Systemy Inteligentnych Budynków

Transkrypt

1 Systemy Inteligentnych Budynków Prowadzący przedmiot: Prowadzący laboratorium: mgr inż. Paweł Kwasnowski dr inż. Andrzej Ożadowicz Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej Katedra Energoelektroniki i Automatyki Systemów Przetwarzania Energii SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 1

2 Organizacja zajęć Laboratoria Obecność na zajęciach laboratoryjnych obowiązkowa Dopuszcza się jedną nieobecność bez usprawiedliwienia - wiedza z ćwiczenia obowiązuje jak przy obecności egzekwowana na kolokwium Nie wykonuje się sprawozdań z ćwiczeń 2 kolokwia w połowie semestru i na koniec SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 2

3 Organizacja zajęć Strona WWW przedmiotu SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 3

4 Część 1 Podstawy Najważniejsze pojęcia i terminologia Wybrane standardy otwarte SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 4

5 Zamiast wstępu Automatyka Budynkowa Inteligentne Budynki Co kojarzy Ci się z pojęciem Automatyka... Automatyka budynkowa... Instalacje elektryczne w budynkach i ich rola Zasilanie pewność zasilania Systemy alarmowe przeciwpożarowe, antywłamaniowe Instalacje sieciowe w budynkach i ich rola Sieci teleinformatyczne Sieci automatyki sterowanie, monitoring, kontrola dostępu Czy elektryk to automatyk? kwestie projektów współpraca... (elektr., automat., IT,...) SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 5

6 Zamiast wstępu Automatyka Budynkowa CELE, ZADANIA automatyczne załączanie i wyłączanie odbiorników regulacja temperatury sterowanie klimatem pomieszczeń kontrola dostępu monitoring obecności osób parametrów użytkowych... i co jeszcze??? (wg Państwa - szczegóły później) Budynek zautomatyzowany budynek energooszczędny efektywność energetyczna optymalizacja zużycia energii UWAGA na to pojęcie Redukcja zużycia energii i mediów budynki energooszczędne i pasywne Zarządzanie energią i mediami w budynkach SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 6

7 Zamiast wstępu Automatyka Budynkowa COŚ JESZCZE???!!!??? Automatyka poza budynkami Oświetlenie otoczenia budynków Oświetlenie przestrzeni publicznych Obsługa i sterowanie elementów infrastruktury w otoczeniu budynków SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 7

8 Organizacja zajęć Laboratorium AutBudNet Automatyka budynkowa i przemysłowa Sieciowe systemy sterowania i monitoringu Certyfikowane lab. technologii LonWorks Partner naukowy technologii KNX Więcej informacji: Strona WWW Katedry EiASPE Lab. Systemów Sterowania Przemysłowego i Automatyki Budynków SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 8

9 Organizacja zajęć Laboratorium AutBudNet Zespół automatyki budynkowej Katedra EiASPE SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 9

10 Technika cyfrowa sieci transmisji danych podstawy Pojęcia: Transmisja danych cyfrowych: Najprostsza szeregowa WAŻNE linie Tx, Rx Magistrala sieciowa Różne standardy RS-232, 485, CAN, SPI, Modbus, LonWorks, KNX Najczęściej para skręcona przewodów dlaczego? ZOBACZYĆ: Materiały np. na stronie WWW Szybkość transmisji obciążenie magistrali Przepływność - miarą natężenia strumienia danych w medium transmisyjnym jednostka: np. kbit/sek Przepustowość - cecha kanału medium transmisji (ang. bit rate, bitrate) jednostka: np. kbit/sek Pojemność pamięci, komórek pamięci jednostka: kb/sek MB, GB, TB Przykład: Przewód para przewodów światłowód SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 10

11 Sieciowe magistralowe systemy sterowania i monitoringu w budynkach i aplikacjach przemysłowych Etap I - niezależne systemy specjalizowane Każda instalacja w obiekcie osobny układ, wydzielona instalacja SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 11

12 Sieciowe magistralowe systemy sterowania i monitoringu w budynkach i aplikacjach przemysłowych Etap II - systemy scentralizowane Połączenie wszystkich systemów w jedną sieć sterowania i monitoringu; jedna jednostka centralna - komputer o dużej mocy obliczeniowej współcześnie: np. sterownik przemysłowy PLC SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 12

13 Sieciowe magistralowe systemy sterowania i monitoringu w budynkach i aplikacjach przemysłowych Etap III i IV - systemy rozproszone (III) i zintegrowane (IV) Lokalne urządzenia sieciowe moduły sieciowe węzły sieciowe z własnymi mikroprocesorami oraz pamięcią; praca autonomiczna urządzeń z własną aplikacją i komunikujących się z innymi urządzeniami (magistrale komunikacyjne) Wprowadzenie standardów protokołów komunikacyjnych dla systemów automatyki budynkowej i przemysłowej (otwartość systemów) Integracja na trzech poziomach: sprzętu, oprogramowania i mediów transmisji danych SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 13

14 Sieciowe magistralowe systemy sterowania i monitoringu w budynkach i aplikacjach przemysłowych Etap V ewolucja zdalne sterowanie, komunikacja bezprzewodowa Integracja z sieciami teleinformatycznymi Poziom obiektowy Dedykowana magistrala Dostęp do węzłów sieciowych poprzez routery Czujniki, elem. wykonawcze Bezpośrednia wymiana danych między węzłami na poziomie obiektowym Poziom obiektowy Różne standardy IP poziom nadrzędny SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 14

15 Sieciowe magistralowe systemy sterowania i monitoringu w budynkach i aplikacjach przemysłowych Etap V ewolucja zdalne sterowanie, komunikacja bezprzewodowa Integracja z sieciami teleinformatycznymi Implementacja komunikacji bezprzewodowej ważne: kwestia zasilania Baterie np. w czujnikach itp. Wykorzystanie technologii mobilnych również komunikacja Bluetooth i inne SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 15

16 Sieciowe magistralowe systemy sterowania i monitoringu w budynkach i aplikacjach przemysłowych Etap V ewolucja zdalne sterowanie, komunikacja bezprzewodowa Technologie Internetu Rzeczy Internet of Things IoT Technologia chmury (ang. Cloud) BigData Internet of Things w Automatyce Budynkowej i Przemysłowej: Popularne, branżowe informacje Jak wygląda struktura sieci IoT? Czy o to chodzi? Czy taka koncepcja dla automatyki? Rozproszone węzły sieci Czujniki, elementy wykonawcze, elementy systemowe IP standardowe medium komunikacji na wszystkich poziomach struktury sieci M2M machine-to-machine BIoT Building IoT SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 16

17 Sieciowe magistralowe systemy sterowania i monitoringu w budynkach i aplikacjach przemysłowych Etap V ewolucja zdalne sterowanie, komunikacja bezprzewodowa Technologie Internetu Rzeczy Internet of Things IoT Technologia chmury (ang. Cloud) BigData Internet of Things w Automatyce Budynkowej i Przemysłowej: M2M machine-to-machine BIoT Building IoT 2016 Platformy integracji nowe technologie komunikacji danych Sieci fieldbus automatyka, monitoring, BMS, EMS poziom obiektowy Sieci bezprzewodowe poziom obiektowy Sieci z komunikacją Power Line PLC poziom obiektowy Sieci IP IPv4, IPv6 Sieci WiFi Sieci GSM, UMTS SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 17

18 Sieciowe magistralowe systemy sterowania i monitoringu w budynkach i aplikacjach przemysłowych Etap V ewolucja zdalne sterowanie, komunikacja bezprzewodowa Technologie Internetu Rzeczy Internet of Things IoT Technologia chmury (ang. Cloud) BigData Sieć Internet medium komunikacji danych Numer IP dla każdego urządzenia, modułu, czujnika IPv4 32 bit adresy np IPv6 128 bit adresy np. 1234:5678:9ABC:DEF0:0000:0000:0000:0123 Zwiększenie przestrzeni adresowej protokołu o 2^96 obecnie zajęte jest około 15-20% tej przestrzeni adresowej Jaki maksymalny adres IP IPv4? 32 bity ile to bajtów? 32 bity = 4 x 8 bit 8 bitów to max: od 0 do 255 Jak to zapisać binarnie i szesnastkowo? Np. na AGH: ? SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 18

19 Sieciowe magistralowe systemy sterowania i monitoringu w budynkach i aplikacjach przemysłowych Etap V ewolucja zdalne sterowanie, komunikacja bezprzewodowa Technologie Internetu Rzeczy Internet of Things IoT Technologia chmury (ang. Cloud) BigData Proste mikrokontrolery z obsługą protokołu IPv6 Komputery jednoukładowe (Raspberry Pi) Obsługa protokołu IPv6 Uniwersalne, otwarte systemy operacyjne łatwe programowanie Obsługa różnych interfejsów komunikacji bezprzewodowe, sieci lokalne, sieci obiektowe BeagleBone Black SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 19

20 Sieciowe systemy sterowania struktura SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 20

21 Sieciowe systemy sterowania struktura - Ethernet czy to najlepsze rozwiązanie? - Argumenty za i przeciw - Sieci fieldbus obiektowe gdzie i kiedy? - Protokoły, dane - Bezpieczeństwo SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 21

22 Sieciowe systemy sterowania struktura SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 22

23 Sieciowe systemy sterowania struktura TUNELOWANIE lub Zdalny dostęp remote access REDUNDANCJA bezpieczeństwo SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 23

24 Podstawowe pojęcia systemy w budynku zautomatyzowanym BMS Building Managment System BAS Building Automation System EMS Energy Management System Oświetlenie Ogrzewanie Klimatyzacja Wentylacja SMS Security Management System Oświetlenie Pewność zasilania Monitoring zużycia energii Jakość energii elektr. Pożar Włamanie Kontrola dostępu CCTV kamery Oświetlenie ewakuacyjne Sterowanie drogami ewakuacji SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 24

25 Podstawowe pojęcia Otwartość Interoperacyjność Otwartość jawny protokół, standardowe procedury, funkcje Interoperacyjność zdolność różnych urządzeń do pełnej współpracy na płaszczyźnie fizycznej i funkcjonalnej system elastyczny możliwość wykorzystania urządzeń równych producentów jeden standard Rozproszenie i integracja Rozproszenie zwiększenie autonomiczności węzłów sieci urządzenia z mikrokontrolerami i własnymi aplikacjami Rozproszenie rozproszenie inteligencji realizacja funkcji sterowania w różnych węzłach sieciowych Integracja realizacja wszystkich funkcji w jednym systemie sterowanie, monitoring, alarmy itp. Integracja łączenie w sieci komunikacji danych jak największej liczby podsystemów infrastruktury budynkowej SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 25

26 Standardy sieci poziomu obiektowego Klasyczny obwód zasilania odbiornika elektrycznego załącz/wyłącz SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 26

27 Standardy sieci poziomu obiektowego Sterowanie załącz/wyłącz w sieciowym systemie automatyki Nvo switch0 Nvi switch0 Zasilacz SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 27

28 Standardy sieci poziomu obiektowego Sterowanie załącz/wyłącz w sieciowym systemie automatyki Nvi switch2 Nvi switch1 Nvo switch0 Nvi switch0 Zasilacz SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 28

29 Standardy sieci poziomu obiektowego Moduły sterujące węzły sieci Mikrokontroler SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 29

30 Standardy sieci poziomu obiektowego Standardy sieciowe: Sieci przemysłowe firmowe otwarte PROFIBUS, MODBUS, CANOpen, Mbus, Sieci dla automatyki budynków firmowe (zamknięte) i otwarte LonWorks, KNX, BACnet Model protokołu standard ISO/OSI SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 30

31 Standardy sieci poziomu obiektowego Standardy sieciowe: Sieci przemysłowe PROFIBUS, MODBUS, CANOpen, Mbus, Sieci dla automatyki budynków LonWorks, KNX, BACnet Protokół Standard/Certyfikat Data BACnet ISO Październik 2003 KNX ISO/IEC Listopad 2006 LonWorks ISO/IEC Listopad SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 31

32 Standardy sieci poziomu obiektowego Standardy LonWorks, KNX Podstawowe parametry i media transmisyjne Standard KNX PODSTAWOWE ELEMENTY: Mikrokontrolery Motorola serii 68HC Transceivery Język programowania ANSI C Obiekty DPT, standardy EIS, bloki funkcyjne MEDIA TRANSMISYJNE: Para skręcona (29 V DC) 9,6 kbps Power Line 230 V AC 1,2 kbps KNX.net standard TCP/IP Transmisja radiowa Podczerwień i inne KONFIGURACJA, SOFTWARE: Pakiet ETS 5 konfiguracja, dobór parametrów aplikacji urządzeń, proste narzędzia diagnostyczne (komunikacja, telegramy- rejestracja) Standard LonWorks Układy Neuron Chip Toshiba Transceivery Język programowania Neuron C Zmienne sieciowe (SNVT, UNVT), ustawienia konfiguracyjne, bloki funkcyjne Para skręcona - 78 kbps oraz 1,25 Mbps Power Line 230 V AC 4,8 kbps Ethernet TCP/IP Transmisja radiowa Podczerwień i inne Pakiet LonMaker konfiguracja, wybór parametrów aplikacji, prosta diagnostyka Wada: środowisko Visio kłopoty SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 32

33 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard LonWorks i KNX Media transmisji danych magistrale SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 33

34 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard LonWorks Media transmisji danych magistrale TP - para skręcona TP - para skręcona z zasilaniem PL linia zasilająca 230VAC Ethernet łącze szkieletowe transmisja radiowa Topologia połączeń magistrali Typu tree free (FT free topology) SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 34

35 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard LonWorks Układ Neuron-Chip struktura MAC - dostępu do medium transmisyjnego; NP sieciowy; obsługuje zmienne sieciowe i konfiguracyjne AP aplikacji; obsługuje prace systemu operacyjnego i aplikację progr SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 35

36 Standardy sieci poziomu obiektowego Topologia warianty organizacyjne Zcentralizowany Rozproszony SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 36

37 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard LonWorks szczegóły protokół LonTalk programowanie język Neuron C (na bazie C++) zmienne sieciowe typu SNVT standaryzacja typów zmiennych sieciowych - łatwa współpraca urządzeń pochodzących z różnych firm bloki funkcjonalne - profile funkcjonalne --- wyjaśnić różnicę dostęp do zmiennych zoptymalizowany jako obiekty języka Neuron C obsługa zdarzeń EVENT BASED/TRIGGERED - (zmian stanu parametrów) urządzeń w sieci oparta o komendę WHEN języka Neuron C i wbudowaną bibliotekę funkcji obsługi zdarzeń zorganizowana obsługa układów czasowych (timerów) SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 37

38 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard LonWorks Standardowe zmienne sieciowe SNVT różne zmienne dla różnych wielkości fizycznych Wybrane zmienne sieciowe SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 38

39 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard LonWorks profile funkcjonalne Opis warstwy aplikacji zmienne sieciowe, ustawienia konfiguracyjne, parametry startowe itp. Profile standaryzacja funkcji, funkcjonalności NIE URZĄDZEŃ!!! Model do opracowania interfejsu aplikacji danej funkcji w węźle sieci LON Certyfikacja LONMARK tylko gdy interfejs sieciowy urządzenie bazuje na jednym lub kilku profilach funkcjonalnych z listy LONMARK Zmienne obowiązkowe i opcjonalne PROFILE element standardu PN-EN SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 39

40 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard LonWorks profile funkcjonalne Może pokazać arkusz normy SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 40

41 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard LonWorks certyfikowane urządzenia SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 41

42 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard LonWorks bloki funkcjonlane Zbiory zmiennych sieciowych - SNVT i ustawień konfiguracyjnych - CPI używanych wspólnie do wykonania określonego zadania W jednym urządzeniu przynajmniej jeden blok funkcjonalny Bloki funkcjonalne opisują cały interfejs logiczny/funkcjonalny urządzenia sieci LonWorks: jego współpracę z siecią rodzaj realizowanych funkcji parametry wejściowe i wyjściowe Szablon bloku funkcjonalnego - zmienne obowiązkowe - zmienne opcjonalne SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 42

43 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard LonWorks LonMaker pakiet integracji Komisjonowanie --- Commission --- adresowanie fizyczne urządzeń w sieci Bindowanie --- bind --- adresowanie logiczne - łączenie funkcjonalne zmiennych sieciowych SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 43

44 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard LonWorks Komisjonowanie w standardzie LonWorks dwie metody: Nr ID każde urządzenie niepowtarzalny numer związany z ukł. Neuron Chip Przycisk Service Pin na obudowie urządzenia SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 44

45 Standardy sieci poziomu obiektowego SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 45

46 Standardy sieci poziomu obiektowego SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 46

47 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard KNX 29 V DC mikroprocesor Motoroli (rodzina 68HC05B6, 68HC05BE12) SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 47

48 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard KNX szczegóły programowanie język C++ Obiekty DPT standardy EIS standaryzacja typów zmiennych sieciowych - łatwa współpraca urządzeń pochodzących z różnych firm bloki funkcjonalne - profile funkcjonalne są w programach aplikacji dla węzłów nie wykorzystywane w praktyce przy ingerencji funkcji systemu automatyki dostęp do zmiennych zoptymalizowany jako obiekty języka Neuron C obsługa zdarzeń ale bez dedykowanych procedur i wbudowanych bibliotekę funkcji obsługi zdarzeń SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 48

49 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard KNX Media transmisji danych magistrale TP - para skręcona z zasilaniem 29 V DC PL linia zasilająca 230VAC Ethernet łącze szkieletowe transmisja radiowa Na każdej linii zasilacz - prąd 640 lub 160 ma Topologia połączeń magistrali Typu tree free Max wydajność prądowa zasilaczy: 640 ma - Max liczba urządzeń na linii: Max liczba urządzeń na zasilaczu 64 - Śr. pobór prądu na urządzenie/węzeł sieci to 10 ma SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 49

50 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard KNX ETS5 integracja Adresy fizyczne lub obsza r linia urządzenie Adresy grupowe łączenie funkcjonalne 15/2047 lub 15/7 /255 grupa główna podgrupa gr. główna gr. poś rednia podgrupa SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 50

51 Standardy sieci poziomu obiektowego Standard KNX Komisjonowanie w standardzie KNX tylko jedna metoda: Przycisk Service Pin na obudowie urządzenia UWAGA: Na ćwiczeniach z technologii KNX Nie będzie procedury komisjonowania Adresy fizyczne są już nadane urządzeniom!!! Trzeba do nich dostosować adresy fizyczne wprowadzane w projekcie dla dodawanych urządzeń węzłów sieci w czasie ćwiczeń SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 51

52 Telegramy sieciowe kodowanie informacji Standard LonWorks medium TP-FT Telegramy podstawowe Telegram LonWorks Wyłączanie oświetlenia SNVT_lev_disc Kod Manchester różnicowy 1 0 Telegram LonWorks Zmierzona temperatura SNVT_temp_p SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 52

53 Telegramy sieciowe kodowanie informacji Standard KNX medium TP Telegramy podstawowe Telegram EIB/KNX Wyłączanie oświetlenia Telegram EIB/KNX Ściemnianie oświetlenia SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 53

54 Telegramy sieciowe kodowanie informacji Standard KNX medium TP Telegramy KNX: aktualna wartość mocy biernej a) pojedynczy telegram (EIS 11), b) dwa telegramy wartość-znak, c) telegram wartości (EIS 10), d) telegram znaku (EIS 1) SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 54

55 Telegramy sieciowe kodowanie informacji Standard LonWorks medium Power Line PL Pasmo transmisji 132 khz lub 115 khz (transceiver PLT-22) SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 55

56 Telegramy sieciowe kodowanie informacji Standard KNX medium Power Line PL Zasada transmisji danych w sieci zasilania 230 VAC Nadajnik Odbiornik układ porównania dane częstotliwość 115,2 khz logiczne 1 częstotliwość 105,6 khz logiczne 0 medium transmisji sieć 230 VAC częstotliowść logiczne 1 częstotliowść logiczne 0 Detekcja bitu dane układ porównania SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 56

57 Część 2 Urządzenia systemy Stanowiska Laboratoryjne SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 57

58 Grupy urządzeń w systemach automatyki czujniki sensory --- ang. SENSORS Ruch, obecność Temperatura, wilgotność Intensywność światła Przyciski, włączniki, kontaktrony SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 58

59 Grupy urządzeń w systemach automatyki elementy wykonawcze - aktory --- ang. ACTUATORS Przekaźniki Zawory Silniki (gdzie?), siłowniki (gdzie?) SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 59

60 Grupy urządzeń w systemach automatyki urządzenia systemowe zasilacze sprzęgła wzmacniacze router y switch e gateway e SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 60

61 Standardy sieci poziomu obiektowego LonWorks box SIB Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 61