České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Inteligentní budovy Katedra měření DIPLOMOVÁ PRÁCE Laboratorní úlohy pro model inteligentního domu autor práce: vedoucí práce: Bc. Dušan Hrušťák Ing. Jan Sova Praha, leden 2012
ii
Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady uvedené v seznamu literatury. V Praze dne 1. ledna 2012........................... Bc. Dušan Hrušťák iii
Poděkování Děkuji vedoucímu své diplomové práce, panu Ing. Janu Sovovi, za obětavost a trpělivost při vedení mé práce, jakož i za cenné diskuze vedoucí k jejímu obohacení. Mé díky patří také Doc. Ing. Petru Kašparovi, CSc. a Ing. Pavlu Mlejnkovi za pomoc a vstřícnost při tvorbě práce. V neposlední řadě bych rád poděkoval všem členům své rodiny a přátelům, kteří mě po dobu mého studia podporovali, ať již finančně či morálně. Bez této podpory si úspěšné studium dokáži jen těžko představit. Poděkování patří také firmám Teco a.s. a Workswell s.r.o. za darování použitých senzorů a pomoc při práci s modelem. Bc. Dušan Hrušťák iv
Název práce: Autor: Druh práce: Laboratorní úlohy pro model inteligentního domu Bc. Dušan Hrušťák Diplomová práce Rok: 2012 Vedoucí práce: Abstrakt: Ing. Jan Sova Úkolem této práce je navrhnout a realizovat úlohy pro model inteligentního domu. Úlohy slouží studentům jako zadání a základ pro vypracování protokolů o měření. Zahrnují nejčastější problematiku v budovách, použití PLC a přidružených senzorů. Základní úlohou je seznámení s programováním PLC. Dále se pak úlohy zabývají senzory kvality ovzduší, vlivem klimatizace na vlhkost vzduchu, tepelnými zisky radiací a přítomností osob. v
Title: Author: Type of paper: Laboratory Measurement Tasks for Model of a Smart Building Bc. Dušan Hrušťák Diploma thesis Year: 2012 Supervisor: Abstract: Ing. Jan Sova The aim of this thesis is to propose and realize a tasks for the model of an intelligent building. Roles serve for students as a entering and basis for development protocols of measurement. They include the most common problems in buildings, the use of PLC and related sensors. The basic role is to become familiar with the programming PLC. Also the roles deal with sensors in air quality due to air humidity, heat profits by radiation and the presence of people. vi
Obsah Zadání Prohlášení Poděkování Anotace Obsah Seznam obrázků Seznam tabulek ii iii iv v vii viii ix 1 Úvod 1 1.1 Inteligentní budova............................ 1 1.2 Systémy budov.............................. 2 1.2.1 Centralizované řízení....................... 2 1.2.2 Decentralizované řízení...................... 3 1.2.3 Hybridní řešení.......................... 4 1.3 Použitý systém.............................. 4 1.4 Popis modelu inteligentního domu v laboratoři č. 61.......... 5 1.5 Ovládání modelu............................. 6 1.5.1 Prvky připojené na domovní sběrnici a přístroje používané v jednotlivých sekcích........................ 8 1.5.2 Prvky připojené na úlohovou sběrnici.............. 11 2 Úlohy pro model inteligentního domu 12 2.1 Seznámení s prostředím MOSAIC.................... 12 2.1.1 Společná část postupu provádění úloh.............. 25 2.2 Vliv koncentrace CO 2 na kvalitu ovzduší................ 29 2.3 Detekce kouře............................... 35 2.4 Vliv zastínění............................... 43 2.5 Simulace přítomnosti osob........................ 49 2.6 Vliv chlazení na vlhkost vzduchu.................... 54 2.7 Vliv materiálu na prostup tepla..................... 64 3 Vypočtené hodnoty a naměřená data k úlohám 70 3.1 Vliv koncentrace CO 2 na kvalitu ovzduší................ 70 vii
3.2 Detekce kouře............................... 72 3.3 Vliv zastínění............................... 74 3.4 Simulace přítomnosti osob........................ 76 3.5 Vliv chlazení na vlhkost vzduchu.................... 78 3.6 Vliv materiálu na prostup tepla..................... 80 4 Závěr 82 viii
Seznam obrázků 1.1 Inteligentní budova. Převzato z [12].................... 2 1.2 Centralizovaný způsob řízení. Převzato z [6]............... 3 1.3 Decentralizovaný způsob řízení. Převzato z [6].............. 3 1.4 Kombinovaný způsob řízení. Převzato z [6]................ 4 1.5 Model inteligentního domu v laboratoři č. 61............... 6 1.6 Rozvod vzduchotechniky.......................... 6 1.7 Pracovní prostor s PC, úlohovým a domovním PLC (v rozvaděči)... 7 1.8 Vývody napájení pro úlohové PLC, úlohové sběrnice CIB a ovládání binárních vstupů domovního PLC..................... 8 1.9 Moduly a zařízení v sekci kvality ovzduší................. 9 1.10 Moduly a zařízení v sekci chlazení.................... 9 1.11 Moduly a zařízení v sekci vytápění.................... 9 2.1 Schéma zapojení............................. 13 2.2 Vytvoření nového projektu........................ 13 2.3 Výběr programovacího jazyka...................... 14 2.4 Nastavení připojení............................ 14 2.5 Nastavení konfigurace PLC........................ 15 2.6 Okno detekce jednotek CIB........................ 15 2.7 Tabulka vstupů/ výstupů......................... 16 2.8 Přidání okna pro programování v LD.................. 17 2.9 Fotografie CP-1015. Převzato z [10].................... 19 2.10....................................... 20 2.11 Příklad zapojení a náhled WSB2-20. Převzato z [10].......... 20 2.12 Příklad programu v LD.......................... 24 2.13 Výběr proměnné v jazyce LD....................... 24 2.14 Vytvoření nového projektu........................ 25 2.15 Výběr programovacího jazyka...................... 26 2.16 Nastavení připojení............................ 26 2.17 Nastavení konfigurace PLC........................ 27 2.18 Okno detekce jednotek CIB........................ 27 2.19 Tabulka vstupů/ výstupů......................... 28 2.20 Schéma zapojení............................. 30 2.21 Příklad ovládání v nástroji WebMaker.................. 30 2.22 Příklad zapojení C-AQ-0001R. Převzato z [10].............. 32 2.23 Schéma zapojení............................. 36 2.24 Příklad ovládání v nástroji WebMaker.................. 36 ix
2.25 Příklad zapojení C-AQ-0001R. Převzato z [10].............. 38 2.26 Detektor hořlavých plynů GS-130. Převzato z [11]............ 39 2.27 Schéma ionizační komory. Převzato z [15]................ 40 2.28 Blokování průchodu světla. Převzato z [15]................ 40 2.29 Odklon paprsku. Převzato z [15]...................... 41 2.30 Schéma zapojení............................. 44 2.31 Příklad ovládání v nástroji WebMaker.................. 44 2.32 Příklad zapojení C-IT-0200S. Převzato z [10].............. 46 2.33 Schéma zapojení............................. 50 2.34 Příklad ovládání v nástroji WebMaker.................. 50 2.35 Příklad zapojení C-IT-0200S. Převzato z [10].............. 52 2.36 Schéma zapojení............................. 55 2.37 Příklad ovládání v nástroji WebMaker.................. 55 2.38 Příklad zapojení LM2-11B. Převzato z [10]................ 57 2.39 Příklad zapojení C-AQ-0004R. Převzato z [10].............. 58 2.40 Mollierův h-x diagram se zakreslením rosného bodu t DP a teploty mokrého teploměru t m pro stav vzduchu 1. Převzato z [19]...... 60 2.41 Průběh změny stavu vzduchu při chlazení. Převzato z [20]....... 61 2.42 Základní princip klimatizace. Převzato z [1]............... 61 2.43 Schéma zapojení............................. 65 2.44 Příklad ovládání v nástroji WebMaker.................. 65 2.45 Příklad zapojení C-IT-0200S. Převzato z [10].............. 67 2.46 Teplotní pole při stacionárním prostupu tepla rovinnou stěnou. Převzato z [2]................................. 68 3.1 Reakce senzoru CO 2 na vydechnutí do místnosti............ 70 3.2 Graf CO 2 při reakci octu a sody..................... 71 3.3 Reakce detektoru kouře (C-AQ-0003R) na testovací plyn....... 72 3.4 Reakce detektoru kouře (C-AQ-0003R) na propan........... 73 3.5 Průběh teploty v sekci při použití stínění (žaluzií)........... 74 3.6 Průběh teploty v sekci bez stínění.................... 75 3.7 Průběh teploty při rozsvícení jedné žárovky............... 76 3.8 Průběh teploty při rozsvícení všech tří žárovek............. 77 3.9 Průběh změny teploty a vlhkosti bez použití zvlhčovače......... 78 3.10 Průběh změny teploty a vlhkosti při použití zvlhčovače......... 79 3.11 Průběhy naměřené na keramické dlaždici................ 80 3.12 Průběhy naměřené na ocelovém plechu................. 81 x
Seznam tabulek 2.1 Elementární datové typy. Převzato z [10]................. 21 2.2 Operátory jazyka ST. Převzato z [10]................... 22 2.3 Seznam příkazů jazyka strukturovaného textu. Převzato z [10]..... 22 2.4 Spínání zařízení pomocí digitálních vstupů............... 28 2.5 Citlivost senzoru na Propan a Metan. Převzato z [11].......... 39 2.6 Příklady stínících součinitelů s pro různé druhy zastínění. Převzato z [1]..................................... 47 2.7 Hodnoty metabolismu. Převzato z [17].................. 53 xi
Úvod 1 Úvod Diplomová práce nabízí základní seznámení s pojmem inteligentní budova.přidanou inteligenci do stavby vnášejí systémy pokročilé regulace, jednotka logických funkcí společně s periferními prvky - soustavou čidel a akčních členů propojených s logickou jednotkou sběrnicí. Pro seznámení s problematikou senzorů a řízení, na základě z nich vyčtených hodnot, slouží model inteligentního domu v laboratoři č. 61 na Katedře měření. Tento model je určen pro studenty programu Inteligentní budovy a také pro obory zabývající se problematikou senzorů. Model je vybaven senzory a ovládacími prvky firmy Teco a.s., které náleží poděkování za darování hardwaru ze svého sortimentu. Úkolem této práce bylo vytvořit úlohy pro model domu určené pro výuku v předmětech Senzory a sítě a Moderní senzory a zpracování informací. S vytvořením úloh souvisí také popis rozložení senzorů a popis modelu domu. Ten vychází z projektové dokumentace firmy Workswell s.r.o., která je dodavatelem modelu inteligentního domu. Na vytvořené úlohy následně navazují příklady výpočtů a naměřená data jednotlivých úloh. 1.1 Inteligentní budova S rozvojem techniky, vzrůstající cenou energií a také se stále většími nároky na komfort bydlení jednotlivci i firmy stále častěji přistupují ke stavbám tzv. inteligentních domů. Definic tohoto pojmu je více. Můžeme si jej představit jako dům, který je schopný zpracovávat a vyhodnocovat svůj aktuální stav pomocí instalovaných senzorů. Pomocí vhodných akčních členů může, na základě informací získaných pomocí senzorů, zvyšovat komfort bydlení a také správnou regulací topidel a spotřebičů efektivně hospodařit s energiemi. Úspor energií lze docílit jak pomocí dobrého stavebního řešení, tak pomocí správného řízení a regulace domu. Pojem inteligentní budova lze popsat např. takto [12]: Inteligentní budovy jsou objekty s integrovaným managementem, tj. se sjednocenými systémy řízení (technika prostředí, komunikace, energetika), zabezpečení (kontrola přístupu, požární ochrana, bezpečnostní systém) a správy budovy (plánování, pronájem, leasing, inventář). Optimalizací těchto složek a vzájemných vazeb mezi nimi je zabezpečeno produktivní a nákladově efektivní prostředí. Inteligentní budova pomáhá vlastníkovi, správci i uživateli realizovat jejich vlastní cíle v oblasti nákladů, komfortu prostředí, bezpečnosti, dlouhodobé flexibility a prodejnosti. Inteligentní budova uspokojuje současné potřeby vlastníka a nájemce budovy a může být jednoduše přizpůsobena jejich rostoucím nárokům v budoucnosti, umožňuje úspory pořizovacích i provozních nákladů. Inteligentní budovou můžeme také nazvat budovu splňující podmínky investora (vlastníka) na minimalizaci nákladů a zároveň podmínky uživatele na komfort a flexibilitu prostoru. 1
Úvod Obr. 1.1: Inteligentní budova. Převzato z [12]. 1.2 Systémy budov Řízení inteligentní budovy lze rozdělit podle více kritérií. Zřejmě nejzásadnější je dělení na systémy centralizované decentralizované 1.2.1 Centralizované řízení U tohoto systému řešení jsou na vstupy centrální jednotky připojeny jednotlivá zařízení (viz obr. 1.2). V případě nedostatku vstupů centrální jednotky je nutno jednotku rozšířit o přídavné moduly. Tento způsob řešení se v současnosti již téměř nevyužívá. Jeho nevýhodou je možnost připojení omezeného počtu jednotek k základnímu modulu a množství kabeláže nutné k připojení jednotlivých senzorů samostatně. 2
Úvod Obr. 1.2: Centralizovaný způsob řízení. Převzato z [6]. 1.2.2 Decentralizované řízení Tento systém ke svému fungování nepotřebuje centrální jednotku. Zařízení jsou napojena na sběrnici a každé zařízení má schopnost po této sběrnici komunikovat (obr. 1.3). Při instalaci jsou zařízení naprogramována tak, že při své aktivaci předá požadavek cílovému zařízení (např. rozsvícení svítidla po stisku tlačítka). Výhodou tohoto řešení je jednoduchost řešení elektroinstalace a úspora kabeláže. Nevýhodou je naopak obtížné programování jednotek, neboť ke každému zařízení je nutno se připojovat samostatně. Obtížněji se také realizují složitější algoritmy. Obr. 1.3: Decentralizovaný způsob řízení. Převzato z [6]. 3
Úvod 1.2.3 Hybridní řešení Tento způsob řízení spojuje výhody centralizovaného a decentralizovaného řízení. K centrálnímu modulu je připojena sběrnice. Zařízení lze připojovat jak přímo k modulu, tak na sběrnici. Ta zprostředkovává komunikaci jednotek s centrálním modulem. Obr. 1.4: Kombinovaný způsob řízení. Převzato z [6]. 1.3 Použitý systém Model je vybaven senzory a ovládacími prvky firmy Teco a.s. K řízení a ovládání celého modelu slouží dvojice PLC Foxtrot CP-1015. Jednotlivé prvky budou popsány v konktrétních návodech k úlohám. Firma Teco a.s. patří mezi přední české výrobce průmyslových řídících systémů kategorie PLC. Společnost Teco vznikla v roce 1993 z privatizačního projektu závodu TESLA Kolín oddělením divize automatizační techniky. Systém Foxtrot a sběrnice CIB Systém Foxtrot a sběrnice CIB jsou napájeny stejnosměrným napětím 24 V DC. Sběrnice CIB umožňuje připojit k systému Foxtrot sběrnicové periferní moduly CFox (určeny především pro oblast řízení budov). Jedna větev (sběrnice CIB ohraničená jedním masterem) umožňuje připojit max. 32 jednotek. Modul CP-1015 je osazen jedním masterem sběrnice CIB. Další moduly lze připojit prostřednictvím externích CIB masterů. Sběrnice CIB je dvoudrátová sběrnice s libovolnou topologií. Vlastní komunikace je namodulována na stejnosměrném napájecím napětí. Napájení sběrnice tvoří standardní zdroj stejnosměrného napětí 24 V DC připojený na sběrnici přes oddělovací obvody. Kromě vlastního přenosu dat umožňuje sběrnice napájet připojené jednotky. Nutno je pouze brát ohled na maximální odběr všech napájených jednotek tak, aby byly dodrženy podmínky tolerance napájecího napětí pro periferní jednotku CIB při 4
Úvod vzdálenější instalaci. Maximální vzdálenost mastera od nejvzdálenější jednotky je cca 500 m. Základní pravidla instalace CIB: lze použít libovolné dvouvodičové kabely. Průřez a topologii je třeba volit s ohledem na úbytky napětí na kabelech (podle počtu a typu instalovaných modulů CFox). sběrnice CIB umožňuje libovolnou topologii instalace, avšak nesmí se uzavřít do kruhu. je třeba dbát na dodržení min. napájecího napětí sběrnice u rozsáhlejších instalací 1.4 Popis modelu inteligentního domu v laboratoři č. 61 Popisovaný model je tvořen nosnou ocelovou konstrukcí. Základ tvoří tři sekce kvality ovzduší (žlutá), chlazení (modrá), vytápění (červená). Nejedná se tedy o model napodobující reálnou budovu a simulující její chování. V daných rozměrech by to ani nebylo možné: výška: 220 cm šířka: 249 cm hloubka: 106 cm Model by měl umožnit simulaci jednotlivých dějů probíhajících v budovách tak, aby bylo možné pokus opakovat několikrát v průběhu vyučovací hodiny. Fotografie modelu je na obrázku 1.5. Jednotlivé sekce jsou tvořeny dřevěným rámem. Stěny sekcí tvoří vrstva polystyrenu, vnitřní i vnější stranu stěny pak tvoří sádrokarton tloušťky 12,5 mm. U každé sekce je takto zatepleno pět stěn. Z pohledové strany je box opatřen dvířky z plexiskla. Do každé sekce je připojen přívod a odvod vzduchotechniky, jež je přímo vyvedena do venkovního prostoru mimo laboratoř. Do sekce chlazení je pak přiveden ještě vývod klimatizace (viz obr. 1.6). Na tyto vývody jsou v každé sekci upevněny manuálně ovládané klapky. Více informací týkajících se konstrukce modelu, zapojení elektroinstalace apod. lze nalézt v [4]. 5
Úvod Obr. 1.5: Model inteligentního domu v laboratoři č. 61. Obr. 1.6: Rozvod vzduchotechniky 1.5 Ovládání modelu K modelu domu patří také počítač MSI Windtop (obr. 1.7) s dotykovým panelem, pomocí kterého se provádí jak programování modelu, tak základní demonstrace 6
Úvod funkcí modelu pomocí naprogramovaného webového rozhraní. K počítači je neustále připojen hardwarový klíč. Tento je nutný ke správné funkci vývojového prostředí MOSAIC, neboť je zde umístěn hardwarový licenční klíč k programu. Bez klíče by program MOSAIC fungoval v tzv. demo režimu, kdy neumožní zkompilování kódu, který nesplňuje omezení pro používání demoverze prostředí. Obr. 1.7: Pracovní prostor s PC, úlohovým a domovním PLC (v rozvaděči). Pomocí počítače jsou konfigurovány dvě PLC, tzv. domovní a úlohové. Domovní PLC studenti v běžném provozu (cvičení) nekonfigurují, ani nepoužívají. Toto PLC je používáno k ovládání modelu prostřednictvím vizualizace, webového rozhraní a také zajištění bezpečnosti modelu. Sem patří například hlídání povolených rozsahů teplot (halogenová lampa), bezpečná koncentrace hořlavých plynů,.... Při dosažení takového stavu dojde zásahem domovního PLC k vypnutí přístroje nebo např. k odvětrání sekce. Z tohoto důvodu má domovní PLC oddělenou sběrnici CIB s vlastními vstupně - výstupními jednotkami. PLC je umístěno v rozvaděči a jeho svorky jsou studentům nepřístupné. Úlohové PLC je stejného typu jako domovní, tedy CP-1015. Toto PLC je volně přístupné k použití a s ním také studenti pracují (umístěno volně na desce stolu, viz obr. 1.7). K napájení slouží 24 V vyvedených do instalační krabičky na desce stolu (obr. 1.8). Úlohové PLC má také vlastní sběrnici. Na této jsou některé senzory, které se na sběrnici domovní nenacházejí (např. senzor CO 2 ). Senzory teploty jsou ve většině sekcí instalovány pro úlohové i domovní PLC (připojeny jak na úlohovou, tak domovní sběrnici). 7
Úvod Obr. 1.8: Vývody napájení pro úlohové PLC, úlohové sběrnice CIB a ovládání binárních vstupů domovního PLC. Na desce stolu jsou umístěny dva vypínače (čtyřtlačítkové). První slouží k ovládání LED pásků v levé a pravé polovině modelu. Tyto pásky jsou připevněny vždy k horní části každé sekce a slouží k lepšímu osvětlení sekcí. Druhé tlačítko slouží k ovládání napětí 24 V a 12 V (vyvedeny v krabičce, obr. 1.8). Do této krabičky jsou také vyvedeny binární vstupy domovního PLC, přes které jsou spínána zařízení umístěná v modelu (klimatizace, ventilace,... ). Řízení spínání těchto zařízení se řídí dle tabulky 2.4. Dalším v modelu použitým tlačítkem je tlačítko umístěné vedle sekce vytápění v prostoru halogenové lampy. Tímto tlačítkem jsou ovládány žárovky v sekci vytápění. Levé tlačítko rozsvítí jednu žárovku, pravé pak zbylé dvě. 1.5.1 Prvky připojené na domovní sběrnici a přístroje používané v jednotlivých sekcích V modelu domu jsou použity různé přístroje. Jejich detailnější popis obsahují návody, ve kterých jsou zařízení používána. Na obrázcích 1.9, 1.10, 1.11 jsou zobrazeny jednotlivé sekce a v nich umístěné moduly a zařízení. Modrým popisem jsou označeny moduly domovní sběrnice, červenými popisky moduly připojené na úlohovou sběrnici. 8
Úvod Obr. 1.9: Moduly a zařízení v sekci kvality ovzduší. Obr. 1.10: Moduly a zařízení v sekci chlazení. Obr. 1.11: Moduly a zařízení v sekci vytápění. 9
Úvod Sekce kvality ovzduší V této sekci jsou na domovní sběrnici připojeny moduly (obr. 1.9): modul IM2-40B s připojeným čidlem teploty modul SA2-02B s připojeným čidlem teploty detektor hořlavých plynů GS-130 Přístroje používané v této sekci: ventilátor TT 125 Sekce chlazení V této sekci jsou na domovní sběrnici připojeny moduly (obr. 1.10): modul LM2-40B s připojeným čidlem teploty Přístroje používané v této sekci: ventilátor TT 125 klimatizace ECG MK 091 zvlhčovač Sencor SHF 1000 Sekce vytápění V této sekci jsou na domovní sběrnici připojeny moduly (obr. 1.11): modul IM2-40B s připojeným čidlem teploty Přístroje používané v této sekci: ventilátor TT 125 halogenová lampa 300 W 3 x žárovka 40 W teplovzdušný ventilátor Ardes 451 infrazářič Vně sekcí jsou na domovní sběrnici připojeny: modul SA2-02B s připojeným čidlem teploty (umístěn na desce stolu) interiérová ovládací jednotka RCM2-01 s čidlem teploty upevněným v blízkosti halogenové lampy 10
Úvod 1.5.2 Prvky připojené na úlohovou sběrnici Sekce kvality ovzduší V této sekci jsou na úlohové sběrnici připojeny moduly (obr. 1.9): snímač kvality vzduchu CO 2 C-AQ-0001R snímač kvality vzduchu - kouř C-AQ-0003R Sekce chlazení V této sekci jsou na úlohové sběrnici připojeny moduly (obr. 1.10): modul LM2-40B s připojeným čidlem teploty C-IT-0200S s dvěma připojenými čidly teploty snímač kvality vzduchu - vlhkost C-AQ-0004R Sekce vytápění V této sekci jsou na úlohové sběrnici připojeny moduly (obr. 1.11): C-IT-0200S s připojeným čidlem teploty 11
2 Úlohy pro model inteligentního domu 2.1 Seznámení s prostředím MOSAIC Zadání 1. Seznamte se s PLC Foxtrot CP-1015, příslušenstvím použitým v úloze a s programovacím prostředím MOSAIC tak, abyste byli schopni vytvořit vlastní projekt (domácí příprava). 2. Zapojte úlohu podle schématu a zapněte PLC. 3. Vytvořte nový projekt a vyberte programování v jazyce ST (Structured Text). 4. V manažeru projektu se připojte k úlohovému PLC. 5. Pomocí sledování změny tabulky vstupů ověřte funkčnost stisku tlačítka a pojmenujte nalezené vstupy a výstupy odpovídající LED výstupům. 6. Napište jednoduchý program rozsvěcující jednu barvu LED na pásku při stisku horního tlačítka. Při stisku dolního tlačítka se rozsvítí jiná barva. LED na pásku budou svítit jen po dobu stisku. 7. Program modifikujte, zapojení bude realizovat funkci klasického vypínače (při stisku horního tlačítka se rozsvítí LED na pásku a zároveň se rozsvítí zelená LED na tlačítku, při stisku druhé poloviny zhasne LED pásek i tlačítko). 8. Vytvořte nový projekt a realizujte úkoly 6, 7 pomocí jazyku LD (Ladder Diagram). 9. Napište program simulující funkci schodišťového vypínače. Využijte časovače - po stisku kteréhokoliv tlačítka sepne LED na danou dobu. 10. V případě časové rezervy doprogramujte k úkolu 9 zhasnutí LED stiskem dolní části tlačítka (přerušení cyklu časovače). Úloha zahrnuje použití: PLC Foxtrot CP-1015 2x jednotku WSB2-20 LED pásek oddělovací modul BPS2-01M 12
Obr. 2.1: Schéma zapojení Postup provádění úlohy: 1. Zapojte úlohu podle přiloženého schématu (viz obr. 2.1). 2. Na PC spusťte program MOSAIC. 3. Vyberte Nový, projekt pojmenujte. V následujícím okně zvolte programování pomocí modulární PLC Foxtrot. Obr. 2.2: Vytvoření nového projektu 13
Vytvořte dále instanci hlavního programu a zvolte kódování v jazyce ST, tedy strukturovaný text (viz obr. 2.3). Obr. 2.3: Výběr programovacího jazyka 4. Zapněte PLC pomocí tlačítka označeného 24 V, v pravé části stolu. Druhé tlačítko, označené 12 V, slouží k napájení LED pásku (je tedy nutno jej také zapnout). Zapnutí je indikováno zeleně svítící LED uprostřed tlačítka. 5. Připojení k PLC se provádí pomocí Manažera projektu (z menu Projekt Manažer projektu). Obr. 2.4: Nastavení připojení Z nabídky vyberte položku Adresa PLC: 0. V části Výběr sítě zadejte IP adresu: 147.32.204.32 (adresa úlohového PLC). Tuto adresu lze nalézt i v PLC 14
- stisk tlačítka MODE (přepne z uživatelského do systémového režimu) a následně dvakrát stisk tlačítka. Kliknutím na tlačítko Připojit se program spojí s PLC. Obr. 2.5: Nastavení konfigurace PLC Obr. 2.6: Okno detekce jednotek CIB Dále v Manažeru projektu rozklikněte položku HW konfigurace HW. Po kliknutí na žlutý obrázek složky na řádku CIB, obr.2.5, se dostanete do nastavení sběrnice CIB (viz obr. 2.6). Zvolte Načíst konfiguraci z CPU, načtou se automaticky detekované jednotky 15
(v tomto případě dvě tlačítka WSB2-20). V případě nezobrazení jednotky zkontrolujte správnost zapojení. Po načtení jednotky sběrnici CIB povolte (zelená fajfka ), obr. 2.5. Ve stejném okně také zvolte správný typ modulu CPU - CP 1015. 6. Přeložte program (zatím prázdný) pomocí Program Přeložit (také klávesa F9). 7. Přenos informace o stisku tlačítka lze ověřit v tabulce vstupů/ výstupů. Obr. 2.7: Tabulka vstupů/ výstupů Stisk tlačítka vyvolá změnu obsahu buňky ve sloupci Hodnota (změna tlačítka, proto je třeba být v záložce týkající se CIB - označena MI2-01M). Digitální výstupy s připojeným LED páskem jsou v záložce IR-1056. Ve sloupci Alias proměnnou pojmenujte (vytvoří globální proměnnou). Pojmenování proměnných proveďte také u výstupů odpovídajících LED na pásku (nastavení hodnoty proměnné při běhu programu je možné provést pomocí přepsání obsahu buňky ve sloupci Hodnota při běhu programu - LED se rozsvítí při hodnotě 1). Aliasy nelze psát při zapnutém režimu debug. 8. V textovém okně programu (většinou označeno PrgMain) napište program splňující zadání. Příklad deklarace proměnných a vytvořeného programu je uveden v sekci Ukázka programu v jazyce ST, na konci dokumentu. 16
9. Vytvořený program přeložte jako v bodě 6, opravte případné chyby a naprogramujte jím PLC (Shift + F9). PLC uveďte do stavu Run (Ctrl + F9) a otestujte funkčnost programu. 10. Aby bylo možno programovat v jazyce LD, přidejte Programovou organizační jednotku podle obr. 2.8. Při výběru jazyka zvolte LD. Příklad programu na obr. 2.12. Při programování zvolte rozsvícení jiné LED než v předchozích případech (neboť do PLC jsou nahrány oba programy - jak ST, tak LD). Funkčnost otestujte. Obr. 2.8: Přidání okna pro programování v LD 11. Přepněte se do okna jazyka ST a naprogramujte úkoly s časovačem. Lze použít např. blok TP. Pro získání detailnějších informací k bloku TP (časovač) použijte nápovědu (klávesa F1). 17
Příklad programu s voláním funkčního bloku TP: 2 Úlohy pro model inteligentního domu PROGRAM Timer VAR start timertp output END_VAR : BOOL; : TP; : BOOL; timertp( IN := start, PT :=T#5s, Q => output ); END_PROGRAM Tento program při přivedení log. 1 na start sepne výstup na 5 sekund. 12. Vytvořený program přeložte jako v bodě 6, opravte případné chyby a odešlete do PLC (Shift + F9). PLC uveďte do stavu Run (Ctrl + F9) a otestujte funkčnost programu. 18
Stručný popis zařízení Programovatelný automat CP-1015 Je základem celého systému. Dokáže komunikovat s jiným PLC, či nadřízeným PC. Systémy FOXTROT podporují základní přenosy pomocí sítí Ethernet, nebo průmyslové sítě EPSNET. Při použití dalších zařízení lze použít i jiné protokoly a sběrnice (MODBUS, PROFIBUS, CAN apod.) Modul Foxtrot se skládá z několika částí. První část tvoří centrální jednotka s hlavním procesorem systému, dvěma sériovými kanály, rozhraním Ethernet a systémovou sběrnicí TCL2 pro komunikaci s periferními moduly. Druhou část tvoří procesor (CIB master) zajišťující komunikaci na sběrnici CIB s moduly CFox nebo Inels (na sběrnici se hlásí pod jménem MI2 01M). Třetí část je periferní a tvoří ji deska IR-1056 (pod tímto názvem se hlásí na sběrnici). Čtvrtá část obsahuje procesor zajišťující komunikaci na sběrnici CIB. Napájení systému Foxtrot je zajištěno přivedením napětí 24 V, které se připojuje na svorky A3 a A4 označené 24 V DC. Pozor na připojení napětí na jiné svorky než napájecí. Mohlo by dojít ke zničení části systému. CP-1015 (obr. 2.9) obsahuje 6 volitelně binárních 24 V/analogových vstupů, 6 reléových výstupů 250 V a 2 analogové výstupy 0-10 V. Pro detailní seznámení s CP-1015 využijte uživatelskou příručku na webové stránce výrobce (http://www.tecomat.cz). Obr. 2.9: Fotografie CP-1015. Převzato z [10]. Sběrnice CIB Sběrnice CIB je dvouvodičová instalační sběrnice. Tímto vedením je sběrnice (moduly) napájena a taktéž přes ni probíhá komunikace. Sběrnice je vždy tvořena jedním řídícím masterem a až 32 podřízenými periferními moduly. Maximální vzdálenost mastera od CIB modulu je 500 m. Přenosová rychlost je 19,2 kb/s. CIB master reali- 19
Obr. 2.10 Obr. 2.11: Příklad zapojení a náhled WSB2-20. Převzato z [10]. zuje komunikaci s CIB periferními jednotkami a získaná data předává po systémové sběrnici TCL2 do nadřízené centrální jednotky. CPU Tecomat Foxtrot umožňuje obsloužit až 9 CIB linek. Jednu CIB linku pomocí interního mastera MI2-01M a až 8 externích CIB linek pomocí externích masterů. Oddělovač sběrnice BPS2-01M Jak bylo výše zmíněno, jednotlivé moduly jsou sběrnicí CIB také napájeny. Pro správný provoz je však nutné napájecí zdroj od CIB sběrnice impedančně oddělit. K tomu slouží modul BPS2-01M (obr. 2.10). Ten slouží pro oddělení pouze jedné linky. Pro oddělení více linek existuje modul BPS2-02M. Ovladač WSB2-20 Nástěnné ovladače (vypínače),obr. 2.11, jsou pravděpodobně nejčastěji používaným prvkem v domovní instalaci. Místo ovladače WSB2-20 lze použít typ WSB2-40. Oba typy se liší pouze počtem tlačítek. První typ má 2 tlačítka (nahoru, dolů), druhý typ 4 tlačítka. V modulu je umístěna také indikační LED červené a zelené barvy pro každý spínač. Funkce tlačítka i rozsvěcení LED lze libovolně programovat. Jednotka též obsahuje integrovaný snímač teploty o rozsahu 0 +55 C. 20
Základy jazyka strukturovaného textu (ST) Tento jazyk má kořeny v jazycích ADA, Pascal a C. Je objektově orientován a obsahuje všechny podstatné prvky moderního programovacího jazyka včetně větvení (IF-THEN-ELSE a CASE OF) a iterační smyčky (FOR, WHILE a REPEAT). Jazyk podporuje celou řadu datových typů. Mezi ty nejčastěji používané patří: Klíčové slovo Anglicky Datový typ Bitů Rozsah hodnot BOOL Boolean Boolovské číslo 1 0,1 SINT Short integer Krátké celé číslo 8-128 až 127 INT Integer Celé číslo 16-32 768 až + 32 767 REAL Real (single precision) Číslo v pohyblivé řádové čárce 32 ± 2.9E-39 až ± 3.4E+38 TIME Duration Trvání času 24d 20:31:23.647 DATE Date (only) Datum Od 1.1.1970 00:00:00 STRING String Řetězec Max. 255 znaků BYTE Byte (bit string of 8 bits) Sekvence 8 bitů 8 Není deklarován rozsah Tab. 2.1: Elementární datové typy. Převzato z [10]. Příklad deklarace proměnné: VAR_GLOBAL stisk : BOOL := 1; END_VAR (jméno proměnné : datový typ := inicializační proměnná) Operátor Operace ( ) Závorky ** Umocňování - Znaménko NOT Doplněk * Násobení / Dělení MOD Modulo + Sčítání - Odčítání 21
Operátor Operace <, >, <=, >= Porovnávání = Rovnost <> Nerovnost &, AND Boolovské AND XOR Boolovské exkluzivní OR OR Boolovské OR Tab. 2.2: Operátory jazyka ST. Převzato z [10]. Příkaz Popis Příklad Poznámka := Přiřazení A := 22; IF CASE FOR WHILE REPEAT EXIT Příkaz výběru Příkaz výběru Iterační příkaz smyčka FOR Iterační příkaz smyčka WHILE Iterační příkaz smyčka REPEAT Ukončení smyčky IF A > 0 THEN B := 100; ELSE B := 0; END IF; CASE kod OF 1: A := 11; 2 : A := 22; ELSE A := 99; END CASE; FOR i := 0 TO 10 BY 2 DO j := j + i; END FOR; WHILE i > 0 DO n := n * 2; END - WHILE; REPEAT k := k + i; UNTIL i < 20; END REPEAT; EXIT; RETURN Návrat RETURN; Přiřazení hodnoty vypočtené na pravé straně do identifikátoru na levé straně Výběr alternativy podmíněný výrazem BOOL Výběr bloku příkazů podmíněný hodnotou výrazu kod Vícenásobná smyčka bloku příkazů s počáteční a koncovou podmínkou a hodnotou inkrementu Vícenásobná smyčka bloku příkazů s podmínkou ukončení smyčky na začátku Vícenásobná smyčka bloku příkazů s podmínkou ukončení smyčky na konci Předčasné ukončení iteračního příkazu Opuštění právě vykonávané POU a návrat do volající POU Tab. 2.3: Seznam příkazů jazyka strukturovaného textu. Převzato z [10]. 22
Příklady programů v jazycích ST a LD Jako příklad programu je uveden RS klopný obvod využitelný v bodě 7 zadání. Ukázka programu v jazyce ST PROGRAM prgmain VAR_INPUT END_VAR VAR_OUTPUT END_VAR VAR // tlac_up : BOOL; // tlac_down : BOOL; // LED_zel : BOOL; END_VAR VAR_TEMP END_VAR END_PROGRAM LED_zel := tlac_up or LED_zel; LED_zel := not (tlac_down or not LED_zel); Pokud pracujeme s reálným hw, není deklarace proměnných přímo v kódu nutná. Proměnné byly deklarovány přímo v tabulce vstupů/výstupů. Deklarace proměnných (zakomentované řádky kódu - //) je nutná, pokud pracujeme v režimu tzv. Simulovaného PLC. Tentýž program s využitím příkazu IF: PROGRAM prgmain VAR_INPUT END_VAR VAR_OUTPUT END_VAR VAR END_VAR VAR_TEMP END_VAR if tlac_up or LED_zel then LED_zel := true; end_if; 23
END_PROGRAM if tlac_down or not LED_zel then LED_zel := false; end_if; 2 Úlohy pro model inteligentního domu Obr. 2.12: Příklad programu v LD Ukázka programu v jazyce LD Proměnné přiřazované k bloku lze nalézt v sekci Globální (viz obr. 2.13). Obr. 2.13: Výběr proměnné v jazyce LD Literatura [1] Portál Tecomat. [cit. 1. ledna 2012]. http://www.tecomat.cz 24
Na dalších stránkách je popsána společná část postupu následujících úloh. Tato část je vyčleněna z důvodu omezení duplicity. Postup pro úlohu 2.1 se shoduje jen v prvních 6 bodech, a proto byl uveden v úloze samostatně. 2.1.1 Společná část postupu provádění úloh 1. Zapojte úlohu podle přiloženého schématu (viz Schéma zapojení konkrétní úlohy). 2. Na PC spusťte program MOSAIC. 3. Vyberte Nový, projekt pojmenujte (obr. 2.14). V následujícím okně klikněte na otevřít. Dále zvolte programování pomocí modulární PLC Foxtrot. Obr. 2.14: Vytvoření nového projektu Vytvořte dále instanci hlavního programu a zvolte kódování v jazyce ST, tedy strukturovaný text (viz obr. 2.15). Další okno opět potvrďte. 4. Pomocí tlačítka v pravé části na desce stolu zapněte úlohové PLC - tlačítko 24 V. Zapnutí je indikováno rozsvícením zelené LED na tlačítku. 5. Pomocí Manažera projektu (z menu Projekt Manažer projektu) se připojte k PLC (obr. 2.16). Klikněte na odpojit, typ připojení zvolte Ethernet. V části Výběr sítě zadejte IP adresu: 147.32.204.32 (adresa úlohového PLC) a klikněte na tlačítko Připojit. Dále v manažeru projektu rozklikněte položku HW Konfigurace HW a vyberte správný typ modulu CPU - CP 1015. Po kliknutí na žlutý obrázek složky na řádku CIB (obr. 2.17) se dostanete do nastavení sběrnice CIB (obr. 2.18). 25
Obr. 2.15: Výběr programovacího jazyka Obr. 2.16: Nastavení připojení Zde zvolte načíst konfiguraci z CPU, načtou se automaticky detekované jednotky (jednotky CIB s připojenými teploměry). Jednotky si pojmenujte podle umístění v sekcích (usnadní určení jednotky v tabulce vstupů/výstupů). Klikněte na Zobrazit všechna zařízení všech jednotek a následně povolte použití teploměru u jednotky LM2-11B. U jednotek C-IT-0200S zvolte Rozšířené nastavení a analogové vstupy nastavte na NTC-12k. Po načtení jednotek sběrnici CIB povolte (zelená fajfka ), obr. 2.17. 6. Prozatím prázdný program pomocí F9 přeložte a naprogramujte jím PLC (Shift + F9). 26
Obr. 2.17: Nastavení konfigurace PLC Obr. 2.18: Okno detekce jednotek CIB 7. V tabulce vstupů/výstupů (ikona Nastavení V/V ) ve sloupci Alias (obr. 2.19) pojmenujte jednotlivé senzory (usnadňuje orientaci při programování). Senzory lze nalézt v záložce MI2 01M. Kromě senzorů pojmenujte také reléové výstupy, kterými budou spínány digitální vstupy domovního PLC. Tyto se nacházejí v záložce IR 1056. 8. Pomocí nástroje WebMaker (Nástroje WebMaker) vytvořte rozhraní pro ovládání připojeného zařízení a zobrazení naměřených hodnot. Příklady ná- 27
Obr. 2.19: Tabulka vstupů/ výstupů vrhu jsou na obr. Příklad ovládání v nástroji WebMaker dané úlohy. Zobrazení hodnoty měřené teploty je vytvořeno pomocí Zadávací pole, tlačítka pomocí Dvoustavový obrázek. 9. Tlačítkům následně přiřaďte správné proměnné reléového výstupu. Na obr. 2.30 je vidět, které vstupy (zařízení) budou v úloze použity. Vstupy na panelu jsou připojeny k digitálním vstupům hlavního (domovního) PLC, které následně spíná připojená zařízení (klimatizace, zvlhčovač,... ). Při připojení 24 V (sepnutí reléového výstupu úlohového PLC) se příslušné zařízení sepne. Pro možnost zapnutí zařízení je nutno mít také přivedenou log. 1 na řídící vstupy DI0 a DI1 podle tabulky 2.4. Při log. 0 na těchto vstupech zařízení na přivedenou log. 1 nereagují. DI0 0 0 1 1 DI1 0 1 0 1 DI2 - klimatizace infrapanel ventilátor DI3 - zvlhčovač přímotop osvětlení (levá) DI4 - vzduchotechnika halogen osvětlení (pravá) Tab. 2.4: Spínání zařízení pomocí digitálních vstupů 28
2.2 Vliv koncentrace CO 2 na kvalitu ovzduší Zadání 2 Úlohy pro model inteligentního domu 1. Seznamte se s modelem domu, jeho vybavením a základními vlastnostmi PLC Foxtrot CP-1015. 2. Zapojte úlohu podle schématu a zapněte PLC. 3. Vytvořte nový projekt. Určete, které výstupy budou ovládat používané přístroje. 4. V nástroji WebMaker vytvořte rozhraní pro ovládání ventilátoru vzduchotechniky a odečtu naměřených hodnot. 5. Experimentálně vyzkoušejte, jak se změní koncentrace CO 2 v sekci po několika vydechnutích do této sekce. Graf tohoto pokusu zaznamenejte pomocí nástroje GraphMaker. 6. Pro chemickou reakci octa a sody naprogramujte automatické spuštění ventilátoru při koncentraci 1000 ppm (běžně uznávaná mez koncentrace). Graf tohoto pokusu zaznamenejte pomocí nástroje GraphMaker. 7. Pokuste se určit, jak dlouho by vám vydržel vzduch v těsné laboratoři. Za nebezpečnou považujte koncentraci 10 %. Výpočtem zkontrolujte dobu, za kterou vystoupila koncetrace CO 2 při měření v bodě 5 zadání na max. naměřenou hodnotu. Úloha zahrnuje použití: PLC Foxtrot CP-1015 ventilátor TT 125 Snímač kvality vzduchu CO 2 - C-AQ-0001R 29
Obr. 2.20: Schéma zapojení Obr. 2.21: Příklad ovládání v nástroji WebMaker Postup provádění úlohy: 10. Hotový program opět přeložte (F9) a naprogramujte jím PLC (Shift + F9). Uveďte PLC do stavu run (Ctrl +F9) a otestujte funkčnost spínání vzduchotechniky a zobrazení hodnoty koncentrace CO 2. 11. V nástroji GraphMaker si připravte graf pro zaznamenání hodnoty ze senzoru. Spusťte měření a do sekce několikrát vydechněte. Po každém vdechnutí zavřete 30
dvířka sekce. Na PC sledujte reakci čidla, graf následně uložte. Sekci před dalším měřením vyvětrejte (senzor ukazuje hodnoty okolo 500-600 ppm). 12. V textové části programu (okno PrgMain) naprogramujte automatické spuštění a vypnutí ventilátoru při hodnotách nad 1000 ppm a pod 700 ppm. Příklad programu pro spuštění ventilátoru: PROGRAM prgmain VAR_INPUT END_VAR VAR_OUTPUT END_VAR VAR END_VAR VAR_TEMP END_VAR if CO2 >= 1000.0 then DI0 := false; DI1 := true; DI4 := true; end_if; END_PROGRAM Hotový program přeložte, odešlete a spusťte. 13. Do připravené sklenice odlijte 80 ml (přibližně 1 cm) octa. Sklenici vložte do sekce a nasypte max. jednu lžičku sody. Sekci uzavřete a zapněte měření v GraphMakeru. Pokud jste správně napsali program, při překročení koncentrace 1000 ppm začne vzduchotechnika sekci odvětrávat. 14. Po ukončení pokusu ukliďte pracoviště a pomocí vzorců z teoretické přípravy přibližně vypočtěte, jak dlouho by jednomu člověku vydržel vzduch v těsné místnosti o objemu 60 m 3. Za nebezpečnou považujte hranici 10 % (10 000 ppm). Předpokládejte větší fyzický výkon osoby (vydechuje 40 50 mg/s oxidu uhličitého). Obdobně vypočtěte čas, za který jste dýcháním zvedli koncentraci CO 2 v sekci na 5000 ppm (nebo maximální hodnotu, kterou se vám podařilo naměřit). Vnitřní rozměry sekce jsou 108 cm x 40 cm x 62,5 cm. Z naměřeného grafu tuto hodnotu odečtěte a zkontrolujte, zda se blíží hodnotě vypočtené. 31
Stručný popis zařízení Programovatelný automat CP-1015 Funkce a možnosti PLC byly vysvětleny v úloze 2.1. Pro detailnější seznámení s PLC a nástroji WebMaker a GraphMaker lze využít webové stránky společnosti Teco a.s. (www.tecomat.cz). C-AQ-0001 Prostorové čidlo koncentrace oxidu uhličitého (CO 2 ) C-AQ-0001R funguje jako dvoukanálový měřicí optický systém na principu NDIR. Měření CO 2 využívá závislosti útlumu infračerveného záření na koncentraci CO 2 ve vzduchu. Vyznačuje se vysokou selektivitou na oxid uhličitý v rozsahu koncentrace 0 5000 ppm CO 2. Čidlo je standardní periferie systému FOXTROT s připojením na sběrnici CIB. Použití např. systémy kontrolující kvalitu vzduchu, řízení rekuperace apod. Rozlišení čidla je 1 ppm. Obr. 2.22: Příklad zapojení C-AQ-0001R. Převzato z [10]. Ventilátor TT 125 Průtok vzduchu: 220/280 m 3 /h Otáčky: 2400/2500 /min 32
Teoretický rozbor úlohy Řízená ventilace V moderních budovách se stále častěji uplatňuje řízené větrání podle koncetrace CO 2. Ta je vhodným indikátorem vydýchanosti vzduchu ve vnitřních prostorách a koresponduje s počtem lidí v těchto prostorách. Koncentrace oxidu uhličitého v přírodě je okolo 0,04 % (400 ppm). Dýcháním dochází ke změně kyslíku na oxid uhličitý, ve vydechovaném vzduchu dospělého člověka je zastoupen podílem přibližně 40 000 ppm. Množství produkovaného CO 2 se liší také podle činnosti člověka. Odpočívající osoba produkuje méně CO 2 než sportující osoba. V budovách se doporučuje udržovat hladinu CO 2 do 1000 ppm. Při vyšších hodnotách dochází k pocitu ospalosti, únavě a nepříjemnému pocitu vydýchaného vzduchu. Jako koncentrace nebezpečná pro lidské zdraví se udává 5000 10 000 ppm. Nad 25 000 ppm pak hrozí smrt udušením. Měření CO 2 Pro měření koncentrace CO 2 se využívá několik principů. Nejrozšířenější jsou čidla pracující na principu absorpce infračerveného záření (metoda NDIR), dále čidla pracující na elektroakustickém principu a čidla fungující na elektrochemickém principu. Čidla NDIR (Nondispersive infrared sensor) pracují na principu měření útlumu infračerveného záření ve vzduchu. Skládají se ze zdroje záření, světlovodné trubice a infračerveného detektoru. Pomocí elektroniky se vyhodnocuje útlum záření a podle toho se vypočítá aktuální koncentrace CO 2 ve vzduchu. Tato čidla jsou dlouhodoběji stabilnější, měří koncentrace již od nulové hodnoty a mohou měřit i vysoké koncentrace CO 2. Elektrochemická čidla sestávají z elektrochemického článku s tuhým elektrolytem. Článek je vyhříván na pracovní teplotu a na jeho elektrodách dochází k chemickým reakcím. Předností těchto čidel je vysoká citlivost a selektivita na oxid uhličitý. Mají nižší životnost než čidla NDIR a pracují až od cca 400 ppm. Elektroakustická čidla pracují na principu vyhodnocování změn kmitočtu ultrazvukových vln v závislosti na koncentraci CO 2 v mechanickém rezonátoru. Jejich výhodou je dlouhodobá stabilita bez nutnosti opětovné kalibrace. Použité vzorce Přepočet mezi hodnotami v ppm a mg/m 3 X = 24, 45 C, µ kde X je koncentrace [ppm], 33
C je množství CO 2 [mg/m 3 ], µ = 44 kg/kmol molární hmotnost oxidu uhličitého CO 2. Literatura [1] Portál TZB-info. [cit. 1. ledna 2012]. http://vetrani.tzb-info.cz/vnitrni-prostredi/5827-pracujeteve-zdravem-prostredi [2] Portál Stavebnictví. [cit. 1. ledna 2012]. http://www.stavebnictvi3000.cz/clanky/vydychany-vzduch-a-jak-hospravne-vyvetrat/ [3] Portál Tecomat. [cit. 1. ledna 2012]. http://www.tecomat.cz 34
2.3 Detekce kouře Zadání 1. Seznamte se s modelem domu, jeho vybavením a základními vlastnostmi PLC Foxtrot CP-1015. 2. Zapojte úlohu podle schématu a zapněte PLC. 3. V nástroji WebMaker vytvořte rozhraní pro ovládání ventilátoru vzduchotechniky, k odečtu teploty a hodnot naměřených detektorem kouře. 4. Místnost před měřením vyvětrejte. 5. Vstříkněte do sekce přiměřené množství testovacího plynu (stiskem rozprašovače přibližně na 1 s). Po dosažení mezní hodnoty detektoru sekci vyvětrejte. 6. Sledujte rychlost s jakou sprej zvýší koncentraci testovacího plynu v sekci nad měřící rozsah senzoru. 7. Místnost opět vyvětrejte a přibližně do stejné vzdálenosti od detektoru kouře a detektoru hořlavých plynů vpusťte množství propan-butanu (až do reakce čidla GS-130 nebo čidla C-AQ-0003R). Porovnejte reakci obou senzorů. Úloha zahrnuje použití: PLC Foxtrot CP-1015 ventilátor TT 125 snímač teploty detektor C-AQ-0003R detektor hořlavých plynů GS-130 35
Obr. 2.23: Schéma zapojení Obr. 2.24: Příklad ovládání v nástroji WebMaker Postup provádění úlohy: 10. Pro korektní zobrazení naměřené hodnoty je nutno hodnotu dodanou senzorem vydělit 100. Příklad textové části programu (okno PrgMain): VAR_INPUT END_VAR VAR_OUTPUT END_VAR 36
VAR vystup : REAL; END_VAR VAR_TEMP END_VAR vystup := senzor/100.0; END_PROGRAM 2 Úlohy pro model inteligentního domu 11. Hotový program opět přeložte (F9) a naprogramujte jím PLC (Shift + F9). Uveďte PLC do stavu run (Ctrl +F9) a otestujte funkčnost spínání vzduchotechniky a zobrazení hodnoty koncentrace kouře. Pozor na funkčnost detektoru - po zapnutí napájení trvá náběh senzoru cca 15 minut. Inicializace senzoru se projevuje rychlým blikáním modré LED. Při běžném provozu bliká s frekvencí přibližně 2 sekundy. 12. Před samotným měřením sekci vyvětrejte. Do sekce (nejlépe přímo na detektor) vstříkněte ze vzdálenosti alespoň 30 cm přiměřené množství testovacího plynu (stiskem rozprašovače přibližně na 1 s). Uzavřete dvířka sekce. 13. V nástroji GraphMaker sledujte reakci detektoru a graf zaznamenejte. Po odměření sekci vyvětrejte. 14. Vynulujte nástroj GraphMaker a připravte jej pro další záznam. Pomocí zdroje propan-butanu vpouštějte do sekce, rovnoměrně mezi detektor C-AQ-0003R a detektor hořlavých plynů GS-130, množství plynu až do reakce čidla GS-130, nebo čidla C-AQ-0003R. 15. Porovnejte reakci obou senzorů. GS-130 reaguje rozsvícením červených LED. První při koncentraci 15 % LEL (lower explosive limit) propanu, druhá při koncentraci 30 % LEL. Chvíli rozsvícení diod zaznamenejte v GraphMakeru a následně porovnejte, jak se liší naměřené koncentrace obou detektorů.gs 130 nepředává systému informace o detekci plynu nutno zaznamenat ručně. GS 130 je detektor určený přímo na hořlavé plyny. C-AQ-0003R je detektor kouře a nebezpečných látek. 37
Stručný popis zařízení Programovatelný automat CP-1015 Funkce a možnosti PLC byly vysvětleny v úloze 2.1. Pro detailnější seznámení s PLC a nástroji WebMaker a GraphMaker lze využít webové stránky společnosti Teco a.s. (www.tecomat.cz). C-AQ-0003 Prostorové čidlo kvality vzduchu - kouř C-AQ-0003R je prostorové čidlo plynných znečišťujících látek ve vzduchu. Čidlo je citlivé na nízké koncentrace látek ve vzduchu jako je např. oxid uhelnatý, vodík apod., které jsou obsaženy v cigaretovém dýmu. Čidlo není výhradně citlivé pouze na uvedené látky, ale vykazuje citlivost i na další organické výpary. Rozsah měření čidla je 0 50 ppm. Čidlo je standardní periferie systému FOXTROT s připojením na sběrnici CIB. Možností použití je i orientační detekce alkoholových par, nebo detekce úniku plynů (např. metan, propan-butan, zemní plyn apod,... ). Vzhledem k širokému spektru detekovaných látek je zřejmé, že citlivost není stejná na všechny látky. Stěžejní využití čidla je řízení ventilace v prostorách znečištěných cigaretovým kouřem. Rozlišení čidla je 0,1 ppm. Obr. 2.25: Příklad zapojení C-AQ-0001R. Převzato z [10]. Detektor hořlavých plynů GS-130 Detektor GS-130 slouží k indikaci úniku hořlavých plynů (obr. 2.26). Podle [11] vnitřní senzor detekuje všechny typy hořlavých plynů (zemní plyn, propan, butan,... ) a reaguje ve dvou úrovních koncentrace. Pokud svítí zelená LED, detektor pracuje v normálním pracovním režimu. Při dosažení prvního stupně citlivosti se rozsvítí červená LED I. Pokud koncentrace plynu stále stoupá, rozsvítí se i druhá červená LED. Detektor funguje na principu katalytického spalování. Úrovně reakce čidla na množství koncentrace jsou uvedeny v tabulce 2.5. 38
Metan Propan 1. stupeň 10 ± 2 % LEL (0, 44 % metanu) 15 ± 3 % LEL (0, 26 % propanu) 2. stupeň 17 ± 3 % LEL (0, 75 % metanu) 30 ± 3 % LEL (0, 51 % propanu) Tab. 2.5: Citlivost senzoru na Propan a Metan. Převzato z [11]. Obr. 2.26: Detektor hořlavých plynů GS-130. Převzato z [11]. Ventilátor TT 125 Průtok vzduchu: 220/280 m 3 /h Otáčky: 2400/2500 /min 39
Teoretický rozbor úlohy Způsoby detekce kouře Ionizační princip využívá ionizační komoru (obr. 2.27) a zdroj ionizační radiace k detekci kouře. Uvnitř detektoru je malé množství radioaktivního prvku americium-241. Tento je spolehlivým zdrojem alfa částic (dlouhý poločas rozpadu). Množství radiace je extrémně malé a je tvořeno alfa částicemi, které nemohou projít ani skrz papír. Komora se skládá ze dvou elektrod s připojeným napětím zdroje. Alfa částice ionizují atomy kyslíku a dusíku obsažené ve vzduchu. Po ionizaci jsou elektrony přitahovány ke kladně nabité elektrodě, zatímco kladné atomy k záporné. Senzor je v klidovém stavu, chová se jako slabý vodič a obvodem protéká proud. V případě kouře v detekční komoře se volné náboje vážou na částice kouře a dochází ke snížení vodivosti ionizační komory. Jelikož na vodivost komory působí také napětí, vlhkost, tlak vzduchu apod., používá se dvou komor - referenční a druhé měřící, do které může volně vnikat kouř. Obr. 2.27: Schéma ionizační komory. Převzato z [15]. Fotoelektrický princip detekce může být realizován pomocí dvou metod snímání. První metodou je blokování průchodu světla mezi vysílačem a přijímačem (za klidového stavu detekuje více záření než při působení kouře), obr. 2.28. Druhou metodou je odklon paprsku pomocí kouře (za klidového stavu přijímač nedetekuje záření), obr. 2.29. Obr. 2.28: Blokování průchodu světla. Převzato z [15]. 40
Obr. 2.29: Odklon paprsku. Převzato z [15]. Ionizační senzory mají rychlejší odezvu na kouř obsahující menší částice spalin. Optické senzory naproti tomu reagují rychleji na kouř z doutnajících ohňů. Způsoby detekce plynů Způsobů detekce plynů je několik. Každý senzor je jinak citlivý na různé plyny, a proto je třeba vybírat senzor podle dané aplikace. Elektrochemické senzory bývají velmi selektivní k detekovanému plynu. Příkladem může být elektrochemický senzor pro detekci kyslíku. Pro svou činnost tyto senzory potřebují velmi málo energie. Katalytické senzory se používají převážně pro detekci hořlavých plynů. Senzor pracuje na principu katalýzy - hořlavé směsi plynů nevzplanou, dokud nedosáhnou teploty vznícení. Avšak v přítomnosti katalyzátoru se mohou vznítit i při teplotách nižších. Katalytické vlastnosti má většina oxidů kovů. Nejvíce se pro tyto senzory používají sloučeniny platiny. Při vyšší teplotě (hoření plynu) se mění i vodivost elektrického vodiče. V závislosti na změně elektrického odporu lze tedy určit samotnou koncentraci plynu. Polovodičové senzory - jejich výhodou je dlouhá životnost a detekce širokého spektra plynů. Hlavní výhodou infračervených senzorů je, že nepřichází oproti ostatním senzorům do přímého kontaktu s detekovaným plynem. Vyžadují tedy nejmenší údržbu. Každá molekula plynu absorbuje jedinečné spektrum frekvencí záření. Podle pohlceného množství záření lze určit koncentraci plynu. Fotoionizační senzory pracují na principu ionizace molekul plynu UV zářením. Používají se především k detekci těkavých organických látek. LEL - Lower explosive limit (dolní mez výbušnosti) Tento ukazatel vyjadřuje nejnižší koncentraci plynu (v procentech), při které může dojít k výbuchu. Hodnota LEL závisí na různých vlivech, mimo jiné také na teplotě a tlaku. Pro námi používaný propan lze uvažovat tabulkovou hodnotu 2,1 % objemu vzduchu. 41
Literatura [1] Portál TZB-info. [cit. 1. ledna 2012]. http://www.tzb-info.cz/5011-autonomni-hlasice-koure [2] Portál TZB-info. [cit. 1. ledna 2012]. http://www.tzb-info.cz/zemni-plyn/5802-preventivni-opatreni-prospravnou-funkci-plynovych-zarizeni-ii [3] Portál Tecomat [cit. 1. ledna 2012]. http://www.tecomat.cz [4] Portál Jablotron. [cit. 1. ledna 2012]. http://www.jablotron.cz/upload/download/gs-130-cz-mef51013.pdf 42
2.4 Vliv zastínění Zadání 1. Seznamte se s modelem domu, jeho vybavením a základními vlastnostmi PLC Foxtrot CP-1015. 2. Zapojte úlohu podle schématu a zapněte PLC. 3. Vytvořte nový projekt. Určete, který z vámi zapojených výstupů bude ovládat ventilátor a halogenovou lampu. 4. V nástroji WebMaker vytvořte rozhraní pro ovládání ventilátoru vzduchotechniky, halogenové lampy a k odečtu naměřených teplot. 5. Místnost vyvětrejte na počáteční teplotu. Na dobu 10 minut zapněte halogenovou lampu, proveďte s instalovanými žaluziemi. Pokus následně opakujte bez použití žaluzií. 6. Z naměřených dat vypočtěte vliv žaluzií (stínící součinitel) na tepelné zisky. Porovnejte také zisky bez žaluzií a při použití žaluzií. 7. Zaznamenejte průběh změny teploty při osvitu s instalovanými žaluziemi pomocí nástroje GraphMaker. Takto měřte 5 minut a poté žaluzie odstraňte. V měření pokračujte následujících 5 minut. Úloha zahrnuje použití: PLC Foxtrot CP-1015 ventilátor TT 125 snímač teploty halogenovou lampu 300 W žaluzie. 43
Obr. 2.30: Schéma zapojení Obr. 2.31: Příklad ovládání v nástroji WebMaker Postup provádění úlohy: 10. Hotový program opět přeložte (F9) a naprogramujte jím PLC (Shift + F9). Uveďte PLC do stavu run (Ctrl + F9) a otestujte funkčnost spínání vzduchotechniky, halogenové lampy a zobrazení teploty. 11. Před měřením vyrovnejte teplotu v sekci s teplotou v laboratoři (otevřením dvířek sekce, vyčkejte ustálení teploty). Umístěte stínítko (žaluzie) do držáku před boční okno sekce vytápění. Následně pomocí vámi vytvořeného programu rozsviťte halogenovou lampu na dobu 10 minut. Zaznamenejte počáteční a koncovou naměřenou teplotu. 44
12. Sekci otevřením dvířek opět vyvětrejte, po ustálení teploty ještě několik minut vyčkejte, aby se co nejvíce snížil vliv tepla akumulovaného ve stěnách boxu. Z bočního okénka sekce sejměte stínítko a opakujte měření jako v bodě 11. 13. Pomocí naměřených hodnot výpočtem určete stínící součinitel žaluzie. Objem sekce je 0, 307 m 3. 14. Sekci opět vyvětrejte otevřením dvířek do laboratoře. Okno zastiňte žaluziemi a pomocí nástroje GraphMaker zaznamenejte graf změny teploty podle bodu 7. 45
Stručný popis zařízení Programovatelný automat CP-1015 Funkce a možnosti PLC byly vysvětleny v úloze 2.1. Pro detailnější seznámení s PLC a nástroji WebMaker a GraphMaker lze využít webové stránky společnosti Teco a.s. (www.tecomat.cz). Ventilátor TT 125 Průtok vzduchu: 220/280 m 3 /h Otáčky: 2400/2500 /min Halogenová lampa Příkon: 300 W C-IT-0200S Modul univerzálních vstupů: kontakt, teplotní čidlo, vyvážené vstupy Modul určený pro připojení dvou snímačů teploty nebo binárních signálů přímo na elektroinstalační sběrnici CIB. K měřícím vstupům lze připojit odporové snímače PT1000, nebo Ni1000, dále pak čidlo s termitorem NTC12k, nebo KTY1-121 proti společnému vodiči GND. Pro tyto typy čidel je přepočet na teplotu prováděn přímo v jednotce. Pro jiný typ se přepočet na teplotu a linearizace musí provést až na úrovni programu. Obr. 2.32: Příklad zapojení C-IT-0200S. Převzato z [10]. 46
Teoretický rozbor úlohy Cílem této práce je upozornit na vliv slunečního záření na tepelnou pohodu v místnosti. Při návrhu stavby je nutno s těmito vlivy počítat. Možností řešení tohoto problému je více. Od orientace stavby vůči světovým stranám, přes stavební prvky jako jsou stínící lamely či markýzy po různé žaluzie či závěsy. Žaluzie lze dělit na: vnitřní, meziokenní, vnější. Vnější žaluzie mají oproti dvěma dalším zmiňovaným výhodu nejlepšího odstínění tepelného záření. Jejich nevýhodou je citlivost na vítr a nutnost, nejlépe automatického, vytahování při větším větru, který by mohl způsobit jejich poškození. S tím souvisí také vyšší pořizovací cena. Vnitřní žaluzie sice přímé záření také odstíní, ale to ohřívá vzduch mezi oknem a žaluziemi, který následně ovlivňuje celou místnost. Následující tabulka ukazuje stínící součinitele pro různé druhy stínění. Stínění s Vnitřní žaluzie, lamely 45 0,56 Závěsy: bavlna, umělá vlákna 0,80 Vnější žaluzie, lamely 45 0,15 Tab. 2.6: Příklady stínících součinitelů s pro různé druhy zastínění. Převzato z [1]. Použité vzorce Vzorec pro výpočet tepelné energie z naměřených teplot Q = mc t (J), kde m je hmotnost ohřívaného vzduchu (určíme přes objem sekce) (kg), c je měrná tepelná kapacita (Jkg 1 K 1 ), t je teplota ( C). Stínící součinitel s s = Q stíněné Q nestíněné ( ) 47
Literatura [1] Drkal F., Lain M., Schwarzer J., Zmrhal V. Vzduchotechnika. Praha: ČVUT, 2009. [2] Portál Tecomat. [cit. 1. ledna 2012]. http://www.tecomat.cz 48
2.5 Simulace přítomnosti osob Zadání 1. Seznamte se s modelem domu, jeho vybavením a základními vlastnostmi PLC Foxtrot CP-1015. 2. Zapojte úlohu podle schématu a zapněte PLC. 3. V nástroji WebMaker vytvořte rozhraní pro ovládání ventilátoru vzduchotechniky a k odečtu naměřené teploty. 4. Místnost před měřením vyvětrejte a zaznamenejte naměřenou teplotu. 5. V sekci vytápění rozsviťte jednu žárovku. Sekci uzavřete a po dobu 10 minut pozorujte změnu teploty. Pomocí nástroje GraphMaker naměřená data zaznamenávejte (pro možnost odečtu po 30 vteřinách). 6. Zhasněte žárovku a sekci vyvětrejte zpět na teplotu před měřením bodu 5. 7. V sekci rozsviťte nyní 3 žárovky. Opět zaznamenávejte teplotu po dobu 10 minut. 8. Ze vzorce pro výpočet energie Q = mc t plyne, že energie dodaná žárovkou, by měla být přímo úměrná změně teploty. Je změna teploty naměřená v bodě 7 trojnásobná oproti změně teploty z bodu 5? 9. Výsledek zdůvodněte. Úloha zahrnuje použití: PLC Foxtrot CP-1015 ventilátor TT 125 snímač teploty 3 x žárovka 40 W 49
Obr. 2.33: Schéma zapojení Obr. 2.34: Příklad ovládání v nástroji WebMaker Postup provádění úlohy: 10. Hotový program opět přeložte (F9) a naprogramujte jím PLC (Shift + F9). Uveďte PLC do stavu run (Ctrl + F9) a otestujte funkčnost spínání vzduchotechniky a zobrazení teploty. 11. Před samotným měřením sekci vyvětrejte otevřením dvířek sekce pro vyrovnání teploty sekci na teplotu v laboratoři. Následně rozsviťte jednu žárovku a měřte 10 minut. Průběh teploty zaznamenávejte v nástroji GraphMaker. Koncovou teplotu zaznamenejte. Žárovky lze rozsvítit pomocí tlačítka umístě- 50
ného v mezeře mezi sekcí vytápění a stěnou domečku. Levá část tlačítka spíná jednu žárovku, pravá pak zbylé dvě žárovky. 12. Sekci opět otevřením dvířek vyvětrejte. Po vyrovnání teploty ještě chvíli vyčkejte z důvodu co největšího vychladnutí stěn boxu. Následně rozsviťte zbylé dvě žárovky a opět zaznamenávejte po dobu 10 minut. 13. Z naměřených teplot ověřte, zda je změna teploty způsobená třemi žárovkami trojnásobná oproti změně teploty způsobené jednou žárovkou. Výsledek zdůvodněte. Dále vysvětlete také použití lampionu okolo žárovek. Q = mc t 51
Stručný popis zařízení Programovatelný automat CP-1015 Funkce a možnosti PLC byly vysvětleny v úloze 2.1. Pro detailnější seznámení s PLC a nástroji WebMaker a GraphMaker lze využít webové stránky společnosti Teco a.s. (www.tecomat.cz). Ventilátor TT 125 Průtok vzduchu: 220/280 m 3 /h Otáčky: 2400/2500 /min C-IT-0200S Modul univerzálních vstupů: kontakt, teplotní čidlo, vyvážené vstupy Modul určený pro připojení dvou snímačů teploty nebo binárních signálů přímo na elektroinstalační sběrnici CIB. K měřícím vstupům lze připojit odporové snímače PT1000, nebo Ni1000, dále pak čidlo s termitorem NTC12k, nebo KTY1-121 proti společnému vodiči GND. Pro tyto typy čidel je přepočet na teplotu prováděn přímo v jednotce. Pro jiný typ se přepočet na teplotu a linearizace musí provést až na úrovni programu. Obr. 2.35: Příklad zapojení C-IT-0200S. Převzato z [10]. 52
Teoretický rozbor úlohy Cílem této úlohy je upozornit na vliv tepelné energie lidského těla na teplotu v místnosti v reakci na počet lidí (v této úloze zjednodušeně nahrazeno žárovkami). Lidské tělo je nepřetržitým zdrojem tepla, a proto má také vliv na výslednou tepelnou pohodu. Toto se může projevit např. ve velkoplošných kancelářích nebo jiných místech s velkou kumulací osob. Při návrhu klimatizace je tedy třeba počítat nejen s technikou jako jsou počítače apod., ale také s počtem lidí a předpokládanou prací již budou vykonávat. Tabulka 2.7 zobrazuje přibližný výkon člověka v reakci na činnost, kterou vykonává. Činnost W Spaní 70 Odpočívání 80 Sezení 100 Stání, práce v sedě 120 Velmi lehká práce (vaření) 160 Lehká práce (domácí práce) 200 Středně těžká práce (tanec) 300 Těžká práce (tenis) 600 Tab. 2.7: Hodnoty metabolismu. Převzato z [17]. Literatura [1] Portál TZB-info. [cit. 1. ledna 2012]. http://www.tzb-info.cz/404-tepelna-pohoda-a-nepohoda [2] Portál Tecomat. [cit. 1. ledna 2012]. http://www.tecomat.cz 53
2.6 Vliv chlazení na vlhkost vzduchu Zadání 2 Úlohy pro model inteligentního domu 1. Seznamte se s modelem domu, jeho vybavením a základními vlastnostmi PLC Foxtrot CP-1015. 2. Seznamte se s problematikou chlazení budov (suchého a mokrého). 3. Zapojte úlohu podle schématu a zapněte PLC. 4. Změřte teplotu a relativní vlhkost v sekci chlazení. 5. Spusťte klimatizaci a ochlaďte vzduch v místnosti na 18 C. 6. Průběh změn teploty a relativní vlhkosti zaznamenejte. 7. Po ochlazení změřte teplotu a relativní vlhkost. 8. Sekci opět ohřejte do původního stavu (otevřením přední stěny a vyvětráním do místnosti). 9. Po ustálení teploty postup od bodu 4 opakujte. Vzduch dovlhčujte pomocí zvlhčovače. 10. Vyzkoušejte různé možnosti, kromě ohřátí vyvětráním, např. vyhřátí přímotopem přes místnost vytápění. 11. Sledujte, jak se mění relativní a absolutní vlhkost při použití zvlhčovače a během chlazení bez zvlhčování. Úloha zahrnuje použití: PLC Foxtrot CP-1015 klimatizace ECG MK 091 zvlhčovač Sencor SHF 1000 teplovzdušný ventilátor Ardes 451 jednotku SA2-02B s čidlem teploty vzduchu senzor relativní vlhkosti C-AQ-0004R 54
Obr. 2.36: Schéma zapojení Obr. 2.37: Příklad ovládání v nástroji WebMaker Postup provádění úlohy: 10. Pro zobrazení vlhkosti v procentech je třeba hodnotu naměřenou senzorem vydělit 100. Příklad textové části programu (okno PrgMain): 55