Лекция 1. Технологи передачи данных, применяемые в промышленности

BACnet расшифровывается как Building Automation Control network и представляет из себя коммуникационный протокол для автоматизации зданий, разработанный ассоциацией ASHRAE (ANSI/ASHRAE стандарт 135-2001), а недавно получивший статус еще и стандарта ISO 16484-5.

Главная цель протокола BACnet — стандартизировать взаимодействие между устройствами систем автоматизации зданий от различных производителей, позволяя вести обмен информацией и совместную работу оборудования.

Для чего разрабатывался протокол BACnet?

ASHRAE осознавало, что системам автоматизации зданий необходим общий стандартизированный протокол. Это было связано с тем, что данная область по своей природе склонна к применению закрытых протоколов, не позволяющих существующим системам от разных производителей вести совместную работу и взаимодействовать.

В 1987 году ASHRAE предприняло попытку разработать протокол (набор правил), управляющий взаимодействием между различными устройствами, используемыми в системах автоматизации зданий. В настоящее время стандарт BACnet принят ANSI (Американским Национальным Институтом Стандартов) и ASHRAE, а также получил международное признание и был адаптирован в ряде стран в качестве национального стандарта. Так была заложена основа для будущего развития этой области промышленности.

Что представляет из себя BACnet оборудование?

BACnet-устройства по своей физической сущности напоминают другие стандартные устройства систем автоматизации зданий, но их физическая форма — это не главное, т.к. BACnet — это всего лишь набор правил по взаимодействию между устройствами в системах автоматизации здания. Микропроцессоры этих устройств программируются, а значит, они смогут «понимать» друг друга и соответствовать требованиям протокола BACnet. Физическая природа самого устройства остается неизменной.

Протокол Profibus

Протокол Profibus (Process Field Bus) – это комплексной понятие открытой промышленной сети, построенной на основе прототипа, разработанного компанией Siemens AG для промышленных контроллеров Simatic при поддержке правительственных органов Германии в 1989 году. Позже по наработкам этого прототипа Организация пользователей Profibus создала международные стандарты открытой промышленной сети Profibus. Наибольшую популярность технология Profibus получила на территории Европы, а вышло так благодаря высокой скорости передачи, большой длины соединений, внушительных возможностей по обработке информации и другим преимуществам этой технологии. На сегодняшний день этот протокол считается по праву одной из лучших сетевых технологий в сфере промышленной автоматизации.

Протокол Profibus отвечает международным стандартам IEC 61158 и EN 50170. Построена сеть в соответствии многоуровневой сетевой модели ISO 7498. Из возможных вариантов обмена данными используется либо обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA), либо обмен между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS).

Открытая, независимая система связи возможна в построении благодаря использованию стандартных протоколов, речь о которых пойдет ниже.

Согласно сетевой модели ISO 7498, протокол Profibus имеет следующие уровни:

1. Физический уровень. На этом уровне осуществляется контроль характеристики физической передачи данных.

2. Канальный уровень. На этом уровне определяется конкретный протокол доступа сети.

3. Прикладной уровень. На этом уровне осуществляются прикладне функции.

На физическом уровне Profibus может представлять собой инфракрасную сеть/оптическую сеть/электрическую сеть с топологией шина, созданной на основе экранированной витой пары, в соответствии стандарта RS-485.

Скорость передачи данных, может колебаться в пределах от 9, 6 Кбит/сек до 12 Мбит/сек(в случае использования FMS спецификации).

Благодаря Profibus, о чем уже писалось выше, устройства разных производителей могут объединятся в одну общую сеть.

Существует 3 протокола передачи данных:

1. Profibus DP (где DP это- Decentralized Peripheral — Распределенная периферия) – протокол, основная задача которого состоит в осуществлении высокоскоростного обмена данными между ведущими — системами автоматизации и ведомыми — устройствами распределённого ввода-вывода данных. Этот протокол так же отмечают, как протокол с минимальным временем реакции и высокой степени стойкости к электромагнитным помехам. Протокол электрически близок к RS-485, однако сетевая карта оборудована рефлективной памятью, для минимизации загрузки центрального процессора контроллера.

2. Profibus PA (где РА – это Process Automation — автоматизация процесса) – это протокол обмена для оборудования расположенного в взрывоопасных зонах. Полностью соответствует стандарту IEC 61158-2. Датчики, исполнительные механизмы, приводы можно подключать на одну линейную шину или кольцевую шину.

3. Profibus FMS (где FMS – это Fieldbus Message Specification — спецификация сообщений полевого уровня) — это протокол разработанный для обеспечения высокоскоростной передачи данных между контроллерами и компьютерами на более высоких уровнях АСУ ТП. Именно этот протокол позволяет достигать скорости передачи порядка 12 мБит/с.

Благодаря одинаковым технологиям передачи данных в DP и FMS вариантах протокола, а так же одному и тому же методу доступа к шине, они могут работать на одной и той же шине.

Максимально возможное количество узлов в системах Profibus достигает 127. Длина соединения может быть от 100 м до 24 км(естественно, при применении оптического волокна). Возможные коннекторы: 9-штырьковый разъем типа D-Shell либо 12- миллиметровый разъём IP67.

LonWorks

LonWorks — сетевая платформа для достижения производительности, гибкости, соответствия инсталляционным и эксплуатационным потребностям в задачах активного мониторинга и управления.

Платформа построена на созданном компанией Echelon Corporation протоколе сетевого взаимодействия устройств через различные среды передачи данных, такие как, витая пара, линии электропитания, оптоволокно, и беспроводные радиочастотные.

Платформа взяла свое начало с создания чипа, технологии передачи сигналов по витой паре и линиям электропитания, маршрутизаторов, сетевого управляющего программного обеспечения, и других продуктов. Начало было положено компанией Echelon Corporation. В 1999 коммуникационный протокол LonWorks - LonTalk был представлен на рассмотрение в ANSI (American National Standards Institute) и принят как стандарт для сетей управления (ANSI/EIA709.1-B). Созданные фирмой Echelon технологии передачи сигналов по витой паре и линиям электропитания были также представлены в ANSI для стандартизации и утверждения. С тех пор, ANSI/EIA709.1 был принят как базис для стандартов IEEE 1473-L (управление в поездах), AAR (Association of American Railroads) электро-пневматических тормозных систем грузовых поездов, IFSF (управление автозаправочной станцией), SEMI (производство полупроводникового оборудования), и в 2005 как EN14908 (Европейский стандарт автоматизации зданий). Также, протокол LonTalk используется как один из уровней данных в BACnet ASHRAE/ANSI стандарта для автоматизации зданий.

Использование

Принятие протокола LonTalk как ANSI стандарта стимулировало появление стандартов в различных областях индустрии, включая IEEE 1473-L (управление в поездах), AAR (Association of American Railroads) электро-пневматических тормозных систем грузовых поездов, IFSF (управление автозаправочной станцией), SEMI (производство полупроводникового оборудования). Протокол используется как один из уровней данных/физический в BACnet ASHRAE/стандарт ANSI стандарт для автоматизации зданий. Более того, в 2005 Европейское сообщество приняло стандарт автоматизации зданий EN14908, в основу которого положен LonWorks; Китай ратифицировал технологию как национальный стандарт управляющих сетей — GB/Z 20177.1-2006, и как стандарт интеллектуальных зданий и строений — GB/T 20299.4-2006; в 2007 CECED, Европейский комитет производителей бытовой техники, принял протокол как часть стандарта Управление и Мониторинг Бытовой Техники — Спецификация Межсетевого Использования (Household Appliances Control and Monitoring — Application Interworking Specification (AIS)).

Основным недостатком интерфейса LonWorks является то, что он разрабатывался не только как уникальное техническое решение, но и как коммерческий проект, способный принести хорошую прибыль. Именно поэтому в стоимость каждого чипа включена стоимость лицензии на использование программного обеспечения. И все же, несмотря ни на что, интерфейс LonWorks продолжает завоевывать все больше и больше жизненного пространства и популярности, поскольку выигрыш от его использования значительно выше затрат на программное обеспечение и его установку.

Применения использующие LonWorks

• Управление поставками
• Производство полупроводниковых приборов
• Системы управления освещением
• Системы управления потреблением энергии
• Системы Отопление/вентиляция/кондиционирование воздуха
• Системы безопасности
• Домашняя автоматизация
• Управление бытовой техникой
• Уличное освещение, мониторинг, и управление
• Управление автозаправочной станцией (IFSF)

LanDrive

LanDrive2 — это универсальная платформа для построения классических шинных распределённых систем управления в системах умный дом, в автоматизации зданий, созданная российской компанией INSYTE на базе протокола Modbus/RTU. Предназначена для управления внутренним и уличным освещением, силовыми нагрузками, электроприборами, а также такими системами как отопление, кондиционирование, вентиляция, охранная сигнализация, контроль доступа, контроль протечек воды. Также возможно управление: аудио-, видеотехникой, жалюзи, рольставнями, шторами, воротами, насосами, двигателями. В основном ориентирована на применение в составе «умного дома»

Структурно система состоит из центрального контроллера и исполнительных модулей, связанных между собой полевой шиной (сетью). К исполнительным модулям подключаются управляемое оборудование. Используя любой Modbus OPC сервер, возможно управление системой без центрального контроллера, с компьютера. Также возможна интеграция в любую SCADA систему (SCADA - аббр. от англ. supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных).

Протокол передачи данных

Для взаимодействия система использует на физическом уровне стандарт RS-485. Для взаимодействия на прикладном уровне используется широко известный протокол Modbus/RTU. Оборудование поддерживает скорость обмена информацией в режимах 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 76800, 115200 бит/c, что достаточно для мгновенного выполнения команд. Максимальное количество устройств, управляемых одним главным контроллером (ПЛК) — 100. Возможно объединение нескольких главных контроллеров в одну сеть. Ввиду использования стандартных протоколов возможно включение в систему оборудования сторонних производителей, также возможно использование устройств серии LanDrive в других системах.

Элементы системы

• Центральный управляющий контроллер, позволяющий управлять всеми устройствами по заданным сценариям. Имеет на борту GSM-модем, порт Ethernet, порт RS-232, USB-порт, порт 1Wire, 4 реле, 4 дискретных входа, 2 аналоговых входа 0-10В.
• Релейные модули, обеспечивающие коммутацию мощной нагрузки от 0, 6 до 5, 0 кВт, а также опрос датчика типа «сухой контакт».
• Диммирующие модули, обеспечивающие возможность плавного изменения мощности в нагрузке от 0, 6 - 1, 0 кВт.
• Модули инфракрасной связи, обеспечивающие приём команд с пультов дистанционного управления и передачу сохранённых команд на телевизоры, кинотеатры, кондиционеры, любую ИК-технику.
• Модули управления приводами, моторами, жалюзи, рольставнями, воротами, шторами, экранами.
• Модули с цифровыми входами, обеспечивающие опрос нескольких датчиков.
• Модули расширения с аналоговыми входами-выходами, обеспечивающие опрос аналоговых датчиков, например, температуры, и управление аналоговыми устройствами.
• Модули и датчики сбора информации: температуры, влажности, движения.
• Блоки питания всей системы и центрального контроллера.

Программирование

В этой системе необходимо программирование только главного контроллера. Для программирования используется специализированное программное обеспечение — LanDrive Configurator Pro.

Оперативное управление

Система может управляться с помощью большого перечня программного обеспечения:

• IridiumMobile для Windows, AppleOS, Android
• SCADA-приложения для любых ОС
• OPC-серверы Modbus
• Специальные приложения для управления зданиями, умными домами, такие как TeslaScada, ScadaMobile.

Весь перечень приложений позволяет осуществлять оперативное визуализированное управление умным домом, в том числе:

• управление системой LanDrive с сенсорных мониторов, панелей;
• управление системой LanDrive с карманных компьютеров;
• управление системой LanDrive с iPod, Android, iPad и iPhone;
• управление системой LanDrive через Интернет по защищеному каналу;
• объединение множества центральных контроллеров SPIDER2 в единую сеть;
• создание собственных виртуальных панелей управления зданием;
• возможность интеграции с оборудованием сторонних производителей.

1-Wire

1-Wire (англ. один провод) — двунаправленная шина связи для устройств с низкоскоростной передачей данных (обычно 15, 4 Кбит/с, максимум 125 Кбит/с в режиме overdrive), в которой данные передаются по цепи питания (то есть всего используются два провода — один для заземления, а второй для питания и данных; в некоторых случаях используют и отдельный провод питания). Разработана корпорацией Dallas Semiconductor и является её зарегистрированной торговой маркой.

Соответственно, топология такой сети — общая шина. Сеть устройств 1-Wire со связанным основным устройством названа «MicroLan», это также торговая марка Dallas Semiconductor.

Обычно используется для того, чтобы связываться с недорогими простыми устройствами, такими как, например, цифровые термометры и измерители параметров внешней среды.

SCADA ситемы

SCADA (аббр. от англ. supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных) — программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления. SCADA может являться частью АСУ ТП, АСКУЭ, системы экологического мониторинга, научного эксперимента, автоматизации здания и т. д. SCADA-системы используются во всех отраслях хозяйства, где требуется обеспечивать операторский контроль за технологическими процессами в реальном времени. Данное программное обеспечение устанавливается на компьютеры и, для связи с объектом, использует драйверы ввода-вывода или OPC/DDE серверы. Программный код может быть как написан на языке программирования (например на C++), так и сгенерирован в среде проектирования.

Иногда SCADA-системы комплектуются дополнительным ПО для программирования промышленных контроллеров. Такие SCADA-системы называются интегрированными и к ним добавляют термин SoftLogic.

Термин «SCADA» имеет двоякое толкование. Наиболее широко распространено понимание SCADA как приложения^[2], то есть программного комплекса, обеспечивающего выполнение указанных функций, а также инструментальных средств для разработки этого программного обеспечения. Однако, часто под SCADA-системой подразумевают программно-аппаратный комплекс. Подобное понимание термина SCADA более характерно для раздела телеметрия.

Значение термина SCADA претерпело изменения вместе с развитием технологий автоматизации и управления технологическими процессами. В 80-е годы под SCADA-системами чаще понимали программно-аппаратные комплексы сбора данных реального времени. С 90-х годов термин SCADA больше используется для обозначения только программной части человеко-машинного интерфейса АСУ ТП.

SCADA-системы решают следующие задачи:

• Обмен данными с «устройствами связи с объектом» (то есть с промышленными контроллерами и платами ввода-вывода) в реальном времени через драйверы.
• Обработка информации в реальном времени.
• Логическое управление.
• Отображение информации на экране монитора в удобной и понятной для человека форме.
• Ведение базы данных реального времени с технологической информацией.
• Аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями.
• Подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса.
• Осуществление сетевого взаимодействия между SCADA ПК.
• Обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры и т. д.). В системе управления предприятием такими приложениями чаще всего являются приложения, относимые к уровню MES.

SCADA-системы позволяют разрабатывать АСУ ТП в клиент-серверной или в распределённой архитектуре.

Основные компоненты SCADA

SCADA—система обычно содержит следующие подсистемы:

• Драйверы или серверы ввода-вывода — программы, обеспечивающие связь SCADA с промышленными контроллерами, счётчиками, АЦП и другими устройствами ввода-вывода информации.
• Система реального времени — программа, обеспечивающая обработку данных в пределах заданного временного цикла с учетом приоритетов.
• Человеко-машинный интерфейс (HMI, англ. Human Machine Interface) — инструмент, который представляет данные о ходе процесса человеку оператору, что позволяет оператору контролировать процесс и управлять им.
• Программа-редактор для разработки человеко-машинного интерфейса.
• Система логического управления — программа, обеспечивающая исполнение пользовательских программ (скриптов) логического управления в SCADA-системе. Набор редакторов для их разработки.
• База данных реального времени — программа, обеспечивающая сохранение истории процесса в режиме реального времени.
• Система управления тревогами — программа, обеспечивающая автоматический контроль технологических событий, отнесение их к категории нормальных, предупреждающих или аварийных, а также обработку событий оператором или компьютером.
• Генератор отчетов — программа, обеспечивающая создание пользовательских отчетов о технологических событиях. Набор редакторов для их разработки.
• Внешние интерфейсы — стандартные интерфейсы обмена данными между SCADA и другими приложениями. Обычно OPC, DDE, ODBC, DLL и т. д.

Программные продукты класса SCADA широко представлены на мировом рынке. Это несколько десятков SCADA - систем, многие из которых нашли свое применение и в России. Наиболее популярные из них приведены ниже:

InTouch (Wonderware) - США;

Citect (CI Technology) - Австралия;

FIX (Intellution) - США;

Genesis (Iconics Co) - США;

Factory Link (United States Data Co) - США;

RealFlex (BJ Software Systems) - США;

Sitex (Jade Software) - Великобритания;

TraceMode (AdAstrA) - Россия;

Cimplicity (GE Fanuc) - США;

САРГОН (НВТ - Автоматика) - Россия.

Лекция 2. Концепция " Умного Дома"

У́ мный дом (англ. smart home МФА: sma: t haus, также англ. intelligent building, рус. АСУЗ) — жилой дом современного типа, организованный для проживания людей при помощи автоматизации и высокотехнологичных устройств. Под «умным» домом следует понимать систему, которая обеспечивает комфорт (в том числе безопасность), и ресурсосбережение для всех пользователей. В простейшем случае она должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в доме, и соответствующим образом на них реагировать: одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам. Кроме того, от автоматизации нескольких подсистем обеспечивается синергетический эффект для всего комплекса.

Это проще понять, если представить, например, что система отопления никогда не сможет работать против системы кондиционирования. А отопление осуществляется не только по погоде, но и с учетом целого ряда других факторов. От силы ветра, по предсказанию, от времени суток (ночью комфортная температура меньше).

Можно считать, что это наиболее прогрессивная концепция взаимодействия человека (пользователей) с жилым пространством, когда в автоматизированном режиме в соответствии с внешними и внутренними условиями задаются и отслеживаются режимы работы всех инженерных систем и электроприборов.

В этом случае исключается необходимость пользоваться несколькими пультами при просмотре ТВ, десятками выключателей при управлении освещением, отдельными блоками при управлении вентиляционными и отопительными системами, системами видеонаблюдения и охранной сигнализации, моторизированными воротами и прочим.

История

В 1995 году разработчики технологий Java предрекали одним из основных назначений для этой технологии увеличения интеллекта бытовых приборов^[1] — например, холодильник сам будет заказывать продукты из магазина. Промышленного распространения эта идея не получила, но такие компании, как Miele и Siemens, уже выпускают бытовую технику с возможностью включения в «умный дом».

Осенью 2012 года компания Panasonic анонсировала полномасштабное производство систем управления энергией SMARTHEMS, предназначенных для «умных домов». Panasonic обещает ввести совместимость с системой HEMS(Home Energy Management System) во всю линейку своих бытовых приборов, таких как: кондиционеры, «умная» кухонная техника и системы горячего водоснабжения EcoCute. Новая система AiSEG позволяет связать все оборудование и домашние устройства в единую сеть организовав отображение информации о работе солнечных батарей, расходе электричества, газа и воды и автоматически контролируя работу бытовых приборов с помощью протокола ECHONET Lite^[2].

Умный дом в России и Европе

Основное различие в системах видится скорее в их конкретном предназначении и в подходе реализации.

В настоящее время ситуация изменилась, появились российские разработки высокотехнологичных систем и интеллектуальных приборов, по цене и надежности ориентированные на использование именно в России.

По оценкам аналитиков рынок умного дома активно развивается. К 2020 году общий объем мирового рынка достигнет $51.77 млрд. В период с 2013 по 2020 года среднегодовые темпы роста рынка будут на уровне 17.74%. Основными игроки в этой отрасли за рубежом - Siemens AG (Германия), Schneider Electric SA (Франция), TELETASK (Бельгия), ABB Ltd. (Швейцария), компания Ingersoll-Rand PLC (Ирландия), Tyco International Ltd. (Швейцария), Emerson Electric Co. (США), Legrand С.А. (Франция), Crestron Electronics, Inc. (США), Lutron Electronics, Inc. (США), Control4 Corporation (США), и др.

Объемы российского рынка значительно скромнее. В 2012 году объем рынка у нас в стране превысил 56 млн. евро или 2, 3 млрд. рублей. В 2013 году по предварительным оценкам рынок вырос на 30% - до 65 млн. евро или почти 3 млрд. рублей. К 2017 году его общий объем может достигнуть 176 млн. евро или 7, 9 млрд. рублей.

Технологии

Под термином «умный дом» обычно понимают интеграцию следующих систем в единую систему управления зданием:

• Системы управления и связи
• Система отопления, вентиляции и кондиционирования
• Система освещения
• Система электропитания здания
• Система безопасности и мониторинга

Система управления

• Управление с одного места аудио-, видеотехникой, домашним кинотеатром, мультирум
• Удалённое управление электроприборами, приводами механизмов и всеми системами автоматизации. Электронные бытовые приборы в умном доме могут быть объединены в домашнюю Universal Plug’n’Play — сеть с возможностью выхода в сети общего пользования.
• Механизация здания (открытие/закрытие ворот, шлагбаумов, электроподогрев ступеней и т. п.)

Система отопления, вентиляции и кондиционирования

Система отопления, вентиляции и кондиционирования (Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC) обеспечивает регуляцию температуры, влажности и поступление свежего воздуха. Кроме этого, HVAC экономит энергию за счет рационального использования температуры среды. Некоторые подсистемы:

• управляемый через сеть кондиционер
• механизмы автоматического открытия/закрытия окон для поступления холодного или теплого воздуха в подходящее время суток

Система освещения

Система освещения (Lighting control systems, LCS) контролирует уровень освещенности в помещении, в том числе для экономии электроэнергии за счет рационального использования естественного освещения. Некоторые подсистемы:

• автоматика для включения/выключения света в заданное время суток
• датчики движения для включения света только тогда, когда в помещении кто-то находится
• автоматика для открытия/закрытия ставней, жалюзи, для регулировки прозрачности специальных оконных стекол.

Система электропитания здания

Системы электропитания обеспечивают бесперебойное питание, в том числе за счет автоматического переключения на альтернативные источники электропитания. Некоторые подсистемы:

• Автоматический ввод резерва
• промышленные ИБП
• дизель-генераторы

Система безопасности и мониторинга

В систему безопасности и мониторинга входят следующие подсистемы:

• система видеонаблюдения
• система контроля доступа в помещения
• Охранно-пожарная сигнализация (в том числе контроль утечек газа)
• Телеметрия — удалённое слежение за системами
• Система защиты от протечек — автоматическая блокировка водоснабжения при протечке и заливе помещения. Состоит из контролирующего устройства, специальных кранов и датчиков, детектирующих затопление (Аквасторож, Neptun, Гидролок и другие)
• GSM-мониторинг — удалённое информирование об инцидентах в доме (квартире, офисе, объекте) и управление системами дома через телефон. В некоторых системах при этом можно получать голосовые инструкции по планируемым управляющим воздействиям, а также голосовые отчеты по результатам выполнения действий.
• IP-мониторинг объекта