Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И НАЛАДКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ И МИКРОКЛИМАТОМ В ОФИСНОМ ПОМЕЩЕНИИ НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИИ KNX

Шиляев Д.В. 1 Билалов А.Б. 1 Билоус О.А. 1 Хабибрахманова Ф.Р. 1
1 ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Рассматривается применение технологии KNX при проектировании и наладке системы управления освещением и микроклиматом в офисном помещении. Это позволяет решить задачи включения и выключения освещения и микроклимата по группам, по этажам и во всём здании из одного места. Также предусмотрена возможность диммирования освещения, управление освещением по присутствию человека, цветовая индикация включённого освещения на пульте управления, возможность мониторинга и дистанционного управления всей системы из пульта диспетчера. Для решения поставленных задач произведён выбор устройств общесистемного оборудования, управляющих устройств (сенсоров), исполнительных устройств (актуаторов). При монтаже фанкойлы были объединены в климатические зоны по схеме «звезда». Для настройки регулирования микроклимата произведён расчет ПИ-регулятора в кнопочном пульте методом Циглера – Николса. При отладке системы применяется основное инструментальное ПО KNX – пакет ETS3 (EIB Tools Software).
технология KNX
управление освещением
управление микроклиматом
фанкойл
ПИ-регулятор
метод Циглера – Николса
1. Даденков Д.А., Петроченков А.Б. Опыт создания лабораторно-тренажерного комплекса для подготовки специалистов в области автоматизированных систем управления технологическими процессами // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование, инноватика. – 2009. – № 5(87). – С. 251–255.
2. Даденков Д.А., Шиляев Д.В. Сравнительный анализ методов синтеза систем регулирования скорости микроприводов постоянного тока // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. – 2013. – № 7. – С. 74–82.
3. Интеллектуальные инсталляционные системы. Обзор ассортимента продукции ABB i-bus® KNX. – 2011. –67 с.
4. Мельникова Л.В., Бушер В.В., Шестака А.И. Технические возможности современных систем автоматизации зданий // Электромеханические и энергосберегающие системы. – 2012. – № 3. – С. 617–619.
5. Науменко Н. Открытые технологии децентрализованной автоматизации // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. – 2007. – № 7. – С. 26–30.
6. Руководство по системной технике для автоматизации зданий и домов. Центральный Союз немецких электротехников и IT-технологов (ZVEH) FrankfurtamMain. – 2006. – С. 26–30.

Высокие требования, предъявляемые в наше время к безопасности, гибкости и комфортности установленного электрооборудования привели к тому, что уже в начале 90-х годов была разработана технология Европейской инсталляционной шины (EIB), которая стала основой сегодняшней системы KNX, единственного мирового стандарта в области интеллектуальной автоматизации зданий и домов. KNX признан в качестве как европейского (CENELEC EN 50090 и CEN EN 13321-1), так и международного (ISO/IEC 14543-3) стандартов [5, 6].

Применение технологии KNX при проектировании и наладке системы управления освещением и микроклиматом в офисном помещении позволяет решить следующие задачи: включение и выключение освещения по группам, диммирование освещения по группам, управление освещением по присутствию человека в проходных зонах, возможность включения и отключения освещения и микроклимата по этажам и во всём здании из одного места, регулирование температуры в помещении, подсветка кнопочного пульта управления освещением и микроклиматом, цветовая индикация включённого освещения на пульте управления, возможность мониторинга и дистанционного управления всей системы из пульта диспетчера.

Проектирование

На рис. 1 изображена обобщенная схема взаимодействия устройств, выбранных для реализации функции управления освещением и микроклиматом. Традиционно в KNX все узлы делят на сенсоры (sensors) и актуаторы (actuators). Сенсоры посылают сообщения (телеграммы), а актуаторы их принимают и соответствующим образом на них реагируют.

pic_51.tif

Рис. 1. Обобщённая схема взаимодействия устройств в системе управления освещением и микроклиматом

В рассматриваемой автоматизированной системе был использован следующий перечень устройств:

1. Общесистемное оборудование:

  • Источник питания с интегрированным дросселем 640 мА «SV/S 30.640.5 MDRC» (служит для питания шинных устройств).
  • Линейный фильтр «LK/S 4.1 MDRC» (служит для фильтрации локальных телеграмм, чтобы не засорять всю линию ненужной информацией).
  • IP-интерфейс, «IPS/S2.1MDRC» (служит для соединения с шиной для осуществления наладки и передачи данных в систему централизованного диспетчерского управления).

2. Управляющие устройства (сенсоры):

  • Кнопочный пульт 3/6-кл/, с терморегулятором, «6320/38-79-500» (служит для управления освещением и микроклиматом по нажатию кнопки).
  • Кнопочный пульт 3/6-кл., с ИК-приемником, «6322-260-101» (служит для управления освещением по нажатию кнопки в помещениях, где нет необходимости управлять микроклиматом).
  • Датчик присутствия со встроенным коплером, «6131/11-24-500» (служит для управления освещением по присутствию человека в помещении).

3. Исполнительные устройства (актуаторы):

  • Актуатор фанкойла с ручным управлением «FCA/S 1.1M» (служит для соединения с системой микроклимата).
  • Выход бинарный 12-кан. с измерением тока, «16/20А, SA/S12.16.6.1» (служит для активации нагрузки в 16 А, в нашем случае в качестве нагрузки выступает освещение).
  • Светорегулятор универсальный 6х315Вт, «6197/14-500» (служит для осуществления функции диммирования групп освещения) [3].

Технология KNX/EIB использует метод множественного доступа к общей шине с контролем несущей CSMA/CA. При этом максимальное расстояние между узлами одной линии не должно превышать 700 м, максимальное расстояние между узлом сети и блоком питания – 350 м, а общая длина кабеля одной линии – 1000 м [6]. С учётом этих данных было проведено размещение сенсоров по плану здания. Здание состоит из трех этажей, площадь каждого этажа примерно равна 300 м2.

Все актуаторы и вспомогательные устройства располагаются в электрических щитах, там же производится их подключение к нагрузке. На рис. 2 изображен фрагмент одного из щитов с исполнительными устройствами.

Для поддержания необходимого уровня микроклимата в помещении используется система фанкойлов марки GCX-V-03 (GeneralClimate). Фанкойл – это устройство, которое устанавливается в помещениях различных назначений. Его основной функцией является регулирование температуры воздуха. Они состоят из теплообменника с вентилятором, фильтра, пульта управления. В каждом помещении здания находится по шесть фанкойлов. Для создания единой климатической зоны, охватывающей отдельное помещение, встроенные пульты управления были изъяты, а фанкойлы были объединены в группу по схеме «звезда» и подключены к актуатору. Схемы подключения изображены на рис. 3. Таким образом, была получена возможность управлять группой фанкойлов, находящихся в одном помещении, централизованно, по одному сигналу.

pic_52.tif

Рис. 2. Фрагмент щита с исполнительными устройствами системы: А – блок питания; Б – светорегулятор; В – линейный фильтр; Г – релейный активатор; Д – IP-интерфейс

pic_53.tif

а б

Рис. 3. Схемы подключения актуатора (а), фанкойла со стандартным терморегулятором (б)

Отладка

После окончания монтажа производится отладка системы. Основным инструментальным ПО KNX является пакет ETS3 (EIB Tools Software). Интерфейс ETS3 с внесённым в него рабочим проектом автоматизированной системы управления освещением и микроклиматом изображён на рис. 4.

Интерфейс разделён на несколько зон. В зоне А расположены виртуальные «двойники» всех используемых в системе устройств, каждое устройство имеет свой уникальный адрес в системе и настройки, которые задаются для осуществления конкретной задачи. В зоне Б расположены все входные и выходные переменные выбранного устройства. Связь всех устройств в системе осуществляется в зоне В. В этой зоне создаются групповые адреса, в которых указывается, какие переменные устройств будут связаны для обмена информацией. Перечень связанных переменных в выбранном групповом адресе указан в зоне Г.

Для настройки включения и диммирования освещения в каждом отдельном помещении настраиваются параметры кнопочного пульта управления (сенсор) в зоне А (рис. 4). При этом настраиваются кнопки в режим «переключатель» и активируется выходная переменная диммирования для каждой кнопки. Устанавливается, что нажатие левой кнопки (№ 1, 3, 5, рис. 5) будет гасить свет, а нажатие правой – (№ 2, 4, 6, рис. 5) будет включать, удержание левой кнопки будет постепенно приглушать свет, а правой – прибавлять; настраиваются минимальный уровень диммирования (1 %); шаг диммирования (5 %). Настраивается переменная LED-индикатора – если она получает значение 1, то LED-индикатор становится красным, а после этого активируется подсветка пульта и настраиваются переменные «в работе» и «ошибка» для системы диспетчеризации, время цикла (60 секунд), через которое пульт будет отправлять в сеть телеграмму о своём состоянии. Далее настраиваются параметры светорегулятора и релейного активатора, которые относятся к данному помещению. Для этого активируются переменные «статус переключения», «статус диммирования», «в работе», «ошибка» для системы диспетчеризации; настраивается время цикла (60 секунд), через которое устройства будут отправлять телеграмму о своём состоянии в сеть. Затем связываются переменные кнопочного пульта управления и переменные актуаторов в зоне В (рис. 4). И, наконец, измененная конфигурация устройств закачивается из ETS3 в используемые устройства.

pic_54.tif

Рис. 4. Интерфейс программ ETS 3

pic_55.tif

Рис. 5. Внешний вид пульта управления освещением и микроклиматом

Для настройки управления освещением по присутствию в проходной зоне необходимо объединить несколько датчиков присутствия в одну группу для совместной работы. Для этого в зоне А (рис. 4) настраивается в выбранном помещении один датчик как главный, а остальные как вспомогательные. У главного датчика присутствия настраивается «счетчик» (15 секунд) – время, по окончании которого он будет посылать команду для отключения света; активируются: переменная для сброса «счетчика»; переменная «включение света по присутствию»; переменные «в работе» и «авария» для системы диспетчеризации. Вспомогательные датчики переключаются на циклический режим работы, задаётся время цикла (10 секунд) и формируется запрет посылать переменные для выключения освещения; активируются переменные «в работе» и «авария» для системы диспетчеризации. Далее настраиваются параметры релейных актуаторов. Затем связываются переменные главного датчика, вспомогательных датчиков и актуаторов в один групповой адрес в зоне В (рис. 4) и заливаются настройки в устройства.

Для настройки регулирования температуры в помещении сначала вычисляются коэффициенты ПИ-регулятора по методу Циглер –Николса [1, 2]. Затем настраивается кнопочный пульт с терморегулятором. Для этого вносятся полученные коэффициенты ПИ-регулятора, настраивается переключение между режимом управления освещением и микроклиматом на кнопку «Shift», настраиваются кнопки № 1 и 2 (рис. 5) для задания значения уставки температуры, шаг задания температуры в 0,1 °С; кнопки № 3 и 4 (рис. 5) для смены режимов – «ручной режим» и «авторежим», кнопки № 5 и 6 для изменения скорости вентилятора в ручном режиме. Далее связываются переменные пульта с актуатором фанкойла в зоне В (рис. 4), и записываются настройки в устройства.

Переменные, необходимые для передачи в систему диспетчерского управления (активация релейного выхода, значение тока на релейном выходе, авария устройства, задание уставки температуры, уровень диммирования) заносятся в отдельную группу групповых адресов. Затем эти данные будут направлены в SCADA-систему.

Заключение

После этого отлаженная система управления освещением и микроклиматом с возможностью диспетчеризации и централизованного дистанционного управления готова к применению.

Рецензенты:

Казанцев В.П., д.т.н., доцент, профессор кафедры микропроцессорных средств автоматизации, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь;

Бочкарев С.В., д.т.н., доцент, профессор кафедры микропроцессорных средств автоматизации, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 06.11.2014.


Библиографическая ссылка

Шиляев Д.В., Билалов А.Б., Билоус О.А., Хабибрахманова Ф.Р. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И НАЛАДКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ И МИКРОКЛИМАТОМ В ОФИСНОМ ПОМЕЩЕНИИ НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИИ KNX // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11-7. – С. 1531-1535;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35801 (дата обращения: 17.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252