina modulů systému ACS-line. Zapojení a funkce přístupového systému je shodná se systémem pro evidenci docházky, s tím že každému uživateli musí být přidělena přístupová práva pro jednotlivé vstupy. Pro přístupová místa která slouží pouze pro vstup se místo docházkových terminálů používají jednodušší moduly LOG, které otevírají dveře na základě přečtení ID klíče a oprávnění.

Obr. 7.9. Subsystém kontroly přístupu c) Obchůzkový systém. Slouží pro kontrolu nočních hlídačů a strážných v rozlehlých objektech. Na vybraných místech určené obchůzkové trasy jsou pomocí speciálních příchytek umístěny identifikační čipy, které jsou hlídající osobou načítány do přenosného snímače při každém obchůzce. Ve snímači se uloží datum a čas kontroly a po přenosu do počítače jsou tato data k disposici nadřízené osobě, která tak kontroluje zda příslušný hlídač plní své povinnosti tj. pravidelně prochází stanovenou trasu. d) Objednávka a výdej stravy. Systém ACS-line nabízí řešení objednávky stravy s použitím stejných ID klíčů jaké se používají pro evidenci docházky a vstupy. Zaměstnanec tak používá stále jeden klíč pro několik činností. Jako objednávací terminál je použit modul RT310 na kterém strávníci mohou objednávat vybraná jídla až 14 dnů dopředu. Volba jídla probíhá přes klávesnici a potvrdí se klíčem. Menu na jednotlivé dny se stejně jako načtené objednávky zpracovává v počítači. Po uzávěrce objednávek se informace přenesou na výdejní terminál (modul RT310 s velkým displayem pro kuchaře). Při odběru jídla strávník pouze přiloží svůj klíč a na displeji je zobrazeno jídlo, které si objednal a které mu bude vydáno.

41

Obr. 7.10. Subsystém objednávek a výdeje stravy d) Evidence výroby. Jednou z mnoha možností použití systému ACS-line je také systém evidence a sledování sériové výroby. Systém dokáže evidovat nejen počty kusů hotových výrobků, ale také dílčí operace a technologické postupy. Sledovat lze hodinové i úkolové operace. Výsledkem zpracování jsou výkazy práce jednotlivých zaměstnanců s návazností na mzdu, a podrobné rozpisy nákladů na hotové výrobky.

42

8. Technologie EIB - European Installation Bus EIB je standard datové sběrnice systémů řízení budov. Sběrnice EIB vytváří jednotnou platformu pro ovládání systémů a zařízení zajišťujících provoz budov (osvětlení, zastiňovací technika, vytápění, klimatizace, zabezpečovací a přístupové systémy, audio/video systémy...). Systém založený na sběrnici EIB je programovatelný a rozšiřitelný. Jedná se o decentralizovaný distribuovaný automatizační systém (jednotliví účastníci mají vlastní mikroprocesor a komunikují spolu bez použití centrální jednotky - peer to peer). Páteří zařízení je dvouvodičová datová sběrnice, po níž se přenášejí jednotlivé telegramy.

Obr. 8.1. Distribuovaná architektura systému EIB Standard EIB je vytvářen nezávislou organizací EIBA se sídlem v Bruselu (1990). Jednotlivé komponenty systému EIB vyrábí desítky výrobců z celé Evropy. Výhodou standartizovaného systému je možnost kombinování komponent různých výrobců (Berker, Gira, Jung, Insta, Merten Siemens). Někteří tradiční výrobci elektroinstalačního materiálu vyrábějí široký sortiment tlačítek, spínacích prvků a systémových prvků. Menší firmy naopak dodávají speciální prvky jako LCD ovládací panely, řídící moduly, moduly pro integraci do jiných systémů a podobně. K těmto výrobcům se postupně přidávají výrobci ostatních zařízení pro budovy, kteří doplňují sortiment o zařízení přímo připojitelná na sběrnici EIB, například žaluzie, pohony ventilů topení atd. Srovnání běžné elektroinstalace a techniky EIB. Princip činnosti systému EIB je od běžné elektroinstalace poněkud odlišný (obr. 8.2 a 8.3.). Zatímco u klasického řešení slouží k přenosu informace (zapnuto/vypnuto) silové vedení, u techniky EIB je informační složka od silového napájení oddělena a je přenášena po samostatném dvojvodičovém vedení (datové sběrnici) v podobě určitého kódu. Zadávání informací do systému zprostředkovávají tlačítka či automatické snímače fyzikálních veličin (v řeči techniky EIB jsou to senzory), spínání popř. spojitou regulaci na výstupu zajišťují akční členy (nazývají aktory).

43

U technologie EIB je použit jeden ovládací pár vodičů (tzv. datová sběrnice) i pro velký systém o několika tisících účastníků, tj. senzorů a aktorů. Po jednom ovládacím vedení se tedy přenášejí všechny ovládací signály v určité kódované formě - tzv. telegramy. Aby na sběrnici nevznikala „informační zácpa", musí být tyto telegramy co nejkratší a musí být přenášeny dostatečně rychle. Aby na sběrnici nevznikal informační chaos, musí být přesně stanoveno, který telegram komu patří. Proto je zavedena tzv. adresace, která jednoznačně určuje jednotlivé účastníky sběrnice (senzory i aktory).

Obr. 8.2. Spínání žárovky řešené běžnou elektroinstalací a technikou EIB

Obr. 8.3. Příklad osazení linie ovládání osvětlení a žaluzií

Výměna informací se uskutečňuje po dvojvodičové datové sběrnici, která prochází celou budovou. V rozváděči je kabel nahrazen tzv. datovou lištou - plošným spojem vlepeným do upevňovací lišty DIN pro elektrické přístroje. Všichni účastníci sběrnice jsou připojeni na tutéž sběrnicí a vyměňují si navzájem informace prostřednictvím datových telegramů, s nimiž je možné dosáhnout i určitých podmíněných vazeb (např. při otevřeném okně je telegram zapínající topení neúčinný). Systém EIB nemá žádný centrální řídicí počítača a každý jednotlivý senzor nebo aktor je řízen autonomně pomocí vlastního mikroprocesoru. Kromě procesoru obsahují účastnický vazební člen (přípojku) a koncový uživatelský modul (tlačítko, výkonový člen aktoru atd.). Účastnický vazební člen zabezpečuje komunikaci po datové sběrnici. Pro napájení elektronických obvodů v účastnickém vazebním členu je nutné ke sběrnici připojit zdroj stejnosměrného napětí 24V. Jeden pár vodičů sběrnicového kabelu potom plní dva základní úkoly: a) přenáší datové telegramy b) napájí jednotlivé účastníky stejnosměrným napětím. Topologie systému EIB Z hlediska struktury jsou účastníci rozděleni do linií a oddílů. Na jedné linii může být maximálně 64 účastníků. Každá linie má vlastní napájecí zdroj. Liniový vazební člen (LK) zabezpečuje galvanické oddělení linií od ostatních při zachování možnosti vzájemné výměny informací. Liniové vazební členy jsou propojeny hlavní linií. I na ní může být připojeno 64 přístrojů (včetně liniových vazebních členů). Dvanáct linií s linií hlavní tvoří oddíl. Až 15 oddílů může být pomocí oddílových vazebních členů (BK) navzájem spojeno (obr. 8.4.). Linie nad oddílovými vazebními členy se nazývá oddílová nebo výstižněji páteřní (backbone). Rovněž na ni lze umístit maximálně 64 přístrojů, počítaje v to i oddílové vazební členy. Páteřní sběrnice může být pomocí přizpůsobovacího členu (gateway) napojena na jiné systémy a samozřejmě si s nimi může i vyměňovat informace. Na jedné linii může být

44

maximálně 64 účastníků, v jednom oddílu maximálně 12 linií plus hlavní linie a nejvyšší počet oddílů je 15, nejvyšší celkový počet účastníků 12 544.

Obr. 8.4.. Logická struktura EIB Přenosová media. EIB protokol pro fyzickou vrstvu definuje několik typů médií a podpora dalších je umožněna pomocí tzv. bran (gateways). Specifikace fyzické a linkové vrstvy je optimalizována pro každé médium. Definovaná média: • EIB.TP - kroucená dvojlinka (twistpair). Délka kabelu pro jeden segment je až 1000

m. Maximální vzdálenost mezi zařízeními je 700 m a 350 m mezi zařízením a napájecí jednotkou. Na každém segmentu může být umístěno 64 zařízení (celkově 64 000). Segment je možné rozšířit pomocí 4 opakovačů : 4*64=256 zařízení. Pro kroucenou dvojlinku je definován algoritmus přístupu CSMA/CA s protikolizním systémem na bitové úrovni s dominantní 0, zajišťující vždy pro jednoho vysílajícího úspěšné vyslání. Rychlost vysílání je 9600b/s. • EIB.PL - silové vedení (powerline). Maximální vzdálenost mezi dvěma zařízeními je

600 m. Je použita modulace klíčovaného posunu v rozprostřeném spektru. Přístup k médiu je řízen úvodní sekvencí s náhodným rozdělením slotů. Adresní rozdělení zajišťují BAU (Bus Access Unit) vybavené odpovídajícím numericky přizpůsobeným filtrem.

45

• EIB.RF - Rádiové signály ; Jednotlivé linie jsou fyzikálně odděleny různými nosnými

frekvencemi. V otevřeném prostoru je dosah vysílání až 300 m. • EIB.IR - Infračervené signály ; Ve vývoji. • EIB.net - Automatizační síť ; Tato specifikace realizuje EIB na všech médiích s

linkovou vrstvou odpovídající normě ISO/IEC 802-2, tedy i na Ethernetu a Arcnetu. Komunikační protokol. Komunikační protokol EIB je strukturován v souladu se sedmivrstvým ISO/OSI komunikačním modelem. Fyzická a linková vrstva, jak již bylo uvedeno výše, je závislá na typu použitého média. Pro řízení přístupu k médiu je předepsán mechanismus Carrier Sense Multiple Access (CSMA) s optimalizovaným antikolizním přístupem (Collision Avoidance). Příznak cílové adresy (DAF) rozlišuje mezi telegramy orientovanými skupinově a na zařízení.Síťová vrstva řídí přenosy pomocí NPCI řídicí informace(Network Protocol Control Information).Transportní vrstva se stará o logické komunikační vazby, které mohou mít několik forem: • Jeden pro několik (one-to-many), bez spojení (vysílání pro skupinu) • Jeden všem (one-to-all), bez spojení (vysílání) • Jeden jednomu (one-to-one), bez spojení • Jeden jednomu (one-to-one), se spojením

Všechny služby jsou transparentně vedeny napříč relační a prezentační vrstvu, ty jsou rezervovány. Aplikační vrstva obsahuje aplikační rozhraní pro klient/server správu EIB sítě. Informace vyměňované mezi dvěma zařízeními jsou formovány do paketů (obr. 8.7.). Každý vyslaný paket je pak následován potvrzením, tvořeným znakem a EOF.

Obr 8.5 Struktura rámu PDU jednotky (Dlouhé rámy umožňují N<255) EIB systém umožňuje přiřadit vysílaným datovým paketům prioritu, což může být výhodné kupříkladu při zasílání urgentních nebo chybových hlášení. Alarmní zpráva má prioritu vyšší než jakákoli jiná zpráva vyslaná v normálním operačním módu. Adresování Jsou rozlišovány dva módy adresování: a) fyzická adresace (systémové operace) b) skupinové adresování (normální operace). Každé zařízení na síti EIB je identifikováno jedinečnou fyzickou adresou. Fyzická adresa je složena ze tří částí: čísla zóny, linie a vlastního zařízení. Adresa zdroje je vždy uváděna ve tvaru fyzického adresování. Pro cílové zařízení je fyzická adresa používána pouze pro inicializaci programování a diagnostiku (přenosy se spojením). To odpovídá systémovému přístupovému modu.

46

Přiklad: Fyzická adresa 1.4.56 udává, že účastník se nachází v 1 oddílu (z 15 možných), na 4 linii (ze 13 možných) a že jde o 56. přístroj (ze 64 možných). Nejnižší fyzická adresa je 0.0.1 a nejvyšší 15.13.64 Skupinové adresování je používáno při normálním operačním módu. Funkce EIB zařízení patřících do stejné skupiny může být při tomto adresování ovlivněna jedinou zprávou zaslanou zdrojovým zařízením. Jednotlivé funkce zařízení mohou pracovat pod různými skupinami nezávisle. Skupinové adresování tedy umožňuje logické spojení mezi zařízeními na síti EIB a tedy flexibilitu ve smyslu možnosti přidání nového zařízení, pouze jeho připojením na skupinovou adresu. Příklad: Rozdělení hlavních skupin: hlavní skupina l: Centrální funkce hlavní skupina 2: Osvětlení hlavní skupina 3: Žaluzie hlavní skupina 4: Vytápění Hlavní skupina 2 - Osvětlení může obsahovat tyto podskupiny: podskupina 0: západní trakt, kancelář l, světlo l, ZAP/VYP - celá skup. adresa 2/0 podskupina 1: západní trakt, kancelář l, světlo l, stmívat - celá skup. adresa 2/1 podskupina 2: západní trakt, kancelář l, světlo 2, ZAP/VYP - celá skup. adresa 2/2 podskupina 3: západní trakt, kancelář l, světlo 2, stmívat - celá skup. adresa 2/3 atd. Přenos signálu. Výměnu informací mezi jednotlivými účastníky zprostředkovávají datové telegramy. Ty obsahují tyto zakódované údaje: -

vlastní výkonný povel (ZAP/VYP, stmívat, nastavit hodnotu atd.) prioritu telegramu (běžná, alarm) fyzickou adresu odesílatele příslušnou skupinovou adresu routingové číslo (pro telegramy přesahující rámec jedné linie nebo oddílu) kontrolní pole. Telegramy jsou sestaveny podle přesně stanoveného kódu na bázi digitálních znaků. Přenosová rychlost je 9 600 bit/s. Pro přenos jednoho bitu (znaku se stavem l nebo 0) je tedy zapotřebí 1/9 600 = 104µs. Průměrný přenosový čas projeden telegram včetně potvrzení je asi 25µs. Za dobu l s lze tedy přenést 40 standardních telegramů. Po jednom páru vodičů jsou současně přenášeny datový signál a stejnosměrné napájecí napětí 24 V. Informace je na napájecí napětí namodulována, přičemž impuls je interpretován jako logická O, mezera jako logická l (obr 8.6. )

Obr. 8.6. Průběh sběrnicového signálu pro jeden bit.

47

Aby bylo zabráněno kolizím telegramů, nesmí být doba přenosu jednoho znaku delší než 100 µs . Právě tuto hodnotu lze zaručit tím, že vzdálenost mezi účastníky nepřesáhne 700 m. Poslední omezení - maximální vzdálenost účastníka od napájecího zdroje 350 m - má příčinu v minimálním dovoleném napájecím napětí 21 V. Právě při délce vedení 350 m je na činné složce impedance vedení úbytek napětí o asi 3 V. Kompletní informace je na sběrnici vysílána vždy po bajtech v podobě datového telegramu. Každý telegram je po určité přestávce potvrzen potvrzovacím polem (obr. 8.7.)

Obr. 8.7. Skladba telegramu Výstavba telegramu V systémech EIB jsou telegramy generovány na základě podnětů; ty jsou vyvolány převážně změnou fyzikální veličiny. Telegram o délce 20 až 40 ms se skládá ze sedmi datových bloků a potvrzovacího pole (obr. 8.8.).

Obr. 8.8. Výstavba datového telegramu Jednotlivé bloky mají tento význam: - blok l - kontrolní pole - 8 bitů (l B) udává prioritu telegramu - blok 2 - fyzická adresa odesílatele - 16 bitů - blok 3 - skupinová adresa příjemce - 17 bitů - blok 4 - routingové číslo - 3 bity - blok 5 - údaj o délce telegramu - 4 bity - blok 6 - užitečná informace - max. 16 bajtu - blok 7 - zkušební pole - 8 bitů - blok 8 - potvrzovací pole - 8 bitů

48

EIB komponenty Zařízení na EIB síti jsou rozdělena do tří oblastí: • Základní komponenty, např. napájecí zdroje a signálové filtry • Systémové komponenty, podporující základní systémové operace jako je systémová

spojovací jednotka (BCU) , liniové spojky a opakovače. • EIB zařízení určená pro aplikace jako jsou senzory a akční členy, infračervené

dekodéry, panely s displeji, atd. Tato zařízení jsou ke sběrnici připojena vazebními jednotkami nebo podobnými rozhraními.

Obr. 8.9. Schéma BCU jednotky BCU jednotku je možno použít samostatně jako standardní produkt nebo její funkce integrovat do specielního zařízení. BCU jednotka, viz. obr. 8.9., je složena z vysílače a komunikačního řadiče (mikroprocesoru). Modul vysílače zajišťuje komunikaci na síti EIB. Mikroprocesorová část zajišťuje mimo distribuovaného operačního systému EIB i lokální klientské aplikace. Pomocí rozhraní PEI (Physical External Interface) a standardizovaného API (External Message Interface) je možné na EIB sběrnici připojit externí hardware jako jsou binární vstupy a výstupy…celkem je definováno 20 různých typů.

49

8.2. Technologie LONWORKS. Technologie Lonworks je kompletní platforma pro implementaci distribuovaných řídících systémů. Tyto systémy se skládají z autonomních zařízení (nodů), které jsou ovlivňovány okolním prostředím a které mezi sebou navzájem komunikují přes rozličná komunikační media pomocí obecného komunikačního protokolu, tzv. protokolu LonTalk. Technologii LonWorks vyvinuly laboratoře firmy Echelon, která je v této oblasti stále vedoucí silou - zajišťuje technickou podporu, vyvíjí a ověřuje nové typy fyzických médií a stará se o propagaci standardu a jeho podporu velkými výrobci. Technologie LonWorks je použitelná pro průmyslovou automatizaci v aplikacích se dvěma až 32 000 propojenými zařízeními (uzly) tam, kde postačuje doba odezvy sítě řádově jednotky až stovky milisekund. Primárně nachází uplatnění v oblasti automatizace budov, dále se používá v domácích a kancelářských strojích, průmyslu a metropolitních sítích. V oblasti automatizace budov pokrývá v současné době na 30 % trhu. Zde se jedná především o sledování a řízení spotřeby energií, zabezpečovací zařízení, požární ochranu, řízení klimatizace, domácích spotřebičů, výtahů apod. Základní komponenty sítě Lonworks: • Node - je to autonomní zařízení na síti, senzor, akční člen nebo kontroler. Všechny nody tvoří společně síť. Nody jsou propojeny příslušným komunikačním mediem, jako např. kroucenou dvojlinkou, IF linkou, silovým vedením apod. Po tomto vedení spolu komunikují protokolem LonTalk. Node typicky obsahuje Neuron Chip, tranceiver a I/O obvody. • Neuron Chip - je srdcem běžných Lonworks nodů. Je to VLSI (Very Large Scale Integration) obvod, který má implementován LonTalk protokol jako část firmware. Muže vykonávat uživatelský program a obsluhovat I/O zařízení. • Transceiver - je to obvod (zařízení), které realizuje elektrické a mechanické spojení Neuron Chipu s fyzickým komunikačním médiem. • Host Processor - používá se pro komfortní vykonávání uživatelského program. Neuron Chip potom slouží jen jako komunikační koprocesor realizující síťové připojení. • Síťové interface - takto se označují zařízení umožňující připojit PC do sítě Lonworks. Jsou to obvykle ISA nebo PCI zásuvné karty do PC. • Vývojové prostředky - jsou to nástroje umožňující vývoj nodů, vytváření a údržbu sítě Lonworks.

Obr. 9.1. Hlavní části Lonworks nodu. Koncepce síťových proměnných Síťové proměnné jsou objekty, které aplikační nody používají ke vzájemné komunikaci. Jsou speciální třídou statických objektů v programovacím jazyku Neuron C. Síťové proměnné jsou deklarovány v aplikačních nodech. Když například node, který je teplotním senzorem, přiřadí hodnotu změřené teploty výstupní síťové proměnné typu nvoTemp, ta je automaticky šířena po síti všem nodům, které mají příslušnou vstupní síťovou proměnnou (pokud bylo vytvořeno logické spojení k této výstupní síťové proměnné). 50

Protokol LonTalk Protokol LonTalk má některé specifické vlastnosti, kterými se odlišuje od protokolů ostatních průmyslových sítí.Jsou definovány všechny vrstvy podle standardu ISO/OSI. Síť LonWorks nevyžaduje ke své činnosti řídicí zařízení. Jednotlivá zařízení komunikují navzájem mezi sebou, jedná se tedy o síť typu peer-to-peer. Fyzická vrstva Fyzická vrstva není v normě přímo specifikována. Firma Echelon ovšem vydala doporučení a sama vyrábí transceivery pro nejdůležitější média. Většinou se používá kroucený pár (twisted pair) vodičů nebo optický kabel ve sběrnicové struktuře. Další možností je využít napájecích vedení (link powered) např. stejnosměrného napětí 12 až 48 V, silové vedení (power link) s napětím až 10 kV, nebo RF kanál (radio frequency) Typem média je většinou určena maximální přenosová rychlost sítě, popř. i topologie. Přístup Neuron Chipu na médiu je řízen vrstvami 1 a 2 protokolu a zajišťuje jej procesor č. 1, který je proto označovaný jako MAC (Media Access Control) procesor. Následující obrázek (Obr 9.2.) znázorňuje připojení tranceiveru k Neuron Chipu.

Obr.9.2. Připojení tranceiveru k Neuron Chipu U LonTalk systémů je použito několik metod kódování dat. Jsou závislé na použitém komunikačním médiu. U kroucené dvojlinky v sigle-ended modu se používá kódování typu diferenciální Manchester. Po dekódování jsou přijatá data v NRZ (non-return to zero) formátu. V tomto formátu rovněž probíhá přenos dat mezi Neuron Chipy v tzv. specialpurpose módu. Přenosové rychlosti závisí na typu použitého transceiveru a média. Linková vrstva Je tvořena podvrstvami MAC (Media Access Control) a LLC (Link Layer Control). Funkcemi LLC jsou vytváření rámců, jejich kódování a detekce chyb. Na obr. 9.4 je formát paketu, který se přenáší médiem. Paket je základní jednotka výměny dat v síti Lonworks.

Obr. 9,3. Formát rámce protokolu Lontalk

51

Obr. 9 4. Formát paketu protokolu Lontalk Paket je zahájen preambulí, která slouží nodům k synchronizaci časování jejich přijímačů. Následuje vlastní rámec - přenášená data a CRC kód. Paket je ukončen částí linecode violation, kdy je výstup určitou dobu držen na jedné logické úrovni, aby byl přijímač schopen rozpoznat chybový kód, který signalizuje konec přenosu. Po přenosu paketu následuje zbytkový čas, rozdělený na části 1 a 2 a skládající se z časových slotů. Během 1 nody, které chtějí vysílat, poslouchají linku. Pokud nedetekují žádnou hranu, považují kanál za volný. Nody generují náhodný čas T, určující počet slotů v 2. Jakmile čas vyprší a kanál je stále volný, začne node vysílat. 2 obsahuje prioritní sloty a náhodné sloty. Čím je vyšší priorita, tím je použitý počet prioritních slotů menší. Použitý MAC algoritmus patří do skupiny CSMA. Je to prediktivní p-naléhající CSMA. P-naléhající znamená, že čas před zahájením vysílání je volen náhodně a prediktivní znamená, že algoritmus bere v úvahu provoz na síti. Síťová vrstva Tato vrstva má základní dva úkoly: adresování zpráv a routing (propojování rozdílných kanálů). Adresování Lonwork adresa je identifikátor, který jedinečně identifikuje nody nebo skupiny nodů v síti. Je hierarchicky strukturována. Obsahuje doménu, podsíť a adresu nodu. Doména - logická skupina nodů. Doména může existovat na jednom nebo více kanálech. Komunikace může probíhat pouze mezi nody konfigurovanými ve stejné doméně. Doména proto vytváří určitou virtuální síť. Více domén může rovněž sdílet jeden kanál. Podsíť (subnet) - je to logická skupina nodů, maximálně však 127. V jedné doméně může být až 255 podsítí. Podsíť nemůže překročit inteligentní router. Identifikátor node - je to jedinečné číslo nodu v podsíti. Pokud node patří do více podsítí, má přiřazeno jedno číslo nodu pro každou síť, ve které je. Skupinové adresování - umožňuje komunikaci jeden-s-několika v rámci domény.

52

NeuronID - je to jedinečný, 48 bitový identifikátor. Je přirazen nodu během výroby. NeuronID může být použito jen jako cílová adresa. Musí být kombinován s doménou a zdrojovou podsítí adresovaných komponentů.

Obr.9.5. Fyzická topologie a logické adresování sítě Lonworks Routing Routery slouží pro propojení fyzické a logické propojení různých kanálů (přenos zpráv mezi nimi). Lonworks router se zkládá ze dvou Neuron Chipů propojených přes I/O piny. Router má tedy dva komunikační porty. LonTalk protokol umožňuje využít u routerů jeden z následujících algoritmů, které jsou softwarově definované: • repeater (opakovač) - přenáší všechny pakety oběma směry, bez ohledu na cíl a doménu. • bridge (most) - používá se pro rozšíření podsítě mezi dva různé kanály. Doručuje kterékoliv zprávy do kterékoliv z routerových domén bez ohledu na jejich cíl. • učící se router - monitoruje provoz na síti a učí se síťovou topologii. Dělá to sledováním adresového pole v paketech. Vytváří tzv. doručovací nebo propojovací tabulky. S jejich pomocí může selektivně směrovat pakety mezi kanály. Tento router se nemůže naučit skupinovou topologii. Proto všechny pakety používající skupinové adresování jeou propouštěny. • konfigurovaný router - také selektivně směruje pakety podle interní směrovací tabulky.

Obr 9.6. Příklad propojení různých komunikačních médií. LonTalk protokol nabízí čtyři různé služby (typy zpráv): • ACKD - potvrzovaná zpráva posílaná jednomu nebo několika zařízením s potvrzením příjmu od každého z nich. V případě, že vysílač nedostane odpověď do

53

časového limitu, zprávu opakuje. Počet opakování a časový limit jsou nastavitelné prostředky pro správu sítě. • REQUEST - služba typu žádost/odpověď používaná pro vzdálené volání procedur nebo pro aplikace klient/server. Zpráva se posílá jednomu nebo několika zařízením s odpovědí od každého z nich. Odpověď může obsahovat data. • UNACKD-RPT - nepotvrzovaná služba s opakováním. Typicky se používá pro šíření zpráv velkému počtu zařízení. • UNACKD - nepotvrzovaná služba obvykle používaná pro přenos rozsáhlých nekritických zpráv. Aby byla zajištěna jejich správná posloupnost, rámce se číslují, a to čtyřbitovým číslem. Nadstandardní služby představuje autentizace zařízení pomocí autentizačního serveru. Ta umožňuje příjemci zprávy určit, zda bylo vysílající zařízení oprávněno příslušnou zprávu poslat. Autentizace se provádí na základě 48bitového klíče přiřazeného jednotlivým zařízením při instalaci nebo pomocí služeb správy sítě. Relační (session) vrstva zajišťuje spojení typu žádost/odpověď. Prezentační a aplikační vrstvy společně nabízejí volání procedur na dálku, síťové proměnné a velmi rozsáhlé prostředky pro správu a diagnostiku sítě Neuron Chip Neuron Chip je základním prvkem Lonworks nodu. Zajišťuje provádění síťových a aplikačních úloh nodu. Obsahuje tři osmibitové procesory, paměť, 11 I/O pinů, 5 komunikačních pinů, časovací a řídící interface. Všechny komponenty v čipu jsou propojeny 16-bitovou adresovou sběrnicí, 8-bitovou datovou a řídící sběrnicí. Blokové schema Neuron Chipu je na obr. 9.7.

Obr.9.7. Blokové schema Neuron Chipu 3150.

54

Lonworks firmware obsahuje LonTalk protokol, multitaskový scheduler a specifické I/O rutiny. Jednotlivé CPU v Neuron Chipu mají své úkoly:Procesor č. 1 - MAC Processor obsluhuje vrstvy 1 a 2 LonTalk protokolu. Procesor č. 2 - Network Processor - implementuje vrstvy 3 - 6 protokolu. Pracuje se síťovými proměnnými, provádí adresování, diagnostiku apod. Procesor č. 3 - Application Processor - zpracovává uživatelský program a služby operačního systému.

Obr. 9.8. Struktura Neuron Chipu Procesní interface Neuron Chip má 11 pinů, které slouží jako I/O interface. Tyto piny mohou být využity v následující modech – binární vstup/výstup, bytový vstup/výstup, muxbus I/O, sériový vstup/výstup, I2C I/O, neurowire master/slave, frekvenční výstup apod Komunikační port Má 5 pinů. Může být konfigurován pro celou řadu přenosových médií. Může pracovat ve třech režimech: • Single-Ended Direct Mode - je často používán, používá se při komunikaci využívající externí tranceiver (bez vlastní intelgence). Používá se pro běžná média, jako koaxiální kabel, optické vlákno, RF, IR. V tomto módu jsou data kódována pomocí diferenciálního Manchester kódu. Poskytuje vysoký přenosový výkon, má dobré izolační vlastnosti a odolnost vůči rušení. • Differential Direct Mode - používá se s externími pasivními komponenty, protože je využit vestavěný tranceiver Neuron Chipu. Tento mód se používá pouze v sítích se společným napájením, typicky v nejakých zařízeních, strojích apod. • Special Purpose Mode - tento mód se používá, pokud externí tranceiver je inteligentní. Tento tranceiver přijímá data od Neuron Chipu v nekódovaném tvaru a bez preambule. Provádí vlastní formátování a vkládí preambuli. Tento mód umožňuje připojit k Neuron Chipu tranceivery pro power line.

55

Obr. 9.9. Komponenty Neuron Chipu komunikujícího v Differential Direct Mode Servisní pin Je to specifický vstup na Neuron Chipu, který se používá při instalaci, konfiguraci a údržbě nodu. Připojení tohoto pinu na zem způsobí vyslání servisní zprávy obsahující identifikátor chipu do sítě. Tato informace je pak využita nástrojem pro management sítě k instalaci a konfiguraci nodu. Komunikační média V následující tabulce jsou uvedeny typy tranceiverů (přenosových médií) pro Lonworks:

56

Kroucené dvojlinky jsou jedny z nejčastěji používaných médií, protože jsou levná, dostupná a jednoduchá na manipulaci. Podle zapojení a elektrických vlastností tranceiverů se tato média dělí následovně: • Sběrnicová (bus) topologie na kroucené dvojlince • Volná (free) topologie na kroucené dvojlince • Volná topologie na link power kroucené dvojlince • Sběrnicová topologie na EIA 485 kroucené dvojlince Pro sběrnicovou topologii jsou k dispozici dva tranceivery - TPT/XF-78 (78 kb/s) a TPT/XF-1250 (1,25 Mb/s). Tranceiver FTT-10 podporuje sběrnicovou, hvězdovou i kruhovou. FTT-10 tranceiver vyžaduje vlastní napájení, ale pouze jeden terminátor umístěný kdekoliv na síti. EIA 485 tranceiver poskytuje nejlepší poměr cena/výkon/velikost oproti předešlým.

Obr. 9.10. Sběrnicová topologie u kroucené dvojlinky

Obr. 9.11. Topologie kroucené dvojlinky Link - power princip Link Power Tranceiver (LPT-10) se používá pro volnou topologii a dokáže kombinovat data i napájení na jednom krouceném páru. Použitím centrálního napájecího zdroje místo zdrojů pro každý node lze redukovat náklady na systém. Takto vytvořená síť umožňuje komunikaci rychlostí 78kb/s, lze na ni připojit až 128 nodů na vzdálenosti 320m (nebo 500m s opakovačem).

Obr. 9.12 Sdílení dat a napájení na kroucené dvojlince 57

10. Integrované systémy řízení budov. Pod pojmem automatizační technika budov, automatizace budov je dnes chápán soubor zařízení, systémů a subsystémů, jejichž úkolem je řídit chod budovy. Tato zařízení mají schopnost navzájem spolupracovat nebo pracovat samostatně. To umožňuje automaticky řídit téměř jakékoliv zařízení nebo systém v budově individuálně nebo komplexně. Tato technika se často označuje pojmy jako home automation, home control, smart home nebo inteligent home.V systémech řízení budov můžeme definovat tři úrovně funkčnosti: • Domácí automatizace (home automation) – na této úrovni automatizace jsou systémy zajišťující zapnutí nebo vypnutí určitého zařízení nebo subsystému podle naprogramovaného časového rozvrhu. Na této úrovni každé se zařízení nebo subsystém chová nezávisle, bez vztahu k ostatním zařízením. • Systémová integrace – na této úrovni je několik subsystémů řízeno jedním řídícím prvkem. Zde už se jednotlivé subsystémy mohou navzájem ovlivňovat. Nevýhoda tohoto řešení je to, že funkce subsystémů je dána jeho výrobcem. V podstatě se jedná o vzdálené řízení subsystémů. • „inteligentní“ dům – řídící prvky mohou být nastaveny podle konkrétních požadavků dané budovy. Je zde obousměrná komunikace a zpětná vazba mezi všemi systémy, což umožňuje optimalizovat řídící činnost. Je třeba si uvědomit, že v poslední době velmi frekventované slovo "inteligentní" v souvislosti s těmito systémy nemá nic společného s umělou inteligencí a vždy se jedná pouze o spojení klasických automatizačních prostředků s prostředky výpočetní techniky, přenosu a zpracování dat a počítačových sítí. Výraz "inteligentní" je v této souvislosti přinejmenším zavádějící. Rozsáhlé integrované systémy automatizace budov se uplatňují zejména u velkých komerčních objektů, kde kromě úspor energií a zvýšení bezpečnosti přinášejí zejména flexibilitu – možnost přizpůsobení prostor jejich konkrétnímu využití. Integrovaný systém řízení budovy se skládá z dílčích subsystémů vzájemně komunikujících a výstupy z nich slouží zpravidla i pro nejvyšší úroveň zpracování v ekonomickém informačním systému Na obr. 10.1. je znázorněna konfigurace integrovaného řídícího systému METASYS firmy Johnson Controls pro malé objekty. Systém je strukturován do tří úrovní: Manažerská úroveň Na této úrovni se používají světové standardy komunikace počítač–počítač a standardizované formáty dat pro výměnu se systémy správy budov. Rovina obsluhy operátorských pracovních stanic běží pod Microsoft Windows™ a umožňuje přednostně využít kompatibilních programů s Microsoft.. Široká paleta rozšiřovacích přídavných programů pro účinný provoz budov umožňuje definovat výkonnost manažerské úrovně uživatelem. Automatizační úroveň Sít N1 je páteří komunikace systému. Obslužné stanice a síťové procesory mohou být na síť v celé budově připojeny v téměř libovolném počtu. Využití průmyslového standardu ARCNET™ dovoluje použití pružných a hospodárných topologií, které také mohou být rozšířeny přes veřejnou telefonní sít a ISDN. Polní (provozní) úroveň Decentralizovaná koncepce systému upřednostňuje nasazení automatizačních přístrojů podle účelu použití, které se pres komunikační sběrnici N2-Bus napojují na nejbližší sítový řídicí modul. Sběrnice N2-Bus slouží ke komunikaci ve všech dílčích oblastech budovy. Různé moduly rozhraní pro sběrnici N2-Bus umožňují integraci prvků jiných výrobců.

58

Obr. 9.1. Konfigurace systému METASYS pro malé aplikace

59

Obr. 9.2 Integrované řešení systému METASYS

60

Lteratura: 1. Beneš,P.-Lacko,B.-Meixner,L.-Šmejkal,L.: Automatizace a automatizační technika. Sešit č. 1. Systémové pojetí automatizace. Computer Press Praha 2001 2. Janíček,P.-Ondráček,E.: Řešení problémů modelováním. PC-DIR Real Brno1998 Kap. 2. Teorie systémů, systémový přístup, systémová analýza a syntéza 3. Balátě, J.: Regulace a automatizace tepelně energetických zařízení, VUT Brno 1982 4. Toman, K., Kunc, J.: Systémová technika budov, FCC Public 1998 5. Kaisler,R.: Principy detekce vniku nežádoucích osob do objektu, Elektrika.cz 2002 6. Zezula, R.: Přístupové systémy k identifikaci osob, Elektrorevue 2002/54 7. Kolektiv: Řízení budov, základní pojmy, řízené subsystémy v budovách, VŠB Ostrava 2002,

Kontrolní otázky a úlohy: 1. Jaký přístup řešení problémů považujeme za systémový? 2. Uveďte alespoň tři příklady nevýrobní automatizace! 3. Uveďte dva příklady nesystémového přístupu ze svého okolí! 4. Jaký je účel a jaké jsou přínosy systémové integrace při automatizaci? 5. Proč musíme použít projektového řízení při návrhu a realizaci automatizace? 6. Jaké jsou hlavní příčiny rozvoje integrované nevýrobní automatizace? 7. Co rozumíme pod pojmem integrovaný automatizační systém? 6. Jaké jsou základní typy soustav ústředního vytápění. 7. Co znamená pojem tepelná pohoda? 5. Na čem závisí tepelný výkon radiátoru a tepelná ztráta místnosti? 6. Vyjmenujte způsoby regulace teplovodních otopných soustav. 7. Jak je možno měřit spotřebu tepla v domácnostech? 8. Vysvětlete pojem systém IRC. 9. Popište funkce a komponenty integrovaného systému řízení otopné soustavy. 10. Popište funkce a komponenty systémů elektronického zabezpečení prostor. 11. Jaké se používají metody detekce pohybu nebo vniknutí osob? 12. Vysvětlete princip a funkci detektoru PIR. 13. Jaké principy a metody se používají k detekci vzniku požáru? 14. Vyjmenujte oblasti aplikace přístupových a identifikačních systémů. 15. Vyjmenujte hlavní principy a metody identifikace osob. 16. Jaké existují typy identifikačních karet a jakými způsoby se snímají? 18. K čemu slouží čárové kódy? 19. Popište základní principy a vlastnosti technologie EIB. 20. Jak je definována fyzická vrstva technologie Lonworks? 21. Proč je nesprávné použití pojmu "inteligentní čidlo"?

61