Методы повышения эффективности системы автоматизации жизнеобеспечения зданий на базе оборудования технологии BACnet

Переход российской экономики на рыночные методы хозяйствования не возможен без использования высоко эффективных энергосберегающих технологий. К одной из таких технологий и относится технология, основанная на так называемой интеллектуализации зданий и сооружений.

Концепция интеллектуального здания появилась в начале 80-х годов двадцатого столетия. Особую популярность она приобрела в последние годы, причем не только за рубежом, но и в России, где в последнее время активно формируется рынок систем для интеллектуальных зданий [1 .3].

Понятие интеллектуальное здание (IB — Intelligent Building) включает в себя совокупность аппаратных и программных решений, направленных на создание высокоэффективной Системы Управления Зданием (Building Managment Systems), включающей в себя достаточное количество подсистем управляющих различными сферами жизнедеятельности.

Сама идея интеллектуального здания состоит в том, чтобы не просто автоматизировать водои энергоснабжение, вентиляцию и кондиционирование здания, а создать единый центр управления системами жизнеобеспечения здания с автоматическим выбором оптимальных режимов работы, что позволило бы в той или иной степени решить проблемы энергосбережения и экономии средств, выделяемых на эксплуатацию зданий.

Все подсистемы интеллектуального здания должны полностью интегрироваться и взаимодействовать друг с другом, иметь единый центр управления всей системой в целом. Их обслуживание должно быть организовано таким образом, чтобы роль человека в системе была сведена к минимуму.

Для того чтобы здание могло иметь статус интеллектуального, оно должно нести на себе функцию управления сферами жизнедеятельности человека, то есть иметь следующие подсистемы управления зданием: подсистема электроснабженияотопленияводоснабженияуправления освещениемвентиляции и кондиционированияохранной сигнализациипротивопожарной безопасностисвязивидео наблюденияконтроля и управления доступомканализацииконтроля загазованности.

Все это может быть достигнуто за счет интеграции в единую информационно-управляющую сеть всех подсистем и их взаимодействия на базе единой среды передачи данных, основу которых составляет структурированная кабельная система, являющаяся неотъемлемой частью инфраструктуры любого современного административного здания.

Одной из основных проблем, с которыми пришлось столкнуться в интеллектуальных зданиях, была связана с проблемой стандартизации оборудования отдельных подсистем. Вызвано это тем, что производители оборудования используют свои — внутренние стандарты, не ориентируясь на необходимость интеграции своего оборудования с другими системами.

В начале 90-х годов необходимость стандартизации систем управления для развития отрасли была осознана практически всеми производителями оборудования. Эту проблему смогли решить открытые стандарты на сети контроля и управления различными устройствами. В настоящее время наиболее широкое распространение получили два стандарта таких сетей: BACNet и LonWorks [4. .7].

В основе технологии LonWorks лежит концепция реализации систем управления при помощи «распределенного интеллекта» — управляющей сети (Local Operating Networks — LON), которая имеет минимальное количество уровней иерархии, и в которой нет выраженного центрального устройства (Master). Технология LonWorks ориентирована на построение территориально распределенных систем с огромным количеством узлов. В наибольшей степени все ее преимущества раскрываются при построении автоматизированных систем управления инженерными системами (освещение, отопление, вентиляция, кондиционирование, системы доступа, охраны) жилых и промышленных зданий.

Протокол BACnet — Building Automation and Control Networks (сети автоматизации и управления зданий) разрабатывался комитетом ASHRAE (Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха) более 8 лет [8. 10], и был принят в 1995 году, последняя редакция стандарта была сделана в 2001 году. BACnet представляет собой специализированный протокол передачи данных для автоматизации зданий.

BACnet быстро завоевал признание и вызвал интерес во всем мире. В настоящее время его придерживаются более 70 производителей. Он принят в качестве стандарта ANSI/ASHRAE 135−1995 и является европейским черновым стандартом CEN ТС247. Кроме того, он с 1997 г. является проектом международного стандарта ISO ЕС 205/WG3 и одобрен организацией NEMA для приложений в области охранных и противопожарных систем [11. 15].

Протокол BACnet стал международным стандартом ISO 16 484−5. Голосование в ISO завершило важный этап совместной работы ASHRAE (разработчика BACnet) и технического комитета 205 (Building Environment Design) Международной организации по стандартизации (ISO). За принятие BACnet в качестве стандарта голосовали 20 стран, включая Россию, причем голосовавших против — не было. Это означает, что тем самым согласно процедуре для стандарта ISO 16 484−5 будет пропущен этап «окончательный проект» («Final Draft International Standard») и он сразу перейдет к этапу публикации. Благодаря новому стандарту ожидается сильнейший толчок развитию рынка систем автоматизации зданий, поскольку протокол будет способствовать удешевлению и интеграции систем.

Одним из самых больших преимуществ протокола BACnet (BACnet — протокол обмена данными для систем автоматизации жизнеобеспечения зданий) является его способность адаптироваться к новым сетевым технологиям и учитывать потребности пользователей [16.20].

ВАСпе! является единственным протоколом, который закрывает все три уровня функциональности (установка по месту, автоматизация, управление) открытым, стандартизованным способом, поддерживая различные методы передачи данных.

Исследования, проведенные ведущими фирмами Америки и Европы, лидирующими на международном рынке в области автоматизации и управления зданиями и сооружениями показывает, что выигрыш от использования современных технологий автоматического контроля и управления жизнеобеспечения зданий и сооружений огромен. В первую очередь это значительное снижения расходов на эксплуатацию здания, а именно: экономия тепла более 30%- электроэнергия более 40%- снижение страховых расходовзначительное сокращение штата обслуживающего персоналаповышения производительности труда более 20% за счет высокого уровня комфорта и условий работывысокий уровень безопасности и снижения расходовповышение статуса самого здания.

Все это делают диссертационную работу весьма актуальной.

Представленная диссертационная работа выполнялась в соответствии с НИР ГОУ ВПО «МГУС» «Исследование цифровых методов обработки информации в информационных системах и электротехнических комплексах» ГРНТИ 49.37.29 РК 01.0.40. 1 520.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности системы автоматизации жизнеобеспечения зданий, выполненной по технологии ВАСпе!, путем улучшения помехозащищенности ее электротехнического оборудования.

В соответствии с этим, были поставлены и решены следующие основные задачи работы:

4.7. ВЫВОДЫ.

1. Рассмотрены и проанализированы принципы проектирования систем кондиционирования и вентиляции воздуха. Показано, что при составлении теплового и влажностного баланса для кондиционируемого помещения должны быть учтены все факторы, влияющие на изменение состояния воздушной среды. Для этого необходимо определить все поступления и потери тепла. Показано, что в помещениях различного назначения действуют две основные категории тепловых нагрузок: возникающие снаружи и внутри помещения.

2. Осуществлен расчет мощности кондиционерного оборудования в различных условиях его эксплуатации. Показано, что мощность кондиционерного оборудования зависит от таких факторов как: площадь помещения, высота потолков, количества человек находящихся в помещении, мощность работающего в помещении оборудования, мощность осветительного оборудования, площадь окон в помещении и их ориентации по сторонам света, наличие жалюзи и др.

3. Осуществлено сравнение автономных систем типа «сплит» с центральными системами кондиционирования воздуха.

На основании экспериментальных исследований было показано, что для крупных зданий с большой зоной обслуживания рекомендуется использовать центральные системы кондиционирования воздуха, так как они имеют преимущества по первоначальным затратам, энергосбережению, качеству воздуха в помещениях, регулированию, обслуживанию и т. д. Показано, что годовой расход электроэнергии сплит-системами примерно на 35% больше, чем центральными системами кондиционирования воздуха.

4. На примере быстро настраиваемой системы управления климатотех-никой здания проанализирован принцип работы ВАСпе1>совместимого оборудования и программного обеспечения системы автоматизации зданий ВАС1а1к. Показано, что такая система позволяет обеспечить максимальный комфорт и экономичность не только для отдельных помещений, или частей здания, но и целого комплекса зданий.

5. Рассмотрены практические рекомендации по контролю и улучшению электромагнитной обстановки в местах установки оборудования систем автоматизации жизнеобеспечения зданий.

Показано, что перед размещением оборудования необходимо осуществить: оценку эксплуатационного состояния заземляющего устройства, включая заземления грозозащитыопределение трасс растекания токов при грозовом разряде и коротком замыканиидолговременный мониторинг помех в информационных цепях и цепях питанияизмерение уровней помех в информационных цепях и цепях питания при коммутационных операцияхоценку уровня электромагнитных полей.

6. Рассмотрены практические рекомендации по повышению помехоустойчивости электротехнического оборудования для систем автоматизации жизнеобеспечения зданий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации решена важная научно-техническая задача, заключающаяся в повышение эффективности системы автоматизации жизнеобеспечения зданий, выполненной по технологии ВАСпе1, путем улучшения помехозащищенности ее электротехнического оборудования.

При этом получены следующие основные результаты:

1. Осуществлен анализ организации работы и принцип построения автоматизированной системы управления оборудованием жизнеобеспечения зданий на базе технологии ВАСпе! Показано, что использование ВАСпе1 это не только перспективный и экономичный путь построения систем автоматизации зданий, но и возможность осуществления проектов без привязки к конкретному производителю, возможность легкой замены и модернизации оборудования, в том числе на уровне отдельных функциональных элементов.

2. Рассмотрены и проанализированы различные способы защиты от воздействующих помех на управляющее и измерительное оборудование, системы автоматизации жизнеобеспечения зданий. Показано, что в общем случае, паразитные воздействия на процесс передачи сигнала в системе автоматизации жизнеобеспечения зданий можно разделить на следующие группы: воздействия через кондуктивные связивлияние неэквипотенциаль-ности «земли" — наводки через взаимную индуктивностьнаводки через ёмкостные связивысокочастотные электромагнитные наводки.

3. Осуществлен анализ схемных решений для измерения напряжения заземленных и незаземленных источников информационного сигнала.

Показано, что наибольшую точность измерения сигнала заземленного источника, обеспечивает схема содержащая дифференциальный приемник, ослабляющая синфазное напряжение помехи в определенное число раз равное коэффициенту ослабления синфазного сигнала Косс данного дифференциального приемника.

Показано, что приемники с одиночным входом могут быть использованы лишь в том случае, если: источник и приемник сигналов разнесены на небольшое расстояние, до единиц метровесли сигнал источника предварительно усилен или имеет большую величину, около 1 Весли выводы «земля» источника и приемника соединены коротким низкоомным проводником в одной точке. Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, следует использовать приемники с дифференциальным входом.

4. Рассмотрены и проанализированы погрешности измерения информационного сигнала, вызванные кондуктивными, индуктивными и емкостными связями. Показано, что сигнальная, аналоговая и цифровая «земля» должны быть выполнены разными проводами, причем соединять их можно лишь в одной общей точке. Показано, что кардинальным средством устранения индуктивных и ёмкостных связей является применение источников сигнала с дифференциальным токовым выходом и использование приемников с низкоомным (токовым) дифференциальным входом.

5. Осуществлен анализ механизма возникновения помех в сигнальной линии, вызванных воздействием мешающего электромагнитного поля. Показано, что для уменьшения влияния электромагнитных помех необходимо: уменьшить напряжение (мощность) источника помехуменьшить длину линии подверженную воздействию мешающего электромагнитного полямаксимально разнести сигнальный провод и источник помехмаксимально понизить частоту передаваемых сигналовэкранировать сигнальный провод.

6. Осуществлен расчет взаимного влияния сигнальной и мешающей линии для наиболее распространенных на практике случаев. Показано, что с увеличением частоты наводимое напряжение возрастает с крутизной 20 дБ/декада. На частотах ниже 100 кГц, в зависимости от геометрии линии и их сопротивления, сказывается влияние как электрических, так и магнитных V полей. Если произведение сопротивлений линий больше или равно 10 Ом то преобладает электрическая связь, если значительно меньше 300 Ом, то магнитная. В области от 300 Ом2 до 107 Ом2 характер связи определяется геометрией параллельно проложенных проводов.

7. Рассмотрены и проанализированы методы уменьшения взаимного влияния сигнальной и мешающей линии. Показано, что одним из наиболее продуктивных способов уменьшения взаимного влияния является экранирование, эффективность которого зависит от правильности заземления экрана.

При работе в особо тяжелых условиях необходимо применять не только сложные конструкции кабелей, но и более сложные методы защиты от электромагнитных помех.

8. На примере быстро настраиваемой системы управления климатотех-никой здания, на базе ВАСпе^совместимого оборудования, осуществлено сравнительное экспериментальное исследование центральной системы кондиционирования воздуха с автономной системой типа «сплит». Показано, что для крупных зданий с большой зоной обслуживания целесообразно использовать центральные системы кондиционирования воздуха, имеющие преимущества не только по качеству воздуха в помещениях, регулированию и обслуживанию, но и по значительному энергосбережению. Годовой расход электроэнергии центральными системами кондиционирования воздуха примерно на 35% меньше, чем сплит-системами.

9. Рассмотрены практические рекомендации по повышению помехоустойчивости электротехнического оборудования для систем автоматизации жизнеобеспечения зданий, а так же по контролю и улучшению электромагнитной обстановки в местах его установки.