Главная База знаний "Allbest" Программирование, компьютеры и кибернетика Разработка системы "Управление умным домом"

Разработка системы "Управление умным домом"

Анализ технологий "умного дома", их базовые понятия. Описание технологического процесса и модель автоматизации. Разработка системы управления зданием. Анализ программного обеспечения. Технология производства программного продукта, разработка бизнес-плана.

Рубрика Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 06.04.2015
Размер файла 1,8 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

  • Введение
  • 1. Анализ технологий "умного дома"
  • 1.1 Базовые понятия "умного дома"
  • 1.2 Протоколы передачи для автоматизации зданий
  • 1.3 Описание технологического процесса и модель автоматизации
  • 2. Разработка системы управления зданием
  • 2.1 Анализ и выбор контроллера
  • 2.2 Выбор модулей ввода-вывода
  • 2.3 Разработка микропроцессорной сети
  • 3. Детальная разработка систем автоматизации
  • 3.1 Анализ программного обеспечения для работы с контроллером
  • 3.2 Система обогрева помещений
  • 3.3 Система вентиляции
  • 3.4 Система управления освещением и ландшафтным отоплением
  • 3.5 Система мониторинга
  • 3.6 Разработка человеко-машинного интерфейса
  • 4. Технология производства программного продукта
  • 4.1 Проектирование модели жизненного цикла системы
  • 4.2 Технология отладки и тестирования системы
  • 4.2.1Отладка системы
  • 4.2.2 Тестирование системы
  • 5. Бизнес-план разработки микропроцессорной системы автоматизация здания
  • 5.1 Резюме
  • 5.2 Научно-технический раздел
  • 5.3 Анализ положения дел в отрасли
  • 5.4 Суть разрабатываемого проекта
  • 5.4.1 Назначение
  • 5.4.2 Преимущества перед аналогами
  • 5.5 План маркетинга
  • 5.5.1Описание товара
  • 5.5.2 Анализ рынка сбыта
  • 5.6 Производственный план
  • 5.6.1 Место разработки
  • 5.6.2 Перечень технологических процессов и необходимого оборудования
  • 5.7 Финансовый план
  • 5.7.1 План разработки программного обеспечения
  • 5.7.2 Определение себестоимости разработки программного обеспечения
  • 5.7.3 Оценка экономической эффективности инвестиционного проекта
  • 5.7.3.1 Критерии эффективности коммерческих инвестиций
  • 5.7.3.2 Расчёт экономической эффективности инвестиционного проекта
  • Заключение

Введение

В современных интеллектуальных зданиях системы автоматизации и управления зданиями занимают ключевое место, обеспечивая взаимосвязь всего инженерного оборудования и систем здания.

В ряде исследований последних лет показана устойчивая тенденция к возрастанию доли стоимости и объема инженерных систем и систем автоматизации в общей стоимости строительных объектов. Развитие этой тенденции к настоящему моменту привело к качественному изменению места и роли систем автоматизации и управления зданиями с одной стороны и концепции взаимной увязки инженерного оборудования объектов и организационно-технических решений по эксплуатации с использованием систем автоматизации и управления зданиями с другой стороны.

В то же время, системы автоматизации и управления зданиями формируют базу для создания новых сервисов для пользователей в рамках объекта. Это находит выражение в повышении потребительской привлекательности интеллектуальных зданий, выражающейся, в частности, в снижении страховых рисков за счет повышения устойчивости интеллектуальных зданий к различным дестабилизирующим факторам и снижении расходов на эксплуатацию, т.е. в повышении эффективности интеллектуальных зданий по сравнению с традиционными решениями.

Дешевая рабочая сила и энергоносители замедляют продвижение технологий автоматизаций зданий на российский рынок, однако конкуренция на рынке недвижимости делает их все более востребованными.

Вместе с тем, экономический рост последних лет, ведет от избытка электроэнергии в прошлом к ее дефициту в будущем, что, в свою очередь, создает предпосылки более широкого внедрения энергосберегающих технологий и алгоритмов управления, которые, в первую очередь, обеспечиваются системами автоматизации зданий.

программный продукт умный дом

Целью работы является создание микропроцессорной системы управления зданием, внедрение которой даст возможность управлять работой ее объектов (освещением, электроснабжением, вентиляцией, отоплением) в автоматическом режиме.

Основные задачи разработки системы: анализ существующих методов построения системы автоматического управления зданием, выбор наиболее подходящей аппаратной базы, выбор средств разработки программного обеспечения для контроллера и человеко-машинного интерфейса, разработка алгоритмов управления работой объекта и реализация этих алгоритмов в программном обеспечении для контроллера и человеко-машинного интерфейса.

1. Анализ технологий "умного дома"

1.1 Базовые понятия "умного дома"

За последние 20.30 лет системы автоматизированного управления перестали быть модной экзотикой. Вне зависимости от области применения, будь то здание, сборочный цех или поезд метро, целью внедрения таких систем являются снижение эксплуатационных расходов, обеспечение важной информацией, повышение безопасности и комфорта. Но, несмотря на то, что журналистов модных изданий сейчас больше интересуют достижения традиционных IT-компаний, прогресс в области автоматики управления может в ближайшем будущем оказать на наше мироощущение не меньшее воздействие, чем появления сотовых телефонов и Internet. [1]

Для того чтобы понять, как сильно изменились возможности в области автоматизации за последние годы и как они еще поменяются, важно осознать значение некоторых технологических прорывов, которые произошли за последние годы. Разработчики не стоят на месте. Предсказать, как далеко они уйдут вперед всего через несколько лет, можно только, бросив взгляд назад.

После завершения эры мэйнфрэймов, широкое развитие получили сети миникомпьютеров, а затем, дешевых персональных ЭВМ, способных, тем не менее, решать достаточно сложные профессиональные задачи. В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении. Объединенные в сети, подобные устройства находят все более широкое применение в системах автоматики различного назначения.

Правда, на пути технического прогресса оказалось немало серьезных препятствий. Мало того, что системы автоматики различного назначения были автономны, но и сходные по управляющим функциям системы различных производителей были, как правило, несовместимы между собой. Фирмы-разработчики использовали свои закрытые коммуникационные протоколы и не предусматривали интерфейсов для взаимодействия с системами других производителей. Являясь собственностью отдельных компаний, соответствующие продукты и технологии автоматизации с трудом поддавались интеграции друг с другом. Для решения этой проблемы требовались дорогостоящие технические решения, связанные с написанием нового программного обеспечения, изменения топологии сети и закупки дополнительных компонентов.

Таким образом, в определенный момент на рынке сложились объективные предпосылки для успешного внедрения новых подходов в области автоматизации.

В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении.

Как комплексное решение задачи сначала появились Intelligence Buildings (интеллектуальные здания), основой которых были структурированные кабельные сети. Система позволяла коммутировать и использовать один и тот же кабель для нужд АТС, компьютерной сети, системы безопасности и т.д. Потом начали появляться системы мультиплексирования каналов связи, позволяющие передавать по одному кабелю различную информацию одновременно. Бурно развивающаяся информатика позволила форсировать эти работы, когда всем стало ясно, что любой проект кабельной системы здания устаревает к моменту завершения строительства.

Поскольку развитие данного направления представлялась более чем сверхприбыльным, на него были пущены немалые средства, и в результате появилась идея "умного дома". Типичный пример такого здания показан на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - "Умный дом"

"Умный дом" - это комплекс электроники, которая работает внутри или снаружи дома и выполняет централизованное управление всеми (или почти всеми) инженерными системами. Под инженерными системами понимается всё техническое оборудование дома (от канализации до аудио-видео техники). Идея "умного дома" состоит в том, что единый комплекс электроники согласованно управляет работой всего инженерного обеспечения дома. [2]

Очень важно, чтобы алгоритмы взаимодействия подсистем в доме были гибкими, и могли приспосабливаться под изменяющиеся нужды владельца дома. В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении. Самая главная аксиома "умного дома" состоит в том, что система управления и её инженерные подсистемы должны быть построены по блочному принципу. Это означает, что каждая подсистема должна уметь работать автономно, чтобы её работу можно было отладить и обслуживать, отключив оборудование от центрального управления.

"Умный дом" имеет ряд преимуществ: позволяет экономить до 10-18% электроэнергии, повышать комфорт и безопасность и т.д.

Принцип работы "умного" дома заключается в центральном компьютере, принимающем сигналы от командных устройств, затем эти сигналы передаются исполнительным системам. Управление различными устройствами осуществляется простейшей системой автоматики.

Впервые задача по созданию "умного дома" была решена в 1978 году компаниями Х10 USA и Leviton, которые разработали технологию для управления бытовыми приборами по проводам бытовой электросети. В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении. Но технология эта была рассчитана на напряжение 110В и частоту сети 60 Гц, поэтому не получила распространения в России. Впрочем, Х10 сегодня уже считается устаревшим, поскольку создавался для управления электроосветительными устройствами и поддерживал всего шесть команд управления питанием. Для создания "интеллектуального дома" этого явно недостаточно. Аудио - и видеотехника требуют как минимум команд смены каналов, изменения громкости, перемотки и управления воспроизведением; а ведь требуется управлять еще системой HVAC (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха). В поисках решений этой проблемы различными компаниями предпринимались попытки к разработкам новых протоколов передачи данных.

1.2 Протоколы передачи для автоматизации зданий

На сегодняшний день насчитывается более трех сотен разных протоколов передачи данных в системах автоматики. Все они должны соответствовать определённым требованиям.

В системах автоматизации ошибка в передаваемых от контроллера или к нему данных означает сбой исполнительного механизма. Стоимость такой ошибки может быть очень велика. Поэтому краеугольными требованиями, предъявляемыми к протоколу передачи данных, является надежность протокола, его устойчивость к ошибкам и возможным обрывам линии. В таблице 1.1 приведены возможные варианты инженерных решений этой задачи.

Таблица 1.1 - Варианты решений, применяемые для повышения устойчивости протоколов передачи данных к ошибкам

Задача, решаемая системой передачи данных

Применяемое решение.

Надежная передача сообщений, контроль целостности

В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении.

Защита от сбоев

Избыточность посредством дублирования узлов, линий, сетей.

Кольцевая топология, позволяющая сохранить связь при локализованном обрыве.

Изоляция сбойных участков и восстановление.

Автоматическая идентификация сбойного узла.

Дистанционное управление посредством удаленных команд процессом изоляции и отключения сбойных узлов.

Системы контроля и управления зданий подвергаются расширению несколько раз в течение жизненного цикла. В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении. Как правило, если предприятие осваивает новую продукцию или расширяет производство, существующие датчики либо заменяются, либо дополняются более точными. При этом, протягивая линии связи к новым контроллерам или интеллектуальным адресным датчикам, зачастую приходится сталкиваться с жесткими требованиями топологии используемого протокола. Поэтому в данном случае, идеальным будет протокол, имеющий минимальные требования к топологии линий. Такой протокол принято называть протоколом со свободной топологией. В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении. Эти процедуры должны быть определены недвусмысленно, ясно и четко и быть безошибочно реализованы так, чтобы всевозможные узлы и контроллеры могли взаимодействовать между собой. [4]

Основными доступными сейчас и в будущем вариантами протоколов являются:

Решения, основанные на CAN, такие как CAN автоматизация,

DeviceNet, J1850 и SDS;

Шины простых сенсоров Seriplex и Bitbus;

Технология LonWorks;

CEBus;

BACnet;

Промышленная шина EtherCat;

Естественно существуют и другие схемы, предназначенные для решения специфических задач. Компании, разработчики протоколов, не предполагали продавать их третьим организациям, а планировали использовать их в своей работе. В таблице 1.2 сведены несколько характеристик вышеприведенных протоколов.

Таблица 1.2 - Основные характеристики протоколов передачи

Характеристики

BACnet

CAN-based

(SDS, DeviceNet

CEBus

EtherCat

LONWORKS

Область применения

Автоматизация зданий

Трнаспорт (J1850,J1939)

Дискретная автоматизация (SDS, DeviceNet)

Автоматизация здания

Автоматизация зданий

Управление производством

Автоматизация фабрик

Транспорт

Автоматизация жилища

Уровни OSI/ISO

1,2,3,7

1,2,3,7

1,2,3,4,5,6,7

1,2,3,4,5,6,7

Поддерживаемые среды передачи

Витая пара (SDS, DeviceNet)

Альтернативные решения на основе оптоволокна для сетей CAN

Силовые электрические линии (FCC)

Коаксиальный кабель

RF

Витая пара.

Оптоволокно

Витая пара со свободной топологией

Витая пара

Линии электропитания (решение, совместимое со стандартами FCC и CENELEC)

Оптоволокно

Коаксиальный кабель

RF (несколько диапазонов)

Скорость передачи данных

10 Mbps

1 Mbps (CAN)

1 Mbps (SDS)

500 Kbps (DeviceNet)

6.666 kbps

(или 10 kbps

10 Mbps

Максимальное адресное пространство

248

216

65535 узлов в сети

248 доменов, 32000 узлов в домене

Поддержка маршрутизаторов сетевого уровня

Есть

Нет

Нет

Есть

Аутентификация

Есть

Нет

На уровне проложения

Есть

Есть

Промышленная шина EtherCAT разработана немецкой фирмой Beckhoff. EtherCAT - это Ethernet-решение для автоматизации, которое отличается высокой производительностью и простотой использования. С помощью EtherCAT можно дополнить Ethernet-топологию типа "звезда" простой линейной структурой. В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении. [3]

С позиции Ethernet шина EtherCAT является ни чем иным, как самостоятельным большим пользователем Ethernet. Этот "пользователь" принимает и посылает Ethernet-пакеты. Но внутри "пользователя" нет никакого Ethernet-контроллера с подсоединенным процессором. Вместо этого там находится множество подчиненных EtherCAT компонентов системы. Они обрабатывают поступающий поток пакетов и вынимают из них необходимые данные или, говоря другими словами, они обрабатывают и передают пакет дальше следующему подчиненному компоненту EtherCAT. В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении. Достоинством шины EtherCAT является короткое время цикла и высокая скорость осуществления передачи. EtherCAT может в 30 мс опрашивать 1000 устройств ввода-вывода с любым цифровым распределением, при этом считывая и записывая с полным дублированием. Для передачи 200 аналоговых значений необходимо 50 мс. EtherCAT поддерживает почти любую сетевую топологию. При использовании кабеля UTP максимальное расстояние между двумя пользователями может достигать 100 м. Количество узлов в сети практически неограниченно, так как их число может доходить до 65535.

С точки зрения аппаратного обеспечения технология EtherCAT находит применение в модулях ввода-вывода. В отличие от контроллеров ввода-вывода, у которых отличается внешний и внутренний протокол обмена, протокол EtherCAT полностью сохраняется вплоть до отдельного модуля ввода-вывода.

Следующий протокол передачи для управления системами "умного дома - это протокол X 10. Торговая марка Х-10 принадлежит американской корпорации, расположенной в Сиэтле. За годы существования технологии (с 1978 года) продано уже более 100 миллионов устройств. И популярность систем Х-10 продолжает нарастать.

X-10 это протокол передачи управляющих сигналов по проводам силовой сети (220В, 50Гц) внутри дома. Формат кода был впервые представлен в 1978 для Sears Home Control System and the Radio Shack Plug 'n Power System. С тех пор многие компании, включая такие как Leviton Manufacturing Co., General Electric, C & K Systems, Schlage Lock Co., Stanley and Heath/Zenith Co развили и воспроизвели стандарт X-10 в своих изделиях, предназначенных для систем управления домом. Система Х-10 получила широкое распространение во многих развитых странах.

Большое преимущество Х-10 состоит в том, что любой модуль начинает работать сразу после установки. В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении. Потребности, вкусы и интересы обитателей любого дома со временем меняются. Технология X-10 позволяет создавать системы управления домом, которые несложно перестраивать и развивать в соответствии с меняющимися запросами Несмотря на то, что у X10 существует множество конкурентов и она имеет свои недостатки, на сегодня это едва ли не самая популярная технология автоматизации домов и квартир. Поскольку для внедрения и возможной последующей модернизации практически не требует прокладки дополнительных сетевых проводов. При переезде на новое место жительства систему можно забрать с собой.

На рисунке 1.3 изображена система EIB, которая также предназначена для создания микропроцессорной сети "умного дома". Она устанавливается как в больших зданиях (банки, больницы, школы, производство), так и в частных коттеджах и квартирах. Система управляет всем комплексом электрики. [4]

1-3 - датчики (освещённости, температуры, движения, дыма);

4 - устройства мониторинга и контроля; 5-8 - исполнительные устройства (освещение, кондиционеры, приводы ворот, жалюзи);

9 - управляющий элемент

Рисунок 1.3 - Пример системы EIB

EIB протокол поддерживает обмен по витой паре (Twisted Pair), непосредственно по силовой линии (Power Line), по радиочастоте (Radio Frequency), по ИК-каналу (Infra-Red). [12] В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении.

Выбор протоколов для системы "умный дом" во многом зависит от свойств технологического процесса, имеющегося инженерного оборудования, которое является объектом автоматизации и типа применяемых ПЛК.

1.3 Описание технологического процесса и модель автоматизации

Объектом автоматизации, который рассматривается в данной дипломной работе, является здание в загородном посёлке. В здании уже имеются определённые инженерные системы, такие как:

отопление;

вентиляция;

освещение;

электроснабжение.

Как видно из вышеперечисленного, все самое необходимое для условий быта есть. Это обычные "радости жизни". В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении. Вентиляция существует как пассивная система без возможной регулировки и толком не несет основных функций. Освещение выполняет лишь 2 функции - включение и выключение без создания какого-либо комфорта особенно по утрам. Поэтому и встал вопрос о создании "умного дома".

Автоматика должна:

управлять работой функциональных элементов;

включать и выключать приводы электромоторов;

осуществлять слежение за оборудованием;

формировать аварийные сигналы: контроль вентиляции контроль отопления, контроль освещения и т.д.

Автоматики позволяет исключить человеческий фактор. Не редко бывает так, что человек по определенным причинам забыл выключить газовую плитку или воду в ванной. Это неминуемо проводило бы к нежелательным последствиям. Автоматики же не даст развития подобным ситуациям и вовремя примет соответствующие действия.

В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении.

Когда определены основные объекты автоматизации, проводится тщательный анализ всего инженерного оборудование и определяется необходимое количество точек входа-выхода для управления системой. В данном случае будут необходимы модули как с дискретными входами-выходами так и с аналоговыми. Общее количество точек ввода-вывода для каждой из систем приведено в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Количество точек входа-выхода для систем автоматизации.

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

Точки ввода

Точки вывода

DI

AI

DO

AO

Управление подогревом тёплых полов

Управление подогревом батарей

Управление системой вентиляции

Управление освещением

Управление подогревом ливнестоков

Мониторинг

Итого

Как видно из таблицы 1.3 количество точек ввода - вывода относительно не велико. Этот показатель имеет существенное значение при построении микропроцессорной сети и выборе программируемых контроллеров, а также модулей ввода-вывода.

2. Разработка системы управления зданием

2.1 Анализ и выбор контроллера

В системе управления работой "умного дома" на контроллер возлагается функции по управлению, коммуникации и настройке внешних устройств (датчики, исполнительные механизмы, регуляторы и т.д.) При этом он является одним из наиболее важных компонентов в цепи обмена данными между полевым оборудованием (датчиками и исполнительными механизмами) и средствами АСУТП верхнего уровня (диспетчерским пунктом).

ПЛК были разработаны для замены релейно-контактных схем управления, собранных на дискретных компонентах: реле, таймерах, счетчиках, элементах жесткой логики. Принципиальное отличие ПЛК от релейных схем заключается в том, что в нем все алгоритмы управления реализованы программно. В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении. ПЛК может обрабатывать дискретные и аналоговые сигналы, управлять клапанами, сервоприводами, преобразователями частоты и другими устройствами. Типовая структура ПЛК показана на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 - Типовая структура ПЛК

Цепи ПЛК разделаны на три основные гальванические изолированные зоны. Электрическая изоляция обеспечивает безопасность, когда отказ в одной зоне не приводит к нарушениям в другой. В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении. Гальваническая изоляция защищает интерфейс оператора (и самого оператора) от сбоев во входном электропитании или сбоев в схемах. Очень важно при монтаже ПЛК исключить создание внешних связей, соединяющих цепи логической стороны с любой другой.

Современный рынок средств автоматизации предлагает широкий спектр аппаратных и программных устройств для построения надежных и удобных в эксплуатации систем. Очень трудно правильно сориентироваться в море контроллеров, промышленных компьютеров, пакетов ПО, чтобы выбрать оптимальное по производительности оборудование и сохранить при этом одного поставщика технических средств и единую среду разработки ПО.

В настоящее время на рынке автоматизации представлен достаточно большой набор ПЛК. Все они имеют различные технические и эксплуатационные характеристики. Среди известных фирм производителей можно выделить такие, как: Advantech, Siemens, Honeywell, Beckhoff и т.д.

Для автоматизации зданий компания Advantech выпускает контроллеры серии ADAM, работающие по интерфейсу RS 485 и протоколу TCP. Одним из представителей серии ADAM является контроллер ADAM 5000/TCP. В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении.

Из серии контроллеров фирмы Siemens можно выделить компактный ряд PXC…D. Эти контроллеры очень часто выбирают фирмы-разработчики в качестве базовых для создания "умных домов". В таблице 2.1 показана классификация входов-выходов контроллера PXC36-T. D Цены на эти ПЛК колеблются от 800 до 1800 EUR.

Таблица 2.1 - Классификация входов-выходов контроллера PXC36-T. D

Контроллер

PXC36-T. D

Общее количество вход/выход

Универсальных входов (UI)

Дискретных входов (DI)

Аналоговых выходов (AO)

Дискретных выходов (DO)

В последнее время, как во всём мире, так и в нашей стране приобретают популярность контроллеры фирмы Beckhoff, которая разработала передовую технологию для любых типов сигналов и любых видов промышленных шин Стоимость контроллеров Beckhoff составляет в среднем от 300 до 1100 EUR. Среди разработок Beckhoff имеется широкий ассортимент модулей ввода-вывода и интерфейсных шлюзов, поддерживающий все наиболее распространенные промышленные шины.

Проведенный анализ контроллеров таких фирм как Advantech, Siemens и Beckhoff показал, что разрабатываемые этими компаниями контроллеры удовлетворяют современным требованиям по автоматизации. В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении. Это позволит значительно снизить затраты на оборудование.

На рисунке 2.2 показан внешний вид контроллера BC9000 Конструктивно контроллер серии ВС9000 выполнен в виде отдельного блока из негорючего пластика. Блок содержит центральный процессор, источник питания, панель управления, коммуникационные порты и объединительную плату для установки модулей ввода-вывода. Контроллер без труда установливается на DIN-рейку или на панель. Причем для монтажа не требуется никаких дополнительных конструктивных элементов. При этом обеспечивается открытый и удобный доступ к панели управления, к слотам для установки или замены модулей ввода-вывода и коммуникационным разъемам.

Рисунок 2.2 - Внешний вид контроллера ВС9000

Контроллер BC9000 работает по протоколу TCP/IP. Программирование и загрузка программы в контроллер осуществляется посредством использования программное обеспечение TwinCAT. [8] Основные характеристики контроллера BC9000 приведены в таблице 2.2

Таблица 2.2 - Основные характеристики контроллера BC9000

Память для программ

Длительность цикла обработки команды

Число подключаемых модулей

Протокол передачи данных

Язык программирования

К-во цифровых периферийных сигналов

К-во аналоговых периферийных сигналов

Сетевой разъём

Электропитание

Рекомендуемый плавкий предохранитель

Из таблицы 2.1 видно, что данный контроллер полностью подходит для построения микропроцессорной сети "умного дома" и удовлетворяет основные требования по количеству поддерживаемых точек ввода-вывода.

2.2 Выбор модулей ввода-вывода

В настоящее время разводка входных и выходных сигналов производится децентрализовано к устройствам, подключенным напрямую к промышленной шине и централизованно к программируемым логическим контроллерам. Нередко используются специфичные устройства с фиксированной конфигурацией сигналов входов/выходов, что приводит к необходимости применения целых групп однотипных устройств.

Этот дорогостоящий способ сбора сигналов требует дополнительных затрат на материалы, монтаж, проектирование и документацию, особенно при дальнейшей модификации или расширении системы, ложась дополнительным бременем на плечи обслуживающего персонала. В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении.

Для подключения датчиков выбраны модули ввода KL1408 и KL3204. Эти модули совместимы с теми типами датчиков, которые используются для построения "умного дома".

Модуль дискретного ввода KL1408 предназначен для получения управляющих сигналов от датчиков и передачи их в контроллер. Подробные технические характеристики приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Технические характеристики модуля KL1408

Количество входов

Номинальное напряжение

"0" напряжение сигнала

"1" напряжение сигнала

Потребление тока

Вес

Диапазон рабочих температур

Относительная влажность воздуха

Модуль аналогового ввода KL3204 предназначен для подключения датчиков температуры (терморезисторов) При возникновении неполадок, например обрыв кабеля между модулем и датчиком, на корпусе модуля загорается соответствующий светодиод. Подробные технические характеристики KL3204 приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Технические характеристики модуля KL3204

Количество входов

Тип поддерживаемых датчиков

Диапазон температур считываемых с датчиков

Время отклика

Потребление тока

Вес

Диапазон рабочих температур

Относительная влажность воздуха

Для подключения исполнительных механизмов используются модули вывода KL2408 и KL4404. Внешний вид модуля KL2408 изображён на рисунке 2.3

Рисунок 2.3 - Внешний вид модуля KL2408

KL2408 - это модуль дискретного вывода. KL2408 имеет встроенную защиту от смены полярности питания. Световая индикация на модуле отображает наличие обмена данными между технологическим оборудованием, подключенным к выходам модуля и контроллером. Подробные технические характеристики приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - Основные технические характеристики модуля KL2408

Количество выходов

Напряжение питания нагрузки

Максимальный выходной ток

Защита от смены полярности напряжения питания

Вес

Диапазон рабочих температур

Относительная влажность воздуха

KL4404 - это модуль аналогового вывода. Световая индикация на модуле отображает наличие обмена данными между технологическим оборудованием, подключенным к выходам модуля и контроллером.

Подробные технические характеристики приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Основные технические характеристики модуля KL4404

Количество выходов

Напряжение питания нагрузки

Напряжение питания модуля

Время отклика

Погрешность

Вес

Диапазон рабочих температур

Относительная влажность воздуха

Управление каналами ввода-вывода осуществляется по "промышленной шине" через интерфейсный модуль Bus coupler, который выбирается по типу шины, в соответствии с необходимыми требованиями. Использование технологии распределенного ввода-вывода при проектировании, конструировании, кабельной разводке, пуско-наладке и эксплуатации систем домашней автоматизации экономически выгодно.

В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении.

Модули стыкуются один за другим, в произвольной последовательности, образуя прочную наборную конструкцию. Электрический контакт осуществляется соединением до щелчка без дальнейших манипуляций. При этом каждый модуль может заменяться по отдельности. [1]

Клеммная панель со светодиодными индикаторами статуса и съемные поля для нанесения текста обеспечивают четкую идентификацию. Трехпроводная технология, дополняемая защитным соединением, позволяет напрямую соединять кабелем датчики и исполнительные механизмы. В таблице 2.7 приведён список и порядок подключения модулей ввода-вывода к контроллеру, на основании которого будет осуществляться программирование и построение микропроцессорной сети.

Таблица 2.7 - Последовательность подключения модулей к контроллеру

№ модуля

Марка

Назначение

1

DO

2

KL 4404

3

AO (0-10 B)

4

KL 4404

5

AO (0-10 B)

6

KL 4404

7

DI

8

KL 1408

9

DI

10

KL 1408

11

DO

12

KL 2408

13

DO

14

KL 2408

15

AI (RTD)

16

KL 3204

17

AI (RTD)

18

KL 3204

19

AI (RTD)

20

KL 3204

21

AI (RTD)

22

KL 3204

2.3 Разработка микропроцессорной сети

Для удобства монтажа часть модулей ввода-вывода будет располагаться в другом здании. В связи с этим возникает необходимость в создании микропроцессорной сети для "умного дома".

Сеть автоматики типичного здания обычно состоит из трех уровней:

уровень управления;

уровень автоматизации;

уровень оборудования.

Уровень управления - это средства отображения информации, диспетчеризации и управления узлами здания. Контроль посредством человеко-машинного интерфейса, компактных диспетчерских модулей-мониторов, рассылка уведомлений на мобильные телефоны, пейджеры, факсы и электронную почту.

В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении.

Уровень оборудования - датчики и исполнительные механизмы системы автоматизации. Датчики и исполнительные механизмы обеспечивают связь системы автоматики с технологическим оборудованием. Модули ввода/вывода для интегрирования оборудования третьих фирм и обеспечения полной совместимости. На рисунке 2.4 представлены основные компоненты системы автоматики здания.

Рисунок 2.4 - Основные компоненты системы автоматизации здания

Основные инженерные системы, которые рассмотрены для сети умного дома:

управление подогревом тёплого пола;

управление подогревом батарей;

управление освещением;

управление обогревом ливнестоков.

Системы друг от друга независимые, но соединены в единую сеть для общего и детального мониторинга с операторского пульта или комнатных модулей.

Аппаратное обеспечение микропроцессорной системы включает в себя: контроллер BC 9000; устройство сопряжения BK9000; модули дискретного вывода KL 2408; модули аналогового вывода KL 4404; модули дискретного ввода KL 1408; модули аналогового ввода KL 3204;

Общая архитектура системы управления представлена на рисунке 2.5

Рисунок 2.5 - Общая архитектура сети

К сегменту сети с контроллером BC9000 подключаются модули ввода-вывода, датчики и исполнительные механизмы, отвечающее за управление тёплым полом, радиаторами и вентиляцией. В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении. Микропроцессорная сеть с модулями ввода-вывода, датчиками и исполнительными механизмами показана на рисунке 2.7

Рисунок 2.7 - Микропроцессорная сеть с датчиками и модулями

3. Детальная разработка систем автоматизации

3.1 Анализ программного обеспечения для работы с контроллером

Автоматизированные системы управления могут успешно внедряться в производство лишь при наличии надежного аппаратного оснащения и проработанного, отлаженного программного обеспечения. Первое условие - внедрение аппаратной части - в большинстве случаев не вызывает особых затруднений ввиду широкого выбора и качества устройств для промышленной автоматизации. Основной проблемой при внедрении АСУ ТП может стать программное обеспечение.

Задачи программирования контроллеров для систем автоматизации весьма специфичны, сложны, трудоемки и, естественно требуют для своего решения соответствующих инструментальных средств программирования. Использование универсальных языков программирования высокого уровня (С, Pascal, Fortran, Basic) и языков Ассемблера позволяют решать эти задачи, но требуют при этом обширных знаний теории и технологии программирования, особенностей конкретной операционной системы и тонкостей аппаратного обеспечения (контроллеров, модулей сопряжения и т.п.). В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении Так как для автоматизации здания выбран контроллер фирмы Beckhoff, то все работы по конфигурированию и написанию программного обеспечению будут осуществляться в TwinCAT. На рисунке 3.1 приведена общая структура системы TwinCAT.

Рисунок 3.1 - Структура системы TwinCAT

В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении.

Из общей структуры системы TwinCAT необходимо выделить TwinCAT PLC. TwinCAT PLC предназначен для создания программы, управляющей логикой работы ПЛК. Программы для ПЛК создаются на одном или нескольких языках стандарта IEC 61131-3:

IL (язык линейных инструкций);

LD (язык контактно-релейных схем);

FBD/CFC (язык программирования с использованием функциональных блоков);

SFC (язык программирования с использованием последовательных функциональных схем);

Программирование осуществляется:

локально

через TCP/IP

На каждом из пяти приведённых языков программирования можно реализовать практически любой алгоритм. Поэтому выбор наиболее удобного языка программирования остаётся за разработчиком. Для написания основной логики работы "умного дома" в качестве базового языка был использован язык ST. На рисунке 3.2 показано диалоговое окно, в котором происходит выбор языка программирования.

Рисунок 3.2 - Выбор языка программирования в PLC Control

3.2 Система обогрева помещений

В здании используется два типа обогрева:

тёплый пол;

радиаторы.

Первый метод состоит в том, что при обогреве водяным теплым полом источником тепла служит нагретый теплоноситель, как правило, это вода из горячего стояка или из центрального отопления, которая проходит по трубам в полу.

В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении. На рисунке 3.3 приведён график зависимости изменения сопротивления от изменения параметров температуры окружающей среды.

Рисунок 3.3 - График зависимости сопротивления от изменения температуры

Данные с датчиков передаются на входы модулей ввода KL 3204. Схема подключения датчиков температуры к модулю KL 3204 приведена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Схема подключения датчиков температуры к модулю KL3204

Контроллер обрабатывает полученные данные от модуля KL3204 и если порог заданной пользователем температуры больше текущей температуры в данном помещении, то с соответствующего выхода одного из модулей вывода KL2408 подаётся напряжение питание технологического оборудования соответствующее "24 В". Схема подключения технологического оборудования к модулю KL2408 показана на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Схема подключения технологического оборудования к модулю KL2408

В данном случае напряжение питания поступает на двух позиционный термоэлектрический сервопривод, внешний вид которого изображён на рисунке 3.6 Сервопривод может иметь только два состояния - ОТКРЫТ и ЗАКРЫТ.

Рисунок 3.6 - Термоэлектрический сервопривод

При подаче напряжения питания клапан на сервоприводе принимает положение ОТКРЫТ и вода из горячего стояка поступает в трубы. После того как достигнут заданный порог температуры клапан меняется своё состояние на противоположное и подача воды в систему прекращается. В таблице 3.1 показано соответствие номеров модулей ввода-вывода и номеров входов-выходов, использованных при программировании данной системы управления.

Таблица 3.1 - Номера входов-выходов модулей ввода-вывода

№ модуля

№ входа

Значение

№ модуля

№ выхода

2

тп гараж

1

AI 16

тп гладильная

2

4

DO11

4

AI 17

тп сан узел 1эт

3

2

тп сан узел 25

5

AI 20

DO11

6

4

тп сан узел 28

7

На рисунке 3.7 изображён алгоритм работы системы отопления.

Рисунок 3.7 - Алгоритм работы системы отопления.

Ниже приведён фрагмент программы на языке программирования ST реализующий алгоритм работы системы отопления:

IF NOT read. kl3204_16. error [2] THEN

********************************************************

write. kl2408_11 [1]: = FALSE;

**********************************************************

write. kl2408_11 [1]: = TRUE;

**********;

END_IF;

************************************

IF read. kl3204_16. temp [4] <= (write. predTemp. tempDush - 2.5) THEN

write. kl2408_11 [4]: = FALSE;

*********************************************************

write. kl2408_11 [4]: = TRUE;

END_IF;

В основу работы второго метода обогрева заложен тот же самый принцип и используются практически такое же оборудование. В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении.

3.3 Система вентиляции

Системы вентиляции устанавливаются во всех жилых и офисных помещениях. При отсутствии вентиляции в закрытых помещениях возрастает концентрация углекислого газа и других вредных веществ. Это негативно сказывается на самочувствии людей, вызывает головную боль, сонливость, потерю работоспособности. Частично проблему можно решить, периодически открывая окно или форточку для проветривания помещения, однако в этом случае вместе со свежим воздухом внутрь попадает пыль, разные запахи, уличный шум.

Для решения всех этих проблем и существуют системы вентиляции воздуха.

По способу перемещения воздуха системы вентиляции делятся на:

естественную вентиляцию;

искусственную вентиляцию.

Естественная вентиляция создается без применения электрооборудования (вентиляторов, электродвигателей) и происходит вследствие естественных факторов - разности температур наружного воздуха и воздуха в помещении, вследствие изменения давления в зависимости от высоты, а так же вследствие ветрового давления. Естественные системы вентиляции недороги и просты в монтаже. Однако их эффективность сильно зависит от внешних факторов (температуры воздуха, направления и скорости ветра и т.д.). Поэтому с помощью таких систем не удается решить все задачи в области вентиляции.

В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении.

В здании используется искусственная вентиляция. Пользователь имеет возможность управлять оборотами электродвигателя вентилятора и температурой подогрева воздушного потока. Это даёт возможность изменять скорость прохождения потоков воздуха комфортной температуры по вентиляционным шахтам здания. Для изменения оборотов электродвигателя между контроллером и электрическим двигателем используется вспомогательное оборудование - блоки управления, внешний вид которых изображён на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 - Блоки управления скоростью вращения вентилятора

На блоки управления поступают управляющие сигналы от "0" до "10 В" с выходов модуля аналогового вывода KL2408. Схема подключения блоков управления к KL4404 приведена на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Подключение блоков управления к модулю KL4404

Далее воздушный поток поступает на электрический тэн, который обеспечивает подогрев воздуха в холодное время до заданной пользователем температуры. Рядом с тэном устанавливается датчик температуры Ni 1000. Данные с датчика передаются на модуль дискретного ввода KL3204. Контроллер обрабатывает полученные данные и если заданная температура выше, чем температура поступившая с датчика, на блок управления подогревом тэна с модуля KL 4404 подаётся управляющее напряжение от "0" до "10 В". Общая схема подключения системы вентиляции к модулям ввода-вывода показана на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 - Схема подключения системы вентиляции к модулям Beckhoff

В таблице 3.2 показано соответствие номеров модулей ввода-вывода и номеров входов-выходов, использованных при программировании данной системы управления.

Таблица 3.2 - Номера входов-выходов модулей ввода-вывода

№ модуля

№ входа

Значение

№ модуля

№ выхода

Выход

1

Темп возд. в калориф №1

3

AI 22

АО 5

1

Управл скор. вращ вентил.

Фрагмент программы на языке программирования ST реализующий алгоритм работы системы вентиляции.

IF NOT read. kl3204_22. error [1] THEN

************************************************************* K: =_K, T0: = _T0, Ti: = _Ti, Td: = _Td);

IF NOT fb_pidCtrl [10]. bErr THEN

***********************************;

END_IF;

END_IF;

IF NOT read. kl3204_22. error [2] THEN

*************************************************************, K: =_K, T0: = _T0, Ti: = _Ti, Td: = _Td);

IF NOT fb_pidCtrl [11]. bErr THEN

**************************************;

END_IF;

END_IF;

write. kl4404_5. data [1]: = write. misc. polarBeer;

3.4 Система управления освещением и ландшафтным отоплением

Система управления освещением подразумевает в себе включение осветительных приборов от сумеречного реле в автоматическом режиме, либо пользователем в ручном режиме. При работе в автоматическом режиме фоточувствительный элементом соотносит степень освещенности внешней среды с установленным уровнем и если результат положительный происходит срабатывание сумеречного реле. Схема подключения сумеречного реле TWS-1 показана на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 - Схема подключения сумеречного реле TWS-1

В данном случае в качестве нагрузки используется реле. При срабатывании датчика контакты реле замыкаются и на выходе появляется напряжение "24 В". К выходам реле подключен модуль дискретного ввода KL1408. На рисунке 3.12 показана схема подключения нагрузки к KL 1408.

Рисунок 3.12 - Схема подключения нагрузки к KL 1408.

В данной дипломной работе некоторые фрагменты текста отсутствуют или замещены на текст не соответствующий теме этого диплома. Отсутствуют или не соответствуют некоторые необходимые формулы, расчеты, диаграммы и таблицы. Для получения оригинальной версии работы пишите на электронный адрес, указанный в конце дипломной работы, в заключении. В таблице 3.3 показано соответствие номеров модулей ввода-вывода и номеров входов-выходов, использованных при программировании данной системы управления.

Таблица 3.3 - Номера входов-выходов модулей ввода-вывода

№ модуля

№ выхода

Значение

Выход

3

Свет домофона

220 В

DO 13

220 В

5

220 В

DO 13

Фонари в яме

220 В

7

220 В

DO 13

220 В

1

Свет столбики

220 В

DI 10

1-если ночь

Алгоритм работы системы освещения показан на рисунке 3.13

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены