Softwarové nástroje využívané v systémech automatizace budov - programovací nástroje, grafické centrály
Příspěvek uvádí základní popis programovacích nástrojů a grafických centrál, které se v systémech automatizace budov nejčastěji používají. Čtenář bude především seznámen se současnými funkcemi softwarových nástrojů a jejich implementací do systémů automatizace budov.
Úvod
Předchozí články uváděly systémy, komponenty a komunikační protokoly, které se nejčastěji využívají v systémech automatizace budov. Uvedené systémy a komponenty by samozřejmě měly fungovat způsobem, který je navržen projektantem a osobou znalou v oboru měření a regulace. Projektant tedy navrhne aplikaci a vytvořenou projekční dokumentaci předá realizační firmě. Navržený princip regulace musí být následně vhodně zanesen (naprogramován) v navrženém regulátoru. Odpovědný pracovník, nejčastěji aplikační inženýr, musí aplikaci naprogramovat prostřednictvím programovacího nástroje do regulátoru. Regulátor pak, dle vytvořeného programu, samostatně zpracovává regulační smyčky a řídicí strategii. Velice požadovaným krokem je v dnešní době grafická vizualizace řízené aplikace. Tato vizualizace bývá zprostředkována pomocí grafické nadstavby a umístěna na místě, kde se nachází osoba, která o systémy a jejich funkce v dané budově pečuje. Tento článek uvádí základní popis programovacích nástrojů a grafických centrál, které se v dnešní době nejčastěji používají. Čtenář bude především seznámen se současnými trendy softwarových nástrojů a jejich implementací do systémů automatizace budov.
Vztah mezi technologiemi, řídicími systémy a obslužným software
Obr. 1: Hierarchická struktura systémů automatizace budov
Abychom si stručně připomněli: Systémy automatizace budov jsou komplexní nástroje určené uživatelům a správcům budov (domů, kanceláří, průmyslových budov) k rychlejšímu a snazšímu ovládání a řízení všech jejich částí technologií. Již v předchozím článku bylo popsáno vysvětlení některých základních hesel, které se v systémech automatizace budov nejčastěji používají (BMS - Building Management System). Ještě než přejdeme k detailnímu popisu softwarových nástrojů využívaných v BMS a vysvětlení jejich hlavnímu účelu, považuji za nezbytně nutné popsat základní uspořádání jednotlivých částí komplexního systému automatizace budov. Typická skladba (hierarchická struktura) BMS je zobrazena na obr. 1. Tento obrázek prezentuje strukturu jednotlivých systémů a komponent v celkovém systému BMS a jejich logickou návaznost. (Pozor, nejedná se o úrovňovou skladbu dle důležitosti!). Standardní BMS se v nejnižší vrstvě skládá ze systémů polní instrumentace (v obr. 1 - Koncové prvky), rozvaděče (v obr. 1 - Rozhraní provozně technických zařízení) osazený regulátory a vstupně výstupními moduly (v obr. 1 - Měření a regulace) s naprogramovanou řídicí strategií (v obr. 1 - Nadřazené řídicí funkce) a konečně systému s grafickou vizualizací řízené aplikace (v obr. 1 - Management).
Obr. 2: Příklad řídící strategie
Nejnižší čtyři úrovně jsou dnes již vcelku standardní, i když se najdou aplikace, které některou vrstvu nemají. Systém managementu už tak standardní není, nicméně v současné době je stále více požadovaný. Pokud se na obr. 1 podíváme detailněji, můžeme celý systém BMS popsat následovně: V bezprostřední "blízkosti" procesů jsou umístěny snímače, nutné pro zachycení informací ze systému (aplikace, např. vzduchotechnické jednotky). V integrovaném systému automatizace budov jsou na této nejnižší úrovni snímače teploty, průtokoměry, ale také snímače pro snímání stavu, jako jsou např. hlídače námrazy apod. K tomuto přistupují akční prvky, které umožňují vlastní řízení a ovládání provozně technických zařízení. Spojení s DDC regulátory, které podmiňuje řízení a regulaci, se zajišťuje propojením vodičů. Místem, kam se DDC regulátory instalují, je skříň rozvaděče, umístěna zpravidla v bezprostřední blízkosti místnosti technických zařízení. Ve skříni rozvaděče jsou umístěny svorkovnice pro připojení rozvodů a vstupně výstupní moduly. DDC regulátory, které zajišťují automatický provoz navržené aplikace, jsou namontovány také ve skříni rozvaděče. Řídicí a regulační funkce se zpracovávají autonomně v jednotlivých DDC regulátorech. Protože u tohoto řešení (viz obr. 1) se informace od všech připojených zařízení sbíhají do počítače, kde je nainstalovaná grafická nadstavba, může tato v některých případech převzít i řídicí funkce.
Obr. 3: Řídicí počítač s grafickou vizualizací
Typickým příkladem je časový program, který je přizpůsoben provozním časům budovy a zajišťuje ráno nastartování a večer vypnutí příslušných zařízení. S výjimkou času, který spotřebuje tato aplikace, je řídicí počítač k dispozici managementu správy budovy.
Kromě takto účelově zaměřených činností poskytuje počítač programy k řízení budovy (Building Management). Na počítači jsou nainstalovány programy zajišťující funkcionality záznamu událostí a alarmů, archivaci naměřených hodnot a grafickou prezentaci - vizualizaci stavu provozně - technických zařízení. Tento řídicí počítač může dále zprostředkovávat (integrovat) zaznamenané hodnoty do dalších systémů nebo technologií. Toto už jsme ale popisovali v minulém článku nazvaném "Systémy a komponenty používané pro automatizaci budov - integrace systémů". Takovým způsobem lze velice jednoduše (ale odborně) popsat BMS. Z uvedeného vyplývá, že BMS využívají hardwarových a softwarových komponent. Hardwarové komponenty jsme již popisovali v minulém článku a jedná se především o regulátory a vstupně/výstupní moduly. Nezmínili jsme ovšem komponenty, nebo-li nástroje, softwarové. Mezi softwarové nástroje je možné zahrnout jednak nástroje vhodné pro programování řídicích strategií a regulačních smyček a jednak software sloužící pro grafickou vizualizaci aplikace a integraci jednotlivých technologií využívaných v BMS. Je velice důležité zdůraznit, že mezi oběma nástroji jsou značné rozdíly, i když někteří běžní uživatelé žádné rozdíly nepozorují. Jako hlavním rozdílem je možné uvést to, že grafickou vizualizaci může běžný uživatel pozorovat na obrazovce počítače, programovací nástroj a vytvořený program je naopak nahrán v příslušném regulátoru a není možné jej běžně pozorovat z počítače. V následujících kapitolách se na oba softwarové nástroje podíváme poněkud detailněji a pokusíme si osvětlit jejich hlavní výhody, přínosy a využití v BMS.
Nástroje pro programování řídicích strategií a regulačních smyček
Programovací nástroje jsou stěžejními prostředky pro programování řídicí logiky a regulačních strategií v BMS. Pomocí programovacích nástrojů vytváří aplikační inženýr regulační smyčky, které pak ovládají danou aplikaci. V současné době existuje celá řada programovacích nástrojů. Téměř každý výrobce regulátorů a komponent k BMS vlastní programovací nástroje, které se využívají v systémech BMS a průmyslových aplikacích. V podstatě se dá říci, že softwarové nástroje využívané v BMS vycházejí ze softwarových nástrojů využívaných v průmyslových aplikacích. Softwarové nástroje se totiž původně využívaly pouze v průmyslových programovatelných automatech (PLC- Programmable Logic Controller). Tyto nástroje byly většinou vývojové programy, které se programovaly na úrovni strojového kódu (definování proměnných a napsání zdrojového kódu) a později pak žebříčkového diagramu, který se v některých průmyslových systémech využívá dodnes. Současné programovací nástroje pak využívají zadefinovaných funkčních bloků nebo modulů, které se vkládají do pracovního prostředí programovacího nástroje. Tyto bloky pak již plně odpovídají danému regulátoru a obsahují potřebný počet vstupů a výstupů. Toto ale byly nástroje využívané v průmyslových aplikacích. Programovací nástroje využívané v systémech automatizace budov mají nejčastěji strukturu funkčních bloků a modulů. Obecně lze programovací nástroje rozdělit na dvě skupiny:
- Softwarové nástroje určené pro volné programování (vlastní definování logiky a funkce) regulátoru a
- nástroje pro modulové (konfigurovatelné) definování funkce regulátoru.
Obr. 4: Modulové programování - propojování modulů a vytváření řídicí strategie
Hlavní rozdíl mezi oběma skupinami je v tom, že volné programování (příklad na obr. 4) umožňuje jedinečné definování funkce regulátoru, plně závislé na uvažování aplikačního inženýra. Dalo by se říci, že každý aplikační inženýr vytvoří jedinečný program. Tato skupina je vhodná pro aplikace, které jsou unikátní a běžně se nevyskytují. Druhá skupina programových nástrojů již vychází ze základní znalosti některých aplikací a v podstatě dochází pouze ke konfiguraci funkce odpovídající dané aplikaci. Pokud bychom hodnotili složitost v programování obou skupin, tak je samozřejmě jednodušší skupina druhá - konfigurovatelné programování.
V tomto případě pouze aplikační inženýr vybere modul, jehož funkce nejvíce odpovídá navržené aplikaci a případně donastaví některé důležité parametry. Bohužel však tato skupina programovacích nástrojů neumožňuje přesnou specifikaci všech proměnných a nemusí tak být pokryty všechny aplikace. Aplikační inženýr tak velice rychle naprogramuje danou aplikaci, nicméně nemůže detailně zadefinovat všechny parametry a musí se tak spolehnout na funkci regulace navrženou některým z výrobců regulace. Z vlastní zkušenosti mohu říci, že v našem regionu se tento typ programování moc nevyužívá. Většinou to bývá z toho důvodu, že aplikace v České republice bývají jedinečné a aplikační inženýr příliš nedůvěřuje funkčnímu modulu vytvořenému některým z výrobců. Obecně je tedy možné říci, že se více využívá "volné" programování. Slovo volné je samozřejmě uvozeno z důvodu toho, že i v tomto případě aplikační inženýr využívá funkčních bloků v rámci daného programovacího prostředí.
Abychom osvětlili plnou funkci programovacího prostředí, je nutné vysvětlit, jak se vytvořený, otestovaný a zkompilovaný program dostane do řídicího regulátoru. Toto samozřejmě závisí na typu regulátoru a jeho vstupních rozhraní. V minulé době (a někdy i dnes) se využívá sériové komunikace (komunikační linky RS232). V současné době se stále více používá připojení prostřednictvím USB nebo jiných komunikačních protokolů (např. LON). Regulátor se tedy propojí s PC, kde se nachází vytvořený aplikační program a tento se pak prostřednictvím daného rozhraní nahraje do regulátoru. Po nahrání programu se regulátor restartuje a po opětovném spuštění již aktivuje své výstupy na základě stavových hodnot připojených k jednotlivým vstupům dle navrženého aplikačního programu. Takto nahraný regulátor se umístí do rozvaděče, pokud se v něm již nenacházel, a obstarává řízení, pro které byl navržen. Nyní se systém stává plně autonomní a je vhodné jej připojit k softwarovému nástroji, který umožňuje graficky prezentovat vytvořenou aplikaci.
Nástroje pro grafickou prezentaci řízené aplikace - grafická vizualizace
Obr. 5: Příklad grafické vizualizace přístupového a kamerového systému
V předchozí kapitole jsme si vysvětlili význam programovacích nástrojů, které se využívají pro programování regulátorů. Jak jste si jistě povšimli, neuváděl jsem popis jednotlivých systémů od různých výrobců. Jednak všechny programovací nástroje neznám a jednak je nutné uvést, že se jejich funkce obecně moc neliší. Téměř všechny systémy využívají stejného principu. Obdobně je to i v případě softwarových nástrojů určených pro grafickou vizualizaci řízených aplikací, neboli grafických centrál. Grafická centrála zprostředkovává obsluze a běžnému uživateli přehled o stavech a hodnotách jednolivých prvků a komponent, které jsou v rámci aplikace připojeny. Grafické centrály jsou nejčastěji nainstalovány na řídicím PC, který je umístěn v místnosti, kde se nachází obsluha pro daný objekt nebo budovu. Obsluha je totiž první osobou, která by měla mít o řízené aplikaci absolutní přehled (obr. 5).
Grafická vizualizace nejen že dává přehled o hodnotách některých snímačů či spínačů, ale umožňuje obsluze také měnit požadované hodnoty (například požadovaných teplot, zastřežení místností, sledování pohybu osob apod). Jakým způsobem je ale grafická centrála zasazena do celého systému? Vzhledem k tomu, že je grafická centrála nainstalována na řídicím počítači, je nutné do tohoto počítače přivést hodnoty z jednotlivých snímačů. Toto se provede tak, že se použitý regulátor, který provádí řídicí funkce, propojí s řídicím počítačem prostřednictvím zvoleného komunikačního protokolu. Těmito komunikačními protokoly bývají nejčastěji protokoly LonWorks, BacNet, Modbus, OPC nebo C-bus. V podstatě to funguje tak, že se řídicí počítač doplní o příslušný adaptér (dle zvoleného protokolu) a tento adaptér se spojí s řídicím regulátorem. Konfigurací přískušného adaptéru pak dojde k tomu, že všechny hodnoty uvažované v regulátoru přejdou do řídicího počítače, kde se ukládají do tabulek, nejčastěji SQL databáze. Z této databáze si pak grafická centrála vyčítá hodnoty jednotlivých datových bodů (proměnných definovaných v regulátoru). Tyto proměnné se v grafické podobě rozmístí na obrazovce a přidá se k nim vhodná grafika. Tímto způsobem pak může být vytvořena jakákoliv grafická vizualizace a vhodně zobrazeny stavové veličiny některé aplikace (např. vzduchotechniky - viz obr. 6).
Obr. 6: Grafická vizualizace vzduchotechnické jednotky
Co vše ale současné grafické centrály obsahují a jaké jsou jejich funkce. Samozřejmě grafické centrály nejsou určeny pouze pro sledování obrázků některých aplikací, ale slouží jako informační kanál, který upozorňuje uživatele a obsluhu o stavech jednotlivých proměnných. Téměř nedílnou součástí dnešních grafických centrál je alarmová služba. V případě, že některé z připojených snímačů zaznamená překročení nastavené hodnoty, je možné v grafické centrále toto překročení pozorovat ať už vizuálně nebo akusticky. Grafická centrála tak obsahuje tabulku, kde se nachází přehled všech přijatých alarmů (současných nebo historických). Některé grafické centrály také umožňují tuto informaci přenést dále na e-mail nebo SMS zprávy. O alarmu tak může být informován i uživatel, který se nenachází přímo u řídicího počítače. Dalším nástrojem, kterým jsou dnes grafické centrály vybaveny, je tabulka trendů a historických dat. Uživatel tak může mít grafické znázornění průběhu některých teplot, tlaků, stavů apod. Velkou výhodou je exportování zaznamenaných průběhů do externích nástrojů (MS excel nebo PDF) ve formě grafu nebo tabulky hodnot. Tohoto jistě využijí statistici či lidé, kteří se starají o energetickou náročnosti budov. Velkou výhodou dnešních grafických centrál je možnost definování časových programů. Časové programy defnují časové rozpětí dané proměnné a její hodnotu v tomto časovém rozpětí. Uživatel si tak může s výhodou například zadefinovat požadovanou teplotu, na kterou se bude vytápět daný prostor ve zvoleném časovém rozpětí.
Obr. 7: Grafická vizualizace na mobilním telefonu
Jedním z nejčastějších dotazů v dnešní době je možnost distribuce grafické vizualizace i uživatelům, kteří nemohou být (nebo nejsou) v místnosti, kde se nachází řídicí počítač. V tomto případě je výhodné využít internetu, kdy současné grafické centrály umožňují zprostředkování grafické vizualizace prostřednictvím internetových stránek. Řídicí počítač tak dostane svou pevnou adresu (IP), spustí internetovou službu a kdokoliv (kdo je k tomu oprávněn) si pak může zobrazit grafickou vizualizaci na svém počítači (samozřejmě situace není tak jednoduchá a uživatel musí být alespoň trošku znalý práce s počítačem a operačním systémem). Velkou výhodou grafických centrál dnes bývá možnost zobrazení grafických obrazovek na mobilním telefonu. Běžný uživatel tak může pozorovat hodnoty nebo grafy přímo na svém mobilním telefonu (obr. 7.).
Jak je patrné, oblast využití grafických centrál je poměrně široká a problematika nastavování není zase tak jednoduchá. Nicméně v současné době obsahuje téměř každá moderní budova grafickou vizualizaci, kdy mohou jednotliví uživatelé, obsluhy, servisní organizace a management sledovat okamžitý stav svého objektu.
Závěr
Tento článek popisuje využití softwarových nástrojů v systémech automatizace budov. V současných systémech se téměř všude využívají programy pro programování řídicí logiky a strategie do regulátorů, které pak na svých vstupech snímají hodnoty a stavy připojených snímacích prvků a na svých výstupech ovládají připojené akční komponenty. Tento softwarový nástroj se již stává nezbytným prvkem v systémech automatizace budov. Stále větším standardem pak bývají programy vizualizační, které prezentují danou aplikaci v grafickém zobrazení na příslušném PC. Tento softwarový nástroj je víceméně moderní záležitostí, která se již i v některých případech využívá pro grafickou vizualizaci od rodinných domů až po moderní administrativní budovy.
The paper presents the basic overview of programming tools and graphical centrals used in building automation systems. The paper describes the main functionalities and implementations of software tools in muilding management systems.