3) Контроль за тратами электроэнергии, что означает рациональное её использование благодаря интегрированным алгоритмам по слежению за энергопотреблением.

4) Доступ к непрерывному контролированию всей системы автоматизации и возможностью управления системой с любого устройства, при условии, что оно подключено к внутренней сети.

Чтобы воплотить все вышеперечисленные факторы в реальном проекте, рационально будет использовать ряд определенных технологий. Например, для управления системой освещения предлагается использовать сетевую технологию Ethernet. Данный выбор обусловлен несколькими положительными факторами данной технологии. Во-первых, стандарт Ethernet является довольно таки надежной сетью для передачи данных, которую давно используют в похожих системах во всем мире. Надежность обусловлена практически стопроцентной невосприимчивостью к помехам, а также из-за того, что топологией данной сети является звезда, а это значит, что при появлении неполадок в сети, нарушение работы произойдет только в одном из лучей, а значит остальная система продолжит функционировать. Во-вторых, скорость. Шина данной сети позволяет практически в режиме реального времени реагировать на происходившие события. В-третьих, гибкость системы, которая достигается путем использования проработанных сетевых протоколов.

Чтобы контролировать систему отопления/охлаждения, что является основным фактором поддержания комфортной температуры в помещении, предлагаю использовать протокол передачи 1-wire, характеристики которого были рассмотрены в первой главе. Данная технология также была выбрана по ряду положительных факторов. Во-первых, устойчивость к отказам. Следовательно, при неких нештатных ситуациях система будет вести себя стабильно. Во-вторых, следуя некоторым указаниям, можно добиться высокой надежности шины системы. Например, в роли мастера всей сети использовать DS9490R#, а в качестве кабеля использовать UTP (разумно будет взять кабель пятой категории), а также обязательно провести заземление шины и использовать стабильное напряжение для питания модулей.

2.2 Структура системы автоматизации

Исходя из того, что технологии, которые будут использованы в проектируемой системе автоматизации выбраны, нужно определиться со структурой системы. После выбора определенной структуры следует определиться с устройствами, которые будут использованы при проектировании системы и которые обязательно будут способны выполнять вышеуказанные задачи.

Рассмотрим принципиальные виды структур систем автоматизации, которые существуют на данный момент. Сразу стоит отметить два варианта:

1) Централизованные

2) Децентрализованные

Централизованная структура управления системой автоматизации (рисунок 7) является распространенным принципом архитектурных решений в данной сфере. Основным элементом такой системы является центральный контроллер (возможно сервер), в роли которого может выступать обычный компьютер или микроконтроллер. Суть заключается в том, что все события, происходящие в системе, обрабатываются только этим контролером, и все команды идут только через него. Управление системой осуществляется также через данный контролер. Плюсами данной структуры является то, что возможно создание систем любой сложности, так как сервер будет обладать достаточной мощностью, а также большая скорость обработки входящих сигналов и экономическая составляющая (система довольно небольшая и прослеживается малая стоимость её компонентов). Главным недостатком такой структуры можно назвать только то, что при некорректной работе главного контролера, некорректно начинает работать вся система, соответственно при выходе его из строя, тоже самое произойдет и со всей системой [3][4]

Рисунок 7 - Централизованная структура управления

Децентрализованная структура управления системой автоматизации (рисунок 8) отличается от централизованного отсутствием главного контролера. В такой системе все части системы автоматизации работают независимо друг от друга, но при этом они могут передавать команды и информацию между собой. Плюсом таких систем является высокая надежность (при выходе из строя одного устройства, система продолжает функционировать) и способность к увеличению количества элементов в своей структуре, или, другими словами, расширению. Из минусов стоит назвать нестабильную ценовую политику, простоту таких систем и низкую скорость работы[3][4].

Рисунок 8 - Децентрализованная структура управления

Исходя из проведенного анализа возможных структур систем автоматизации, наиболее рациональным будет использования централизованной структуры системы. При данном выборе были учтены все плюсы и минусы обоих структур, в связи с чем было принято во внимание, что децентрализованная система тоже может быть полезной при проектировании системы автоматизации в данной работе и ее применение в совокупности с централизованной системы поможет решить проблемы с контролем за системой освещение. Без применения совместного подхода управление освещением будет невозможно осуществить по причине постоянных сбоев главного сервера. Следует отметить, что применение обобщенной структуры отражается на выборе контролера системы освещения, следовательно, при его выборе, данная особенность была принята во внимание.

2.3 Выбор устройств системы автоматизации

Исходя из того, что основной структурой реализации была выбрана централизованная система, то следующим шагом, который является достаточно важным при разработке системы автоматизации, является выбор сервера. Также следует обратить внимание, на то, что контроль за системой освещения будет использован объединенный из вышеописанных подходов метод, для которого требуется выбор контроллера освещения.

При выборе сервера было принято решение остановиться на самом распространенном варианте - персональном компьютере. Минусом данного выбора является только высокое потребление электроэнергии. В связи с этим возможен вариант замены обычного персонального компьютера на одноплатный компьютер, с помощью которого появляется возможность избавления от недостатков обычного ПК. Произведя обзор таких одноплатных компьютеров, выбор остановился на ОК Beagle Bone Black, так как данное устройство располагает функционалом, который практически идеально подходит для реализации проекта, а именно, возможность работы на Linux, наличие большого количества разъемов для подключения второстепенных устройств и сравнительно небольшой размер платы (87х55 мм.).

Следующий шаг предполагает выбор контроллера освещения. На данном этапе выбор остановился на контролере MegaD-328, который обусловлен тем, что данное устройство имеет возможность работать и в централизованной, и в децентрализованной структурах, а так как в этом проекте эти две структуры объединяются, то данный контроллер подходит идеально.

В модуле, который подлежит рассмотрению, при децентрализованной структуре есть возможность управления всеми устройствами с помощью некоторого интерфейса (в нашем случае Web-интерфейс) (рисунок 9).

Рисунок 9 - Децентрализованная структура управления

Если система автоматизации будет строиться при помощи централизованного подхода, что подразумевает использование главного контроллера/сервера, в который поместили все разработанные алгоритмы, то управление системой будет осуществляться с помощью него (модуль будет выполнять команды, которые подает контроллер/сервер) (рисунок 10).

Принцип работы контроллера заключается в следующем: при нормальном функционировании сервера, контроллер будет подчиняться ему (то есть выполнять все его команды), но при выходе сервера из строя, система не перестанет работать, а продолжит функционировать, благодаря заранее заложенных в контроллер алгоритмам. Данная особенность системы в несколько раз повышает надежность ее работы.

Рисунок 10 - Централизованная структура управления

В устройстве (контроллере), который был выбран для контроля за системой освещения используется технология TCP/IP, следовательно, отпадает необходимость в использовании некого дополняющего ПО для управления контроллером, а также данная технология помогает в обеспечении маршрутизации и дает нам возможность разными способами использовать сигналы между управляющим устройствам и устройствами системы. Следует отметить, что при данной структуре целесообразно осуществлять передачу данных по протоколу http, в следствие чего не требуется дополнительно ПО для контролера MegaD-328.

Далее предполагается перейти к выбору устройств, которые будут использованы в системе 1-wire. Исходя из того, что сервер не предполагает наличие COM порта, для корректной работы системы потребуется связать датчики, с которых списываются показания с сервером. Осуществить это можно с помощью адаптера DS9490R. Следующий шаг - выбор непосредственно самих датчиков, задачей которых будет являться контроль за температурой. Выбор пал на датчики DS18B20. Его особенностью является возможность работы в системе 1-wire, а также функционал этих датчиков позволяет им работать как по одиночке, так и объединяться в группы. Следовательно, возможен контроль за всеми датчиками всего одним микропроцессором (датчики DS18B20 имеют специальный код, который дает возможность «общения» с другими датчиками, при условии, что они присоединены к одной шине).

Исходя из всего вышеперечисленного была разработана структура микросети 1-wire (рисунок 11).

Рисунок 11 - Спроектированная структура микросети 1-wire

После разработки структуры сети 1-wire следует приступить к разработке структуры системы освещения. Как указано выше, контроллером для системы освещения был выбран MegaD-328(рисунок 12). Его интеграция в централизованную систему автоматизации можно увидеть на рисунке 13.

Рисунок 12 - Контроллер MegaD-328

Рисунок 13 - Структура использования MegaD-328 с главным контроллером/сервером

Интеграция MegaD-328 в децентрализованную структуру можно увидеть на рисунке 14.

Рисунок 14 - Интеграция MegaD-328 в децентрализованную структуру

Как можно заметить, функционал управления системой освещения подразделяется на два модуля: интерфейсный (с помощью контроллера) и исполнительный. На рисунке видно, что подключение систем освещения, отопления/охлаждения реализовывается по принципу подключения их к исполнительному модулю. Выбранный модуль располагает семью входами и семью выходами с семисторами, использование которых позволяет обеспечить бесшумность.

Далее рассмотрим программную структуру, которую можно увидеть на рисунке 15, на котором изображено взаимодействие устройств.

Как можно увидеть на рисунке 15, роль центрального контроллера выполняет программа, написанная на Node.JS, которая специально предназначена для помощи в разработке систем автоматизации. В данном случае, ЦК выполняет и роль центра системы и роль шлюза для связи по Ethernet.

Рисунок 15 - Визуализация программной структуры

Интеграция нового оборудования в систему происходит с помощью адаптеров или специальных драйверов. В данной системе это осуществляется через драйвер JavaScript, который будет запускаться в отдельном процессе Node.JS, и будет обслуживать одно устройство или одну службу. В проектировании данной системы предстоит реализация драйверов для системы 1-wire и для контроллера MegaD-328. Это означает, что внедренный в контроллер скрипт позволит настроить автоматизацию системы с помощью JavaScript.

2.4 Построение структуры управления

Как было описано выше, в роли сервера проектируемой системы автоматизации выступает одноплатный компьютер BeagleBone Black, ОС которого является система Linux. К USB-разъему одноплатного компьютера подключен мастер сети (выбор которого также был осуществлен ранее) 1-wire DS9490R, а к другому разъему RJ-45 подключается контроллер MegaD-328. К мастеру сети присоединены датчики температуры DS18B20. Структура системы автоматизации представлена ниже, на рисунке 16.

Рисунок 16 - Структура системы автоматизации.

Описание достигнутых результатов

В ходе разработки проекта системы автоматизации были достигнуты следующие результаты:

1) Выбор технологий был сделан в пользу проводных технологий (Ethernet, 1-wire)

2) Осуществлен анализ различных подходов для проектировки системы автоматизации и выбран самый оптимальный.

3) Осуществлен выбор устройств, которые использованы для проектировки системы автоматизации (одноплатный компьютер BeagleBone Black (рис.17), контроллер MegaD-328, мастер сети 1-wire DS9490R(рис.18) и датчики контроля за температурой DS18B20)

4) Соединение выбранных устройств в единую структуру, произведена разработка структуры сети 1-wire и системы, которая контролирует систему освещения.

5) Осуществлен выбор драйверов для микросети 1-wire и контроллера MegaD-328.

Рисунок 17 - Одноплатный компьютер BeagleBone Black.

Рисунок 18 - Мастер сети 1-wire DS9490R

2.5 Аппаратная реализация

Аппаратная реализация включает в себя контроллер MegaD-328, который состоит из двух модулей: интерфейсный и исполнительный. К исполнительному модулю подключаются кнопочные выключатели, система отопления и система освещения. Интерфейсный подключен к сети Ethernet, составляющей частью которого является одноплатный компьютер BeagleBone Black, который выполняет функции сервера системы автоматизации. Мастер сети 1-wire DS9490R сопряжен с датчиками температуры DS18B20[5].

Глава 3. Алгоритм функционирования системы

Данная глава посвящена построению алгоритмов по визуализации функционала систем освещения и климата в помещении.

Алгоритм системы управления освещением можно рассмотреть на рисунке 19, который представлен ниже.

Рисунок 19 - Алгоритм системы управления светом.

Когда происходит нажатие кнопки, контроллер MegaD-328 передает команду серверу и находится в ожидании ответа от него. Если в ответ сервер присылает определенную команду на включение некоторых устройств, контроллер её выполняет. Если ответа от сервера не последовало, контролер при нажатии кнопки самостоятельно выполнит команду, исходя из настроек, которые были запрограммированные ранее.

Алгоритм системы управления микроклиматом можно рассмотреть на рисунке 20.

Рисунок 20 - Алгоритм системы управления микроклиматом.

Комфортная температура в помещении обеспечивается с помощью бытовых приборов, а измерения осуществляются посредством датчика DS18B20. Значения измеренной температуры (пришли с датчиков) поступает на центральный контроллер, который вырабатывает сигнал и отправляет его на устройство исполнения MegaD-328, который оказывает влияние на прибор.

3.1 Web-интерфейс системы автоматизации

Рисунок 21 - Web-интерфейс системы автоматизации.

Для того, чтобы осуществить управление системой света, а именно включение или выключения света следует нажать на кнопки «ON/OFFЙ соответственно.

Для того, чтобы осуществить управление системой микроклимата, следует установить желаемое значение температуры и нажать кнопку «ON». Для отключения системы микроклимата следует нажать кнопку «OFF». Показатель температуры помещения в режиме реального времени можно наблюдать в окне «Показатель температуры сейчас» (рисунок 21).

Заключение

В процессе выполнения данной работы по проектированию системы автоматизации был выполнен анализ существующих систем автоматизации и сопутствующих технологий. Основываясь на результате анализа было принято решение о выборе подхода для реализации проекта. В ходе выполнения данной работы была предложена архитектура элементов управления системой автоматизации, с помощью которой были выбраны аппаратная часть, разработана сеть 1-wire для отслеживания микроклимата в помещении и сеть Ethernet, для управления системой освещения и микроклимата. Все составляющие данных сетей были подключены к серверу, а для корректной работы используемых устройств подключены драйвера. Управление всей системой автоматизации происходит из разработанного Web-интерфейса.

Список литературы

1) «Автоматизация технологических процессов и системы автоматического управления» / Бородин И.Ф. - М.: КолосС, 2006. - 352с.

2) «Автоматизация настройки систем управления» / А.С. Клюев, В.Я. Ротач, В.Ф. Кузищин. - М.: Альянс, 2015. - 272с.

3) «Автоматизация технологических процессов и производств» / А.И Мартяков. - М.: МГИУ, 2010. - 384с.

4) «Автоматизация технологических процессов и производств» / А.Г. Схиртладзе. - М.: Абрис, 2012. - 565с.

5) «Теоретические основы разработки и моделирования систем автоматизации» / А.М. Афонин, Ю.Н. Царегородцев, А.М. Петрова, Ю.Е. Ефремова. - М.: Форум, 2011. - 192с.

Аннотация

В данной выпускной квалификационной работе был проведен анализ особенностей различных систем автоматизации, используемых для управления инженерными процессами помещения, на основе которых сформирована стратегия разработки собственной системы автоматизации, а также выполнено проектирование архитектуры элементов системы автоматизации и разработан алгоритм функционирования системы. Для удобства управления спроектированной системой автоматизации был разработан Web-интерфейс, позволяющий контролировать систему с любого удобного устройства.

In this final qualification work were studied the principles of operation of different systems of automation used for control of engineering processes of location on the basis of which the choice of strategy of development of own system of automation was made and also design of architecture of elements of system of automation is executed and the algorithm of functioning of system is developed. The Web interface allowing controlling system from any convenient device was developed for convenience of control of the designed system of automation.

Размещено на Allbest.ru