Анализ процесса автоматизации систем жизнеобеспечения здания

Аннотация

А. В. Савченко, Н. Н. Чернышев. Анализ процесса автоматизации систем жизнеобеспечения здания. Проведен анализ состояния автоматизации систем жизнеобеспечения жилых зданий. «Умный дом» – это централизованная автоматизированная система управления всеми электрическими нагрузками, инженерными системами и мультимедийным оборудованием в доме. Определено, что на сегодняшний день развитие средств автоматизации систем жизнеобеспечения зданий позволяет достичь нового уровня комфорта, безопасности и энергосбережения.

Введение

Система умный дом – это автоматизированная система управления, предназначенная для контроля и управления инженерными системами дома, к которым относятся электроснабжение, отопление, вентиляция и кондиционирование, освещение, системы безопасности и видеонаблюдения, мультимедиа и пр.[1, 2]

Все устройства системы умный дом – панели оператора, пульты дистанционного управления, компьютеры, планшеты и мобильные телефоны – объединяются в информационную сеть для обмена данными между узлами системы. Принципиальным моментом является удаленный контроль и управление системой умный дом посредством Интернета [3, 4, 5].

Всего несколько лет назад система умный дом считалась признаком состоятельности владельца жилого объекта ввиду высокой стоимости, как самого оборудования, так и программного обеспечения. Все изменилось с развитием технологий автоматизации, каналов связи, а также мобильных устройств.

Системы умный дом с одной стороны с каждым годом становятся все более доступными и с другой – устанавливают новые критерии комфортной жизнедеятельности. Владельцы квартир и загородных домов теперь оценивают не только функциональность и удобство данных систем, но и их экономичность, практичность и надежность. Поэтому современные системы умный дом проектируются так, чтобы их в первую очередь отличала эргономичность, удобство и проста эксплуатации [6].

Общие принципы организации систем жизнеобеспечения зданий.

Системы жизнеобеспечения (СЖО) в зданиях – это группа инженерно–технологических систем и сетей, которые позволяют любому человеку существовать в благоприятных условиях и решают задачи, нацеленные на поддержку приемлемого уровня жизнедеятельности. В обычных условиях повседневной деятельности человек находится в замкнутом пространстве почти круглосуточно. Поэтому в помещениях должна быть создана приемлемая среда для достижения нормального уровня существования жильцов и работы трудящихся. Данные условия целесообразно поддерживать на протяжении всего цикла пребывания людей внутри здания, предоставляя требуемые ресурсы, потребляемые человеком, и удаляя остатки и отходы жизнедеятельности.

СЖО в любом здании представлены набором из составляющих их инженерных систем и сетей. В зависимости от типа помещений определяются и средства жизнеобеспечения человека для них. Но для любых внутренних мест, которые посещаются людьми, могут быть выделены следующие классы СЖО:

• типовые (основные, классические);

• вспомогательные (дополнительные).

Главное предназначение систем в составе СЖО – это обеспечение в здании сменных режимов, являющихся пригодными в жизнедеятельности жильцов, как правило, для отдыха и для работающих сотрудников, в основном для труда. Человеческий организм не может функционировать без таких ресурсов, как воздух, вода, свет, тепло, то необходимые инженерные подсистемы и сети должны обеспечивать соответствующие условия жизнедеятельности внутри помещений, которые требуется снабжать электроэнергией, осуществлять воздухообмен, контролировать наличие воды и выполнять другие задачи в круглосуточном режиме.

В зарубежной литературе системы управляющие функционированием СЖО зданий называются – умный дом (англ. smart house). Эти системы возникли в США, разработали и внедрили их компании Х10 USA и Leviton в производство технологию управления бытовыми приборами по проводам бытовой электросети.

К категории типовых подсистем в составе СЖО обычно относят следующие инженерные системы, имеющиеся в каждом здании независимо от его классификации [1, 2, 5, 6]:

1. Вентиляция.

   За температурой и свежестью в доме следит кондиционер и датчики температуры. Они поддерживают в каждой комнате дома оптимальную температуру. При этом стоит заметить, что в У мном доме кондиционер никогда не будет работать одновременно с обогревателем, разве что пол может оставаться тёплым. Это, а также замедление или вовсе прекращение работы всей системы во время отсутствия хозяев, помогает значительно сберечь электроэнергию. Вентиляция и кондиционирование в Умном доме подчиняется воле хозяина даже по Интернету или при помощи мобильного телефона. Либо настраивается таймер таким образом, чтобы к определенному времени система вентиляции и кондиционирования снова включалась, и к приходу хозяев воздух уже будет прогрет или охлаждён, а также чист и свеж.

2. Электроснабжение.

   В современных домах, в особенности коттеджах, используется различное электрическое оборудование это – системы вентиляции, водоочистки в бассейнах, различные осветительные приборы, антиобледенительные системы для крыш и дорог. Всё это оборудование потребляет значительное количество электроэнергии, а сети, зачастую, не выдерживают подобную нагрузку. Система даёт возможность организовать систему приоритетов.

3. Отопление.

   Система позволяет управлять отоплением нескольких помещений. Температурный диапазон измерения и регулировки заданных температур от 0 до 125°С (сауна). Каждое помещение работает по отдельной недельной программе, где можно задать режим управления отоплением в рабочие и выходные дни. Сутки разбиты двумя временными установками – условно названными ночь/день и день/ночь.

   Система обрабатывает сигналы от подключённых датчиков и включает (выключает) подключённые источники тепла (электрические тёплые полы, ИК–панели, электрические конвекторы), в зависимости от значения текущей температуры, доводя тем самым температуру в помещении до заданной.

4. Водоснабжение.

   Расположенные в местах возможной протечки воды (на полу под раковиной, ванной, стиральной машиной и пр.) датчики вовремя обнаружат протечку воды в системе водоснабжения или отопления.

   Получив сигнал от подключённых датчиков протечки воды системы водоснабжения, система заблокирует подачу воды до устранения причин протечки и проинформирует Вас о возникшей аварии, дозвонившись по телефонной линии и голосом сообщив о причине вызова, а также отправит тревожное SMS–сообщение. В случае протечки система управления водоснабжением заблокирует подачу воды электромагнитными клапанами либо отключит работу насоса.

5. Газоснабжение.

   Контроль утечки газа предназначен для своевременного отключения подачи газа и информирования при возникновении данной аварийной ситуации, что позволяет снизить ущерб от возможного взрыва и возгорания помещения (дома) и как следствие – спасти вашу жизнь.

   Расположенные в местах возможной утечки газа датчики подадут сигнал системе, которая включит сигнализацию, вентиляцию, и выключит электроэнергию, оставив только аварийное освещение. При возникновении аварии система проинформирует Вас о возникшей аварии, дозвонившись по телефонной линии и голосом сообщив о причине вызова, а также отправит тревожное SMS–сообщение.

   При срабатывания датчика утечки газа или датчика пожара – поступает сигнал на порт системы. Порт формирует сигнал на главный блок системы. Главный блок выдает команду на клапаны перекрытия газа и на автодозвон. Клапан перекрывает газ. Автодозвон в это время производит дозвон по обозначенным Вами телефонам и голосом или SMS сообщает о случившейся аварии. В памяти системы записывается информация о произошедшем, а также все предпринятые системой меры. Эту информацию можно просмотреть на пульте системы или на своем компьютере.

6. Система видеонаблюдения и охранно–пожарная сигнализация.

   Система мгновенно приведёт в действие существующую противопожарную систему, отключит вентиляцию, чтобы поток воздуха не способствовал возгоранию, электричество и газ. А если хозяина нет дома, голосом сообщит о случившемся, дозвонившись по телефону, а также отправит тревожное SMS–сообщение. Система также включит сирену и внешний световой сигнал, чтобы предупредить соседей о случившемся и уберечь от опасности.

Обзор существующих систем автоматического управления жизнеобеспечения зданий.

В результате анализа технологий, на базе которых реализована система управления умный дом можно выделить [1, 2, 5, 6]:

1. Управление через Internet.

   Система умный дом – это набор простых устройств, поддерживающих TCP/IP, SNMP, SMTP и Web-интерфейс на базе протокола HTTP, доступных для управления, программирования и контроля с любого стандартного клиента (компьютера, планшетного ПК, нетбука, коммуникатора, телефона) как по локальной сети, так и через Интернет, 3G/GPRS, Wi-Fi и т.д. При этом управлять устройствами можно как напрямую, так и посредством специального контроллера (сервера), который бы мог сделать такое управление более комфортным, включая продвинутые возможности Web-интерфейса (Ajax, Flash). Это очень важный момент, так как в Ethernet нет обязательного мастера сети и все устройства могут общаться друг с другом напрямую и остаются доступными для управления в случае каких-то неполадок с основным контроллером.

   Многие крупнейшие в мире компании, предлагающие системы домашней автоматизации, постепенно переводят линейки своих продуктов на технологии Ethernet и TCP/IP, так как это удобно, быстро, относительно дешево и просто. Кроме того, розетки, разъемы, кабели UTP/STP/FTP, стойки, аксессуары, коробы, инструмент – все это доступно в любой точке мира, что позволяет недорого и быстро разворачивать системы какой угодно сложности.

2. Дистанционное управление.

   Для удобства управления бытовыми устройствами в доме, был создан пульт дистанционного управления, позволяющий совмещать в себе управление телевизором, видеомагнитофоном, музыкальным центром, спутниковым ресивером. Он так же позволяет включать и отключать: осветительные приборы, управляемые электрические розетки, различные сценарии освещения. При помощи комбинаций нескольких кнопок – открыть ворота, поставить дом на охрану и совершить много других различных действий

   &

3. Управление с компьютера.

   Дружественная для пользователя программа, работающая в среде операционной системы Windows, позволяет включать и выключать определённые режимы системы Умный Дом, а также производить настройки её работы, читать и выводить на печать протокол сообщений.

   Важным элементом системы является центральный блок управления. Компьютер обеспечивает универсальность, гибкость, расширяемость, простоту в использовании. С помощью компьютера можно решать огромное количество совершенно различных задач в рамках одной системы. Большое количество доступного программного обеспечения, библиотек, Фреймворков, позволяют наделить систему обширнейшей функциональностью. В компьютере есть практически все для аппаратного и программного объединения различных элементов в единую систему. Современные тенденции производителей оборудования к использованию широко распространенных протоколов и стандартов (RS232, USB, Ethernet, TCP/IP, Wi-Fi), принятых в компьютерном мире, значительно облегчает интеграцию блоков и создание системы Умного Дома. Умный Дом нужно понимать не только как управление коммуникациями, климатом и оборудованием, сколько средой для обмена и трансформации данных, медиа–сервером, контент–сервером, чем–то таким, что не только помогает экономить энергоресурсы и повысить комфорт, но и средством развлечения и общения, позволяющим качественно изменить уровень жизни.

4. Управление с промышленного логического контроллера (ПЛК).

   Как и любая автоматизированная система, система умный дом построена по трехуровневому принципу: нижний уровень (датчики температуры, силовые контакторы и реле), на среднем уровне используются программируемый логический контроллер, модули ввода–вывода, GSM-модем. Верхний уровень (HMI, SCADA) включает в себя панель оператора и серверный компьютер, на котором реализован web-интерфейс.

Жилое здание как объект управления.

Важным этапом в разработке системы управления умный дом является анализ систем жизнеобеспечения здания как объекта управления, т.е. выявление всех существенных входных, выходных и возмущающих переменных (рис. 1.).

С учетом реальных условий, все существенные факторы, влияющие на жизнеобеспечение и комфортное состояние человека в здании, разбиваются на следующие группы.

Контролируемые возмущения – это те возмущения, которые можно измерить: температура Т_возд и влажность М_возд воздуха окружающей среды; естественная освещенность с наружи здания Е_ест и т.п.

Неконтролируемые возмущения – возмущения, которые невозможно или нецелесообразно измерять непосредственно. Примером таких возмущений может быть: изменение качественного состава природного газа Q_газ; загрязнение внутренних воздушных фильтров Q_фил и т.п.

Управляемые переменные – переменные, на которые возможно воздействовать при помощи управляющих переменных с целью достижения заданного режима работы установки. В качестве примера можно выделить следующие управляемые параметры: температура воздуха Т_пом, освещенность Е_пом в помещениях здания; давление воды в системе водоснабжения Р_вод; концентрация угарного газ C_со и т.п.

Управляющие переменные – переменные, которые возможно изменять и через них оказывать влияние на управляемые переменные. В нашем случае к ним относятся: расход топлива F_mon и воздуха F_воз для поддержания заданного значения температуры теплоносителя в системе отопления; мощность осветительного прибора Р_осв; скорость вращения водяного насоса V_нас и т.п.

Выводы

Выяснено, что к категории типовых подсистем в составе СЖО обычно относят инженерные системы, имеющиеся в каждом здании независимо от его классификации: вентиляция; электроснабжение; отопление; водоснабжение; освещение; газоснабжение; система видеонаблюдения и охранно–пожарная сигнализация.

Анализ существующих технологий построения систем типа умный дом показал, что перспективным является реализация систем управления жизнеобеспечением зданий не только на базе контроллера, но и с дополнением персональным компьютером или планшетом. Потому, что умный дом может управлять не только

Выделены основные переменные оказывающие влияние на поддержание параметров систем жизнеобеспечения здания.

Список использованной литературы

1. Шишкин С. Умный дом на современных программируемых контроллерах / С. Шишкин // CONTROL ENGINEERING РОССИЯ. – 2014. – №6(54). – С. 25–29.
2. Шугаев С. Система умный дом / С. Шугаев // Автоматизация и производство. – 2014. – №2(l3). – С. 15–17.
3. Чернышев Н. Н. Использование беспроводных технологий при построении современных информационно–управляющих систем / Н. Н. Чернышев, И. А. Гарматенко // Научно–технический сборник Труды Северо–Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики, часть I. – Ростов–на–Дону.: ПЦ Университет СКФ МТУСИ, 2014. – C. 45–48.
4. Гололобов В.Н. Умный дом своими руками / В.Н. Гололобов. – Москва: НТ Пресс, 2007. – 416 C.
5. Марк Э. С. Практические советы и решения по созданию Умного дома / Э. С. Марк. – Москва: НТ Пресс, 2007. – 421 С.
6. Cистема Умный Дом – технология экономии, удобства и комфорта высокого уровня [Электронный ресурс].