SYSTEM POMIAROWY DO DIAGNOSTYKI CIEPLNEJ BUDYNKÓW

Prezentacja na temat: "SYSTEM POMIAROWY DO DIAGNOSTYKI CIEPLNEJ BUDYNKÓW"— Zapis prezentacji:

1 SYSTEM POMIAROWY DO DIAGNOSTYKI CIEPLNEJ BUDYNKÓW
Beata Krupanek, Ryszard Bogacz Instytut Metrologii, Elektroniki i Automatyki Politechniki Śląskiej

2 System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków
Praca wykonana w ramach projektu strategicznego: Zintegrowany system zmniejszania eksploatacyjnej energochłonności budynków Zadanie badawcze: Rozwój diagnostyki cieplnej budynków.

3 Zespół projektowo - wykonawczy
Kierownik zadania 4: prof. dr hab. inż. Zbigniew Popiołek, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechniki Śląskiej w Gliwicach Kierownik podzadania E : prof. dr hab. inż. Jerzy Jakubiec, Wydział Elektryczny Politechniki Śląskiej w Gliwicach Wykonawcy: Dr inż. Janusz Tokarski Dr inż. Jerzy Roj Mgr inż. Ryszard Bogacz Mgr inż. Roman Żurkowski Mgr inż. Beata Krupanek Mgr inż. Maciej Grygiel Dr inż. Tadeusz Topor-Kamiński

4 Plan prezentacji Ocena energetyczna budynków
Systemy spotykane w praktyce System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków Założenia przyjęte przy budowie systemu Elementy systemu (sterownik, koordynator, ruter, moduł wejść analogowych) Struktury systemu Oprogramowanie komputera lokalnego

5 Ocena energetyczna budynków
Zgodnie z dyrektywami Unii Europejskiej przygotowywane są w Polsce przepisy, na podstawie których każdy nowy budynek będzie musiał mieć świadectwo energetyczne w postaci certyfikatu energetycznego. W celu uzyskania certyfikatu przeprowadzany jest audyt energetyczny, który można zdefiniować jako zespół działań obejmujących ocenę bilansu energetycznego budynku.

6 Ocena energetyczna budynków
Metody wykonywania audytu energetycznego: Obliczenia teoretyczne wykonywane przy założeniu znormalizowanych warunków użytkowania budynku i klimatu zewnętrznego. Obliczenia wykonywane są na podstawie danych katalogowych na temat izolacyjności przegród (np. ściany, drzwi, okna), oraz teoretycznych strat na wentylację itp. Obliczenia jak w punkcie 1, wspomagane pomiarami niektórych parametrów cieplnych budynku. Najczęściej stosowane są kamery termowizyjne w celu zmierzenia rzeczywistej izolacyjności przegród. Wyznaczanie parametrów cieplnych budynków przy użyciu systemów, które mają za zadanie dostarczenie empirycznych danych pozwalających na wyznaczenie całościowego bilansu energetycznego budynku.

7 Systemy spotykane w praktyce
systemy monitorowania zintegrowane z systemami automatyki systemy autonomiczne stacjonarne systemy monitorowania stanu cieplnego budynków systemy przenośne – mogą realizować zadania na wielu obiektach

8 Założenia przyjęte przy budowie systemu
System przenośny. Po zakończeniu projektu system będzie używany do prowadzenia audytu energetycznego budynków, którego celem jest wydawanie świadectw energetycznych budynków. System elastyczny - zdolność do integracji różnorodnej aparatury pomiarowej, stosowanej aktualnie i w najbliższej przyszłości. Brak konieczności ciągnięcia kabli pomiędzy modułami systemu.

9 System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków
System przenośny  System bezprzewodowy

10 System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków
Podstawowe założenie zbudowanego systemu: Urządzenia wykonywane w ramach projektu są uniwersalne - ich konstrukcja jest taka sama niezależnie od funkcji spełnianych w systemie. Dostosowanie urządzenia do konkretnych zadań realizowane jest w sposób programowy, z konsoli operatora systemu.

11 System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków
KOMUNIKATOR - prototyp Komunikator może spełniać w systemie cztery funkcje: sterownika węzła pomiarowego zarządzającego zespołami przyrządów pomiarowych za pośrednictwem szeregowych interfejsów przewodowych, rutera sieci bezprzewodowej, spełniającego w systemie funkcję wzmacniacza sygnału radiowego, koordynatora sieci bezprzewodowej, zarządzającego komunikacją w sieci, urządzenia sprzęgającego sieć bezprzewodową z komputerem lokalnym, który służy do zarządzania systemem z poziomu obiektu.

12 System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków
KOMUNIKATOR

13 System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków - KOMUNIKATOR
Mikrokontroler ATXMEGA128-A3 Zegar DS1307 (MAXIM) Pamięć 64MB DataFlash AT45DB642 (Atmel) Transmiter ZigBee ATZB-A24-UFL (Atmel)

14 Komunikator Do komunikacji bezprzewodowej wykorzystano układ ATZB-A24-UFL firmy Atmel Transmiter pracuje w standardzie ZigBee. Sprzężony jest z mikrokontrolerem przy użyciu interfejsu RS232C. Układ ten przy pełnej mocy nadajnika zapewnia transmisję na odległość do 1 km przy braku przeszkód. Może być konfigurowany jako urządzenie końcowe sieci bezprzewodowej i w takiej roli pracuje w sterowniku węzła. W przypadku, gdy spełnia funkcję rutera komunikator wykorzystywany jest do wzmacniania sygnałów radiowych i wówczas mikrokontroler główny znajduje się w stanie uśpienia. Użycie tego układu jako koordynatora sieci powoduje, że mikrokontroler główny spełnia rolę elementu sprzęgającego sieć bezprzewodową z komputerem lokalnym za pomocą interfejsu USB.

15 Komunikator Komunikator może być zasilany z trzech źródeł:
sieci energetycznej, akumulatorów wewnętrznych, doładowywanych za pomocą ładowarki zewnętrznej z akumulatora zewnętrznego. Poszczególne rodzaje przełączane są automatycznie za pomocą układu sterującego. Dzięki możliwości wprowadzania mikrokontrolera głównego w stan uśpienia w okresie między momentami obsługiwania przyrządów pomiarowych możliwa jest długotrwała praca komunikatora bez zasilania sieciowego. W przypadku, gdy komunikator spełnia role koordynatora sieci bezprzewodowej, to zasilany jest z komputera lokalnego przez port USB.

16 Komunikator jako sterownik węzła pomiarowego
S - sterownik węzła, PP – przyrząd pomiarowy, MA – moduł analogowy, CZ – czujnik Zadania sterownika: komunikacja z przyrządami pomiarowymi PP za pomocą interfejsu RS 232C lub RS 485, archiwizacja danych ze wszystkich przyrządów za okres trwania eksperymentu pomiarowego, komunikacja z koordynatorem sieci bezprzewodowej.

17 Komunikator jako sterownik węzła pomiarowego
S - sterownik węzła, PP – przyrząd pomiarowy, MA – moduł analogowy, CZ – czujnik Do jednego sterownika można podłączyć do 8 przyrządów, W tym maksymalnie 4 moduły analogowe, mierzące rezystancję, napięcie lub prąd. Dane pomiarowe są gromadzone w sterowniku i równocześnie przesyłane na bieżąco, za pomocą sieci bezprzewodowej, do koordynatora współpracującego z komputerem lokalnym przy użyciu łącza USB.

18 Moduł wejść analogowych
Moduł wejść analogowych został zbudowany w celu umożliwienia zwiększania zasobów pomiarowych sterownika. Każdy z modułów dysponuje pojedynczym wejściem analogowym, które jest przystosowane do doprowadzenia sygnału z jednego czujnika o wyjściu: napięciowym, prądowym, rezystancyjnym.

19 Moduł wejść analogowych
ADuC836 (Analog Devices)

20 Struktury systemu Struktura skupiona
Stosowana do prowadzenia pomiarów zasadniczo w jednym pomieszczeniu, gdy możliwa jest bezpośrednia komunikacja bezprzewodowa między sterownikami węzłów W1, …, Wn a koordynatorem sieci bezprzewodowej.

21 Struktura zdekomponowana systemu
Struktury systemu Struktura zdekomponowana systemu System o strukturze zdekomponowanej wykorzystywany jest w przypadku, gdy pomiary przeprowadza się równocześnie w kilku odległych pomieszczeniach, jak również w sytuacji, gdy obiektem pomiaru jest zbiór budynków. System taki można traktować jako zbiór autonomicznych systemów o wspólnej bazie danych.

22 Struktura rozproszona
Struktury systemu Struktura rozproszona Jeden komputer lokalny, pomiary realizowane w odległych pomieszczeniach lub osobnych budynkach - na ogół nie jest możliwe bezpośrednie połączenie radiowe między węzłami a koordynatorem i trzeba zastosować rutery. Na drodze między węzłem a koordynatorem może pracować kilka ruterów, co pozwala w tego rodzaju systemie na uzyskiwanie dość znacznych odległości między węzłami i koordynatorem.

23 Struktury systemu

24 Struktury systemu

25 Struktury systemu

26 Komputery lokalne i zdalne
Komputer lokalny - zarządzanie systemem: konfigurowanie systemu - przekazywanie do węzłów informacji z jakimi przyrządami mają współpracować oraz określenie parametrów pomiarów (rodzaju mierzonej wielkości, częstotliwości próbkowania itp.), bieżące odbieranie danych pomiarowych oraz ich archiwizacja, wizualizacja danych pomiarowych w postaci przebiegów oraz wskazań przyrządów, komunikacja z operatorem. Oprogramowanie komputera lokalnego utworzono przy użyciu pakietu LabView. Komputer lokalny jest połączony z komputerami zdalnymi za pośrednictwem Internetu. Komputery zdalne mogą spełniać rolę bazy danych lub zdalnych konsol komputera lokalnego, dzięki czemu umożliwiają realizację wszystkich jego zadań na odległość.

27 Urządzenia integrowane w systemie
Przepływomierze ultradźwiękowe przenośne. Mikromanometry dla powietrza i wody. Termometry termoelektryczne 30-kanałowe. Mierniki energii elektrycznej. Stacja meteorologiczna. Analizator spalin. Monitory jakości powietrza wewnętrznego.

28 Oprogramowanie komputera lokalnego
Zadaniem komputera lokalnego jest bieżące zarządzanie procesem pomiaru wielkości charakteryzujących stan cieplny budynku bezpośrednio z poziomu obiektu pomiaru. Zarządzanie to przede wszystkim ma na celu realizację następujących działań: konfigurowanie systemu, polegające na wskazaniu urządzeń pomiarowych wykorzystywanych w aktualnie stosowanej wersji systemu, nadzór nad prawidłowym wykonywaniem pomiarów oraz bieżącą wizualizację danych pomiarowych, pozyskiwanie danych pomiarowych i lokowanie ich w centralnej bazie danych, udostępnienie przez Internet bazy centralnej komputerowi zdalnemu, celem przechowania ich w bazie archiwalnej.

29 Oprogramowanie komputera lokalnego
Bloki funkcjonalne programu zarządzającego systemem zaimplementowanego na komputerze lokalnym

30 Oprogramowanie komputera lokalnego
Przepływ danych w systemie pomiarowym

31 Oprogramowanie komputera lokalnego

32 Oprogramowanie komputera lokalnego

33 Oprogramowanie komputera lokalnego

34 Oprogramowanie komputera lokalnego

35 Dziękuję za uwagę

36

37 Komunikator Mikrokontroler ATXMEGA128-A3
pamięć programu typu flash o pojemności 120 KB, z dodatkowym obszarem 8 KB, który może być przeznaczony na dane oraz 8 KB pamięci zawierającej program ładujący. Pamięć danych - 8 KB pamięci trwałej EEPROM oraz 2 KB pamięci statycznej SRAM. Odmierzanie czasu astronomicznego - układ DS1307 firmy MAXIM. Trwała pamięć zewnętrzną DataFlash AT45DB642 firmy Atmel o pojemności 64Mb. Jeden rekord pomiarowy obejmuje 4 bajty znacznika czasu, 4 bajty wyniku pomiaru w formacie zmiennoprzecinkowym oraz 2 bajty identyfikatora wielkości mierzonej. Zatem pojemność pamięci zewnętrznej pozwala na przechowanie około 800 000 rekordów pomiarowych, dzięki czemu możliwa jest realizacja pomiarów nawet przy długotrwałym zerwaniu transmisji bezprzewodowej. Mikrokontroler obsługuje: 5 kanałów transmisji w standardzie RS488, 3 kanały RS 232C, wyposażone w optoizolację, jedno złącze USB, wykorzystywane do komunikacji z komputerem lokalnym.

38 Moduł analogowy Podstawowym układem modułu analogowego jest mikrokontroler ADuC836 firmy Analog Devices. Zawiera on dwa tory pomiarowe zakończone 16-bitowymi przetwornikami AC typu Sigma-Delta, przy czym jeden z torów ma na wejściu wzmacniacz o regulowanym cyfrowo współczynniku wzmocnienia. Mikrokontroler wyposażony jest w czujnik temperatury, co daje możliwość korygowania błędów temperaturowych toru pomiarowego. Moduł zawiera ponadto źródło napięcia wzorcowego o dużej stabilności temperaturowej, co łącznie z opisanymi jego właściwościami pozwala na realizację pomiarów z dużą dokładnością. Maksymalna częstotliwość próbkowania wynosi około 100 razy na sekundę, co w pełni zaspakaja potrzeby próbkowania wartości chwilowych sygnałów charakteryzujących procesy cieplne.