Wentylacja i klimatyzacja w inteligentnym budynku Sterowanie ogrzewaniem Opracowali: Tomasz Borzymowski i Radosław Malewicz
1. Spis treści 1. Spis treści...2 2. System EIB...2 3. Lon Works...8 4. Bibliografia...12 2. System EIB European Installation Bus został opracowany w 1990 roku przez europejskich producentów systemów elektroinstalacyjnych. Instalacja EIB łączy w sobie wszystkie funkcje zarządzania budynkiem. Służy do włączania, sterowania, sygnalizowania, regulacji i nadzoru urządzeń elektrycznych instalowanych w budynku. Wymaga poprowadzenia dodatkowego przewodu (jednego wokół całego domu/mieszkania), ale dzięki temu zapewnia nieograniczone możliwości rozbudowy w przyszłości. Zasada działania systemu - Magistrala EIB jest zasilana przez zasilacze tworzącą wydzieloną sieć SELV (Safety Extra Low Voltage) o napięci nominalnym 24 V DC - Do magistrali tej dołączone są wszystkie układy pracujące w systemie EIB Magistrala ta jest dla układów źródłem informacji - Każdy z elementów wyposażony jest w układ mikroprocesorowy który realizuje funkcje - Informacje przesyłane są po magistrali w postaci telegramów Rodzaje elementów - Aktory elementy odbierające telegramy i realizujące określone na ich podstawie czynności np: żaluzje, oświetlenie, wentylacja, ogrzewanie. - Sensory elementy wysyłające spakowane w telegramy informacje o stanie łączeń lub mierzonych wielkości. np. : czujniki temperatury, czujniki natężenia światła, zegar sterujący. 2
Schemat połączenia aktorów i sensorów. Schemat blokowy regulacji temperatury Rodzaje sterowania ogrzewaniem Sterowanie dwupołożeniowe Sterowanie PWM (modulacja szerokości impulsu ) Sterowanie PI 3
Regulacja PWM (modelacja szerokości impulsu) Zawory grzejnikowe ustawione są w dwóch stanach : zamknięty 0% i otwarty 100% Zadaniem regulatora jest porównywanie zadanej wartości temperatury z temperaturą mierzoną.na podstawie tych danych wyznaczana jest krzywa regulacji Na podstawie krzywej formowane są impulsy, których szerokość jest proporcjonalna do wartości sygnału na początku okresu impulsowani 4
Sterowanie dwupołożeniowe Zawory grzejnikowe ustawione są w dwóch skrajnych stanach : otwarty (100% ) i zamknięty (0 %) Załączanie zaworu następuje po obniżeniu się temperatury poniżej wielkości zadanej minus 1/2 zakresu histerezy Wyłączanie zaworu następuje po przekroczeniu temperatury powyżej wielkości zadanej plus 1/2 zakresu histerezy. Regulacja PI Korzyści stosowania systemu EIB Jednolite środowisko kontroli i sterowania elementami inteligentnego budynku, Wysoka funkcjonalność budynku, Możliwość konfiguracji i powiązań między poszczególnymi elementami, Użytkownik w każdej chwili może zmienić funkcje poszczególnych elementów (np. danym wyłącznikiem nie chce już włączać lampy 5
sufitowej, lecz oświetlenie dojazdu do bramy) i to bez żadnych zmian w instalacji elektrycznej. Przez przewód magistrali płynie bezpieczny prąd o napięciu 24V (umożliwia to dowolne aranżacje wnętrza, np. włącznik światła może znajdować się przy kabinie prysznicowej). Standard popierany przez kilkuset producentów urządzeń w Europie Nieograniczona możliwość zmian w konfiguracji Każde następne urządzenie wykorzystuje istniejący przewód. Max. liczba urządzeń to 11 520 Jeden dodatkowy kabel 230 V tylko w lampach i gniazdkach Oszczędność do około 50 % OGRZEWANIE Indywidualne temperatury w różnych pomieszczeniach Obniżanie temperatury w nocy i podczas nieobecności Wyłączanie ogrzewania przy otwartym oknie 6
7
3. Lon Works Technologia Lon Works to nowa technologia zaprojektowana w celu dostarczenia platformy do realizacji nowoczesnych systemów pomiarowo-kontrolnych. LonWorks został zaprojektowany przez firmę Echelon Corporation we współpracy z Motorolą i Toshibą. Obecnie LonWorks jest kompletną i dopracowaną architekturą zdobywającą nowe rynki i uznanie użytkowników. Podstawową jednostką LonWorks jest węzeł - inteligentne urządzenie komunikujące się z innymi węzłami. Węzeł może być czujnikiem, kontrolerem, prostym przełącznikiem albo skomplikowanym komputerem obrabiającym dane. Sercem węzła w kontekście LonWorks jest Neuron Chip - układ scalony realizujący wszystkie potrzebne czynności w celu skomunikowania się z otoczeniem. Neuron Chip zawiera implementację protokołu sieciowego LonTalk, posiada również pewne funkcje klasycznego mikrokontrolera, co pozwala na wykonanie prostszego urządzenia jako jednoprocesorowego. Uniwersalny Węzeł LON GPN3120 GPN3150 8
Protokół LonTalk powstał w oparciu o model odniesienia OSI. Firmware i hardware Neuron Chipa zawiera realizację warstw odpowiadających za rozwiązywanie konfliktów dostępu do wspólnej magistrali, adresowanie i dostarczanie przesyłek sieciowych, zabezpieczenie transmisji, formatowanie danych przesyłanych przez sieć, autoryzację węzłów, zapewnienie maksymalnej przepustowości łączy. Implementacja tych części protokołu jest kompletna i dostarczana razem z Neuron Chipami co gwarantuje zgodność w komunikacji pomiędzy różnymi urządzeniami nawet pochodzącymi od różnych producentów. Do najniższej - fizycznej - warstwy LonTalk można zaliczyć definicję medium oraz połączenia samego Neuron Chipa z medium komunikacyjnym. Popularnym medium wykorzystywanym w sieciach LonWorks jest skrętka z możliwością przesyłania danych przy prędkości 78 kbps albo 1.25 Mbps do której przyłączony zostaje Neuron Chip przy pomocy transceivera - urządzenia dopasowującego do linii i zapewniającego izolację galwaniczną. Inne media używane w LonWorks to: kabel koncentryczny, sieć energetyczna, światłowód albo połączenie radiowe. LonTalk jest rozbudowanym protokołem pozwalającym na łączenie tysięcy węzłów we wspólną sieć, przy czym topologia nie jest z góry narzucona. Istnieje możliwość połączenia podsieci pracujących na takich samych bądź różnych mediach przy pomocy specjalnych węzłów sieci zwanych routerami. Najwyższa - aplikacyjna - warstwa LonTalk definiowana jest przez projektanta węzła sieci. Neuron Chip, z punktu widzenia programisty, jest zwykłym mikroprocesorem, w którym interfejs sieci realizowany jest poprzez lokacje pamięci zwane zmiennymi sieciowymi, za pomocą których program dokonuje wymiany danych z innymi węzłami. Standardowym rozwiązaniem jest zdefiniowanie w jednym węźle (na przykład termometrze) zmiennej wyjściowej (tu temperatura), w drugim zaś (na przykład kontrolerze pieca) zmiennej wejściowej o identycznym typie (czyli temperatura). Praca pierwszego węzła polega na cyklicznym wysyłaniu danych - komunikatów (wysyłamy co 3 sek wartość temperatury), które węzeł drugi otrzymuje w postaci wartości swojej zmiennej wejściowej. Reakcją drugiego węzła na otrzymanie nowej danej jest wykonanie procedury obsługi zdarzenia (zamknięcie/otwarcie dopływu paliwa do pieca). LonWorks jest siecią o otwartej architekturze Sieć oparta na LonWorks zaprojektowana pierwotnie do wykorzystania jako jeden system (np. alarmowy) może być rozbudowana później również o inne systemy (np. system sterowania oświetleniem, ogrzewaniem, lokalną sieć telefoniczną). Po wspólnym medium można transmitować dane, które logicznie przynależą do zupełnie odrębnych systemów. 9
LonWorks nie posiada wyróżnionych węzłów kontrolujących transmisję czy sterujących dostępem, węzły są równouprawnione. Dokładając nowe urządzenia do systemu nie trzeba w żaden sposób rekonfigurować uprzednio zainstalowanych. Architektura peer-to-peer pozwala na stworzenie sieci składającej się z dwóch węzłów i rozbudowanie jej do tysięcy (rzeczywisty limit nakłada ograniczenie przepustowości medium). LonWorks posiada dobrze zdefiniowany sposób przesyłania komunikatów - całość oprogramowania sieciowego jest dostarczana przez producenta LonWorks i projektant urządzenia nie ma możliwości dokonywania w nim zmian. Jest to więc gwarancja zgodności protokołów komunikacji wszystkich przyrządów opartych na Neuron Chipach. Pełna zgodność pomiędzy urządzeniami pracującymi w sieci wymaga jeszcze określenia formatów danych (zmiennych sieciowych) przesyłanych pomiędzy węzłami. Dla jej utrzymania zostały opracowane modele obiektów pozwalające na stworzenie standardowego interfejsu przyrządu. Modele obiektów specyfikują formaty przesyłania typowych danych np. pomiarowych. Zgodność wyrobu z modelem jest sprawdzana przez specjalnie do tego powołaną organizację LonMark. Cena systemu Na koszt produktu wpływa nie tylko cena podzespołów ale również opracowania i wdrożenia. Większość systemów pomiarowo- kontrolnych opracowywanych na zamówienie posiada ograniczoną możliwość rozbudowy lub modyfikacji, klient decydujący się na takie rozwiązanie wiąże się z firmą opracowującą jego system. Produkty zgodne z LonWorks nie są projektowane dla konkretnych instalacji - są zgodne z innymi urządzeniami wykonanymi w tej technologii, dają możliwość stosowania w różnorodnych systemach. W gotowych instalacjach istnieje możliwość wymiany jednego przyrządu na inny - pochodzący od innego producenta a spełniajacy te same funkcje. Stosowanie LonWorks gwarantuje możliwość użycia gotowych elementów (a nie projektowanych specjalnie na zamówienie). Zastosowanie Szeroka gama zalet LonWorks sprawiła, że stosowanie tej sieci stało się standardowym rozwiązaniem w wielu różnorodnych systemach. Otwartość i podatność na modyfikacje - możliwość tworzenia zdecentralizowanego systemu zarządzania jest przesłanką dla wykorzystania LonWorks w przemyśle. Dotychczasowe rozwiązania opierające się na sterownikach hierarchicznych okazują się bardziej zawodne i dużo droższe w eksploatacji od technologii peer-to-peer. Niski koszt instalacyjny oraz duża liczba dostępnych modułów LonWorks spowodowała, że jest on chętnie stosowany w rozwiązaniach Inteligentnego Budynku. Początkowy nakład to tylko wykonanie okablowania, potem inteligencja systemu może rosnąć: 10
sterowanie oświetleniem, zarządzanie zużyciem energii, ruchem wind, system alarmowy, przeciwpożarowy, LonWorks został uznany przez ANSI jako standard w zakresie automatyzacji budynków. Łatwość instalacji i konserwacji sieci (wszystkie czujniki podłączone są do jednego przewodu) faworyzuje to rozwiązanie w instalacjach monitorujących i rejestrujących dane pomiarowe. Użytkownik ma możliwość dowolnego kształtowania swojej sieci: wprowadzania zmian, rozbudowy o nowe moduły, wybierania dogodnych mu czujników od dowolnego producenta. Zalety systemu LonWorks bardzo krótki czas opracowania i uruchomienia systemu, niskie koszty w stosunku do systemów sterowanych przez centralny komputer, duża niezawodność, wielofunkcyjność elementów, możliwość łatwego dołączania nowych systemów i węzłów do zautomatyzowanych obiektów, zapewniona prawidłowa współpraca urządzeń pochodzących od różnych producentów, łatwość rozbudowy systemu lub zmiany jego kształtu, możliwość centralnego monitorowania pracy systemu, możliwość dostępu do systemu z zewnątrz. 11
4. Bibliografia: www.abb.pl www.lonworks.pl www.lonmark.org Czasopismo Elektroinstalator nr 9/2003 www.muratordom.pl Inteligentny budynek wiadomości teoretyczne Radom 2003 12