Automatyka.eu

Wizualizacja i sterowanie w inteligentnym budynku

Joanna Moczko-Król, Artur Król | Niedziela, 07 styczeń 2007r.

Prezentujemy Państwu przykład zastosowania sieci PROFIBUS w inteligentnym budynku.

Struktura_polaczenia_preview
Zgodnie z funkcjonującą definicją budynkiem takim nazywamy obiekt, który posiada systemy czujników i detektorów oraz zintegrowany system zarządzania wszystkimi lub wybranymi znajdującymi się wewnątrz instalacjami. Dzięki informacjom pochodzącym z różnych elementów systemu, budynek ten reaguje na zmiany środowiska.

Jego najważniejszym elementem jest zintegrowany system zarządzania, którego podstawowym zadaniem jest maksymalizacja funkcjonalności, komfortu i bezpieczeństwa oraz minimalizacja kosztów eksploatacji. Służy on do wizualizacji, integracji, kontroli, monitorowania, optymalizacji, raportowania, a dodatkowo posiada interfejs użytkownika umożliwiający dostęp do niego przez witrynę internetową.

Ciekawym rozwiązaniem takiego systemu może być układ o strukturze zaproponowanej na powyższym rysunku. System ten funkcjonuje w inteligentnym budynku, który ogrzewany jest pompą ciepła i składa się z następujących elementów:
  1. Sterownika S7-314 z we/wy cyfrowymi i analogowymi.
  2. Procesora CP 342-5 umożliwiającego jednostce centralnej komunikację poprzez sieć PROFIBUS z urządzeniami peryferyjnymi.
  3. Gateway ‘a realizującego połączenie pomiędzy PROFIBUS-DP oraz siecią LON.
  4. Sieci PROFIBUS o transmisji 500 kbit/s, łączącej Gateway LONtoProfibus-DP, poprzez procesor komunikacyjny, ze sterownikiem S7-314.
  5. Sieci MPI łączącej komputer z oprogramowaniem SCADA - WinCC ze sterownikiem S7-314.
  6. Sieci LON umożliwiającej komunikację między sterownikiem pompy ciepła CD60,a Gateway ‘em.
  7. Sterownika pompy ciepła CD60 z wyjściem LON, którego zadaniem jest przygotowanie o odpowiedniej temperaturze wody dla systemu grzewczego i ciepłej wody użytkowej.
  8. Komputera z programem WinCC wraz z opcjonalnym pakietem WebNavigator do wizualizacji i sterowania inteligentnym domem z poziomu komputera lokalnego jak również przez Internet z dowolnego PC podłączonego do sieci.
  9. Zestawu półprzewodnikowych czujników temperatury z przetwornikiem 0-20 mA oraz zestawu czujników Pt100, które są bezpośrednio podłączone do wejść analogowych sterownika.
Prezentowany tu inteligentny budynek, ogrzewany jest pompą ciepła, która jest odpowiedzią w dzisiejszych czasach na oczekiwania dotyczące skutecznego pozyskiwania energii odnawialnej ze środowiska naturalnego. Dostarczana przez słońce, a zgromadzona w gruncie, wodzie lub powietrzu energia, jest w pompie ciepła przy pomocy niewielkiej ilości energii elektrycznej pozyskiwana do celów grzewczych. Wysoki współczynnik efektywności pomp ciepła i niskie zużycie energii w obecnie wznoszonych budynkach powodują, że mogą się one stać jedynym źródłem ciepła w nowo budowanych energooszczędnych domach.

Przedstawiony tu jednosystemowy układ jest typowym układem z pompą ciepła i buforem wody grzewczej. Można w nim wyróżnić kilka podstawowych, najważniejszych elementów, takich jak:
  • układ do pozyskiwania energii z gruntu składający się z sond pionowych i pompy obiegu pierwotnego,
  • bufor na ciepłą wodę użytkową wraz z grzałką elektryczną,
  • bufor na wodę grzewczą,
  • instalacja umożliwiająca zasilanie ogrzewania podłogowego,
  • pompa ciepła ze sterownikiem CD60.
Sterownik ten ma za zadanie:
  • realizację pogodowego algorytmu ogrzewania, z funkcjami regulacji czasowej i stałowartościowej,
  • jednoczesne sterowanie pracą pomp: ciepła, pierwotnej, wtórnej, obiegu grzewczego,
  • odczyt i wyświetlanie wszystkich temperatur dających informację o stanie systemu grzewczego,
  • jednoczesne sterowanie zaworem przełączanym i mieszaczem,
  • pełne programowanie pracy pompy ciepła, mieszacza, podgrzewacza ciepłej wody użytkowej wraz okresami pracy grzałki elektrycznej,
  • sterowanie układem do naturalnego chłodzenia.
W ramach projektu została wykonana szafa sterownicza z widocznym na zdjęciu sterownikiem S7-314 wraz z we/wy cyfrowymi, analogowymi i procesorem komunikacyjnym oraz konwerterem sygnału z LON na PROFIBUS.
Do pomiaru temperatur w pomieszczeniach budynku zostały wykorzystane czujniki temperatury LM35 z przetwornikiem 4 do 20 mA.
Zużycie energii elektrycznej rejestruje trójfazowy, dwutaryfowy licznik Firmy Kamstrup z wyjściem impulsowym, które jest bezpośrednio podłączone do wejścia cyfrowego sterownika.
W układzie jest umieszczony również ultradźwiękowy licznik energii cieplnej Firmy SIEMENS podłączony bezpośrednio do sterownika.

W prezentowanym systemie wizualizacji i sterowania wykorzystywany jest także specjalny konwerter o nazwie LONtoProfibusDP, który jest urządzeniem umożliwiającym połączenie sieci LON z siecią PROFIBUS. Najważniejszym elementem takiego urządzenia jest Neuron Chip, który jest wieloprocesorowym układem scalonym realizującym wszystkie potrzebne zadania wymiany danych.
Z zewnątrz do urządzenia podłącza się dwie linie transmisji: z sieci LON i z sieci PROFIBUS oraz dodatkowo zasilanie.

W sieci PROFIBUS konwerter ten może pracować jako stacja SLAVE o adresie ustawianym za pomocą dwóch przełączników znajdujących się wewnątrz urządzenia. Długość słów wejściowych i wyjściowych może być ustawiana w konfiguratorze sprzętu w STEP7 i zawiera się w przedziale od 7 do 37 bajtów.
Urządzenie to automatycznie rozpoznaje i synchronizuje się z prędkością transmisji sieci PROFIBUS, maksymalnie do 12 Mbit/s.

Do każdego takiego urządzenia dołączany jest plik GSD, który powiększa bibliotekę komponentów w konfiguratorze sprzętu STEP7 o ten właśnie gateway. Użytkownik musi jedynie: ”wpiąć” konwerter do sieci PROFIBUS, nadać mu odpowiedni adres oraz określić długość słowa wejściowego i wyjściowego.

W STEP7 został napisany program, który wykorzystuje standardowe funkcje biblioteki: FC101 i FC102 do zapisu i odczytu danych z procesora komunikacyjnego (w tym przypadku) CP 345-2. Wartości te są odczytywane i zapisywane do odpowiednich tablic w bloku danych.
Dziesięciobajtowy sygnał wejściowy zawiera informacje na temat rodzaju rozkazu - do dyspozycji mamy możliwość odczytania lub zapisania zmiennej sieciowej, odczytania adresu gateway ‘a w sieci LON oraz zmiany tego adresu. Kolejną informacją są ustawienia w sieci LON takie jak: numer węzła, sieci i domeny oraz numer "SNVT", czyli numer zmiennej standardowej w sieci LON.
Pozostałe dane w sygnale wejściowym nie są wykorzystywane.
Natomiast sygnał wyjściowy, oprócz poprzednich informacji, zawiera konkretne wartości odpowiadające kolejnym numerom zmiennych.
Całość działa na zasadzie cyklicznego odpytywania sieci o konkretne wartości dla konkretnych "SNVT" w sieci LON.
Tak skonstruowany program umożliwia odczyt z regulatora pompy ciepła CD60 poprzez sieć LON i PROFIBUS informacji o temperaturach w wybranych punktach instalacji grzewczej oraz informacji o statusach pracy pompy ciepła i poszczególnych urządzeń instalacji grzewczej.

Za pomocą programu WinCC firmy SIEMENS zostały stworzone okna wizualizujące pracę inteligentnego budynku, a za pomocą oprogramowania WebNavigator została stworzona strona internetowa, która umożliwia dostęp do wszystkich zmiennych,
a administratorowi dodatkowo na sterowanie podstawowymi funkcjami inteligentnego budynku.
Wszyscy zainteresowani podglądem pracy tego systemu mogą w swojej przeglądarce internetowej wpisać: odpowiednie IP serwera, użytkownika i hasło.

Przy pierwszym zalogowaniu się należy pobrać SIMATIC WinCC/WebNavigator Client V6.1 SP1. Jest to oprogramowanie (ok. 9 MB), które umożliwi dowolnym trzem użytkownikom  (w tej wersji WebNavigator 'a) jednoczesny dostęp do wizualizacji funkcjonowania inteligentnego budynku.
Proces instalacji tego oprogramowania wymaga potwierdzenia warunków licencji oraz podania użytkownika i organizacji.
Po poprawnym jego zainstalowaniu należy ponownie w przeglądarce internetowej wpisać odpowiednie dane i po zalogowaniu się na stronie możemy już swobodnie przechodzić między opisywanymi wcześniej oknami.
Użytkownik o tej nazwie (sbwincc) ma uprawnienia tylko do przechodzenia między kolejnymi oknami, obserwacji obrazów synoptycznych, podglądu wszystkich zmiennych oraz do otwierania okien informacyjnych.
Okno wizualizacji pracy instalacji z pompą ciepła, przedstawione na powyższym rysunku, umożliwia monitorowanie wszystkich zmiennych charakteryzujących pracę układu, takich jak:
  • temperatury w najważniejszych punktach instalacji po stronie pierwotnej i wtórnej,
  • średnie temperatury wewnątrz i na zewnątrz budynku,
  • czas pracy pomp: ciepła, pierwotnej, wtórnej, obiegu grzewczego oraz czas pracy grzałki elektrycznej,
  • zużycie energii cieplnej w instalacji ogrzewczej,
  • zużycia energii elektrycznej w poszczególnych taryfach,
  • statusy pracy pompy ciepła, poszczególnych pomp i zaworów.
Dodatkowo została również utworzona strona internetowa tylko z podglądem pracy pompy ciepła, która nie wymaga instalowania WebNavigator Client. W tym przypadku dane pomiarowe są pobierane w Real Time WinCC za pomocą kanału DDE i przesyłane do odpowiedniego serwera. Następnie są nanoszone na rysunek-tło i odświeżane w odstępach jednominutowych dając efekt zmian zmiennych procesowych.

Dodatkowe informacje udostępniane w dolnym oknie tekstowym opisują harmonogram załączeń pompy ciepła, pomp i grzałki (służącej do okresowej termicznej dezynfekcji wody). Wyświetlana jest ilość wytworzonego ciepła oraz ilość pobranej energii elektrycznej w taryfie dziennej i nocnej od początku sezonu grzewczego. Wskazując dowolną pompę uzyskuje się informację o sumarycznym czasie jej pracy, co w połączeniu z jej mocą, dostępną w oknie opisowym na dole okna wizualizacji, pozwala obliczyć energię przez nią zużywaną. Można również samodzielnie obliczyć rzeczywiste koszty eksploatacyjne pozyskiwanego ze środowiska ciepła na cele grzewcze i przygotowanie ciepłej wody użytkowej, czy też określić współczynnik COP samej pompy.
Możliwość samodzielnego wykonanie obliczeń oraz podgląd poszczególnych zmiennych w układzie, a w szczególności temperatury dolnego źródła ciepła w trakcie sezonu grzewczego, pomogą odpowiedzieć na wiele pytań i wątpliwości i być może skłonią potencjalnych inwestorów do zainwestowania w ogrzewanie domu i przygotowanie ciepłej wody tylko przy użyciu pompy ciepła.

Viessmann_small Wincc_small Lon_to_profibus_small Kotlownia_3_small Struktura_polaczenia_small Schemat_instalacji_small

Komentarze

dodaj komentarz

Partnerzy serwisu

  • Gigaom_color

Oferty pracy

Więcej

Polecamy