Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ технологий «Умного дома»

1.1 Базовые понятия «Умного дома»

1.2 Протоколы передачи для автоматизации зданий

1.3 Описание технологического процесса и модель автоматизации

2. Разработка системы управления зданием

2.1 Анализ и выбор контроллера

2.2 Выбор модулей ввода-вывода

2.3 Разработка микропроцессорной сети

3. Детальная разработка систем автоматизации

3.1 Анализ программного обеспечения для работы с контроллером

3.2 Система обогрева помещений

3.3 Система вентиляции

3.4 Система управления освещением и ландшафтным отоплением

3.5 Система мониторинга

3.6 Разработка человеко-машинного интерфейса

4. Расчет стоимости внедрения системы «Умный дом»

5. Безопасность и санитарно - гигиенические условия труда на рабочем месте оператора

5.1 Требование к рабочему месту

5.2 Параметры микроклимата

5.3 Обоснования выбора системы освещения

5.4 Электробезопасность

5.5 Пожарная безопасность

5.6 Электромагнитные излучения и уровень ионизации воздуха

5.7 Эргономические показатели

Заключение

Список использованных источников

Приложение

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 администратор, 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. технология автоматизация микропроцессорный программный

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».

1. Анализ технологий «Умного дома»

1.1 Базовые понятия «Умного дома»

За последние 20 - 30 лет системы автоматизированного управления перестали быть модной экзотикой. Вне зависимости от области применения, будь то здание, сборочный цех или поезд метро, целью внедрения таких систем являются снижение эксплуатационных расходов, обеспечение важной информацией, повышение безопасности и комфорта. Прогресс в области автоматики управления может в ближайшем будущем оказать на наше мироощущение не меньшее воздействие, чем появления сотовых телефонов и Internet.

Для того чтобы понять, как сильно изменились возможности в области автоматизации за последние годы и как они еще поменяются, важно осознать значение некоторых технологических прорывов, которые произошли за последние годы. Разработчики не стоят на месте. Предсказать, как далеко они уйдут вперед всего через несколько лет, можно только, бросив взгляд назад.

После завершения эры мэйнфрэймов, широкое развитие получили сети миникомпьютеров, а затем, дешевых персональных ЭВМ, способных, тем не менее, решать достаточно сложные профессиональные задачи. Аналогичные процессы проходили и в технологии автоматизации, где в последнее время широкое распространение получили децентрализованные системы управления. Бум в развитии микропроцессорной техники сделал возможным появление относительно дешевых «умных» датчиков и исполнительных механизмов, наделенных собственным интеллектом. Объединенные в сети, подобные устройства находят все более широкое применение в системах автоматики различного назначения.

Правда, на пути технического прогресса оказалось немало серьезных препятствий. Мало того, что системы автоматики различного назначения были автономны, но и сходные по управляющим функциям системы различных производителей были, как правило, несовместимы между собой. Фирмы-разработчики использовали свои закрытые коммуникационные протоколы и не предусматривали интерфейсов для взаимодействия с системами других производителей. Являясь собственностью отдельных компаний, соответствующие продукты и технологии автоматизации с трудом поддавались интеграции друг с другом. Для решения этой проблемы требовались дорогостоящие технические решения, связанные с написанием нового программного обеспечения, изменения топологии сети и закупки дополнительных компонентов.

Таким образом, в определенный момент на рынке сложились объективные предпосылки для успешного внедрения новых подходов в области автоматизации.

Идея создания «умных» зданий впервые появилась в США. Самые первые "умные дома" - начали оборудовать электроникой в 1950-х годах. (А сегодня почти все мы уже привыкли к таким вещам, как микроволновые печи, стиральные машины, кондиционеры, вентиляторы, встроенные в стенку телевизоры с дистанционным управлением)

Как комплексное решение задачи сначала появились Intelligence Buildings (интеллектуальные здания), основой которых были структурированные кабельные сети. Система позволяла коммутировать и использовать один и тот же кабель для нужд АТС, компьютерной сети, системы безопасности и т.д. Потом начали появляться системы мультиплексирования каналов связи, позволяющие передавать по одному кабелю различную информацию одновременно. Бурно развивающаяся информатика позволила форсировать эти работы, когда всем стало ясно, что любой проект кабельной системы здания устаревает к моменту завершения строительства.

Поскольку развитие данного направления представлялась более чем сверхприбыльным, на него были пущены немалые средства, и в результате появилась идея «умного дома». Типичный пример такого здания показан на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - «Умный дом»

«Умный дом» - это комплекс электроники, которая работает внутри или снаружи дома и выполняет централизованное управление всеми (или почти всеми) инженерными системами. Под инженерными системами понимается всё техническое оборудование дома (от канализации до аудио-видео техники). Идея «умного дома» состоит в том, что единый комплекс электроники согласованно управляет работой всего инженерного обеспечения дома.

Очень важно, чтобы алгоритмы взаимодействия подсистем в доме были гибкими, и могли приспосабливаться под изменяющиеся нужды владельца дома. Самая главная аксиома «умного дома» состоит в том, что система управления и её инженерные подсистемы должны быть построены по блочному принципу. Это означает, что каждая подсистема должна уметь работать автономно, чтобы её работу можно было отладить и обслуживать, отключив оборудование от центрального управления.

«Умный дом» имеет ряд преимуществ: позволяет экономить до 10-18% электроэнергии, повышает комфорт и безопасность и т.д.

Принцип работы «умного» дома заключается в центральном компьютере, принимающем сигналы от командных устройств, затем эти сигналы передаются исполнительным системам. Управление различными устройствами осуществляется простейшей системой автоматики.

Впервые задача по созданию «умного дома» была решена в 1978 году компаниями Х10 USA и Leviton, которые разработали технологию для управления бытовыми приборами по проводам бытовой электросети. Но технология эта была рассчитана на напряжение 110В и частоту сети 60 Гц, поэтому не получила распространения в России. Впрочем, Х10 сегодня уже считается устаревшим, поскольку создавался для управления электроосветительными устройствами и поддерживал всего шесть команд управления питанием. Для создания «интеллектуального дома» этого явно недостаточно. Аудио- и видеотехника требуют как минимум команд смены каналов, изменения громкости, перемотки и управления воспроизведением; а ведь требуется управлять еще системой HVAC (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха). В поисках решений этой проблемы различными компаниями предпринимались попытки к разработкам новых протоколов передачи данных.

1.2 Протоколы передачи для автоматизации зданий

На сегодняшний день насчитывается более трех сотен разных протоколов передачи данных в системах автоматики. Все они должны соответствовать определённым требованиям.

В системах автоматизации ошибка в передаваемых от контроллера или к нему данных означает сбой исполнительного механизма. Стоимость такой ошибки может быть очень велика. Поэтому краеугольными требованиями, предъявляемыми к протоколу передачи данных, является надежность протокола, его устойчивость к ошибкам и возможным обрывам линии.

Системы контроля и управления зданий подвергаются расширению несколько раз в течение жизненного цикла. Как правило, если предприятие осваивает новую продукцию или расширяет производство, существующие датчики либо заменяются, либо дополняются более точными. При этом, протягивая линии связи к новым контроллерам или интеллектуальным адресным датчикам, зачастую приходится сталкиваться с жесткими требованиями топологии используемого протокола. Поэтому в данном случае, идеальным будет протокол, имеющий минимальные требования к топологии линий. Такой протокол принято называть протоколом со свободной топологией. Вторым крайне необходимым свойством является возможность добавления новых физических сегментов сети при помощи репитеров без останова всей системы. Однако для этого требуется наличие энергонезависимой памяти в каждом узле сети и наличие как локальной (на самом узле) так и удаленной процедур добавления нового устройства в протоколе управления устройствами. Эти процедуры должны быть определены недвусмысленно, ясно и четко и быть безошибочно реализованы так, чтобы всевозможные узлы и контроллеры могли взаимодействовать между собой.

Основными доступными сейчас и в будущем вариантами протоколов являются:

- решения, основанные на CAN, такие как CAN автоматизация;

DeviceNet, J1850 и SDS;

- шины простых сенсоров Seriplex и Bitbus;

- технология LonWorks;

- CEBus;

- BACnet;

- промышленная шина EtherCat;

- инструментальные шины IEEE488.

Естественно существуют и другие схемы, предназначенные для решения специфических задач. Компании, разработчики протоколов, не предполагали продавать их третьим организациям, а планировали использовать их в своей работе. В таблице 1.2 сведены несколько характеристик вышеприведенных протоколов.

Таблица 1.2 - Основные характеристики протоколов передачи

Характеристики	BACnet	CAN-based (SDS, DeviceNet	CEBus	EtherCat	LONWORKS
Область применения	Автоматиза-ция зданий	Транспорт (J1850,J1939) Дискретная автоматиза-ция (SDS, DeviceNet)	Автоматизация жилища	Автомати-зация здания	Автоматизация зданий Управление производством Автоматизация фабрик Транспорт Автоматизация жилища
Уровни OSI/ISO	1,2,3,7	1,2,7	1,2,3,7	1,2,3,4,5,6,7	1,2,3,4,5,6,7
Поддержи-ваемые среды передачи	Витая пара. Коаксиаль-ный кабель Оптоволок-но	Витая пара (SDS, DeviceNet) Альтернатив-ные решения на основе оптоволокна для сетей CAN	Силовые электричес-кие линии (FCC) Коаксиальный кабель RF	Витая пара. Оптоволокно	Витая пара со свободной топологией Витая пара Линии электропита-ния (решение, совместимое со стандартами FCC и CENELEC) Оптоволокно Коаксиальный кабель RF (несколько диапазонов)
Скорость передачи данных	10 Mb/s	1 Mb/s(CAN) 1 Mb/s (SDS) 500 Kb/s (DeviceNet)	6.7 kb/s (или 10 kb/s)	10 Mb/s	До 1.25 Mb/s
Максимальное адресное пространство	248	27=128 (SDS) 26=64 (DeviceNet) 211 (CAN 1) 229 (CAN 2)	216	65535 узлов в сети	248 доменов, 32000 узлов в домене
Поддержка маршрутизаторов сетевого уровня	Есть	Нет	Нет	Есть	Есть
Аутентификация	Есть	Нет	На уровне проложения	Есть	Есть

Промышленная шина EtherCAT разработана немецкой фирмой Beckhoff. EtherCAT - это Ethernet-решение для автоматизации, которое отличается высокой производительностью и простотой использования. С помощью EtherCAT можно дополнить Ethernet-топологию типа «звезда» простой линейной структурой. Однако выборочно EtherCAT может быть соединен с «классическими» коммутаторами для интеграции дополнительных Ethernet устройств. Таким образом EtherCAT подходит не только для сложных, но и для малых систем автоматизации, таких как автоматизация небольшого офиса или загородного коттеджа.

С позиции Ethernet шина EtherCAT является ни чем иным, как самостоятельным большим пользователем Ethernet. Этот «пользователь» принимает и посылает Ethernet-пакеты. Но внутри «пользователя» нет никакого Ethernet-контроллера с подсоединенным процессором. Вместо этого там находится множество подчиненных EtherCAT компонентов системы. Они обрабатывают поступающий поток пакетов и вынимают из них необходимые данные или, говоря другими словами, они обрабатывают и передают пакет дальше следующему подчиненному компоненту EtherCAT. Последний подчиненный EtherCAT компонент системы возвращает уже полностью обработанный пакет первому компоненту в виде ответа для осуществления процесса управления. При этом прохождение пакета через каждый компонент EtherCAT замедляется только на несколько наносекунд. Благодаря оптимальному использованию полосы пропускания Ethernet с помощью EtherCAT могут эффективно передаваться также и небольшие объемы данных. Достоинством шины EtherCAT является короткое время цикла и высокая скорость осуществления передачи. EtherCAT может в 30 мс опрашивать 1000 устройств ввода-вывода с любым цифровым распределением, при этом считывая и записывая с полным дублированием. Для передачи 200 аналоговых значений необходимо 50 мс. EtherCAT поддерживает почти любую сетевую топологию. При использовании кабеля UTP максимальное расстояние между двумя пользователями может достигать 100 м. Количество узлов в сети практически неограниченно, так как их число может доходить до 65535.

С точки зрения аппаратного обеспечения технология EtherCAT находит применение в модулях ввода-вывода. В отличие от контроллеров ввода-вывода, у которых отличается внешний и внутренний протокол обмена, протокол EtherCAT полностью сохраняется вплоть до отдельного модуля ввода-вывода.

Следующий протокол передачи для управления системами «умного дома» - это протокол X 10. Торговая марка Х-10 принадлежит американской корпорации, расположенной в Сиэтле. За годы существования технологии (с 1978 года) продано уже более 100 миллионов устройств. И популярность систем Х-10 продолжает нарастать.

X-10 это протокол передачи управляющих сигналов по проводам силовой сети (220В, 50Гц) внутри дома. Формат кода был впервые представлен в 1978 для Sears Home Control System and the Radio Shack Plug 'n Power System. С тех пор многие компании, включая такие как Leviton Manufacturing Co., General Electric, C & K Systems, Schlage Lock Co., Stanley and Heath/Zenith Co развили и воспроизвели стандарт X-10 в своих изделиях, предназначенных для систем управления домом. Система Х-10 получила широкое распространение во многих развитых странах.

Большое преимущество Х-10 состоит в том, что любой модуль начинает работать сразу после установки. Поэтому, используя технологию Х10, можно начать с установки пульта и одного модуля, чтобы убавлять яркость торшера при просмотре телевизора или готовить кофе к моменту выхода хозяев к завтраку и добавляя модули, постепенно построить грандиозную систему, полностью управляющую домом. Потребности, вкусы и интересы обитателей любого дома со временем меняются. Технология X-10 позволяет создавать системы управления домом, которые несложно перестраивать и развивать в соответствии с меняющимися запросами. Несмотря на то, что у X10 существует множество конкурентов и она имеет свои недостатки, на сегодня это едва ли не самая популярная технология автоматизации домов и квартир. Поскольку для внедрения и возможной последующей модернизации практически не требует прокладки дополнительных сетевых проводов. При переезде на новое место жительства систему можно забрать с собой.

На рисунке 1.3 изображена система EIB, которая также предназначена для создания микропроцессорной сети «умного дома». Она устанавливается как в больших зданиях (банки, больницы, школы, производство), так и в частных коттеджах и квартирах. Система управляет всем комплексом электрики.

Рисунок 1.3 - Пример системы EIB

1-3 - датчики (освещённости, температуры, движения, дыма );

4 - устройства мониторинга и контроля; 5-8 - исполнительные устройства (освещение, кондиционеры, приводы ворот, жалюзи);

9 - управляющий элемент

EIB протокол поддерживает обмен по витой паре (Twisted Pair), непосредственно по силовой линии (Power Line), по радиочастоте (Radio Frequency), по ИК-каналу (Infra-Red). [12] Предусмотрена совместимость с другими системами. Таким образом, возможны различные варианты физической топологии системы - как соединение специальными линиями так и беспроводные связи, при одинаковых функциональных возможностях.

Выбор протоколов для системы «умный дом» во многом зависит от свойств технологического процесса, имеющегося инженерного оборудования, которое является объектом автоматизации и типа применяемых ПЛК.

1.3 Описание технологического процесса и модель автоматизации

Объектом автоматизации, который рассматривается в данной дипломной работе, является здание в загородном посёлке. В здании уже имеются определённые инженерные системы, такие как:

- отопление;

- вентиляция;

- освещение;

- электроснабжение.

Как видно из вышеперечисленного, все самое необходимое для условий быта есть. Это обычные «радости жизни». Но, как это часто бывает, этим все ограничивается. Но для комфортного образа жизни хочется не только иметь такие системы, но и управлять ими, создавая тем самым благоприятные условия быта, работы исходя из изменений, например, температуры воздуха, влажности и т.д. Управлять отоплением в данном случае приходится в ручном режиме, что крайне не удобно, учитывая большую площадь помещения. Вентиляция существует как пассивная система без возможной регулировки и толком не несет основных функций. Освещение выполняет лишь 2 функции - включение и выключение без создания какого-либо комфорта особенно по утрам. Поэтому и встал вопрос о создании «умного дома». На рисунке 1.4 показана структура автоматизируемого здания, которая бы удовлетворяла требованиям.

Как видно из рисунка 1.4 помимо контроллера для управления всеми системами здания необходимо ещё иметь исполнительные механизмы и датчики - что составляет автоматику здания.

Автоматика должна:

- управлять работой функциональных элементов;

- включать и выключать приводы электромоторов;

- осуществлять слежение за оборудованием;

- формировать аварийные сигналы: контроль вентиляции контроль отопления, контроль освещения и т.д.

Автоматика позволяет исключить человеческий фактор. Не редко бывает так, что человек по определенным причинам забыл выключить газовую плитку или воду в ванной. Это неминуемо проводило бы к нежелательным последствиям. Автоматика же не даст развития подобным ситуациям и вовремя примет соответствующие действия.

Система, исходя из текущей обстановки, должна выбирать тот или иной режим работы - увеличить или уменьшить обогрев, если температура воздуха в помещении упала или превысила заданные параметры, погасить или же включить свет, в зависимости от уровня освещённости, включить обогрев ливнестоков и ступенек в зависимости от погодных условий, пользователь должен иметь возможность управлять скоростью воздушного потока в системе вентиляции и т.д.

Когда определены основные объекты автоматизации, проводится тщательный анализ всего инженерного оборудование и определяется необходимое количество точек входа-выхода для управления системой. В данном случае будут необходимы модули как с дискретными входами-выходами так и с аналоговыми. Общее количество точек ввода-вывода для каждой из систем приведено в таблице 1.3

Рисунок 1.4 - Общая структура автоматизируемого здания

Таблица 1.3 - Количество точек ввода-вывода для систем автоматизации

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ	Точки ввода	Точки вывода
	DI	AI	DO	AO
Управление подогревом тёплых полов	-	3	3	-
Управление подогревом батарей	-	7	7	9
Управление системой вентиляции	-	2	-	3
Управление освещением	1	-	7	-
Мониторинг	7	1	-	-
Итого	7	13	10	3

Как видно из таблицы 1.3 количество точек ввода - вывода относительно не велико. Этот показатель имеет существенное значение при построении микропроцессорной сети и выборе программируемых контроллеров, а также модулей ввода-вывода.

2. Разработка системы управления зданием

2.1 Анализ и выбор контроллера

В системе управления работой «умного дома» на контроллер возлагается функции по управлению, коммуникации и настройке внешних устройств (датчики, исполнительные механизмы, регуляторы и т.д.) При этом он является одним из наиболее важных компонентов в цепи обмена данными между полевым оборудованием (датчиками и исполнительными механизмами) и средствами АСУТП верхнего уровня (диспетчерским пунктом).

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 рисунке 2.1

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.

Рисунок 2.1 - Типовая структура ПЛК

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.

Рисунок 2.2 - Внешний вид контроллера ВС9000

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.

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

№ модуля	№ входа	Значение	№ модуля	№ выхода
AI 16	2	тп помещение 1	DO11	1
AI 16	3	тп помещение 2	DO11	2
AI 16	4	тп помещение 3	DO11	4
AI 17	1	тп помещение 4	DO11	3
AI 20	2	тп помещение 5	DO11	5
AI 20	3	тп помещение 6	DO11	6
AI 20	4	тп помещение 7	DO11	7

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.

Естественная вентиляция создается без применения электрооборудования (вентиляторов, электродвигателей) и происходит вследствие естественных факторов - разности температур наружного воздуха и воздуха в помещении, вследствие изменения давления в зависимости от высоты, а так же вследствие ветрового давления. Естественные системы вентиляции недороги и просты в монтаже. Однако их эффективность сильно зависит от внешних факторов (температуры воздуха, направления и скорости ветра и т.д.). Поэтому с помощью таких систем не удается решить все задачи в области вентиляции.

Искусственная или механическая вентиляция применяется там, где недостаточно естественной. В механических системах используются оборудования и приборы (вентиляторы, фильтры, воздухонагреватели и т.д.), позволяющие перемещать, очищать и нагревать воздух. Такие системы могут удалять или подавать воздух в вентилируемые помещения не зависимо от условий окружающей среды.

В здании используется искусственная вентиляция. Пользователь имеет возможность управлять оборотами электродвигателя вентилятора и температурой подогрева воздушного потока. Это даёт возможность изменять скорость прохождения потоков воздуха комфортной температуры по вентиляционным шахтам здания. Для изменения оборотов электродвигателя между контроллером и электрическим двигателем используется вспомогательное оборудование - блоки управления, внешний вид которых изображён на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 - Блоки управления скоростью вращения вентилятора

На блоки управления поступают управляющие сигналы от «0» до «10 В» с выходов модуля аналогового вывода KL2408. Схема подключения блоков управления к KL4404 приведена на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Подключение блоков управления к модулю KL4404

Далее воздушный поток поступает на электрический тэн, который обеспечивает подогрев воздуха в холодное время до заданной пользователем температуры. Рядом с тэном устанавливается датчик температуры Ni 1000. Данные с датчика передаются на модуль дискретного ввода KL3204. Контроллер обрабатывает полученные данные и если заданная температура выше, чем температура поступившая с датчика, на блок управления подогревом тэна с модуля KL 4404 подаётся управляющее напряжение от «0» до «10 В». Общая схема подключения системы вентиляции к модулям ввода-вывода показана на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 - Схема подключения системы вентиляции к модулям Beckhoff

В таблице 3.2 показано соответствие номеров модулей ввода-вывода и номеров входов-выходов, использованных при программировании данной системы управления.

Таблица 3.2 - Номера входов-выходов модулей ввода-вывода

№ модуля	№ входа	Значение	№ модуля	№ выхода	Выход
AI 22	1	Темп возд. в калориф №1	АО 5	3	Управл калориф №1
AI 22	2	Темп возд. в калориф №2	АО 5	4	Управл калориф №2
			АО 5	1	Управл скор.вращ вентил.

3.4 Система управления освещением и ландшафтным отоплением

Система управления освещением подразумевает в себе включение осветительных приборов от сумеречного реле в автоматическом режиме, либо пользователем в ручном режиме. При работе в автоматическом режиме фоточувствительный элемент соотносит степень освещенности внешней среды с установленным уровнем и если результат положительный происходит срабатывание сумеречного реле. Схема подключения сумеречного реле TWS-1 показана на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 - Схема подключения сумеречного реле TWS-1

В данном случае в качестве нагрузки используется реле. При срабатывании датчика контакты реле замыкаются и на выходе появляется напряжение «24 В». К выходам реле подключен модуль дискретного ввода KL1408. На рисунке 3.12 показана схема подключения нагрузки к KL 1408.

Рисунок 3.12 - Схема подключения нагрузки к KL 1408

При появлении напряжения «24 В» на входах модуля KL1408, это соответствует логической «1», контроллер выдаёт управляющий сигнал для включения освещения на соответствующий выход модуля вывода KL2408. C выхода модуля KL2408 напряжение «24 В» поступает на реле, на выходах которого появляется напряжение питания осветительных приборов соответствующее «220 В». В таблице 3.3 показано соответствие номеров модулей ввода-вывода и номеров входов-выходов, использованных при программировании данной системы управления.

Таблица 3.3 - Номера входов-выходов модулей ввода-вывода

№ модуля	№ выхода	Значение	Выход
DO 13	3	Уличное освещение 1	220 В
DO 13	4	Уличное освещение 2	220 В
DO 13	5	Уличное освещение 3	220 В
DO 13	6	Уличное освещение 4	220 В
DO 13	7	Уличное освещение 5	220 В
DO 13	8	Уличное освещение 6	220 В
DO 14	1	Уличное освещение 7	220 В
DI 10	3	Датчик сумеречный	1-если ночь

В холодное время года, во время временного потепления, а потом резкого понижения температуры, на ливнестоках и ступеньках очень часто образуется наледь, что может представлять непосредственную угрозу для здоровья людей. Поэтому для исключения ситуаций обледенения используется система подогрева этих элементов здания. На крыше устанавливается датчик осадков TSW01, подключенный к модулю ввода KL1408. На рисунке 3.14 изображён датчик температуры PT1000, который устанавливается на крыльце здания, для контроля уличной температуры. Его выходы подключены к модулю ввода KL3204.

При подпадания снега или дождя на датчик осадков, он резко меняет свою проводимость и на входы модуля KL1408 подаётся напряжение «24 В» - это логическая «1». Одновременно с этим контроллер анализирует данные на входах модуля KL3204 и если температура на улице меньше 0 єC, то на выходах модуля вывода 2408 появляется напряжение питания обогревательных элементов. Алгоритм работы системы подогрева ливнестоков показан на рисунке 3.15

3.5 Система мониторинга

При наличии в здании большого числа инженерных систем необходимо постоянно следить за их техническим состоянием, для этих целей используется система мониторинга. Во всех технических помещениях зданиях на напольном покрытии установлены датчики протечки, их принцип аналогичен принципу работы датчика осадков TWS01. Помимо этого осуществляется контроль наличия электропитания и при пропадании одной из фаз 3-х фазной сети от реле контроля фаз поступает соответствующий сигнал на модуль дискретного ввода KL1408. Так же на кухне установлен датчик утечки газа, подключенный к KL1408. Все события в режиме реального времени выводятся на дисплей ПК, а также можно подсоединить GSM модуль, подключаемый к модулю дискретного вывода...