Разработка проекта "Умный дом"

... ...

ВВЕДЕНИЕ 4
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ «УМНОГО ДОМА» 6
1.1 Базовые понятия «Умного дома» 6
1.2 Протоколы передачи для автоматизации зданий 9
1.3 Описание технологического процесса и модель автоматизации 15
2 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЗДАНИЕМ 19
2.1 Анализ и выбор контроллера 19
2.2 Выбор модулей ввода-вывода 24
2.3 Разработка микропроцессорной сети 28
3 ДЕТАЛЬНАЯ РАЗРАБОТКА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ 31
3.1 Анализ программного обеспечения для работы с контроллером 31
3.2 Система обогрева помещений 33
3.3 Система вентиляции 38
3.4 Система управления освещением и ландшафтным отоплением 42
3.5 Система мониторинга 44
3.6 Разработка человеко-машинного интерфейса 45
4 РАСЧЕТ СТОИМОСТИ ВНЕДРЕНИЯ СИСТЕМЫ «УМНЫЙ ДОМ» 47
5 БЕЗОПАСНОСТЬ И САНИТАРНО - ГИГИЕНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТРУДА НА РАБОЧЕМ МЕСТЕ ОПЕРАТОРА 50
5.1 Требование к рабочему месту 50
5.2 Параметры микроклимата 51
5.3 Обоснования выбора системы освещения 53
5.4 Электробезопасность 54

5.5 Пожарная безопасность 56
5.6 Электромагнитные излучения и уровень ионизации воздуха 58
5.7 Эргономические показатели 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 63

ВВЕДЕНИЕ


Любое здание - будь-то административное, производственное или жилое состоит из некоторого набора подсистем, отвечающих за выполнение определенных функций, которые решают различные задачи в процессе функционирования этого здания. По мере усложнения этих подсистем и увеличения количества, выполняемых ими функций, управление ими становилось все сложнее. Также стремительно растут расходы на содержание обслуживающего персонала, ремонт и обслуживание этих подсистем. Впервые эти проблемы встали при эксплуатации больших административных и производственных комплексов.
Современное здание такого типа - это город в миниатюре. Фактически в нем действуют все службы, являвшиеся ранее непременными атрибутами городского хозяйства. В таких зданиях обычно существует административная служба или адм инистратор, которые используют и обслуживают эту систему практически круглосуточно. Хотя есть немало средств автоматики, которые сами справляются с возложенными на них задачами, такими, как отопление, вентиляция, поддержание микроклимата, освещение, пожарная сигнализация, дымоуничтожение, контроль входа/выхода и т.п., но управление и обслуживание всех этих систем требует наличие администрирующего персонала.
Его обязанностью является контроль работы этих подсистем и принятие мер в случае выхода их из строя. Но есть ситуации, когда даже действия квалифицированного персонала могут оказаться неэффективными. Это случаи возникновения угрозы зданию и находящимся в нем людям, имеющие глобальный характер - пожар, землетрясение и другие стихийные бедствия, террористические атаки. Здесь нужно принимать экстраординарные меры в считанные доли секунды. Реакция и корректность действий людей в критической ситуации может оказаться недостаточной.

Традиционные системы обеспечения различных аспектов жизнедеятельности в прошлом проектировались как автономные. Такие системы, создававшиеся отдельно для каждой функции и объединенные для произвольной части здания. В зданиях устанавливались системы только с теми возможностями и с той степенью сложности, какие были необходимы на текущий момент построения здания. Дальнейшее расширение и модернизация данных систем были сложными и дорогостоящими задачами из-за множества различных факторов. Затраты на эксплуатацию такой системы слагаются из затрат на эксплуатацию каждой автономной системы в отдельности, стоимости обучения персонала Стоимость эксплуатации этих систем высока - в силу их автономности каждая из них поддерживается отдельно. Стоимость обучения персонала столь же высока, поскольку операторы должны быть ознакомлены с эксплуатацией каждой автономной системы.
Целью работы является разработка системы автоматизации жилого пространства, внедрение которой даст возможность управлять работой ее объектов (освещением, электроснабжением, вентиляцией, отоплением) в автоматическом режиме.
Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:
• проанализировать существующие технологии автоматизации здания,
• разработать схемы узлов для системы автоматизации;
• изучить основные технологии построения систем «Умный дом» и выбрать средства разработки программного обеспечения для контроллера;
• выбрать оборудование для системы автоматизации;
• построить систему автоматизации «Умный дом»;
• рассчитать затраты на проектирование и организацию системы «Умный дом».

ПЛК были разработаны для замены релейно-контактных схем управления, собранных на дискретных компонентах: реле, таймерах, счетчиках, элементах жесткой логики. Принципиальное отличие ПЛК от релейных схем заключается в том, что в нем все алгоритмы управления реализованы программно. При этом надежность работы схемы не зависит от ее сложности. Использование программируемых логических контроллеров позволяет заменить одним устройством любое необходимое количество отдельных элементов релейной автоматики, что увеличивает надежность системы, минимизирует затраты на ее тиражирование, ввод в эксплуатацию и обслуживание. ПЛК может обрабатывать дискретные и аналоговые сигналы, управлять клапанами, сервоприводами, преобразователями частоты и другими устройствами. Типовая структура ПЛК показана на рисунке2.1
Рисунок 2.1 – Типовая структура ПЛК
Цепи ПЛК разделаны на три основные гальванические изолированные зоны. Электрическая изоляция обеспечивает безопасность, когда отказ в одной зоне не приводит к нарушениям в другой. Магнитная изоляция между первичной и вторичной сторонами обусловлена использованием трансформатора в системе электропитания. Оптопары обеспечивают оптическую изоляцию во входной и выходной цепях: это разделяет логические цепи от стороны полевых устройств, к которой подсоединены механизмы. Дискретные входы отделены от дискретных выходов. Гальваническая изоляция защищает интерфейс оператора (и самого оператора) от сбоев во входном электропитании или сбоев в схемах. Очень важно при монтаже ПЛК исключить создание внешних связей, соединяющих цепи логической стороны с любой другой.
Современный рынок средств автоматизации предлагает широкий спектр аппаратных и программных устройств для построения надежных и удобных в эксплуатации систем. Очень трудно правильно сориентироваться в море контроллеров, промышленных компьютеров, пакетов ПО, чтобы выбрать оптимальное по производительности оборудование и сохранить при этом одного поставщика технических средств и единую среду разработки ПО.
В настоящее время на рынке автоматизации представлен достаточно большой набор ПЛК. Все они имеют различные технические и эксплуатационные характеристики. Среди известных фирм производителей можно выделить такие, как: Advantech, Siemens, Honeywell, Beckhoff и т.д.
Для автоматизации зданий компания Advantech выпускает контроллеры серии ADAM , работающие по интерфейсу RS 485 и протоколу TCP. Одним из представителей серии ADAM является контроллер ADAM 5000/TCP . Этот контроллер работает по протоколу ModBus/TCP , что позволяет легко интегрировать данное устройство со SCADA системами и другими пользовательскими приложениями. В качестве недостатка можно выделить относительно не большое количество подключаемых к контроллеру модулей ввода-вывода.
Из серии контроллеров фирмы Siemens можно выделить компактный ряд PXC…D. Эти контроллеры очень часто выбирают фирмы-разработчики в качестве базовых для создания «умных домов». Цены на эти ПЛК колеблются от 800 до 1800 EUR.
В последнее время, как во всём мире, так и в нашей стране приобретают популярность контроллеры фирмы Beckhoff, которая разработала передовую технологию для любых типов сигналов и любых видов промышленных шин Стоимость контроллеров Beckhoff составляет в среднем от 300 до 1100 EUR. Среди разработок Beckhoff имеется широкий ассортимент модулей ввода-вывода и интерфейсных шлюзов, поддерживающий все наиболее распространенные промышленные шины.
Проведенный анализ контроллеров таких фирм как Advantech, Siemens и Beckhoff показал, что разрабатываемые этими компаниями контроллеры удовлетворяют современным требованиям по автоматизации. У них есть свои сильные стороны и недостатки. В итоге, проанализировав специфику задачи, в качестве базового контроллера для «умного дома» был выбран ПЛК фирмы Beckhoff BC9000. Стоимость данного контроллера и модулей ввода-вывода сравнительно не велика, что очень важно для внедрения в объект домашней автоматизации. Это позволит значительно снизить затраты на оборудование.
На рисунке 2.2 показан внешний вид контроллера BC9000. Конструктивно контроллер серии ВС9000 выполнен в виде отдельного блока из негорючего пластика. Блок содержит центральный процессор, источник питания, панель управления, коммуникационные порты и объединительную плату для установки модулей ввода-вывода. Контроллер без труда установливается на DIN-рейку или на панель. Причем для монтажа не требуется никаких дополнительных конструктивных элементов. При этом обеспечивается открытый и удобный доступ к панели управления, к слотам для установки или замены модулей ввода-вывода и коммуникационным разъемам.
Рисунок 2.2 - Внешний вид контроллера ВС9000
Ниже приведен пример подключения модулей к контроллеру
Рисунок 2.3 – Пример подключения модулей к контроллеру
Контроллер BC9000 работает по протоколу TCP/IP. Программирование и загрузка программы в контроллер осуществляется посредством использования программного обеспечения TwinCAT. Основные характеристики контроллера BC9000 приведены в таблице 2.2
Таблица 2.2 - Основные характеристики контроллера BC9000
Память для программ
64 Кб
Длительность цикла обработки команды
1,5 мс для 1000 инструкций
Число подключаемых модулей
64
Протокол передачи данных
ТСP
Язык программирования
IEC 61131-3 (IL,LD,FBD,SFC, ST)
К-во цифровых периферийных сигналов
512 входных/512 выходных
К-во аналоговых периферийных сигналов
128 входных/128 выходных
Сетевой разъём
RJ 45
Электропитание
24 В DC (-15%/+20%)
Рекомендуемый плавкий предохранитель
<10 A
Из таблицы видно, что данный контроллер полностью подходит для построения микропроцессорной сети «умного дома» и удовлетворяет основные требования по количеству поддерживаемых точек ввода-вывода.
2.2 Выбор модулей ввода-вывода
В настоящее время разводка входных и выходных сигналов производится децентрализовано к устройствам, подключенным напрямую к промышленной шине и централизованно к программируемым логическим контроллерам. Нередко используются специфичные устройства с фиксированной конфигурацией сигналов входов/выходов, что приводит к необходимости применения целых групп однотипных устройств.
Этот дорогостоящий способ сбора сигналов требует дополнительных затрат на материалы, монтаж, проектирование и документацию, особенно при дальнейшей модификации или расширении системы, ложась дополнительным бременем на плечи обслуживающего персонала. Поэтому для построения система ввода-вывода «умного дома» была выбрана система ввода-вывода Beckhoff, состоящая из электронных модулей. Она является открытой и построенной на концепции независимой периферии от промышленной шины. Головным ведущим электронным модульным блоком является шинный контроллер с интерфейсом промышленной шины.
Для подключения датчиков выбраны модули ввода KL1408 и KL3204. Эти модули совместимы с теми типами датчиков, которые используются для построения «умного дома».
На рисунке 2.3 изображён внешний вид модуля KL1408.
Рисунок 2.3 - Внешний вид модуля KL1408
Модуль дискретного ввода KL1408 предназначен для получения управляющих сигналов от датчиков и передачи их в контроллер. Подробные технические характеристики приведены в таблице 2.3.
Таблица 2.3 - Технические характеристики модуля KL1408
Количество входов
8
Номинальное напряжение
24 V DC (-15%/+20%)
“0” напряжение сигнала
От 3 до 5 V
“1” напряжение сигнала
От 11 до 30 V
Потребление тока
5 mA
Вес
70 г
Диапазон рабочих температур
От 0 до +55 С
Относительная влажность воздуха
95 %
Модуль аналогового ввода KL3204 предназначен для подключения датчиков температуры (терморезисторов). При возникновении неполадок, например обрыв кабеля между модулем и датчиком, на корпусе модуля загорается соответствующий светодиод. Подробные технические характеристики KL3204 приведены в таблице 2.4.
Таблица 2.4 - Технические характеристики модуля KL3204
Количество входов
4
Тип поддерживаемых датчиков
PT100, PT200, PT500, PT1000, Ni100, Ni120
Диапазон температур считываемых с датчиков
-250 до +850 °C (преобразователи PT); -60 до +250 °C (преобразователи Ni)
Время отклика
250 мс
Потребление тока
5 mA
Вес
70 г
Диапазон рабочих температур
От 0 до +55 С
Относительная влажность воздуха
95 %
Для подключения исполнительных механизмов используются модули вывода KL2408 и KL4404. Внешний вид модуля KL2408 изображён на
рисунке 2.4
Рисунок 2.4 - Внешний вид модуля KL2408
KL2408- это модуль дискретного вывода. KL2408 имеет встроенную защиту от смены полярности питания. Световая индикация на модуле отображает наличие обмена данными между технологическим оборудованием, подключенным к выходам модуля и контроллером. Подробные технические характеристики приведены в таблице 2.5
Таблица 2.5 - Основные технические характеристики модуля KL2408
Количество выходов
8
Напряжение питания нагрузки
24 V DC (-15%/+20%)
Максимальный выходной ток
3 А
Защита от смены полярности напряжения питания
Да
Вес
70 г
Диапазон рабочих температур
От 0 до +55 С
Относительная влажность воздуха
95 %
KL4404- это модуль аналогового вывода. Световая индикация на модуле отображает наличие обмена данными между технологическим оборудованием, подключенным к выходам модуля и контроллером.
Подробные технические характеристики приведены в таблице 2.6.
Таблица 2.6 - Основные технические характеристики модуля KL4404
Количество выходов
4
Напряжение питания нагрузки
От 0 до 10 V DC (-15%/+20%)
Напряжение питания модуля
24 V DC
Время отклика
4 мс
Погрешность
<0.1 %
Вес
70 г
Диапазон рабочих температур
От 0 до +55 С
Относительная влажность воздуха
95 %
Управление каналами ввода-вывода осуществляется по «промышленной шине» через интерфейсный модуль Bus coupler, который выбирается по типу шины, в соответствии с необходимыми требованиями. Использование технологии распределенного ввода-вывода при проектировании, конструировании, кабельной разводке, пуско-наладке и эксплуатации систем домашней автоматизации экономически выгодно.
Компоненты отличаются прочным корпусом, надежностью контактов и устойчивостью в работе электроники. Модуль ввода-вывода может быть представлен мастер устройством промышленной шины. Как правило, это чрезвычайно целесообразно для интегрирования подсистем в систему более высокого уровня.
Модули стыкуются один за другим, в произвольной последовательности, образуя прочную наборную конструкцию. Электрический контакт осуществляется соединением до щелчка без дальнейших манипуляций. При этом каждый модуль может заменяться по отдельности.
Клеммная панель со светодиодными индикаторами статуса и съемные поля для нанесения текста обеспечивают четкую идентификацию. Трехпроводная технология, дополняемая защитным соединением, позволяет напрямую соединять кабелем датчики и исполнительные механизмы.
2.3 Разработка микропроцессорной сети
Для удобства монтажа часть модулей ввода-вывода будет располагаться в другом здании. В связи с этим возникает необходимость в создании микропроцессорной сети для «умного дома».
Сеть автоматики типичного здания обычно состоит из трех уровней:
– уровень управления;
– уровень автоматизации;
– уровень оборудования.
Уровень управления – это средства отображения информации, диспетчеризации и управления узлами здания. Контроль посредством человеко-машинного интерфейса, компактных диспетчерских модулей-мониторов, рассылка уведомлений на мобильные телефоны, пейджеры, факсы и электронную почту.
Уровень автоматизации – это контроллеры для управления автоматическими процессами, системные контроллеры для управления другими контроллерами, а также компактные панели оператора и интернет -контроллеры для организации интерфейса с пользователем.
Уровень оборудования – датчики и исполнительные механизмы системы автоматизации. Датчики и исполнительные механизмы обеспечивают связь системы автоматики с технологическим оборудованием. Модули ввода/вывода для интегрирования оборудования третьих фирм и обеспечения полной совместимости. На рисунке 2.6 представлены основные компоненты системы автоматики здания.
Рисунок 2.6 – Основные компоненты системы автоматизации здания
Основные инженерные системы, которые рассмотрены для сети умного дома:
– управление подогревом тёплого пола;
– управление подогревом батарей;
– управление освещением;
– управление обогревом ливнестоков.
– система мониторинга.
Системы друг от друга независимые, но соединены в единую сеть для общего и детального мониторинга с операторского пульта или комнатных модулей.
Аппаратное обеспечение микропроцессорной системы включает в себя:
– контроллер BC 9000;
– устройство сопряжения BK9000;
– модули дискретного вывода KL 2408;
– модули аналогового вывода KL 4404;
– модули дискретного ввода KL 1408;
– модули аналогового ввода KL 3204;
– набор исполнительных механизмов и датчиков.
К сегменту сети с контроллером BC9000 подключаются модули ввода-вывода, датчики и исполнительные механизмы, отвечающее за управление тёплым полом, радиаторами и вентиляцией. Другая часть модулей ввода-вывода располагается в соседнем здании и подключается к BC9000 через устройство сопряжения BK9000 , работающее по щине EtherCAT. Они отвечают за управление уличным освещением, обогревом ливнестоков и ступенек. Микропроцессорная сеть с модулями ввода-вывода, датчиками и исполнительными механизмами показана на рисунке 2.7
Рисунок 2.7 – Микропроцессорная сеть с датчиками и модулями
3 ДЕТАЛЬНАЯ РАЗРАБОТКА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
3.1 Анализ программного обеспечения для работы с контроллером
Автоматизированные системы управления могут успешно внедряться в производство лишь при наличии надежного аппаратного оснащения и проработанного, отлаженного программного обеспечения. Первое условие – внедрение аппаратной части – в большинстве случаев не вызывает особых затруднений ввиду широкого выбора и качества устройств для промышленной автоматизации. Основной проблемой при внедрении АСУ ТП может стать программное обеспечение.
Задачи программирования контроллеров для систем автоматизации весьма специфичны, сложны, трудоемки и, естественно, требуют для своего решения соответствующих инструментальных средств программирования. Использование универсальных языков программирования высокого уровня (С, Pascal, Fortran, Basic) и языков Ассемблера позволяют решать эти задачи, но требуют при этом обширных знаний теории и технологии программирования, особенностей конкретной операционной системы и тонкостей аппаратного обеспечения (контроллеров, модулей сопряжения и т.п.). Поэтому, для облегчения работы системных интеграторов, фирмы, производящие оборудование для АСУ ТП, всегда стараются сопровождать его набором программных инструментов, с помощью которых можно описывать логику работы контроллеров. Примером такого программного обеспечения могут служить мощные программные средства такие, как Good Help для контроллеров серии I 7000 и TwinCAT для контроллеров Beckhoff. Так как для автоматизации здания выбран контроллер фирмы Beckhoff, то все работы по конфигурированию и написанию программного обеспечению будут осуществляться в TwinCAT. На рисунке 3.1 приведена общая структура системы TwinCAT.
Рисунок 3.1 – Структура системы TwinCAT
Пакет TwinCAT состоит из исполнительных систем, обеспечивающих работу управляющих программ в режиме реального времени, и сред разработки для программирования, диагностики и конфигурирования систем. Все Windows-приложения, в том числе и офисные программы и программы визуализации, через интерфейсы Microsoft имеют доступ к данным TwinCAT и могут выполнять команды TwinCAT.
Из общей структуры системы TwinCAT необходимо выделить TwinCAT PLC. TwinCAT PLC предназначен для создания программы, управляющей логикой работы ПЛК. Программы для ПЛК создаются на одном или нескольких языках стандарта IEC 61131-3:
– IL (язык линейных инструкций);
– LD (язык контактно-релейных схем);
– FBD/CFC (язык программирования с использованием функциональных блоков);
– SFC (язык программирования с использованием последовательных функциональных схем);
– ST (язык программирования с использованием структурированного текста. По своей структуре близок к языку программирования – Pascal).
Программирование осуществляется:
– локально;
– через TCP/IP;
– через промышленные шины (BXxxxx и BCxxxx).
На каждом из пяти приведённых языком программирования можно реализовать практически любой алгоритм. Поэтому выбор наиболее удобного языка программирования остаётся за разработчиком. Для написания основной логики работы «умного дома» в качестве базового языка был использован язык ST. На рисунке 3.2 показано диалоговое окно, в котором происходит выбор языка программирования.
Рисунок 3.2 – Выбор языка программирования в PLC Control
3.2 Система обогрева помещений
В здании используется два типа обогрева:
- тёплый пол;
- радиаторы.
Первый метод состоит в том, что при обогреве водяным теплым полом источником тепла служит нагретый теплоноситель, как правило, это вода из горячего стояка или из центрального отопления, которая проходит по трубам в полу.
Для реализации этого метода был выбран модуль ввода KL 3204 и модуль вывода KL 2408. Для отслеживания уровня температуры в помещении устанавливается датчик Ni 1000. Датчик измеряет температуру окружающей среды при помощи чувствительного элемента, сопротивление которого изменяется как функция температуры. На рисунке 3.3 приведён график зависимости изменения сопротивления от изменения параметров температуры окружающей среды.
Рисунок 3.3 – График зависимости сопротивления от изменения температуры
Данные с датчиков передаются на входы модулей ввода KL 3204 . Схема подключения датчиков температуры к модулю KL 3204 приведена на
рисунке 3.4.
Рисунок 3.4 - Схема подключения датчиков температуры к модулю KL3204
Контроллер обрабатывает полученные данные от модуля KL3204 и если порог заданной пользователем температуры больше текущей температуры в данном помещении, то с соответствующего выхода одного из модулей вывода KL2408 подаётся напряжение питание технологического оборудования соответствующее «24 В». Схема подключения технологического оборудования к модулю KL2408 показана на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 – Схема подключения технологического оборудования к модулю KL2408
В данном случае напряжение питания поступает на двух позиционный термоэлектрический сервопривод, внешний вид которого изображён на рисунке 3.6. Сервопривод может иметь только два состояния - ОТКРЫТ и ЗАКРЫТ.
Рисунок 3.6 - Термоэлектрический сервопривод
При подаче напряжения питания клапан на сервоприводе принимает положение ОТКРЫТ и вода из горячего стояка поступает в трубы. После того как достигнут заданный порог температуры клапан меняется своё состояние на противоположное и подача воды в систему прекращается. В таблице 3.1 показано соответствие номеров модулей ввода-вывода и номеров входов-выходов, использованных при программировании данной системы управления.
Таблица 3.1 – Номера входов-выходов модулей ввода-вывода
На рисунке 3.7 изображён алгоритм работы системы отопления.
Рисунок 3.7 - Алгоритм работы системы отопления
В основу работы второго метода обогрева заложен тот же самый принцип и используются практически такое же оборудование. Различие состоит в том, что используется аналоговый модуль вывода KL4404 и термоэлектрический сервопривод, обеспечивающий открывание впускного клапана на заданную величину. Регулирование уровня открытия клапана достигается подачей напряжения на вход сервопривода величиной от «0» до «10 В».
3.3 Система вентиляции
Системы вентиляции устанавливаются во всех жилых и офисных помещениях. При отсутствии вентиляции в закрытых помещениях возрастает концентрация углекислого газа и других вредных веществ. Это негативно сказывается на самочувствии людей, вызывает головную боль, сонливость, потерю работоспособности. Частично проблему можно решить, периодически открывая окно или форточку для проветривания помещения, однако в этом случае вместе со свежим воздухом внутрь попадает пыль, разные запахи, уличный шум.
Для решения всех этих проблем и существуют системы вентиляции воздуха.
По способу перемещения воздуха системы вентиляции делятся на:
- естественную вентиляцию;
- искусственную вентиляцию.