Автоматизация зданий

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Для чего необходимо устанавливать автоматику зданий?

2. Постановка задачи. Система диспетчеризации или система автоматического управления?

3. Аппаратная платформа автоматики зданий

4. Алгоритмы управления вентиляцией и отоплением

5. Сеть для связи с системой диспетчеризации

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время слова «умный дом», «интеллектуальное здание», «автоматика зданий» стали часто встречаться в специальной литературе, а иногда и в средствах массовой информации. При этом зачастую создаётся впечатление, что главное в автоматике зданий -- разные эффектные «штучки», такие как включение света голосовой командой или управление кондиционером, телевизором, баром и микроволновкой с единого беспроводного пульта. Но если бы это была лишь дорогостоящая игрушка, то рынок систем автоматизации зданий не развивался бы так быстро, как сейчас. Наша фирма, успешно занимаясь более семи лет решением задач промышленной автоматизации, решила применить накопленный опыт в области автоматизации инженерных систем зданий. В данной статье мы попробуем с позиций разработчика разобраться, что же в основном подразумевается под автоматикой зданий и для чего она вообще нужна. За основу возьмём один из выполненных нами проектов, а именно проект автоматизации вентиляционных установок автоцентра «Олимп» в городе Санкт-Петербурге.

1. ДЛЯ ЧЕГО НЕОБХОДИМО УСТАНАВЛИВАТЬ АВТОМАТИКУ ЗДАНИЙ?

здание автоматизация контроллер

Функциональное назначение любого здания -- быть укрытием от внешней среды, создавать комфортные условия для пребывания человека. Чтобы условия были комфортными, помимо стен и крыши нужно обеспечить должное количество воздуха (вентиляцию) и его качество (отопление, кондиционирование). Также необходимо обеспечить освещение, бесперебойное электроснабжение и т.д. Таким образом, у нас получается современное здание, насыщенное всевозможными инженерными системами. Для управления этими системами нужна была бы целая армия обслуживающего персонала, если бы не автоматика. Следовательно, автоматика нужна для снижения затрат на обслуживающий персонал. Немаловажную роль играет и качество управления системами. К примеру, человек повернёт кран калорифера несколько раз в сутки, а автоматический регулятор температуры отслеживает её изменения постоянно и в реальном времени. В результате в помещении поддерживается стабильная температура, которая не зависит от колебаний температуры воздуха за окном и температуры воды на выходе котельной (кстати, температура воды на выходе автоматизированной котельной также более стабильна).

Следовательно, благодаря более высокому качеству управления работой систем автоматика способствует повышению комфорта в здании. И, наконец, применение автоматики позволяет сократить затраты на энергоносители. Интересно, что западные авторы в качестве основной составляющей затрат выделяют освещение (и типовые западные разработки в области автоматики зданий в основном ориентированы на управление освещением), а российские -- отопление. Это неудивительно: во-первых, в большей части России более холодный климат, а во-вторых, в нашей стране электроэнергия значительно дешевле по сравнению с европейскими странами. Каким же образом применение автоматики может снижать затраты энергии? Приведём простой пример. При неуправляемой системе отопления мы будем поддерживать такую выработку тепла, чтобы даже в самое холодное время в помещениях поддерживалась комфортная температура. В результате, когда на улице станет теплее, в помещении будет жарко. Мало того, что комфорт снизится, но ведь это ещё и прямой перерасход энергии! Улучшить положение может автоматическая система, обеспечивающая ровно ту температуру, которая нужна, - в результате снижаются затраты на энергоносители. Естественно, этот эффект достигается только в случае хорошо продуманных алгоритмов управления, заложенных в систему автоматизации. Можно сделать вывод, что системы автоматизации зданий выполняют три основные функции:

1)повышение комфорта в здании,

2)снижение затрат на обслуживающий персонал,

3)снижение затрат на энергоносители.

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. СИСТЕМА ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИИ ИЛИ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ?

После прочтения большинства статей по автоматизации зданий остаётся впечатление, что основная задача -- это дистанционное управление всем оборудованием с одного диспетчерского пульта. Вопросам построения систем диспетчеризации посвящено немало материалов. А вот уровень автоматики практически не освещается, создаётся впечатление, что он или не так важен, или уже настолько отработан, что и обсуждать нечего. На самом деле система диспетчеризации обеспечивает только снижение расходов на персонал. Но даже тут важно, чтобы уровень автоматики обеспечивал сбор необходимых данных. Например, зачастую в системе предусматривается дистанционное управление вентиляцией, но нет нормального контроля состояния механизмов. В результате диспетчер не видит, включился ли на самом деле вентилятор или насос калорифера по его команде. Такая система скорее вредна, чем полезна: внедрена достаточно дорогостоящая система, назначение которой -- снижение расходов на персонал, но персонал всё равно нужен для контроля состояния оборудования. Что касается обеспечения комфорта и снижения энергозатрат, то тут система диспетчеризации вообще ничего не даёт. Для того чтобы обеспечивать помещения воздухом с заданными параметрами, необходимо управлять системами вентиляции и отопления. Конечно, это может делать и человек, сидящий за диспетчерским пультом, но такое управление будет явно неоптимальным. Только автоматические системы способны в режиме реального времени контролировать состояние воздуха и непрерывно регулировать его подачу, нагрев и охлаждение, не забывая переключаться между экономичным ночным и комфортным дневным режимом.

При работе над проектом «Олимп» нами успешно решены следующие задачи:

? создание системы автоматического управления (САУ) вентиляционными установками здания авто центра в оптимальных режимах, задаваемых с диспетчерского пульта;

? передача информации от датчиков и шкафов автоматики на общий диспетчерский пульт, на котором в удобной форме отображается информация о режимах работы автоматики, состояниях исполнительных механизмов и температурах в помещениях.

Итак, при определении задачи автоматизации здания необходимо понимать, что низовой уровень автоматики -- важная часть систем автоматизации зданий. Может быть, этот уровень настолько хорошо освоен, что о нём нет смысла рассуждать? Мы увидели, что это не так. Далее мы покажем, что как в аппаратной базе автоматики зданий, так и в алгоритмическом и программном обеспечении есть немало спорных моментов, на которые нужно обращать внимание при проектировании, и что не всегда решения, применяемые во внедряемых системах, являются оптимальными.

3. АППАРАТНАЯ ПЛАТФОРМА АВТОМАТИКИ ЗДАНИЙ

Во избежание путаницы введём два класса контроллеров, используемых в системах автоматизации зданий.

1. Конфигурируемые контроллеры -- микропроцессорные устройства, в которые «зашита» программа управления с фиксированной структурой. Это может быть регулятор температуры, устройство релейного управления по уставкам или целая САУ вентиляционной установки с калорифером и рекуператором. Такие контроллеры имеют систему настроек, позволяющую в той или иной степени адаптировать САУ к автоматизируемому объекту. Программирование заключается в задании этих настроек через систему меню, подобно тому, как программируется видеомагнитофон на запись любимой передачи в определённое время. Недостатком таких контроллеров является отсутствие гибкости в случае изменения исходных данных. Если при проектировании была заложена определённая структура объекта, а потом что-то изменилось, например добавлен дополнительный вентилятор, то решение одно-- менять контроллер.

2. Свободно программируемые контроллеры -- это контроллеры в том смысле, к которому привыкли разработчики систем промышленной автоматизации. Процессорный модуль, снабжённый средствами сопряжения с устройствами ввода-вывода, программируется на каком-либо специализированном языке либо на одном из стандартных языков программирования. Современная тенденция такова, что в качестве языков программирования, как правило, выступают языки стандарта МЭК 61131-3.

Чем же обусловлено сосуществование на рынке таких разных устройств?

Дело в том, что конфигурируемые контроллеры в большинстве своём дешевле, чем свободно программируемые (хотя ценовые диапазоны и смыкаются). Это и понятно: данные устройства проще. Для интегратора тоже проще применить готовое решение, чем разрабатывать свою программу. Зачем же тогда нужны свободно программируемые устройства?

Один из ответов уже был дан ранее. Реалии нашей жизни таковы, что построенное здание может довольно сильно отличаться от начального проекта. В этой ситуации разработчик системы автоматизации должен иметь возможность гибко подстраиваться под изменения без особых затрат денег и времени. Ещё одна причина применения свободно программируемых контроллеров -- это возможность объединения управления различными системами в одном устройстве. Например, один контроллер может одновременно управлять и большой приточно-вытяжной системой с калорифером и рекуператором, и вспомогательными малыми вентиляционными установками. Благодаря гибкости программирования появляется возможность объединять установки по принципу территориальной близости к шкафу автоматики, уменьшая расходы на сами контроллеры, кабели, конструктивы... В итоге, несмотря на более высокую стоимость свободно программируемых контроллеров, система на них при корректном проектировании оказывается дешевле, чем система на основе конфигурируемых контроллеров. Кроме того, для работы со свободно программируемым контроллером от разработчика АСУ ТП не требуется специальной подготовки (достаточно «общеотраслевых» знаний и навыков), чего не скажешь о конфигурируемом контроллере, причём опыт конфигурирования контроллеров одной фирмы мало применим к контроллерам другого производителя. Все эти соображения привели нас к тому, что нашей «генеральной линией» стало использование свободно программируемых контроллеров. Мы считаем, что такое решение оптимально для систем автоматизации зданий --Building management systems (BMS).

Рис. 1. Схема распределения шкафов САУ (КСПА) по приточно_вытяжным системам автоцентра «Олимп»

Применение свободно программируемых контроллеров успешно решило задачу автоматизации вентиляционных установок в авто центре, несмотря на то что они были различной мощности и территориально разнесены по всему зданию.

На рис. 1 представлена схема распределения шкафов САУ по приточно-вытяжным системам авто центра «Олимп». Шкаф системы управления вентиляционной установкой в разных видах показан на рис. 2.

Рис. 2. Шкаф системы управления вентиляционной установкой

Нашей компанией давно и с успехом применялись модули ввода-вывода и контроллеры ведомого узла PROFIBUS из семейства WAGO I/O серии 750 фирмы WAGO (Германия). Например, использование этих устройств в САУ автомобильными газонаполнительными компрессорными станциями (один из наших внедрённых проектов) показало их высокую надёжность, чрезвычайное удобство монтажа и обслуживания.

Оборудование WAGO I/O серии 750 широко применяется в промышленной автоматике, а в последнее время -- и в автоматизации зданий. Среди сделанных на контроллерах WAGO I/O проектов автоматизации зданий такие «монстры», как штаб-квартир фирмы Bosch, главное полицейское управление Гамбурга, центр «Дайм-лер-Бенц» («Мерседес») в Потсдаме, Центральный банк города Саарбрюкенa и т.д. Есть уже и отечественный опыт применения данных контроллеров в проектах автоматизации зданий банков, торгово-развлекательных центров, коттеджных посёлков.

Все эти факты повлияли на то, что для автоматики зданий мы выбрали программируемые контроллеры WAGO I/O серии 750. Оглядываясь назад, можем сказать: мы не пожалели о своём выборе.

4. АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ И ОТОПЛЕНИЕМ

Один из основных источников затрат энергии в нашем холодном климате -- это отопление. При автоматизации инженерных систем здания нужно найти баланс между комфортом (необходимой температурой) и снижением затрат (достижением необходимой температуры с минимальным расходом энергии). Действенным способом снижения затрат на отопление является применение рекуперации. Рекуператор тепла -- это теплообменник барабанного или трубчатого типа, при помощи которого часть тепла от вытяжного воздуха передаётся холодному приточному воздуху, поступающему с улицы. Эффективность рекуператоров очень высока: рекуператор в приточной системе нагревает поступающий с улицы воздух от -20 до +10°C. Но без системы автоматики, регулирующей передачу тепла, можно получить довольно большие колебания температуры приточного воздуха. Кроме того, тепла от рекуператора может не хватить, и тогда нужно задействовать калорифер. Чтобы отопление было наиболее эффективным, управление рекуператором и калорифером должно быть согласовано между собой: только тогда, когда возможности рекуператора использованы полностью, автоматика должна включать в работу калорифер. Не случайно производители автоматики для вентиляционных систем достаточно давно отказались от управления отдельными подсистемами и начали создавать единые САУ приточно-вытяжных установок.

Задача управления калорифером, на первый взгляд, довольно проста: достаточно управлять трехходовым клапаном, регулируя подачу теплоносителя в зависимости от текущей и заданной температуры в отапливаемом помещении. Но проблема в том, что теплоносителем является обыкновенная вода, а значит, зимой есть опасность замерзания. Чтобы избежать этого, обычно алгоритм управления дополняется одним из следующих решений:

? подача команды на полное открытие (или фиксированную величину открытия) клапана калорифера при диагностировании опасности замерзания;

? запрет закрытия клапана калорифера при диагностировании опасности замерзания.

Оба решения имеют существенные недостатки. Если система автоматики открывает клапан полностью при любой опасности замерзания, то задача защиты от замерзания будет выполнена, но при этом будет повышен расход энергии, а температура в отапливаемом помещении будет несколько повышена по сравнению с заданием. Если же автоматика блокирует положение клапана, запрещая его закрытие при угрозе замерзания, то в силу тепловой инерции объекта возможно понижение температуры ниже точки, в которой сработала блокировка, и это может привести к замерзанию. Поэтому при настройке системы автоматики уставку замерзания приходится искусственно поднимать, что приводит опять таки к повышению расхода тепла и поддержанию несколько повышенной температуры в отапливаемом помещении.

Нами была разработана схема, в которой клапан всегда открывается ровно на столько, на сколько надо. Принцип её действия определяется несколькими независимыми контурами обратной связи и селектором минимума.

Контуры обратной связи по температуре в отапливаемом помещении, температуре обратной воды в калорифере и воздуха за калорифером работают независимо, обеспечивая плавный переход с одной регулируемой величины на другую. В результате, если калорифер приближается к замораживанию, не происходит каких-то резких переключений управляющих воздействий. Ограничительный контур безударно перехватывает управление и начинает стабилизировать температуру воды или воздуха за калорифером, удерживая её на минимально допустимом безопасном уровне. Зачастую при создании инженерных систем зданий разработчики экономят на обвязке исполнительных механизмов сигналами обратной связи. И действительно, зачем ставить на заслонку сигнализаторы конечных положений и вводить эти сигналы в систему автоматики, если не сработавшая заслонка не приведёт к чему-то катастрофическому? Вентилятор скорее всего не будет сломан, если поработает некоторое время при неоткрытой заслонке, а по необычному шуму дефект будет быстро обнаружен и устранён.

Но если вдуматься, такой подход противоречит самой идее интеллектуального здания. Смысл внедрения дорогостоящей автоматики в том и состоит, чтобы снизить расходы при эксплуатации. А добиться этого можно, снизив энергопотребление и уменьшив численность обслуживающего персонала. О каком снижении энергопотребления может идти речь, если вентиляторы время от времени работают «в стену»? А если автоматика не может обнаружить неисправность самостоятельно, то таким обнаружением должен заниматься персонал. В большом здании это означает большое количество работников и непрерывные обходы оборудования. Зачем тогда нужна система автоматизации и диспетчеризации? Получается, что желание сэкономить на комплектации системы автоматики оборачивается снижением (возможно, до нуля) экономического эффекта от внедрения системы. Применение различных датчиков обратной связи (концевые выключатели, датчики положения регулирующих заслонок и т.п.) в сочетании с гибко программируемыми контроллерами позволяет создать действительно «интеллектуальную» систему, которая не только переключает аппаратуру по заданной программе, но ещё и может сообщить диспетчеру о дефектах оборудования. Представим, что в торговом центре на вентиляционной установке при попытке включения не открылась заслонка приточного воздуха. Автоматика ждёт некоторое время, удерживая команду на механизм заслонки, после чего выдаёт сигнализацию и не включает приточный вентилятор. Диспетчер, получив сигнал «Приточная заслонка № 7 на установке П5 не открылась», может вовремя принять меры, оперативно направив ремонтников в нужное место. В результате дефект будет достаточно быстро устранён, посетители торгового зала не заметят ни духоты, ни дискомфортной температуры, а собственник магазина не понесёт убытков от повышения расхода электроэнергии. Надо заметить, что в системах промышленной автоматизации контроль срабатывания исполнительных механизмов -- это совершенно обычная практика. Можно возразить, что цена несрабатывания, например, на газопроводе -- это возможная авария, способная нанести огромный ущерб, а то и повлечь человеческие жертвы, а в системе вентиляции -- это просто относительно небольшие убытки. Но ведь именно ради уменьшения таких убытков и внедряются системы автоматизации зданий! Поэтому, по нашему мнению, нужно ещё на этапе проектирования закладывать в систему такие решения, которые помогут диагностировать состояние механизмов и принимать оперативные решения при каких-либо неполадках.

В некоторых случаях одного контроля исполнительных механизмов мало.

Например, недостаточно проконтролировать, что сработал пускатель циркуляционного насоса калорифера. Если пускатель сработал (система автоматизации и диспетчеризации получила сигнал, что всё в порядке), а насос по какой-то причине не запустился, то калорифер нормально работать не будет: нет притока теплоносителя, а значит, нет теплопередачи. Диспетчер увидит только тот факт, что регулятор калорифера по какой-то причине не может удержать заданную температуру при_ точного воздуха. Именно такую ситуацию мы наблюдали на одном из объектов. А исправить положение довольно просто: нужно еще при проектировании заложить в систему реле протока за насосом и контролировать наличие протока при работе насоса. Более того, такое несложное решение позволит в некоторых случаях предотвратить поломку оборудования, отключив насос при отсутствии воды в контуре. Рейтинг отдельных алгоритмических решений в системах автоматизации зданий отражает табл. 3. Из этой таблицы видно, что хорошо продуманные алгоритмы управления немного увеличивают цену системы, но при этом её характеристики существенно улучшаются. Вывод: не следует экономить на хорошей проработке алгоритмов управления и на получении информации о состоянии объекта. И тут преимущество имеет та фирма, которая выполняет все этапы разработки, начиная с проекта и ТЗ, и имеет возможность самостоятельно разрабатывать прикладные программы.

Таблица 3

Рейтинг отдельных алгоритмических решений в системах автоматизации зданий

5. СЕТЬ ДЛЯ СВЯЗИ С СИСТЕМОЙ ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИИ

Устройства автоматики зданий интегрируются в систему диспетчеризации при помощи вычислительной сети. За время существования вычислительных сетей создано достаточно много сетевых протоколов, имеющих свои преимущества и недостатки. При создании системы автоматизации необходимо выбрать оптимальный вариант. «Естественный отбор» на рынке сделал своё дело, и откровенно неудачные сетевые протоколы просто исчезли. Сравнивать «выжившие» протоколы только по техническим характеристикам - занятие неблагодарное, так как в области автоматизации зданий, как ни в какой другой области автоматизации, оценки сильно зависят от коммерческих, организационно-технических и просто субъективных факторов и поэтому абсолютной достоверностью отличаться не могут. Тем не менее производители различного оборудования зачастую устраивают по этому поводу настоящие битвы на Интернет - форумах и в прессе. Попробуем разобраться в особенностях применения наиболее распространённых протоколов. Почему-то так исторически сложилось, что данная отрасль идёт своим путём, и основные сетевые протоколы, используемые в системах автоматизации зданий, не применяются больше нигде. Нам не удалось найти объективных причин этого.

Автоматика зданий не предъявляет каких-то особых требований к системе сетевого взаимодействия. Дешевизной применяемые здесь решения также не отличаются. Поэтому остаётся только повторить: ситуация сложилась исторически. Нам не удалось понять, какими же преимуществами обладают специализированные протоколы для систем автоматизации зданий перед универсальными протоколами. Например, единственный плюс Lon Works -- большое количество интеллектуальных устройств, поддерживающих этот протокол. Но в целом, по нашему мнению, если система создаётся «с нуля», то применение общепринятых универсальных протоколов (например, Ethernet TCP/IP и HTTP) позволяет в итоге создать более простое, надёжное и недорогое решение. В этом смысле показателен заголовок статьи Уильяма Р. Элама (William R. Elam), входящей в обзор “View point: BAC net versus Lon Works” («Точка зрения: BAC net против Lon Works»), -- “Internet Beats Them Both” («Интернет побеждает обоих»).

Было бы неправильно утверждать, что только применение специализированных протоколов позволяет автоматизировать крупные здания. Так, например, в авто центре «Олимп», где внедрена наша САУ вентиляционными установками, сеть диспетчеризации использует протокол ModBus/RTU в среде RS-485.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Автоматизация зданий -- быстро развивающаяся, но сравнительно молодая область техники, поэтому здесь, особенно на уровнях управления инженерными системами и системами жизнеобеспечения, практически ещё нет устоявшихся технических решений, выходящих за рамки частных решений отдельных фирм. Мы убеждены, что разработчикам автоматики зданий нужно обратить внимание на наработки, существующие в системах промышленной автоматизации. Наш опыт говорит о том, что принципы создания АСУ ТП и систем автоматизации зданий в целом схожи, и использование отработанных в промышленности решений позволяет быстро создать качественную систему. А при оптимальном подборе комплектующих стоимость её не будет так высока, как может показаться. Авторы не претендуют на непогрешимость, но заверяют в обдуманности и не ангажированности своей позиции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Ярослав Евдокимов, Александр Яковлев, Журнал СТА «Системы автоматизации зданий: комфорт плюс экономия», 2009

Размещено на Allbest.ru