Rakennusautomaatio ja valvonta-alakeskuksen

Transkriptio

1 Riku Airas Rakennusautomaatio ja valvonta-alakeskuksen saneeraus Metropolia Ammattikorkeakoulu Insinööri Konetekniikka Insinöörityö

2 Tiivistelmä Tekijä Otsikko Sivumäärä Aika Tutkinto Riku Airas Rakennusautomaatio ja valvonta-alakeskuksen saneeraus 38 sivua + 2 liitettä Insinööri (AMK) Tutkinto-ohjelma Konetekniikka Suuntautumisvaihtoehto Koneautomaatio Ohjaajat Lehtori Antti Liljaniemi Tekninen tuki Ville Pöysä Insinöörityö tehtiin Siemens Osakeyhtiön talotekniikan rakennusautomaatio-osastolle. Tavoitteena oli rakennusautomaatiojärjestelmän modernisointiprojekti valvonta-alakeskuksen osalta ja siihen liittyvien aihealueiden tutkiminen projektin toteuttamiseksi. Projekti toteutettiin yrityksen asiakkaalle. Insinöörityön tarkoituksena oli onnistuneen alakeskussaneerauksen lisäksi kehittää tietämystä rakennusautomaatiosta ja yrityksen laitteistosta. Työssä tutkittiin rakennusautomaatiota, sen rakennetta ja hyötyjä, tiedonsiirtoprotokollia, prosessin toimintaa sekä yrityksen laitteiston ja ohjelmiston toimintaa. Laitteistosta perehdyttiin saneerattaviin automaatiolaitteisiin. Vanhat käyttöön jääneet kenttälaitteet rajattiin aiheen ulkopuolelle. Tutkimusmateriaalina käytettiin yrityksen sisäistä teknistä dokumentaatiota, verkkomateriaalia ja kirjallista materiaalia. Projekti sisälsi toteutuksen suunnittelun, ohjelmoinnin, grafiikan luonnin, käyttöönoton ja testauksen sekä toteutuksen dokumentoinnin. Tuloksena insinöörityöstä oli toimiva Desigo-järjestelmän alakeskus, joka ohjaa neljän ilmanvaihtokoneen toimintaa ja ulkovalaistusta sekä tarkkailee erillisiä hälytyspisteitä. Lisäksi työssä syntyi valmis pohja kommunikointiasetuksille Modbus-virtausantureiden ja BACnetprotokollan väliseen kommunikointiin. Tuloksista ilmeni, että kohteen automaatiojärjestelmää voidaan kehittää ja alakeskuksen toimintaa parantaa edelleen. Avainsanat Rakennusautomaatio, VAK, BACnet, Siemens

3 Abstract Author Title Number of Pages Date Degree Riku Airas Building Automation And Modernization of a Substation. 38 pages + 2 appendices 20April 2019 Bachelor of Engineering Degree Programme Mechanical Engineering Specialisation option Machine Automation Instructors Antti Liljaniemi, Senior Lecturer Ville Pöysä, Technical Support This Bachelor s thesis was assigned by Siemens Building Technologies. The purpose was to produce a successful modernization project for the client s building automation system and to develop knowledge about building automation, Siemens devices and softwares. In addition, data transfer protocols and the benefits of building automation were studied. The project was carried out as follows. Firstly, topic related literature and documents were examined. Secondly, the project site was visited for specific details. Thirdly, programs and graphics were designed and made. Finally, the new automation system was implemented into service and tested to ensure reliable operation. As a result, a fully operating Desigo system substation was created. The substation controls four air handling units, lighting and monitors separate alarm points. In addition, new communication settings template was created for communication between Modbus flow sensors and BACnet protocol devices. The results indicate that the client s automation system can be developed, and the operation of the substation can be further improved. Building Automation, Siemens, VAK, BACnet

4 Alkusanat Insinöörityö tuotettiin Siemens Osakeyhtiön Building Technologies -osastolle. Työssä toteutettiin Visonik-järjestelmän saneeraus Desigo-järjestelmään valvonta-alakeskus tasolla. Projekti oli antoisa ja kehittävä kokemus. Sen aikana vielä aikaisemmin vieraaksi kokemani ohjelmointikieli ja järjestelmä tulivat tutuiksi. Myös ilmastointikoneiden ja kiinteistöprosessien toiminta sekä rakennusautomaation rakenne ja ominaispiirteet selkeentyivät. Asiakas sai uuden toimivan järjestelmän ja yritys astetta valmiimman sekä osaavamman työntekijän. Haluankin kiittää yritystä insinöörityöhön soveltuvasta projektista, ja tuesta sen toteuttamiseksi. Erityiskiitos yrityksen puolelta valvojana toimineelle tekniselle tuelle Ville Pöysälle avusta ja opastuksesta projektin läpi saattamiseksi. Kiitos myös Metropolian ohjaajalle lehtori Antti Liljaniemelle. Helsinki , Riku Airas

5 Sisällysluettelo Lyhenteet 1 1 Johdanto 3 2 Rakennusautomaatio Rakenne Hallintotaso Automaatiotaso Kenttätaso Hyödyt Saneeraus 8 3 Laitteisto ja ohjelmistot Automaatiolaitteet PXC200 E.D TX-I/O-moduulit TXI2.OPEN Kenttälaitteet VPFlowscope in-line Ohjelmisto Desigo Xworks Plus TX Open Tool Desigo Insight 17 4 Tiedonsiirtoprotokollat BACnet Modbus 20 5 Projektin toteutus Suunnittelu Ohjelmointi ja toiminta IV-koneet Säätimet VPFlowscope -virtausanturit Muut pisteet Grafiikka Käyttöönotto 31

6 5.5 Testaus Tulokset 33 6 Yhteenveto 35 Lähteet 37 Liitteet Liite 1. Kytkentäkuvat Liite 2. Xworks -ohjelman pistelistaus

7 1 Lyhenteet A/D Analog/Digital AI Analog input. Analoginen tulo. AO Analog output. Analoginen lähtö. ASCII American Standard Code for Information Interchange. Modbus -sarjaliikenne -kommunikointitila. ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineering. Järjestö, joka kehittää BACnet protokollaa. BTL BACnet Testing Laboratories. Järjestö, joka valvoo BACnet laitteiden testausta. DI Digital input. Digitaalinen tulo. DIN DIN-kisko. Standardoitu kiinnityskisko sähkö- ja automaatiolaitteiden kiinnittämiseen koteloissa ja keskuksissa. D-MAP Desigo Modular Application Programming. Ohjelmointikieli. DO Digital output. Digitaalinen lähtö. FBD Function Block Diagram. Ohjelmointikieli. I/O Input/output. Sisään- ja ulostulopisteet, joilla välitetään tai vastaanotetaan tietoa automaatiossa. IP Internet Protocol. Internet-kerroksen protokolla. IV Ilmanvaihto. LAN Local Area Network. Maantieteelliselle alueelle rajattu tietoliikenneverkko.

8 2 LTO Lämmöntalteenotto. Laite, jolla hyödynnetään poistoilman lämpö tuloilman lämmitykseen. ma Milliampeeri. Osv Out of service. Prosessorin huoltotila ohjelmasta, jolloin pisteet eivät aiheuta hälytyksiä. PDU Protocol Data Unit. Yksittäinen informaatio -yksikkö tietoliikenne -protokollissa. RAU Rakennusautomaatio. RTU Remote Terminal Unit. Modbus sarjaliikenne kommunikointitila. SCADA Supervisory Control And Data Acquisition. Schneider Electricsin kehittämä järjestelmä grafiikan toteutukseen. TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol. Usean Internet-liikennöinissä käytettävän tietoliikenneprotokollan yhdistelmä. VAK Valvonta-alakeskus

9 3 1 Johdanto Ihmiset viettävät nykyisin suurimman osan elämästään erilaisissa rakennuksissa. Työ, vapaa-aika, nukkuminen ja jopa harrastukset tapahtuvat suurimmaksi osaksi sisätiloissa. Onkin ymmärrettävää, että rakennusten olotilat halutaan kehittää mahdollisimman viihtyisiksi. Mukavuus ei kuitenkaan synny itsestään, vaan vaatii toimenpiteitä. Nykyään näistä toimenpiteistä huolehtii automaatio. Automaatio on lisääntynyt teknologian kehittymisen myötä jatkuvasti. Se on nykyään osa jokapäiväistä arkea ja se näkyy myös rakennusten toiminnassa. Automaatiolla pystytään helpottamaan elämistä, tekemään siitä mukavampaa ja auttamaan rahan sekä energian säästöissä. Rakennusautomaatio keskittyy samoihin asioihin rakennusten ja kiinteistöjen toiminnan näkökulmasta. Ilmanvaihdon, lämmityksen, jäähdytyksen ja valaistuksen halutaan toimivan mahdollisimman kustannustehokkaasti, mutta myös niin, että kiinteistön käyttäjillä on mahdollisimman mukavat oltavat. Insinöörityössä on tavoitteena modernisoida edellä mainittujen toimintojen ohjaukseen käytettävä Visonik-automaatiojärjestelmä uuteen Desigo-järjestelmään projektiluontoisesti. Visonik-järjestelmä on esitelty käyttöön jo vuonna Järjestelmän käytöstä luopuminen aloitettiin vaiheittain uuden Desigo-järjestelmän myötä. Vuoden 2016 lopussa Visonik-järjestelmän tuotetuki ja varaosasaatavuus loppuivat kokonaan, mistä johtuen myös projekti toteutetaan. Projekti pitää sisällään automaatiota ohjaavan alakeskuksen saneerauksen uuteen järjestelmään, sekä yksikkösäätimellä toimivan ilmastointikoneen ja kahden Modbus-kommunikoivan anturin liittämisen keskitettyyn valvontaan. Saneerauksella pyritään takaamaan jatkossakin automaation luotettava toiminta, helppokäyttöisyys ja pysyminen tekniikan kehityksen mukana. Tavoitteena on tuottaa asiakkaalle toimiva ja päivitetty automaatiojärjestelmäyksikkö, selvittää ja dokumentoida miten valvonta-alakeskuksen saneeraus toteutetaan, sekä kehittää tietämystä rakennusautomaatiosta. Projektin toteutuksen kannalta on oleellista ymmärtää rakennusautomaation ja kiinteistön prosessin toimintaa. Insinöörityössä perehdytäänkin rakennusautomaatioon, sen rakenteeseen ja ominaispiirteisiin, sekä prosessin toimintaan ja ohjelmointiin. Tutkimusmateriaalina käytetään kirjallista materiaalia, verkkodokumentteja, yrityksen sisäistä dokumentaatiota ja havainnointia työn toteutuksen aikana. Tutkimusainestoa analysoidaan, tulkitaan ja käytetään hyväksi projektin konkreettiseen toteutukseen, joka dokumentoidaan opinnäytetyöhön.

10 4 Insinöörityö toteutetaan Siemens Osakeyhtiölle, joka on maailmanlaajuisen Siemens AG:n sataprosenttisesti omistama tytäryhtiö. Siemens Osakeyhtiön toiminta ulottuu Suomen lisäksi Viroon, Liettuaan ja Latviaan. Yhtiön liikevaihto oli vuonna 2016 noin 214 miljoonaa euroa ja henkilömäärä 527. Siemens on maailman kuten myös Suomen markkinoilla merkittävä toimija rakennusautomaatioalalla. [1.]

11 5 2 Rakennusautomaatio Automaatiolla tarkoitetaan laitteiden tai järjestelmien itsenäistä toimintaa käyttäjän määrittelemällä tavalla. Rakennusautomaatio on oma automaation osa-alueensa, jolla on omat erikoispiirteensä. Rakennusautomaation keskeisin tarkoitus on kiinteistön laitteiden, kuten esimerkiksi ilmanvaihdon, lämmityksen, jäähdytyksen, valaistuksen ja hälytysten itsenäinen toiminta ja niiden kautta energian säästäminen. Automaation avulla kiinteistön käyttäjien olotila pystytään pitämään mahdollisimman mukavana, ohjaamaan laitteiden toimintaa sekä säästämään rahaa energian kulutuksen vähentämisen kautta. [2.] Voidaan sanoa, että rakennusautomaatio on saanut alkunsa säätötekniikan perusteista 1900-luvun alussa, jolloin mitattavia suureita säädettiin käsin ja syntyi ensimmäisiä sovelluksia säätöön. Manuaalinen säätö alkoi vaihtua sen jälkeen asteittain automaattiseen säätöön. Varsinaisen rakennusautomaation kehitys alkoi kuitenkin todella vasta luvun puolivälissä ilmanvaihtotekniikan koneellistumisen myötä, jonka ohella hyväksyttiin myös 4 20 ma:n analogisignaalistandardi luvun öljykriisi aiheutti kiinteistöautomaatiolle tarpeen tarkempaan tiedonsaantiin ja säätöön, jotta energiaa säästävien toimien ohjaaminen, kuten patteriverkoston lämmönsäätö, olisi mahdollista. Lämmityksen säädöstä kehitettiin erillinen talovalvontajärjestelmä, joka sittemmin johti keskitettyyn talovalvontajärjestelmään ja talovalvomoon. Sellaisiin paikkoihin kuin lämmönjako-, ilmastointi- ja sähköhuoneet, joissa oli runsaasti mittauspisteitä, rakennettiin valvonta-alakeskukset, joista tieto välitettiin valvomoon. Tästä alkoi kehittyä nykyisen kaltainen rakenne ja toteutustapa rakennusautomaatiossa. [3.] 2.1 Rakenne Internet- ja PC-teknologian, sekä tekniikan kehittymisen myötä rakennusautomaatiojärjestelmien topologia jaotellaan nykyään yleisesti kolmeen osaan hallintotasoon, automaatiotasoon ja kenttätasoon (kuva 1). Eri tasoilla on omat laitteistot ja tehtävät. Tiedonsiirtoa tarvitaan tasojen yhdistämiseen toisiinsa, jolloin puhutaan yleensä väyläratkaisusta, joka voi olla automaatio- tai kenttäväylä. Väylätekniikan avulla laitteistojen eri osat voidaan yhdistää helpommin toisiinsa, kuin kaapeloimalla jokainen laite erikseen käyttöpäätteelle asti. Väylän lisäksi tiedonsiirtoon tarvitaan kommunikointiprotokolla, jonka mukaan viestin välitys ja kommunikointi tapahtuu väylän kautta laitteiden kesken. [4.]

12 6 Kuva 1 Rakennusautomaation topologia ja mahdollisia kommunikointiprotokollastandardeja. [26.] Rakennusautomaatiojärjestelmien lajittelu yleiseen hierarkkiseen rakenteeseen auttaa myös hahmottamaan toimintaa ja kokonaiskuvaa järjestelmästä. [5.] Hallintotaso Hallintotaso toimii käyttöliittymänä automaatiojärjestelmään. Yleensä käyttöliittymänä on valvomo-pc, josta pystytään seuraamaan ja säätämään grafiikan avulla laitteiston automaation toimintaa, asetusarvoja ja aikaohjelmia. Valvomopäätteitä voi olla yksi tai useampia, ja ne voivat sijaita kiinteistössä paikallisesti tai etävalvomossa, mistä valvotaan useampaa kohdetta. Hallintotasoon liittyy usein myös erilaisia raportointiin ja kunnossapitoon liittyviä lisäohjelmia. Ennen hallintotason kommunikointi tapahtui modeemiyhteyksillä, mutta nykyään lähes poikkeuksetta LAN-verkolla ja laajakaistatekniikalla, jotka tarjoavat luotettavan yhteyden. Yhteyden katketessa valvomo-pc:lle ei saada tietoa prosessin toiminnasta, mutta alakeskukset toimivat kuitenkin paikallisesti niihin ladattujen ohjelmien mukaisesti. [3. s. 94.] Automaatiotaso Automaatiotasoon liittyy automaatiojärjestelmän äly, eli toimintaa ohjaavat valvonta-alakeskukset. Alakeskukset pitävät sisällään ohjelmat, joiden mukaan laitteisto toimii.

13 7 Alakeskuksessa voi olla kompakti kiinteäpisteinen prosessori tai modulaarinen I/O-moduuleita sisältävä yksikkö. I/O-pisteiden avulla saadaan tietoa mittausarvoista, sekä säädetään ja ohjataan laitteiden toimintaa. Alakeskukset toimivat paikallisesti itsenäisinä yksikköinä, jolloin yhteyden katketessa valvomoon niiden toiminta jatkuu. Alakeskus on väylätekniikan avulla yhteydessä valvomoon ja toisiin alakeskuksiin. [3. s ] Kenttätaso Kenttätaso sisältää laitteiston toimintaa ohjaavat toimilaitteet ja toimintaa tarkkailevat anturit (kuva 2). Antureilla välitetään tietoa prosessin tilasta reaaliaikaisesti. Esimerkiksi lämpötilasta, jonka mukaan alakeskuksessa oleva prosessori ohjaa toimilaitteiden toimintaa ohjelman mukaisesti niin, että lämpötila pysyy asetusarvossa. Kuva 2 Antureiden mittauksia rakennusautomaatio. [5.] Kenttäväylän avulla kenttätasolle on voitu myös hajauttaa I/O-moduuleita moduulikoteloon tai itsenäisiä säätimiä. Itsenäisiä säätimiä voivat olla esimerkiksi omat huonesäätimet tai IV-koneiden, lämmönvaihtimien ja jäähdytyskojeiden pakettiratkaisuihin integroidut säätimet. Käytetyn kenttäväylästandardin valinta riippuu sovelluksesta, laitteista, asiakkaasta ja urakoitsijasta. 2.2 Hyödyt Rakennusautomaatiolla voidaan saavuttaa monenlaisia hyötyjä. Suurimmaksi osaksi keskitytään viihtyvyyteen, kustannustehokkuuteen ja energiansäästöön. Muita mahdollisia osa-alueita on esimerkiksi turvallisuuden parantaminen. [6.]

14 8 Rakennusautomaatiolla voidaan parantaa energiatehokkuutta suunnittelemalla prosessi niin, että energian käyttö optimoituu. Laitteiden toimintaa ja tehoa voidaan ohjata käyttötarpeen mukaan. Automaatiojärjestelmä myös valvoo ja hälyttää, jolloin vika-aika ja sen myötä energiahukka pienenee. Automaation avulla saadaan myös informaatiota, jonka mukaan rakennuksen toimintaa voidaan kehittää ja parantaa. Väärin toimiviin kohteisiin pystytään puuttumaan. Trendikäyrillä voidaan seurata tietyllä aikavälillä laitteiden tai mittausarvojen kehitystä, jolloin voidaan tarkkailla poikkeavuuksia ja puuttua niihin. [3. s ] Sähkön kulutuksen ja lämmityksen optimoinnin kautta syntyvien energiasäästöjen lisäksi rakennusautomaatiolla voidaan optimoida muutakin käyttöä, kuten vaikka veden kulutusta. Automaation avulla rakennuksien huolto on myös tehokkaampaa ja vikojen paikannus nopeampaa, mikä johtaa laitteiden pidempään elinikään, jolloin syntyy säästöjä. Automaatioon panostamalla kiinteistön viihtyvyyskin paranee. Se lisää samalla turvallisuutta ja työympäristön laatua, jolloin tuottavuus kasvaa ja sairauspoissaolot pienenevät. [6.] 2.3 Saneeraus Rakennusautomaatiosaneerauksella tarkoitetaan ennestään olemassa olevan automaatiojärjestelmän uusimista, osittaista uusimista tai laajennusta. Insinöörityössä toteutettu modernisointiprojekti oli järjestelmän osittainen uusiminen. Yleisiä syitä saneerauksen toteutukseen ovat rakennusautomaation toiminnan ja energiatehokkuuden parantaminen eli kustannussäästöt. Automaatiojärjestelmä saattaa myös olla niin vanhentunut, että uusiminen on ajankohtaista, vaikka järjestelmä toimisikin ilman suurempia ongelmia. Insinöörityön projekti toteutettiin, koska vanhan Visonik-järjestelmän tuotetuki on loppunut. Ennen saneerausta on hyvä tehdä tarvekartoitus, jossa selvitetään projektin lähtötiedot. Tarvekartoituksessa tulisi kiinnittää huomiota erityisesti asioihin, jotka liittyvät rakennusautomaatiosaneerauksen suoritukseen, kuten siihen, missä kunnossa toimilaitteet ja anturit ovat, pystytäänkö vanhaa kaapelointia hyödyntämään ja pitävätkö vanhat suunnitelmat/asiakirjat paikkansa. Saneerauksen haaste uudiskohteeseen verrattuna on myös,

15 9 että kiinteistö on yleensä käytössä urakan ajan, jolloin rakennusautomaation ohjaamien prosessien täytyy pysyä käynnissä muutostöiden aikana. [7;3. s ]

16 10 3 Laitteisto ja ohjelmistot Insinöörityöntyössä automaatiotason laitteisto uusittiin tukemaan uudempaa Desigo-järjestelmää. Vanhan prosessorin ja moduulien tilalle vaihdettiin uuden sukupolven PX-sarjan laitteet. Kenttälaitteiden osalta vanhat toimilaitteet ja anturit jäivät paikoilleen. Työssä ei käsitellä tarkemmin vanhoja kenttälaitteita ja niiden teknisiä ominaisuuksia, koska kenttälaitteistoa ei uusittu. Saneerauksessa lisättiin myös alakeskuksen alaiseksi kaksi asiakkaan hankkimaa virtausanturia typpi- ja hiilidioksidiputkiston mittauksiin. 3.1 Automaatiolaitteet Projektin oleellisen osa oli uusia automaatiotason laitteisto, jotta päivitys uudempaan Desigo-ohjelmistoon pystyttiin tekemään. Alakeskuksen sisältämän pistemäärän mukaan uudeksi automaatioyksiköksi oli mitoitettu modulaarinen PXC-200E.D. Vanhat moduulit päivitettiin myös PX-sarjaa tukeviin TX-I/O-moduuleihin, jotta asiakas sai vanhat PTM-moduulit varaosiksi käytössä oleville Visonik-alakeskuksille. Lisäksi tarvittiin erillinen TXI2.Open-moduuli Modbus-antureiden integrointiin automaatioyksikköön PXC200 E.D PXC200 E.D on Siemensin Desigo PX-sarjaan kuuluva modulaarinen rakennusautomaatioon suunniteltu automaatioyksikkö (kuva 3). Yksikkö on mitoitettu yli 200 pisteelle. Maksimi pistemääräksi on ilmoitettu 500, mutta prosessori alkaa hidastua jo ennen sen saavuttamista ja toiminta kärsiä. Manuaalissa on ilmoitettu vasteajan pysyvän 2 3 sekunnissa 350 pisteeseen saakka, joka on sallittavan rajoissa. I/O-pisteet liitetään yksikköön moduulien kautta. Prosessori on vapaasti ohjelmoitavissa. Siihen on myös integroitu helppokäyttöisiä valvomotoimintoja, kuten hälytysten käsittely, aikaohjelmat, trenditoiminnot, kaukokäyttötoiminto ja pääsysuojaus verkkoon. Pääsysuojaus sisältää yksilöllisesti määriteltävät käyttäjäprofiilit ja -luokat. [8.] Sähkökatkojen varalle PXC-yksikköjen muisti on suojattu ylimääräisellä paristolla, jonka ansiota laite ei ole ikinä täysin virraton. Pariston vähäisestä virrasta, yhteyskatkosta tai prosessorin viasta on ilmoittavat LED-valot. Prosessori on suunniteltu helposti liitettäväksi DIN-kiskoon.

17 11 Tiedonsiirto tapahtuu perustuen BACnet-kommunikointiprotokollaan, käyttäen joko Lon- Talk, PTP- tai IP-kommunikointia. Automaatioyksikköä on mahdollista käyttää myös paikallisella PXM20-käyttöpäätteellä. [9.] Kuva 3 PX-sarjan prosessori TX-I/O-moduulit TX-I/O-moduulit ovat modulaarinen laajennus prosessorin I/O:lle. Moduuleilla voidaan suorittaa A/D- tai D/A-muunnoksia, signaalien välittämistä, pisteiden tarkkailua ja lähtösignaalien ohjaamista. Moduulit toimivat Island bus -väylässä ja tarvitsevat yksilökohtaiset osoitteet, jotka määritetään mekaanisesti osoitetikun avulla. Island bus on tietoliikenneväylä automaatioyksikölle (master) ja yhdistetyille TX-I/O-moduuleille. Väylä kuljettaa käyttöjännitteen moduuleille ja kenttälaitteille. Insinöörityön projektissa käytetyt moduulit olivat seuraavat: TXS1.12F10 Jännitteensyöttömoduuli 24VDC kehittämiseen moduuleille ja kenttälaitteille, sekä väyläviestin välittämiseen [10.]. TXM1.8U Yleismoduuli kahdeksalla universaalilla I/O-pisteellä, jotka voidaan konfiguroida 0 10V analogialähdöksi/tuloksi tai digitaalituloksi pitokosketin-, pulssi- tai laskurikäyttöön. Digitaalituloja käytetään tilaviestin välittämiseen. Pitokosketinkäytössä koskettimet ovat normaalisti auki. Tilaviesti hankitaan jännitteettömistä koskettimista. Tilaviestin voivat laukaista esimerkiksi termostaatit, painekytkimet, painonapit, tilakoskettimet, transistorit ja optoeristimet. Analogista tuloa voidaan käyttää myös vastusmittaukseen lämpötilalle. [11.]

18 12 TXM1.16D 16 digitaali tuloa sisältävä moduuli. Konfiguroitavissa yksitellen tilaviestejä, tilapulsseja ja laskentapulsseja varten [12.]. TXM1.6R DO-ohjausmoduuli kuudella relelähdöllä, jotka ovat konfiguroitavissa yksilöllisesti pito- tai pulssikoskettimiksi [13.]. TXM1.8X Virtaviestillinen yleismoduuli 8 universaalilla I/O-pisteellä. TXM1.8U-moduulin ominaisuuksien lisäksi mahdollisuus myös virtaviestille. [14.] TXI2.OPEN TXI2.OPEN-moduulilla pystytään integroimaan kolmannen osapuolen laitteita Siemensin Desigo-automaatiojärjestelmään (Desigo versio 4 tai uudempi). Laitteen kapasiteetti on 160 tietopistettä. Moduuli toimii 24VDC -jännitteellä, joka saadaan moduulien Islandbus-väylästä. Liitäntänä toimii RS232/RS485 moduulin ja laitteiden välillä. Valmiina on soveltuvuus seuraaville järjestelmille: Modbus Mbus USS (SED2, G120P) Grundfos Danfoss WILO. Moduulin konfigurointiin käytetään TX Open Tool -ohjelmaa. TX Open Tool pystytään yhdistämään moduuliin RJ45-liittimen kautta Ethernetilla. [15.] 3.2 Kenttälaitteet Kenttälaitteilla ohjataan, mitataan ja tarkkaillaan prosessin toimintaa. Projektissa ei uusittu vanhoja kenttälaitteita. Projektin kenttälaitteet liittyivät pääosin ilmanvaihtoon. Kenttälaitteita olivat lämpötila-, paine- ja paine-eroanturit, sekä venttiilimoottorit. Vanhojen

19 13 toimintaan jääneiden kenttälaitteiden tutkiminen ja tekniset ominaisuudet rajattiin aihealueen ulkopuolelle. Uusina kenttälaitteina alakeskukseen liitettiin kaksi kappaletta virtausantureita typpi- ja hiilidioksidiputkiston virtauksen, paineen ja lämpötilan tarkkailuun VPFlowscope in-line Flowscope in-line on VP Instrumentsin valmistama virtausanturi virtauksen, lämpötilan ja paineen samanaikaiseen mittaukseen. Mittari kommunikoi Modbusin välityksellä. Mittareista haluttiin kaikki kolme tietoa virtaus, lämpötila ja paine. Kaikkien parametrien päivitysväli on sekunti, jonka aikana otetaan useita näytteitä. Mittari toimii 12 24VDC - jännitteellä. [16.] Virtaus Virtauksen mittaus tapahtuu lämpömassavirtausanturilla, jossa ei ole suoraa ohivirtausta, mikä vähentää herkkyyttä lialle ja partikkeleille. Anturi on suoraan lämpötilakompensoitu. Mittaus perustuu kolmeen pisteeseen, joista keskimmäinen on lämpiävä elementti ja kaksi muuta mittaavia sensoreita. Sensoreiden lämpötila riippuu virtausmassasta, jolloin virtausnopeus saadaan selville. Kuvassa neljä on esitetty virtausanturin toiminta. [16.] Kuva 4 Virtauksen mittaustoiminta. [16.]

20 14 Paine Mittarissa on sisäänrakennettu paineanturi, jonka toiminta-alue on 0 16 baria. Signaali ilmoitetaan 16 bitissä ja käytännölliseksi resoluutioksi paineelle on ilmoitettu 0,24 baria. [16.] Lämpötila Sisäänrakennettu lämpötila-anturi on tarkoitettu paineilman tai kaasun mittaukseen vakaassa ympäristössä, jossa ei ole nopeita tai suuria lämpötilan muutoksia. Lämpötilaanturi on sijoitettu erilliseen osaan nopean vasteajan ja vähäisen lämpiämisen takaamiseksi. Signaali on 16 bitissä. [16.] 3.3 Ohjelmisto Desigo Xworks Plus Desigo Xworks Plus on Siemensin työkalu rakennusautomaatiojärjestelmän suunnitteluun, käyttöönottoon ja huoltoon (kuva 5). Ohjelman rakenne muodostuu seuraavista osioista: NW Configurator Verkko- ja BACnet-asetusten ja rakenteen määrittelyyn. Point Configurator Järjestelmän ja pisteiden määrittelemiseen. CFC Ohjelmointiin ja konfigurointiin. Hierarchy Viewer Projektin rakenteen tarkasteluun. Report Viewer Dokumentointiin. Point Test I/O-pisteiden testaamiseen. ABT Työkalu huoneautomaation toteutukseen.

21 15 Kuva 5 Xworks Plusin aloitusnäkymä. Ohjelman kautta tapahtuu myös liityntä prosessoriin ja ohjelman lataus. Ohjelmointiin käytetään D-MAP (Desigo Modular Application Programming) ohjelmointikieltä, joka muistuttaa FBD-ohjelmointia (kuva 6). Ohjelmointikieli on optimoitu rakennusautomaatioon ja perustuu ohjelmoitavien logiikoiden standardiin IEC Xworks-ohjelmisto pitää sisällään kirjastoja, joihin on kehitetty valmiita ratkaisuja rakennusautomaatiototeutuksiin. [17.] Kuva 6 D-MAP -ohjelmointikieli. Näkymä CFC-työkalusta.

22 TX Open Tool TX Open Tool on erillinen ohjelma TX Open-moduulien konfigurointiin (kuva 7). Ohjelmalla on mahdollista määritellä moduulin kommunikointiasetukset ja osoite niin, että se saadaan keskustelemaan kolmannen osapuolen laitteiden ja automaatioyksikön välillä. Kuva 7 TX Open Tool -ohjelmanäkymä.

23 Desigo Insight Desigo Insight on valvomo-ohjelmisto rakennusautomaation hallintotasolle prosessin tarkkailuun ja hallintaan. Ohjelmiston toiminta perustuu useisiin standarditekniikoihin, kuten Windows -käyttöjärjestelmiin, SQL- ja MSDE-tietokantoihin ja Citect SCADA-laitosgrafiikkaohjelmistoon (kuva 8). [18.] Kuva 8 Valvomo-ohjelmiston rakenne. [18.] Desigo Insightia on mahdollista käyttää paikallisesti, etänä tai selainpohjaisesti. Perusominaisuuksina ohjelma pitää sisällään järjestelmäselaimen, hälytysnäytön, hälytyksien reitityksen ja aikaohjelmatoiminnot. Lisäominaisuuksina on mahdollista hankkia graafinen käyttöliittymä, trendiseuranta, tapahtumahistoria ja raportointiominaisuudet. [19.]

24 18 4 Tiedonsiirtoprotokollat 4.1 BACnet BACnet (Building Automation and Control network) on avoin ja jatkuvasti kehitettävä kommunikointiprotokolla rakennusautomaatioon. ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineering) kehittää protokollaa, ja näin ollen se on täysin laitevalmistajista riippumaton. Protokolla on kehitetty vuonna 1987 ja ollut ISO-standardi vuodesta 2003 lähtien. BACnet:n tarkoitus on yhdistää eri järjestelmien ja laitteiden toimivuus kiinteistön automaatio- ja ohjaussovelluksissa. BACnet-standardissa on määritelty laitteille profiilit toiminnan mukaan. Laiteprofiililla määritetään, kuinka paljon laitteen tarvitsee ymmärtää BACnet -protokollaa. Laitteen tarvitsee ymmärtää vain se osa protokollasta, joka on sen toiminnalle oleellista. Profiili kertoo myös, minkä tyyppinen laite on kyseessä, sekä määrittää mitä ominaisuuksia valmistajan on implementoitava laitteeseen. Jokaisella BACnet -laitteella on myös oma laitenumero, jonka täytyy olla konfiguroitavissa. Laitenumeron täytyy olla ainutlaatuinen siinä BACnet -verkossa, johon laite on asennettu. BACnet-standardissa on määritelty yhteensä seitsemän verkkotyyppiä viestien kuljettamiseen. Verkkotyypillä ei ole merkitystä BACnet-viestin sisällölle, vaan viesti on sama verkkotyypistä riippumatta. Useita verkkotyyppejä voidaan yhdistää toisiinsa BACnet reitittimen avulla. Projektissa käytetään BACnet/IP-verkkotyyppiä, joka on yleinen vaihtoehto valmiina olevien Ethernet-infrastruktuurien kanssa. Tyyppi on kallein, mutta myös tehokas ja nopea. BACnet / IP käyttää UDP/IP -yhteensopivuutta olemassa olevan IPinfrastruktuurin kanssa. Loput tuetut verkkotyypit ovat: MS/TP, Ethernet, ARCNET, Point-to-Point, LonTalk ja ZigBee. MS/TP (master-slave / Token Passing) Master-slave -tyyppinen lähiverkko, joka käyttää EIA-485 -parikaapelia viestin kuljettamiseen. Ms-toimintaa on selvitetty lisää Modbus -kappaleessa. Se on suosituin verkkotyyppi lähiverkkoon, sekä halvin toteuttaa.

25 19 Ethernet BACnet -protokollaa voidaan käyttää suoraan ISO Ethernet -verkkojen kanssa. Tyyppi on verrannollinen IP-verkkotyyppiin nopeuden ja kustannusten suhteen, mutta se rajoittuu kuitenkin yhteen infrastruktuuriin, joka ei käytä IP-reitittimiä. ARCNET Tyypillä on kaksi muotoa, jotka ovat 2.5mbs koaksiaalilla tai 156kbs EIA-485:lla. 156Kmuodolla on kohtuullinen suorituskyvyn parannus pienellä hinta-erolla verrattuna MS/TP -tyyppiin. Rajoitettu määrä tuottajia tukee ARCNET-tyyppiä. Point-to-Point Tyyppiä käytetään puhelinverkkojen kautta. Tyyppiä ei useimmiten enää käytetä Ethernetin yleistymisen takia. LonTalk LonTalk on oma tiedonsiirtoprotokollansa, joka ei ole suoraan yhteensopiva BACnet - protokollan kanssa. LonTalkin kuljetusosaa voidaan kuitenkin käyttää tiedonsiirtotyyppinä BACnet -viestien kuljettamiseen. ZigBee Tiedonsiirtotyyppi langattomaan verkkoon. Käytetään useimmiten edullisten laitteiden kanssa. Toimii yleensä yhdyskäytävänä ZigBee-laitteiden kanssa, eikä natiivina BACnet -viestien välittäjänä. Erilaisia verkkotyyppejä käytetään erilaisiin ratkaisuihin ja erilaisille laitteille. Laitteita on olemassa runsaasti, sekä useita eri valmistajia, mistä johtuen niistä pidetään kirjaa ja niitä testataan. Vuodesta 2000 asti on toiminut BACnet yhteisön luoma voittoa tavoittelematon järjestö BACnet Testing Laboratories (BTL). Järjestö käsittelee laitteiden yhteensopivuutta ja pitää yllä listaa BACnet -laitteiden valmistajista sekä tuotteista. BTL myöntää merkin laitteille, jotka on testattu ASHRAE-standardin mukaan.

26 20 Hyväksytyistä laitteista pidetään listaa BTL:n internetsivuilla ja se on avoimessa käytössä kaikille. [24.] 4.2 Modbus Modbus on Modiconin eli nykyisen Schneider Electricsin vuonna 1979 kehittämä tiedonsiirtoprotokolla. Modbus on teollisuuden laajimmin käytetty verkkoprotokolla, ja siitä on kehittynyt ns. yleinen standardi teollisuudessa. Modbusia käytetään teollisuuden lisäksi myös rakennus-, infrastruktuuri-, kuljetus ja energia alalla. Protokollaa käytetään luomaan master-slave- tai client-server -yhteyksiä laitteiden välille. Tiedonsiirto perustuu pyyntö-vastaustoimintaan, jossa master-laite aloittaa kommunikoinnin slave-laitteen kanssa, joka vastaa pyydetyn tiedon. Jos slave-laite havaitsee virheen vastaanotetussa viestissä tai ei pysty suorittamaan komentoa, se välittää virheviestin takaisin isännälle. Toiminnot on määritelty toimintakoodeilla, jotka ovat osa pyyntö-vastauskommunikoinnin yksittäistä informaatioyksikköä eli PDU:ta. Modbusin määrittämä PDU on riippumaton muista tietoliikennekerroksista. Modbus -kommunikointi voidaan toteuttaa tällä hetkellä TCP/IP:llä Ethernetin kautta, synkronisella sarjaliikenteellä usealla eri materiaalilla tai Modbus Plussalla (kuva 9). Kuva 9 Modbus -kommunikointi. [25.] Protokollan sarjaliikenteessä on kaksi tilamahdollisuutta RTU ja ASCII. Projektissa virtausantureiden kanssa kommunikointiin käytettiin RTU -tilaa. RTU-tilassa jokainen viestin 8-bittinen tavu sisältää kaksi 4-bittistä heksadesimaalimerkkiä. ASCIIn verrattuna etuna on suurempi merkkitiheys, joka sallii paremman tiedonsiirtotehon samalla

27 21 tiedonsiirtonopeudella. Sarjaliikennekommunikointia käytettäessä täytyy määrittää myös tiedonsiirtoparametrit sarjaportille kuten BaudRate ja pariteettitila. [25.]

28 22 5 Projektin toteutus Projekti tehtiin Siemens Osakeyhtiön Building Technologies -osastolle palkallisena. Projektin toteutus aloitettiin aloituspalaverilla projektipäällikön kanssa, missä hyväksyttytarjous ja keskeisimmät asiat projektista käytiin läpi. Tarjous piti sisällään vanhan alakeskuksen modernisoinnin, yksikkösäätimellä toimineen ilmanvaihtokoneen siirtämisen alakeskuksen I/O-pisteisiin ja Modbus -virtausantureiden integroinnin alakeskukseen. 5.1 Suunnittelu Toteutuksen suunnittelu aloitettiin perehtymällä olemassa olevaan materiaaliin ja sen paikkansa pitävyyteen. Projektista oli olemassa laiteluettelo tarvittavista laitteista, laskentapistelista (Kuva 10), vanhan ohjelman pisteraportti ja sen mukaan tehdyt uudet kytkentäkuvat. Kuva 10 Alakeskukseen lasketut pisteet. Vanhasta pisteraportista oli mahdollista selvittää alakeskuksen sisältämät ohjelmat ja niiden toiminta. Alakeskus sisälsi neljän ilmanvaihtokoneen ohjelmat, sekä erillisiä hälytys- ja valaistuspisteitä.

29 23 Suunnittelua ja kohteeseen perehtymistä helpotti olemassa oleva etäyhteys kiinteistövalvomoon. Ilmanvaihtokoneista ei ollut säätökaavioita ja toimintaselostuksia. Etäyhteyden avulla oli mahdollista tutkia ilmanvaihtokoneiden toimintaa grafiikkakuvista (kuva 11). Grafiikka ja pisteraportti sisälsivät tarpeeksi tietoa ohjelmoinnin toteuttamiseksi. Koneista taltioitiin grafiikka, asetusarvot ja aikaohjelma ennen saneerauksen aloittamista, jotta asetukset saatiin säädettyä samoiksi saneerauksen jälkeen. Kuva 11 IV-kone ja asetusarvot grafiikalta ennen saneerausta. Suunnitteluvaiheeseen kuului myös kohdekäynti asiakkaan luona ulkopuolisen sähköasentajan kanssa. Kohdekäynnillä tarkastettiin alakeskus, kytkentäkuvat ja IV-koneet, niin että projektin toteutuksesta olisi selkeä kuva. Kytkentäkuvista pystyttiin karsimaan pois osa pisteistä, joita ei enää ollut olemassa. Paikalla selvisi myös, että yhden IV-koneen moduulit oli hajautettu kentälle moduulikoteloon. Moduulikotelo ja koneen I/O-pisteet täytyi huomioida ohjelmoinnissa sekä kytkentäkuvissa. 5.2 Ohjelmointi ja toiminta Ohjelmointi toteutettiin Xworks Plus -ohjelmistolla. Vanhasta Visonik -järjestelmästä ei ole mahdollista kääntää vanhaa ohjelmaa suoraan Desigo Xworksiin, joten ohjelmat täytyi tehdä täysin uudestaan. Desigossa on joissain tapauksissa mahdollista kääntää vanhempi ohjelmistoversio uudempaan, jolloin ohjelmointia ei tarvitse tehdä täysin alusta. Toteutus aloitettiin luomalla uusi automaatioasema asiakkaan projektin alle ja määrittelemällä sille prosessori (PXC200 E.D), versio (v5.1) ja yhteysasetukset Network

30 24 Configuratorissa. Automaatioaseman ja asetusten määrittelyn jälkeen oli mahdollista aloittaa ohjelmointi laitteistolle CFC:ssä. Ohjelmaversiolle löytyy siihen sopiva FI17-kirjasto, josta löytyy valmiita ratkaisuja rakennusautomaatiototeutuksiin. Kirjastoa pystyttiin hyödyntämään ohjelmoinnissa. Valmista ohjelmaa on mahdollista simuloida ohjelmiston kautta ennen käyttöönottoa. Simuloinnissa antureille voidaan määrittää arvoja ja näin testata, toimiiko ohjelma vaatimusten mukaisesti. Simuloinnilla voidaan karsia kriittisimmät virheet pois ohjelmasta. Ohjelmistosta pystytään myös ajamaan Report Viewer - sovelluksella erilaisia raportteja. Useimmiten ohjelmista otetaan pisteraportti, sillä siitä nähdään helposti mitä automaatioyksikkö pitää sisällään sekä laitteiden I/O-osoitteet. Tehdystä ohjelmistosta ajettiin myöskin pisteraportti (liite 2) IV-koneet Alakeskus piti sisällään neljän ilmanvaihtokoneen ohjelmat. Ilmanvaihtokoneista yksi oli taajuusmuuttajalla toimiva jatkuvasäätöinen kone, kaksi kaksinopeuskonetta ja yksi yksinopeuskone. Taajuusmuuttajalla toimivan koneen nopeuden säätyminen perustuu kanavapaineen mittaukseen. Projektin ilmanvaihtokoneiden osia ovat tulo- ja poistopelti, suodattimet, paine- ja lämpötila-anturit, puhaltimet, lämmityspatteri ja lämmöntalteenotto. IV-koneiden toiminnalle on määritelty erilaisia tiloja erilaisiin olosuhteisiin. Ilmanvaihtokoneen tilan valinta tapahtuu ohjelmassa ENSEL_MS valintakytkimen avulla, johon on määritelty IV-koneelle halutut toiminnat eri tilanteissa (kuva 12). Lohkon tärkeysjärjestys on pienemmästä luvusta suurimpaan, jolloin useamman tilan ollessa aktiivisena pienempi tila on voimassa. Valintakytkimeltä välitetään tilatieto CMD_CTL -laitosohjaus lohkolle, jossa on määritelty eri laitteiden ohjausarvot tilan mukaan. Esimerkiksi jäätymisvaaratilassa estetään lämmityspatterin jäätyminen, jolloin lohkossa on määriteltypeltien menevän kiinni, puhaltimien pysähtyvän, lämmityspatterin venttiilin aukeavan ja lämmöntalteenoton käynnistyvän.

31 25 Kuva 12 ENSEL_MS valintakytkin ja CMD_CTL laitosohjaus. Puhaltimet Puhaltimien ohjaus tapahtuu aikaohjelman mukaan, joka on määritelty erillisessä aikaohjelma-msched -lohkossa. Lohkossa voidaan määritellä viikko-ohjelma ja/tai erikoispäiviä, joiden mukaan kone on käynnissä ja millä teholla. Lohkosta välittyy tieto valintakytkimelle. Puhaltimen oma lohko pitää sisällään ohjauslohkon, indikoinnit, ristiriitahälytyksen, häiriöt ja tilatiedon. Puhaltimen käyntitiedosta on otettu lupa suodattimien paine-eromittauksen hälytyksien sallimiselle, jotta paine-eroanturit eivät hälyttäisi puhaltimien ollessa pysähdyksissä.

32 26 Lämmityspatteri Lämmityspatterilla säädetään tuloilman lämpötilaa. Lämmityspatterissa virtaa kuumaa vettä, joka lämmittää tulokanavan ilmaa. Ilman lämpötilaa saadaan säädettyä veden virtauksella, jota ohjaa lämmitysventtiili. [20. s ] Lämmityspatterin toimintaa ohjataan kanavan lämpötilan mukaan. Venttiilin ohjauksen toteutukseen on käytetty kaskadi- ja PI- säädintä. Kaskadisäädintä on käytetty määrittämään asetusarvot lämmityspatterin ja lämmöntalteenoton PI-säätimille. Lämmityspatterin lohko (kuva 13) pitää sisällään pumpun indikoinnin, lämpötilasäätimen, lämmitysventtiilin ohjauksen ja jäätymissuojan toiminnan. Jäätymissuojaa käytetään estämään patterin jäätyminen talvella vikatilanteessa. Jäätymissuoja avaa lämmitysventtiilin täysin auki, ja se on toteutettu ohjelmallisesti sekä fyysisesti. Lämmöntalteenotto Projektin ilmanvaihtokoneissa on vesiglykolipattereilla toteutettu lämmöntalteenotto, joka useimmiten lyhennetään LTO:ksi. LTO:n toiminta perustuu poistoilman liikkumiseen talteenottopatterin läpi, jolloin lämpö siirtyy vesiglykoliseokseen. Seos siirtyy säätöventtiilin kautta talteenottopatteriin, joka lämmittää tuloilmaa. Lämmöntalteenotolla säästetään poistoilman lämmön mukana hukattua energiaa, kun lämpö siirretään takaisin tulokanavaan. [20. s. 111] Myös LTO:n toiminnan säätöön käytetään kaskadi- ja PI-säädintä. Lämmöntalteenoton lohko (kuva 13) pitää sisällään säätimiä, huurteeneston, häiriöt, painevahdin sekä venttiilin ja pumpun ohjauksen. Huurteen estoa ehkä tarvitaan tilanteessa, jossa poistoilma on kosteaa ja tuloilma kylmää, jolloin kosteus tiivistyy LTO-patterin seinämiin, mikä johtaa patterin huurtumiseen. Huurtuminen aiheuttaa painevahdin hälytyksen paineen kasvaessa, jolloin huurteenesto käynnistyy ja LTO poistuu käytöstä. [20. s. 112]

33 27 Kuva 13 Lämmityspatteri ja LTO-lohkot Säätimet Ohjelmassa on käytetty säädön toteutukseen PI- ja kaskadi- säätimiä LTO:n ja lämmityspatterin säätämiseen. Erosuureen muutosnopeuden huomioiva D-osa on jätetty säädöstä pois. PI-säädin PI-säädössä (Proportional plus Integral controller) yhdistetään P- ja I-säätö. P-säätö perustuu välittömään lähdön muutokseen, kun mittaus- tai asetusarvo muuttuu. Pelkässä P-säädössä jää pysyvää säätöpoikkeamaa, siksi tarvitaan I-säätöä kompensoimaan sitä. I-säätö muuttaa lähtöä niin kauan, että poikkeama poistuu. PI-säädöllä pystytään toteuttamaan ohjelman säätäminen tarpeeksi tarkasti. Askelvasteella (Kuva 14) pystytään kuvaamaan säätimen toimintaa helpommin.

34 28 Kuva 14 PI-säätimen askelvasteet, jossa; S = Asetusarvo M = Mittausarvo O = Lähtöviesti k = Vahvistus Ti = Integrointiaika. Kaskadisäädin Kaskadikytkennässä on useita ohjaussuureita ja yksi säädettävä suure. Suureen ohjaus säädetään siis toisen suureen kautta. Kaskadipiiri muodostuu sisäkkäisistä säätösilmukoista. Kaskadilla pyritään poistamaan häiriöt, jotka vaikuttavat sisempään piiriin ennen kuin ne ehtivät vaikuttaa prosessiin. [21.] Ohjelmassa kaskadilohkoa käytetään referenssiohjauksena sisäänpuhallusilman lämpötilalle. Lohkon tehtävänä on ohjata ulkoisen ohjauspiirin (PI-säädin) muuttujaa arvoon tietyllä välillä. Tätä varten lohko määrittää kolme ulostuloa SpLoSu, SpErcSu ja SpHiSu, joita sisäinen ohjauspiiri ohjaa (kuva 15). Edellä mainitut termit ovat asetusarvoja pääsäätimelle. [22.]

35 29 Kuva 15 Kaskadi lohkon sisäinen ohjauspiiri VPFlowscope -virtausanturit Valvonta-alakeskukseen lisätyt virtausanturit kommunikoivat Modbusin välityksellä, joten niille täytyi ensin määrittää kommunikointiasetukset. Kommunikointiasetusten määrittely tapahtui TX Open Tool työkalun avulla, jota käytetiin myös asetusten lataamiseen TXI2.Open -moduuliin. Virtausantureiden oletuskommunikointiasetukset saatiin antureiden manuaalista. Oletusasetukset olivat BaudRate 38400, No parity, pituus 8, stop bitti 1, väylätyyppi RS485 ja siirtotapa RTU. Bittien luku tapahtui käänteisessä järjestyksessä. Manuaalista löytyi myös Modbus -rekisterikartta, jonka avulla pystyttiin määrittämään haluttujen mittausarvojen rekisteriosoitteet niiden lukemista varten. Rekisterissä ei ollut paikkaa laitteen Modbus-osoitteen muuttamiseksi. Mittareissa on oletuksena sama osoite, mistä johtuen toisen mittarin osoite täytyy muuttaa. Anturin mallissa ei ole muuta liityntää asetusten muuttamiseksi kuin erillinen JB5 -liitin, jonka avulla pystytään yhdistämään tietokone mittariin. Asiakas konfiguroi itse kevään aikana toiseen mittariin uuden osoitteen JB5 -liittimen ja VP Instrumentsin ohjelmiston kautta. Yhteysasetusten ollessa kunnossa toisessa mittarissa tiedot paine, virtaus ja lämpötila pystyttiin lukemaan ohjelmaan. Virtaus liitettiin magneettiventtiilin ohjaukseen, joka sulkee linjan ja aiheuttaa hälytyksen virtauksen kasvaessa liian suureksi.

36 Muut pisteet Loput pisteet olivat hälytyksiä sekä muutama valaistuspiste. Hälytyspisteet olivat erillisiä yksittäisiä hälytyksiä, joiden tarkoitus on ilmoittaa ainoastaan, hälyttääkö laite. Valaistuspisteet olivat ulkovalaistuksen ohjaukseen. Ulkovalaistuksen ohjaus toteutettiin valoisuuden lux-mittauksen perusteella päälle- ja poisrajalla. Valaistus kytkeytyy päälle 150 luxissa ja pois päältä valoisuuden noustua yli 300 luxin. Rajoiksi määriteltiin vanhat arvot. Raja-arvojen muuttaminen tehtiin mahdolliseksi myös valvomon grafiikalta. 5.3 Grafiikka Grafiikkakuvat täytyi myös päivittää valvomon Plant Viewer -sovellukseen modernisoinnin yhteydessä. Plant Viewerin toiminta perustuu Schneider Electric -yhtiön SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) -ohjelmistoon. SCADA -järjestelmä on kehitetty pääasiassa prosessiteollisuuteen, minkä takia on kehitetty erillinen Plant Viewer Standard, joka tekee SCADA:n liittämisen rakennusautomaatioon käytännöllisemmäksi. [23. s.11] Grafiikan piirto tapahtui valvomon SCADA Citect -ohjelmalla. Piirtäminen oli mahdollista etäyhteydellä. Ennen piirtämisen aloittamista Xworks -projektista täytyi ottaa projektitiedot eli export tiedostot, ja tuoda ne Insightiin, jotta uudet ohjelmat ja pisteet saatiin näkymään valvomoon. Tiedostot täytyi tallentaa valvomoon projektin alle ja sen jälkeen tehdä Desigo Insightin puolella System Configuratorissa tietokantojen tuonti, missä valitaan aiemmin tallennetut tiedostot. Piirtämisessä vanhoista kuvista pystyttiin kopioimaan pohjaksi peruselementit kuten kuvapohjat ja iv-kanavat. Laitteet ja anturit täytyi hakea ohjelmistoversiota tukeviksi malleiksi. Laitteet liitettiin grafiikkaan hakemalla niille ominaiset Citect tagit Object Viewer - sovelluksesta (kuva 16). Uusien grafiikkakuvien ulkoasussa ei ollut suurta eroa verrattuna vanhoihin kuviin (kuva 17).

37 31 Kuva 16 Ohjelman liittäminen grafiikkaan. Kuva 17 Vanhan ja uuden grafiikan visuaalinen ero on hyvin pieni. 5.4 Käyttöönotto Päivitetyn ohjelmiston ja laitteiston käyttöönotto tehtiin sähköasentajan kanssa yhteistyössä. Ennen saneerauksen aloittamista vanha prosessori täytyi laittaa osv (out of service) tilaan, jotteivat pisteet hälytä sähköjen pois kytkennän jälkeen. Osv-tilan asettaminen tapahtuu valvomon kautta Desigo Insightissa. Insightissa pystytään avaamaan

38 32 DCS-keskustelu Visonik -palvelimen laitteiden kanssa. DCS-keskustelun avulla pystytään kommunikoimaan ja muuttamaan ohjelma-arvoja tekstikomennoin Visonik-järjestelmän laitteille. Lisäksi sähkönsyötöstä huolehtivista ryhmäkeskuksista täytyi laittaa manuaalisesti puhaltimien ja pumppujen sähkönsyöttö päälle purku- ja asennustöiden ajaksi. Näin taataan ilmanvaihto siksi ajaksi, kun automaatio on poissa käytöstä. Edellä mainittujen toimenpiteiden jälkeen sähköasentaja suoritti vanhan laitteiston purkutyöt ja uuden laitteiston asennukset (kuva 18). Kytkennän aikana asentaja tekee kytkentäkuviin mahdollisia muutos- ja korjausmerkintöjä, joiden mukaan saneerauksen jälkeen tehdään lopulliset kytkentäkuvat (Liite 1). Kytkentöjen jälkeen alakeskukseen kytketään sähköt takaisin päälle, ladataan prosessoriin ohjelmat ja otetaan laitteisto käyttöön. Ryhmäkeskuksista siirretään ohjaus takaisin automaation alaiseksi kone kerrallaan. Samalla tehdään koneille toimintatestaukset. Kuva 18 Vanha alakeskus, prosessori ja moduulit. 5.5 Testaus Varsinainen laitteiston testaus tehdään käyttöönoton yhteydessä. Testauksella varmistetaan, että laitteisto toimii vielä saneerauksen jälkeen oikein. Testauksessa tarkistetaan kytkentä ja ohjelmavirheet käymällä laitteisto läpi. Testaus voidaan toteuttaa Xworks -

39 33 ohjelmistossa erillisessä Point Test -työkalussa tai CFC:ssä testitilassa, jolloin arvot näkyvät ohjelmassa reaaliajassa. Ennen testausta koneet asetettiin ensin ohjelmasta käsin Seis-tilaan, jotta mahdolliset suurimmat virheet havaitaan ennen puhaltimien käynnistämistä. Testaus tapahtuu käynnistämällä ja testaamalla yksi IV-kone kerrallaan. Testaus tapahtui käytännössä puhelimen välityksellä niin, että asentaja tarkisti kenttälaitteiden toimintaa kentällä ja ohjelmoitsija koneelta ohjelman toiminnan. Asentaja kävi anturit läpi ilmoittaen arvot, joiden paikkansa pitävyyttä verrattiin ohjelman näyttämiin arvoihin. Elleivät arvot osu kohdilleen tai ohjelma ei näytä mitään, niin täytyy tarkastaa ohjelma, kytkennät, ohjelman asetukset (anturityyppi, signaalityyppi) ja muunnoskertoimet. Toimilaitteista kuten venttiilimoottoreista katsottiin, seuraako niiden säätyminen ohjelman käskyä. Ohjattavista laitteista katsottiin, käynnistyvätkö ne päälle/pois ohjauskäskystä. Lisäksi IV-koneille tehtiin toiminnalliset testaukset eli tarkastettiin, asettaako ohjelma sen haluttuun toimintaan eri tilanteissa. Esimerkiksi laukeaako jäätymissuoja paluuveden lämpötilan laskiessa alle asetusarvon ja aiheuttaako se puhaltimen pysähtymisen, sekä lämmitysventtiilin avautumisen. Testauksessa käytiin myös läpi, että laitteilta tuli ilmoitus hälytyksistä. Lisäksi katsottiin hälytyslista läpi, niin ettei laitteistolle jäänyt hälytyksiä. Kun testaus oli suoritettu, koneiden toimintaa tarkkailtiin vielä valvomosta saneerauksen jälkeen. Valvomosta pystyttiin tarkkailemaan jälkikäteen, että koneet pysyivät toiminnassa, ja säädöt toimivat. 5.6 Tulokset Projektin tuloksena syntyi onnistunut rakennusautomaatiosaneeraus. Projekti pysyi aikataulussa. Saneerauksen jälkeen automaatio toimi alakeskuksen osalta niin kuin pitikin. Toteutuksessa ei ilmennyt suuria ongelmia, mutta joitain grafiikka- ja ohjelmakorjauksia täytyi tehdä jälkeen päin. Asiakas ilmoitti yhdestä merkittävästä ongelmasta. Takapihan ulkovalot eivät toimineet saneerauksen jälkeen. Ohjelmasta puuttui lupa valaistuksen ohjaukselle. Virhe oli todella pieni ja helposti korjattavissa, mutta kiinteistön toiminnassa se näkyi heti. Valaistus korjattiin asiakkaalle tehdyn toisen pienemmän muutostyön ohessa.

40 34 Asiakkaalle projektista syntyi toimiva ja uusi alakeskus, jonka myötä automaation toiminta ja kehittäminen pystytään takaamaan jatkossakin. Asiakkaalla on voimassa myös kiinteä huoltosopimus, joka pitää sisällään palvelua 15 tuntia kuukaudessa. Huoltosopimus on hetken ajan ollut ilman tekijää. Projektin myötä huoltosopimukseen liittyvät toimenpiteet myös hoidetaan ja sopimus huomioidaan taas jatkossa sen vaatimalla tasolla. Yritykselle onnistuneen saneerauksen tuloksena toivottavasti syntyy lisää projekteja asiakkaalta. Yksi pienempi muutostyö on jo toteutettu saneerauksen jälkeen. Lisäksi yritykselle syntyi valmis Modbus -kommunikointipohja VP Instrumentsin virtausantureille. Insinöörityön teoriaosuutta voidaan myös käyttää uusien työntekijöiden tukimateriaalina.

41 35 6 Yhteenveto Rakennusautomaatiolla pyritään parantamaan energiatehokkuutta ja lisäämään käyttäjien mukavuutta. Rakennusautomaation ohjaukseen käytetään monenlaisia ja eri valmistajien automaatiojärjestelmiä. Teknologia kehittyy kovaa tahtia ja niin ikään myös rakennusautomaatiojärjestelmät, jolloin vanhat järjestelmät vaativat ajoittain korvaamisen uudemmalla versiolla. Insinöörityön tavoitteena oli toteuttaa valvonta-alakeskuksen automaatiojärjestelmän modernisointi ja kehittää tietämystä alasta sekä yrityksen laitteistosta ja ohjelmistosta. Valvonta-alakeskuksen saneeraus toteutettiin yrityksen asiakkaalle. Tavoitteet saavutettiin. Saneerauksessa vanha Visonik-järjestelmä ja siihen liittyvä automaatiolaitteisto saneerattiin onnistuneesti uuteen Desigo-järjestelmään, sekä tehtiin säätimellä toimineen ilmanvaihtokoneen ja kahden Modbus -anturin lisäys järjestelmään. Projekti piti sisällään suunnittelun, alakeskuksen ohjelmien uudelleen ohjelmoinnin, grafiikan luonnin, käyttöönoton ja testauksen. Ohjelmointi toteutettiin D-MAP -ohjelmointikielellä Xworks-ohjelmistolla. Grafiikan piirtäminen tapahtui etäyhteydellä valvomoon käyttämällä Citect-ohjelmaa. Käyttöönotto ja testaus tehtiin yhteistyössä ulkopuolisen sähköasentajan kanssa. Käyttöönotto piti sisällään laitteiston saneerauksen ja uuden ohjelmiston lataamisen keskukseen. Testauksessa tarkastettiin ohjelmiston ja laitteiden oikea toiminta. Insinöörityössä tutkittiin lisäksi projektin toteutukseen oleellisesti liittyviä aihealueita. Aihealueita olivat rakennusautomaatio, sen rakenne ja hyöty, tiedonsiirtoprotokollat, yrityksen laitteisto ja prosessin toiminta ohjelmiston kannalta. Tutkimusmateriaalina käytettiin kirjallista aineistoa, verkkodokumentteja ja yrityksen sisäistä teknistä dokumentaatiota. Tutkimusaineistoa hyödynnettiin projektin toteutuksessa, joka dokumentoitiin insinöörityöhön. Jatkokehitys Kiinteistön automaation toiminta on hyvällä tasolla, mutta sitä on mahdollista kehittää niin koko järjestelmän kuin alakeskustenkin tasolla. Kehittämistä ja parannuksia ei välttämättä haluta kuitenkaan aina tehdä kustannussyistä, jos järjestelmä toimii. Prosessia on mahdollista parantaa myös ilman uusiin laitteisiin investoimista.

42 36 Modernisoidun valvonta-alakeskuksen toimintaa on mahdollista kehittää esimerkiksi paremmalla säädöllä. Tarkemmalla säädöllä voidaan tehostaa ilmastointikoneiden toimintaa. Tarkempaan säätöön voidaan päästä prosessia seuraamalla, ja sen mukaan optimoimalla PI- ja kaskadi-säätimien arvoja, jotta saavutetaan nopea ja tarkka säätö sovellukselle. Puhaltimien pyörimisnopeuden optimointi ja energiatehokkuus onnistuisi paremmin muuttamalla alakeskuksen kaikki ilmastointikoneet taajuusmuuttajakäyttöisiksi. Alakeskuksen laitteiden ohjaus olisi myös mahdollista tehdä helpommaksi paikan päältä manuaaliominaisuuden sisältävillä moduuleilla. Manuaalimoduulit ovat muuten samanlaisia käytettyjen moduulien kanssa, mutta niissä on myös fyysiset painikkeet ohjaukseen. Itse kohteessa on vielä muitakin vanhan Visonik-järjestelmän alakeskuksia, jotka asiakkaan kannattaa uusia Desigo-järjestelmään, jotta tuotetuki ja varaosien saatavuus pystytään takaamaan. Koko järjestelmän ollessa Desigo-sarjaa olisi myös valvomo mahdollista päivittää uudempaan Desigo CC -valvomoon. Asiakkaalle tarjotaan parannusehdotuksia ja ratkaisuja, joita huomataan jatkossa huoltokäyntien yhteydessä. Loppujen lopuksi asiakas tekee päätöksen, ovatko tarjotut parannukset kustannusten arvoisia.

43 37 Lähteet 1 Siemens verkkosivut Verkkodokumentti. Luettu Suomäki, Jorma & Vepsäläinen, Sami. Talotekniikan automaatio Käyttäjän opas Kiinteistöalan Kustannus Oy. 3 Sähkötieto ry. Rakennusautomaatiojärjestelmät Espoo. Sähköinfo Oy. STkäsikirja Aalto-yliopisto Verkkodokumentti. Luettu Aalto-yliopisto Verkkodokumentti. Luentomateriaali. Luettu Suomen automaatioseura Verkkodokumentti. Luettu Fidelix Verkkodokumentti. Luettu Siemens materiaalit Tekninen esite. Dokumentti No Pdf. Luettu Siemens HIT Verkkodokumentti. mens.com/rwd/app.aspx?rc=fi&lang=fi&module=catalog&action=show- Product&KEY=BPZ%3aPXC200-E.D. Tekninen esite. Luettu Siemens HIT Verkkodokumentti. mens.com/rwd/app.aspx?rc=fi&lang=fi&module=catalog&action=show- Product&KEY=BPZ%3aTXS1.12F10. Tekninen esite. Luettu Siemens HIT Verkkodokumentti. mens.com/rwd/app.aspx?rc=fi&lang=fi&module=product&ac- TION=Search&VALUE=TXM1.8U. Tekninen esite. Luettu Siemens HIT Verkkodokumentti. mens.com/rwd/app.aspx?rc=fi&lang=fi&module=catalog&action=show- Product&KEY=BPZ%3aTXM1.16D. Tekninen esite. Luettu Siemens HIT Verkkodokumentti. mens.com/rwd/app.aspx?rc=fi&lang=fi&module=catalog&action=show- Product&KEY=BPZ%3aTXM1.6R. Tekninen esite. Luettu Siemens HIT Verkkodokumentti. mens.com/rwd/app.aspx?rc=fi&lang=fi&module=catalog&action=show- Product&KEY=BPZ%3aTXM1.8X. Tekninen esite. Luettu

44 38 15 Siemens HIT Verkkodokumentti. mens.com/rwd/app.aspx?rc=fi&lang=fi&module=catalog&action=show- Product&KEY=S55661-J120. Tekninen esite. Luettu VPInstruments Verkkodokumentti. Manuaali VPFlowScope in-line. Luettu Siemens sisäinen materiaali Pdf-dokumentti. Tekniset periaatteet Desigo Building System. Luettu Siemens käyttöohje Pdf-dokumentti. Insight Valvomon käyttöohje html. Luettu Siemens Verkkodokumentti. Luettu Pertti Värjä & Jukka-Matti Mikkola. Uusi kiinteistöautomaatio, Automaatio- ja säätötekniikkaa painos. 21 Suomen automaatioseura Verkkodokumentti. Verkkotiedosto. Luettu Xworks Plus ohjelmisto Dokumentti. Firmware block help v5.1. Desigo V5.1 Help-tiedosto. Luettu Siemens materiaali Pdf-Dokumentti. Desigo Document collection. Desigo Insight Graphics Engineering. CM Manuaali. Luettu BACnet Interest Group Europe Verkkodokumentti. Luettu Modbus Verkkodokumentti. ja Tekniset tiedot. Luettu Automaatioseura Verkkodokumentti. Teemu T Heikkilä, Rakennusautomaatiojärjestelmän suunnittelu.

45 Liite 1 1 (17) Kytkentäkuvat

46 Liite 1 2 (17)

47 Liite 1 3 (17)

48 Liite 1 4 (17)

49 Liite 1 5 (17)

50 Liite 1 6 (17)

51 Liite 1 7 (17)

52 Liite 1 8 (17)

53 Liite 1 9 (17)

54 Liite 1 10 (17)

55 Liite 1 11 (17)

56 Liite 1 12 (17)

57 Liite 1 13 (17)

58 Liite 1 14 (17)

59 Liite 1 15 (17)

60 Liite 1 16 (17)

61 Liite 1 17 (17)

62 Xworks-ohjelman pistelista 1 (8) Liite 2

63 2 (8) Liite 2

64 3 (8) Liite 2

65 4 (8) Liite 2

66 5 (8) Liite 2

67 6 (8) Liite 2

68 7 (8) Liite 2