Nikola Marić
Simulacija nadzornega sistema za stavbo
Diplomsko delo
Mentor: doc. dr. Gorazd Karer
Ljubljana, 2021
I
Zahvala
Veliko hvaležnost dugujem svojemu mentorju doc. dr. Gorazdu Kareru, ki mi je s svojimi nasveti pomagal pri pripravi diplomske naloge in je imel potrpljenje in čas za vsa moja vprašanja. Prav tako bi se rad zahvalil vsem mojim bližnjim, ki so bili z mano in me podpirali med študijem.
II
III
Povzetek
V diplomskem delu je opisana izdelava simulacije nadzornega sistema za stavbo podjetja DB Schenker v Ljubljani. Nadzorni sistem bi se uporabljal za nadzor in regulacijo temperature v prostorih, krmiljenje zunanje in notranje razsvetljave, regulacijo ventilacije, nadzor polnilnih postaj za električne avtomobile, arhiviranje podatkov, izdelavo poročil in vizualizacijo ter za grafični vmesnik za lažje centralno upravljanje stavbe.
Sistem je le simulacija, brez strojnih komponent, v celoti narejena na programski platformi zenon. Namen projekta je prikaz možnosti izdelave nadzornega sistema za stavbo z uporabo programske platforme zenon.
V prvem delu je opisana ideja in razloga, zakaj so takšni sistemi koristni in zakaj so potencialno zelo pomembni za prihodnost, v kateri bo vedno več ljudi živelo v urbanih okoljih. Opisana je možnost varčevanja energije in koristnost zbiranja podatkov v raziskovalne namene. Opisan je tudi model sistema prvega reda, s katerim je simulirano spreminjanje temperature v prostorih.
V drugem delu je poudarek na praktični predstavitvi projekta in prikazu vseh funkcionalnosti, ki jih projekt vsebuje.
Ključne besede: programska platforma zenon, pametne stavbe, nadzorni sistem, SCADA, simulacija, programski jeziki IEC – 61131-3
IV
V
Abstract
The thesis describes the creation of a SCADA system simulation for the DB Schenker building in Ljubljana. The SCADA system would be used to control and regulate room temperature, control outdoor and indoor lighting, control ventilation, control charging stations for electric cars, data archiving, report generation and visualization, and a graphical interface to facilitate central building management.
The system is just a simulation, without hardware components, made completely with the zenon Software Platform. The purpose of the project is to showcase the possibility of creating a SCADA system for building management using the zenon Software Platform.
The first part describes the idea and reason why such systems are useful and why they are potentially very important for a future in which more and more people will live in urban environments. It also describes the possibility of energy saving and usefulness of data collection for research purposes. A model of a system which simulates the change in room temperature, is also described.
The second part focuses on the practical presentation of the project and the presentation of all the functionalities that the project contains.
Key words: zenon Software Platform, smart buildings, SCADA, simulation, IEC - 61131-3 programming languages
VI
VII
Kazalo vsebine
1. Uvod ... 1
2. Opis programske opreme, projekta in simulacije ... 3
2.1 Nadzorni sistem ... 4
2.2 Opis projekta ... 5
2.2.1 Simulacija v programskem okolju zenon Logic ... 6
2.2.2 Simulacija spreminjanja temperature ... 7
3. Nadzorni sistem za stavbo ... 9
3.1 Uvod ... 9
3.2 Zunanjost stavbe in administracija uporabnikov ... 9
3.3 Nadstropje 3 ... 11
3.3.1 Simulacija v zenon Logicu ... 13
3.4 Kotlovnica ... 15
3.5 Polnilne postaje ... 16
3.5.1 Glavni ekran in simulacija vrednosti z uporabo zenon Logic Workbench... 16
3.5.2 Arhiviranje ... 18
3.5.3 Prikaz podaljšanega grafa signala... 18
3.5.4 Poročilo ... 19
3.6 Alarmi ... 20
3.7 Zaslon CEL ... 21
3.8 Graf porabe energije za gretje ... 21
3.9 Poročilo o kotlovnici ... 22
3.10 Poročilo o posegih uporabnikov ... 24
4. Zaključek ... 25
5. Literatura ... 27
VIII
IX
Seznam slik
Slika 1: Prikaz dela stavbe v nadzornem sistemu [3] ... 1
Slika 2: Zenon Engineering Studio ... 4
Slika 3: Funkcionalne ravni nadzornega sistema [4] ... 4
Slika 4: Grafični prikaz spremembe temperature ... 7
Slika 5: Zgradba, v kateri se nahaja podjetje EXOR ETI ... 9
Slika 6: Zunanjost stavbe ... 10
Slika 7: Administracija uporabnikov ... 10
Slika 8: Nadstropje 3 ... 11
Slika 9: Zoom pisarne 1 in 2 ... 11
Slika 10: Okna z informacijami o prostorih ... 12
Slika 11: Simbol za prikaz dodatnih informacij ... 12
Slika 12: Konfiguracija Linking rule ... 12
Slika 13: Krmiljenje ventila za nadstropje ... 13
Slika 14: Krmiljenje ventilacije ... 13
Slika 15: Simulacija vrednosti CO2 ... 13
Slika 16: Regulacija gretja ... 14
Slika 17: Simulacija temperature pisarne ... 14
Slika 18: Sprememba temperature v pisarni 0 ... 14
Slika 19: Avtomatski izklop luči ... 15
Slika 20: Simulacija povprečne temperature za druga nadstropja ... 15
Slika 21: Kotlovnica ... 16
Slika 22: Pregled polnilnih postaj ... 16
Slika 23: Glavni ekran postaje 1 ... 17
Slika 24 Koda simulacije polnilne postaje ... 17
Slika 25: Arhivi ... 18
Slika 26: Extended trend ... 19
Slika 27 Prvo poročilo ... 19
Slika 28: Alarm message list ... 20
Slika 29: Izbira skupine in vrsto alarma ... 20
Slika 30: CEL ... 21
Slika 31: Konfiguracija grafa ... 21
Slika 32: Poraba energije gretja ... 22
Slika 33: Poročilo v Microsoft Report Builder-u ... 22
Slika 34: Prva stran poročila kotlovnice ... 23
Slika 35: Poročilo o posegih uporabnikov ... 24
X
XI
Seznam uporabljenih simbolov in kratic
𝑇,̇ ….sprememba temperature v času
A, ….stopnja upada temperature (konstanta) T, ….trenutna temperatura (℃)
𝑇𝑧, ….zunanja temperatura (konstanta) (℃) 𝑇∆, ….zmogljivost radiatorja (konstanta) u, ….vhodni signal
ang. kratica ang. razvezava pomen
SCADA supervisory control and data acquisition nadzorni sistem
BMS building management system sistem za upravljanje stavb
HVAC heating, ventilation and air conditioning ogrevanje, prezračevanje in klimatizacija
XII
1
1. Uvod
Po podatkih Združenih narodov bo do leta 2050 dve tretjini svetovnega prebivalstva živelo v urbanih območjih. To predstavlja cel kup novih izzivov, predvsem v povezavi z zvišanjem porabe energije. V dobi, v kateri poskušamo vsi biti čim bolj ekološko usmerjeni, se pojavlja potreba po zmanjšanju porabe energije. Eden od glavnih načinov, da zmanjšamo porabo energije v mestu, so pametna mesta. Pametno mesto je urbano območje, ki za zbiranje podatkov uporablja različne vrste elektronskih naprav. Vpogledi, pridobljeni s temi podatki, se uporabljajo za učinkovito upravljanje sredstev, virov in storitev [1].
Velik del energije v urbanem območju se porabi v zgradbah. Pojavlja se priložnost, da se z uporabo BMS (ang. Building management system) bistveno zmanjša poraba energije. Za inteligentne stavbe je značilno, da so številne komponente stavbe avtomatizirane in integrirane v en sam vmesnik, kar zagotavlja učinkovito uporabo gradbene tehnologije. Javne lastnine, kot so poslovne stavbe, hoteli, železniške postaje, bolnišnice, šole, muzeji in letališča, imajo pogosto velik potencial varčevanja z energijo. Sistemi za upravljanje stavb se najpogosteje izvajajo v velikih projektih z obsežnimi mehanskimi, HVAC (ang. heating, ventialation and air conditioning ) in električnimi sistemi. Sistemi, povezani z BMS, običajno predstavljajo 40 % porabe energije stavbe; če je vključena razsvetljava, se ta delež približa 70
%. BMS so kritična sestavina pri obvladovanju porabe energije. Menijo, da nepravilno konfigurirani BMS predstavljajo 20 % porabe energije v stavbah ali približno 8 % celotne porabe energije v Združenih državah Amerike [2].
Zanimiv primer pametne stavbe je Univerza za uporabne znanosti v Salzburgu [3] (slika 1).
Projekt so izvedli študenti univerze in njen partner podjetje COPA-DATA. Za izdelavo nadzornega sistema in uporabniškega vmesnika se uporablja programska platforma zenon1. Projekt se uporablja za zbiranje podatkov v raziskovalne namene. Stavba je na začetku imela osnovni BMS, ki je bil bistveno nadgrajen z uporabo programske platforme zenon. Dodana je bila interaktivna vizualizacija in ustvarjena podlaga za razvoj sistema za upravljanje energije, skladnega s standardom ISO-500012. Z uporabo zenona je centralizirano zbiranje podatkov iz senzorjev in aktuatorjev in omogočen bistveno boljši vpogled v dogajanja v stavbi ter lažji dostop do podatkov, ki bi se lahko uporabili v raziskovalne namene. [9]
Slika 1: Prikaz dela stavbe v nadzornem sistemu [3]
1 Blagovna znamka zenon se vedno piše z malo začetnico
2 ISO-50001 je standard, zasnovan kot strateško orodje za pomoč organizacijam pri vzpostavitvi sistema za upravljanje energije, kar prispeva k povečanju energetske učinkovitosti.
2
3
2. Opis programske opreme, projekta in simulacije
V tem poglavju se bomo seznanili s programsko platformo zenon, z osnovno teorijo nadzornih sistemov in si ogledali teorijo v ozadju simulacije našega nadzornega sistema.
Cilj diplomskega dela je izdelava simulacije nadzornega sistema za stavbo podjetja DB Schenker v Ljubljani, v kateri se nahaja podjetje EXOR ETI, kjer sem opravljal praktično usposabljanje. Za izdelavo nazornega sistema sem uporabil programsko platformo zenon.
Zenon je orodje za izdelavo in implementacijo nadzornih sistemov in uporabniških vmesnikov. Podpira več kot 300 različnih gonilnikov in ga uporabljajo v avtomobilski industriji, farmacevtski industriji, proizvodnji hrane in pijače, največ pa v energetiki. Glavne prednosti programske platforme zenon so:
• Parametriranje namesto programiranja (fleksibilna razporeditev resursov, krajši čas seznanitve s projektom, hitrejša izdelava projektov, višje marže pri projektih s fiksno ceno)
• Objektna usmerjenost (hitro ustvarjanje in vzdrževanje projektov, zagotovite doslednost, hitri popravki in hitre prilagoditve, tudi če gre za več simbolov, prihranek časa in hitrejši zagon, kar ima za posledico nižje stroške projekta)
• Centralno inženirsko okolje (prilagodljivost za vsako fazo projekta in poljubno velikost projekta, zaščita za prihodnost zahvaljujoč zmožnosti lažjega širjenja rastočih projektov, učinkovitost zaradi doslednega inženiringa, manj zahtev po usposabljanju in hitrejši razvoj strokovnega znanja)
• Avtomatizirano inženirstvo (prihranek časa in stroškov, avtomatizacija monotonih nalog, izogibanje napakam med načrtovanjem)
• Razširljivost projektov na programski platformi zenon (zmanjšano finančno tveganje, ohranitev potenciala za rast, postopno vlaganje)
Programska platforma zenon je sestavljena iz številnih aplikacij, med katerimi sta najpomembnejši Engineering Studio in Service Engine. Engineering Studio je orodje za razvoj nadzornih sistemov, ki delujejo v okolju MS Windows. Engineering Studio (slika 2) nam omogoča, da z uporabo integriranih funkcionalnosti naredimo skoraj vse, kar bi želeli v nadzornem sistemu. Omogoča nam hitro spremljanje in obdelavo alarmov (AML), kronološko beleženje vseh dogodkov (CEL) in izdelavo poročil na osnovi zbranih podatkov. Podpira komunikacijo preko 300 različnih protokolov. [10]
4 Vsebuje tudi tako imenovano integrirano rešitev, zenon Logic Workbench, ki jo lahko uporabimo kot mehak PLK in nam omogoča programiranje dodatne logike ali celo vodenje procesov s pomočjo osebnega računalnika. Za vse dodatne funkcionalnosti, ki jih sam zenon v osnovi ne podpira, imamo dostop do praktično vseh elementov v zenonu in možnost, da programiramo kakršnokoli dodatno funkcijo, ki bi jo morda potrebovali. Ti programi so napisani v C# in se imenujejo Addin. [10]
Slika 2: Zenon Engineering Studio
2.1 Nadzorni sistem
»Nadzorni sistem (ang. SCADA) – sestavljajo računalniki, omrežne podatkovne komunikacije in grafični uporabniški vmesniki (ang. GUI) za nadzor nad procesi na visoki ravni, hkrati pa vključuje tudi druge periferne naprave, kot so programljivi logični krmilniki (PLK), ki služijo kot vmesniki s procesnimi napravami ali stroji.«[4]
Slika 3: Funkcionalne ravni nadzornega sistema [4]
5 Na Sliki 3 drugo raven predstavljajo nadzorni sistemi. Omogočajo nam centraliziran dostop do krmilnikov, kjer operater lahko spremlja dogodke in pošilja ukaze z ene lokacije.
Omogočajo nam tudi akumuliranje podatkov v podatkovne baze, kar nam omogoča zgodovinski pregled in boljšo analizo podatkov.
Eno izmed področij uporabe nadzornih sistemov so stavbe. Tukaj lahko krmilimo ogrevanje, prezračevanje in klimatizacijo (HVAC), lahko beležimo in optimiziramo porabo energije, spremljamo zasedenost parkirišča okrog stavbe, nadzorujemo razsvetljavo ter protipožarni in varnosti sistem. Takšni sistemi se iz dneva v dan pogosteje uporabljajo. Njihove prednosti so:
• zmanjšani dnevni izdatki;
• zmanjšana poraba energije, kar ima pozitivne ekološke učinke;
• izboljšana produktivnost (z dobrim vodenjem gretja in hlajenja naredimo bolj ugodno delovno okolje, kar vodi do večje produktivnosti in manj odsotnosti zaradi bolezni);
• zbiranje in arhiviranje podatkov (kot smo videli v primeru univerze v Salzburgu, kjer se podatki uporabljajo v raziskovalne namene).
Takšni sistemi imajo tudi slabosti:
• cena implementacije: namestitev takšnih sistemov za krmiljenje v osnovi trivialnih naprav lahko stane veliko. Potrebni so strokovni inženirji ter strojna in programska oprema, ki sta ponavadi zelo dragi;
• varnost: veliko potencialnih vstopnih točk za hekerske napade
Takšni sistemi niso omejeni le na nove stavbe. Vsako stavbo lahko pretvorimo v pametno stavbo. Tako lahko tudi stare šole, pisarniške stavbe, bolnice itn. naredimo bolj učinkovite in zmanjšamo ekološki odtis urbanega življenja. [7][8][9]
2.2 Opis projekta
Cilj projekta je simulacija nadzornega sistema za stavbo DB Schankerja v Ljubljani. Ideja projekta je, da se ga uporabi za predstavitev takšnega sistema, ki bi se potencialno izvedel za to stavbo. Takšni sistemi sosestavljeni iz dveh delov, in sicer iz programskega in strojnega
dela. . Strojni del je sestavljen iz senzorjev, aktuatorjev, programljivih logičnih krmilnikov,
komunikacijske infrastrukture in računalnika ali računalnikov, kjer dela program za zbiranje obdelavo podatkov in vizualizacijo. . Sam sem se osredotočil na programski del takega sistema. Projekt vsebuje vizualizacijo nadstropja, prikaz in kontrolo temperature, prikaz koncentracije CO2, kontrolo luči, prikaz prisotnosti v določenih prostorih (sejne sobe in hodniki), stanje ventilov konvektorskih radiatorjev, krmiljenje ventilacije, prikaz kotlovnice, stanja ventilov za gretje nadstropij, prikaz toplotne črpalke in plinskega bojlerja (stavba nima toplotne črpalke, dodana je le kot potencialno bolj ekološka rešitev), arhiviranje (gretje, temperatura, ventilacija,…), trendi, poročila o porabi energije in o uporabniških interakcijah s sistemom (audit trail), obdelava alarmov, prikaz in informacije o polnilnih postajah na zunanjosti stavbe.
6
2.2.1 Simulacija v programskem okolju zenon Logic
Projekt je popolna simulacija, narejena tako, da bi, če bi bile ustrezne spremenljivke povezane z napravami, ki vsebujejo dejanske podatke, sistem z manjšimi popravki deloval popolnoma normalno in pravilno.
Simulacija je narejena v programskem okolju zenon Logic in napisana v strukturiranem tekstu. Logic Workbench je orodje, ki nam omogoča izdelavo tako imenovanih zenon Logic projektov, v katerih lahko programiramo dodatno logiko v jezikih po standardu IEC61131-3 (ST, LD, IL, FBD, SFC). Logic Workbench projekti lahko uporabljajo spremenljivke direktno iz Engineering Studia in njihove vrednosti spreminjajo v Service Engine.
Obstaja več možnosti za uporabo zenon Logic. Lahko se uporablja kot mehki PLK, ki dela neodvisno od zenona in z napravami komunicira preko različnih protokolov, ki so že programirani kot del Fieldbus configuracije (v tečaju za zenon Energy Edition se Logic projekt uporablja kot simulacija IEC-61850 strežnika3). Simulacijo vhodnih spremenljivk in logiko v ozadju tistega projekta sem napisal v strukturiranem tekstu. Projekt vsebuje dva zenon Logic projekta (LogicAndSimulat in SIMULATIONPP), prvi je simulacija in vodenje same stavbe, drugi je namenjen polnilnim postajam, ki se nahajajo zunaj. [10]
Projekt Logic za polnilne postaje dela tako, da ko nam spremenljivka Avto pove, da je avto prisoten, se vrednost spremenljivke TrenutnaMocPolnjenja začne generirati in v vsakem stotem ciklu programa dobi novo vrednost, ki se prišteje skupni porabi. V vsakem stotem ciklu se generira nova vrednost zaradi boljšega prikaza simulacije v Service Engine. Po končanem polnjenju spremenljivka Avto dobi vrednost tri in izračuna se skupna poraba za vsa polnjenja, ostale spremenljivke ohranijo svojo vrednost, dokler se novo polnjenje ne začne ali avto ne zapusti postaje. Za simulacijo je zelo pomembno, da zenon Logic deluje kot mehki PLK in, da se program izvaja ciklično (dolžina cikla je 10 ms). Naslednji korak je namestitev konfiguracije SCADA to Logic Fieldbus, da bi se vrednosti iz Logic-a prenašale v Service Engine in obratno v realnem času. Če ne bi šlo za simulacijo, bi se spremenljivki Avto in TrenutnaMocPolnjenja (CurrentChargingPower) spremenili v nekatere realne vrednosti, ki jih dobimo od naprave. Ostali izračuni bi ostali isti. V realnem primeru bi komunikacija med zenonom in polnilno postajo potekala z uporabo gonilnika OCPP, ki je že integriran v zenonu.
Protokol OCPP (Open Charge Point Protocol) je aplikacijski protokol za komunikacijo med polnilnimi postajami za električna vozila (EV) in centralnim nadzornim sistemom, ki je podoben omrežju polnilnih postaj. Izvirno različico sta napisala Joury de Reuver in Franc Buve.[5][6]
3 IEC 61850 je internacionalni standard, ki definira komunikacijske protokole za inteligentne elektronske naprave (ang. IED) za transformatorske postaje. V tem primeru se zenon Logic obnaša kot IED strežnik, ki komunicira po IEC 61850 standardu in nam omogoča izdelavo simulacije nadzornega sistema transformatorske postaje.
7
2.2.2 Simulacija spreminjanja temperature
Drugi projekt Logic je malo bolj kompliciran, vsebuje namreč tudi simulacijo spremembe temperature v posameznih prostorih. Vsi detajli tega projekta bodo opisani v naslednjem poglavju. Na tem mestu se bom fokusiral le na model sistema prvega reda, s katerim je opisana sprememba temperature v posameznih prostorih.
Vzamemo, da je temperatura v eni pisarni 𝑇 ∈ ℝ. Naprava, ki lahko spreminja T, je konvektorski radiator. Ideja je, da določimo, kako se temperatura spreminja v času, kar nas pripelje do diferencialne enačbe:
𝑇̇ = −𝑎(𝑇 − 𝑇𝑧) + 𝑇∆ 𝑢 , kjer je: (1)
Ṫ = sprememba temperature v času̇ , a > 0 stopnja upada temperature (konstanta), T je trenutna temperatura,
𝑇𝑧 je zunanja temperatura (konstanta), 𝑇∆ je zmogljivost radiatorja (konstanta),
u je vhodni signal in glede na napravo so njegove vrednosti 0, ko je ventilator izklopljen in 1, 2 in 3 v odvisnosti od izbrane hitrosti ventilatorja konvektorskega radiatorja.
Za konstanto a sem izbral vrednost 1, za zunanjo temperaturo 10 ℃. S takšno izbiro konstant dobimo rezultat, da ko je radiator izklopljen (u = 0), trenutna temperatura postane enaka zunanji temperaturi.
Slika 4: Grafični prikaz spremembe temperature
8 Na grafu (slika 4) je prikazano obnašanje simulacije, ko zaženemo naš projekt. Začetna temperatura je 0 ℃, zaželena je 30 ℃. Regulacija temperature je realizirana z dvopoložajnim regulatorjem s histerezo ±1℃. Tukaj lahko opazimo vpliv zunanje temperature. Pri 30 ℃ se prostor bistveno hitreje hladi kot pri 20 ℃. Na prikazanem primeru je bila hitrost ventilatorja konvektroja nastavljena na 1, kar pomeni, da je bil vhodni signal u tudi 1.
9
3. Nadzorni sistem za stavbo
To poglavje je namenjeno praktični predstavitvi nadzornega sistema za stavbo. Na začetku imamo kratek opis in uvod v projekt. Potem podrobno preučimo vse module, zaslone in programe, ki jih vsebuje ta projekt.
3.1 Uvod
Projekt Pametna zgradba je simulacija potencialnega nadzornega sistema za zgradbo (slika 5), v kateri se nahaja podjetje EXOR ETI. Lastnik zgradbe je podjetje DB Schenker. Vse vrednosti so simulirane z uporabo zenon Logic. V projektu so uporabljeni pravi tlorisi zgradbe, ki so bili obdelani v PhotoScape-u, da bolj ustrezajo namenom nadzornega sistema.
Ideja nadzornega sistema za zgradbo je, da nam omogoči hiter in centraliziran dostop do podatkov, vezanih na stavbo, da nam omogoči nadzor nad porabo energije in z avtomatizacijo nekaterih procesov pomaga v zmanjšanju totalne porabe energije. Omogoča tudi arhiviranje podatkov in hitro spremljanje alarmov.
Slika 5: Zgradba, v kateri se nahaja podjetje EXOR ETI
3.2 Zunanjost stavbe in administracija uporabnikov
Ob zagonu projekta se nam odpre prikaz zunanjosti stavbe (slika 6). Z leve strani imamo glavni meni, preko katerega se lahko sprehajamo po različnih prostorih v stavbi. V spodnjem desnem vogalu je tako imenovano »WorldView Overview«, ki nam pokaže, kje smo na glavnem zaslonu. Na glavnem zaslonu imamo prikaz zunanjosti stavbe, luči in parkirna mesta, na katerih se nahajajo polnilne postaje. Luči operirajo pod časovnikom, tako da se ob 18:00 avtomatsko vklopijo in ob 07:30 avtomatsko izklopijo. Ta čas se lahko konfigurira v Engineering Studiu. Luči je mogoče vklopiti in izklopiti tudi neposredno s klikom nanje.
10
Slika 6: Zunanjost stavbe
Ena prvih stvari, ki jih vidimo, ko zaženemo program, je da nimamo dovoljenja za vklop luč, spremembo ekrana, itn. To je zaradi uporabniške administracije in avtorizacijskih stopenj (slika 7). Imamo več različnih uporabnikov z zelo različnimi pravicami. Imamo tudi ločene uporabnike, ki imajo dovoljenja le do svojih delov stavbe (zunanjost, kotlovnica, pisarne), a tudi tam so jim dovoljenja omejena. Samo administrator ima neomejene pravice in popolni dostop do nadzornega sistema (nastavljanje temperature v pisarnah, izklop in vklop gretja in ventilacije, dostop do polnilnih postaj itn.). Administrator ima tudi dovoljenje, da kreira nove uporabnike direktno v Service Engine-u.
Slika 7: Administracija uporabnikov
11
3.3 Nadstropje 3
V tem projektu smo za predstavitvene namene simulirali le tretje nadstropje, v katerem se nahaja naša pisarna. Program nam omogoča hiter pregled temperature in koncentracije CO2 v zraku, stanje ventila konvektorskega radiatorja, stanje ventilacije, pregled luči in senčila, prisotnost v prostorih in avtomatsko izklapljanje luči, če je prostor prazen, nastavitev želene temperature za celotno nadstropje in za vsako pisarno posebej ter hiter pregled informacij za vsak prostor v nadstropju. Na sliki 8 lahko vidimo tretje nadstropje.
Slika 8: Nadstropje 3
Ko približamo pisarno, lahko vidimo dodatne informacije v zvezi s to pisarno. Lahko jih tudi spremenimo. (slika 9)
Slika 9: Zoom pisarne 1 in 2
12 S klikom na želeni prostor se odpre novo okno z vsemi informacijami za ta prostor. Imamo dve varianti za odpiranje oken. Prva je, da se nam okno odpre ob strani ekrana, druga pa, da se odpre kot pojavno okno (slika 10). V teh oknih tudi vidimo, ali so senčila odprta ali zaprta.
Senčila – podobno kot zunanje luči – delajo po časovnem razporedu.
Slika 10: Okna z informacijami o prostorih
Za prikaz elementov in funkcionalnost tretjega nadstropja je uporabljen centralizirani dizajn z ustreznimi povezavami (slika 10). Elementi v glavnem oknu so simboli. Prikaz spremenljivk poteka na nivoju posameznega simbola (npr. prikaz temperature, koncentracija CO2 itn.).
Elementom v simbolu se spremeni vrednost, ko se spremeni vrednost spremenljivke, ki je povezana na posamezen element. Simbol lahko vidimo na sliki 11. Podobno delujejo tudi pojavna okna. To nam omogoča, da na enem mestu naredimo spremembo in se ta sprememba samodejno prenese na vse druge instance tega simbola ali zaslona.
Slika 12: Konfiguracija Linking rule
Slika 11: Simbol za prikaz dodatnih informacij
13
3.3.1 Simulacija v zenon Logicu
Podobno kot pri Polnilni postaji (v nadaljevanju PP) je vsa logika in simulacija vrednosti narejena v zenon Logicu. Za razliko od PP je tista simulacija bistveno večja. Začne se s preverjanjem, če je kakšen ventil konvektorja odprt, in če je, se tudi v kotlovnici odpre ventil za celo nadstropje. Na sliki 13 vidimo kodo krmiljenja ventila za tretje nadstropje.
Slika 13: Krmiljenje ventila za nadstropje
Po tem se prekontrolira ventilacija z uporabo UDFB4. Ventilacija se vklopi, če je vrednosti CO2 višja od definiranega maksimuma, izklopi se pa če koncentracija CO2 pade pod 75%
maksimalne dovoljene vrednosti CO2. V primeru požara se ventilacija izklopi. Kodo lahko vidimo na sliki 14.
Slika 14: Krmiljenje ventilacije
Naslednja je simulacija ventilacije. Tukaj smo ponovno uporabili ciklično izvajanje programa na vsakih 10 ms, da naredimo zakasnitev. Na vsakih 1,5 sekund se vrednost CO2 spremeni za
±10, v odvisnosti od tega, ali je ventilacija za ta prostor vklopljena ali ne. Tukaj tudi simuliramo energijsko porabo toplotne črpalke in plinskega bojlerja.(slika 15)
Slika 15: Simulacija vrednosti CO2
4 Uporabniško definiran funkcijski blok (ang. User defined function block).
14 Program se nadaljuje z regulacijo gretja in hlajenja ter simulacijo temperature. Oba sta implementirana kot UDFB, ki se v glavnem programu kliče po enkrat za vsak prostor. Imamo zimski in poletni režim delovanja. Preko stanja ventila VA1 lahko vidimo, če je sistem v poletnem ali zimskem režimu delovanja. Regulacija je narejena tako, da vsebuje histerezo
±1°C okrog zaželene temperature. Programsko kodo lahko vidimo na sliki 16.
Slika 16: Regulacija gretja
Na sliki 17 lahko vidimo programsko kodo, ki predstavlja implementacijo enačbe (1), s katero simuliramo spreminjanje temperature v prostoru. Odziv sistema, tj. časovni potek temperature, je prikazan na sliki 18.
Dejanska temperatura := Dejanska temperatura + (- a * (Dejanska temperatura – Zunanji faktorji) + Zmogljivost radiatorja * u ) * 0.0001;
Slika 17: Simulacija temperature pisarne
Slika 18: Sprememba temperature v pisarni 0
15 Naslednjo imamo enostavno logiko za vklop in izklop luči v odvisnosti od prisotnosti.
Implementirana je le za hodnike in sejne sobe. Deluje tako, da se luč avtomatsko izklopi, če senzor prisotnosti ne zazna prisotnost eno minuto. (slika 19)
Slika 19: Avtomatski izklop luči
Preostala je še enostavna simulacija temperatur v kotlovnici za preostala nadstropja, ki niso predstavljena v projektu. (slika 20)
Slika 20: Simulacija povprečne temperature za druga nadstropja
3.4 Kotlovnica
Naredili smo enostavno simulacijo kotlovnice, ki skrbi za gretje stavbe. V kotlovnici imamo toplotno črpalko, plinski bojler in ventile za nadstropja (slika 21). Kot glavni vir toplote uporabljamo toplotno črpalko. Plinski bojler naj bi se vklopil, ko toplotna črpalka ne zmore sama doseči želene temperature. V našem primeru je to poenostavljeno; ko je odprtih tri ali več ventilov, plinski bojler začne delovati.
16
Slika 21: Kotlovnica
3.5 Polnilne postaje
Nadzorni sistem mora imeti možnost priključitve na polnilno postajo ABL WALLBOX eMH2 ali katero koli drugo polnilno postajo za električne avtomobile, ki podpira protokol OCPP. Projekt vsebuje glavni zaslon, AML, CEL, arhiv, graf in poročilo.
3.5.1 Glavni ekran in simulacija vrednosti z uporabo zenon Logic Workbench
Uporabili smo prvi projekt, ki smo ga naredili (Polnilna postaja) kot osnovo za simulacijo polnilnih postaj zunaj stavbe. Namen je, da lahko zbiramo podatke in nadzorujemo polnilne postaje za električne avtomobile na enem mestu. Dobimo podatke o porabi vsake polnilne postaje, ali je zasedena, kdaj se je avto začel polniti, ali je avto napolnjen. Polnilno postajo lahko tudi konfiguriramo, tako da se pošlje sporočilo, ko se je polnjenje končalo. Pregled polnilnih postaj lahko vidimo na sliki 22.
Slika 22: Pregled polnilnih postaj
17 Edino postaja 1 popolno simulirana in s klikom nanjo se odpre bolj podroben prikaz. Dobimo tudi alarme in poročilo o tisti postaji.
Na glavnem zaslonu polnilne (slika 23) postaje lahko vidimo parametre, ki jih je treba pridobiti iz naše polnilne postaje (Current charging power, status avtomobila, itn.). Njihove vrednosti računamo v zenon Logic-u (slika 24). V našem primeru je celoten projekt simulacija, zato se simulirajo vrednosti, ki jih je treba pridobiti iz same postaje (Current charging power, status avtomobila).
Slika 23: Glavni ekran postaje 1
Slika 24 Koda simulacije polnilne postaje
18
3.5.2 Arhiviranje
Z uporabo modula Historian smo naredili pet arhivov (slika 25). En shranjuje vrednosti ciklično na vsakih 5 sekund, druge po vsaki spremembi vrednosti spremenljivke. Shranjujejo se v formatu .arx. Arhiviranje se začne skupaj s Service Engine-om in se konča, ko se Service Engine izklopi. Obstaja možnost drugih konfiguracij (start s funkcijo ali Real-time data acquisition block arhiva), ampak za njihovo uporabo ni bilo potrebe. Za ciklične arhive je cikel vpisovanja podatkov 1 min in je arhiv konfiguriran, da se shrani vsakih 15 minut. Pri konfiguraciji cikla in shranjevanja arhiva je pomembno, da je čas shranjevanja arhiva večkratnik cikla vzorčenja, da ne bi prišlo do izgube podatkov. Arhivi se shranjujejo na lokalnem računalniku. Obstaja tudi možnosti evakuacije shranjenih arhivov na SQL server, ampak tega v projektu nisem uporabil. Lahko tudi obdelujemo arhive in s tem naredimo tako imenovane agregirane arhive, ki vzamejo vrednosti iz glavnih arhivov in na osnovi funkcije izračunajo nove agregirane vrednosti. V našem primeru so to vsota, povprečje, minimum in maksimum vrednosti spremenljivk iz arhiva EN-Energy. Arhive lahko vidimo na Sliki 4.
Slika 25: Arhivi
3.5.3 Prikaz podaljšanega grafa signala
Prikaz podaljšanega grafa signala (ang. Extended trend) je tip zaslona v zenonu, ki nam omogoča risanje grafov (slika 26). Extended trend spada v posebne tipe zaslonov, na katerih definiramo le osnovne elemente. Vsebina zaslonov se v zenonu določi preko Screen switch funkcije. Graf sem konfiguriral tako da vrednosti, ki se bodo prikazovale na grafu, pridobivajo iz prej omenjenih arhivov. Bolj natančno, graf prikazuje pet spremenljivk: Avto, TrenutnaMocPolnjenja, StrosekTrenutnoPolnjenje, CenaNaUroln, PorabaEnergijeTrenutno.
Na grafu lahko vidimo, kako je potekalo polnjenje za eno uro nazaj. Prikaz se osvežuje na vsakih 5 sekund. Z uporabo kazalca lahko v spodnjem levom vogalu vidimo tudi minimum, maksimum, povprečje itn. za naše spremenljivke. Konfiguracijo grafa je možno spremeniti tudi v Service Engine-u s klikom na gumb Diagram.
19
Slika 27 Prvo poročilo
Slika 26: Extended trend
3.5.4 Poročilo
Poročila so narejena v aplikaciji Microsoft Report Builder s podatki iz zenona in prikazana z Report Viewer modulom v zenon Service Engine-u.
Tukaj je spet odlično prišlo znanje, ki smo ga pridobili pri predmetu Računalniško Vodenje Procesov. Zenon Report Builderju poda prej določene Datasets in mi jih v Report Builder z uporabo QL (Query language) preuredimo v naše poročilo. Podobno kot za Extended trend, se tudi pri poročilih vsebina in struktura definirata ločeno. V aplikaciji Microsoft Report Builder definiramo strukturo, narišemo tabele, določimo, katere vrednosti naj se vpisujejo v celice, po kateri vrednosti se naj tabela sortira itn. Grafe in barve tudi definiramo v aplikaciji Microsoft Report Builder. Kot se vidi na sliki 27, imajo vrstice različne barve – odvisno od spremenljivke. Logika za to je napisana v QL. Ko naredimo osnovo poročila in določimo, katere podatke želimo v poročilu (v našem slučaju samo vrednosti iz arhivov), je treba narediti še našo funkcijo Screen switch, kjer bomo definirali časovni filter za podatke in za katere spremenljivke želimo, da se iz arhiva prikažejo v našem poročilu. Poročilo lahko izvozimo v PDF ali Excel formatu, lahko ga tudi natisnemo direktno iz Service Engine-a.
20
3.6 Alarmi
Na zaslonu AML (ang. Alarm message list) lahko vidimo vse alarme za našo zgradbo. Vsi alarmi so simulirani. Na sliki 28 lahko vidimo vse aktivne alarme, lahko jih potrdimo in tudi vidimo, ko so ti alarmi odpravljeni.
Slika 28: Alarm message list
V Service Engineu lahko tudi konfiguriramo filter, da vidimo le tiste alarme, ki so za nas zanimivi. Če na primer izberemo skupino kotlovnica, gledamo samo alarme iz kotlovnice.
(slika 29)
Slika 29: Izbira skupine in vrsto alarma
21
3.7 Zaslon CEL
Zaslon CEL (ang. Chronological Event List) ali kronološka lista dogodkov je lista, na kateri lahko vidimo vse dogodke in za njih relevantne informacije.
Slika 30: CEL
3.8 Graf porabe energije za gretje
Na grafu je mogoče prikazati skupno porabo energije za gretje in posamezne prispevke toplotne črpalke in plinskega bojlerja (slika 32). Graf ni omejen na prikaz porabe energije. Z uporabo gumba Diagram ga lahko konfiguriramo za prikaz katerokoli spremenljivke. (slika 31)
Slika 31: Konfiguracija grafa
22
Slika 32: Poraba energije gretja
3.9 Poročilo o kotlovnici
Z uporabo aplikacije Microsof Report Builder sem naredil poročilo za kotlovnico (slika 33).
V poročilu lahko vidimo graf porabe energije, ki prikazuje koliko je energije porabljeno skupaj in koliko energije sta porabila črpalka in plinski bojler. Na dnu imamo zabeležene vse dogodke v kotlovnici. Poročilo lahko vidimo na sliki 34.
Slika 33: Poročilo v Microsoft Report Builder-u
23
Slika 34: Prva stran poročila kotlovnice
24
3.10 Poročilo o posegih uporabnikov
Poročilo o posegih uporabnikov (ang. Audit trail) vsebuje vse spremembe, ki jih je posamezen uporabnik naredil. Dobimo informacijo točno kdo, kje, kaj in kdaj je naredil spremembo. Na primer, če je eden od uporabnikov nadzornega sistema spremenil temperaturo za določeni prostor ali vklopil luč, izklopil toplotno črpalko in podobno. Dobimo informacijo, kateri uporabnik, s katerega računalnika je naredil spremembo. Podatki za to poročilo so pridobljeni iz modulov CEL in AML. Na koncu imamo tudi izpisane vse alarme, obarvane v odvisnosti od tega, ali gre za opozorilo ali za napako.
Slika 35: Poročilo o posegih uporabnikov
25
4. Zaključek
Projekt simulacije nadzornega sistema za stavbo je izpolnil svoj namen. Bil je že uporabljen na spletni predstavitvi in tudi predstavljen lastniku stavbe s predlogom, da se takšen nadzorni sistem implementira v stavbi, na osnovi katere je narejen. Izboljšave projekta bi lahko šle v dve smeri, strojno in programsko.
Strojna izboljšava bi bila, da se projekt dejansko implementira – torej da se na stavbo doda senzorje, aktuatorje, programljive logične krmilnike itn., vse pa se poveže z nadzornim sistemom zenon. V tem primeru bi bilo potrebno sam projekt povečati, dodati ostala nadstropja, narediti pravilno vizualizacijo za HVAC in tudi dejansko povezati polnilne postaje za električne avtomobile, ki se nahajajo zunaj stavbe.
Po drugi strani je projekt možno nadgraditi tudi v simulacijski smeri, torej izboljšati simulacijo in jo narediti bolj realistično. Na primer pri gretju in hlajenju pravilno upoštevati vpliv toplotne črpalke in plinskega bojlerja. Narediti bolj realističen prikaz porabe energije z namenom, da se projekt ne uporablja le v predstavitvene namene, ampak tudi za izračun potencialnega prihranka pri porabi energije.
26
27
5. Literatura
[1] Wikipedija, Smart city [Online]
Dosegljivo: Smart city - Wikipedia. [Dostopano: 5. 09. 2021]
[2] Wikipedija, Building management system [Online]
Dosegljivo: Building management system - Wikipedia (Dostopano: 5. 09. 2021) [3] COPA-DATA, Smart zenon: Automate buildings and gain valuable data [Online]
Dosegljivo: https://www.copadata.com/download/0/1034/605366ae-5f73-44f6-baeb- cd94dde38426 [Dostopano: 19. 08. 2021]
[4] Wikipedija, SCADA [Online]
Dosegljivo: SCADA - Wikipedia [Dostopano: 20. 08. 2021]
[5] Open Charge Alliance, OPEN CHARGE POINT PROTOCOL 2.0.1 [Online]
Dosegljivo: OCPP 2.0.1, Protocols, Home - Open Charge Alliance [Dostopano: 20.
08. 2021]
[6] Wikipedija, Open Charge Point Protocol [Online]
Dosegljivo: Open Charge Point Protocol - Wikipedia [Dostopano: 20. 08. 2021]
[7] Wikipedija, Heating, ventilation, and air conditioning [Online]
Dosegljivo: Heating, ventilation, and air conditioning - Wikipedia[Dostopano:
22.08.2021]
[8] COPA-DATA, Smart City solutions for utilities, buildings, and transportation [Online]
Dosegljivo: Smart City Software Platform | IOT Solutions | COPA-DATA (copadata.com) [Dostopano: 22.08.2021]
[9] COPA-DATA, Automation software for smart buildings [Online]
Dosegljivo: Automation software for smart buildings (copadata.com) [Dostopano:
22.08.2021]
[10] COPA-DATA, zenon Online Help [Online]
Dosegljivo: zenon Online Help (copadata.com) [Dostopano: 22.08.2021]
