dr inż. Andrzej Ożadowicz, mgr inż. Jakub Grela C-1 C-2, V p., Lab. Efektyw. Energet. i Autom. Bud.

dr inż. Andrzej Ożadowicz, mgr inż. Jakub Grela C-1 C-2, V p., Lab. Efektyw. Energet. i Autom. Bud. ozadow@agh.edu.pl www.keiaspe.agh.edu.pl/~ozadow

Etap I - niezależne systemy specjalizowane Układy przekaźnikowo-stycznikowe, dyskretne układy elektroniczne, układy scalone SSI; autonomiczne instalacje rozwiązania wyspowe 2

Etap II - systemy scentralizowane Połączenie wszystkich systemów w jedną sieć sterowania i monitoringu; jedna jednostka centralna - komputer o dużej mocy obliczeniowej; Zalety: prostsze sterowanie i monitoring wielu systemów w budynku Wady: wysoki stopień uzależnienia poprawności działania systemu automatyki od niezawodności głównego komputera sterującego 3

Etap III - systemy rozproszone Urządzenia sieciowe z własnymi mikroprocesorami oraz pamięcią; praca autonomiczna urządzeń z własną aplikacją i komunikujących się z innymi urządzeniami (magistrale komunikacyjne) Zalety: znacznie większa niezawodność systemu w stosunku do scentralizowanych sieci awaria pojedynczych urządzeń nie powoduje awarii całego systemu Wady: wiele protokołów komunikacyjnych - tzw. systemy firmowe 4

Etap IV - zintegrowane systemy rozproszone Wprowadzenie standardów protokołów komunikacyjnych jakie mają być stosowane w systemach automatyki budynkowej (otwartość systemów) Integracja na trzech poziomach: sprzętu, oprogramowania i mediów transmisji danych Zalety: wysoka niezawodność systemu sterowania; uniezależnienie się od jednego dostawcy sprzętu i oprogramowania do budowy systemu Wady:??? 5

Etap V - ewolucja systemów ku komunikacji bezprzewodowej oraz mobilnemu, zdalnemu sterowaniu siecią Wykorzystanie najnowszych technologii komunikacyjnych i transmisyjnych (technika radiowa, telefonia komórkowa, Bluetooth) Integracja ze standardem Ethernet oraz siecią Internet Co dalej?? 6

Systemy sterowania w przemyśle i budynkach - 2 Sieci czujników i elementów wykonawczych 7

Jeden standard BUS Systemy sterowania w przemyśle i budynkach - 3 Systemy firmowe Producent A Systemy otwarte Producent A Producent B Producent A Producent B Producent A Producent A Producent A Producent A Producent B Producent B Producent C Producent D Producent A Producent C Producent D 8

Systemy sterowania w przemyśle i budynkach - 4 Systemy firmowe Urządzenia od jednego producenta Wielu producentów urządzeń bez możliwości komunikacji (różne protokoły) Unikalne protokoły komunikacji Niestandardowe media komunikacji Wysokie koszta ewentualnych zmian, drogi serwis Uzależnienie użytkownika od jednego producenta czy dostawcy technologii Systemy otwarte Urządzenia sterujące od różnych producentów konkurencja Standardowe protokoły komunikacyjne Standardy funkcjonalności urządzeń i mediów komunikacyjnych Elastyczność systemu łatwe i tanie zmiany Redukcja kosztów na wszystkich etapach budowy i wdrażania systemu Uniezależnienie się klienta od dyktatu jednego dostawcy 9

Systemy sterowania w przemyśle i budynkach - 5 Otwartość i interoperacyjność Otwartość Interoperacyjność zdolność różnych urządzeń do pełnej współpracy na płaszczyźnie fizycznej i funkcjonalnej; system elastyczny Integracja i rozproszenie Realizacja wszystkich funkcji w jednym systemie sterowanie, monitoring, alarmy itp. Zwiększenie autonomiczności węzłów sieci urządzenia z mikrokontrolerami i własnymi aplikacjami 10

Klasyczne systemy BMS Systemy p.poż. System antywłam. System klimatyzacji Kontrola dostępu Dystryb. energii el. Dystryb. energii ciepl. System CCTV Nagłośnienie alarm. i inne??? 11

Rozproszenie i integracja w systemach BMS Integracja różne systemy funkcjonalne zrealizowane w jednym systemie sprzętowym Rozproszenie funkcje systemów realizowane lokalnie w czujnikach i elementach wykonawczych wyposażonych w mikrokontrolery 12

Systemy sterowania w przemyśle i budynkach - 8 Struktury systemów rozproszonych ETHERNET LonWorks, M-Bus, Profibus 13

Systemy sterowania w przemyśle i budynkach - 9 Struktury systemów rozproszonych Łączenie sieci obiektowych różnych standardów ETHERNET Moduły GATEWAY jako translatory protokołów Komunikacyjnych LonWorks GATEWAY Profibus 14

Systemy sterowania w przemyśle i budynkach - 10 Struktury systemów rozproszonych ETHERNET LonWorks Profibus miernik z wyj. impulsowym miernik z wyj. impulsowym 15

Systemy sterowania w przemyśle i budynkach - 11 Układ z redundancją MASTER ETHERNET SLAVE LonWorks GATEWAY GATEWAY Profibus miernik z wyj. impulsowym miernik z wyj. impulsowym 16

Systemy sterowania w przemyśle i budynkach - 12 Sieci czujników i elementów wykonawczych poziom obiektowy Fieldbus Czy wszędzie Ethernet??? 17

Systemy sterowania w przemyśle i budynkach - 13 Real Time --- współbieżność czasu reakcji systemu z procesem Czy wszędzie Ethernet??? 18

Co to jest budynek zautomatyzowany i inteligentny BMS Building Managment System BAS Building Automation System SMS Security Management System EMS Energy Management System Oświetlenie Ogrzewanie Klimatyzacja Wentylacja Pożar Włamanie Kontrola dostępu CCTV kamery Oświetlenie ewakuacyjne Sterowanie drogami ewakuacji Oświetlenie Pewność zasilania Monitoring zużycia energii Jakość energii elektr. 19

Co to jest budynek zautomatyzowany i inteligentny Instalacje niskoprądowe we współczesnych budynkach Systemy zapewnienia komfortu sterowanie oświetleniem sterowanie wentylacją sterowanie ogrzewaniem i klimatyzacją Systemy zapewnienia bezpieczeństwa sygnalizacji pożaru oznaczenia i oświetlenia dróg ewakuacji oddymiania sygnalizacji włamania i napadu kontroli dostępu telewizji wewnętrznej rozgłaszania alarmowego Systemy sterowania instalacji technologicznych węzły cieplne (wymiennikownie) centrale wentylacji i klimatyzacji agregaty wody lodowej pompownie i hydrofonie windy Systemy monitoringu mediów jakości powietrza (np. garaże) rozdzielnic elektrycznych zużycia i jakości energii 20

Standaryzacja systemów automatyki budynkowej - BACnet - KNX - LonWorks - standard ISO/OSI 21

Systemy sterowania w przemyśle i budynkach - 1 Idea automatyzacji budynków standardy Sieci przemysłowe PROFIBUS, MODBUS, CANOpen, Mbus, Sieci dla automatyki budynków BACnet, KNX, LonWorks www.bacnet.org www.knx.org www.lonmark.org Protokół Standard/Certyfikat Data BACnet ISO 16464-5 Październik 2003 KNX ISO/IEC 14543-3 Listopad 2006 LonWorks ISO/IEC 14908-1 Listopad 2008 22

Standardy systemów automatyki budynkowej 2 Podstawowe parametry i media transmisyjne Standard EIB/KNX PODSTAWOWE ELEMENTY: Mikrokontrolery Motorola serii 68HC Trasceivery Język programowania ANSI C Standardy EIS, obiekty komunikacyjne i flagi, bloki funkcyjne MEDIA TRANSMISYJNE: Para skręcona (29 V DC) 9,6 kbps Power Line 230 V AC 1,2 kbps EIB/KNX.net standard TCP/IP Transmisja radiowa Podczerwień i inne 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 23

Standardy systemów automatyki budynkowej 3 Podstawowe parametry i media transmisyjne Standard EIB/KNX PROTOKÓŁ KOMUNIKACYJNY: Protokół 7 warstwowy model ISO/OSI (wykorzystane 5 warstw bez 5 i 6 sesji i prezentacji) Adresy fizyczne i grupowe Bezpieczeństwo: transmisja z potwierdzeniami ACK i NACK; protokoły CSMA i MAC KONFIGURACJA, SOFTWARE: Pakiet ETS 5 konfiguracja, dobór parametrów aplikacji urządzeń, proste narzędzia diagnostyczne (komunikacja, telegramy- rejestracja) Standard LonWorks Protokół 7 warstwowy model ISO/OSI (wykorzystane wszystkie warstwy) Adresy fizyczne (nr ID) i grupowe, domeny Bezpieczeństwo: transmisja z potwierdzeniem, powtarzana, bez potwierdzenia, kontrola autentyczności oraz protokoły CSMA i MAC Pakiet LonMaker konfiguracja, wybór parametrów aplikacji, prosta diagnostyka Wada: środowisko Visio kłopoty Rejestracja telegramów LNS DDE Server 24

Standardy systemów automatyki budynkowej 4 Podstawy funkcjonowania standardów automatyki budynkowej Klasyczny prosty układ załącz/wyłącz oświetlenie 25

Standardy systemów automatyki budynkowej 5 Podstawy funkcjonowania standardów automatyki budynkowej Załącz/wyłącz oświetlenie realizacja w systemie sieciowym Zasilanie!/? Nvo switch Nvi switch 26

Standardy systemów automatyki budynkowej 6 Standard LonWorks podstawowe informacje Schemat blokowy węzła sieci LON Procesory dedykowane w strukturze układu NeuronChip 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. 27

Standardy systemów automatyki budynkowej 6 Możliwa organizacja systemów LON Dwa warianty: - sterownik pomieszczenia, zadawanie temp. I sterownik HVAC - węzły sieci LON - każdy element węzeł sieci LON 28

Standardy systemów automatyki budynkowej 7 Standard LonWorks podstawowe informacje protokół LonTalk programowanie język Neuron C (na bazie C++) zmienne sieciowe typu SNVT bloki funkcjonalne - profile funkcjonalne --- wyjaśnić różnicę dostęp do zmiennych zoptymalizowany jako obiekty języka Neuron C standaryzacja typów zmiennych sieciowych - łatwa współpraca urządzeń pochodzących z różnych firm obsługa zdarzeń (zmian stanu) urządzeń w sieci oparta o komendę WHEN języka Neuron C i wbudowaną bibliotekę funkcji obsługi zdarzeń zorganizowana obsługa układów czasowych (timerów) Pokaż Aplikacja LON Pokaż Dokumnetacja moduł we/wy 29

Standardy systemów automatyki budynkowej 8 Profile funkcjonalne, bloki 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 30

Standardy systemów automatyki budynkowej 9 31

Standardy systemów automatyki budynkowej 10 Profile funkcjonalne, bloki funkcjonalne zbiory zmiennych sieciowych i ustawień konfiguracyjnych używanych wspólnie do wykonania określonego zadania W jednym urządzeniu przynajmniej jeden blok funkcjonalny Bloki funkcjonalne opisują cały interfejs urządzenia sieci LonWorks: jego współpracę z siecią rodzaj realizowanych funkcji parametry wejściowe i wyjściowe 32

Standardy systemów automatyki budynkowej 11 Standard LonWorks podstawowe informacje Wybrane zmienne sieciowe Szablon bloku funkcjonalnego - zmienne obowiązkowe - zmienne opcjonalne 33

Standardy systemów automatyki budynkowej 14 Standard LonWorks podstawowe informacje media transmisyjne: TP - para skręcona TP - para skręcona z zasilaniem PL linia zasilająca 230VAC światłowody Ethernet łącze szkieletowe transmisja radiowa Topologie sieci TP Była badana poprawność transmisji w instalacji pilotażowej w bud B-1 AGH 36

Standardy systemów automatyki budynkowej 15 Standard LonWorks podstawowe informacje medium Power Line Pasmo transmisji 132 khz lub 115 khz (transceiver PLT-22) 37

Standardy systemów automatyki budynkowej 16 Standard LonWorks podstawowe informacje konfigurowanie sieci pakiet LonMaker kredyty 64 Komisjonowanie - adresowanie fizyczne urządzeń w sieci Bindowanie -Łączenie funkcjonalne zmiennych sieciowych 38

Standardy systemów automatyki budynkowej 17 Standard LonWorks podstawowe informacje Komisjonowanie --- Dwie metody: Nr ID każde urządzenie niepowtarzalny numer związany z ukł. Neuron Chip Przycisk Service Pin na obudowie urządzenia 39

Standardy systemów automatyki budynkowej 20 Standard LonWorks podstawowe informacje Zagadnienia bezpieczeństwa transmisji danych Transmisja z potwierdzeniem Transmisja powtarzana Transmisja bez potwierdzenia jednorazowe, duże niebezpieczeństwo Procedury unikania kolizji CSMA Kontrola autentyczności Wiad z bitem autentyczności b=1 A Słowo kontrolne 64 bit losowe Wynik obliczeń dane + słowo kontrolne Potwierdzenie komunikacji jeżeli wyniki działań w A i B takie same B 42

Standardy systemów automatyki budynkowej 21 Standard KNX podstawowe informacje Port magistralny BCU mikroprocesor Motoroli (rodzina 68HC05B6, 68HC05BE12) pamięć ROM zawierającą oprogramowanie systemowe zapisane przez producenta bez zmian pamięć RAM dane aplikacji i oprogramowania systemowego pamięć EEPROM zawierającą aplikację użytkownika, adres fizyczny i grupowy 43

Standardy systemów automatyki budynkowej 22 Standard KNX podstawowe informacje programowanie język C++ zmienne sieciowe standardowe obiekty DPT Data Point Type Wybrane obiekty DPT 44

Standardy systemów automatyki budynkowej 23 Standard KNX podstawowe informacje media transmisyjne: TP - para skręcona z zasilaniem 29 VDC PL linia zasilająca 230VAC Ethernet łącze szkieletowe transmisja radiowa podczerwień dane 010010 Nadajnik Topologie sieci TP jak w LonWorks Zasada transmisji danych w sieci zasilania 230 VAC częstotliwość 115,2 khz logiczne 1 częstotliwość 105,6 khz logiczne 0 medium transmisji sieć 230 VAC Odbiornik układ porównania częstotliowść logiczne 1 częstotliowść logiczne 0 Detekcja bitu dane 010010 układ porównania 45

Standardy systemów automatyki budynkowej 24 Standard KNX podstawowe informacje Magistrala KNX z zasilaniem 29 VDC Dla każdej linii oddzielny zasilacz dla grupy 64 urządzeń/węzłów sieciowych Na każdej linii zasilacz max. Wydajność prądowa zasilacza: prąd 640 ma ZASILACZE LC Line Coupler Sprzęgła liniowe 46

Standardy systemów automatyki budynkowej 25 Standard KNX podstawowe informacje konfigurowanie sieci pakiet ETS 3 i ETS 4 (new) Adresy fizyczne 0.3.53 lub 1 3.15.63 obsza r linia urządzenie Adresy grupowe łączenie funkcjonalne 15/2047 lub 15/7 /255 grupa główna podgrupa gr. główna gr. poś rednia podgrupa 47

Standardy systemów automatyki budynkowej 26 Standard KNX podstawowe informacje Zagadnienia bezpieczeństwa transmisji danych Transmisja z potwierdzeniem Transmisja powtarzana Kontrola parzystości sprawdzanie krzyżowe Bity parzytości pionowej Bity parzytości poziomej 48

Standardy systemów automatyki budynkowej 27 Standard LonWorks TELEGRAMY Telegramy podstawowe Telegram LonWorks Wyłączanie oświetlenia SNVT_lev_disc 1 0 Kod Manchester różnicowy Telegram LonWorks Zmierzona temperatura SNVT_temp_p 49

Standardy systemów automatyki budynkowej 28 Standard KNX TELEGRAMY Telegramy podstawowe Telegram EIB/KNX Wyłączanie oświetlenia Telegram EIB/KNX Ściemnianie oświetlenia 50

Standardy systemów automatyki budynkowej 29 Standard KNX TELEGRAMY 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) 51

Standardy systemów automatyki budynkowej 30 Zaburzenia w magistralach 52

Inteligentna sieć elektroenergetyczna to sieć harmonijnie integrująca zachowania i działania wszystkich przyłączonych do niej użytkowników - procesy generacji, transmisji, dystrybucji i użytkowania, w celu zapewnienia zrównoważonego, ekonomicznego i niezawodnego zasilania. (Smart Grid European Technology Platform) 53

Smartgrid i smartmetering 1 Koncepcja Smartgrid Istotne kwestie Pewność zasilania Jakość energii elektrycznej Optymalne koszta użytkowania energii

Smartgrid i smartmetering 2 Koncepcja Smartgrid Mikrosystemy -Lokalna stabilizacja systemu -Zarządzanie popytem i podażą -Optymalizacja rozpływów mocy -Filtracja zaburzeń -Monitoring parametrów i zdarzeń -Możliwość pracy wyspowej HAN Home Automation Network - sieci lokalne sterowania i pomiarów

Smartgrid i smartmetering 3 Smartgrid integracja, komunikacja Smartmetering Komunikacja elementy, rozwiązania, potrzeby Uniwersalna łączność komunikacja z urządzeniami, sterownikami itp. Zdalna obsługa i monitoring sieć Internet, Ethernet, strony WWW Zwiększenie inteligencji sieci elektroenergetycznej decentralizacja systemu, monitoring, koordynacja źródeł i odbiorów Samouczenie się systemu oraz optymalne sterowanie rozpływem energii w systemie Inteligentne serwisowanie systemu, zaawansowane algorytmy detekcji błędów, symptomów awarii (przewidywanie) i samych awarii Sieci przemysłowe automatyka przemysłowa Profibus HART CAN RS-485 M-BUS Modbus Device-NET Sieci automatyki budynkowej KNX LonWorks BACnet LCN EtherCAT Sieci lokalne LAN, Ethernet Sieci teleinformatyczne Internet WiFi UMTS GPRS TCP/IP i inne

Smartgrid i smartmetering 4 Smartgrid integracja, komunikacja Smartmetering Media komunikacyjne: Para skręcona Twisted Pair Sieć energetyczna Power Line Fale radiowe Światłowody Liczniki energii i podstawowych parametrów zasilania Szybkość transmisji: 78 kb/sek (TP) 10 15 kb/sek (PL) Analizatory parametrów sieci zasilającej Pasmo transmisji: 132 khz Lub 115 120 khz

Smartgrid i smartmetering 5 Smartgrid integracja, komunikacja Smartmetering Popularne standardy komunikacyjne: Modbus RTU Profibus RS 485, RS 232 --- nie USB!!! LonWorks, KNX Ethernet Port IR Adapter Liczniki energii firmy ABB z adapterem komunikacyjnym

Smartgrid i smartmetering 6 Smartgrid Monitoring lamp ulicznych + energooszczędne sterowanie lampami Instalacja próbna 2x5 lamp Moduły serwerów danych Moduły GSM GSM Szafka łączeniowa 1 i.lon 100 e3 GSM Szafka łączeniowa 2 i.lon 100 e3 L N PE L N PE Lampy z węzłami LON GSM Komputer PC Lampy z węzłami LON

Smartgrid i smartmetering 7 Smartgrid Monitoring lamp ulicznych + energooszczędne sterowanie lampami Węzeł sieciowy LON CANDELON Do sieci zasilającej Zasilanie SELC 2000 zasilanie Candelon 100 zasilanie L PE N L PE N L PE N SELC 2000 dane Candelon 100 dane Biały Czerwony SELC 2000 balast CANDELON 100 węzeł LON

Smartgrid i smartmetering 6 Smartgrid Monitoring lamp ulicznych + energooszczędne sterowanie lampami Węzeł sieciowy LON CANDELON

Wszystkie dostępne bloki funkcjonalne pojedynczego węzła lampy Podstawowy blok funkcjonalny węzła lampy

Zmienna wykorzystywana w ćwiczeniu Street Lighting Typ: SNVT_Switch Struktura: [value, state] Struktura: [value, state] Value intensywność świecenia lampy (wartości od 41% do 100%) State stan lampy (0-wył; 1-zał) Zadawanie poziomu Intensywności świecenia Kontrola napięcia na stykach lampy

Smartgrid i smartmetering 11 Smartmetering standardy automatyki budynkowej liczniki energii z interfejsami sieci standardu LON lub KNX liczniki z wyjściami impulsowymi i koncentratorami LON lub KNX

Smartgrid i smartmetering 12 Smartmetering standardy automatyki budynkowej liczniki energii LON budynek B-1 AGH

Smartgrid i smartmetering 13 Smartmetering standardy automatyki budynkowej liczniki energii LON budynek B-1 AGH

Smartgrid i smartmetering 13a Smartmetering standardy automatyki budynkowej liczniki energii LON budynek B-1 AGH

Smartgrid i smartmetering 14 Smartmetering standardy automatyki budynkowej liczniki energii LON budynki Euro Centrum Katowice

Smartgrid i smartmetering 15 Smartmetering standardy automatyki budynkowej liczniki energii LON budynki Euro Centrum Katowice

Smartgrid i smartmetering 16 Smartmetering standardy automatyki budynkowej