Wykorzystanie technologii mobilnych do sterowania instalacjami w inteligentnym budynku

SyStemy inteligentnego budynku

1. Wprowadzenie

Systemy automatyki budynkowej jesz- cze kilkanaście lat temu stosowane by- ły tylko w dużych biurowcach wielkich korporacji i budynkach użyteczności pu- blicznej. Głównym ograniczeniem w sto- sowaniu na szeroką skalę nowoczesnych inteligentnych systemów budynkowych były wysokie koszty instalacji oraz brak otwartych standardów i interfejsów ko- munikacyjnych. Instalowanym wówczas systemom budynkowym jako główny cel stawiano redukcję kosztów utrzymania budynku oraz minimalizację zużycia energii [1].

Analizując działanie systemów tech- nicznych wykorzystywanych w budyn- kach, można wyróżnić inteligentne sys- temy automatyzacji budynków, które w największym stopniu decydują o inteli- gencji. Systemy takie, bazując na techni- ce mikroprocesorowej, realizują funkcje sterowania, monitorowania i wizualizacji przy wykorzystaniu urządzeń automaty- ki, sieci komputerowych i telekomunika- cyjnych oraz coraz częściej technologii mobilnych.

2. Instalacje w inteligentnym budynku

Współczesny budynek inteligentny wy- posażony jest w wiele skomplikowanych instalacji technicznych. Do najważniej- szych, spotykanych w każdym budynku inteligentnym, zaliczają się:

lzinstalacja elektryczna;

lzinstalacja przeciwpożarowa;

lzinstalacja oświetleniowa;

lzinstalacja HVAC (ang. Heating, Venti- lation and Air Conditioning);

lzinstalacja kontroli dostępu i dozoru;

lzinstalacja sieci komputerowej.

Na system automatyki budynkowej oprócz wymienionych instalacji budyn- kowych składają się dodatkowo:

lzinteligentne czujniki;

lzsieć sterowników PLC oraz sterowni- ków dedykowanych;

lzsystemy HMI (ang. Human Machine Interface);

lzsystem SCADA (ang. Supervisory Control And Data Acquisition).

Najczęściej w budynkach inteligent- nych spotyka się rozwiązanie, gdzie ele- mentem integrującym wszystkie pod- systemy automatyki w budynku in- teligentnym jest BMS (ang. Building Management System). BMS jest zatem

„mózgiem” inteligentnego budynku, któ- ry przetwarza otrzymywane informacje z sensorów. Zadaniem BMS jest genero- wanie odpowiednich sygnałów sterują- cych, wysyłanych do budynkowych urzą- dzeń wykonawczych w celu zapewnie- nia optymalnego wykorzystania energii i odpowiedniego komfortu mikroklima- tycznego w pomieszczeniach. Zadaniem BMS jest również monitorowanie i nad- zór nad wszystkimi systemami budyn- kowymi [4].

Do systemów zarządzania budynkiem należy także BAS (ang. Building Auto- mation System) – system centralnego sterowania i nadzoru wybranymi insta- lacjami technicznymi, takimi jak: insta- lacja wentylacji i klimatyzacji, instalacja ciepła i chłodu, instalacja oddymiająca.

System BAS może działać niezależnie, jednak częściej spotyka się rozwiązania, gdzie BAS funkcjonuje pod kontrolą sys- temu BMS [5].

Niepodważalną zaletą systemu BMS jest dążenie do minimalizacji zużycia energii przez systemy budynkowe dzię- ki integracji pracy poszczególnych in- stalacji budynkowych oraz zapewnianie odpowiedniego komfortu mikroklima- tycznego osobom przebywającym w bu- dynku. Wadą stosowanych systemów BMS jest ich hermetyczność i stosunko- wo niska podatność na możliwości mo- dernizacji i rozszerzania istniejącego sys- temu o nowe, zaawansowane algorytmy sterowania [4].

W artykule przedstawiono projekt sys- temu monitorowania, wizualizacji i stero- wania instalacjami w budynku, w którym wykorzystano klasyczny system SCADA, sterowniki PLC oraz urządzenia mobil- ne spełniające rolę komponentów HMI, umiejscowionych na odpowiednich po- ziomach w warstwowej strukturze stero- wania, monitorowania i wizualizacji [6].

Wykorzystanie technologii mobilnych do sterowania instalacjami

w inteligentnym budynku

Mariusz Nowak, Adam Szymczak

Streszczenie: W artykule scharak- teryzowano klasyczne systemy za- rządzania instalacjami w budynkach inteligentnych. Przedstawiono pro- jekt systemu sterowania, monitoro- wania i wizualizacji instalacji w inte- ligentnym budynku, wykorzystujący serwer OPC, architekturę SOA, plat- formę programistyczną .NET oraz usługi sieciowe oferowane przez WCF. Główną cechą przedstawio- nego systemu jest otwartość i pełna elastyczność w realizacji współpra- cy z mobilnymi klientami działający- mi na różnych platformach systemo- wych i sieciowych.

USING MOBILE TECHNOLOGIES FOR THE CONTROL

OF INSTALLATIONS IN THE INTELLIGENT BUILDING

Abstract: In this article classic man- agement systems of installations in intelligent building were character- ised. A project of the control, moni- toring and visualisation system of the installations in intelligent building was described. This system uses a OPC server, SOA architecture, .NET plat- form and network services offered by WCF. The main feature of the pre- sented system is open and full flex- ibility in the implementation of co-op- eration with mobile clients operating on different platforms and networking.

reklama

2.1. Warstwa sterowania bezpośred- niego instalacjami budynkowymi

W warstwie bezpośredniego sterowa- nia instalacjami przewidziano możli- wość wykorzystania sterowników PLC, dedykowanych sterowników dla instala- cji budynkowych, regulatorów przemy- słowych i regulatorów dedykowanych dla automatyki budynkowej oraz inteli- gentnych czujników (ang. intelligent sen- sor, smart sensor). Na sterownikach PLC zaimplementowano algorytmy regulacji bezpośredniej. Głównym zadaniem ste- rowników PLC jest czytanie zmiennych procesowych i sterowanie odpowiedni- mi instalacjami poprzez generowanie zmiennych sterujących. Sterowniki PLC wykorzystywane są także do realiza- cji funkcji diagnostycznych. W projek- cie systemu sterowania, monitorowania i wizualizacji instalacji budynkowych założono możliwość pracy sterowników różnych producentów, z czym często można spotkać się w inteligentnych bu- dynkach, które przeszły proces moder- nizacji lub rozbudowy. Gwarantem wza- jemnej współpracy elementów warstwy sterowania bezpośredniego z elementami warstwy sterowania nadrzędnego, szcze- gólnie w sytuacji różnorodności sterow- ników, jak i pozostałych urządzeń, jest serwer OPC (ang. OLE for Process Con- trole). Najważniejszym zadaniem ser- wera OPC jest udostępnianie uproszczo- nego sposobu obsługi i komunikowania się sterowników PLC różnych producen- tów z systemami typu SCADA. OPC jest standardem przemysłowym stworzonym we współpracy producentów sprzętu oraz oprogramowania z dziedziny automaty- ki i firmą Microsoft. Nadrzędnym ce- lem przy opracowywaniu serwera OPC było uniezależnienie nadzorczego opro- gramowania monitorowania i sterowa- nia od rozwiązań producenta sterowni- ków i związanego z nimi oprogramowa- nia. W prezentowanym projekcie systemu sterowania, monitorowania i wizualizacji instalacji w inteligentnym budynku prze- widziano dodatkowo możliwość połącze- nia sterowników nieobsługujących tech- nologii OPC, poprzez protokół Ethernet lub np. MPI, z urządzeniami typu HMI, które pozwalają na propagacje danych do innych komponentów systemu sterowa- nia i monitorowania.

2.2. Warstwa sterowania nadrzędne- go instalacjami budynkowymi

Rolę nadzorcy systemu sterowania au- tomatyką budynkową wraz z monito-

rowaniem i wizualizacją stanu instala- cji budynkowych pełni system SCADA, w którym między innymi zaimplemen- towano algorytmy regulacji nadrzędnej.

System SCADA realizuje następujące za- dania szczegółowe:

lzkomunikacja ze sterownikami PLC, dedykowanymi regulatorami oraz kon- centratorami danych pomiarowych;

lzprzetwarzanie zmiennych proceso- wych poprzez generację bilansów oraz obliczanie zmiennych niemierzalnych;

lzoddziaływanie na proces poprzez ste- rowanie ręczne pracą urządzeń budyn- kowych z poziomu konsoli;

lznadzór i nadrzędna kontrola instalacji w budynku;

lzsygnalizacja stanów alarmowych in- stalacji lub urządzeń automatyki bu- dynkowej;

lzarchiwizacja danych procesowych wraz z raportowaniem i prowadzeniem analiz statystycznych;

lzgraficzna i tekstowa wizualizacja pra- cy instalacji na ekranach synoptycz- nych;

lzwspomaganie konstrukcji struktur algorytmicznych;

lzautomatyczna obsługa działań powta- rzalnych i rutynowych;

lzprognozowanie zużycia materiałów eksploatacyjnych w budynku;

lzzarządzanie gospodarką remontową urządzeń automatyki budynkowej.

Systemy SCADA, dzięki swojej otwar- tości oraz szerokiemu spektrum zastoso- wań, znacząco rozszerzają możliwości nadzoru nad instalacjami w inteligent- nym budynku. Dodatkową zaletą jest możliwość wykorzystania darmowych systemów SCADA, co jest szczególnie istotne dla inwestorów indywidualnych dysponujących ograniczonymi środkami finansowymi na realizację inteligentnych instalacji budynkowych.

W prezentowanym rozwiązaniu sys- tem nadrzędnego sterowania i akwizycji danych SCADA został stworzony z wy- korzystaniem różnych architektur i plat- form programistycznych, co przyczyni- ło się przede wszystkim do znaczącego obniżenia kosztów. Dodatkowo system zarządzania instalacjami budynkowymi stał się otwarty na modyfikacje zarówno sprzętowe, jak i programowe oraz goto- wy na wchłonięcie kolejnych modułów rozszerzających jego funkcjonalność. Po- niżej scharakteryzowano wykorzystane architektury i platformy.

Architektura SOA (ang. Service- -Oriented Architecture) jest architekturą

SyStemy inteligentnego budynku

na technologii COM/DCOM służącej do wymiany danych, polegającej na ko- pertowaniu informacji o procesie przez serwer i udostępnianiu jej klientowi po- przez swój interfejs. Dzięki zastosowaniu przedstawionego podejścia każdy klient i serwer otrzymuje zarówno możliwość konsumpcji danych, jak i możliwość do- starczania danych dla dalszej propaga- cji w systemie. Powyższe rozwiązanie zostało znacząco rozszerzone w OPC Unified Architecture (UA), dzięki cze- mu każdy klient może być serwerem dla innych klientów w systemie. Pozwala to na skalowanie danych i prezentację ich dla danej gałęzi klientów w systemie (np.

prezentacja danych z czujników). Twór- cy architektury OPC UA celowo zbliżyli jej konstrukcję do architektury SOA [2].

Sterowanie nadrzędne w systemie au- tomatyki budynkowej zostało zrealizo- wane przez zastosowanie trzech głów- nych elementów: OPC Serwera, aplikacji serwerowej (OPC Klient i Serwer WCF) oraz aplikacji klienckiej (klient mobilny WCF). Zadaniem OPC Serwera, znajdu- jącego się na sterowniku PLC, jest przed- stawianie danych procesowych klientowi OPC oraz udostępnianie możliwości ich nadpisu. Aplikacja serwerowa, będąca zarazem klientem OPC, pełni rolę jed- nostki akwizycji danych, waliduje tożsa- mość klienta, przedstawia dane klientowi oraz umożliwia ingerencję w nadzorowa- ny proces. Klient mobilny oferuje możli- wość pełnej kontroli nad procesem, reali- zuje wizualizację stanu instalacji i urzą- dzeń automatyki oraz sygnalizuje alarmy.

Na rys. 1 przedstawiona została struktura zaprojektowanego systemu.

Szczególne miejsce w systemie zaj- muje klient mobilny, prezentujący dane

systemowe propagowane przez aplika- cję serwerową. Na kliencie mobilnym udostępniana jest możliwość sterowa- nia i wizualizacji pracy urządzeń skła- dających się na poszczególne instalacje budynkowe. Komunikacja oparta jest na wiązaniu komunikacyjnym BasicHttp- Binding, które jest jedynym wiązaniem dostępnym na platformie programistycz- nej .NET CF. Wiązanie to pozwala zde- finiować taką konfigurację, która będzie wynikała z wymogów bezpieczeństwa (komunikacja) oraz żądanego czasu re- akcji na zmiany zachodzące w systemie (przepływ danych procesowych). W celu podwyższenia zabezpieczeń możliwe jest zastosowanie sieci VPN pomiędzy klien- tem mobilnym a serwerem. Aplikacja udostępnia użytkownikowi możliwość decydowania o czasie odświeżania da- nych, co jest istotne w sytuacji koniecz- ności minimalizacji kosztów związanych ze zdalnym dostępem. Lokalizacja użyt- kownika może wpływać na sposób połą- czenia źródła z serwerem poprzez lokal- ną sieć Wi-Fi lub połączenie do mobilnej sieci Internet [7]. Na rys. 2 przedstawio- no wygląd aplikacji mobilnej zainstalo- wanej na urządzeniu Toshiba G900 typu Pocket PC. Urządzenie pracuje pod nad- zorem systemu operacyjnego Microsoft Windows Mobile 6 Professional, proce- sor CPU – Marvell PXA270 520 MHz, procesor karty graficznej GPU – Nvidia GeForce 5500 Mobile, rozmiar pamię- ci RAM – 128 MB, wewnętrzna pamięć magazynująca – 40 MB, ekran – TFT, dotykowy, rezystancyjny, 65K kolorów, rozdzielczość 800 × 480 pikseli, 3.0 cala, WLAN Wi-Fi 802.11b/g.

Stworzony system nadzoru instalacji budynkowych wraz z węzłem mobil-

Rys. 1. Schemat blokowy systemu sterowania, monitorowania i wizualizacji pracy instalacji budynkowych

opartą na usługach. Architektura ta udo- stępnia komponenty pomiędzy różnymi platformami, technologiami, fizycznymi topologiami, granicami aplikacji, grani- cami wdrożeń i zaufania. Komponenty stworzonej aplikacji mogą być połączone w celu dostarczenia klientowi zaawanso- wanych usług. Architektura SOA została zaimplementowana dla realizacji komu- nikacji pomiędzy systemem nadzorczym SCADA a klientami w postaci urządze- nia mobilnego lub stacjonarnego [3].

.NET jest platformą programistycz- ną stworzoną przez firmę Microsoft, umożliwiającą tworzenie oprogramo- wania w wielu językach (np. C++, C#, Visual Basic) oraz na platformę mobilną Windows Mobile (.NET Compact Frame- work – wersja mobilna platformy .NET).

Platforma programistyczna .NET dostar- cza biblioteki, klasy i środowisko urucho- mieniowe CLR (ang. Common Language Runtime). Istotne jest, że programowanie dla tej platformy różni się znacząco od standardowego modelu programowania dla systemów klasy Win32, w którym programista jest obciążany wieloma za- daniami (np. wykonanie interfejsu gra- ficznego).

Windows Communication Founda- tion (WCF) jest pewną generacją usług sieciowych. System ten został stworzo- ny w oparciu o koncepcję SOA. Komu- nikacja z założenia jest zrealizowana na protokole komunikacyjnym SOAP (ang.

Simple Object Access Protocol), który umożliwia łączność/komunikację pomię- dzy wieloma różnymi platformami. Inter- fejs programistyczny WCF jest integralną częścią platformy .NET.

Klasyczne OPC (ang. OLE for Process Control) jest połączeniem wielu ustan- daryzowanych interfejsów, które służą głównie do konsumpcji bieżących da- nych z urządzeń automatyki przemysło- wej. Stworzono trzy główne specyfikacje w klasycznym OPC [8]:

lzOPC Data Access – opisuje dostęp do aktualnych danych procesowych;

lzOPC Alarm & Events – określa inter- fejs dla informacji opartych na zdarze- niach;

lzOPC Historical Data Access – opisuje funkcje dostępu do danych archiwal- nych.

Każdy interfejs OPC oferuje konkret- ny sposób nawigacji po przestrzeni adre- sowej urządzeń, dzięki czemu otrzymu- je się zarówno informacje o dostępnych danych, jak i same dane. OPC wykorzy- stuje podejście klient – serwer bazujące

reklama

nym pozwalają uzyskać żądane parame- try komfortu mikroklimatycznego z jed- noczesnym gwarantowaniem minima- lizacji zużycia energii przez instalacje budynkowe. Bardzo istotną cechą pre- zentowanego rozwiązania jest zdolność reagowania na lokalne zmiany pogody.

Informacje o temperaturze zewnętrznej są pobierane z czujników oraz dodatko- wo z internetowego serwisu pogodowego, co pozwala na szybką reakcję i planowa- nie odpowiedniego wysterowania urzą- dzeń HVAC. Dostosowywanie poziomu oświetlenia pomieszczeń bazuje na pre- ferencjach mieszkańców. Realizowane jest również oszczędzanie energii przez automatyczne wygaszanie oświetlenia po zadanym interwale w pomieszcze- niu, w którym nie wykrywa się obecno- ści osób. Konieczność zapewnienia bez- pieczeństwa użytkownikom budynku jest nadrzędnym modułem systemu, który alarmuje użytkowników o odpowiednich zdarzeniach i podejmuje optymalne re- akcje wraz z analizą konsekwencji dzia- łania. Jako przykład można przedstawić sytuację wystąpienia pożaru w obiekcie, w trakcie którego będą realizowane na- stępujące akcje systemu zarządzania:

lzuruchomienie sygnałów alarmujących;

lzokreślenie liczby miejsc zapalnych wraz z odcięciem ich od otoczenia;

lzuruchomienie tryskaczy;

lzwybranie numeru alarmowego wraz z informowaniem klienta mobilnego;

lzlokalizacja mieszkańców;

lzinformowanie o najbliższych wyj- ściach ewakuacyjnych;

lzotwarcie okien i drzwi w pomieszcze- niach nieobjętych zagrożeniem;

lzodcięcie odpowiednich mediów.

3. Bezpieczeństwo zaproponowanego rozwiązania

Od systemów sterowania, monitorowa- nia i wizualizacji stanu inteligentnych in- stalacji budynkowych wymaga się pełne- go bezpieczeństwa. Rozwiązania dedy- kowane dla inteligentnego budownictwa są systemami bezpiecznymi. Projektu- jąc system wykorzystujący rozwiązania uniwersalne, należy ze szczególną uwagą przeanalizować bezpieczeństwo poszcze- gólnych elementów składowych systemu.

Na poziomie serwera OPC za bezpie- czeństwo odpowiada specyfikacja OPC Security. OPC Security służy zapewnie- niu bezpieczeństwa dostępu do danych oferowanych przez serwery OPC. Umoż- liwia poprawną weryfikację klienta, któ- ry chce uzyskać dostęp, oraz weryfikację poprawności transmisji [8].

Przy wymianie informacji SOAP mię- dzy klientem mobilnym a serwerem istot- ne jest wiązanie BasicHttpBinding, któ- re może występować w jednej z pięciu wersji – jednej niezabezpieczonej oraz czterech zabezpieczających: komunikaty, komunikację, poświadczenie tożsamości i poświadczenie wiadomości.

4. Podsumowanie

Zrealizowany system sterowania, mo- nitorowania i wizualizacji instalacjami inteligentnego budynku charakteryzuje się wysoką elastycznością dzięki zasto- sowaniu standardu OPC oraz Windows Communication Foundation. Usunięto ograniczenia związane z charakterem komunikacji opartej na COM/DCOM, przenosząc ją na serwer oparty o archi- tekturę SOA. Zastosowane rozwiązania przyczyniły się do stworzenia systemu, który pozwala na komunikację z urzą- dzeniem mobilnym obsługującym plat- formę Windows Mobile bez ograniczania go wyłącznie do tej jednej platformy. Sys- tem pozwala na tworzenie i dowiązania klientów działających na różnych platfor- mach systemowych i sieciowych, takich jak: iOS, Android, Windows Phone 7 lub dowolna aplikacja webowa. Zastosowa- ne zabezpieczenia z możliwością doda- nia VPN (ang. Virtual Private Network) zapewniają bezpieczeństwo komunikacji

Rys. 2. Aplikacja mobilna – przykład sterowania instalacjami budynkowymi

SyStemy inteligentnego budynku

między urządzeniami a serwerem. Zasto- sowanie WCF pozwoliło na zmniejsze- nie kosztów oraz ograniczeń platformo- wych związanych z tworzeniem klienta mobilnego z komercyjnych komponen- tów OPC (OPC MOBILE.NET), dostęp- nych wyłącznie na platformę Windows Mobile. System sterowania, monitorowa- nia i wizualizacji instalacji w inteligent- nym budynku jest otwarty na przyszłe rozszerzenia i modyfikacje.

Literatura

[1] Loe e.C.: Cost of Intelligent Buildings.

Intelligent Buildings Conference, Wat- ford, U. K., 1994.

[2] Mahnke W., Leitner S.h., DaMM M.:

OPC Unified Architecture. Springer – Berlin – Heidelberg 2009.

[3] Meier J.D., Farre C., tayLor J., Ban-

SoDe P., GreGerSen S., SunDararaJan

M., BouCher r.: Improving Web Servi- ces Security. Microsoft, 2008.

[4] noWak M.: Optymalizacja kosztów pra- cy systemów klimatyzacyjnych w budyn- kach z wykorzystaniem inteligentnych algorytmów. „Rynek Energii”, nr 3(76) czerwiec 2008, Wyd. KAPRINT, Lu- blin 2008, s. 48–53.

[5] noWak M.: Zintegrowane systemy au- tomatyki w inteligentnych budynkach.

XI Sympozjum pt. „Integracja instala- cji technicznych w budynkach”, E. Sro- czan (red.), Wyd. Oddziału Poznańskie- go Stowarzyszenia Elektryków Polskich, Poznań 2008, s. 18–21.

[6] noWak M., urBaniak a.: Utilization of intelligent HMI/SCADA system in envi- ronmental engineering. Proceedings of 11th International Carpathian Con- trol Conference ICCC’2010, Pub. De- partment of Automation University of Miskolc, Eger, Hungary, 2010, s. 83–86.

[7] SzyMCzak a.: Systemy SCADA na urzą- dzenia mobilne. Praca magisterska, Wy- dział Informatyki Politechniki Poznań- skiej, Poznań 2011.

[8] http://www.opcfoundation.org

dr inż. Mariusz Nowak – adiunkt w Instytucie Informatyki Politechniki Poznańskiej,

e-mail: Mariusz.Nowak@put.poznan.pl;

mgr inż. Adam Szymczak – absolwent Politechniki Poznańskiej na kierunku Informatyka, specjalność: Systemy wbudowane i mobilne, e-mail:

Adam.a.Szymczak@gmail.com

artykuł recenzowany