Jednym z dostępnych na rynku systemów automatycznego sterowania budynkami jest LCN (Local Control Network) – inteligentna sieć, znajdująca zastosowanie w budownictwie mieszkaniowym, użyteczności publicznej, jak i przemysłowym. Rozwiązanie to oparte jest na modułach logicznych, pozwala też zrezygnować z podziału na osobne instalacje zasilające i informatyczne, umożliwiając połączenie ich w jeden system. Zmniejsza to koszty okablowania i upraszcza komunikację między poszczególnymi częściami systemu.

System LCN został opracowany przez firmę Issendorff Mikroelektronik w roku 1990. Inteligentna sieć tego typu może być wykorzystana do realizacji bardzo wielu zadań w budynku, takich jak:
• sterowanie instalacjami oświetleniowymi, regulacja poziomu natężenia oświetlenia, realizacja scen świetlnych, włączanie światła podczas nieobecności i obecności użytkowników w domu itd.,
• sterowanie żaluzjami i roletami,
• monitoring budynku,
• sterowanie instalacjami: grzewczą, klimatyzacyjną i wentylacyjną,
• zarządzenie przepływem energii w budynku,
• kontrola dostępu,
• rejestracja czasu,
• centralna wizualizacja stanów i wiele innych.

Rys. 1. Aplikacja Domiq/Remote dedykowana dla systemu LCN umożliwia kontrolę instalacji za pomocą iPoda Touch lub iPhone’a. u góry od lewej: ekran sterowania ogrzewaniem, ekran aplikacji działających w salonie, poniżej wizualizacja planu pokoju

Cechy systemu

Jedną z głównych cech systemu LCN jest wyeliminowanie podziału na osobne instalacje zasilające i informatyczne, które zostały połączone w jeden układ. Zmniejsza to koszty okablowania, umożliwia komunikację między różnymi częściami systemu oraz ułatwia planowanie instalacji i tworzenie funkcjonalnych rozwiązań.
W rozwiązaniach technicznych zastosowanych w systemie LCN wykorzystuje się programowalne moduły logiczne, które posiadają wejścia czujników i wyjścia elementów przełączających. Moduły są połączone ze sobą za pomocą czterożyłowego standardowego przewodu instalacyjnego np. YDY 4 x 1,5 składającego się z żyły zasilającej L, żyły neutralnej N, żyły ochronnej PE i żyły transmisji danych D. Moduły LCN mają wbudowane zasilacze i są zasilane przez żyły fazowe i neutralne. Za pośrednictwem żyły transmisji danych odbywa się komunikacja między modułami LCN (rys. 2). Silnik w przykładowym schemacie przedstawionym na rysunku 2 można nie tylko załączać i wyłączać za pomocą czujników modułu po lewej stronie, lecz także za pomocą klawiatury lub odbiornika zdalnego sterowania modułu widocznych z prawej strony. Mikroprocesorowe układy sterujące w każdym module łączy żyła transmisji danych. Każdy dodatkowo przyłączony moduł zwiększa dostępną moc obliczeniową całego systemu. Dodanie nowego modułu zwiększa nie tylko liczbę funkcji na bazie lokalnych wejść czujników i wyjść elementów sterujących, ale także liczbę funkcji dostępnych w całej sieci. Taka sieć może być stopniowo rozbudowywana począwszy od jednego modułu.

Rys. 2. Moduły sieci LCN wymieniają między sobą informacje za pośrednictwem żyły transmisji danych

Miarą wszechstronności systemu jest także m.in. możliwość współpracy zarówno ze standardowymi przyciskami do osprzętu elektroinstalacyjnego, jak i z większością wielofunkcyjnych przycisków EIB. LCN umożliwia również sterowanie za pomocą panela dotykowego, telefonu stacjonarnego i komórkowego (rys. 1), internetu.

Moduły logiczne

Moduły logiczne sieci LCN (rys. 3) mają jednolitą budowę. Centralnym elementem składowym każdego modułu jest mikrokomputer wyposażony w pamięć. Jedna z partycji pamięci przechowuje informacje określające funkcje modułu. Podzespoły pamięci można programować, a zapisane dane są przechowywane także w przypadku zaniku zasilania. Dzięki zapisanym informacjom można skonfigurować moduł. W systemie LCN te części pamięci nazywa się pamięcią konfiguracyjną.

Rys. 3. Schemat budowy modułu sieci LCN

Pamięć konfiguracyjna zawiera zatem instrukcje przejmujące analizę informacji docierających do wejść czujników (lub przez żyłę transmisji danych) w pamięci roboczej modułu. Przez wejścia czujników można udostępnić mikrokomputerowi (celem dalszego przetworzenia) polecenia klawiatury, wartości pomiarowe i sygnały binarne. Ze względu na różne wielkości wejściowe rozróżnia się wejścia klawiatury (T), impulsowe (I) i peryferyjne (P). W wyniku przetworzenia sygnałów docierających do wejść czujników program zapisany w pamięci konfiguracyjnej wysyła polecenia zaprogramowanych czynności na wyjściach elementów przełączających modułu. Dzięki wbudowanemu układowi sprzęgającemu mikrokomputer może komunikować się z innymi modułami zainstalowanymi w systemie za pośrednictwem żyły transmisji danych, czyli może wymieniać informacje.
Ponieważ system LCN jest zasilany bezpośrednio napięciem 230 V, każdy moduł ma wbudowany zasilacz. W każdym module, w odniesieniu do wejścia czujników, zasilacza i układu sprzęgającego zastosowano ochronę przeciwprzepięciową (do 4 kV). Ochrona przeciwzwarciowa zabezpiecza moduł przed zniszczeniem, jeśli dojdzie do przypadkowej zamiany żyły zewnętrznej i żyły transmisji danych lub żyły neutralnej.
Mikroprocesor z pamięcią konfiguracyjną, zasilacz i układ sprzęgający są elementami składowymi każdego modułu logicznego sieci LCN. Różne moduły sieci różnią się między sobą przede wszystkim liczbą wejść czujników i wyjść elementów przełączających oraz wynikającym z tego zakresem programowalnych funkcji. Rozróżnianie między wejściami czujników i dwoma wyjściami dla elementów przełączających nie jest do końca precyzyjne. Na rysunku 3 pokazano, że interfejsy czujnika modułu sieci mogą być wykorzystywane w dwóch kierunkach, tzn. wejścia czujników mogą być po odpowiednim przyłączeniu wyjściami służącymi do sterowania dalszych modułów (np. moduł przekaźnika).

Rys. 4. Typy modułów sieci LCN: a) moduł do montażu na szynie, b) moduł podtynkowy

Rodzaje modułów i okablowanie

Moduły sieci LCN występują w dwóch typach. Większość modułów jest oferowana w klasycznej formie, jako moduł montowany na szynie (rys. 4a), jednak podstawowym rozwiązaniem jest moduł podtynkowy, stosowany do budowy sieci zdecentralizowanych. Do rozwiązań decentralnych nadaje się moduł podtynkowy. Ten typ (rys. 4b) umożliwia instalowanie w głębokich puszkach podtynkowych, w bezpośrednim sąsiedztwie miejsc zabudowy czujników lub elementów przełączających. Pozwala to na znaczne zmniejszenie liczby obwodów prowadzonych do rozdzielni, a to w konsekwencji umożliwia zredukowanie liczby wymaganych kabli między modułami sieci LCN i czujnikami oraz elementami przełączającymi. Wszystkie moduły montowane na szynie są wyposażone w zaciski wtykowe. Do łączenia ze sobą modułów stosuje się przede wszystkim cztero- i pięciożyłowe przewody o średnicy 1,5 i 2,5 mm². Można stosować zarówno przewody w płaszczu z PCW lub przewody podtynkowe (NYM, NYIF, lub YDY).

Rys. 5. Piloty sterujące dla instalacji LCN

Rys. 6. W wyniku naciśnięcia klawisza wyzwalana jest określona czynność. Na zdjęciu różne typy przycisków klawiszowych wykorzystywanych w LCN

Adresowanie

Komunikacja z modułami sieci LCN odbywa się na podstawie numeru identyfikacyjnego. Przy adresowaniu modułów do dyspozycji jest 250 adresów (5-254). Instalacje przekraczające 250 modułów dzieli się na segmenty, które łączy się ze sobą sprzęgami do segmentów (rys. 7). Do adresowania segmentów do dyspozycji są adresy od 5 do 124. W ten sposób można nadać adres 120 segmentom. Łączna liczba modułów mających adres w sieci wynika zatem z pomnożenia liczby segmentów przez liczbę modułów w każdym segmencie, co daje 30 tys.

Rys. 7. Wykorzystując sprzęgi do segmentów można zrealizować instalacje liczące nawet 30 tys. modułów

Komputer przydziela adresy bezpośrednio podczas programowania modułów. Nie jest konieczne wciśnięcie klawisza programu na module. Od strony obliczeniowej chodzi w tym przypadku o adresy logiczne, które są przyporządkowane do adresów hardware zapisanych w modułach logicznych LCN.
Oprócz adresu modułu (zwanego numerem identyfikacyjnym modułu), który może być przydzielony w każdym segmencie tylko jeden raz, każdemu modułowi można przyporządkować maksymalnie 12 adresów grupowych i 6 adresów dynamicznych. Dla adresów grupowych w ramach jednego segmentu również dostępny jest zakres od 5 do 254. Dzięki adresowaniu grupowemu można połączyć przyłączonych użytkowników w różne grupy i sterować nimi. Dynamiczne adresy grupowe umożliwiają również działanie grup modułów w zależności od określonych stanów systemu.

Rys. 8. Moduł logiczny dedykowanego dla LCN systemu Domiq

Rys. 9. Pakiet danych w systemie LCN

Pakiety danych i transmisja

Informacje między modułami sieci LCN są przekazywane za pośrednictwem żyły transmisji danych w formie pakietów. Pakiet danych (rys. 9), oprócz pól z adresem źródłowym, adresem docelowym i adresem segmentu, zawiera także 24-bitowe pole danych, pole informacyjne i pole z sumą kontrolną. Sumę kontrolną moduł wysyłający wylicza z innych pól pakietu na podstawie ustalonej procedury (CRC – Cyclic Redundancy Check). Moduł odbierający jeszcze raz dokonuje obliczenia i może przez porównanie otrzymanej sumy kontrolnej z sumą obliczoną przez siebie samego sprawdzić, czy transmisja pakietu była prawidłowa. Pole informacyjne zawiera informacje dotyczące sterowania przetwarzania pakietu. Obejmuje to informacje dotyczące długości pola danych oraz informacje:
• czy pakiet adresowany jest do modułu we własnym czy w obcym segmencie,
• czy polecenie jest skierowane do pojedynczego modułu czy do grupy modułów,
• czy polecenie musi być potwierdzone przez odbiorcę.
Pole danych, oprócz właściwego polecenia długości 8 bitów, zawiera przynajmniej dwa parametry również długości 8 bitów każdy, które są przekazywane odbiorcy. Parametry te można wykorzystać do sterowania poziomu natężenia światła, regulacji temperatury, itp. Poszczególne funkcje są zapisane w pakiecie danych, a nie na stałe w elementach przełączających. Wynika z tego bardzo duża wszechstronność zastosowań.
Pakiety są transmitowane za pośrednictwem żyły transmisji danych, przy czym żyła neutralna jest używana jako żyła powrotna. Sieć LCN nie wymaga zatem osobnej sieci do transmisji danych, a jedynie dodatkowej żyły. W stanie spoczynku żyła transmisji danych ma poziom napięcia 10 V. Transmisja sygnału odbywa się asynchronicznie, w paśmie podstawowym o poziomach napięcia ± 30 V. Do kodowania sygnałów używa się systemu bipolarnego. Bajty w danym pakiecie są transmitowane łącznie, bez przerw. Rodzaj kodowania i stosowany system transmisji czynią sieć LCN bardzo odporną na zakłócenia.

Rys. 10. Przyciski z adresami docelowymi po parametryzacji

Tabele klawiszy

Różne sposoby przyciśnięcia klawiszy – krótko lub długo albo całkowite zwolnienie – są interpretowane przez system LCN w sposób standardowy, czyli:
• krótkie przyciśnięcie: Włączanie/Wyłączanie, np. oświetlenia,
• długie przyciśnięcie: Zwiększanie/Zmniejszanie poziomu natężenia światła,
• zwolnienie: „zatrzymanie” ściemniacza.
Każdemu rzeczywistemu przyciskowi można przyporządkować trzy różne, dowolnie wybrane polecenia. Dokładnie taki model konfiguracji funkcji modułu funkcjonuje w systemie LCN.
Wszystkie moduły sieci LCN mają cztery tabele klawiszy (rys. 10) i dodatkowo cztery tabele przycisków „w cieniu”, z ośmioma przyciskami, które można uruchomić za pomocą rzeczywistych klawiszy lub wartości wielkości mierzonych za pomocą czujników. Przycisków i czujników nie trzeba nawet przyłączać bezpośrednio do modułu sieci LCN, gdyż dostęp do tabeli klawiszy może odbywać się z innego modułu sieci LCN. Klawisze mogą być w pewnym sensie „zdalnie sterowane”. Producent przyporządkował tabele klawiszy w następujący sposób:
• A – standardowe przyciski i różne łączniki EIB,
• B – przetwarzanie wartości przekazywanych przez czujniki (poziom natężenia światła, temperatura) oraz wejścia binarne,
• C – połączenia wewnętrzne (polecenia stanu i sumy),
• D – zarezerwowane dla funkcji wewnątrzsystemowych (rozpoznawania braku zasilania).
Tabele przycisków są odpytywane pojedynczo podczas programowania systemu. Pojawiające się na rys. 10 pojęcie rampa jest stosowane do precyzyjnego opisu prędkości, z jaką osiąga się określone stany (np. poziom natężenia światła podczas ściemniania).

Potwierdzenia, komunikaty i komunikacja

System LCN pracuje w oparciu o polecenia. W wyniku naciśnięcia klawisza lub przetworzenia wartości pochodzącej z czujnika wyzwalana jest określona czynność, przez polecenie zapisane w tabeli klawiszy (rys. 10). Moduł źródłowy na podstawie własnych informacji wejściowych (wejścia czujników) generuje polecenie, które wykonuje element przełączający przyłączony do modułu docelowego. Polecenia wprowadza się do oprogramowania konfiguracyjnego używając niemalże potocznego języka. Dzięki odpowiedniemu ustawieniu modułów, do których są przyłączeni użytkownicy (elementy przełączające) unika się sytuacji, w której użytkownik zostanie uruchomiony przez niedopuszczalne polecenie.
Ten sposób umożliwia sterowanie użytkownikami za pomocą różnych klawiszy, wartości czujników. Określone wyjście można dzięki temu uruchomić na różne sposoby, np. kilkoma klawiszami. Wykonanie polecenia podlega zasadniczo potwierdzeniu. Rozróżnia się przy tym trzy warianty.

Rys. 11. Magistrala dwużyłowa LCN do galwanicznego odseparowania i/ lub mostkowania
przy większych odległościach

Potwierdzenia funkcji
Potwierdzenia funkcji informują o wykonaniu danego polecenia. Wymagane są tylko przez oprogramowanie konfiguracyjne i oprogramowanie dla wizualizacji. Jeśli wysyła się polecenie, to równocześnie żąda się potwierdzenia funkcji. Moduł wykonujący bezpośrednio po otrzymaniu pakietu wysyła potwierdzenie funkcji, z którego oprogramowanie konfiguracyjne lub oprogramowanie dla wizualizacji może odczytać, czy polecenie zostało wykonane lub z jakiego powodu jego realizacja była niemożliwa. Komunikat pojawia się tylko w przypadku niewykonanego polecenia, z podaniem przyczyny. Jeśli nie pojawi się komunikat o wystąpieniu błędów, oznacza to, że polecenie zostało wykonane prawidłowo. Oprócz potwierdzenia funkcji, wysyłany jest automatycznie meldunek statusowy.

Meldunki statusowe
Meldunki statusowe informują o stanie modułu sieci LCN wraz z urządzeniem peryferyjnym, czyli czy wyjście jest włączone, czy też wyłączone lub czy przyłączony jest przekaźnik, lub czy czujnik binarny ma wejście. Meldunki statusowe są wysyłane automatycznie po każdej zmianie stanu modułu. Poziom regulacji natężenia światła jest podawany w procentach. Komunikaty stanu można reaktywować za pomocą oprogramowania konfiguracyjnego.

Polecenia stanu
Polecenia stanu, w zależności od stanu modułu, wydają polecenia do modułów lub grup. Polecenia stanu muszą być specjalnie aktywowane. Są one przyporządkowane określonym przyciskom w oprogramowaniu modułów i mogą monitorować dwa lub trzy różne stany. W przypadku elektronicznych wyjść modułów istnieją stany: „całkowicie włączony”, „ściemnianie” i „całkowicie wyłączony”. Moduły przekaźnikowe rozróżniają tylko stan „włączony” i „wyłączony”. Polecenia stanu różnią się od meldunków statusowych tym, że nie pokazują tylko stanu systemu, ale określony stan systemu wydaje w następstwie dalsze polecenia. W ten sposób można tworzyć logiczne połączenia (np. sterowanie następcze).

Magistrala dwużyłowa

Oprócz wspomnianej już magistrali sieciowej LCN na poziomie segmentów i magistrali sieciowej do łączenia ze sobą segmentów, istnieje dwużyłowa magistrala LCN do specjalnych zastosowań. Jest ona wykorzystywana wtedy, gdy:
• części sieci LCN są odseparowane galwanicznie (np. w celu połączenia podrozdzielnic w sposób umożliwiający wymianę danych),
• istnieje konieczność wykonania instalacji długości okablowania przekraczających 1000 m.
Magistrala dwużyłowa (rys. 11) odseparowuje galwanicznie żyłę transmisji danych za pomocą sprzęgu optycznego i zapobiega w ten sposób przedostaniu się napięcia. Ponieważ równocześnie następuje wzmocnienie sygnału, każdy odcinek magistrali może mieć w takim przypadku długość do 1000 m. Do łączenia ze sobą odcinków stosuje się wzmacniacze, które z kolei można łączyć ze sobą żyłą telekomunikacyjną. W takim przypadku maksymalna długość magistrali dwużyłowej wynosi około 20 m. Jeśli trzeba wykonać dłuższe odcinki to stosuje się światłowody, które łączy się ze wzmacniaczami kablem światłowodowym wykorzystując specjalne układy sprzęgające. Stosując światłowody plastikowe można łączyć ze sobą układy sprzęgające w odległości do 100 m, a stosując światłowody z włókna szklanego do 2000 m (opcjonalnie nawet więcej).

Podsumowanie

LCN oferuje system automatyzacji budynku o uniwersalnym zastosowaniu, cechujący się przejrzystą strukturą, prostą instalacją i wielofunkcyjnymi modułami. Instalacje tego typu są stosowane od kilkunastu lat w wielu inwestycjach budowlanych różnej wielkości realizowanych na całym świecie.

Krzysztof Michalik
Mariusz Szafrański
Autorzy są pracownikami
firmy LCN Polska

Bibliografia:
[1] LCN – Systembeschreibung Issendorf Mikroelektronik,
[2] LCN – Produkthadbuch Issendorf Mikroelektronik,
[3] Möbus H., Gresbrand N.; Gebäudesystemtechnik mit LCN. Berlin: Huss Medien, Verlag Technik 2002.