W latach 70. ubiegłego wieku został opracowany kluczowy dla współczesnych sieci komunikacyjnych standard Ethernet. Standard automatyki budynkowej KNX (wcześniej znany jako EIB) powstał pod koniec lat 80. To dwa milowe kroki, dzięki którym możliwe jest samoczynne działanie wielu systemów w naszym otoczeniu, komunikowanie się z urządzeniami technicznymi, ich programowanie, sterowanie, monitorowanie, realizacja celów, których osiągnięcie bez tych rozwiązań byłoby niemożliwe.

W latach 70. ubiegłego wieku został opracowany standard Ethernet. Od tego czasu ewoluował, aby stać się niezastąpionym i powszechnie spotykanym w każdym biurze i domu. Niezaprzeczalne zalety powszechności standardu sprawiają, że od wielu lat obserwujemy gwałtowny rozwój standardów Ethernetu przemysłowego i jego (trochę wolniejsze) implementacje w rozbudowanych systemach automatyki procesowej. Następuje standaryzacja (i nieśmiała, bardzo ostrożna implementacja) również w konserwatywnych i bardzo zamkniętych dziedzinach jak np. energetyka czy kolej.
Standard automatyki budynkowej KNX (wcześniej znany jako EIB) powstał pod koniec lat 80. w wyniku połączenia systemów kilku wiodących niemieckich producentów automatyki budynkowej. Początkowo twórcy jako medium transmisyjne stosowali głównie dwuprzewodową skrętkę, dodatkowo oferując medium radiowe i instalację elektryczną jako uzupełnienie. Obecnie cała branża automatyki, nie wyłączając budynkowej i KNX, jako jednego z jej wzorcowych przedstawicieli, dąży do integracji ze światem IT. Wymusza to naturalnie zmiany w ofercie i koncepcjach rozwoju producentów zrzeszonych w organizacji KNX.

Komunikacja magistralna w systemach automatyki budynkowej na tle systemów automatyki przemysłowej

Systemy sterowania i automatyki stosowane w budownictwie opierają się na rozwiązaniach już wcześniej sprawdzonych w różnych gałęziach przemysłu. Na tej podstawie tworzone są standardy branży automatyki budynkowej. Można powiedzieć, że standard KNX wykorzystuje rozwiązania dostępne na rynku automatyki przemysłowej, która szybciej i chętniej implementuje nowe rozwiązania, gdzie każda optymalizacja może oznaczać wymiernie korzyści finansowe dla klienta. W KNX nie było potrzeby przesyłania dużej ilości danych (mimo rozbudowanych mechanizmów kontroli poprawności transmisji informacji, ramka komunikatu w KNX jest zmiennego, zazwyczaj niewielkiego rozmiaru). Rzadko też instalacje były ze sobą łączone na dużych odległościach, bo rzadko kiedy istniała taka potrzeba.

Sieci magistralne stosowane w automatyce procesowej

W zastosowaniach automatyki przemysłowej sieci magistralne pojawiły się w latach 80. Pionierami były sieci w standardach HART i Modbus. Dzięki swojej prostocie i skuteczności są one popularne i chętnie stosowane do dziś. Zastosowano popularną i sprawdzoną infrastrukturę kablową (w przypadku HART kompatybilność z analogowym standardem 4-20 mA, w przypadku Modbus popularny RS485). Oparcie o sprawdzone rozwiązania i ogrom potencjalnych korzyści sprawił, że obawy przed nowym standardem szybko zostały pokonane przez względy ekonomiczne, funkcjonalność i skalowalność. Standardy umożliwiały przesyłanie dużo większej ilości informacji, przy jednoczesnym braku konieczności znacznego zwiększenia wykorzystanego okablowania. Popularność, jaką zyskały te dwa protokoły, sprawiła, że momentalnie zaczęły rozwijać się kolejne standardy komunikacji magistralnej.
Standard EIB powstał pod koniec lat 80., dzięki czemu mógł już czerpać garściami z doświadczeń automatyków w implementacji i tworzeniu magistralnych protokołów komunikacji. Zapewne to było powodem wykorzystania miedzianej skrętki do wzajemnej komunikacji między urządzeniami. Obecnie najpopularniejszym medium dla komunikacji KNX jest właśnie miedziana 2-przewodowa skrętka (2x2x0,8), ale zazwyczaj wykorzystywana jest tylko jedna para. Od początku założeń EIB miało to być główne medium transmisyjne.
Względem standardów takich jak HART czy Modbus nastąpił już pewien rozwój. Pojawiła się możliwość podłączenia i obsłużenia przy użyciu magistrali dużej liczby urządzeń, rozbudowano mechanizmy detekcji kolizji komunikatów oraz zrezygnowano z architektury master-slave, na rzecz decentralizacji i bezpośredniej interakcji między urządzeniami KNX. Przewidziano też możliwość łączenia magistrali np. między oddalonymi budynkami w kompleksie jednego przedsiębiorstwa, aby w późniejszym okresie móc realizować takie rozwiązania np. za pomocą medium światłowodowego. Rozumiejąc potrzebę ograniczenia kosztów i zastosowania również w już wybudowanych obiektach, wprowadzono medium powerline, pozwalające wykorzystać do komunikacji istniejącą sieć elektryczną 230/400 V w budynku. W Polsce standard ten jednak się nie upowszechnił (zapewne ze względu na jakość instalacji elektrycznych w budynkach oraz jakość samej energii dostarczanej z podstacji, w momencie wprowadzania i uruchamiania pierwszych instalacji automatyki w standardzie KNX (wtedy jeszcze występującym pod nazwą EIB). Kolejnym medium uzupełniającym skrętkę były fale radiowe (w zakresie 433 MHz). Pozwoliły zwiększyć obszar zastosowań i dawały wygodę użytkowania z każdego miejsca w zasięgu instalacji. Niestety, w tamtym okresie medium radiowe nie stanowiło specyfikacji KNX, a więc nie miało wszystkich możliwości oferowanych przez media kablowe.
Rozwój technologii, możliwości i wymagań stawianych sieciom komunikacji w automatyce wymusza przesył znacznie większej ilości danych niż kiedyś. Naturalnym trendem jest rozwój instalacji i integracja ich w jednorodne systemy zdalnego nadzoru i sterowania (SCADA). W przypadku prostych informacji procesowych pewnie nadal nie stanowiłoby to problemu, ze względu na dobrą optymalizację struktury ramek danych w protokołach komunikacji przemysłowej. Jednak wprowadzanie nowych funkcji, jak np. rozpoznawania obrazów, wymusza przejście systemów na naprawdę duże prędkości transmisji. Nie wolno tu zapomnieć również o rozwoju w kierunku IoT (internet rzeczy – wiele samodzielnych i rozproszonych urządzeń, komunikujących się ze sobą wzajemnie), którym obecnie być może najbardziej zachwyceni są producenci sprzętu automatyki i ich działy marketingu, ale i te założenia z pewnością będą miały stopniowo coraz większy wpływ na projektantów i integratorów automatyki przemysłowej. W związku z tym naturalnym wydaje się migracja do wspominanego już na początku, popularnego i taniego medium, jakim jest standard Ethernet – początkowo stosowany poza przemysłem tylko w biurach. Z końcem lat 90. zaczęto pracować nad wdrażniem Ethernetu nie tylko do komunikacji ze zdalnymi aplikacjami SCADA, ale także i na poziomie polowym instalacji automatyki. Automatycy odkryli, że protokół opracowany od nowa, z myślą o procesach automatyki, może zaoferować oczekiwaną pewność transmisji i determinizm, jednocześnie nadal oferując zalety, jakimi pochwalić się może Ethernet znany z sieci komputerowych.
Aktualnie trudno w ofertach dużych dostawców automatyki dostrzec producenta, który nie oferuje swoich urządzeń pracujących w oparciu o swój protokół, wykorzystujący jako medium Ethernet i/lub wspiera standardy otwarte lub licencjonowane przez innych producentów. Popularność zyskały także protokoły oparte bezpośrednio na warstwie TCP/IP, a nawet stosujące proste wbudowanie bezpośrednio do ramki protokołu TCP/IP. Ze względu na brak determinizmu może to budzić obawy, ale jednocześnie wprowadzenie mechanizmów sterowania ruchem na poziomie sprzętu sieciowego pozwala na stosowanie takich rozwiązań w wielu aplikacjach. Obecnie sieci polowe coraz częściej w całości budowane są w oparciu o infrastrukturę Ethernet. Na popularności zyskują nawet bezprzewodowe media, znane ze świata komputerów PC i elektroniki użytkowej.

Kierunki rozwoju magistrali komunikacyjnych w KNX

Branża automatyki budynkowej podąża w ślady automatyki przemysłowej, przyjmując rozwiązania sprawdzone i wypracowane na dużo większym rynku, otwartym na nowości i dążącym do ciągłego ulepszania i optymalizacji procesów. Tu jednak zmiany te następują naturalnie wolniej, ze względu na mniejszy rynek. Ze względu na mniejsze znaczenie determinizmu przy transmisji komunikatów również kierunki rozwoju są trochę inne. Co ciekawe, proces zmian jest bardzo podobny. Wprowadzony jest w pierwszej kolejności do zadań zarządzania siecią i transmisji informacji na odległość (tzn. do retransmisji danych między podsieciami (np. między piętrami, między budynkami) lub do kontroli i wizualizacji instalacji (SCADA)). Obecnie na poziomie łączenia podsieci Ethernet jest już często stosowany. Do połączenia z lokalną siecią komputerową w budynku, tak aby umożliwić podgląd stanu instalacji i kontrolę przez internet, można w zasadzie powiedzieć, że już powszechnie.
Ethernet pozwala na łatwą i tanią integrację z internetem. Połączenie magistrali opartej na 2-przewodowej skrętce ze światem internetu ogranicza się obecnie do wykorzystania specjalnego routera KNX/IP – wystarczy z jednej strony wpiąć skrętkę KNX z drugiej we wtyk RJ45 włożyć wtyczkę skrętki komputerowej oraz podać zasilanie. Do skonfigurowania takiego routera potrzebna jest tylko podstawowa wiedza z zakresu sieci komputerowych.
Obecnie większość użytkowników inteligentnych domów, wyposażających swoje lokale w stosunkowo kompleksowe sterowanie, wymaga również możliwość podglądu aktualnego stanu instalacji („czy zostawiłem włączone światło na piętrze?”) i wygodnego sterowania już nie tylko z centralnego panelu/ komputera dotykowego, ale także z każdego miejsca w domu np. aplikacją na telefonie. Najprościej jest to wykonać podłączając instalację KNX do lokalnej sieci komputerowej. Centralny komputer zostanie podłączony przez Ethernet, uzyskując pewność i niezawodność medium kablowego. Telefon z aplikacją kliencką do podglądu i sterowania podłączony zostanie do sieci WiFi, które ostatnio są przewidziane tak, aby mieć zasięg w większości lokalu, tym samym oferując wygodę sterowania i funkcjonalność nieporównywalnie większą niż tradycyjne piloty radiowe.
Szerokie otwarcie na sieć komputerową obecnie jest zauważalne także w produktach innych producentów automatyki domowej oraz sprzętu AGD/RTV. Pozwala to na integrację urządzeń i systemów między sobą, nawet jeśli producenci nie przewidzieli takiej ewentualności. Naturalnie, nadal będzie to proces dużo trudniejszy i bardziej czasochłonny, a nierzadko i tak nie oferujący podobnej funkcjonalności, co w przypadku wykorzystania gotowej bramki łączącej obce protokoły.
Mówiąc o integracji instalacji automatyki ze światem IT, należy podkreślić, wcześniej już wspomniany, ale nie zaakcentowany fakt znacznego obniżenia kosztów instalacji. Takie obniżenie kosztów dostrzeżemy, jeśli np. będziemy chcieli rozbudować instalację czy zintegrować w jeden system zarządzania dwie instalacje. Przy wykorzystaniu skrętki czy światłowodu oznaczałoby to konieczność rozkuwania ścian i położenia nowych kabli. Mając do dyspozycji Ethernet, po prostu wpinamy się do sieci komputerowej, która obecnie jest poprowadzona w każdej nowej nieruchomości. W tym miejscu nie wolno także zapomnieć o technologii PoE, która niby niepozorna, ale często pozwala zaoszczędzić wiele problemów poprzez zasilanie urządzeń za pomocą kabla skrętki komputerowej.

Tu przechodzimy już do świata IoT i komunikacji radiowej. Będąc już w świecie internetu, możemy skorzystać z technologii WiFi. Kto teraz nie ma w domu sieci WiFi? Większość osób ma. Ma ona swoje wady jak np. zmniejszenie bezpieczeństwa, czy ciągłe promieniowanie... ale w praktyce w domu i tak najbardziej przeszkadza ograniczony zasięg i wzajemna interferencja z innymi sieciami WiFi, których w miastach niestety nie brakuje. Mimo iż najpewniejsze zawsze zostanie tradycyjne gniazdko komputerowe zamontowane w ścianie, kto nie docenia swobody przeniesienia się od czasu do czasu z laptopem w dowolne miejsce mieszkania czy domu czy bycie online w smartfonie, kiedy tylko się ma na to ochotę. Dzięki sieci WiFi bardzo wygodnie też możemy sterować całym domem, siedząc na kanapie, czy otworzyć gościowi furtkę do domu, będąc akurat w toalecie. Duży ekran tabletów czy smartfonów pozwala na tworzenie wygodnych i intuicyjnych w obsłudze aplikacji, oferujących przy tym szeroki zakres funkcjonalności, zazwyczaj „uszyty” na miarę i dostosowany do oczekiwań klienta. Jednym słowem wygoda.
Nie chcąc korzystać z WiFi, można skorzystać z technologii KNX RF, czy systemów konkretnych producentów (np. eNet) z branży KNX. Już wcześniej KNX oferował łączenie z medium radiowym, ale tamto nie oferowało pełnej komunikacji dwustronnej. Czemu więc klienci mieliby się ograniczać? Jeśli w przyszłości będą chcieli zwizualizować stan całej instalacji radiowej (nawet bardzo rozbudowanej!) na ekranie smartfona, czemu nie mieliby móc tego zrobić? Od kilku lat już można. Zakres fal i moc nadajników pozwala jednocześnie na objęcie zasięgiem sieci dużo większego obszaru. Technologia KNX RF jest w pełni kompatybilna z KNX i umożliwia wymianę wszystkich informacji. Dzięki temu tam, gdzie koszty położenia kabli byłyby bardzo wysokie, nie oferowały pełnej swobody, a jednocześnie korzyści z ich stosowania byłyby niewielkie, możemy rozszerzyć domową instalację o np. ogród, gdzie sterowanie rozbudowanym atrakcyjnym podświetleniem będzie niesamowicie wygodne za pośrednictwem urządzeń radiowych, czy z poziomu wizualizacji na smartfonie.
Organizacja KNX dba również o otwarcie na tendencje rozwojowe elektroniki konsumenckiej. Obecnie promowanym kierunkiem rozwoju jest IoT (ang. Internet rzeczy, czyli łączenie w jeden świat wielu mikrourządzeń). W świecie elektroniki użytkowej jest to trend popularny, tak samo i KNX chce się otworzyć się na te trendy.
KNX możemy połączyć z urządzeniami AGD, czy popularnymi systemami elektroniki użytkowej, które są popularne w określonych, ale mocno ograniczonych obszarach. Będą to – przy często nadużywanym, a często nawet czysto marketingowym pojęciu IoT – popularne systemy elektroniki użytkowej, Już teraz możemy je łączyć z KNX bez zagłębiania się w „świat IoT”. KNX jest wiodącym systemem automatyki budynkowej, wobec czego producenci oferują szereg bramek do integracji między protokołami, umożliwiając integracje ich urządzeń, czy systemów, z KNX. Jeśli nie oferują, to często możemy wiele problemów rozwiązać przechodząc na poziom sieci komputerowej i na tym poziomie integrować urządzenia lub systemu (co niestety zazwyczaj wymaga wiedzy eksperckiej i czasu!). W ten sposób możemy zintegrować bardzo atrakcyjną technologię np. żarówek Philips HUE, która świetnie sprawdzi się w pokoju dziecięcym i wolno stojącej lampie w salonie. Mało ergonomiczne sterowanie jedną żarówką za pośrednictwem smartfonu nabierze zupełnie innego wymiaru przy integracji z całą instalacją sterowania domem!

Bezpieczeństwo

Integracja systemów sterowania ze światem IT przynosi naturalnie wiele wątpliwości, jeśli chodzi o bezpieczeństwo transmisji i zachowanie prywatności użytkowników takich sieci. Smutno to przyznać, ale producenci często zaniedbują stosowanie zabezpieczeń w swoich protokołach komunikacyjnych. W folderach temat ten jest pomijany, w odpowiedzi na pytania integratorów często jedyną odpowiedzią jest stosowanie do połączeń szyfrowanych tunelów VPN i poprawna konfiguracja firewalla sieci IT, z którą integrowana jest sieć automatyki. Skutkuje to potem np. spektakularnymi filmikami na youtube z przejęcia kontroli nad jadącym autem przez hakerów w kontrolowanych warunkach (nie chcąc szerzyć teorii spiskowych, wydaje się, że na szczęście – póki co – zainteresowani tym są tylko tzw. White hats, czyli można powiedzieć hakerzy-naukowcy, który chcą pochwalić się swoimi dokonaniami i tym samym poprawić zabezpieczenia producentów bez zagrożenia dla użytkownika).
Organizacja KNX planuje w tym roku znacznie uszczelnić bezpieczeństwo komunikacji już na poziomie magistralnej komunikacji między urządzeniami. Wydaje się jednak, że brakuje konkretnych informacji o zabezpieczeniach, jakie faktycznie będą wprowadzone i w jaki sposób. Nie można przecież całkowicie zrezygnować z elastyczności, czy wstecznej zgodności urządzeń na rzecz bezpieczeństwa. Tu zawsze obowiązuje zasada złotego środka. Zagadnienie nie jest proste. Popularne systemy komunikacji przemysłowej, a przynajmniej te, z którymi autor się praktycznie zetknął, są słabo zabezpieczone przed szeregiem, często nawet prostych, ataków. Zapowiedzi Stowarzyszenia KNX są szumne i spektakularne, miejmy nadzieję że nie będą to tylko slogany reklamowe.

Odległa przyszłość, tuż za rogiem

W obecnych czasach przyszłość wydaje się być tuż za rogiem. Co nas napawa optymizmem, to coraz większa wygoda i oszczędność czasu przy wykonywaniu codziennych czynności. Co napawa przerażeniem, to coraz większa i powszechna utrata prywatności. Najczęściej, na szczęście, sami decydujemy, z jakich usług chcemy korzystać i jak bardzo pozwolić innym na ingerowanie w naszą prywatność. W tym samym kierunku chce iść KNX.
KNX otwiera się na świat IoT, ale nikt nie zmusza do automatycznego połączenia np. z naszym pulsomierzem czy kalendarzem spotkań. Łączymy się tam, gdzie to będzie dla nas stanowiło wartość, czy miało wpływ na wygodę działania (lub leniuchowania). KNX to szereg niezależnych producentów i wielorakość produktów – da nam to swobodę wyboru w zmieniającym się świecie.
KNX otwiera się także na integrację z typowo przemysłowymi standardami komunikacji. Instalacja automatyki budynkowej będzie nie tylko na bieżąco oszczędzała energię w budynku, ale będzie aktywnie kontrolować jej zużycie na podstawie obciążenia miejskiej sieci elektrycznej, czy samodzielnie produkowanej energii z przydomowych instalacji wytwarzania zielonej energii.
Trwają już prace nad przekształceniem czasem nadużywanych i papierowych pojęć, takich jak smart grind czy smart city (nie mówiąc o smart metering, która to integracja z urządzeniami do pomiaru i kontroli zużycia energii jest od jakiegoś już czasu dostępna w szeregu produktów KNX), w praktycznie funkcjonujące rozwiązania. Są to aktualnie tylko koncepcje i eksperymenty prowadzone na niewielką skalę, ale… odległa przyszłość jest już tuż za rogiem. [KNX Journal 1/2016, KNX Journal 1/2015].
Świat dąży do coraz większej integracji usług i w zgodzie z tym trendem podąża organizacja KNX. Rynek systemów automatyki budynkowej będzie rósł coraz szybciej i coraz bardziej otwierał się na integracje podsystemów automatyki i systemów zewnętrznych. Wydaje się, że korzystanie ze standardów takich jak KNX pozwoli na łatwe korzystanie ze wszelkich nowinek technicznych i wygód, które niesie przyszłość. Będzie nam wygodnie, zadbamy o racjonalne zużycie energii całego miasta, a centralny system zarządzania domem sam opłaci rachunki za zużytą energię (zoptymalizowane) i zamówi produkty, których brakuje w lodówce, a które zawierają akurat tyle białka i witamin, by uzupełnić braki organizmu po ostatniej naszej wizycie na siłowni. Naszym zadaniem będzie tylko decyzja, jak dużo czynności i decyzji chcemy przerzucić na automatykę i komputery i jak dużo informacji o nas udostępnić, a ile chcemy zrobić samodzielnie, bo to lubimy… bądź po prostu nie chcemy się tym dzielić z „internetem rzeczy”. Przyszłość należy do automatyki i integracji usług. Naszym zadaniem będzie znalezienie złotego środka.

Albert Dubrawski
ISI – Innowacyjna Spółka Inżynierska