M-Bus

M-Bus (Meter-Bus) je standardizovaná komunikační sběrnice a protokol používaný hlavně v systémech měření energií a médií pro sběr dat z elektroměrů, vodoměrů nebo plynoměrů. Funguje v topologii master–slave, kde centrální zařízení (master) postupně komunikuje s jednotlivými měřidly a získává z nich odečty, stavy nebo diagnostická data. Výhody jsou možnost napájet některé měřiče přímo ze sběrnice, vysoká odolnost proti rušení, dlouhé komunikační vzdálenosti a jednoduché zapojení více zařízení na jednu linku. Nevýhodou bývá nižší přenosová rychlost oproti moderním systémům a také omezení hlavně na oblast měření a MaR aplikací. V praxi se M-Bus používá zejména v bytových domech, průmyslových objektech nebo systémech energetického managementu pro automatické dálkové odečty. Principem a použitím se podobá například sběrnici RS-485 s protokolem Modbus, ale je optimalizovaný přímo pro měřicí techniku a nízkou spotřebu zařízení.

Zátěž sběrnice se udává v jednotkách zátěže (UL, Unit Load); 1 UL odpovídá 1,5 mA.

Tabulka níže zobrazuje dostupnost a mapování M-Bus portů na porty v Linuxu.

M-Bus je označen následujícími popisky:

• Mx+ Kladný pól a napájení
• Mx- Záporný pól a zem sběrnice
• SH Stínění

M-Bus komunikační rozšíření může být připojeno k jakékoliv variantě produktu Unipi Edge. Je identifikováno v Part Number (PN) kódu koncovkou „-Mx“, kde x je číslo.

Rozšíření zvyšuje dolní mez povoleného rozsahu napájecích napětí z 10,2 V (pro samotný Unipi Edge) na 20 V (pro Unipi Edge s M-Bus rozhraním). Unipi Edge s M-Bus rozšířením lze i nadále napájet již od cca 12 V, ale nelze dosáhnout shody všech parametrů (zejména výkon) v celém rozsahu teplot.

M-Bus je přítomen na Unipi Edge s koncovkou PN:

• -M2 1 kanál max 120 UL, max. trvalý klidový proud 185 mA (do 55 °C okolí, viz Technické parametry)
• -M5 1 kanál max 10 UL, max. trvalý klidový proud 25 mA
• -M6 1 kanál max 60 UL, max. trvalý klidový proud 95 mA

Sběrnice M-Bus je specifická mnoha instalačními podmínkami a chybná instalace může způsobit nefunkčnost, nebo i snížení životnosti jednotky. Věnujte prosím proto pár minut informacím v této kapitole. Usnadní Vám instalaci, případně objasní možné problémy či ukáže, pro jaké podmínky jsou navržené určité části systému a jak docílit lepších parametrů.

Unipi Edge napájí sběrnici napětím 35 V, přičemž norma udává minimální napětí pro měřidlo 24 V. Rozdíl těchto napětí 11 V je rezerva pro úbytek napětí na lince způsobený procházejícím proudem všech měřidel. Norma limituje maximální odpor smyčky na 60 Ohm, avšak napěťová rezerva limituje více.

Typické, pro M-Bus používané měděné kabely (JYSTY) mají vnitřní odpor odvislý podle průřezu:

Tento vnitřní odpor vodičů je limitujícím faktorem určujícím maximální vzdálenost zařízení od napáječe. Pro maximální vzdálenost jedné větve M-Bus linky platí vztah:

              Ud [V] - 2 * Nu [UL] * Nu [UL] * Rt [Ohm/terminal] * 0.0015 [A]
L [km] = 2 * ----------------------------------------------------------------
                       2 * Nu [UL] * Rv [Ohm/km] * 0.0015 [A]

Kde L je vzdálenost jedné větve při odporu přípojných kontaktů Rt a měrného odporu jednoho vodiče Rv, pro úbytek napětí na sběrnici Ud = 11 V a pro počet zamýšlených zařízení na lince Nu.

Ilustrační příklad (hodnoty nemusí být přesné):

120 zátěží může být s vodičem 0,5 mm² rozloženo na jedné větvi dlouhé 700 m, ale v případě realizace dvou větví stejným vodičem a zdrojem napájení připojeným uprostřed můžou být větve dlouhé až 760 m (celková délka 1 500 m).

Pro eliminaci rušení je vhodné sběrnici tahat stíněným kabelem (např JYSTY 1x2x0,6, 0,28 mm²).

Pokud není stínění připojeno na jednom místě k zemnímu potenciálu budovy, může naopak rušení do vodičů přitáhnout. Pro vyšší účinnost stínění je třeba stínící oplet kabelu připojit na jednom místě k zemnímu potenciálu budovy. Pro tento účel je vyvedena třetí svorka SH.

Velmi vysokou úroveň rušení je možné dodatečně navíc potlačit i připojením feritového korálku(alternativní odkaz) na vodiče sběrnice blízko Masteru. Je potřeba zkusit, zdali na celý kabel včetně stínění, nebo jen na vodiče kabelu, a je potřeba vyzkoušet více druhů feritů podle toho jaké rušení sběrnici ovlivňuje.

M-Bus sběrnice je od zbytku Edge izolována s izolací odpovídající 1,5 kV DC a je testována proti přeskokům 2 kV trsu impulsů i 2 kV napěťovému rázu mezi sběrnicí a PE. To odpovídá odolnosti pro instalaci uvnitř budov, v „bezpečné“ části rozvaděčů.

Pokud je potřeba, aby M-Bus sběrnice opustila chráněnou zónu ochrany před bleskem (LPZ), je vhodné v místě vstupu do budovy přidat přepěťovou ochranu, která sníží úroveň napěťových rázů na snesitelnou mez. Instalace bude pracovat i bez této ochrany, nicméně snížíte životnost výrobku.

Mezi typické případy, kdy je vhodné použít přepěťové ochrany (Unipi Edge uvnitř budovy) patří odečty:

• elektroměru v rozvaděči na hraně pozemku
• elektroměru u měniče solární elektrárny
• měřidel v jiné budově / přes ulici
• vodoměru ve vodoměrové šachtě v blízkosti svodiče bleskosvodu
• elektroměrů v jedné budově ale z více zdrojů (záložní linka, diesel generátor, …)

Mezi vhodné přepěťové ochrany patří ty, které jsou dimenzované pro ochranu 36 V systémů, tedy podobné těmto:

• Přepěťová ochrana M-Bus
• Přepěťová ochrana 48V

Integrovaná protizkratová ochrana omezuje proud mezi svorkami sběrnice na nejvýše 3 A po celou dobu zkratu. Toto omezení je zaručeno nejméně po dobu 50 ms. Nadproudová ochrana výstupu nedovolí napájet trvale sběrnici proudem vyšším než 5 UL (7 mA) nad limit specifikovaný v katalogovém listu produktu.

Při zkratu i při nadproudu na sběrnici je aktivována LED ERR, je odpojen výstup a po pauze 3 sekund se sběrnice pokouší o opětovné zapnutí. Je vhodné, aby aplikační software tento stav detekoval a po několika pokusech výstupní napětí vypnul příkazem uvedeným níže.

Chybový stav (stav signálky ERR) lze zjistit ze souboru:

 cat /run/unipi-plc/by-sys/mbus.1/led.err/brightness

Popis chování ERR LED

Vizualizace těchto stavů je popsána níže v sekci LED indikace.

Napájení sběrnice lze ovládat příkazy:

• Vypnutí sběrnice

 echo disabled | sudo tee /sys/devices/platform/unipi-mbus/state

• Zapnutí sběrnice

 echo enabled | sudo tee /sys/devices/platform/unipi-mbus/state

Unipi Edge má implementováno cca 10 % pásmo přetížení nad kterým začíná reagovat nadproudová ochrana. Toto je z důvodu výrobních tolerancí a zaručení funkce ve všech provozních podmínkách (zejména teploty, funkce zkratové ochrany atd.). Pokud je na M-Bus portu zařízení trvale zapojeno více UL než specifikuje katalogový list, sběrnice může i nadále fungovat. Není však zaručeno, že při případné servisní výměně bude při těchto podmínkách pracovat i nové (vyměněné) zařízení vzhledem k výrobním tolerancím. Takto přetížená sběrnice nesplňuje podmínky pro správnou funkci zařízení a na případnou podporu či reklamace funkčnosti nebude brán zřetel.

Některá bezbateriová zařízení konzumují více UL než definuje norma, je někdy proto obtížné určit, jaký proud aktuálně zapojenou sběrnicí teče.

Aktuální proud sběrnicí lze změřit dočasným vložením 6,8ohmového rezistoru Rs (zapojení v sérii se sběrnicí) se ztrátovým výkonem 2 W a změřením stejnosměrného úbytku napětí Ur na něm. Aktuální zátěž je pak definovaná vzorcem:

                       Ur [V]                   
 Ibus [UL] = -------------------------- = Ur [V] * 98 [UL/V]
              Rs [Ohm] * 0.0015 [A/UL]

Při dané hodnotě odporu je zátěž přibližně 1 UL na každých změřených 10 mV. Pozor, při vložení odporu nemusí celá sběrnice komunikovat. To ale není na závadu, protože toto orientační měření s rezistorem je třeba provést jednou (při odhalování potíží) a rezistor posléze odpojit do původního stavu.

Příklad: Změřená hodnota 600 mV odpovídá proudu sběrnicí přibližně 60 UL.

Norma při správném návrhu sběrnice v poli umožňuje provoz sběrnice s jedním poškozeným měřidlem, tzn. first failure stav. Aby tato vlastnost normy mohla být účinná, musí uživatel při výpočtu potřebného výkonu sběrnice rezervovat 100 mA (67 UL) pro toto poškozené měřidlo.

Tento mechanismus je v současnosti možný pouze pro varianty M2 (120 UL).

Unipi Edge s M-Bus splňuje následující normy:

• ČSN EN IEC 60730-1
• ČSN EN IEC 61000-6-2
• ČSN EN IEC 61000-6-3
• ČSN EN 13757-2

Pokud je napájení sběrnice vypnuté nebo právě neprobíhá žádná komunikace, tak budou všechny M-Bus LED vypnuté:

Vypnutá M-Bus sběrnice

V případě, že na sběrnici je připojeno alespoň jedno měřidlo a v jednotce běží program, který sběrnici používá a vyčítá data ze zařízení, tak může indikace vypadat následovně:

Korektní chování M-Bus sběrnice

Blikání nebo zapnutí ERR LED indikuje chybu M-Bus sběrnice. Ukázky chování jsou níže.

Animace jsou pouze ilustrační, protože jednotlivé poměry blikání závisí na typu a míře chyby.

Přetížení M-Bus sběrnice

Zkrat M-Bus sběrnice

Nespecifikovaná chyba sběrnice M-Bus