Выбор наиболее эффективной технологии передачи данных между уровнем устройств и уровнем диспетчеризации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ технического задания

1.1 Многоуровневая структура комплекса

1.1.1 Уровень диспетчеризации

1.1.2 Уровень автоматизации

1.2 Масштабируемость комплекса

1.3 Описания инженерных систем

1.3.1 Вентиляция

1.3.2 Кондиционирование

1.3.3 Холодоснабжение

1.4 Протокол LON

1.4.1 Введение

1.4.2 Уровни протокола LonTalk и основные функции

1.4.3 Физические каналы

1.4.4 Интерфейсный Neuron-кристалл

1.5 Выбор аппаратных и программных средств

1.6 Рекомендации по развитию комплекса

2. Структурная схема

3. Функциональная схема

4. Принципиальная схема

5. Конструктивное исполнение

6. Конфигурирование оборудования

6.1 Конфигурирование платы 33CNTRANLON

6.2 Конфигурирование шлюза DMS504B1

6.3 Конфигурирование MCP3

7. Функциональный алгоритм Kongraf

8. Технико-экономическое проектирование

8.1 Обоснование необходимости и актуальности разработки

8.2 Этапы производства

8.3 Расчёт заработной платы

8.4 Затраты на сырьё и материалы

8.5 Сравнение с аналогом

8.6 Расчет экономической эффективности

9. Безопасность и экологичность проекта

9.1 Системный анализ надежности при эксплуатации

9.2 Мероприятия по повышению надежности

9.3 Оценка напряженности процесса эксплуатации комплекса

9.4 Пожарная безопасность при эксплуатации щитов автоматизации комплекса

9.5 Экологичность комплекса

Заключение

Библиографический список

Приложения

Введение

инженерный протокол kongraf lontalk

Инженерные системы современных зданий отличаются большим разнообразием: это системы вентиляции, кондиционирования, энергоснабжения, освещения, водо и теплоснабжения, канализации, отопления и др. При этом многие системы оказываются взаимосвязанными, и практически от каждой из них зависит комфорт и безопасность пребывания человека в здании. До недавнего времени решением проблемы эффективности работы систем, занималась исключительно служба эксплуатации в тесном союзе с арендаторами, сейчас же эта сложная задача доверена системе автоматизации и диспетчеризации инженерного оборудования (АСУиДИО).

На рынке наблюдается тенденция к постоянному увеличению числа инженерных систем, работающих на объекте. Одновременно в современном здании может присутствовать до нескольких десятков инженерных систем, выполняющих каждая свою функцию. Задача системы автоматизации - обеспечить их наиболее рациональное взаимодействие, принимая во внимание индивидуальные задачи каждой. Подобное взаимодействие открывает широкие возможности для решения многих вопросов, таких как:

· повышение комфорта пребывания людей в здании

· экономия энергоресурсов

· оптимизация режимов работы технологического оборудования, увеличение его ресурса

· обеспечение безопасности

· предупреждение аварийных ситуаций и т.д.

Требования, предъявляемые к комплексным системам автоматизации и контроля зданий, постоянно растут и сейчас на первый план выходят вопросы обеспечения надежной и бесперебойной работы инженерного оборудования зданий. Соблюдение эффективности использования энергии и оптимизация затрат становится основным и необходимым условием при разработке систем автоматизации зданий.

Современные системы жизнеобеспечения здания представляют собой сложные инженерные системы с большим многообразием применяемого оборудования

Систему, в общем случае, можно рассматривать как совокупность трех уровней : уровень исполнительных устройств, уровень локальной автоматики и уровень диспетчерского управления. При этом стоит отметить, что в современных системах два нижних уровня все чаще объединяются в один. И все чаще исполнительные устройства становятся интеллектуальными, а основной вопрос, который возникает в процессе создания системы, это выбор наиболее эффективной технологии передачи данных между уровнем устройств и уровнем диспетчеризации, а также разработка наиболее эффективной модели диспетчерского управления. 

1. Анализ технического задания

Для решения поставленной в техническом задании задачи рассмотрим принцип реализации климатических комплексов и диспетчерских систем.

1.1 Многоуровневая структура комплекса

1.1.1 Уровень диспетчеризации

Деление на уровни иногда может быть весьма условным. В малых системах функции всех уровней часто реализуются на одной операторской станции. В крупных же, на каждом уровне может быть выделена своя иерархия. Тем не менее, в большинстве случаев такое деление правомерно.

Задачей данного уровня управления является контроль текущего состояния производственных процессов и анализ функционирования производства по архивным данным. Централизованная система информационного мониторинга здания позволяет объединить единым алгоритмом различные системы управления микроклиматом. Это позволяет оптимизировать температурные параметры, снизить энерго- и теплозатраты, а также повысить надежность функционирования оборудования.

Системы, позволяющие вести диспетчерское управление и собирать необходимые данные о технологических процессах, называют SCADA системами (от англ. Supervisory Control And Data Acquisition, Диспетчерское управление и сбор данных). Функции SCADA - систем:

· обмен данными с устройствами управления в реальном времени 

· обработка информации в реальном времени 

· отображение информации в понятной для человека форме (HMI) 

· ведение базы данных с технологической информацией 

· аварийная сигнализация, управление тревожными сообщениями 

· создание отчетов

· осуществление сетевого взаимодействия с другими информационными системами.

На данном уровне мы можем рассматривать вопросы управления, масштабируемости и доступа к комплексу.

Уровень диспетчеризации, в который входят диспетчерские терминалы и сервер SCADA, обеспечит удалённый доступ к функциям управления и наблюдения. При этом связь между узлами комплекса на данном уровне обеспечит протокол IP, что позволит управлять системой как с терминала, так и с мобильного устройства.

Связь с уровнем автоматизации обеспечат драйверы системы SCADA, при этом мы можем использовать как высокоуровневые протоколы (OPC), так и подключения по технологиям присущим контроллерам того или иного типа. Информация с любого контроллера сети может быть предоставлена программному обеспечению верхнего уровня по любому доступному каналу связи: локальной сети, выделенной линии, GPRS, CDMA, WiFi, WiMax и др.

1.1.2 Уровень автоматизации

На данном уровне реализуется сбор данных от датчиков и управление оконечными устройствами.

В основу построения системы заложены несколько обязательных требований для её устойчивой работы:

· локальная автоматика самодостаточна и способна взаимодействовать с системой диспетчеризации на предмет получения необходимых параметров и возврата информации о статусах и аварийных ситуациях

· алгоритмы заложены в локальные системы автоматики оборудования

· взаимосвязь между зависимыми системами (вентиляция, отопление и кондиционирование) организована по сети нижнего уровня

· оборудование объединено несколькими сетями разного уровня, что позволяет системе расширяться, добавляя новые или модернизируя существующие системы.

Исходя из правила для самодостаточности данного уровня, необходимо рассматривать подключение законченных устройств и модулей сторонних производителей. В данной работе такими устройствами считаются холодильная машина и кондиционеры. Эти устройства оборудованы модулями для подключения по протоколу LonTalk. Кроме того необходимо обеспечить масштабируемость на данном уровне. Большим плюсом будет поддержка 2х проводного подключения RS485 и протокола MODBUS.

1.2 Масштабируемость комплекса

Масштабируемость комплекса один из наиболее важных параметров. Важно предусмотреть возможность масштабирования на всех уровнях комплекса.

Расширение комплекса на уровне автоматики позволит объединить в систему всё возможное оборудование коттеджа. Будь то комплекс водоснабжения, показания счётчиков электроэнергии или система пожаротушения и охраны.

При построении алгоритма необходимо заложить возможность взаимосвязи с оборудованием, которое будет установлено в перспективе.

Контроллер MC8 комплекса «КОНТАР» имеет не так много коммуникационных возможностей как требуется для некоторых задач. Например, при использовании технологии LonWorks к MC8 подключается дополнительный модуль MCP3, который занимает единственный порт RS232 и делает невозможным использования протокола ModBus.

Использование нескольких контроллеров подключенных по KontarBus решает эту проблему, а так же позволяет расширить алгоритм, и количество аналоговых и дискретных входов. Но накладывает ограничения на производительность в связи с невысокой скоростью обмена по KontarBus. Также это значительно влияет на стоимость комплекса.

Расширение на уровне диспетчеризации может быть использовано для повышения эффективности за счёт объединения в комплекс нескольких коттеджей и даже посёлков. По сигналу на пульт диспетчера, на аварийный объект может быть вызвана коммунальная служба, при этом анализ работоспособности конкретной системы может быть произведен до выезда службы, что повысит эффективность работы коммунального хозяйства.

Удалённый доступ к системе диспетчеризации позволит производить пусконаладочные работы без командировок. Кроме того при объединении в комплекс нескольких посёлков, появится возможность организовать работу дежурных диспетчеров (инженеров) что позволит сэкономить на кадрах.

1.3 Описания инженерных систем

1.3.1 Вентиляция

Вентиляция предназначена для обеспечения необходимых чистоты, температуры, влажности и подвижности воздуха. Эти требования определяются гигиеническими нормативами: наличие вредных веществ в воздухе ограничивается предельно допустимыми концентрациями, а температура, влажность и подвижность воздуха устанавливаются в зависимости от условий, необходимых для наиболее благоприятного самочувствия человека.

При всем многообразии систем вентиляции, обусловленном назначением помещений, характером технологического процесса, видом вредных выделений и т. п., их можно классифицировать по следующим характерным признакам:

· по способу создания давления для перемещения воздуха: с естественным и искусственным (механическим) побуждением;

· по назначению: приточные и вытяжные;

· по зоне обслуживания: местные и общеобменные;

· по конструктивному исполнению: канальные и бесканальные.

Механическая вентиляция - используются оборудование и приборы, позволяющие перемещать воздух на значительные расстояния.

Приточная вентиляция - подача очищенного свежего воздуха нужной температуры и влажности осуществляется приточными установками и центральными кондиционерами. Приточная вентиляция осуществляется преимущественно в "чистые" помещения. В квартире это жилые комнаты, в первую очередь, спальня и детская.

Вытяжная вентиляция - осуществляется главным образом из "грязных" помещений, то есть тех, в которых воздух загрязняется интенсивнее. Если рассмотреть для примера квартиру, то такими местами, очевидно, являются туалет, ванная и кухня. Для вытяжной вентиляции обычно устанавливаются отдельные вытяжные вентиляторы.

Правильно сконструированная система вентиляции:

· обеспечивает в каждом помещении оптимальную кратность воздухообмена;

· осуществляет приток свежего воздуха в "чистые" помещения;

· осуществляет вытяжку из "грязных" помещений;

· баланс притока и вытяжки подбирается так, чтобы создавать (небольшую) разность давлений, препятствующую самопроизвольному попаданию воздуха из "грязных" помещений в "чистые".

Автоматизация вентиляции применяется для повышения эффективности вентиляционных систем и строится по принципу применения автоматизированных систем управления процессами.

Системы автоматизации вентиляции могут быть программируемыми, настроенными на определенный алгоритм включения/выключения, либо находиться в зависимости от изменений климатических условий, определяемых специальными датчиками: температуры, влажности, уровня запыленности, загазованности и т. д.

1.3.2 Кондиционирование

Кондиционирование воздуха - это создание и автоматическое поддержание (регулирование) в закрытых помещениях всех или отдельных параметров на определенном уровне с целью обеспечения оптимальных условий, наиболее благоприятных для самочувствия людей или ведения технологического процесса.

В состав систем кондиционирования воздуха входят технические средства забора воздуха, подготовки, т. е. придания необходимых кондиций, перемещения и его распределения, а также средства холодо и теплоснабжения, автоматики, дистанционного управления и контроля.

Современные системы кондиционирования различаются по следующим признакам:

· по основному назначению: комфортные и технологические;

· по принципу расположения кондиционера по отношению к обслуживаемому помещению: центральные и местные;

· по наличию собственного (входящего в конструкцию кондиционера) источника тепла и холода: автономные и неавтономные;

· по принципу действия: прямоточные, рециркуляционные и комбинированные;

· по способу регулирования выходных параметров кондиционированного воздуха: c качественным и количественным регулированием;

· по степени обеспечения метеорологических условий в обслуживаемом помещении: первого, второго и третьего класса;

· по количеству обслуживаемых помещений: однозональные и многозональные;

· по давлению, развиваемому вентиляторами кондиционеров: низкого, среднего и высокого давления.

1.3.3 Холодоснабжение

Системы чиллер - фанкойл отличаются от систем кондиционирования тем, что между наружным и внутренними блоками циркулирует не фреон, а вода (или незамерзающая жидкость). Охлаждает воду чиллер - холодильная машина, предназначенная для охлаждения жидкости. Чиллер представляет собой обычный фреоновый кондиционер, через испаритель которого проходит не охлаждаемый воздух, а вода. Эта вода с помощью насосной станции поступает по системе теплоизолированных трубопроводов к фанкойлам. Фанкойл - это блок, сходный по своему устройству, дизайну и назначению с внутренним блоком кондиционера. Фанкойлы охлаждают или обогревают воздух в помещении, производят очистку воздуха. 

Современные чиллеры выпускаются в широком диапазоне мощностей - от 5 до 9000 кВт, что позволяет кондиционировать и небольшие коттеджи и многоэтажных здания. Все чиллеры можно разделить по следующим основным признакам: 

· по типу охлаждения конденсатора - с водяным и воздушным охлаждением;

· по наличию режима обогрева - с тепловым насосом (реверсивные) и без него;

· по конструктивному исполнению - со встроенным или с выносным конденсатором.

1.4 Протокол LON

1.4.1 Введение

LonWorks -- сетевая платформа для достижения производительности, гибкости, соответствия инсталляционным и эксплуатационным потребностям в задачах активного мониторинга и управления.

Платформа построена на созданном компанией Echelon Corporation протоколе сетевого взаимодействия устройств через различные среды передачи данных, такие как, витая пара, линии электропитания, оптоволокно, и беспроводные радиочастотные. LonWorks широко используется для автоматизации различных процессов и функций зданий, например, управление освещением, отоплением, вентиляцией и кондиционированием.

1.4.2 Уровни протокола LonTalk и основные функции

Протокол LonTalk (один из главных компонентов технологии LonWorks) относится к классу протоколов, описываемых 7-уровневой сетевой моделью взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI), введенной Международной Организацией по Стандартизации (ISO) (см. табл.1).В терминах OSI-модели LonTalk реализует функции для всех уровней, а именно:

· управление физическим уровнем (уровни 1 и 2)

· присвоение имен, адресация и маршрутизация (уровни 3 и 6)

· достоверность соединения и эффективное использование канальной пропускной способности (уровни 2 и 4)

· обслуживание приоритетности сообщений (уровень 2)

· удаленный доступ (уровень 5)

· подтверждение подлинности (авторизация доступа) (уровни 4 и 5)

· управление сетью (уровень 5)

· сетевой интерфейс (уровень 5)

· интерпретация данных и передача чужих" (по формату) данных (уровень 6)

· совместимость на прикладном уровне (уровень 7).

1.4.3 Физические каналы

Протокол LonTalk позволяет организовывать сегменты сети с использованием различных физических сред передачи: витая пара (twisted pair), радиочастотный канал (RF), инфракрасный луч (infrared), линии напряжения (power line), коаксиальный кабель (coaxial cable) и оптический кабель (fiber optic). Для каждого типа физического канала существуют трансиверы, обеспечивающие работу сети на различных по длине каналах, скоростях передачи и сетевых топологиях.

Каждый узел сети непосредственно подключается к каналу.Канал - это физическая организованная среда транспортировки пакетов данных (рис.1). Совокупность каналов образуют сеть LonWorks. Физическая форма канала зависит от среды передачи, например, канал на витой паре организован на обычной витой паре проводников, RF-канал использует выделенную радиочастоту, а канал на линиях напряжения использует сегмент проводников с переменным напряжением (AC power).

· Сетевые каналы объединяются друг с другом через маршрутизаторы (routers).Маршрутизатор - это устройство сети, соединяющее два канала и обеспечивающее путь передачи пакетов данных между ними. Маршрутизаторы могут работать по разным алгоритмам и, соответственно, бывают четырех типов:

· конфигурируемые (configured router);

· самонастраиваемые (learning router);

· сетевые мосты (bridge);

· сетевые повторители (repeater).

Конфигурируемые и самонастраиваемые маршрутизаторы называют еще интеллектуальными маршрутизаторами. Итак:

· сетевые повторители являются простейшими устройствами, обеспечивающими передачу пакетов между двумя каналами;

· использование сетевых повторителей позволяет организовывать подсеть, состоящую из множества каналов;

· сетевые мосты обеспечивают передачу пакетов между двумя каналами внутри домена;

· самонастраиваемые маршрутизаторы просматривают весь сетевой поток и изучают (настраиваются на) сетевую топологию на уровне домена/подсети. Полученной информацией такой маршрутизатор пользуется при прокладке" пути для доставки пакетов данных между каналами.

· конфигурируемые маршрутизаторы определяют пути для данных не на основе эмпирических знаний о топологии сети, а на основе внутренних таблиц возможных маршрутов. Таблицы создаются и загружаются с помощью инструментальных сетевых средств.

Некоторый набор каналов, соединенных через мосты и повторители, называется сегментом сети. Любой сетевой узел сегмента «видит» все информационные пакеты, передаваемые внутри данного сегмента. Пропускная способность канала зависит от группы факторов: скорости передачи, времени доступа к среде передачи, размера информационных пакетов и др.

Протокол LonTalk не опирается на определенную реализацию физического уровня (Phisical layer, 1). Существуют протоколы и методы кодирования для самых разнообразных физических каналов передачи данных. Например, метод дифференциального манчестерского кодирования выбран для витой пары, FSK-модуляция применяется для работы на сегментах линий напряжения и на радиочастотах.

В качестве средства борьбы с коллизиями (конфликтными ситуациями) используется предсказывающий алгоритм их предупреждения. Этот алгоритм реализован на подуровне Управления Доступом к Среде Передачи (Media Access Control, MAC) Канального уровня (Link layer, 2). Техника предотвращения коллизий основана на упорядочивании доступа к каналу на основе знания о предполагаемой нагрузке на канале. Узел, желающий передавать, всегда получает доступ к каналу со случайной задержкой из диапазона от ,,0" до некоторой величины w". Для предотвращения снижения пропускной способности сети величина задержки представлена как функция числа незавершенных заданий (backlog), стоящих в очереди на выполнение. Предсказательность" алгоритма, реализованного на МАС-уровне, основана на оценке числа незавершенных заданий. Каждый узел имеет и поддерживает текущее значение backlog: инкрементирование и декрементирование происходит по результатам отправления и приема пакетов.

На МАС-уровне используются специальные правила разрешения коллизий:

· если коллизия имела место при двух последовательных попытках передачи пакета с приоритетом, то следующая попытка будет предпринята без использования приоритета

· при обнаружении коллизии, передающий узел должен инкрементировать свое число незавершенных заданий (backlog)

· если коллизия имела место при 255 последовательных попытках передачи пакета, то это задание снимается.

Функции Канального уровня используют простое кодирование кадров и несложный механизм обнаружения ошибок без восстановления ошибок за счет повторной передачи.

На Физическом уровне поддерживается передача двоичных данных и их квитирование. Каждый LonTalk-узел работает с этим уровнем в одном из двух режимов: прямом или специальном. Прямой режим использует дифференциальное манчестерское кодирование битов, В специальном режиме данные передаются и принимаются последовательно и без кодирования. В обоих случаях каждый пакет сопровождается 16-битным CRC-кодом. Эти два режима позволяют абстрагироваться от конкретной реализации физической среды передачи. При этом конкретный физический протокол в LonTalk-системе может быть использован, если только он удовлетворяет следующим трем условиям:

· пассивное состояние сети (физически) должно соответствовать низкому уровню нагрузки в среде передачи

· ошибка скорости передачи не более 0,0001

· для совместимости с более высокими уровнями OSI-модели все физические протоколы должны поддерживать следующие функции: индикация для вышестоящих уровней прихода информационных пакетов, функция запроса данных, функция текущего статуса физической линии.

В случае работы в прямом режиме контроль за скоростью передачи данных, длиной заголовков пакетов и кодированием берет на себя сам интерфейсный Neuron-кристалл. При специальном режиме эти задачи возложены на трансивер (приемопередающее устройство для сопряжения различных физических протоколов).Сетевой уровень (Network layer, 3) обеспечивает доставку пакетов внутри одного домена без обеспечения взаимодействия между доменами. Этот уровень описывает возможные сетевые топологии на основе использования различных маршрутизаторов.

Сердцевиной протокола являются Транспортный (Transport layer, 4) и Сеансовый (Session layer, 5) уровни.Функции Транспортного уровня (Transport layer, 4) обеспечивают достоверную передачу пакетов по адресу одного абонента или группе абонентов. Для связи с Сеансовым уровнем на Транспортном уровне реализована поддержка следующих функциональных запросов: послать телеграмму (Send_Message), принять телеграмму (Rcv_Message) и подтверждение завершения передачи (Trans_Completed).

Сеансовый уровень (Session layer, 5) занимается реализацией простого механизма запроса/ответа для доступа к удаленным серверам данных и обеспечивает выполнение всего одной функции: запрос/ответ. Для связи с Прикладным уровнем на Сеансовом уровне реализована поддержка следующих запросов: для CLIENT-интерфейса

послать запрос (Send_Request)

краткий ответ (P_Response)

признак завершения передачи (Trans_Completed) для SER VER-интерфейса

получить запрос (Rcv_Request)

послать ответ (Send_Response)

И на Транспортном, и на Сеансовом уровнях включен механизм контроля авторизованного доступа: запрос, не обладающий правом доступа к данным текущего узла, не будет обслужен.

Уровень Представления (Presentation layer, 6) и Прикладной уровень (Application, layer 7) создают основу для совместимости узлов LonTalk-протокола. Прикладной уровень обеспечивает все обычные функции по посылке и получению телеграмм, но он при этом пользуется таким понятием как сетевые переменные. Уровень Представления обеспечивает дополнительной информацией о том, как необходимо интерпритировать сетевые переменные (независимо от прикладной задачи). По существующему соглашению имеется набор переменных, которые можно использовать для датчиков, исполнительных устройств и т.п., независимо от производителя таких устройств.

Одной из важных задач, решаемых на Прикладном уровне, является передача, так называемых иностранных" по отношению к LonTalk, телеграмм. Такая функция используется для организации шлюзов между доменами, а также для прокладки тоннелей" через LonTalk к другим протоколам.

1.4.4 Интерфейсный Neuron-кристалл

Neuron-кристалл является ключевым элементом технологии LonWorks. Каждый узел сети LonWorks должен иметь этот компонент в своем аппаратном обеспечении. Доступно несколько версий кристалла от двух производителей - Toshiba и Motorola. Отличие версий заключается только в размерах доступной памяти. В состав каждого кристалла входит три 8-разрядных микропроцессора: один - для организации доступа и контроля МАС-уровня, второй -для выполнения основных протокольных функций и третий - для выполнения прикладной задачи. Кристалл имеет, по крайней мере, 0.5 Кбайт EEPROM и 1 Кбайт ОЗУ. У одной из версий есть шинный интерфейс к внешней памяти. Тактовый генератор позволяет организовать скорость сети до 1,25 Мбит/с.

Кристалл может самостоятельно выступать как контроллер, имеющий набор из 35 опций, включая поддержку цифрового ввода/вывода (11 немультиплексированных каналов), широтно-импульсный модулятор, импульсный вход, высокоскоростной последовательный и параллельный ввод/вывод, таймер (от 625 кГц до 10 МГц), встроенное программное обеспечение LonWorks, включающее поддержку протокола LonTalk, распределенную операционную систему реального времени, драйверы устройств, библиотеку исполняющей системы (run-time) и многое другое.

В дополнение к аппаратному обеспечению LonWorks система имеет три программных продукта, расширяющих возможности этой системы:

Микропроцессорная интерфейсная программа (MIP). Это часть специализированного, встроенного в Neuron-кристалл программного обеспечения, преобразующего Neuron в коммуникационный сопроцессор.

DDE-Cepeep LonManager. Это Windows-программа, обеспечивающая интерфейс между любым Windows-приложением и сетью LonWorks с использованием стандартного DDE-обмена.

Прикладные программные интерфейсы (API) LonManager. Данный набор программных интерфейсов позволяет создавать различные пользовательские сетевые продукты на основе PC.

К базовому программному инструментарию относятся пакеты: LonBuilder (конфигурирование и отладка сетей LonWorks), NodeBuilder (конфигурирование отдельного узла) и LonMaker (анализатор протокола).

Хотя реализация протокола LonTalk вполне возможна на разных микропроцессорных архитектурах, однако, по мнению создателей интерфейсного контроллера Neuron, есть ряд факторов, по которым Neuron можно считать наиболее приспособленным для пользователя решением. Среди таких факторов называются следующие:

· Neuron является совокупностью трех процессоров, решающих отдельные задачи, а это гарантирует от влияния на сетевой поток со стороны прикладной задачи, выполняемой отдельным процессором

· протокольный процессор реализует все основные функции OSI-модели наиболее полно и наиболее оптимальным образом. Весь объем встроенного программного обеспечения занимает всего около 8 Кбайт. Кроме того, Neuron был спроектирован специально под реализацию протокола LonTalk.

· используя готовый Neuron-кристалл, пользователь может создавать свои устройства с дополнительными по отношению к кристаллу функциями

· существует определенная уверенность в жизнеспособности кристалла, так как его производителями являются крупные фирмы Toshiba и Motorola.

1.5 Выбор аппаратных и программных средств

Исходя из требований изложенных в ТЗ, необходим построить комплекс используя контроллеры из комплекса «Контар».

В основе комплекса -контроллеры МС8 и МС12. МС8(12) представляет собой универсальное измерительное, сигнализирующее, управляющее и коммуникационное устройство, к клеммам которого могут непосредственно подключаться датчики, исполнительные устройства и другие источники и приемники информации [1].

Контроллер МС8(12) спроектирован так, чтобы ресурсов одного прибора было достаточно для автоматизации наиболее распространенных объектов автоматизации: небольшой тепловой пункт, приточная установка, кондиционер и т.п.

МС8(12) осуществляет:

· измерение и преобразование в цифровую форму различных аналоговых сигналов, представляющих такие физические параметры как температура, давление, расход, уровень, влажность, содержание газов, освещенность и т.п. по каждому из 8 входов;

· преобразование дискретных (бинарных) сигналов, представляющих состояние различных внешних контактов; сигнализацию отклонений параметров от предустановленных значений;

· управление всевозможным исполнительным оборудованием: реле, пускателями, электромоторами насосов, вентиляторов, исполнительными механизмами клапанов, задвижек, заслонок, направляющих аппаратов, жалюзи, позиционерами и т.п.;

· передачу и приём информации по каналам RS485, RS232, USB, Ethernet и ZigBee;

· функцию часов реального времени с энергонезависимой памятью;

· архивирование данных и событий во внутренней памяти.

Управление всем подключенным оборудованием и обмен информацией осуществляется по алгоритмам, записанным в контроллер , а также по сигналам с верхнего уровня управления.

Контроллеры МС8 имеют 2 аналоговых выхода, каждый из которых может быть сконфигурирован пользователем путём установки замыкателей на 0-10В или 0-20мА. В контроллерах МС12 имеется 4 аналоговых выхода, два из которых аналогичны выходам МС8, остальные два - только 0-10В. Эти выходы могут быть использованы для управления аналоговыми исполнительными механизмами (позиционерами) заслонок и клапанов, например, типа Belimo, Sauter, Honeywell и т.д., тиристорными усилителями мощности, например, У13, или использоваться для связи приборов КОНТАР с другими приборами, не имеющими с КОНТАРом цифровой связи.

Дискретные выходные ключи (всего 8) прибора МС8 выполнены по-разному. В приборе МС8.1x1 и MC8.3x1 выходы-это "сухие" транзисторные ключи, не имеющие гальванического разделения [2].

В контроллерах МС8.2х2 и МС8.3х2 выходы-это "сухие" симисторные ключи, гальванически изолированные от всех остальных узлов и каждая пара выходов при этом изолирована друг от друга. Обычное их использование-включение реле переменного тока или других устройств, например, трёхпозиционных клапанов Belimo, Samson, Sauter, Siemens, рассчитанных на управление сигналами 24В переменного тока.

В контроллерах МС12 - 8 релейных силовых выходов типа “сухой ключ”.

Контроллеры МС8 и МС12 могут работать автономно, управляя каждый своей установкой, т.е. минимальный уровень-один контроллер с подключенными датчиками и исполнительными устройствами (ИУ).

Рисунок 1.1 - пример использования контроллера.

Для интеграции с сетями LON подключение осуществляется через шлюз MCP.3 [3].

Для настройки подключения используется программа FieldServer Configuration Utility.



Рисунок 1.2 - подключение к сетям LON

Так как питание модуля МСР3 осуществляется напряжением 24 вольта - будет практичней и удобней использовать контроллер с питанием 24 вольта. В данном случае это контроллер МС8.2. Каждый из модулей потребляет около 6 ватт. При выборе блока питания необходимо предусмотреть двойной запас по мощности. Хорошим выбором будет использование промышленного блока питания Chinfa DRAN30-24 со следующими характеристиками[4]:

Входное напряжение - 85-264вольт

Выходная мощность - 30 ватт

Выходное напряжение - 24 вольта

Выходной ток - 1250 миллиампер

Метод крепления - DIN рейка

В качестве пульта управления используется встраиваемый компьютер с активным дисплеем на основе процессора Intel Atom. С установленной операционной системой Windows XP SP3.

В качестве Ethernet коммутатора можно использовать любой удобный и надёжный коммутатор, общего назначения. В данном проекте используем коммутатор MOXA EDS-205A-M-SC-T. Коммутатор имеет крепление на DIN рейку, выполнен в металлическом корпусе, имеет питание 10-60 вольт. Работа этого коммутатора была проверена в жёстких условиях эксплуатации, и он выбран как самый надёжный из доступных по цене.

При выборе программных средств руководствуемся документацией комплекса «Контар». Будет необходим MCServer, который позволяет получить доступ к спискам переменных контроллера. В качестве систему управления используем АРМ из того же комплекса программ. Необходимо будет исключить из него компоненты архивирования и SQL сервер, чтобы снизить нагрузку на процессор и соответственно уменьшить теплоотдачу и потребление энергии пультом. При необходимости можно написать свою систему управления для конкретного случая. Доступ к данным МС сервера возможен посредством технологии .NET. На консоль АРМ пульта необходимо вынести минимум органов управления и сигналов для управления конечным пользователям системы.

1.6 Рекомендации по развитию комплекса

Для функций расширения комплекса до системы ЖКХ резервируется один Ethernet порт на коммутаторе, к которому подключается оборудование WiFi. При выборе WiFi оборудования необходимо предусмотреть установку внешней круговой или секторной антенны. Коаксиальный кабель, соединяющий антенну и точку доступа должен быть как можно меньшей длины и с минимальными потерями на частотах нескольких гигагерц. Оборудование WiFi должно в обязательном порядке поддерживать WDS систему, реализующую роуминг пакетов, иначе необходимо обеспечить прямую видимость до диспетчерского пункта [7,8].

Диспетчерский пункт необходимо оборудовать аналогичной точкой WiFi, а также серверной стойкой или шкафом с установленным серверным оборудованием для поддержки СКАДА системы и доступом в интернет.

Для диспетчерского контроля необходим персональный компьютер с минимальными вычислительными ресурсами и операционной системой Windows XP SP3 или выше. Для этих целей допустимо использовать тонкую станцию с соответствующей поддержкой на сервере.

Серверное программное обеспечение строиться на основе Citect SCADA под управлением операционной системы Windows 2003, 2008.

Исользование программного обеспечения Citect объясняется многими факторами. Во-первых, данное обеспечение предназначено для использования в высоконагруженных системах, поддерживает все необходимы функции по управлению, отображению, анализу и архивированию данных[5]. Кроме того имеет множество драйверов для подключения к нижнему уровню комплекса.

Разграничение прав пользователей и клиент-серверная структура позволяет разнести функции пользователей территориально.

Отличительной особенностью программного обеспечения Citect является открытость API. Язык программирования CiCode позволяет использовать внешние данные и, тем самым, реализовать собственный драйвер. Стоимость программного обеспечения Citect складывается из количества переменных обрабатываемых драйверами Citect, при написании собственного драйвера мы снимаем ограничение наложенное лицензией на количество данных поступающих в СКАДА систему, а также избавляемся от промежуточного звена, OPC сервера, получая данные напрямую из МС сервера «Контар».

При подключении комплекса к сети Интернет встанет проблема доступа к серверу, не каждый провайдер предоставляет IP адрес, напрямую транслируемый в сеть Интернет. Кроме того такое подключение не безопасно. Для этих целей необходимо использовать VPN сервер. В качестве программного обеспечения рекомендуется использовать OpenVPN с протоколом UDP, свободно проходящим через шлюзы c NAT[11]. Как альтернативу можно использовать IPSec Nat-Traversal [6,9,10], но возможно встанет проблема с совместным использованием единственного UDP порта. Нельзя использовать VPN на основе протоколов GRE и IPIP, потому как в данном случае при NAT нет возможности разделять подключения по сокетам.

2. Структурная схема

Исходя из требований, изложенных в ТЗ, необходимо построить программно-аппратный комплекс управления климатическими системами с возможностью масштабирования и удалённым доступом.

Исходя из идеологии многоуровневой структуры комплекса, представим структуру как связь уровней на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1

На самом низком уровне управление осуществляется исполнительными механизмами на основании сигналов полученных с датчиков и параметров настройки. В соответствии с этим необходимо обеспечить съем параметров с аналоговых и дискретных датчиков, а также подключение аналоговых и дискретных сигналов к исполнительным механизмам.

По ТЗ необходимо обеспечить управление тремя системами. Приточно-вытяжная система вентиляции оборудована датчиками и исполнительными механизмами.

Оборудование кондиционеров и чиллера имеет свои цифровые устройства управления и позволяет произвести съём параметров и передать параметры настройки по протоколам межсетевого взаимодействия. Структурная схема межсетевого взаимодействия представлена на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2

При этом если сигналы с датчиков контроллер позволяет получать напрямую, то для подключения сторонней автоматики требуются устройства сопряжения сигналов. Укрупненная структурная схема уровня автоматики приведена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3

Внешние подключения должны охватить максимум возможностей для масштабирования комплекса. А также обеспечить удалённый доступ. Исходя из идеи развития комплекса до системы коммунального хозяйства, в структурную схему включим локальный диспетчерский пункт с выходом в глобальную сеть. Структурная схема диспетчерского пункта приведена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4

При этом сервер СКАДА должен получить доступ к максимальному количеству систем коттеджного посёлка для эффективного обслуживания климатических и прочих систем в зависимости от особенностей каждого коттеджа.

Диспетчерский терминал в основном режиме работы должен отображать аварийные и предаварийные ситуации с рекомендациями к действию обслуживающего персонала. Кроме того должен содержать функциональные схемы систем с отображением параметров для диагностики неисправностей.

Связь между автоматикой коттеджей и диспетчерским пунктом обеспечит WiFi точка доступа.

Для удалённого доступа к серверу СКАДА и прочему оборудованию, служит маршрутизатор с выходом в сеть интернет. В связи с тем что в большинстве случаев провайдеры не предоставляют постоянный транслируемый адрес в сети интернет, необходимо подключение к виртуальной частной сети. Для этих целей можно использовать выделенный сервер в сети интернет либо VPN созданный по облачной технологии, например Hamachi.

3. Функциональная схема

При разработке функциональной схемы необходимо предусмотреть подключение различных типов оборудования и датчиков.

Датчики могут быть условно представлены двумя основными типами:

· дискретные;

· аналоговые.

Первый тип после преобразования в программный код имеет логическое значение. В физическом смысле вход предназначен для подключения контактов замыкателя.

Второй тип обрабатывается аналогово-цифровым преобразователем и в представляет собой число которое может означать напряжение или ток. Используемый контроллер может переключаться в режимы измерения напряжения, тока и сопротивления.

Рассмотрим датчики по типам на схеме вентиляционной системы.

Рисунок 3.1 - Реле перепада давления

Реле перепада давления на фильтрах - дискретный датчик, представляющий из себя замыкающие контакты. Подключим оба датчика параллельно и заведём на дискретный вход контроллера. Обработку дребезга контактов и ложных срабатываний предусмотрим в алгоритме. Сигнал с данного датчика означает необходимость замены воздушных фильтров.

Рисунок 3.2 - Термостат защиты

Термостат защиты представляет для нашей системы аналогичные контакты и подключается напрямую. Срабатывание термостата сигнализирует о перегреве.

Реле перепада давления на вентиляторах (см. рисунок 3.1) - датчик аналогичный реле на фильтрах, сигнализирует о неработающем вентиляторе.

Рисунок 3.3 - Клавиша включения

Клавиша включения подключается к дискретному входу напрямую.

Рисунок 3.4 -Термодатчик

Термодатчик представляет собой термистор и подключается к аналоговому входу контроллера. При этом аналоговый вход конфигурируется перемычками в соответствии с инструкцией на крышке. В функциональном алгоритме используется соответствующий блок коррекции входного сигнала и формирования сигнала обрыва датчика.

Рисунок 3.5 - Твёрдотельное реле

Для управления нагревом калорифера используется твёрдотельное полупроводниковое реле. Сигналом включения реле будет являться блок ШИМ, который реализован программно. Реле подключается катодом к дискретному выходу контроллера, тем самым контроллер будет управлять подключением этого выхода к общему проводу (минусу). Анод подключается напрямую к цепи питания автоматики +24 вольта. Выход твердотельного реле будет включён в разрыв цепи питания калорифера.

Рисунок 3.6 - Сигнальная лампа

Сигнальная лампа предназначена для обозначения присутствия аварийного сигнала. Лампа подключается к контроллеру аналогично твёрдотельному реле.

Рисунок 3.7 - Модуль управления положением воздушных заслонок

Управление положением воздушных заслонок осуществляется постоянным напряжением от 0 до 10 вольт. Сигнал управления формируется аналоговым выходом контроллера.

Рисунок 3.8 - Частотный регулятор

Управление вентиляторами осуществляется через частотный регулятор, на вход которого подаётся управляющее напряжение от 0 до 10 вольт с аналогового выхода контроллера по аналогии с управлением заслонками.

Для доступа к сети LON используется модуль MCP3 который подключается к порту RS232 основного контроллера.

Все LON устройства должны быть подключены по шинной топологии и сконфигурированы для обмена параметрами.

Подключение к уровню диспетчеризации и пульту управления осуществляется через коммутатор Ethernet.

Подключение основного контроллера позволит осуществлять управление, конфигурирование и пусконаладочные работы. Подключение модуля МСP3 позволит проводить диагностику состояния данных в сети LON на этапе пуско-наладки.

Пульт управления также подключается по Ethernet.

Необходимо обеспечить дополнительные свободные порты на коммутаторе для подключения к внешней сети диспетчеризации.

Питание основного контроллера, модуля МСР3 и коммутатора осуществляется с помощью блока питания. Питание данных устройств позволяется как переменным так и постоянным током. Питание пульта управления осуществляется напрямик от сети 220 вольт.

4. Принципиальная схема

Рассмотрим типовую схему включения контроллера МС8.2 [12], рисунок 4.1.

Рисунок 4.1

Контроллер не требует дополнительных цепей согласования и формирования сигналов подпоров и смещений для режимов работы.

Цепи питания 220 вольт выполним на клеммнике XS1. На вводе питания установим автоматический выключатель SA1, Который обеспечит защиту от коротких замыканий.

Подключения датчиков произведём в соответствии с документацией через клеммы XS2, которые монтируются на DIN рейку. Цепи питания контроллера MCU1 и модуля MCU2 подключим напрямую к блоку питания.

Порты RS232 контроллера MCU1 и модуля MCU2 соеденим напрямую, в соответствиии с документацией.

Включатель на щите и сигнальную лампу подключим через клеммы XS2.

Однофазное твердотельное реле KMS1 подключается к контроллеру MCU1 через клеммы XS2. Выход реле через клеммы XS1.

Соединения Ethernet выполнены патчкордами.

Подключение к сети LON через клеммы XS2.

Разделение клеммников XS1 и XS2 продиктовано необходимостью обезопасить устройства при ошибке монтажа.

5. Конструктивное исполнение

Выбор базовой конструкции производился с учетом условий эксплуатации и возможности установки дополнительного оборудования.

Общее количество модулей 45. Из них 11 и 25 наборные клеммы. С учётом собранных клемм, всего модулей 11.

Для компоновки этих модулей с учётом конструктивных размеров каждого, был выбран металлический навесной щит с монтажной панелью ЩРНМ-3(650х500х220) производства DEKraft.

Щит имеет два отверстия кабельного ввода в верхней стенке. С учётом этого располагаем клеммные колодки в верхней части щита.

Монтаж производится на DIN рейки. Кабели укладываются в короба. Крепление к монтажной панели саморезами СМ-4,2х13. Переключатель SA2, сигнальная лампа HL1 и компьютерная панель пульта управления врезаются в крышку щита.

6. Конфигурирование оборудования

6.1 Конфигурирование платы 33CNTRANLON

Конфигурирование устройства производится только официальным сервисным центром Carrier. Заказчик может выбрать список параметров который будет доступен по сети LON. Список доступен в технической документации на устройство. Часто бывает достаточно параметров из таблицы CHLRMAP1. Плата устанавливается в корпус чиллера.

6.2 Конфигурирование шлюза DMS504B1

Конфигурирование шлюза производим в соответствии с инструкцией.

При первичном подключении централизованного пульта DMS504B1 к системе необходимо выполнить следующие действия:

1. Проверить подачу питания на внутренний блок. Присоединить проводной пульт BRC1D528 к внутреннему блоку системы вместо установленного при монтаже инфракрасного пульта.

2. Задать адрес (режим №30) для каждого внутреннего блока при помощи проводного пульта управления BRC1D528 (в виде 1-00, 1-01, … 1-16), после чего проводной пульт отсоединить.

3. После задания всех адресов необходимо отключить DMS504B1 от питания.

4. Подать питание на ВСЕ блоки системы.

5. Через 3 минуты включить DMS504B1.

Для выхода в 30-й режим на проводном пульте BRC1D528:

1) Нажать кнопку и удерживать её в течение 4-х секунд.

2) Кнопкой выбрать режим 30.

3) Кнопкой выбрать номер первого кода (1, 2, 3, 4).

4) Кнопкой выбрать номер второго кода (порядковый: 00, 01, 02, …14, 15).

5) Нажать кнопку для ввода адреса в память блока.

6) Один раз нажать кнопку .

6.3 Конфигурирование MCP3

Данное устройство по своей сути является модулем Protocessor фирмы FieldServer заключённым в корпус для установки на DIN рейку.

Устройство представляет собой массив данных доступный по различным протоколам. Его структура приведена на рисунке 6.1

Рисунок 6.1

Суть конфигурирования устройства состоит в процессе установки указателей переменных LON в массиве данных. Устройство имеет два типа массивов: массив битовых данных и массив переменных с плавающей точкой. При этом вычисление смещений указателей производится не побайтно, а попеременно. Так как основные типы данных протокола LON несовместимы с битовым массивом, размечать будем массив float. Исходными данными для нас являются списки сетевых переменных устройств DMS504B1 и 33CNTRANLON.

Список переменных шлюза DMS504B1 можно получить с помощью программы конфигурирования LON из файла DMS504B51.xif входящего в комплект поставки. После загрузки файла мы видим, что устройство представляет собой набор узлов с переменными, количество узлов соответствует количеству поддерживаемых кондиционеров. Функциональный блок одного узла представлен на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2

К сожалению xif файл не содержит данные Self-Documentation. Воспользуемся технической документацией для описания доступных переменных.

Наиболее интересны для нас:

nviFanSpeed - входная переменная, используемая для установки скорости вращения вентилятора;

nviFSReset - входная переменная, используемая для сброса сигнала о засорении фильтра;

nviHeatCool - входная переменная для переключения режима работы нагрев/охлаждение;

nviOnOff - входная переменная, используемая для включения/выключения модуля кондиционера;

nviSetpoint - входная переменная для установки температуры воздуха;

nvoErrStatus - выходная переменная возвращающая статус ошибки кондиционера;

nvoFanSpeed - выходная переменная показывающая текущую скорость работы вентилятора;

nvoFiltersign - выходная переменная, сообщающая о засорении фильтра;

nvoHeatCool - выходная переменная, показывающая текущий режим работы кондиционера;

nvoHvacExist - переменная показывает состояние связи с кондиционером;

nvoOnOff - переменная показывает текущее состояние вкл/выкл;

nvoSetpoint - переменная, показывающая текущую установку температуры;

nvoSpaceTemp - переменная показывающая температуру воздуха в помещении.

Для связи создадим соответствующие узлы и ответные переменные в нашем шлюзе MCP3, рисунок 6.3.

Рисунок 6.3

Плата 33CNTRANLON не имеет подобного файла, но мы можем считать конфигурацию из сети с помощью программного обеспечения, например LonMaker. Функциональный блок чиллера представлен на рисунке 6.4

Рисунок 6.4

В соответствии с документацией создадим описание узлов и переменных для устройства MCP3. Для удобства можно воспользоваться программой MCPConfig из комплекса КОНТАР. Программа не позволяет использовать все возможности модуля Protocessor но в нашем случае её достаточно.

Для удобства создадим отдельные узлы для каждого LON устройства. Каждый узел снабдим ответными переменными устройства, если например кондиционер имеет переменную nviFanSpeed для ввода данных, то соответствующий узел МСР должен иметь переменную nvоFanSpeed для вывода данных. Типы переменных должны совпадать. Для каждой переменной зададим LON функцию. Для межсетевого обмена нам понадобятся всего две:

· NVUOIMC - функция непрерывной записи в сеть;

· NVPIIMC - функция непрерывного считывания из сети.

Смещения данных в массиве для каждой переменной рассчитаем исходя из типа каждой переменной.

Пример работы с программой приведён на рисунке 6.5

Рисунок 6.5

Таблица переменных с параметрами и функциями, и расчёт смещений приведены в приложении А.

Схема связей сети LON приведена в приложении Б.

7. Функциональный алгоритм Kongraf

Инструментальная система КОНГРАФ предназначена для разработки алгоритмов управления для приборов комплекса КОНТАР. Программа дает пользователю возможность на доступном технологическом языке функциональных блоков запрограммировать свою задачу или выбрать наиболее близкое решение из предлагаемого набора типовых проектов[13].

Программа позволяет создавать проекты как для одного контроллера, так и группы контроллеров, объединённых в единую приборную сеть. При этом ресурсы могут быть оптимально распределены между контроллерами. Требуемый для управления объектом алгоритм разрабатывается с помощью встроенной в программу библиотеки функций. Библиотека функций постоянно расширяется при появлении новых версий программы, что добавляет новые возможности при составлении алгоритма. Программа дает возможность произвести отладку всего алгоритма или его части и устранить ошибки до загрузки в контроллеры. После разработки алгоритма проводится компиляция, результатом которой является файлы с исполняемым кодом (они загружается в сами приборы).

...