Volume 22
2001 N um ber 3 (45)
Paweł KW ASNOW SK I, H enryk ZYGM UNT, Jacek SEŃKOWSKI, Grzegorz HAYDUK, M arcin JACHIM SKI
Akademia Górniczo-H utnicza, Katedra Automatyki N apędu i Urządzeń Przem ysłowych
ZASTOSOWANIE TECHNOLOGII LONWORKS W SYSTEMACH AUTOMATYKI BUDYNKÓW I MONITORINGU MEDIÓW
Streszczenie. Przedmiotem niniejszego referatu jest krótki opis technologii LonW orks i protokołu komunikacji sieciowej LonTalk oraz om ówienie ich aplikacji w pilotażowej instalacji automatyki budynku w Pawilonie BI W ydziału EAIiE AGH w Krakowie. D la tej realizacji zostały w Katedrze ANiUP AGH opracowane prototypy odpow iednich urządzeń i podzespołów służących do autom atyki budynków oraz m onitoringu mediów, których produkcję podjął ZD ANiA Sp. z oo. W referacie opisano dośw iadczenia zebrane w czasie dwuletniej eksploatacji omawianej pilotażowej instalacji w Paw. B I AGH oraz koncepcję zdalnego monitoringu i rozliczania m ediów dostarczanych do poszczególnych mieszkań i obiektów przem ysłow ych.
LONWORKS TECHNOLOGY APPLICATIONS TO BUILDING AUTOMATION AND UTILITIES MONITORING SYSTEMS
Sum m ary. The paper presents a short description o f the LonW orks technology and the LonTalk netw ork protocol, as well as their application in a pilot installation o f building autom ation system in the building (B l) o f the Faculty o f Electrical Engineering at the U niversity o f Mining and M etallurgy (UM M ) in Cracow.
Prototypes o f the system and equipment for this application have been developed in the Institute o f Electrical Drives and Industrial Equipm ent Control System s o f the U M M , and m anufactured by the Experimental Department o f Scientific Equipment and A utom ation ZDANiA Ltd. The paper also describes experience gained during tw o-year operation o f the pilot installation and the conception o f rem ote billing and m onitoring o f utilities supplied to industrial or residential buildings.
292 P. Kwasnowski, H. Zygm unt, J. Seńkowski, G. H ayduk, M. Jachimski
1. Wstęp
Od kilku lat obserwuje się bardzo szybki rozwój urządzeń służących do automatyzacji funkcji spełnianych przez budynki użyteczności publicznej oraz przez budynki mieszkalne, takich jak: kontrola dostępu, sterowanie oświetleniem, ogrzewaniem lub klimatyzacją, ochrona antyw łam aniow a oraz sygnalizacja pożarowa. Do niedawna w szystkie te funkcje były realizow ane z w ykorzystaniem oddzielnych instalacji, c z u jn ik ó w . oraz centralek:
nadzoru i program ow ania. Nowoczesne technologie system ów rozproszonych pozwalają na integrację poszczególnych funkcji w ym aganych przez infrastrukturę techniczną budynku w ramach jednego system u elektronicznego [1],
Tendencją współczesnej automatyki (nie tylko budynków ) je st ewolucja od specjalizowanych, scentralizowanych systemów firmowych do otw artych systemów rozproszonych [1 0 ,1 4 , 16]. Tendencja ta została przedstawiona na rys. 1.
TAK ? BMS CZY TAK ?
Rys. 1. Zasada integracji systemów infrastruktury budynku Fig. 1. Principle o f integration o f building's infrastructure
293
2. Otwarte systemy sterowania
Dotychczasowe, „klasyczne” rozwiązania system ów autom atyki budynków (BAS) czy zarządzania budynkam i (BM S) obejm ow ały indywidualne, firm owe system y: sygnalizacji pożarowej, antyw łam aniow y, klim atyzacji, kontroli dostępu, dystrybucji energii elektrycznej, dystrybucji energii cieplnej. System y te charakteryzują się, przede wszystkim , dużą doskonałością techniczną, w w yniku nagrom adzenia w ieloletnich doświadczeń.
Podstawowymi wadami „zam kniętych” system ów firm owych je st natom iast ich „niechęć” do współpracy z innym i system am i, która powoduje, że:
• wszystkie urządzenia sterujące system u firmowego powinny pochodzić od jednego producenta,
• wprawdzie w ielu producentów w ytw arza podobne funkcjonalnie urządzenia, ale nie m ogą one ze sobą w spółpracować,
• urządzenia system u firm owego kom unikują się ze sobą za pom ocą unikalnego, często niejawnego protokołu firmowego.
Dodatkowo, system y firm owe często oferowane są na zasadzie dopasowania funkcji do kryterium niskiej ceny, w związku z czym najtańsza oferta odpow iada możliwościom oferenta w zakresie danej ceny, a nie w ym aganiom funkcjonalnym klienta.
Z punktu widzenia klienta m ożna wym ienić kilka efektów zastosow ania zamkniętego systemu firm owego. N ależą do nich:
• wysokie koszty integracji systemów,
• niemożność spełnienia wym agań inwestora,
• wysokie koszty zm ian wprowadzanych na życzenie inwestora na etapie realizacji,
• drogie kontrakty serwisowe,
• uzależnienie od producenta lub dostawcy na wiele lat eksploatacji systemu.
A lternatyw ą dla branżow ych system ów firm owych są: Otwarte system y sterowania bazujące na jawnych protokołach komunikacyjnych.
Można pow iedzieć, że system spełnia kryteria otwartości, jeżeli:
• w system ie m o g ą pracować urządzenia pochodzące od różnych producentów,
• istnieje wielu producentów tych samych urządzeń,
• urządzenia kom unikują się ze sobą za pom ocą standardowego protokołu,
• istnieją standardy urządzeń i ich funkcji,
• istnieją standardy m ediów kom unikacyjnych,
• inwestor i użytkow nik m ają sw obodny wybór: urządzeń, dostawców, projektantów i w ykonawców na każdym etapie realizacji i eksploatacji.
294 P. Kwasnowski, H. Zygm unt, J. Seńkowski, G. Hayduk, M. Jachimski Zastosow anie otwartych system ów sterowania przynosi następujące korzyści:
• elastyczność systemu,
• prostotę funkcjonalną i koncepcyjną,
• redukcję kosztów na etapie projektowania, w drażania i eksploatacji,
• uniezależnienie od producenta i/lub dostawcy.
3. Integracja i rozproszenie oparte na technologii LonWorks
W spółczesna technika oferuje rozwiązania umożliwiające tworzenie rozproszonych system ów sterow ania spełniających kryteria system ów otwartych. Do rozwiązań tych zaliczyć m ożna dzisiaj technologię LonWorks® oraz „stojącą u bram ” system ów sterowania - technologię Internetu [9]. Obie technologie dostarczają w szystkie składniki potrzebne do realizacji rozproszonych systemów sterowania, a mianowicie:
• m ikrokontrolery,
• standardowy protokół kom unikacyjny,
• standardowe m edia transm isji danych,
• środki wspom agające projektowanie i programowanie.
O ile rozwiązania techniczne um ożliwiające zastosowanie Internetu w rozproszonych system ach sterow ania pojaw iają się dopiero obecnie, to technologia LonWorks® dostarczyła kompletne rozw iązania ju ż na początku lat 90, czego skutkiem je st zaistnienie tej technologii jako - de facto - standardu współczesnych otw artych system ów automatyki budynków.
Zapewnia ona:
• kom pletną technologię rozproszonych system ów sterowania (mikrokontrolery + protokół transm isji + narzędzia projektowe),
• tanie mikrokontrolery z w budowanym programem obsługi standardowego protokołu transm isji,
• standaryzację program ów typowych urządzeń przez organizację LonMark.
3.1. T echnologia LonW orks
W skład rozproszonych system ów automatyzacji budynków w chodzą następujące elem enty: m ikrosterowniki, układy w ejścia/w yjścia dla czujników i e le m e n tó w
w ykonawczych, protokół kom unikacyjny, układy sprzężenia (transceivery) z mediami kom unikacyjnym i, m edia kom unikacyjne, zintegrowane narzędzia projektowo- uruchom ieniow e.
295 Technologia LonW orks (LON - Local Operating N etw ork - lokalna sieć operacyjna) została opracow ana w am erykańskiej firm ie ECHELON, specjalnie powołanej w roku 1988 przez firmy: M otorola i Toshiba w celu: opracowania kompletnej technologii dla otwartych, rozproszonych system ów autom atyki. Technologia ta integruje i standaryzuje składniki rozproszonego system u autom atycznego sterowania. Obejm uje sprzęt i oprogramowanie służące do: konstruowania, wykonywania, urucham iania i eksploatacji rozproszonych system ów automatycznego sterowania [5].
Zaletami technologii LonW orks są:
• standardowy sprzęt, oparty na specjalizowanych m ikroukładach zwanych: „N euronChip”, wyposażonych we wbudowany mikrosystem operacyjny z programem szeregowania zadań,
• standardowe oprogram owanie sieciowe z protokołem LonTalk w budow ane jako firmware do układów NeuronChip.
• zdolność do transm isji sieciowej za pośrednictw em różnych m ediów transm isyjnych.
W ram ach tej technologii oferowane są także zintegrowane system y projektowo- uruchomieniowe: LonB uilder i NodeBuilder, obejmujące środki wspom agające projektowanie i m etodykę tworzenia i uruchamiania wielowęzłowych, rozproszonych sieci sterujących.
Spośród licznych obszarów zastosowania technologii LonW orks, takich jak:
automatyzacja budynków , sterowanie przem ysłowe, diagnostyka złożonych system ów elektronicznych, m edycyna, bankowość; szczególna rola przypada jej w zakresie automatyzacji budynków , um ożliwiając łatw ą integrację wszystkich system ów infrastruktury obiektu w ram ach jednego standardu. O bejm ują one następujące funkcje: sterowanie oświetleniem, klim atyzacją, ogrzewaniem, systemami kontroli dostępu, systemami bezpieczeństwa (w tym: ochronę przeciw w łam aniow ą i sygnalizację pożarową), sterowanie urządzeniami dźw igow ym i oraz zdalne rozliczanie zużycia m ediów energetycznych.
3.2. Rodzina m ikroukładów NeuronChip
Każde urządzenie przeznaczone do współpracy w ram ach sieci LonW orks musi być wyposażone w m ikroukład NeuronChip, dzięki którem u może ono stać się węzłem sieci.
Zadaniem tego m ikroukładu je st obsługa standardowej komunikacji sieciowej (dzięki wbudowanemu oprogram ow aniu firmowemu) oraz wykonywanie specyficznego programu sterowania, pracującego na podstaw ie danych pochodzących z urządzenia „w łasnego” oraz innych urządzeń, wg możliwej do dynam icznego zadeklarowania konfiguracji. Z punktu widzenia sieci LonW orks urządzeniem może być zarówno pojedynczy czujnik (temperatury,
296 P. Kwasnowski, H. Zygm unt, J. Seńkowski, G. Hayduk, M. Jachimski obecności, sygnalizacji pożarowej lub inny), manipulator lub zadajnik, elektrozawór, w entylator lub punkt ośw ietleniow y, ja k i złożony, wielofunkcyjny obiekt, np. klimatyzator.
Z a pośrednictw em m ikroukładu N euronChip każde urządzenie m oże dostarczać do sieci LonW orks inform acje o stanie przyłączonych do niego czujników w postaci tzw. „zmiennych sieciow ych” , w ykorzystyw anych w program ach sterujących własnego węzła sieci oraz innych węzłów.
Rodzina m ikroukładów NeuronChip [3, 4] obejmuje dw a typy, różniące się sposobem podziału pam ięci w budowanej; o ogólnych oznaczeniach: 3120 (2 KB EEPROM i 1 KB RAM) oraz 3150 (512 B EEPROM i 2 KB RAM). Oba mikroukłady m ają taką samą strukturę w ew nętrzną pokazaną na rys. 2, która zawiera:
• trzy dedykow ane jednostki centralne (procesory),
• elektrycznie reprogram ow alną pamięć (EEPROM 512 B / 2 KB - w zależności od wersji), danych konfiguracyjnych, unikalnego adresu oraz program u aplikacyjnego,
• pam ięć danych (RAM 2 K B /l KB),
• układ sterow ania i układ zegarowy w raz z licznikami czasu,
• uniwersalny program ow alny blok wejścia/wyjścia, obsługujący 11 linii,
• port kom unikacyjny (5 linii wejścia/wyjścia).
Układ M C 143120 ma ponadto w swojej strukturze wewnętrznej 10 KB pamięci stałej ROM, system operacyjny oraz program obsługi protokołu sieciowego LonTalk.
U kład M C 143150 nie ma w swojej strukturze pamięci stałej. Jest natom iast wyposażony w w yprow adzenie zewnętrzne magistrali systemowej (16 linii adresowych, 8 linii danych oraz 3 linie sterujące), umożliw iające dołączenie zewnętrznej pam ięci programu, która zaw iera system operacyjny i program użytkownika oraz dodatkowych zewnętrznych układów wejścia/wyjścia.
D edykow ane procesory m ikroukładu NeuronChip spełniają następujące funkcje:
• Procesor nr 1 M AC (M edia Access Control) - sterownik m edium komunikacyjnego - obsługuje linie kom unikacji sieciowej w zakresie dwóch pierw szych warstw 7- w arstw ow ego m odelu OSI, czyli: bezpośrednią obsługę linii transm isyjnych oraz realizację algorytm u w ykryw ania i unikania kolizji na m edium transm isyjnym .
• Procesor nr 2 NP (Network Processor) - procesor sieciowy - obsługuje warstwy od trzeciej do szóstej modelu OSI, w tym zm ienne konfiguracyjne i sieciowe. Obejmuje:
adresow anie, przetwarzanie transakcji, potwierdzenia zgodności, diagnostykę, timery softw are’ow e, zarządzanie siecią oraz funkcje routerowe.
• Procesor 3 AP (A pplication Processor) - procesor aplikacji - obsługuje pracę systemu operacyjnego oraz w ykonuje program użytkownika.
297 N EU R O N CHIP M C143150
Rys. 2. Struktura układu NeuronChip
Fig. 2. Błock diagram o f the NeuronChip structure
Procesory M A C i N P kom unikują się ze sobą przez wspólny sieciowy bufor pamięci, a procesory N P i AP przez wspólny bufor aplikacji. Oba bufory są ulokow ane w wewnętrznej pamięci RA M m ikroukładu NeuronChip. W ym iana informacji przez wspólne bufor)' jest synchronizowana za pom ocą semaforów sprzętowych.
Procesory w ew nętrzne m ikroukładu NeuronChip m ają własne zestawy rejestrów, ale współpracują z je d n ą jed n o stk ą arytm etyczno-logiczną i tym i sam ym i pam ięciam i programu oraz danych, w takt jednego sygnału zegarowego (na zakładkę).
P odstaw ow ym językiem program owania przez użytkownika zadań dla mikrokontrolera NeuronChip je st ję zy k N euron C - m odyfikacja języka ANSI C; zoptym alizowana i dostosowana do potrzeb rozproszonych systemów sterowania, opartych na technologii LON.
Zmiany i rozszerzenia języka obejmują:
• w budowany wielozadaniow y program szeregowania zadań, który ułatw ia programiście organizowanie współpracy rów noległych zadań sterowania,
• zorganizowany standardowy dostęp do linii wejścia/wyjścia,
• zorganizowany standardowy dostęp do zm iennych sieciowych, które są obiektami języka Neuron C i których wartości są automatycznie przesyłane przez sieć po każdej ich zmianie,
• zorganizowana standardow a obsługa tim erów milisekundowych i sekundowych, w budowana biblioteka funkcji obsługi zdarzeń, obsługi w ejść/w yjść, nadawania i odbierania wiadom ości przez sieć oraz dodatkowych funkcji sterow ania układem Neuron.
W szystkie w ym ienione wyżej grupy dodatkowych własności języka są wbudowane w oprogramowanie firm owe (firmware). M ikroukład MC 143120 ma te funkcje
298 P. Kwasnowski, H. Zygmunt, J. Seńkowski, G. H ayduk, M. Jachimski zaprogram ow ane w wewnętrznej stałej pamięci ROM , natom iast m ikroukład MC 143150 musi je otrzym ać w zewnętrznej pamięci program u dołączonej do mikroukładu.
3.3. System y sterowania rozproszonego oparte na technologii Lon W orks
C echą szczególną technologii LON jest rozwiązanie, w ramach standardu, komunikacji sieciowej pom iędzy poszczególnym i mikrokontrolerami lokalnymi zbudowanym i na bazie m ikroukładów NeuronChip. Każdy węzeł sieci jest wyposażony w układ sprzężenia z medium transm isyjnym , element NeuronChip oraz dodatkowo układ rozszerzenia wejść/wyjść.
Technologia ta um ożliwia używanie następujących mediów do transm isji danych pomiędzy węzłam i sieci [2]:
• para skręcona T P /F T -10 - transm isja z prędkością: 78 kb/s,
• para skręcona TP/X F -tra n sm isja z prędkością: 1,25 Mb/s,
• częstotliwość nośna na okablowaniu elektrycznym niskiego napięcia (9600 b/s),
• transm isja radiow a za pośrednictwem radiomodemu,
• kabel koncentryczny (10 Mb/s, 100 Mb/s),
• kabel światłow odow y (1.25 Mb/s - 2.5 Mb/s),
• łącze transm isji w podczernieni,
• łącze transm isji ultradźwiękowej.
System LonW orks pozwala na rozproszenie systemu sterowania do poziomu pojedynczego czujnika i elementu wykonawczego lub na konstruowanie węzłów nieco bardziej rozbudow anych, integrujących w sobie szereg funkcji, które m a spełniać inteligentny sterownik pomieszczenia. T aką drogę wybrano przy realizacji pilotażowej instalacji autom atyki budynku w Pawilonie BI W ydziału EAIiE AGH w Krakowie.
4. Pilotażowa instalacja automatyki budynku w Pawilonie BI W ydziału EAIiE AGH
Została ona zrealizowana w ramach tzw. Grantów Uczelnianych Zam aw ianych GUZ w dwóch etapach w latach: 1998 i 1999. Etap I [11] objął 4 pokoje na parterze pawilonu Bk pokazane na rys. 3, a etap II [12] pozostałe 22 pokoje na parterze tego sam ego pawilonu BI, pokazane na rys. 4.
W trakcie realizacji tych prac badawczych zostały opracowane w KANiUP AGH oraz w ykonane w ZD A N iA Sp. z oo. i oprogramowane: prototypow e sterowniki pomieszczeń oraz
zadajniki i m ierniki tem peratury w pomieszczeniach, a następnie zainstalowane wraz z odpowiednimi czujnikam i i elementami wykonawczymi w pokojach objętych systemem pilotażowym [6, 7, 8], Został również opracowany i wdrożony program nadrzędny, umożliwiający zdalne monitorowanie, programowanie i sterowanie pracą systemu.
Kontpulcr operatora'
¡ę
S ie ć elektryczna (ok. 150 m)
t 2
1 -
m m - s
JS ci<*r*>łć
I ’. I
II
B1
intiiiniaćy|ne sterownlttiw pui
Rys. 3. Schemat instalacji pilotażowej - etap I Fig. 3. Diagram o f the pilot installation - stage I
AGH
P a r te r p a w ilo n u B - 1
o fe ) k * l« n if t •• / i , y t , p ro c y :
| ' ^ ‘.dłtotrri i ubbrnoitłĄ
tMpgćnonitt
m i i b s
---P o w i ę k s z o n y w i d o k p o k o j u 17
; f r 2
• TćńTpefawt5.
Z3Ć3T0 22.0
aMuaha 21.9
*S ArdiitcWuia j pp labcla | A Alarmy j fe* Trendy J $ Klucze j Wybrany peku):(1 / UJ
,p
Serbię |~1Rys. 4. Schemat instalacji pilotażowej - etap II Fig. 4. Diagram o f the pilot installation - stage II
Sterowniki pom ieszczeń wykonano na bazie m ikrokontrolerów NeuronChip MC143150, które dla 4 pierw szych pokojów (w etapie I) wyposażono w układy transm isji danych za
300 P. Kwasnowski, H. Zygm unt, J. Seńkowski, G. Hayduk, M. Jachimski pośrednictw em sieci elektrycznej 220 V AC, (pracujące w paśm ie C: 125 140 kHz, dopuszczalnym dla odbiorców energii elektrycznej), a w pozostałych 22 pokojach (w etapie II) - w układy transm isji danych za pośrednictwem pary skręconej TP/FT-10.
4.1. Sterow nik pom ieszczenia STP-02
N a rys. 5 pokazano płytkę czołow ą sterownika pom ieszczenia STP-02 oraz schemat połączenia czujników i elem entów wykonawczych.
Podstaw ow e zadania sterow nika pomieszczenia obejm ują następujące funkcje związane z obsługą infrastruktury pom ieszczenia oraz budynku: dystrybucja i w ykorzystanie mediów (energia elektryczna i cieplna), kontrola dostępu i ochrona antywiam aniow a, sygnalizacja pożarowa.
czujnik dymu
Rys. 5. Sterow nik pom ieszczenia oraz czujniki i elementy w ykonaw cze Fig. 5. Room controller, sensors and actuators
Sterownik STP-02 posiada cztery w ejścia dwustanowe, do których przyłączone są:
czujnik ruchu, czujnik dymu, w yłącznik ośw ietlenia i styk sabotażu. Piąte w ejście ste ro w n ik a obsługuje czytnik dotykow ych kluczy Dallas.
Cztery w yjścia m odułu STP-02 sterują załączaniem ośw ietlenia, obwodem gniazd ściennych, zaw orem grzejnika CO oraz elektrom agnetycznym zamkiem drzwi.
301 Sterownik STP-02 otrzym uje poprzez sieć LON aktualną temperaturę, tem peraturę zadaną oraz tryb pracy (dzienny lub nocny). Zmienne te są w ysyłane przez m oduł TSSP i umożliwiają zadaw anie temperatury w pom ieszczeniu w zależności od godziny i pory dnia.
Informacje z czujnika ruchu są w ykorzystyw ane do obniżenia tem peratury w przypadku braku osób w pom ieszczeniu, a w nocy do w ysyłania alarm u nieuprawnionej obecności.
Jeżeli w pom ieszczeniu nie m a nikogo, następuje również w yłączenie oświetlenia.
Poprzez obsługę czytnika kluczy Dallas i sterowanie zamkiem drzwi realizowana jest kontrola dostępu. W ejście do pom ieszczenia jest m ożliwe tylko dla osób posiadających klucz, którego num er został wcześniej wpisany do pamięci sterownika.
Informacje z w ejść i w yjść sterownika są przesyłane poprzez sieć LON umożliwiając kontrolę stanu pom ieszczenia i alarm w przypadku pożaru, nieuprawnionej obecności lub próby dem ontażu jednego z czujników.
4.2. M oduł czujnika i zadajnika tem peratury z zegarem czasu rzeczywistego - TSSP
Na rys. 6 pokazano widok m odułu czujnika i zadajnika tem peratury - TSSP, który służy do pomiaru i zadaw ania tem peratury w pomieszczeniu. M oduł posiada również zegar czasu rzeczywistego odm ierzający czas i datę. Zadana tem peratura je st wprowadzana poprzez czteroprzyciskową klawiaturę z dokładnością do 0,5 °C. Tem peratura i czas m ogą być wyświetlane na w yśw ietlaczu LCD.
Zgodność ze standardem LonMark® osiągnięto poprzez zastosowanie odpowiednich zmiennych sieciow ych i podział program u na bloki funkcjonalne „Node O bject”, „Real Time Keeper” i „Tem peraturę Sensor” .
Rys. 6. Moduł czujnika i zadajnika tem peratury TSSP Fig. 6. Tem peraturę sensor and setting m odule TSŚP
Aktualna tem peratura w pom ieszczeniu oraz tem peratura zadana są przesyłane poprzez sieć LON do innych m odułów sterujących, np.: grzejnikami czy klim atyzacją. Poprzez sieć
302 P. Kwasnowski, H. Zygmunt, J. Seńkowski, G. Hayduk, M. Jachimski przesyłana je st również godzina i data, co umożliw ia dostosowanie sterowania do pory dnia, dnia tygodnia czy pory roku. Data, godzina i temperatura zadana m o g ą być również ustawiane poprzez sieć LON.
4.2.1. Ustawianie trybu pracy
Sterownik pom ieszczenia STP-02 może pracować w dwóch trybach: nocnym i dziennym.
W trybie nocnym tem peratura w pomieszczeniu jest ustalana przez system nadrzędny, a dostęp do pom ieszczenia je st zablokowany. Obecność w pomieszczeniu w trybie nocnym jest zgłaszana system ow i nadrzędnem u jako alarm nieuprawnionej obecności.
W trybie dziennym tem peratura w pomieszczeniu je st ustawiana poprzez moduł TSSP, jeżeli sterow nik STP-02 w ykryw a obecność w pomieszczeniu. Przy braku obecności tem peratura je st obniżana do zadanej przez system nadrzędny, a oświetlenie wyłączane.
Dostęp do pom ieszczenia w trybie dziennym m ają osoby posiadające klucze, których numery zostały wcześniej wprow adzone do pamięci sterownika STP-02.
Tryb, w jakim pracuje sterownik pomieszczenia je st ustawiany poprzez moduł TSSP.
Tryb pracy m oże być ustawiony na dwa sposoby: poprzez podanie godziny rozpoczęcia i zakończenia trybu dziennego (przez pozostałą część doby sterownik pracuje w trybie nocnym ) lub poprzez ustawienie trybu dla każdej godziny z osobna. U stawianie trybu dla każdej godziny odbyw a się oddzielnie dla dni roboczych i dla weekendu (sobota i niedziela).
4.3. Program operatorski
K om puter operatora pozw ala na zadawanie wybranych param etrów dla poszczególnych pomieszczeń, w prow adzanie informacji o uprawnionych użytkownikach poszczególnych pomieszczeń, podglądanie stanu pomieszczeń oraz na przeglądanie bazy danych, w której grom adzone są dane o poszczególnych zdarzeniach, alarmach i przebiegu w czasie odpowiednich w ielkości, jak: tem peratury: zadane i rzeczywiste, stany załączenia g r z e jn ik ó w
oraz św iatła itp.
W spółpraca kom putera operatora z siecią sterow ników je st obsługiwana przez Sewer LNS DDE. W ykorzystyw any jest przy tym standardowy mechanizm w ym iany danych klient- serwer DDE.
Po naciśnięciu przycisku „A la rm y ” , na planszy m ożna przeglądać chronologicznie w funkcji czasu w szystkie zdarzenia i alarmy w systemie sterow ania budynku.
Przyciskiem „ T re n d y ” w yw ołuje się planszę pokazaną na rys. 7, na której można śledzie przebiegi w czasie odpow iednich wartości temperatury rzeczywistej i zadanej, stanów załączenia grzejnika i św iatła oraz obecności w w ybranym pomieszczeniu, jak również
w ybrany pokój: <
A,.- aj wm&.
Onim«
*32 A r«Jiiu?M jif.ł | ' { j i t a b e l a i ¿& A la r m y | ^ > T r e n d y j . $ K lu c z ę > - s < r w i s I 1 0 : 5 9 : G 9
w wybranym przedziale czasu. Dane statystyczne łącznego czasu załączenia grzejnika oraz oświetlenia podają inform ację od początku rejestracji przez system na tle całkowitego czasu rejestracji.
Przyciskiem „K lucze” w ywołuje się planszę zaw ierającą bazę danych obejm ującą zbiór zarejestrowanych w poszczególnych pokojach kluczy z informacjami: o typie klucza (Master, Klucz) oraz danym i osobow ym i posiadacza klucza; jak również log prób użycia kluczy Dallas w określonym przedziale czasu. N a planszy tej m ożna również dokonać rejestracji nowych kluczy.
Rys. 7. Trendy i statystyka Fig. 7. Trends and statistics
4.4. W yniki badań instalacji pilotażowej
W w yniku badań przeprow adzonych na instalacji pilotażowej potw ierdziła się w całej rozciągłości funkcjonalność zintegrowanego system u zarządzania i sterow ania zużyciem energii, kontroli dostępu i sygnalizacji pożarowej pomieszczeń, działającego wg opracowanych założeń i rozwiązań techniczno-technologicznych [10, 13, 14,16].
Wyniki badań statystycznych przeprowadzonych w sezonach grzewczych 1998/1999
¡2000/2001 w pokojach objętych zintegrowanym system em zarządzania i sterowania zużyciem energii w skazyw ały, że ilość zużytej energii na ogrzanie pom ieszczeń objętych tym sterowaniem m oże się zm niejszyć ó 30 50%, a ilość energii elektrycznej zużywanej na oświetlenie o około 40%.
304 P. Kwasnowski, H. Zygm unt, J. Seńkowski, G. Hayduk, M. Jachimski
5. Zintegrowany system zdalnego monitoringu i rozliczania mediów
Poszczególni dostawcy m ediów dla gospodarstw dom owych i przem ysłu, a mianowicie:
Przedsiębiorstw a Energetyki Cieplnej, Przedsiębiorstwa W odociągów i K analizacji, Zakłady Energetyczne i Zakłady Gazownicze, indyw idualnie przygotow ują się do wdrożenia w łasnych system ów zdalnego monitoringu i rozliczania mediów. Brak koordynacji w tym zakresie grozi niepotrzebnym zwielokrotnieniem magistral inform atycznych łączących wielu odbiorców z poszczególnym i dostawcami mediów.
N a bazie technologii LonW orks pow stała możliwość prostego i taniego zintegrowania tego system u [15]. W tym celu został opracowany specjalizowany moduł zintegrowanego licznika m ediów iBASe - M M C , pokazany na rys. 8.
M oduł ten je st wyposażony w 4 wejścia impulsowe oraz kanał transm isji szeregowej i jest przeznaczony do w ykorzystania w rozproszonych system ach monitoringu, których realizację oparto na sieci LonW orks. Zestaw wejść pozwala na podłączenie typow ych liczników m ediów (energia elektryczna, w oda zimna, ciepła w oda użytkowa, gaz) posiadających w yjścia im pulsow e oraz ciepłom ierza z wyjściem w standardzie RS-232 łub RS-485. Moduł posiada w budow ane funkcje liczników oraz zegar czasu rzeczywistego z bateryjnym podtrzym aniem . Stan poszczególnych liczników m odułu M M C m oże być odczytywany zdalnie za pośrednictw em sieci LonW orks, dostarczany do serwera sieci i udostępniany, za pośrednictw em sieci Internet, odpowiednim dystrybutorom mediów.
Na rys. 9 pokazano przykład mieszkaniowej instalacji pomiarowej i jej powiązanie z adm inistracją budynków oraz dostawcami mediów.
K luczow e korzyści, jakie m oże przynieść upowszechnienie proponowanego systemu, to:
osiągnięcie, m inim alnym nakładem kosztów, następujących celów: zdalne rozliczanie zużycia m ediów , bieżące monitorowanie zapotrzebowania, bieżącą diagnostykę stanów aw aryjnych i „nienorm alnych”, bezpośrednie dostarczanie danych do informatycznego system u rozliczeniow ego oraz obniżenie do minim um kosztów obsługi system u rozliczania mediów.
S ie ć L o n
Zasilanie ° "
modułu o
Q- P
Polaryzacja zacisków sieciowych nie jest istotna
■ □ □ ■■■ u u u u
iBASe-MMC
Licznik Energii Cieplnej (Ciepłomierz)
Licznik Zimnej Wody
Z a c is k i z łą c z a R S -2 32 2 RxD Dane odbierane przez moduł 3 TxD Dane nadawane przez moduł 7 RTS Sygnał sterujący ‘ Request To Send"
8 CTS Sygnał sterujący ‘ Clear To Send*
5 GND Masa interfejsu szeregowego
Z a c is k i w e jś c io w e EEC Licznik energii elektrycznej CWC Licznik zimnej wody HWC Licznik ciepłej wody GSC Licznik gazu GND Masa - zacisk wspólny
Zacisk jest zdwojony dla wygody łączeniowej
J
CiepłejWodyLicznikU W A G A
Wyjścia liczników mediów zostały oznaczone jako stykowe, ale możliwe jest użycie liczników z wyjściem typu otwarty kolektor (OC), lub dowolnej kombinacji.
Rys. 8. M oduł zintegrowanego licznika mediów iBASe - M M C Fig. 8. Integrated Utilities counter iBASe - M M C
306 P. Kwasnowski, H. Zygm unt, J. Seńkowski, G. Hayduk, M. Jachimski
E n e r g e ty c z n y
Rys. 9. K oncepcja zintegrowanego systemu zdalnego monitoringu m ediów Fig. 9. Integrated system o f utilities remote monitoring
rymrwiM Licznik clapła
M o d u ł lic z n ik a m e d ió w
¡BASo - MMC U c x n ik g a z u
S ie ć L o n W o rk s
W o d o c ią g i
G a z o w n ia
6. Podsumowanie
Zastosow anie technologii LonW orks w systemach automatycznego sterow ania (BAS) i zarządzania (BM S) budynkam i pozwala na tworzenie otwartych, zintegrow anych systemów rozproszonego sterow ania funkcjami budynku, takimi jak: ośw ietlenie, klimatyzacja, ogrzewanie, kontrola dostępu i bezpieczeństwa (w tym: ochrona przeciwwlamaniowa i sygnalizacja pożarowa), sterowanie urządzeniami dźwigow ym i oraz zdalne monitorowanie i rozliczanie zużycia m ediów energetycznych.
307 Zrealizow anie w ram ach GUZ, w latach 1998 2000, pilotażowej instalacji automatyki budynku w Paw ilonie B I W ydziału EAIiE AGH w Krakowie i przeprow adzone na niej badania pozw oliły na:
• opracowanie, w ykonanie i badania prototypow ych urządzeń, takich jak: sterowniki pomieszczeń, zadajniki i mierniki temperatury w pomieszczeniach, czytniki elektronicznych identyfikatorów typu Dallas, czy zintegrowane m oduły liczników mediów - spełniających w ym agania standardów technologii LonW orks;
• stwierdzenie, że oszczędności w zużyciu energii cieplnej i elektrycznej w wyniku zastosowania system ów autom atycznego sterowania funkcjami budynku w ynoszą około 30 %, przy zapew nieniu w ysokiego komfortu pracy, zarówno w zakresie klim atyzacji, jak i oświetlenia;
• stwierdzenie, że w drożenie i upowszechnienie opracowanego zintegrow anego systemu zdalnego m onitoringu i rozliczania mediów umożliwi: zdalne rozliczanie zużycia mediów, bieżące monitorow anie zapotrzebowania, bieżącą diagnostykę stanów awaryjnych i „nienorm alnych”, bezpośrednie dostarczanie danych do informatycznego system u rozliczeniow ego oraz zm inimalizowanie kosztów obsługi system u rozliczania mediów.
LITERATURA
1. Kwasnowski P.: Technologia LonWorks jako narzędzie integracji systemów automatyzacji budynków; PAK 9/1997.
2. Sutterlin P., Downey W.: A Power Line Communication Tutorial - Challenges and Technologies, ECHELON Corporation 1999.
3. M OTOROLA LonW orks Technology Device Data, 1997.
4. Katalog firmy TOSHIBA - T M P N 3 150/3120,1999.
5- Kwasnowski P.: Przykład zastosowania technologii LonWorks do integracji systemów automatyzacji budynków. Jakość i Użytkowanie Energii Elektrycznej; t. 5, zeszyt 1, 1999, s. 1 0 9 - 1 1 7 .
6- Kwasnowski P.: Pilotażowa instalacja sieci LonWorks do sterowania inteligentnym budynkiem - ju ż pracuje w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Pomiary Automatyka Kontrola, nr 5/1999, s. 24 - 27).
2. Kwasnowski P.: Pilotażowa instalacja sieci LonWorks do sterowania inteligentnym budynkiem ju ż pracuje w AGH w Krakowie. Biuletyn Informacyjny Pracowników AGH, nr 66/67,23.06.1999 r., s. 27 - 30.
308 P. Kwasnowski, H. Zygm unt, J. Seńkowski, G. Hayduk, M. Jachimski 8. Kwasnowski P.: iBASe™ - Zintegrowany system automatyzacji budynków na bazie
technologii LonWorks®. Pomiary Automatyka Kontrola, nr 11,1999, s. 31 - 33.
9. Kwasnowski P.: Integracja i rozproszenie. System iBASe™ na bazie technologii LonWorks®. Inteligentny Budynek, nr 2,2000, s. 187 - 190.
10. Kwasnowski P.: Open Systems 2000. Biuletyn Informacyjny Pracowników AGH, nr 85, grudzień 2000, s. 11.
11. Zygmunt H., Kwasnowski P.: Sprawozdanie z „G U Z’98”, pt.: „Zintegrowane zarządzanie i sterowanie dystrybucją energii w budynkach użyteczności publicznej z zastosowaniem technologii LON”, zadanie: W ykonanie i badanie pilotażowej instalacji sieci LON w Paw. B -l AGH, oraz załącznik: „Charakterystyka sterowników pomieszczeń i oprogramowania operatorskiego wraz z rysunkami” .
12. Zygmunt H., Kwasnowski P. i inni: Sprawozdanie z „G U Z’99” , pt.: „Racjonalizacja zużycia energii na przykładzie wybranego budynku AG H ”. Zadanie: Badanie efektywności zintegrowanego systemu zarządzania i sterowania zużyciem energii na przykładzie instalacji sieci LON w paw. B -l AGH.
13. Kwasnowski P.: „Inteligentny budynek” - wprowadzenie, podstawowe pojęcia, korzyści dla inwestora i użytkownika, krótki raport o sytuacji na świecie i w kraju oraz doświadczenia AGH z wdrażania pilotażowej instalacji automatyzacji budynku Wydziału EAIiE. Referat wygłoszony na seminarium pod patronatem Prezydenta M iasta Krakowa, w dniu 17 listopada 1999 w Centrum Konferencyjnym Villa Decius oraz na seminarium pt.: „Automatyzacja budynków” w Collegium Maius Uniwersytetu Jagiellońskiego w dniu 3.grudnia 1999 (60 przeźroczy w „Power Point”).
14. Kwasnowski P.: Integracja i rozproszenie - System iBASe, na bazie technologii LonW orks; prezentacja w Power Point - 55 slajdów, na międzynarodowym seminarium:
„Open System s 2000”, AGH, ZDANiA, firma ECHELON Kraków - AGH w dniu 10.10.2 0 0 0.
15. Kwasnowski P.: Koncepcja zintegrowanego systemu zdalnego monitoringu i rozliczania mediów; prezentacja w Power Point - 21 slajdów + dane katalogowe m odułu monitoringu mediów (7 stron). Seminarium z udziałem przedstawicieli Zarządu M iasta Krakowa oraz dostawców mediów, Kraków - AGH, 11.12.2000.
16. Zygmunt H., Kwasnowski P.: Integration und Verteilung - System iBASe - a u f der Basis der LonW orks Technologie; prezentacja w Power Point - 63 slajdy, na międzynarodowym seminarium w TU Clausthal BRD, w dniu 10.01.2001.
Recenzent: Dr inż. W łodzim ierz Boroń
Wpłynęło do Redakcji 31 m arca 2001 r.
Abstract
Employing the LonW orks technology to the building automation (BAS) and building management (BM S) systems allows for creating an open, integrated system o f distributed control o f building installations such as: lighting, air conditioning and heating control, access control and security system s (including: intrusion, robbery and fire alarm systems), elevator systems and rem ote billing o f utilities consumption.
The design, com pleting and experimental tests, carried on since 1998 to 2000, o f the pilot installation o f building autom ation system, as shown in Figures 3, 4, and 7, in the Electrical Engineering Faculty building (B l) allowed to:
• work out, m anufacture and test prototype devices such as: room controller, room temperature sensor and setting module, shown in Fig. 5 and 6, Dallas type electronic key and integrated utilities counter m odule (shown in Fig. 8) - com pliant w ith the LonW orks requirements;
• conclude that em ploying the integrated systems o f automatic control o f building functions results in c.a. 30% savings in therm al and electrical energy consum ption w hile providing comfortable w ork-place conditions in terms o f HVAC and lighting;
• conclude that developing, bringing into operation and broad distribution o f the integrated system o f utilities m onitoring and billing (shown in Fig. 9) enables rem ote billing and on
line dem and m onitoring o f utilities, diagnostics o f faulty and "abnormal" conditions, direct data transfer to the billing system and reduction o f the billing system operating costs.
