پروتکل های سیستم هوشمند ساختمان BMS

تکنولوژی های ارتباطی کنترلرها :

یک شبکه شامل دو و یا بیشتر از رایانه ها و پردازشگر هایی است که به منظور به اشتراک گذاشتن منابع و مبادله فایلها  توسط کابلها ، خطوط تلفن ، امواج رادیویی ، ماهواره ها و یا پرتوهای نور قرمز ارتباط دارند . ارتباطات بین دستگاه ها در یک شبکه می تواند به عنوان همکار به همکار مشخص شده و در یک شبکه نظیر به نظیر ، هر دستگاه قابلیت ارسال و دریافت اطلاعات و اشتراک گذاری آنها را بدون عبور از طریق مدیر ارتباطات داشته باشد .

در کنترل بر روی شبکه نظیر به نظیر، ممکن است کنترل کننده اصلی، ثانویه و یا ترکیبی از آن دو وجود داشته باشد . در LAN، کنترلرها میتوانند اطلاعات را به طور مستقیم به یکدیگر منتقل کنند. در عوض جریان داده ها از یک کنترل کننده به رابط و سپس به کنترل کننده دیگر منتقل میشود . دستگاه رابط مدیریت، ارتباط بین کنترل کننده های رای گیر و سطح بالا را در معماری سیستم LAN بر عهده دارد.

همچنین ممکن است قابلیت کنترلرهای LAN با فراهم نمودن توابع ساعت، بافر داده ها، آلارمها، پیغام ها و پشتیبانی نرم افزاری تکمیل شود.

سیستم های بسیاری از ترکیب ارتباطات یک شبکه نظیر به نظیر با شبکه های دیگر تشکیل شده اند . در شکل بالا Interface، ارتباط بین مد همکار به همکار با دستگاه های موجود بر روی LAN نظیر به نظیر را بر عهده دارد. دستگاه های مبتنی بر Polling LAN میتوانند اطلاعات را از دستگاه های نظیر به نظیر دریافت کنند اما داده ها باید از طریق رابط جریان داشته باشند. در شکل زیر یک ارتباط کامل با تجهیزات واسط و مودم را مشاهده میکنید.

پروتکل X10 :

شیوه ایی برای انتقال سیگنال های الکتریکی که حاوی اطلاعات کنترلی  دیجیتال است و از طریق خطوط برق و سیم کشی داخل ساختمان و یا خطوط تلفن انتقال میابد.  X10 به صورت پروتکل باز و شامل فرکانس رادیویی کوتاه در دو خط گذرگاه دو سیمی است. در روش X10 یک واحد کنترل کننده با یک انتقال دهنده و اجزاء کنترل شده چند رسانه ایی با یک دریافت کننده میباشد و هر یک با کد خاص از بقیه متمایز هستند . آدرس دهی آن از 16 کد خانه و 16 کد واحد و این دو در یک بسته X10 با شناسه خاص بسته میشود. ساختار X10 شامل دو قسمت است:

1. واحد های X10 که در سوکت های الکتریکی نصب میشوند.
2. کنترل کننده که سیگنال های کنترل را برای واحد های بند 1 می فرستد و اطلاعات آنها را دریافت میکند . هر کنترل کننده توانایی ارتباط با یک مجموعه واحد را دارد.این تجهیز به سه مدل کنترل کننده کوچک ، بی سیم و کنترل کننده کامپیوتر با رابط RS-232 طراحی میشوند.

ارتباط X10 دارای دو فاز انتخاب و فرمان است. کنترل کننده در فاز انتخاب آدرس وسیله را برای کنترل در خطوط انتقال قرار میدهد و در فاز فرمان ،فرمان مورد نظر را روی خطوط قرار میدهد.

مزایای استفاده از این پروتکل در نصب آسان، مقرون به صرفه، سازگاری در محصولات تجاری و عدم نیاز به ایجاد خطوط ارتباطی میباشد و از معایب آن کنترل 256 عدد (معادل آدرس دهی 8 بیتی) و نویز پذیری در اثر وسایل دیگر و عدم پاسخ در انجام بهینه فرآیند است .

پروتکل INSTEON :

جایگزین X10 میباشد، افزایش اطمینان قابلیت پروتکل توسط دو رسانه سیم کشی برق و فرکانس رادیویی . همه وسایل می توانند دریافت کننده یا فرستنده یا تکرار کننده پیام باشد بدون نیاز به یک کنترل کننده اصلی یا نرم افزار و یا مسیریاب پیچیده ، اضافه کردن وسایل به این شبکه باعث قویتر شدن آن میشود.INSTEON میتواند با شبکه های دیگر همچون اینترنت،WiFi،تلفن و سیستم های سرگرمی توزیع شده همکاری داشته باشد .این پروتکل دارای طول ثابت و هیچگونه اطلاعات مسیریابی از منبع و مقصد خود ندارند. تجهیزاتی که به INSTEON مجهز هستند با تکنولوژی های دیگر مانند HomePlug, Z-Wave, ZigBee, Bluetooth  همکاری دارند. در این پروتکل وسایل با ارسال پیام با هم ارتباط دارند . پیام ها دارای طول ثابت و هیچگونه اطلاعات مسیریابی از مقصد و منبع خود ندارند. پیام ها به دو نوع استاندارد(فرمان های مستقیم و کنترل در اتوماسیون خانگی ) و نوع تمدید یافته (دانلود و یا آپلود داده ها ) استفاده میگردد. پیام ها به صورت انتشار،انتشارگروه، مستقیم و تایید نیز تقسیم بندی میشوند.

از مزایای این پروتکل پاسخ سریع، نصب آسان، قابلیت اطمینان، همکاری باپروتکل های دیگر را میتوان نام برد.

پروتکل LonWorks :

LonWork  یک راه حل باز را برای اتوماسیون خانگی، صنعتی، حمل و نقل و شبکه های کنترل فراهم میاورد. پروتکل مذکور یک شبکه نقطه به نقطه همه منظوره است که شامل وسیله های هوشمند می باشد و از واسطه های ارتباطی همچون کابل های هم محور و جفت شده، فیبرنوری، خطوط انتقال برق و فرکانس رادیویی و مادون قرمز پشتیبانی میکند . اين پروتكل توانايي آدرس دهي از يك تجهيز به يك يا چند تجهيز ديگر و يا از يك تجهيز به گروه هاي ديگر  را داشته و از دو تجهيز تا ده ها هزار تجهيز را  به صورت هاي آدرس تجهيز ، آدرس گروه و آدرس فيزيكي پشتيباني ميكند. LonWork یک راه حل باز را برای اتوماسیون خانگی ، صنعتی ، حمل ونقل و شبکه های کنترل فراهم میاورد.تکنولوژی LonWork از پروتکل ارتباطی که LonTalk نامیده میشود و یک ریزپردازنده برنامه کنترل در یک تراشه مجتمع سازی شده که به آن تراشه عصبی گویند استفاده میکند. این پروتکل همه لایه های مدل OSI را پیاده سازی و از پروتکل های شبکه کنترل ANSI-EIA-CEA-709.1 استفاده میکند. هر نقطه کنترل در این پروتکل گره نامیده میشود که شامل یک حسگر، محرک، تراشه عصبی با کد 48 بیتی همچنین یک گیرنده، فرستنده که به خط انتقال متصل میباشد.

از مزایای LonWork : قابلیت همکاری بالا، کاهش هزینه نصب، توسعه نرم افزاری ساده، گسترس سریع سیستم های جدید، قابلیت انخاب رنج وسیعی از واسط های ارتباطی

پروتکل HomePlug:

شامل یک پروتکل لایه فیزیکی و یک پروتکل کنترل دسترسی واسط یا لایه پیوند داده در مدل مرجع OSI به منظور ضمانت ارتباطات قابل اطمینان در واسط های خطوط برق است. این پروتکل از تقسیم فرکانس متعامد استفاده میکند و رسته های داده را در یک گروه از رشته های بیتی موازی تقسیم میکند و برای کاهش نویز از کشف خطای ارسالی استفاده میکند. پشتیبانی از ارسال و دریافت داده در مد پشت سر هم از قابلیت این پروتکل است. تجهیزاتی که HomePlug را پیاده سازی میکنند می توانند با ولتاژ کم خطوط برق ارتباط با سرعت بالا داشته باشند. این پروتکل ایجاد شبکه های کلاس اترنت را در کانال های خطوط برق ممکن میسازد. در مدل های متفاوت این پروتکل امکان استفاده از شبکه پر سرعت داخل ساختمانی ، انتقال داده های چند رسانه ایی و دسترسی به اینترنت با سرعت بالا را محیا میباشد.

از مزایای HomePlug:

ارزان و قابلیت تعمیم به وسیله های موجود در خانه، نصب راحت بدون نیاز به مهارت پیچیده، قابلیت همکاری تجهیزات تولیدکنندگان متفاوت، راه حل ایده آل برای کنترل اتوماسیون خانگی و امنیت ، فرمان دادن وسایل خانه و پشتیبانی کامل از شبکه با سرعت بالا است.

پروتکل های پایه PLC :

Bacnet (Building Automation and Control Network):

پروتکل ارتباطی بسیار مناسب جهت سیستم های اتوماسیون خانگی و شبکه کنترل میباشد و بر اساس استانداردهای ASHRAE, ANSI, ISO طراحی شده است و برای برنامه های کاربردی کنترل گرمایش، تهویه، تهویه مطبوع،كنترل لوپ، کنترل روشنایی ، کنترل تردد، سیستم های تشخیص آتش و سیستم های جانبی دیگر ایجاد شده است. این پروتکل از مکانیزمی برای دستگاه های اتوماسیون ساختمان جهت تبادل اطلاعات در ساختمان هوشمند پشتیبانی میکند. این پروتکل بر اساس تعدادی از اشیاء که پس از سرویس درخواست میشود، فعالیت میکند . این اشیاء شامل ورودی و خروجی آنالوگ ، داده های آنالوگ، ورودی و خروجی باینری،داده باینری، ورودی و خروجی چند حالته،محاسبات، رویدادها،هشدارها،گروه ها،حلقه ها، برنامه و زمانبندی، فرمان ها و ابزارات. این استاندارد از 49 مدل از شی ها به شرح ذیل پشتیبانی میکند:

Analog Input - Sensor input

Analog Output - Control output

Analog Value - Set point or other analog control system parameter

Binary Input - Switch input

Binary Output - Relay output

Binary Value - control system parameter

Calendar - a list of dates, such as holidays or special events, for scheduling.

Command - Writes multiple values to multiple objects in multiple devices to accomplish a specific purpose, such as day-mode to night-mode, or emergency mode.

Device - Properties tell what objects and services the device supports, and other device-specific information such as vendor, firmware revision, etc.

Event Enrollment - Describes an event that might be an error condition (e.g., "Input out of range") or an alarm that other devices to know about. It can directly tell one device or use a Notification Class object to tell multiple devices.

File - Allows read and write access to data files supported by the device.

Group - Provides access to multiple properties of multiple objects in a read single operation.

Multi-state Input - Represents the status of a multiple-state process, such as a refrigerator's On, Off, and Defrost cycles.

Multi-state Output - Represents the desired state of a multiple-state process (such as It's Time to Cool, It's Cold Enough and it's Time to Defrost).

Notification Class - Contains a list of devices to be informed if an Event Enrollment object determines that a warning or alarm message needs to be sent.

Loop - Provides standardized access

Program - Allows a program running in the device to be started, stopped, loaded and unloaded, and reports the present status of the program.

Schedule - Defines a weekly schedule of operations (performed by writing to specified list of

تفاوت تکنولوژی Lon work و Bacnet :

• BACnet	Lon Works
  عدم توزیع محصول مستقل	توزیع کنندگان مستقل با فروشندگان متعدد
  تنها ابزار برای مشاهده تمام پروتکل ها نمی باشد	تنها ابزاربرای دسترسی به فروشندگان تجهیزات
  توابع محدود انتخاب شده توسط پروتکل	قابلیت مشاهده و پیکربندی دستگاه
  چند ابزار تشخیصی در دسترس	ابزار شبکه تشخیصی
  پشتیبانی از چند پروتکل	پشتیبانی ازیک پروتکل
  تعدادی از شرکت ها تولید دستگاه های مستقل با این پروتکل دارند	بسیاری از شرکت ها تولید دستگاه های مستقل با این پروتکل دارند

   

   

  این پروتکل در انواع Bacnet Over Ethernet/IP و Bacnet Over LON  و.. موجود ميباشد.
  
  

  BACnet  به صورت (MS/TP) Master-Slave/token-passing  و با سرعت 1Mbps و يا كمي بيشتر بر روي كابل دو زوج طراحي ميشود.همچنين به صورت هاي point to point  و dial-up نيز بر روي خط تلفن و اتصالات سخت تعريف شده است. تجهيزات BACnet به سادگي به اينترانت و اينترنت متصل ميشوند و براي اين كار نياز به تجهيزاتي مانند روتر،BBMD(براي يك شبكه LAN و چندين IP)،PAD (جهت تبادل اطلاعات به يك IP مشخص)ميباشد.
  به هر حال دو پروتکل Bacnet  و TCP/IP در خانه های هوشمند بیشترین کاربرد را در آینده خواهند داشت .  ولیکن استفاده از پروتکل ، کنترلر و تجهیزات صنعتی در ایجاد خانه های هوشمند در مراکز صنعتی و نیمه صنعتی مانند صنایع ریلی (مترو)، انبارهای صنعتی ، اتاق های حساس هنوز متداول و اجباری میباشد و این به لحاظ رعایت سطح بالایRedundancy  در این سیستم ها میباشد.

  اتصال BACnet  به  شبكه اينترنت :

  براي اتصال سيستم هاي BACnet به اينترنت ، آنها بايد متصل به اينترنت شده و توسط پروتكل اينترنت شناخته شوند .براي تبادل اطلاعات در اينترنت ،پروتكل لايه ارتباطي بايد استفاده شود .در حال حاظر دو پروتكل ارتباطي بنام پروتكل كنترل انتقال (Transmission Control Protocol)و پروتكل دياگرام كاربر(User Datagram Protocol) . وجود دارد . tcp  يك اتصال قابل اطمينان جهت جابجايي كه از توانايي ent to end پشتيباني ميكند.  UDP پروتكل انتقال داده  است و در برنامه هايي كه از TCP پشتيباني نمي كند استفاده ميشود . UDP/IP توسط BACnet استفاده  ميشود. روتر PAD يك قابليت براي ارتباط شبكه IP با شبكه هاي BACnet ديگر ميباشد و تنها نيازي به نصب تجهيز جداگانه نيست بلكه ميتواند قسمتي ازتجهيز مورد نظر مانند كنترل هاي هوشمند ساختمان باشد .

  Modbus :

  يك پروتكل صنعتي ميباشد كه خطوط ارتباط سنتي مانند RS232/422/485 و همچنين اترنت و ابزارهاي صنعتي مانند PLC,HMI و ارتباطات ديگر راپشتيباني ميكند. اين پروتكل دو مد براي ارتباطات دارد به نام هاي ASC11 , RTU . RTU(Remot Terminal Unit) در اكثر دستورات اجرا ميشود و از كدينگ باينري و با بررسي خطاهاي CRC كار ميكند.ASC11 كمتر موثر است و براي تست LRC استفاده ميشود . Modbus/TCP توسعه يافته اين پروتكل است و بر پايه TCP/IP واز فريم بندي پروتكل شبكه استفاده مينمايد و بين نود تجهيز در لايه فيلد و شبكه قرار دارد.Modbus  درخواست هاي خود را به صورت half-duplex ارسال ميكند. اين پروتكل به صورت Master/Slave و بر اساس فرمت پيام كار ميكند. ساختار هر پيام شامل چهار عنصر آدرس تجهيز،كد عملگر ، ديتا و تست خطا ميباشد .

  PROFIBUS :

  داراي يك كدينگ باز جهت اتوماسيون و استانداردهاي لايه فيلد شبكه ميباشد و رنج وسيعي از تجهيزات توسط آن پشتيباني ميشود. اين پروتكل از رنج وسيع ايستگاه كاري Master/Slave پشتيباني ميكند. Masterداراي دو تيپ كلاس يك و دو ميباشد.كلاس يك شامل PLC ،كنترلر،SCADA و .. ميشود و در كلاس دو ابزارهاي پروگرام، خطوط باس براي مانيتورينگ و Slave شامل بلوك هاي ورودي ، خروجي ، ترانسميترها ، راه اندازها (اكچويتور)،شيرها و درايورها ميشود.اين پروتكل قابليت پشتيباني از رنج 9.6 كيلوبيت الي 12 مگابيت رادارد.

• EIB (European Installation Bus):

  بر اساس پروتكل فيلد باس و براي سيستم هاي الكتريكي خانه در هر سايزي با ارسال اطلاعات جداگانه كنترلي براي يك مركز طراحي شده است.EIB/KNX توانايي كار بر روي كابل دو زوج پاور و ارسال اطلاعات ديتا از روي خط را خواهد داشت. يك كرير زوج سيم ، قابليت انتقال 29VDC ، 50mw از كلاس 2 ولتاژ پايين را خواهد داشت.سرعت انتقال داده 9600bps و تا 1000 متر طول كابل قابل استفاده است.KNX RF در باند فركانسي 868 MHZ  و به صورت يك به يك استفاده ميشود. EIBnet/IP بر روي شبكه IP طراحي شده  و framework را ساپرت ميكند.  همچنين امكان استفاده از بستر شبكه براي ارتباط چند زير مجموعه EIB/KNX را توسط تونلينگ خواهد داشت. بلوك هاي پايه EIB براي ساختمان امكان كار با 254 تجهيز و نوع EIBnet/IP تا 60000 تجهيز را دارد.

   

  مقایسه شبکه های مختلف bus های صنعتی در لایه های اتوماسیون را در شکل زیر خواهید دید :
  
  

  Gateway  : مبدل های زیادی جهت تبدیل پروتکل های مختلف در صنایع کنترل ابزار دقیق ساخته شده اند که قابلیت کار در رنج وسیعی از تجهیزات را با هم فراهم میسازد. در شکل زیر نمونه ایی از بلوک دیاگرام این تجهیز را خواهید دید.
  
  

  خطوط انتقال :

  اکثر باس های صنعتی توسط  کابل های دو سیمه و چهار سیمه به هم تابیده شیلد دار و رابطهای استاندارد 232,RS 485 RS انتقال میابد که 485 RS دارای سطح سنجش تفاضلی وبه صورت صفر و یک عمل نموده و در نتیجه در مقابل نویز مصون تر میماند.تعدادی از پروتکل ها نیز از خطوط 4X2X0.6 و یا همان CAT5استفاده میکنند ومعمولا باقابلیت کار در لایه IP امکان فعالیت در سه لایه اتوماسیون خانگی را خواهند داشت. تعداد تجهیزات موجود در هر حلقه بستگی مستقیم به نوع کابل ، پروتکل ،تکرار کننده ها و سرعت انتقال دارد . نکته مهم این است که با افزایش سرعت مسافت پشتیبانی شده در خطوط انتقال کاهش میابد.کابل های نوری نیز امکان انتقال امن و ارزان را در فواصل دورتر امکان پذیر میسازد و درنتیجه رابط های آنها به طور گسترده طراحی و ایجاد شد. توپولوژی شبکه این خطوط میتواند به صورت star,bus,tree و متداول ترین آنها bus  میباشد .