Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

Московский институт электроники и математики

им. А.Н. Тихонова

Выпускная квалификационная работа

«Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

по направлению 11.03.02 “Инфокоммуникационные технологии и системы связи”

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ДЕМОНСТРАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ВЫСТАВОЧНОГО ЗАЛА

Разин Владислав Константинович

Москва 2018



Оглавление

Введение

Глава 1. История возникновения. Определение требований исходя из свойств объекта и подбор оптимального решения

1.1 История возникновения

1.2 Обзорно-аналитическая часть

1.3 Требования к системе

1.4 Обзор существующих систем управления и выбор оптимальной системы для реализации поставленных задач

1.5 Выводы

Глава 2. Проектирование архитектуры элементов системы автоматизации

2.1 Подбор технологии

2.2 Структура системы автоматизации

2.3 Выбор устройств системы автоматизации

2.4 Построение структуры управления

2.5 Аппаратная реализация

Глава 3. Алгоритм функционирования системы

3.1 Web-интерфейс системы автоматизации

Заключение

Список литературы

Аннотация



Введение

В последние несколько десятилетий все больше заметно, как современные информационные технологии постепенно проникают в повседневную жизнь человека все больше и больше. Причем проявляется это в различных сферах, как в бытовой жизни, так и в промышленных масштабах. Отдельный стоит обратить внимание на то, как с ускоряющимся и стремительным развитием областей, связанных с информационными и компьютерными технологиями упростилось взаимодействие человека с компьютеризованной техникой, а также, как благодаря этому взаимодействию изменился характер коммуникации между человеком и человеком. Следует отметить, что прогресс не стоит на месте, и развитие данных технологий быстрыми шагами идет вперёд. Особое внимание стоит обратить на одну из ветвей развития компьютерных и инженерных технологий, которая, судя по всему, в ближайшем будущем будет плотно взаимодействовать с человеком в его бытовой жизни и не только. Речь идет о системе, позволяющей объединить в себе управление всеми инженерными системами, в результате чего будет осуществлен гибкий контроль всех областей технической составляющей объекта.

Если присмотреться к нашей ежедневной жизни, можно заметить, что с каждым годом или даже жнем, мы все чаще и чаще в решении своих бытовых проблем полагаемся на технику, так или иначе связанную с компьютерными системами. Только недавно мы и подумать не могли о том, что в одной маленькой коробочке сможет уместиться и средство общения, фотоаппарат, видеокамера, календарь, будильник и так далее. Но если углубиться, можно узнать, что на данный момент существуют системы, способные предоставить возможность дистанционного управления всеми инженерно-технологическими системами объекта, куда входит слежение за системой пожарной безопасности и затопления, контроль за системами освещения, системой вентиляции, системой отопления и показателями счетчиков электроэнергии и потребления воды. Данную систему принято называть автоматизированной системой или системой автоматизации.

Под «системой автоматизации» чаще всего понимают систему, которая предоставляет возможность именно дистанционного контроля за инженерными областями объекта, также имеющая возможность работать автономно по заданному алгоритму, а также умеющая принимать самостоятельные решения в случае возникновения экстренных ситуаций. Основной целью автоматизированных систем конечно же является удобство. Это удобство заключается в том, что человек, находясь на расстоянии от объекта, в который внедрена данная система, и имеющий доступ в интернет, может контролировать температуру, мощность работы вентиляционной системы и системы освещения, а также просматривать показатели счетчиков в режиме реального времени. Пользователь делает все это через свой мобильный гаджет, на который установлено специально разработанное ПО, открывающая доступ к информации об объекте.

Удобство такой системы подразумевает собой избавление от таких привычных средств управления, как электровыключатели, различные управляющие модули систем вентиляции и отопления, а также не придется следить за показателями счетчиков вручную. В процессе внедрения данных систем и их модификаций возможен удаленный доступ к системам видеонаблюдения и системой слежения за движением, которые помогут обезопасить объект и сообщить Вам о несанкционированном проникновении на Вашу территорию.

Система автоматизации - это совершенный механизм, упрощающий нашу повседневную жизнь в несколько раз буквально на глазах. Но следует помнить, что люба инженерная система не защищена от некорректной работы, а в случае автоматизированных систем, небольшая ошибка системы может привести к неприятным последствиям или дезинформации. Чтобы избежать такого поворота событий, следует обратить свое внимание на выбор комплектующих модулей данной системы. Желательно помнить, что использование современных технологий, корректно работающего программного обеспечения и выбор рационально работающего вспомогательного оборудования повысит вероятность корректной работы всей системы в несколько раз. Помимо этого, следует обратить внимание и учесть уже имеющиеся недостатки похожих систем и постараться от них избавиться.

Целью данной работы является разработка системы автоматизации выставочного зала, которая будет позволять осуществлять контроль за системой отопления, системой освещения, системой вентиляции, а также слежение за системой пожарной сигнализации и показателями расходных счетчиков. Пользователю будет обязательно предоставлена возможность дистанционного управления данной системой с помощью приложения, алгоритм и интерфейс которого будет разработан исходя из факторов удобства для пользования им в различных условиях, где есть выход в Интернет-сеть.

Исходя из поставленных целей для данный работы были сформулированы следующие задачи:

1) Анализ уже существующих автоматизированных систем, и технологий, с помощью которых они были внедрены и осуществляли корректную деятельность на протяжении длинного промежутка времени, а также анализ проектов по внедрению автоматизированных систем в похожие объекты.

2) Анализ предоставленного объекта (в данном случае выставочный/банкетный зал) для внедрения разработанной системы автоматизации и ее корректной работы соответственно.

3) Установление первичных требований к системе

4) Поиск, изучение и обоснование выбора комплектующих средств системы автоматизации.

5) Интеграция системы автоматизации в данный объект, основываясь на изученной информации и выборе.

6) Разработка алгоритма работы системы автоматизации

7) Разработка интерфейса и алгоритма работы приложения, осуществляющего дистанционный контроль за системой автоматизации через Интернет-сеть.



Глава 1. История возникновения. Определение требований исходя из свойств объекта и подбор оптимального решения

В данной главе будет проведен анализ существующих систем автоматизации, которые можно взять за пример для решения поставленных выше задач. В процессе анализа будут выявлены принципы работы данных систем и выявлены их преимущества и недостатки, исходя из которых будет спроектирована система автоматизации для данного выставочного зала. Также будет проведено исследование ценовой политики данных систем для выбора оптимальных по функционалу и цене комплектующих частей.

1.1 История возникновения

Современные автоматизированные системы представляют собой огромную совокупность подсистем, работающих как автономно, так и под контролем человека. Самая первая автоматизированная система электроснабжения была маленькая и простая. В 1882 году начала свою деятельность станция Перл-стрит, которая соединяла генератор на 100 Ватт с печью, которая сжигала уголь, что приводило к выработке электроэнергии, которая приводила в действие несколько электрических ламп. Область обслуживания данной электростанции составляла 85 клиентов. Перл-стрит была первой станцией, которая включала в себя три обязательных условия автоматизированных систем электроснабжения:

1) Выработка электроэнергии было централизованным

2) Перл-стрит занималась распределением электроэнергии

3) Конечное использование имело положительный характер

Одним из разработчиков станции Перл-стрит выступал Томас Эдисон. Эдисон хотел увеличить круг потребления электроэнергии данной станции путем увеличения мощности генератора, но столкнулся с проблемами. Тогда не было более мощных подходящих генераторов. Для того, чтобы обеспечить больше людей электричеством, которое производит станция, потребовалось большое количество проводов и каналов, которые были слишком дорогими. Невозможно отследить потребление электроэнергии, для того, чтобы взимать за нее плату. Исходя из проблем, перечисленных ранее, разработка этого проекта отложилась. Следует отметить, что Эдисон создал станцию Перл-стрит без первоначальной модели, что уникально. На протяжении следующих ста лет, станция Перл-стрит являлась главным примером работы автоматизированной системы энергоснабжения.

Проблемы, с которыми столкнулся Томас Эдисон актуальны в современном мире. Следует понимать, что разработка автоматизированных систем энергоснабжения всегда включает в себя взаимодействие между разными сферами.

1.2 Обзорно-аналитическая часть

Возрастающее внимание к системам автоматизации в современном мире технологий безусловно определяется тем, что человек с каждой секундой мечтает упростить свою бытовую жизнь, прибегая при этом к использованию разного рода инженерных решений, которые обновляются практически каждый год. Автоматизированные системы являются одной из областей, которая развивается целеустремленно и призвана помогать пользователю с управлением инженерными системами объекта путем их контроля и реагировать на действия самого пользователя.

Интеграция автоматизированной системы в объект подразумевает собой внедрение приборов, предназначенных для управления инженерными сферами и комплектация их в единую систему управления[1]. В данной работе будет приведено описание внедрения системы, которая будет иметь следующие возможности:

1) Управление системой отопления выставочного зала.

2) Управление системой освещения выставочного зала

3) Управление системой вентиляции

4) Считывание показателей счетчиков электроэнергии и водоснабжения

5) Возможность удаленного контроля за всей системой с помощью мобильного приложения.

В данный момент существует несколько технологий автоматизаций помещений, которые включают в себя все вышеуказанные возможности или выполняют одну из функций. Некоторые из них будут рассмотрены далее:

1) DALI (Digitally Addressable Lighting Interface) или Цифровой Адресуемый Интерфейс Освещения Именно этот интерфейс путем внедрения микроконтроллеров в систему освещения позволяет сделать внушительный шаг по переходу из аналогового мира в цифровой мир.

Интерфейс DALI был разработан сравнительно давно, в 1999 году, но по сей день ему удается оставаться актуальным и быть основополагающим для проектирования некоторых проектов. По причине того, что данный интерфейс задумывался именно как инструмент для контроля и управления освещением объекта, в его разработке принимали участие такие гиганты электронной индустрии, как Philips, Osram, Helvar, Tridonic, Trilux.

Освещение является неотъемлемой составляющей нашей жизни. С ним мы повседневно сталкиваемся в домашней обстановке, на работе, в дороге и так далее. Поэтому контроль за его параметрами является важнейшей составляющей нашей с вами жизни. Управление освещением в какой-то мере можно рассматривать как искусство. Все мы слышали про цветные фонтаны, про специальное освещение в музеях (для того, чтобы картины не теряли свою насыщенность, в местах, где проходит экспозиция свету уделяется особое внимание), а также каждому человеку комфортен свой уровень освещения (кому-то нравится мрак, а кому-то хорошее освещение). Исходя из того, что проект интеграции системы автоматизации будет разрабатываться именно для выставочного зала, контроль за освещением не только на мероприятиях, но и при отсутствии кого-либо в здании будет играть одну из главных ролей. В качестве системы, которая этот контроль может осуществить, практически идеально подходит DALI.

При разработке системы автоматизации такого объекта важно учитывать не только техническими характеристиками компонентов, с помощью которых и будет осуществляться контроль за отдельными инженерными областями здания, но и следует учитывать простоту их интеграции в уже существующую систему, а также простоту взаимодействия их с другими составляющими системы, что является одни из основополагающих факторов как раз при разработке такой системы. В этом плане интерфейс DALI подходит нам практически идеально, так как он достаточно прост и экономичен. Это объясняется тем, что любая система, которая предназначена для управления освещением на базе интерфейса DALI легко интегрируется в любые системы автоматизации, например, в такие как KNX/EIB, BACNet, LON и другие.

Подтверждается это тем, что некоторые фирмы даже выпускают специальные шлюзы KNX-DALI или LON-DALI. Со стороны может показаться, что данное положительное свойство этого интерфейса всего лишь приятное дополнение к его возможностям, но на самом деле простота интеграции в системы автоматизации является огромным плюсом, которое позволяет не только сократить время на проектировку и монтаж оборудования, но также позволяет сэкономить денежные средства (т.е. делает общую систему менее затратной) и становится более удобной в управлении, что для пользователя всегда немаловажно.

Недостаток данного интерфейса сразу бросается в глаза, так как он является практически единственным. Это узкая специализация системы DALI. Стандарты протоколов и все аппаратные средства системы направлены только на управление освещением и ни на что больше. Этим объясняется ее высокая эффективность и приятная ценовая категория. Ниже (на рисунке 1) указано подключение устройств, работающих по протоколу DALI.

Рисунок 1 - Структурная схема системы DALI

Если рассматривать технические особенности системы DALI, то в первую очередь стоит обратить внимание на то, что система стандартизирована согласно стандарта IEC 60929. При рассмотрении рисунка 1 (см. выше) можно заметить, что связь между главным контролером системы DALI и остальными отдельными устройствами будет производиться через двухпроводную линию. Особенность двухпроводной линии заключается в том, что она позволяет передавать информацию не только от контролера к второстепенным элементам, но от второстепенных элементов обратно к контроллеру, что позволяет не только отдавать команды, но и получать информацию с объекта.

Инженерные свойства системы DALI заключаются в том, что для передачи данных используется постоянное напряжение экстра-низкого значения 22,5 Вольт. Далее следует еще один плюс данной системы. С этой системой можно не думать о полярности подключения, так как она не имеет значения, а также сама линия защищена от напряжения осветительной сети, что приводит нас к еще одному положительному фактору - линия защищена от помех и может располагаться в силовом кабеле. Сеть на базе шины DALI децентрализована, что означает отсутствие у нее какого-либо центрального процессора. Данное свойство системы предоставляет нам возможность подключения к данной сети любые устройства, которые имеет функциональную возможность работы с данной системой. Очень часто в таких случаях данные устройства имеет память (чаще всего энергонезависимую), которая предназначена для хранения полезной информации. Под этой информацией чаще всего понимают адрес самого устройства, информация об устройстве и информация о подключенных светильниках, а также наборы команд, часто именуемыми сценариями. [7]

Рассматривая данную систему нельзя не коснуться самих действий, которые выполняет интерфейс DALI. Самое первое и скорее всего самое очевидное, это простое включение-выключение как отдельных светильников, так и целых их групп (в случае интеграции данной системы в выставочный зал понадобиться оба этих свойства). Помимо этой очевидной функции система также имеет возможность диммирования самих ламп, а также их синхронизация при диммировании целых групп. Данный фактор является одним из основных плюсов для выбора именно этой модели, так как в выставочном зале возможность диммирования освещения является важнейшим фактором. Всего лишь одно устройство управления DALI имеет возможность поддерживать до 16 сценариев одновременно и получать, и хранить информацию о некоторых параметрах системы. В эти параметры входит непременно информация о исправности или неисправности светильников, информация о работе светильников (включен/выключен) и информация о заданном уровне освещенности (мощность работы ламп). Также система DALI предоставляет нам возможность использования в нашей системе автоматизации датчиков движения, присутствия и освещенность (возможен автоматический контроль света в дневном/ночном режиме), что непременно раздвигает границы потенциала использования данного интерфейса в разрабатываемой системе автоматизации выставочного зала. Визуальное представление пульта управления главного контролера DALI можно увидеть ниже (рисунок 2). [7]



Рисунок 2 - Пульт управления DALI-контролера

Последним немаловажным полезным свойством данной системы является то, что в случае прекращения электропитания контролер запоминает состояние системы в момент отключения, и при возобновлении электропитания восстанавливает данное состояние, что уменьшает вероятность сбоя системы в несколько раз.

2) Система EIB/KNX

Система KNX (или как часто ее называют система EIB/KNX) - это прежде всего коммуникационная шина, которая широко используется в современном мире в сфере автоматизаций зданий.

Современное понимание стандарта KNX появилось при развитии разработки, которая появилась ранее и называлась EIB (от англ. European Installation Bus или рус. Европейская Инсталляционная Шина). Данная аббревиатура давно не используется инженерами в одиночестве, но её часто используют в совокупности с аббревиатурой KNX (EIB/KNX). Особенно часто это происходит в европейских странах. Следует сказать ,что вся продукция KNX в какой-то момент времени распространялась под несколькими известными торговыми марками, такими, как InstaBUS, ABB i-Bus, Tebis.

Изучая данную систему, нельзя не углубиться в ее историю создания. Февраль 1990 года ознаменовался ярким событием. В это время была организована ассоциация EIBA, которая имела свою штаб-квартиру в Бельгии (город Брюссель). Главными партнерами-компаниями, которые продвигали данную идею одного из вариантов автоматизации инженерных процессов являлись Siemens, ABB, Gira, Jung и еще несколько компаний, которых в общей сложности насчитывалось 15. Главной задачей ассоциации EIBA являлась поддержание разработки данного проекта и активное продвижения его в широкие массы, что должно было повлечь за собой использования системы EIB в промышленных масштабов, что конечно же привело к финансовому успеху всех членов ассоциации. Помимо продвижения системы, участники ассоциации были обязаны контролировать качество и самое главное совместимость системы с оборудованием, которое должно было работать в совокупности с данной системой, и если возникнут проблемы с интеграцией комплектующих частей в разработанную систему, то это будет означать отсутствие рентабельности системы EIB. Обязательно стоит упомянуть, что все выше перечисленное должны были осуществлять специалисты, хорошо разбирающиеся в структуре системы и знающие все плюсы и минусы данного проекта. В связи с этим ассоциация запускала обучающие центры по подготовке специалистов к работе с системой и периодически разрабатывали новые сценарии обучения. [5]

Старания ассоциации EIBA через несколько лет дали о себе знать. Более 100 компаний, которые находились не только в Европе, но и по всему миру, предлагали своим клиентам продукцию под маркой EIB. Успех проекта на этом не остановился, спустя какое-то время ассоциация контролировала около 80% всего рынка устройств, предназначенных для автоматизации инженерных процессов. В Мае 1999 года произошло знаковое событие. Успех продукции на рынке привел к объединению основных европейских ассоциаций в единую ассоциацию, которую позже назвали «Ассоциация KNX». Но следует отметить, что за основу для разработки новой системы автоматизации была взята система EIB, а точнее внушительная ее часть (около 80-90%).

На сегодняшний момент в ассоциацию KNX входит порядка 300 компаний со всего мира.

Далее будет целесообразно рассмотреть особенности данной системы, для того, чтобы понять ее эффективность и определиться с решением по использованию данной технологии в разработке системы автоматизации выставочного зала. Главной особенностью, которую можно назвать в первую очередь, это конечно же гарантированная возможность совмещения продукции разных производителей, а также единый программный инструмент, который разработан для проектирования, разработки и успешной реализации заявленных проектов. Следует отметить, что ассоциация не прекратила программу подготовки специалистов по данному направлению и до сих пор готовит сертифицированных работников, которые востребованы на рынке работодателей. [5]

Принцип работы

Как было сказано выше, основной принцип работы системы KNX основан на специально выделенной проводной шине, или как ее еще могут называть - витая пара. Практически все проекты, которые используют систему KNX используют именно принцип работы, основанный на проводной шине. Суть шины заключается в том, что к ней подключаются все контролеры, датчики и другие устройства, выполняющие различные функции. С практической точки зрения это означает, что для подключений вспомогательных устройств требуется прокладка необходимых коммуникаций, что существенно осложняет воплощение проекта в реальный объект. Следует отметить, что существует вариант с использованием схемы с выводом всех второстепенных устройств на общий щиток. При выборе варианта следует ознакомиться с плюсами и минусами каждого варианта исходя их проекта, который требуется реализовать, а также обязательно надо учитывать проект объекта, в который будет проводиться интеграция. В отдельных случаях возможно совмещение этих двух вариантов, но опять же это реально воплотить в реальном проекте только при соблюдении всех спецификаций технологии KNX. Ниже (рисунок 3) представлен простейший вариант системы KNX.

Рисунок 3 - Система KNX

Для более детального и специфицированного понимания работы системы KNX следует обратить внимание на топологические характеристики проводной шины. Топология шины KNX может быть выбрана исходя из пожеланий пользователей, что объясняет гибкость выбора. Работа может осуществляться через использование линейных шин, дерева или звезд. К этому добавляется еще один плюс: шине не требуется терминация, но следует обратить внимание на защищенность системы от неблагоприятных погодных условий (гроза, и.т.п.) и на защищенность от непредвиденных сбоев в системе энергоснабжения (перенапряжение, короткое замыкание). [6]

Общие характеристики шины KNX:

1) Максимальная длина кабелей в сегменте равно 1000м.

2) Максимально возможное расстояние от блока питания до устройства не должно превышать 350 метров.

3) Максимальное расстояние между двумя устройствами составляет 700 метров.

4) Напряжение на устройствах должно составлять минимум 21 Вольт.

Если рассматривать структуру системы KNX, то можно заметить, что базовым элементом в логической структуре является часть системы, которая содержит до 70 узлов. Части системы имеют возможность объединения в общую линию, которая в свою очередь имеет способность объединяться в области. Общее число устройств системы может достигать 60.000 элементов.

Для корректной работы системы KNX рекомендуется использование кабеля 2х2х0, 8, который подключается к шине, но следует заметить, что для работы системы достаточно и одной пары линий данных. Подключение второй пары объясняется только наличием потребности в дополнительном питании или использование ее как резерв. Дополнительное питание характеризуется тем, что некоторые элементы системы имеют возможность питания от самой шины KNX [5].

Важным моментом при использовании систем автоматизаций, а в данном случае в частности системы KNX стоит определиться с количеством элементов в системе, для того чтобы держать под контролем потребление питания. Осуществляется это через расчет характеристик используемых элементов, которые должны предоставляться производителем. Исходя из этого расчета определяется количество блоков питания в системе (система предполагает наличие не одного блока питания, а нескольких).

Работа с системой KNX часто предполагает собой объединение сегментов и линий. Данное объединение становится возможным при использовании специального соединительного оборудования, которое способно выполнять функции мостов, маршрутизаторов и повторителей. Все вышеперечисленные функции в основном выполняются одним и тем же оборудованием, алгоритм работы которого будет описываться непосредственно в момент программирования системы. Кабели, разъемы и монтаж витой пары системы KNX можно увидеть ниже (рисунок 4).



Рисунок 4 - Кабели, разъемы и монтаж витой пары системы KNX

После того, как была рассмотрена область системы, связанная с объединением и соединением её отдельных частей следует рассмотреть, как проходит взаимодействие между элементами структуры системы KNX. Логично предположить, что взаимодействие происходит по шине KNX с помощью использования обмена пакетами данных. Скорость, с которой происходит обмен данными в среднем будет составлять 9700 бит/секунду, а для обработки используется протокол CSMA/CA. Главная положительная особенность работы данного протокола заключается в том, что он имеет возможность описания практически любых форматов типов данных, используемых в структуре системы. В пакете данных также будет указываться адреса передатчика и приёмника соответственно и непосредственно сами передаваемые данные. Среднее время, за которая будет проводиться передача составляет около 20-40 миллисекунд. Следует отметить, что скорость передачи данных будет зависеть от степени загруженности самой шины, степень загруженности которой напрямую зависит от количества элементов в системе.

Конфигурация системы KNX можно считать децентрализованной, что другими словами означает отсутствие какого -либо специального контролера, который являлся бы центром сборы информации. В случае децентрализованной системы обмен данными будет осуществляется напрямую. Такой тип системы имеет свои плюсы и минусы (как и система DALI, которая описаны в прошлой подглаве), конкретную полезность возможно оценить только непосредственно под определенный проект, исходя из ряда факторов. Имея децентрализованную систему, мы располагаем возможностью разработать автономную часть системы, которая будет контролировать освещение в здании, используя при этом запрограммированные алгоритмы. Минусом в данной ситуации является то, что нужно понимать простоту устройств, участвующих в системе. Как только системы начнет усложняться и возрастет количество устройств, усложниться алгоритмы взаимодействия между ними, то сразу потребуется наличие дополнительного контроллера, который сможет собрать всю информацию воедино и выступить своеобразным «помощником» главной системе KNX [5].

Важной составляющей частью системы KNX является наличие такого сегмента, как групповые адреса. Под групповыми адресами надо понимать собранные в одну группу по функциональному признаку некоторые устройства. Для примерного описания работы групповых адресов можно рассмотреть датчики или сенсоры, которые имеют возможность отправить команду только в одну определенную группу, в то время, как исполнительный устройства (например, реле) могут принять информацию сразу в нескольких группах. Главным условием соединения устройств в одну группу является совпадающие типы данных устройств, но часто встречаются системы, в которых устройства могут принимать и отправлять информацию разных типов. Ярким примером такого устройства является диммер, который может принимать информацию по включению/выключению освещения, но также и по уменьшению/увеличению яркости и установку постоянного значения яркости. Использование такого алгоритма упрощает пользовательский контроль, т.е. пользователь вместо отправления индивидуального сигнала каждому устройству может отправить сигнал группе устройств. В отдельный класс устройств следует вынести контроллеры KNX, которые имеют собственный процессор. Данные устройства имеют возможность выполнения большого числа операций, в которые входит, например, работу с внешними устройствами и другими системами.

Все программирование системы KNX осуществляется в программе ETS (Engineering Tool Software). Это обеспечивает унификацию и совместимость решений разных производителей. Если рассматривать общий, а не частный случай программирования системы KNX, то она будет состоять из следующих шагов:

1) Разработка файла проекта.

2) Интеграция информации о устройствах, которые использованы в системе в программу.

3) Разработка детализированного электронного макета здания.

4) Добавление нужных устройств в разрабатываемый проект.

5) Настройка функционала устройств.

6) Создание групп устройств, для удобного управления системой.

7) Интеграция проекта в систему автоматизации.

8) Диагностика корректной работы.

Примерный стенд, который можно назвать тестовым стендом для первичного знакомства с системой KNX можно увидеть ниже (рисунок 5).

Рисунок 5 - Тестовый стенд системы KNX.



На данном стенде слева направо представлены: дроссель питания Choke, контролер LogicMachine, универсальный блок UIO8, диммер LED4 и адаптор для выключателя ABB серии.

3) Интерфейc 1-wire

1-wire в переводе с английского означает «один провод», что является простейшей, но основной характеристикой данного интерфейса. Если более подробно рассматривать устройство 1-wire следует начать с того, что это двунаправленная шина связи, которая имеет достаточно низкую скорость передачи данных. В обычном режиме данная скорость примерно равна 15,5 Кбит./сек., но при усиленном режиме может достигать своего максимума, который равен 125 Кбит./сек., но данные показатели достигаются довольно таки редко. Передача данных в данной шине осуществляется путем использования цепи питания, то есть данные передаются именно по ней. При передаче используется два провода. Первый провод является общим, а второй предназначен для обеспечения питания и транспортировки данных, но существуют исключения, в которых для обеспечения питания возможно использование еще одного провода.

Изобретён данный интерфейс был порядка двадцати лет назад, в самом конце 20 века. Разработчиком выступила корпорация Dallas Semiconductor (которая в наше время носит название Maxim Integrated, изменение на которое произошло в 2001 году). Системы 1-wire сразу заняли свое место в области технологических новинок. Произошло это по ряду ее особенностей, которые делали систему особенной. Для примера, это было неожиданная легкость подключения и монтажа, что позволяла экономить как временные ресурсы, так и денежные. Помимо этого, компоненты системы обладали довольно таки демократической стоимостью на рынке, что по известным причинам иногда является решающим фактором при выборе того или иного пути для решения инженерных задач. Также давала о себе знать возможность системы определять устройства при подключении их к сети, которая при этом функционирует. В то время мало кто мог похвастаться такой особенностью. Дополнением ко всему вышеперечисленному можно назвать немаловажную способность к подключению большого количества устройств. Все вышесказанное является одними из плюсов, которыми обладала система, но не стоит обращать внимание только на них, так как имеется еще много факторов, по которым 1-WIRE стала столь популярна.

Углубляясь в изучение работы интерфейса 1-wire следует описать более подробно принцип его работы. Топологией рассматриваемой сети является общая шина. В простом понимании, такая шина представляет из себя общий кабель, к которому подключены все рабочие элементы сети, а также рабочей станцией, которая «раздает» команды по сети. Такая команда проходит все устройства сети и когда устройство понимает, что команда была адресована ему, начинает его обработку. Это означает, что устройства могут передавать информацию только поочередно, так как сеть является последовательной, и при невыполнении этого условия будет происходить наложение команд одна на другую, результатом чего будет искажение.

Если рассмотреть стандартную систему 1-wire, то состоять она будет из главного контролера, с помощью которого происходит управление системой и нескольких второстепенных устройств, которые присоединены к общей шине. Присоединение этих устройств происходит по схеме с открытым стоком и вспомогательным резистором, который обычно называют подтягивающий. Сигнальный уровень такой шины колеблется в пределах от 3 до 5 вольт, но в пассивном состоянии в линии обязательно поддерживается большой уровень напряжения. Также следует отметить, что способом формирования сигналов является замыкание сигнальной линии на Ground. Как уже говорилось ранее, в шине 1-wire используется два провода, один сигнальный, а другой приспособлен для заземления, и в некоторых случаях добавляется провод для питания, но его осуществление также возможно по сигнальному проводу, которое принято называть паразитным питанием. В таком случае, источником питания будет выступать обычный конденсатор, подзарядка которого и будет происходить от сигнальной линии. Про скорость передачи данных также было сказано выше, но остается заметить, что скорость напрямую зависит от количества устройств в сети, то есть чем больше скорость, тем желательней сократить количество устройств, для того, чтобы избежать перегрузки системы.

Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что основным моментом для корректной работы сети 1-wire является наличие мастера сети (так как элементы в сети являются пассивными и не имеют возможности самостоятельно передавать собранные данные в сеть). Важный аспект, связанный с мастером сети, это наличие обязательно только одного такого мастера. Иначе каждый из мастеров сети будет «перетягивать одеяло на себя», то есть распределение собранной информации и соответственно входящих сигналов будет некорректным, что соответственно и приведет к некорректной работе всей сети. Описать работу мастера сети 1-wire довольно таки просто на примере. Учитывая то, что только мастер может отправить запрос на получение состояние какого-то элемента сети, можем представить следующую ситуацию: пользователю нужно получить информацию о состоянии трёх датчиков температур в режиме реального времени. В таком случае мастер сети одновременно отправлять запрос каждому датчику и находится в ожидании ответа, но важно отметить, что ответ прислать датчики могут только по одиночке, так как при одновременном отправлении данных с, допустим, двух или трёх датчиков одновременно приведет к искажению исходной информации, в связи с чем на выходе мы получим неверные данные.

Выполнять роль мастера сети 1-wire может любой микроконтроллер, который будет подключен к сети 1-wire. Однако основным условием для такого контроллера будет наличие надлежащего программного обеспечения. Для примера, таким мастером сети может являться обычный компьютер, при условии, что у него есть соответствующие устройства соединения, с помощью которых его можно будет подключить к сети 1-wire. Данные устройства могут соединять компьютер с сетью допустим через USB порты. Такими устройствами являются DS9097 или DS9490.

4) Промышленные шины

Помимо уже описанных выше шин для систем автоматизации помещений, существует еще ряд шин, которые также широко используются в проектировании.

А) CEBus (Consumer electronic bus) - является промышленной шиной, в основном для потребительской электроники. С помощью данной шины возможен обмен данными в обе стороны (то есть она является двухсторонней). Передача данных может осуществляться с помощью таких способов, как витая пара или оптоволокно. Также возможно использование радиочастотного кабеля или даже инфракрасного сигнала. Если брать возможность передачи данных по сетевой проводке, то в данном случае следует применить протокол Spread Spectrum/ Главной его особенностью является то, что он использует широкий диапазон частот, что способствует корректной передаче данных.

Б) LonWorks (Local Operating Network). Данная система является сетевой платформой, которая была создана в основном для того, чтобы осуществить достижение положительных значений производительности, гибкости и полной состыковки с потребностями поставленной задачи по управлению и мониторингу. Данная система получила свое широкое применение в проектировании систем автоматизаций, направленных на управление некими процессами и функциями различных помещений. Для примера можно назвать управление как освещением, так и отоплением, вентиляцией и тому подобное. Данный протокол помогает объединять сегменты в сети, используя при этом всем известные физические способы передачи (витая пара, коаксиальный кабель, и так далее). Для каждого канала устанавливаются трансиверы, далее узлы сети должны подключаться к каналу, которые в свою очередь соединяются друг с другом посредством маршрутизаторов (устройства, позволяющие объединить каналы и сделать возможным корректную передачу данных между ними).

В) Система CAN (Controller Area Network). Данная система является признанным стандартом промышленных сетей, основная функция которого является создание единой сети устройств и датчиков, для более удобного управления. Для шины CAN (рисунок 6), самым рекомендуемым режимом передачи являются последовательными или широковещательными. Разработана система в середине восьмидесятых годов двадцатого века компанией Robert Bosch, и с того момента её использование распространилось на такие сферы, как системы автоматизации, автомобили, и так далее.

автоматизированный интерфейс микроконтроллер централизованный

Рисунок 6 - Шина CAN-bus

Все выше перечисленные системы имеют одну важную и общую особенность - в отличие от системы 1-wire им не нужен мастер сети, так как составляющие системы связаны между собой и поддерживают передачу данных друг с другом самостоятельно. Плюсом такого подхода является увеличение скорости передачи информации и возрастает надежность всей системы, но в тоже время повышается денежная стоимость системы, усложняется схема системы и составления программного обеспечения для управления такой системой.

Частое использование промышленных стандартов в этих системах не отменяет того факта, что они могут быть использованы не в промышленных целях. Для примера, используя шину CAN подойдут микросхемы AT90CAN или ATmega48, с использованием трансивера MCPP2510.

Следует отметить несколько плюсов использования таких шин. Несомненно, это наличие спецификаций и присутствие отличной технической документации, защищенность шины от помех с помощью стандарта RS-485. Но также стоит отметить и несколько минусов, в которые входит высокая денежная политика таких систем и трудность проектирования таких систем.

5) Система Z-Wave (компания Fibaro)

Данная компания появилась в Польше, и главным направлением ее деятельности является создание и разработка решений для проектирования систем автоматизации при помощи технологии Z-Wave (используется при проектировании беспроводных систем). Технология Z-Wave представляет из себя протокол связи, использующийся именно в беспроводных системах. Данная технология подразумевает собой интеграцию в определенную инженерную систему помещения или в определенные приборы радиочастотных модули, с помощью которых и будет производиться контроль за теми устройствами, куда собственно и были интегрированы модули. Следует отметить, что данные датчики имеют маленькую мощность и миниатюрны размер.

Плюсы такой системы:

А) Возможность беспроводного контроля

Б) Маленькое энергопотребление

В) Высокая скорость передачи данных

Данная технология предназначена для передачи несложных команд, но с очень маленькой задержкой и практически без помех. Следует это и того, что принцип работы системы Z-Wave - ячеистая сеть. Ячеистая сеть означает то, что каждое устройство или группа устройств имеет возможность передавать и принимать сигналы от других устройств, используя при этом промежуточные узлы.



1.3 Требования к системе

Исходя из проведенного анализа существующих систем автоматизации и элементов данных систем, были поставлены следующие задачи и направления разрабатываемого в данной работе проекта по системе автоматизации помещения:

1) Контроль и управление системой освещения.

2) Детальный анализ показателей температурного режима

3) Управление и контроль системами отопления и охлаждения

4) Контроль системы вентиляции

5) Создание пользовательского интерфейса системы автоматизации

Отталкиваясь от поставленных задач были сформулированы некоторое алгоритмы, по которым система автоматизации должна действовать:

1) В случае падения температуры ниже установленного пользователем минимума, включается система отопления, которая повышает температуру до также заранее установленного значения. Следовательно, в случае превышения заданного максимума температуры включается система охлаждения, которая доводит температуру до того же максимума.

2) Пользователь имеет возможность полного или частичного включения или отключения освещения в помещении, используя при этом интерфейс мобильного приложения.

Система, которая в итоге будет подлежать внедрению в здание выставочного зала должна иметь возможность выполнять все вышеуказанные варианты поставленных задач. Следовательно, для корректного выполнения системой этих задач, система автоматизации должна выполнять следующие поставленные подзадачи:

1) Контроль показателей температурных датчиков

2) Иметь возможность управление системой освещения.

3) Иметь возможность управлять системой отопления/охлаждения по заданному алгоритму.

4) Разработанный интерфейс мобильного приложения, с помощью которого будет производиться управление системой автоматизации.

1.4 Обзор существующих систем управления и выбор оптимальной системы для реализации поставленных задач

В современном мире существует множество примеров реализованных систем автоматизации, которые могут помочь в разработке собственной системы. Если брать в расчет поставленные выше задачи, то подойти их решению можно, используя уже существующую, готовую систему автоматизации и при помощи неё разработать собственную систему, исходя из индивидуальных особенностей. Для того, чтобы не ошибиться с выбором пути решения, начать следует с анализа готовых решений, подбор которых осуществляется исходя из возможностей данных решений (систем автоматизации) справиться с преодолением поставленных задач и условий. Если возникает ситуация, по которой выбранная система не имеет возможности преодолеть поставленную задачу имеет смысл изменить поставленную задачу на некую альтернативную, главным фактором выбора которой будет аналогичные по функционалу возможности.

Первый вариант

Ниже будет проведен обзор готовых решений для преодоления поставленных задач.

1) MajorModo

Общедоступная программная платформа, разработанная для систем автоматизации. Имеет большой плюс: система является кроссплатформенной, но несмотря на это, платформа не имеет возможности коммуникации с многими устройствами схожих технологий, что намного осложняет подбор устройств для реализации, а следовательно увеличивается затратность по времени. Например, из всей линейки устройств системы Z-wave, данная система поддерживает только один контроллер RaZZberry. [8]

2) OpenRemote

OpenRemote - это разработанное в недавнем прошлом программное обеспечение, главной задачей которого является предоставление возможности управления компонентами систем автоматизаций через Интернет сеть, то есть удаленно. Огромным плюсом данной системы является коммуникация практически со всеми видами «умных» устройств, не беря во внимание различие этих устройств по спецификационным факторам. Другими словами, с помощью данной системы мы получаем возможность создания интерфейса для приложений, с помощью которых осуществляется контроль за системой автоматизации в целом. [11]

3) SmartVISU

Главной задачей данной системы является визуализация системы KNX. Представляет из себя небольшое устройство, которое можно прикрепить к любой удобной поверхности. Основной функцией устройства является загрузка встроенной консольной панели с помощью веб-браузера и последующая визуализация процессов. [9]

4) Node Red

Разработка данного инструмента принадлежит успешной в информационной сфере компании IBM. Представляет из себя разработанный программный код, основной функцией которого является помощь в соединении программного обеспечения с устройствами и системами путем создания специальных приложений. Главным минусом технологии является полное отсутствие визуализации.

5) Home Sapiens

Русскоязычная технология управления системой автоматизации помещения, главным достоинством которой является разработанный голосовой интерфейс, то есть наличие голосового движка, который имеет возможность распознавание любого голоса (если исключения не установлены в настройках), но минусом является коммуникация с ограниченным числом технологий. [9]

6) AgoControl

Промышленная технология систем автоматизации, которая располагает малым количеством возможных сценариев и протоколов, но имеет разработанный интерфейс. Идеально подходит для не затратных в денежном плане систем автоматизации. Минусом является не бесплатный доступ к системе.

Второй вариант

Также существует вариант разработки собственной системы автоматизации. Следует отметить, что проектирование программного продукта с самого начала не имеет смысла, так как данная задача не имеет рентабельности, из-за потраченного огромного количества времени и ресурсов. На выходе, при наилучшем исходе, получится система, которая будет применима в весьма узконаправленной области. Данная работа предполагает использование разработанной системы на других участках и в других помещениях. Исходя из этого, рациональным решением будет использование готового продукта.

Третий вариант

После анализа подходов, способных помочь в преодолении поставленных задач, было принято решение объединить первый и второй варианты подходов, что даст нам возможность реализации сложных сценариев, путем наличия готовой платформы для системы автоматизации, а также реализации собственных драйверов, с помощью которых осуществляется коммуникация с другими системами и устройствами.

1.5 Выводы

После составления требований к проектируемой системе автоматизации, встает выбор, какой подход будет наиболее целесообразен при попытке преодоления поставленных задач. Анализ данных подходов дал нам следующие результаты:

Первый подход (использование готовых систем автоматизации) несомненно располагает рядом плюсов, в числе которых следует отметить уже готовую и проверенную временем технологию, а также наличие готовых модулей, с помощью которых решение поставленных задач порядком упрощается. Но есть и ряд минусов, среди которых большая цена на модули самой системы, ограниченные возможности и закрытость технологий. Исходя из перечисленных плюсов и минусов системы было принято решение отказаться от данного подхода, в связи с экономической составляющей и отсутствием возможности данных систем охвата всего требуемого функционала.

Второй подход (разработка собственной системы) также не подходит, исходя из того, что результат, полученный на выходе не соответствует затраченным ресурсам. Главный минус данного подхода является узкая область применения

Третий подход (объединение первого и второго подходов) на данный момент является самым целесообразным решением, так как он удовлетворяет всем поставленным требованиям.

Основными плюсами данного подхода является небольшая цена модулей системы, обширный функционал, возможность коммуникации, казалось бы, несовместимого оборудования. Но есть также и ряд минусов, среди которых отсутствие готовых модулей и какой-либо технической поддержки.

Следовательно, система автоматизации должна разрабатываться с помощью общедоступных технологий и оборудования, которое можно приобрести в свободном доступе, и которое будет рентабельно в плане ценовой политики. Исходя из вышесказанного, получаем возможность законченной реализации системы автоматизации для заданного помещения.



Глава 2. Проектирование архитектуры элементов системы автоматизации

В первой главе был сформулирован ряд выводов, на основе которого выбор подхода проектирования системы автоматизации остановился на самом конструктивном третьем варианте. В данной главе предполагается решение вопроса по подбору технологии, который будет применен при разработке системы автоматизации, а также будет описана структура аппаратной и программной областей и произведен выбор устройств, которые будут использованы при проектировании системы автоматизации.

2.1 Подбор технологии

Система автоматизации представляет собой новую инновационную ступень в технологической сфере, которая приходит на помощь человеку в его повседневной жизни. Основная суть технологии заключается в совмещение в единую сферу новейших технологических решений, в следствие чего происходит создание новой технической системы, основная деятельность которой направлена на усовершенствование существующих инженерных систем с целью повышения их коэффициента полезного действия, расширение области функционирования устройств и обеспечения надежности их работы[2].

Одной из главных задач данной работы является создания комплекса инженерных подсистем (причем системы могут быть реализованы с помощью разных производителей) в одну большую систему, в которой каждая ее часть будет согласованно работать с остальными частями. В этом и заключается суть автоматизации. [10] Данная большая система имеет ряд ключевых факторов, благодаря которым ее работы будет носить предопределенный ранее характер. Вот несколько таких факторов, которых надо придерживаться при дальнейшем проектировании:

1) Обеспечение комфортабельного состояния, что подразумевает слаженную, бесперебойную работу системы электропитания, а нарушение работы серверов не приведет к отказу систем автоматизации.

2) Слаженное взаимодействие работы системы отопления и охлаждения, что позволяет поддерживать комфортабельную температуру в помещении двадцать четыре часа в сутки.