SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Система управления волшебством. Проект «Архитектурное освещение города Москвы»

В статье подробно описано оборудование и функционирование автоматизированной системы управления наружным освещением (АСУНО), реализованной на Садовом кольце г. Москвы.

Компания «Радиофид Системы», г. Санкт-Петербург

iRZ.gif        Beckhoff.gif


Москва вечером особенно прекрасна – волшебная игра света на фасадах домов завораживает своей красотой. Причудливое сочетание света и теней на Садовом и Бульварном кольце, сменившее обыденную серость девяностых, придает зданиям стройность и праздничность. Все это рукотворное волшебство работает как один слаженный механизм, который управляется с помощью автоматизированной системы под названием «Архитектурное освещение города Москвы», о технических аспектах которой и пойдет речь в статье.

Четыре года назад, когда только начиналась работа над проектом, перед специалистами была поставлена задача создать для Садового кольца (одной из самых длинных и красивых московских улиц) автоматизированную систему управления наруж­ным освещением (АСУНО), которая позволяла бы реализовать сложные динамические сцены и при этом отвечала бы всем современным требованиям по энергосбережению. Такая АСУНО была построена. Ниже мы расскажем о принципах работы данной системы, назовем ее основные особенности, а также дадим характеристику оборудованию, на базе которого она была реализована.

Инсталляция оборудования производилась обществом с ограниченной ответственностью «Каскад-Энерго», специализирующимся на производстве и монтаже низковольтного электрооборудования для жилых, промышленных и административных помещений, а также индивидуального строительства.


Функциональность АСУНО

К особенностям автоматизированной системы, реализованной на Садовом кольце, можно отнести следующие функции: 
- централизованное управление наружным освещением;
- оптимизацию потребления электроэнергии;
- мониторинг аварийных ситуаций в реальном времени;
- автономное выполнение заданной программы освещения с возможностью ее корректировки с удаленного диспетчерского пульта.

На рис. 1 отражен принцип работы АСУНО. Управление системой освещения и ее мониторинг осуществляются с диспетчерского пункта. Сервер АСУНО собирает информацию об измеренных параметрах электрической сети: качестве подводимой электроэнергии, потребляемой электрической мощности, искажениях в сетях и т. д. Затем эта информация передается диспетчеру. Обмен данными может происходить как по проводному каналу (Ethernet), так и по беспроводному (сеть GPRS) с помощью GSM-модема АТМ2-485, причем беспроводной канал может быть основным либо резервным.

Ris.1.png

Рис. 1. Структурная схема системы «Архитектурное освещение города Москвы»



Шкаф АСУНО

Вся система автоматики ­АСУНО расположена в специализированных шкафах управления (рис. 2) и состоит из нескольких компонентов:
- защитного навесного шкафа BOX;
- контроллера и модулей ввода/вывода Beckhoff;
- переключателей кулачковых 4g;
- реле времени РЭВ‑302;
- реле контроля EU‑300;
- универсального автоматического электронного переключателя фаз ПЭФ‑301;
- блока питания.

Ris.2.png

Рис. 2. Шкаф управления динамическим освещением

Управляющим и синхронизирующим устройством является распределенная система на основе оборудования Beckhoff, выполняющая следующие функции:
- связь с диспетчерским пунктом, синхронизацию внутреннего времени с сервером (посредством ВОЛП);
- хранение и удаленное изменение (редактирование) расписания включения/отключения;
- включение управляющих реле в соответствии с этим расписанием;
- хранение и воспроизведение DMX-сценариев;
- контроль состояния датчиков несанкционированного доступа типа «сухой контакт»;
- контроль присутствия напряжения на контрольных точках.

Основными модулями системы являются:
- контроллер серии Embedded PC – ПК-совместимый контроллер, который управляет системой согласно записанной в него программе. За интерпретацию и исполнение этих программ отвечает встроенная в контроллер среда выполнения реального времени TwinCAT;
- модули ввода/вывода, устанавливаемые на DIN-рейку, и интерфейсный модуль DMX/RDM.

Связь между контроллером и модулями осуществляется через внутреннюю шину E‑bus. Модули запитываются с блока питания контроллера.

Еще один компонент системы автоматики АСУНО – модуль ПЭФ‑301 – представляет собой микропроцессорное цифровое устройство высокой степени надежности и точности. В ПЭФ‑301 предусмотрена внутренняя блокировка от залипания контактов выходных встроенных реле, а также контроль состояния силовых контактов магнитных пускателей во внешней цепи. Кроме того, контролируется наличие и величина напряжения на каждой фазе. При достижении пороговых значений происходит быстрое переключение на ту фазу, где напряжение находится вне порогов срабатывания.

Реле времени РЭВ‑302 – это многофункциональное микропроцессорное устройство, предназначенное для включения/отключения одной или двух нагрузок в предварительно установленные пользователем моменты времени. Могут выполняться функции годового, месячного, недельного и суточного реле времени. Кроме того, присутствует возможность учета сетевого напряжения и освещенности внешнего фотодатчика. В РЭВ‑302 предусмотрено 8 независимых программ управления и обеспечена возможность быстрого переключения между ними для каждой из групп контактов. Также есть независимые списки временных установок (таймеров) для каждой из программ. Общая внутренняя память позволяет создать до 5000 событий.

Режимы управления регулируются кулачковым переключателем. Имеется 4 режима:
«0» – отключено;
«1» – включено;
«2» – включение/отключение освещения по расписанию РЭВ‑302;
«3» – дистанционное управление.

Блок питания DR‑3024 предназначен для питания модулей и контроллера. Блок крепится на DIN-рейку и запитывается от сети 220 В через модуль ПЭФ‑301. В блок встроен фильтр электромагнитного излучения, за счет чего он не создает помех, способных помешать корректной работе контроллера и других модулей. Блок питания снабжен электрической защитой от короткого замыкания, перенапряжения на выходе и перегрева. Также в него встроен светодиод, сигнализирующий о наличии напряжения на входе.


Особенности оборудования, примененного в АСУНО

Как уже упоминалось, при разработке проекта стояла цель создать систему, которая не просто включала бы статические световые сцены по расписанию, но позволяла бы осуществлять управление сложными динамическими сценами из удаленного диспетчерского центра. Вот почему в проекте было задействовано оборудование Beckhoff. Эта немецкая фирма производит свободно программируемые контроллеры, а широчайший спектр выпускаемых ею модулей ввода/вывода позволяет выполнить на аппаратном уровне прямое подключение всех стандартных сигналов и типовых шин обмена данными, что дает возможность осуществить практически любую задачу управления технологическим процессом, причем решение будет гибким, масштабируемым и оптимальным по стоимости.

Именно наличие в линейке модуля Beckhoff для прямого аппаратного подключения DMX/RDM позволило организовать не только управление включением и яркостью осветительных приборов, но и удаленное изменение конфигураций локальных узлов управления по различным протоколам: Modbus RTU, FTP, TwinCAT ADS.

К очевидным преимуществам данного решения хочется отнести и высокую надежность системы управления, поскольку оборудова­ние Beckhoff, на базе которого она была построена (Embedded PC CX9000-0001, Module Compact Flash CX9000‑A001, Interface RS-422/RS-485 Module CX9000-N031, I/O EtherCAT Terminal EL6581DMX, EL1859),  производится для управления промышленным оборудованием и технологическими линиями.

Для осуществления прозрачного обмена данными между контроллером и диспетчерским центром по сетям сотовой связи был использован двухдиапазонный GSM-модем АТМ2-485 производства компании iRZ.

Для АСУНО требовалось подобрать надежное устройство с гибкой настройкой функций, способное обеспечить бесперебойный и экономичный об­мен данными. Всем этим требованиям пол­ностью соответствует GSM-модем АТМ2-485, который предназначен для передачи данных в сети GPRS по стеку протоколов TCP/IP. Главная особенность модема заключается в том, что он автоматически (без ввода AT-команд) подключается к сети GPRS и устанавливает соединение с заданным сервером. Работа с сервером может осуществляться в различных режимах: постоянного соединения, работы по расписанию, а также соединения по запросу (звонку или СМС-сообщению на модем). Когда не требуется соединения с сервером, модем находится в ждущем режиме, что обеспечивает экономию трафика и потребляемой электроэнергии.

Для подключения внешнего устройства модем оснащен интерфейсом RS-485/RS-422.

Дополнительно для управления внешним устройством модемы АТМ2-485 имеют три дополнительных вывода GPIO:
- GPIO1 и GPIO2 могут работать и как «вход», и как «выход»;
- GPIO3 работает как силовой «выход». К силовому выводу может быть напрямую подключено коммутационное реле. 

Модем может отправлять СМС-сообщения при изменении уровня сигнала на выводе, что позволяет удаленно контролировать работу осветительных приборов. Состояние вывода можно изменить, отправив СМС-команду на модем, благодаря чему осуществляется удаленное управление осветительными приборами. 

Чтобы уменьшить зависимость от качества услуг одного мобильного оператора, в модеме предусмотрены две сим-карты. Вторая сим-карта автоматически включается в случае невозможности установления соединения с помощью первой.  Для обеспечения резервирования услуг провайдера, предоставляющего серверу доступ в Интернет, возможно дублирование подключения сервера ко второму провайдеру.

Переключение на резервный сервер поддерживается как при потере соединения с основным, так и по сигналу с внешних выводов модема или по СМС-команде. ATM2-485 автоматически отслеживает работоспособность GSM-модуля, а два сторожевых таймера обеспечивают защиту от зависания.

В АТМ2-485 реализована повышенная защита от нештатных ситуаций:
- защита от ошибок при обновлении прошивки путем запрета на удаление заводского программного обеспечения;
- постоянный контроль работоспособности GSM-модуля;
- интервальный таймер перезагрузки, позволяющий перезагружать модем через определенное время после его последнего включения;
- посуточный таймер перезагрузки с настраиваемым временем.

GSM-модем ATM2-485 поддерживает следующие стандарты связи:
- GPRS;
- CSD;
- СМС.

В итоге удалось создать систему обмена данными между диспетчерским пунктом и сотнями локальных узлов управления с использованием различных физических каналов передачи данных – проводных и радио-, что обеспечивается такими технологиями передачи, как GPRS, 3G, Wi-Fi, Ethernet.

На фасадах и под крышами домов на Садовом кольце были установлены светильники для архитектурного освещения центральной улицы Москвы. В качестве световых приборов были выбраны светильники, управляемые по протоколу DMX (Digital Multiplex) с поддержкой RDM (Remote Device Management), который является надстройкой к протоколу DMX и позволяет организовать двунаправленный обмен данными между контроллером и светильником по стандартной DMX-шине. В зависимости от типа здания и места было установлено от 10 до 400 светильников на дом. На участках, которые невозможно осветить с дома, светильники были расположены на фонарных столбах.

Ris.3.png

Рис. 3. Архитектурное освещение зданий на Садовом кольце

Всего на домах было установлено 124 комплекта оборудования Beckhoff.
Контроллеры серии Embedded PC:
CX9000-0001;
CX9000‑N031;
CX9000‑A001.
Модули ввода/вывода:
EL1859;
EL6851;
EL9011.

На столбах было установлено 237 комплектов оборудования Beckhoff.
Контроллеры серии Embedded PC:
CX9000-0001;
CX9000‑N031.
Модули ввода/вывода:
EL6851;
EL9011.

Оборудование производства компаний Beckhoff и iRZ, использованное в рамках проекта «Архитектурное освещение города Москвы», позволило создать современное, высокотехнологичное решение – надежную и экономически выгодную автоматизированную систему управления наружным освещением под единым управлением, которая позволяет работать с различными цветовыми и временными сценариями. Благодаря успешной реализации проекта Москва еще ярче заиграла красками, радуя москвичей и гостей города!

Ris.4.png

Рис. 4. Ночные огни Садового кольца

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 4(52)_2014

Компания «Радиофид Системы», г. Санкт-Петербург,
тел.: (812) 318-1819,
e‑mail: office@radiofid.ru,
www.radiofid.ru