Проектирование автоматизированной системы управления зданием

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЗДАНИЕМ



Оглавление

Введение

Глава 1. Обзор и анализ технологий систем управления зданиями

1.1 Базовые понятия систем автоматизации ("умный дом")

1.2 Протоколы передачи данных для автоматизации зданий

Глава 2. Анализ и настройка сети протокола KNX

Глава 3. Архитектура инженерных систем автоматизации

3.1 Свободно-программируемый контроллер LogicMachine4

3.2 Исполнительные устройства

Глава 4. Разработка проекта системы управления зданиями

4.1 Система освещения

4.2 Система микроклимата

4.3 Система управления механизмом штор

4.4 Интерфейс и общая схема функционирования

Заключение

Список литературы



Введение

В современном мире происходит постоянное развитие существующих технологий и создание новых. Нельзя не признать тот факт, что электронные устройства сейчас используются почти во всех сферах, необходимых человеку. И если раньше технологии применялись в основном на производстве или в науке, то сейчас каждый день люди используют электронные гаджеты для поддержания своего комфорта и развлечений.

Сфера интеллектуальной автоматизации зданий также претерпела множество изменений за последние десятилетия. С развитием технологического прогресса стали появляться новые возможности для реализации наиболее оптимизированного управления основными инженерными системами в зданиях.

Проектирование системы управления и автоматизации здания позволяет улучшить уровень жизни и решить множество проблем, связанных с этой сферой.

В первую очередь, автоматизация процессов позволяет существенно уменьшить расходы на энергию и эксплуатацию здания, что наиболее ценится в Европе и продвигается на государственном уровне, а также начинает приобретать популярность и в России. Более того, это позволяет снизить стоимость коммунальных услуг из-за уменьшения энергопотребления в связи с повышением энергоэффективности. В коммерческом секторе также происходит снижение расходов на обслуживающий персонал, благодаря возможности осуществления контроля и управления сложными системами без участия человека.

Следующим преимуществом автоматизированного здания несомненно является повышение комфорта и качества жизни. Человек в современном мире стал задумываться не только о необходимых ему технологических устройствах, но также и о дополнительных преимуществах, позволяющих улучшить качество проживания в своем доме. Благодаря высокому уровню развития сферы домашней автоматики снизилась стоимость оборудования и инсталляции интеллектуальных систем, позволяя сделать интеграцию системы доступной для массового потребителя. В коммерческом секторе создание комфорта также играет немаловажную роль, ведь оптимизированный уровень освещенности и правильный температурный режим повышают эффективность рабочего процесса.

И третьим, но не последним по важности, преимуществом является повышение уровня безопасности, что находит свое применение как в жилых помещениях, так и в бизнес-центрах, а также на производствах. С помощью интеллектуальных систем возможна реализация видеонаблюдения, мониторинга состояния и ошибок определённых параметров здания, системы оповещения в случае чрезвычайных ситуаций.

Проектирование и реализация автоматизированных систем возможны во многих вариантах, с использованием различных протоколов, оборудования и способов настройки. В данной дипломной работе представлен один из вариантов разработки подобной интеллектуальной системы на примере домашней автоматики с использованием протокола KNX. Все подсистемы представлены в виде модели, но при этом сохраняют алгоритм полнофункционального проектирования.

Основная цель работы - создание интеллектуальной системы управления зданием, включающей управление основными инженерными подсистемами, такими как: системой освещения, системой микроклимата и теплого пола, системой механизма штор. Также, возможно дополнительное создание интерфейса для эффективного контроля и организации параметров всей системы в целом.

Для достижения поставленной цели следует выполнить следующие задачи:

1. Проанализировать и сравнить основные протоколы для создания системы автоматизации и управления зданием;

2. Подробно изучить технологию проектирования системы и настройку основных параметров;

3. Выбрать необходимую элементную базу в соответствии с техническим заданием проекта;

4. Спроектировать необходимые инженерные системы согласно выбранной технологии;

5. Создать интерфейс для наглядной демонстрации готовой системы.



Глава 1. Обзор и анализ технологий систем управления зданиями

1.1 Базовые понятия систем автоматизации ("умный дом")

История домашней автоматики, или, как более популярный и простой термин, "умных домов" (intelligent building) насчитывает несколько десятилетий с момента реализации первых технологий, направленных на управление бытовыми электроприборами. Изначально в ее задачи входило управление освещением, однако со временем набор возможных команд значительно расширился благодаря техническому прогрессу.

В 1959 году Джоэль и Рут Спира запатентовали первый в мире диммер [1], предназначавшийся для плавной регулировки освещения. Затем ими была основана компания Lutron (1961), которая начала массовое производство светорегуляторов для бытового использования. Далее, в 1975 году компанией Pico Electronics были созданы элементы бытовой автоматики для управления музыкальными проигрывателями, ими же был разработан остающийся одним из самых популярных на сегодняшний день - протокол X10. В 1978 году компанией Leviton была разработана технология управления бытовыми электроприборами посредством обычной электрической сети. Однако возможностей протокола X10 было явно недостаточно для реализации всех возможных и необходимых элементов "умного дома". В 1984 году члены EIA (Electronics Industries Alliance) осознали необходимость создания нового стандарта и в результате работы инженеров, в 1992 году был представлен протокол CEBus (Consumer Electronics Bus, также известный как EIA-600).

С развитием технического прогресса, шел постепенный рост как числа используемых протоколов, так и их возможности для использования в системах домашней автоматики.

Под термином "умный дом" как правило понимается интеграция нескольких систем в единую систему управления зданием, управление которой доступно пользователю/диспетчеру или полностью автоматизировано:

· Управление и связь;

· Отопление, вентиляция, кондиционирование;

· Освещение;

· Электропитание;

· Безопасность и мониторинг.

Управление включает в себя подсистемы контроля за аудио-, видеотехникой, домашней электроникой в целом, от самых различных электроприборов до, к примеру, различных систем зданий: ворота, шлагбаумы, электронные двери и т.д.

Связь отвечает за телефонные и локальные сети внутри здания, которые в том числе обеспечивают взаимодействие отдельных компонентов между собой.

Отопление, вентиляция и кондиционирование включают в себя подсистемы управления климатом внутри зданий, отвечая за регуляцию температурного режима, влажности и поступления свежего воздуха.

Освещение отвечает за регуляцию уровней освещенности, в том числе и за экономию электроэнергии.

Электропитание обеспечивает бесперебойность работы электросистем здания.

Безопасность и мониторинг выполняют функции предотвращения различных опасных ситуаций.

Таким образом можно констатировать, что на сегодняшний момент "умный дом" это уже не просто регулировка уровня освещенности отдельной взятой комнаты, но сложная, многоуровневая и иерархичная система, которая в состоянии выполнять множество различных функций в рамках различных систем, обеспечивающих контроль и поддержание значительного количества условий, задаваемых пользователем и зависящих от конкретных условий.

Однако не будем подробно останавливаться на разборе этих ключевых подсистем, а перейдем непосредственно к различным протоколам, благодаря которым осуществляется взаимодействие всех элементов автоматизированной системы.

1.2 Протоколы передачи данных для автоматизации зданий

Существует большое множество различных протоколов для передачи данных в сфере автоматизации данных. Они используются для совершенно разных задач и обладают своими достоинствами и недостатками. Наиболее популярные и часто используемые рассмотрены в данной дипломной работе.

Х10. Одной из самых распространённых технологий домашней автоматизации на сегодняшний день является международный промышленный открытый стандарт Х10. Он прост, надежен (в виду своей примитивности), однако обладает рядом недостатков:

· Крайне низкая скорость передачи данных;

· Относительно низкая помехозащищенность;

· Небольшой масштаб возможной территории, на которой планируется развернуть "умный дом".

То есть протокол X10 подходит в основном только для домашнего использования.

Однако есть у него и ряд преимуществ:

· Низкая цена;

· Значительное количество компаний разработчиков, осуществляющих производство компонентов для реализации систем домашней автоматики на базе данного протокола;

· Возможность реализации сети без прокладки дополнительных элементов, поскольку для работы протокола используется обычная домашняя электрическая сеть, имеющаяся в каждом доме [2].

1-Wire. Данный протокол был разработан в конце 90-х годов компанией Dallas Semiconductor Corp [3]. У него есть несколько основных областей использования. Одна из которых - реализация систем домашней автоматики. Несмотря на то, что данная технология не получила широкого распространения, у нее тем не менее есть ряд преимуществ:

· Гибкая адресуемость устройств;

· Простая структура линии;

· Простая настройка сети;

· Возможность почти неограниченной протяженности линии;

· Низкая стоимость проектирования технологии в целом.

Таким образом, данных протокол логично использовать для реализации тех систем, где нет требований к высокой скорости передачи данных и больших объемов информации, но требуется простота в реализации, гибкость настройки и невысокая стоимость общей системы.

BACnet. Данный протокол был разработан в середине 1980-х американским сообществом ASHRAE, которое занималось проблемами отопления, кондиционирования и вентиляции. На данный момент времени, BACnet базируется на двух международных стандартах - ISO 16484-5 и ANSI/ASHRAE STANDARD 135 [4]. Изначально протокол был нацелен в большей степени на управление нежели на автоматизацию систем, что стало одним из существенных отличий от других используемых протоколов в сфере автоматизации зданий. С помощью протокола BACnet можно реализовать коммерческие проекты для централизованного контроля больших зданий (аэропорты, офисные бизнес-центры, гостиницы и т.д.)

Данный протокол имеет как свои преимущества, так и недостатки. К основным достоинствам можно отнести то, что протокол является открытым, а значит он не привязан к определённой элементной базе и поддерживается большим количеством компаний-разработчиков. Также благодаря BACnet стало можно объединить ранее несовместимые системы. Что касается недостатков, то одной из проблем является то, что подразумевающееся в теории высокая совместимость оборудования различных производителей на практике оказалась плохо реализуемой, так как некоторые устройства разных разработчиков оказались полностью несовместимы между собой. Другой существенный недостаток - отсутствие общего программного обеспечения для настройки системы, следовательно, почти каждая компания разработчик вынуждена разрабатывать свои собственные программы для конфигурации.

Протокол BACnet достаточно известен и широко используем, но применяется в основном для реализации систем отопления, кондиционирования и вентиляции.

LonWorks/LonTalk. Проект LonWorks был разработан компанией Echelon Corporation в конце 1990-х и является полноценной гибкой сетевой платформой для автоматизации, включающей в себя полноценный протокол LonTalk [5]. Одной из главных особенностей является то, что данная платформа разрабатывалась не только для систем, решающих задачи по управлению зданиями, а также для успешного применения в других сферах автоматики - метрополитен и дорожные комплексы, транспортные сети, нефтегазовые проекты, микроэлектронного производство, городское освещение и т. д. Протокол LonTalk по аналогии с BACnet базируется на нескольких международных стандартах, основными являются ISO/IEC 14908-1-4 и ANSI/IEC 709.1-B.

Для того чтобы поддерживать и продвигать сетевую платформу была создана ассоциация LonMark, в которую входят более 400 компаний производителей. Данная система приобрела большую популярность благодаря своей гибкости в реализации. Платформа является децентрализованной, что позволяет каждому узлу системы работать независимо друг от друга. Протокол позволяет создать сеть с большим количеством узлов, обеспечивая высокую стабильность и надежность всей системы в целом. Также LonTalk является высоко интегрируемым, благодаря программным шлюзам, позволяющим использовать другие разнообразные системы. Спектр задач, которые можно решить с помощью оборудования LonWorks разнообразен, но одним из недостатков является достаточно высокая стоимость устройств, которая препятствует широкому использованию в небольших проектах, в частности в домашней автоматике.

На сегодняшний день LonWorks известен в международном сообществе, занимающемся проблемами автоматизации и управления зданиями и поддерживается многими компаниями разработчиками, но большую популярность имеет в Северной Америке нежели в Европе, где чаще используется протокол KNX.

KNX/EIB. Наиболее распространенный на сегодняшний день протокол - KNX. Он существует на рынке уже более двадцати лет, а в ассоциацию KNX входит более 350 компаний, выпускающих и поддерживающих более 7000 продуктов, что составляет более 80% европейского рынка, занимающегося производством и инсталляцией оборудования для домашней автоматики. Данный протокол поддерживается таким международным стандартом, как ISO/IEC 14543-3 [6]. Протокол KNX является международным и открытым, позволяющим гарантировано совмещать устройства различных производителей, что является одной из его главных особенностей. В отличие от протокола BACnet для KNX существует общее специальное программное обеспечение ETS Professional, позволяющее разрабатывать и настраивать проекты. Международный стандарт KNX является децентрализованным, что позволяет создавать большие инсталляции, обладающие высокой надежностью.

Благодаря тому, что реализована функция подтверждения доставки информации и, в случае неудачи, повторная отправка, протокол обладает высокой помехоустойчивостью и стабильностью. Также возможно создание большого количество переменных, имеющих различные типы данных (бинарные, целые, текстовые и т.д.)

При этом к недостаткам KNX можно отнести значительную дороговизну оборудования. С другой стороны, он позволяет решать практически любые задачи в вопросе домашней автоматизации. Большой выбор оборудования, поддержка со стороны производителя и широта сценариев использования делают этот протокол одним из самых востребованных на сегодняшний день.

Протокол KNX полностью отвечает требованиям проекта, реализуемого в данной дипломной работе. Именно поэтому система домашней автоматике реализована на базе стандарта KNX. Более подробно описание работы протокола рассмотрено в следующей главе.



Глава 2. Анализ и настройка сети протокола KNX

Для связи всех устройств для автоматизации здания необходимо их подключить к общему каналу связи - шине KNX. С помощью шины устройства системы могут обмениваться телеграммами (пакетами) для передачи информации. Если передача и прием прошли успешно, то устройство-приемник, которому предназначалось сообщение подтверждает получение телеграммы. В случае отсутствия подтверждения устройство-передатчик повторяет отправку сообщения еще два раза. Если и в этом случае подтверждение не приходит, то процесс передачи данных прерывается. Таким образом, протокол KNX является протоколом с "обратной связью". В каждый момент времени может быть отправлена только одна телеграмма. Примерная структура сети KNX показана на рисунке 1.

Рис. 1. Структура подключения устройств к шине KNX

Протокол KNX может использовать различные среды для передачи данных [7]:

· KNX/TP - витая пара со скоростью передачи данных 9600 бит/с;

· KNX/PL - силовая линия (230 В и 50 Гц) со скоростью передачи данных 1200 бит/с;

· KNX/RF - радиоканал, имеющий два частотных окна 868 и 433 МГц;

· KNX/IP - сеть Ethernet.

В рамках дипломной работы в качестве среды передачи данных используется витая пара (KNX/TP). Данный метод организации системы домашней автоматики на базе KNX является наиболее распространенным и актуальным, так как такие системы просты для планирования и разработки и позволяют создать функциональные и гибкие решения, удовлетворяющие требованиям заказчика. Кабель витой пары может прокладываться поверхностным (контрольные панели) или скрытым (радио-модули) монтажом. Благодаря большим возможностям настройки и программирования, стандарт KNX является удобным как для разработчика, так и для конечного пользователя. Кабель витой пары, состоящей из красной (+) и черной (-) пары проводов, можно использовать как для передачи телеграмм, так и для подачи питания устройств.

Для того, чтобы система начала работать недостаточно просто соединить кабелем все устройства и подключить к питанию. Необходимо настроить и запрограммировать устройства, используя специальное программное обеспечение ETS Professional.

Engineering Tool Software (ETS) - специальное программа для проектирования, конфигурации и диагностики интеллектуальных систем на базе стандарта KNX. ETS возможно использовать для настройки многих инженерных систем:

· Управление освещением (включение/выключение, диммирование);

· Управление шторами;

· Система микроклимата (отопление, вентиляция, кондиционирование);

· Безопасность (сигнализация, видеонаблюдение, защита от протечек)

· Управление энергией;

· И др.

Существует несколько способов настройки устройств:

1) В S-режиме (system) - шинные устройства становятся функциональными после загрузки в универсальный блок сопряжения с шиной определённой аппликационной программы, индивидуальной для каждого устройства. В данном режиме у инсталлятора есть полный доступ к программированию и настройке всех параметров устройств. Наиболее часто используемая конфигурация для систем KNX.

2) Е-режим (easy) - исполнительные устройства уже являются полностью функциональными на момент подключения к шине KNX, программа загружается в блок сопряжения уже при изготовлении устройства. Логическая связь между такими KNX-устройствами и установка соответствующих параметров выполняется аппаратно, либо через контроллер, причем большинство настроек уже выставлено по умолчанию.

3) В А-режиме (auto) происходит автоматическая упрощенная настройка устройств при их подключении к центральному блоку управления. В последних спецификациях протокола KNX не используется.

Для инсталляции KNX у каждого устройства в сети должен быть индивидуальный уникальный физический адрес. Назначение адреса можно произвести с помощью ETS. Для этого необходимо перевести устройство в программный режим (например, нажатием на программную кнопку на корпусе). Для подтверждения режима программирования должен загореться светодиод. Физический адрес устройств имеет следующую структуру: Зона.Линия.Устройство (например, адрес 1.3.4 определяет четвертое устройство в третьей линии первой зоны). Для физического адреса зарезервировано 16 бит информации. На рисунке 2 представлено распределение битов.

Рис. 2. Распределение битов в физическом адресе устройства

Далее необходимо выбрать аппликационные программы для каждого устройства и настроить различные параметры, исходя из требований проекта. После создается структура из групповых адресов (как правило для сложных инсталляций, трёхуровневая - главная группа/средняя группа/подгруппа, например, 1/1/1), и в данных групповых адресах объединяются различные объекты связи устройств, участвующих в инсталляции (например, датчик связывается с исполнительным логическим модулем). Трехуровневая система групповых адресов использует 4 бита информации для главной группы, 3 бита для средней и 8 бит для подгруппы. Таким образом, можно использовать максимально 16 главных групп (0-15), 8 средних (0-7) и 256 подгрупп (0-255).

Пример использования:

1/1/1 - Лампа в спальне

1/1/2 - Торшер в спальне

1/2/1 - Люстра в гостиной

1/2/2 - Настольная лампа в гостиной

2/1/1 - Обогреватель в спальне

Необходимо учитывать, что получателями телеграмм могут быть несколько исполнительных устройств, но при этом сенсоры могут отправлять сигналы с информацией только по одному физическому адресу.

У каждого устройства есть несколько объектов связи. Их количество отличается в зависимости от назначения. Объекты связи могут иметь различный размер от 1 бита до 14 байт. Размер объекта зависит от выполняемой функции (например, 1-битовый объект используется для включения/выключения, а 4-битовый для диммирования).

Для наглядности рассмотрим следующий пример функционирования настроенной системы. Одноклавишный выключатель привязан к физическому адресу (1.1.1). Если нажать на кнопку выключателя и переключить его в положение "Включено", то отправится телеграмма с групповым адресом 4/2/3, которая содержит значение "1" и определённую служебную и контрольную информацию. Далее все устройства, находящиеся в общей сети KNX, получают данную телеграмму и обрабатывают ее, но только устройства с групповым адресом 4/2/3 отправляют контрольную телеграмму о подтверждении получения информации, после считывают значение "1" и обрабатывают его (например, исполнительное устройство с физическим адресом 1.1.2 замкнет реле, и лампа включится).

Как было сказано выше, передача данных по KNX/TP осуществляется с помощью кабеля витой пары. Шинные устройства подключаются к шине посредством универсального клеммника (рис. 3).

Рис. 3. Шинный клеммник KNX WAGO 243-211

При каком-либо произошедшем событии происходит отправка телеграммы (например, пользователь нажал на кнопку). Если шина не занята некоторое время t1, то происходит передача данных. После отправки телеграммы должно пройти некоторое время t2, через которое происходит подтверждение получения от устройства, которому предназначалось сообщение. Общая схема отправления представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Схема отправки телеграммы

Каждая отправленная телеграмма состоит из набора служебных данных, определенного протоколом и полезной информации, которая описывает происшедшее событие (например, нажатие клавиши). Информация в телеграмме состоит из пакетов по 8 байт. Существуют определённые старт- и стоп- биты для определения начала и конца сообщения. Контрольная информация позволяет обнаружить ошибки в ходе передачи данных. На рисунке 5 представлена структура телеграммы.

Рис. 5. Структура телеграммы

Для передачи информационного сигнала используется модулирование напряжения, а точнее сообщение передается в виде импульса, который представляет собой разность напряжений, которая возникает между проводами витой пары среды передачи данных KNX/TP. Отсутствие импульса (разность потенциалов номинально равна 24 В) означает логическую "1". Отправка импульса с примерной амплитудой ±6 В означает логический "0".

Для того, чтобы передача данных осуществлялась с минимальными ошибками и задержками необходимо соблюдать определенные требования для создания сети (рис. 6) [8]:

· Максимальная длина линии должна быть не более 1000 м;

· Максимальная длина кабеля, протянутого между двумя устройствами в сети должна не превышать 700 м;

· Минимальная длина кабеля, протянутого между двумя источниками питания должна составлять 200 м.

Рис. 6. Требования к длине сети

При проектировании системы необходимо уделить внимание количеству шинных устройств, используемых в сети и выбрать необходимую топологию (способ соединения всех элементов между собой). Стандарт KNX поддерживает большинство известных топологий за исключением "кольца" и имеет следующую структуру: устройства соединяются в линию, несколько линий соединяются в зону и несколько зон объединяются через системную линию (рис. 7).

Рис. 7. Пример топология шины KNX

Например, зоной является этаж здания, а линиями - комнаты на этаже. Каждая линия может включать максимум 4 сегмента, каждый из которых, в свою очередь, может состоять из 64 различных устройств. При этом необходимо учитывать, что каждому сегменту необходим отдельный источник питания. Для соединения сегментов в линии, а также соединения линий в зону используется линейный повторитель. Это помогает распределить нагрузку в шине. Таким образом, в системе можно объединить между собой более 58000 устройств.



Глава 3. Архитектура инженерных систем автоматизации

3.1 Свободно-программируемый контроллер LogicMachine4

Одним из наиболее важных компонентов в общей структуре системы домашней автоматики является контроллер, на который возлагаются функции для реализации комплексной логики работы устройств в сетях, обеспечении связи между исполнительными устройствами, а также реализации пользовательско-ориентированного конфигурационного интерфейса. Центральный контроллер осуществляет мониторинг устройств, собирая с них информацию о показателях датчиков температуры, влажности и пр., установленных в помещениях и потом использует эти данные для реализации пользовательских функций управления.

Современный рынок средств автоматизации предлагает достаточно большой набор контроллеров с различными возможностями и характеристиками. В данной проектной работе рассмотрены некоторые свободно-программируемые контроллеры компании EVIKA.

Для автоматизации зданий компания EVIKA выпускает контроллеры серии LogicMachine, работающие с различными интерфейсами, такими как KNX, RS-485, Ethernet и другие. Одним из представителей серии LogicMachine является контроллер LogicMachine4 (рис. 8), который работает при безопасном низком напряжении, имеет низкую мощность потребления и не требует заземления. Также он имеет защиту от перенапряжения по питанию и LAN, что обеспечивает надежное функционирование системы.

Рис. 8. Контроллер LogicMachine4

В отличие от многих других контроллеров, он содержит большое количество дополнительных встроенных интерфейсов, таких как DALI, 1-wire, RS485, BACnet/IP, CEC, IR, USB и, собственно, KNX/TP, на базе которого проектируется вся инсталляция [9]. Наличие поддержки различных протоколов позволяет создавать сложные проекты, интегрируя различные стандарты и оборудования между друг другом.

Подключение и внешний вид LogicMachine4 показаны на рисунке 9.

Рис. 9. Контакты контроллера LogicMachine4

Описание контактов подробно можно найти в технической документации контроллера LogicMachine4. Основные обозначения представлены в таблице 1.

Таблица 1

	Наименование контакта	Назначение	Цвет колодки
Верхний ряд клемм и портов (слева - направо, вид сверху)
+5V	5V_Out	Питание для устройств шины 1-Wire и порта IR	Оранжевый
1-Wire	1-Wire	Линия данных 1-Wire	Голубой
GND	0V_1	"0" питания для шины 1-Wire и устройства IR	Серый
Обозначение контакта	Наименование контакта	Назначение	Цвет колодки
IR out	IR	Выход на IR излучатель	Белый
GND	0V_2	"0" питания для шины 1-Wire и устройства IR	Серый
CEC	CEC	Выход для CEC	Коричневый
GND	0V_3	"0" питания для шины CEC	Серый
Нижний ряд клемм и портов (слева - направо, вид сверху)
DALI	DALI_a	Линия шины DALI Полярность безразлична	Зелёный
DALI	DALI_b	Линия шины DALI	Зелёный
RS485 GND RS485 A RS485 B	RS1G RS1A RS1B	Порт RS-485 1	Серый Жёлтый Белый
RS485 GND RS485 A RS485 B	RS2G RS2A RS2B	Порт RS-485 2	Серый Жёлтый Белый
RS485 GND RS485 A RS485 B	RS3G RS3A RS3B	Порт RS-485 3	Серый Жёлтый Белый
24V- 24V+	24V_Main- 24V_Main+	Питание контроллера "-" (0 питания) Питание контроллера "+"	Чёрный Красный
KNX- KNX+	KNX- KNX+	Шина KNX "-" Шина KNX "+"	Темно-Серый Красный



Рассматриваемый контроллер обладает многими возможностями благодаря различным поддерживаем интерфейсам. К тому же, благодаря разъему Ethernet, а, следовательно, связью с сетью интернет, контроллер LogicMachine4 может являться коммутатором для всей проектируемой сети KNX. Общие технические характеристики LogicMachine4 представлены в таблице 2.

Таблица 2

Параметр	LM4
Контроллер
Процессор	Freescale IMX28 454MHz CPU
Память оперативная, объем:	128 MB
Память энергонезависимая
Тип:	NAND
Адресация:	32 GB
Объём установленной памяти, не менее:	4 GB
Интерфейсы, количество
Ethernet 10/100, количество:	1
USB 2.0, количество:	2
KNX/TP, количество:	1
RS-485, количество:	3
DALI, количество:	1
1-Wire, количество:	1
CEC, количество:	1
IR (Out), количество:	1
KNX/TP интерфейс, параметры
Потребление, не более:	8 мА
Тип интерфейсного модуля:	TPUART2
USB2.0 интерфейс, параметры
Ток нагрузки, максимальный:	300 мА
DALI интерфейс, параметры
Тип интерфейса по питанию:	пассивный
IR (Out) интерфейс, параметры
Напряжение:	3.0 ... 3.3 В
Ток, не более:	100 мА
Поддержка стандартов и протоколов
По порту Ethernet: HTTP, FTP, KNXnet/IP, BACnet/IP, SIP/IP, NTP	Да
По порту RS-485: Modbus, DMX, Ekey, Расширители ввода-вывода EVIKA	Да
Через дополнительные устройства USB: EnOcean, 1-Wire, GSM/GPRS(SMS)	Да
Питание
Допустимое рабочее напряжение:	10 ... 30 В
Потребляемая мощность, не более:	2 Вт
Параметр	LM4
Корпус
Стандартный DIN (35) Корпус, единиц:	4
Габаритные размеры (без язычка фиксации), не более:	71 x 90 x 58 мм
Вес, не более:	130 г
Материал корпуса:	Пластик (серый)
Контакты
Клеммы, тип:	WAGO 250 Series
Клеммы, сечение провода:	одножильный и многопроволочный 0.2 ... 1.5 ммІ
Клеммы, провод, длина зачистки изоляции:	8.0 ... 8.5 мм
Колодка KNX/TP, тип:	WAGO 243 Series
Колодка KNX/TP, диаметр провода:	одножильный 0.6 .. 0.8 мм
Эксплуатация
Температура рабочая:	-5 °С ... +55 °С
Температура хранения:	-20 °С ... +70 °С

Контроллер LogicMachine4 имеет свой собственный WEB интерфейс, реализованный на AJAX и доступный через любой современный браузер, что позволяет обеспечить удаленный доступ через Интернет и не требует установки дополнительного программного обеспечения. С помощью WEB интерфейса можно реализовать функции управления устройствами, программирование различных сценариев и диагностику всей системы. Для создания скриптов используется высокоэффективный и простой язык программирования LUA, имеющий множество различных библиотек, расширяющих функционал [10]. Он позволяет создать скрипты трех видов: запускаемые по событию, по расписанию, а также резидентные (по избирательному опросу изменения статусов определенных объектов). Благодаря широкому спектру встроенных интерфейсов возможна их интеграция и обмен данными для создания высокоэффективной системы домашней автоматизации. Имеется возможность создания пользовательского интерфейса с помощью встроенного функционала контроллера.

3.2 Исполнительные устройства

Для реализации системы управления и автоматизации здания необходимо основательно подойти к выбору элементной базы, которая включает в себя системные компоненты, исполнительные устройства, датчики, управляющие панели, выключатели, реле и т.д. В этой главе рассмотрены основные устройства, их технические особенности и возможный функционал для использования.

В качестве управляющих устройств системами автоматики, включающих в себя управление освещением, микроклиматом, шторами, теплым полом и т.д., использованы различные функциональные контроллеры устройств и ввода/вывода, реализуемые на шине KNX, разработанные компанией EVIKA. Устройства из данной серии работают при безопасном низком напряжении и не требует заземления. Данные устройства крепятся на DIN-рейку и устанавливаются в шкаф управления. Ниже подробно рассмотрены все устройства, используемые для проектирования инсталляции.

Блок питания TDK-Lambda DSP 30-24

Рис. 10. Блок питания TDK-Lambda DSP 30-24

Блок питания TDK-Lambda серии DSP (рис. 10) используется как универсальный источник питания для систем домашней и промышленной автоматики. Он имеет низкопрофильный корпус с креплением на DIN-рейку. Устройство не требует отдельного заземления, так как обладает двойной изоляцией, позволяющей помимо этого, использовать данный блок питания в тех инсталляциях, где необходимо ограничение выходных токов. TDK-Lambda этой модели может преобразовывать широкий диапазон входных напряжений и выдавать необходимое для данное проекта напряжение 24 В. Также блок питания имеет технические характеристики, отвечающие всем требованиям технического задания. Дополнительным преимуществом является конвекционное охлаждение, позволяющее использовать устройство в широком диапазоне рабочих температур (от -25 С до +71 С) [11].

EVIKA Дроссель питания шины KNX v3 (CHOKE-KNXv3)

Рис.11. Дроссель питания шины KNX v3 (CHOKE-KNXv3)

Дроссель CHOKE-KNXv3 (рис. 11) предназначен для подачи напряжения на шину KNX. Он подает питание через стабилизированные блоки питания и предотвращает прохождения через них сигналов шины. Также обеспечивается защита от подачи сверхдопустимого тока, благодаря встроенному автоматическому предохранителю. Возможна реализация работы от аккумулятора и дублирование питающих источников. Дроссель имеет индикаторы подключенных источников и для определения статуса шины по питанию [12].

Технические характеристики и контакты приведены на рисунке 12. Описание значений параметров устройства представлены в таблице 3.

Рис. 12. Схема контактов дросселя питания шины KNX v3

Таблица 3

Параметр	Значение
Входные каналы
Напряжение источника In1, In2, In3:	24 .. 29 В Стабилизированное
Напряжение аккумулятора для входа ACCU, номинальное:	24 В
Напряжение входа ACCU, максимальное:	30 В
Выход KNX, TP
Максимальный ток, не менее:	640 мА
Выход ACCU
Ток подзарядки, не более:	40 мА
Внутреннее потребление
Параметр	Значение
Ток потребления, суммарно по всем каналам, не более:	20 мА
Корпус
Размер:	3 DIN
Габаритные размеры:	52 x 91 x 58 мм
Механическая защита: EN 60529	IP20
Вес, не более:	110 г

EVIKA Multiport v3 - восемь универсальных каналов ввода/вывода (UIO8-KNXv3)

Рис. 13. EVIKA Multiport v3 (UIO-8 KNXv3)

UIO8-KNXv3 (рис. 13) - универсальное устройство ввода-вывода, где каждый из восьми каналов может быть использован в различных режимах [13]:

· Вход аналоговый 0 ... 30 В;

· Вход бинарный 0 ... 30 В;

· Счетчик импульсов;

· Импульсный вход (определения короткого/продолжительного нажатия);

· Шаговый диммер;

· Выход бинарный 350 мА, 24 В (состояние выходного каскада - открытый эммитер; при активном режиме на канал подаётся напряжение со входа питания через открытый транзистор, при неактивном режиме транзистор закрыт и выход имеет высокое сопротивление).

Особенности устройства:

· Гибкая настройка. Все каналы универсальный и могут независимо настраиваться в режимах "вход" или "выход.

· Функциональность. Каналы, настроенные в режиме "вход", могут исполнять различные функции (например счетчик импульсов или шаговый диммер) под множества требований инженерных систем.

· Защита выхода. Для перегрева или перегрузки, канал, настроенный в режиме "выход", имеет восстанавливаемую защиту.

Технические характеристики и контакты приведены на рисунке 14. Описание значений параметров устройства представлены в таблице 4.

Рис. 14. Схема контактов EVIKA Multiport v3 (UIO-8 KNXv3)

Таблица 4

Параметр	Значение
Интерфейс KNX
Напряжение источника питания шины KNX, максимальное:	29 В
Потребляемый ток по шине KNX, не более:	10 мА
Источник питания +24V_In
Рабочее напряжение:	20 ... 30 В
Собственное потребление, не более:	0.2 Вт
Канал в режиме "Вход"
Число каналов, максимальное (настраивается):	8
Напряжение канала, максимальное:	30 В
Линейный диапазон измеряемых напряжений:	0 ... 30 В
Входное сопротивление, не менее:	110 кОм
Длительность импульса, не менее:	134 мс
Частота импульсов, не более:	3.75 Гц
Канал в режиме "Выход"
Число каналов, максимальное (настраивается)	8
Максимальный ток рабочего режима, не более (для температуры корпуса устройства не более 45 ?C):	350 мА
Ток канала, максимальный:	500 мА
Корпус
Размер:	2 DIN(35)
Габаритные размеры (без язычка фиксации):	35 x 90 x 58 мм
Механическая защита: EN 60529	IP20
Вес, не более:	72 г

EVIKA LED4 Driver Light Диммер и секвенсор световых сцен (LED4-KNXvL)

Рис. 15. EVIKA LED4 Driver Light (LED4-KNXvL)

LED4-KNXvL (рис. 15) представляет собой 4-х канальное устройство, предназначенное для управления и питания 4-х светодиодных источников света с общим "плюсом" (например, RGB или RGBW лент), а также других источников освещения. Управление может производиться с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Также встроенная функция диммирования позволяет изменять значение яркости осветительных систем с сохранением цвета, управляя по определенным встроенным алгоритмам. Осуществляются прием и передача данных и команд через шину KNX, с возможностью считывания установленных и текущих значений. Реализована функция управления каждым каналом по отдельности и программируемыми сценами (для светодиодных лент). Устройство запоминает состояние работы при отключении питании и после возобновления восстанавливает последнее значение. Каждый канал поддерживает до 3 А [14].

Технические характеристики и контакты приведены на рисунке 16. Описание значений параметров устройства представлены в таблице 5.

Рис. 16. Схема контактов EVIKA LED4 Driver Light (LED4-KNXvL)

Таблица 5

Параметр	Значение
Питание
Напряжение шины KNX:	18 … 29 В
Потребляемый ток по шине KNX, не более:	10 мА
Выходы
Количество каналов:	4
Тип выходного каскада:	Открытый коллектор
Тип димирования	ШИМ модуляция (PWM)
Частота ШИМ (настраивается)	50 ... 1'000 Hz
Количество значений заполнения ШИМ	4'096 (12 разрядов)
Ток канала максимальный:	3 А
Ток клеммы "OUTPUTS+" максимальный:	8 А
Корпус
Размер:	2 DIN(35)
Габаритные размеры (без язычка фиксации):	35 x 90 x 58 мм
Механическая защита: EN 60529	IP20
Вес, не более:	74 г

EVIKA Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000 (IPT8-KNX)

Рис. 17. EVIKA Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000 (IPT8-KNX)

IPT8-KNX (рис. 17) - устройство для контроля двухпроводных датчиков температуры PT100 и PT1000. Оно преобразовывает аналоговое значение в значение температуры. Имеет восемь независимых каналов для термостатирования. Осуществляются прием и передача данных, снятых с датчиков температуры и команд через шину KNX. Устройство запоминает состояние работы при отключении питании и после возобновления восстанавливает последнее значение. Также поддерживает режим энергосбережения путем смещения температуры стабилизации для снижения энергопотребления [15].

Технические характеристики и контакты приведены на рисунке 18. Описание значений параметров устройства представлены в таблице 6.

Рис. 18. Схема контактов EVIKA Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000 (IPT8-KNX)

Таблица 6

Параметр	Значение
Питание
Напряжение шины KNX, максимальное:	29 В
Потребляемый ток по шине KNX, не более:	13 мА
Каналы
Число каналов:	8
Тип датчика:	Pt100 и Pt1000
Измеряемый температурный диапазон:	- 5 ?C ... +65 °C
Термостат
Число термостатов:	8
Исполнительное устройство:	внешнее, через KNX шину
Возможный диапазон температур стабилизации:	5 ?C ... +45 °C
Диапазон изменения температуры стабилизации:	20 °C
Количество режимов термостатирования:	2
Параметр	Значение
Корпус
Размер:	2 DIN(35)
Габаритные размеры (без язычка фиксации):	35 x 90 x 58 мм
Механическая защита: EN 60529	IP20
Вес, не более:	70 г

Сенсорная панель InZennio Z38i

Рис. 19. Сенсорная панель InZennio Z38i

InZennio Z38i (рис. 19) - LCD cсенсорная панель с функцией термостата, бинарными (двоичными) входами и встроенным IR приемником. С помощью различного набора функций Z38i можно использовать для управления различными инженерными системами, такими как освещение, климат, шторы и т.д. Питание может осуществляться по шине KNX. В данной работе панель использована в основном для реализации функции термостата для управления обогревателем и кондиционером.

Схема внутреннего устройства [16] приведена на рисунке 20.

Рис. 20. Схема устройства сенсорной панели InZennio Z38i

1. Подключение к шине KNX.

2. Программная кнопка.

3. Программный индикатор.

4. Входные контакты.

5. Сенсорный дисплей.

6. Датчик температуры.

7. IR приемник.

Особенности сенсорной панели InZennio Z38i:

· 3.8-дюймовая сенсорная монохромная панель с подсветкой, работающая на шине KNX;

· Встроенная функция термостата;

· 12 настраиваемых функций управления;

· Возможность настройки 6 экранов с 6-ю функциями на каждом:

1. Функция плеера сцен;

2. Функция предупреждения (сигнализации);

3. Функция управления климатом;

4. Настройка параметров дисплея.

· IR приемник;

· 4 бинарных входа;

· Питание по шине KNX, не требующее подключения дополнительного питания;

· Сохранение данных в случае перебоя питания.

Реле WAGO 788-304

Рис. 21. Реле WAGO 788-304

Реле представляет собой электронное устройство (рис. 21), работающее в качестве "ключа", то есть замыкает или размыкает контакты электрических цепи при определенном воздействии на входе. При воздействии электрическим током на обмотку реле создается магнитное поле и происходит перемещение ферромагнитного якоря реле, который связан с контактами 11, 12 и 14. В нерабочем состоянии 11 и 12 контакты реле являются нормально замкнутыми, а 11 и 14 - нормально разомкнутыми, и при подаче тока идет переключения контактов и замыкаются уже 11 и 14 контакты (рис. 22). При отключении питания ферромагнитный якорь реле перемещается в исходное положение [17].

Рис. 22. Схема контактов реле WAGO 788-304

Технические характеристики представлены в таблице 7.

Таблица 7

Параметр	Значение
Питание
Входное напряжение:	24 В
Номинальная мощность потребления:	400 мВт
Продолжительный ток:	16 А
Корпус
Размер:	DIN
Габаритные размеры:	15 x 53 x 86 мм
Механическая защита: EN 60529	IP20

В данной работе реализуется именно модель домашней автоматики, поэтому реле выполняет роль нагрузки, а также является эмулятором инженерных устройств, таких как обогреватель, кондиционер, механических двигателей для управления шторами, благодаря встроенную световому индикатору состояния.

Геркон

Рис. 23. Геркон

Геркон - электромеханические устройство, которое представляет собой пару ферромагнитных контактов (рис. 23). Под влиянием магнитного поля происходит замыкание контактов электрической цепи.

В данной работе геркон применяется для эмуляции закрытого/открытого окна в помещении, что используется для управления системой микроклимата.

Датчик температуры PT1000

Рис. 24. Датчик температуры PT1000

Канальный датчик температуры PT1000 (рис. 24) предназначен для измерения температуры в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Принцип измерения температуры основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента, находящегося в защитной трубке, от температуры. При температуре 0 С датчик имеет сопротивление 1000 Ом [18].

Технические характеристики представлены в таблице 8.

Таблица 8

Параметр	Значение
Диапазон измерений:	-35…+105°С
Выход:	Пассивный
Измерительный ток:	Приблизительно 1 мА
Продолжительный ток	16 А
Механическая защита:	IP54



Глава 4. Разработка проекта системы управления зданиями

В данной главе дипломной работы рассматривается непосредственно разработка основных инженерных систем домашней автоматики для наглядного примера использования. Стоит обратить внимание, что реализуемые системы управления представлены в виде модели, а не полноценного проекта, поэтому некоторые элементы проектирования опущены (например, требования к длине линии не учитываются) или упрощены (например, реализовано управление лишь одной лампой, но очевидно, что в масштабном проекте источников света намного больше).

Также в предыдущей главе были рассмотрены основные принципы работы протокола KNX, а именно общая структура системы, построенной на этом стандарте. Все инженерные системы связаны между собой в общую сеть с помощью кабеля витой пары. Для всей инсталляции необходим источник питания, которым является блок TDK-Lambda DSP 30-24, а также источник питания для шины KNX, в качестве которого используется дроссель питания шины KNX v3 (CHOKE-KNXv3). Для создания дополнительных функций, включая сценарии, объединяющие несколько систем и интерфейс, используется контроллер LogicMachine4. Контроллер помимо подключения к питанию и сети KNX также подключается к интернету, с помощью интерфейса Ethernet и является коммутатором для всей сети [19]. Эти элементы необходимы для проектирования каждой из инженерных систем и без них реализация невозможна. Так как блок питания, дроссель и контроллер является общими для всей инсталляции и подключены к спроектированной сети KNX, то их использование учитывается по умолчанию и дополнительно в выбранных компонентах для создания отдельной системы не упоминается.



4.1 Система освещения

Система управления освещением подразумевает включение, выключение и регулирование различных осветительных приборов, например, ламп накаливания, светодиодов, люминесцентных лампы и прочих других, используя автоматический режим по срабатыванию датчика с фоточувствительным элементом или ручной пользовательский режим. Возможно управление как освещением в доме, так и на улице.

В данной дипломной работе рассматривается два примера реализации системы освещения в доме: управление стандартный лампой, включая в себя включение/выключение как с помощью обычного кнопочного выключателя, так и с помощью интерфейса, созданного возможностями контроллера LogicMachine4, позволяя разработать дополнительные индивидуальные сценарии для пользователя. Исходя из технического задания были выбраны следующие компоненты для реализации управления освещением:

1. EVIKA Multiport v3 (UIO8-KNXv3);

2. EVIKA LED4 Driver Light (LED4-KNXvL);

3. Светодиодная RGB-лента (2 шт.);

4. Реле WAGO 788-304;

5. Кнопочный выключатель.

Рассмотрим управление обычной комнатной лампой, а именно, включение и выключение. В силу того, что данный проект представляет собой модель домашней автоматики, показывающую различные функции и возможности, то вместо лампы накаливания для упрощения установки использована светодиодная RGB лента (в дальнейшем, лампа, т.к. в проекте использована еще одна RGB лента уже для того, чтобы показать возможности управления именно светодиодами). Она обладает меньшими габаритами и весом и отвечает всем необходимым техническим требованиям для реализации функции управления освещением.

Для организации функции включения и выключения лампы применяется исполнительное устройство EVIKA Multiport v3 (UIO8-KNXv3). Оно подключается к блоку питанию на 24 В к "плюсу" и "минусу". Также UIO8 присоединяется к шине KNX через клеммник дополнительным кабелем, который объединяет все KNX устройства, включая контроллер LogicMachine4 и дроссель, который питает саму шину. К каналу "1" мультипорта в качестве нагрузки подключается реле, которое выполняет функцию ключа и при замыкании 11 и 14 каналов пропускает напряжение на подключенную к 14 каналу лампу. Лампа подключается "плюсом" к блоку питания и "минусом" (все 3 канала ленты - R, G, B) к 14 каналу реле.

Управление освещением с помощью дополнительных интерфейсов, созданных для современных устройств, таких как планшеты и телефоны, является несомненным повышением уровня комфорта и позволяет включать и выключать устройства из любой точки квартиры или дома. Это имеет смысл для управления большими системами из множества светильников в коттеджах или производственных помещениях. Но не стоит забывать и о простых комнатных выключателях, которые необходимо закладывать в проект, ведь устройство может разрядиться или просто в данный момент проще включить свет вручную. Именно поэтому в данном проекте также реализована функция управления светильниками с помощью настенного выключателя. Выключатель подключается к "7" каналу мультипорта и к "плюсу" питания.

После того как все устройства корректно подключены и проверены на короткое замыкание мультиметром [20], необходимо настроить систему, используя программное обеспечение ETS3 Professional. В аппликационной программе для EVIKA Multiport v3 (UIO8-KNXv3) канал "1", к которому подключается реле, настраивается как бинарный выход, который может выдавать значение либо "0", либо "1". Канал "7" имеет конфигурацию бинарного входа. Параметр "rising edge" имеет значение "toggle value", а "faling edge" - "do nothing". Это означает, что при замыкании контакта (нажатии кнопки выключателя) будет происходить смена предыдущего отправленного значение, то есть с "0" меняется на "1" и наоборот. При размыкании контакта система будет бездействовать. Распределение объектов связи по групповым адресам представлено далее для всей системы освещения.

При отправке значения "1" на канал, связанный с реле, контакты замыкаются, на выход подается напряжение, и лампа включается. Таким образом, включить лампу можно с помощью выключателя или отправив команду непосредственно на само реле (с помощью ПО ETS или контроллера LogicMachine4).

В системе домашней автоматики пользуется популярностью управление светодиодными RGB-лентами, которые можно использовать как для украшения, так и для систем безопасности (например, при пожарной тревоге лента может начать светиться красным светом).

RGB-ленты представляет собой гибкую ленту с RGB-светодиодами и проводниками. Светодиодные ленты бывают двух типов: цифровые и аналоговые. В цифровых лентах у каждого светодиода есть отдельная установленная микросхема, что позволяет управлять любым светодиодом отдельно. В аналоговых RGB-лентах все светодиоды подключены параллельно, то есть можно только задать определенный цвет всей ленте. Но при этом такие устройства гораздо дешевле цифровых и просты в подключении, поэтому в данной дипломной работе рассматривается подключение и настройка только аналоговой светодиодной RGB-ленты.

Для того, чтобы подключить RGB-ленту необходимо припаять 4 провода к контактным площадкам (3 цвета и одно общее питание для них, которое максимально равно 12 В). Для управления каналами используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), которая реализована с помощью устройства EVIKA LED4 Driver Light (LED4-KNXvL). LED4-KNXvL позволит управлять светодиодными лентами, регулировать яркость отдельных каналов и настраивать различные сцены освещения. В данной дипломной работе реализованы все эти функции. EVIKA LED4 Driver Light по аналогии с EVIKA Multiport v3 подключается к "плюсу" и "минусу" блока питания, также ко всей шине KNX через клеммник. Три цвета RGB-ленты подключаются к "1", "2" и "3" каналу соответственно (канал "4" остается незадействованным), а общий "плюс" идет к "плюсу" блока питания.