W niniejszym artykule przedstawiam koncepcję budowy urządzeń sterujących współpracujących z mikrokomputerami klasy PC. W zarządzanym przez mikrokomputer układzie sterowania i nadzoru część decyzyjna systemu będzie zaimplementowana jako odrębna aplikacja, dopasowana do specyficznych wymagań użytkownika. Aplikacje zostaną stworzone w środowisku LabVIEW. Przedstawiona koncepcja umożliwia wykorzystanie dostępnych narzędzi programistycznych w tworzeniu zindywidualizowanych systemów sterowania i nadzoru. Ważny jest sposób interpretacji sygnałów pochodzących z elementów detekcyjnych systemu oraz możliwość przeniesienia procesu interpretacji wielkości rejestrowanego zaburzenia z detektora (czujki) do urządzenia sterującego i obrazującego systemu nadzoru. Artykuł ten w sposób ogólny przestawia koncepcję wirtualnych układów sterowania i nadzoru dla dozorowanych obiektów. Zawiera wprowadzające informacje dotyczące wirtualnych systemów sterowania i nadzoru wykorzystujących sprzęt mikrokomputerowy. Kolejne artykuły będą przedstawiały praktyczne rozwiązania z zakresu systemów alarmowych, zarządzania systemami monitoringu wizyjnego oraz układów sterowania i regulacji parametrów klimatycznych w pomieszczeniach.
1. Wstęp
Zadania nowoczesnych systemów sterowania w budynkach nie ograniczają się już tylko do dostarczania energii elektrycznej o wymaganych parametrach. Obecnie wyspecjalizowane układy muszą kontrolować stan obiektu i sterować pracą zainstalowanych w nim urządzeń. W tym celu wyposaża się instalacje w układy sterujące umożliwiające realizację zamierzonych przez użytkownika funkcji i procedur, np. regulację działania oświetlenia, ogrzewania, wentylacji. W ten sposób możliwe jest zwiększenie komfortu użytkowania i podwyższenie poziomu bezpieczeństwa przy jednoczesnym ograniczeniu kosztów eksploatacji takich instalacji.
Proces integracji systemów sterowania i nadzoru polega na połączeniu poszczególnych, autonomicznych pod względem pełnionych w obiekcie funkcji, instalacji w jeden system realizujący wszystkie zadania poszczególnych jego części. Integracja autonomicznych systemów może odbywać się w następujący sposób:
Rys. 1. System sterowania i nadzoru zintegrowany pod względem sprzętowym i funkcyjnym
- poprzez wymianę informacji pomiędzy autonomicznymi systemami,
- poprzez współdzielenie przez systemy elementów detekcyjnych i wykonawczych,
- poprzez realizację funkcji poszczególnych systemów przez jeden układ sterujący.
W przypadku systemów w pełni zintegrowanych pod względem sprzętowym i funkcyjnym (rys. 1) wszystkie elementy są przyłączone do jednego sterownika. Dzięki takiemu rozwiązaniu występuje tylko jeden układ nadzorujący, który ma dostęp do wszystkich informacji pochodzących z elementów detekcyjnych i według ustalonego programu pracy realizuje wyznaczone funkcje i steruje układami wykonawczymi systemu.
Obecnie jest wiele rodzajów systemów automatycznego sterowania pracą urządzeń, które nadają się do integracji sterowania i nadzoru. W budynkach mieszkalnych i gospodarczych najczęściej stosuje się:
- systemy oparte na magistrali EIB – stosowane w przypadku nowych instalacji i wykorzystywane przeważnie do regulowania parametrów klimatycznych i oświetleniowych, z opcjami zarządzania instalacjami alarmowymi [3],
- systemy ze sterownikami PLC – używane w przypadku adaptacji istniejącej instalacji do zadań integracyjnych, przeważnie do sterowania pojedynczymi układami urządzeń lub ich grupami [3],
- systemy wykorzystujące mikroprocesorowe sterowniki wbudowane – stosowane w podzespołach odpowiedzialnych za sterowanie poszczególnymi urządzeniami i w autonomicznych układach sterowania (np. centralach alarmowych),
- systemy z mikrokomputerami z zainstalowanym odpowiednim oprogramowaniem – charakteryzują się uniwersalnością i możliwością wykorzystania standardowych rozwiązań sprzętowych i programowych.
Rys. 2. Schemat organizacyjny klasycznego systemu sterowania i nadzoru
2. System nadzoru z klasycznym układem decyzyjnym
Klasyczny system nadzoru to układ zawierający urządzenie sterujące i obrazujące (np. centralę alarmową), elementy detekcyjne i wykonawcze oraz elementy odpowiedzialne za komunikację pomiędzy systemem a użytkownikiem. System nadzoru to „mózg” całego systemu alarmowego decydujący o uruchomieniu procedur wykonawczych. W tym układzie przechowywane są informacje o stanie wszystkich urządzeń współpracujących w danym systemie alarmowym, a wszystkie decyzje podejmowane są zgodnie z procedurami i algorytmami w programie sterującym.
Na rys. 2 został przedstawiony schemat organizacyjny systemu alarmowego I&HAS z klasycznym układem sterowania i nadzoru.
Najważniejszym elementem systemu nadzoru jest urządzenie sterujące i obrazujące. Jego zadania [1, 6] to:
- odbieranie i przetwarzanie (zgodnie z programem sterującym) sygnałów informacyjnych (analogowych i/lub cyfrowych) z urządzeń zewnętrznych,
- sterowanie poprzez podanie odpowiednich sygnałów wyjściowych,
- obrazowanie zaistniałych zdarzeń na odpowiednich urządzeniach,
- transmisja informacji do innych systemów, np. alarmowego centrum odbiorczego (w skrócie ARC, ang. alarm receiving centre).
Rys. 3. Schemat organizacyjny systemu nadzoru z wirtualnym układem sterowania
Cechą klasycznych układów jest to, że całość niezbędnej do prawidłowego działania systemu infrastruktury jest umieszczona w chronionym obiekcie. Ponadto układy odpowiedzialne za sterowanie pracą systemu nadzoru (np. central alarmowych) są fizycznie odseparowane od układów rejestrujących zaburzenia (np. czujek) oraz układów komunikacyjnych przekazujących użytkownikowi informacje o stanie systemu. Wymiana informacji pomiędzy podsystemami większych systemów nadzoru odbywa się na poziomie układów komunikacyjnych i central alarmowych. Podsystemy większych układów nie mają informacji o stanie elementu detekcyjnego, o ile nie są z nim fizycznie połączone. Może to wpływać na czas reakcji na zagrożenie, prawidłowość podjętej decyzji oraz skuteczność całego procesu neutralizacji zagrożenia.
Elementy detekcyjne w klasycznym układzie systemu nadzoru działają zgodnie ze ściśle określonymi regułami progowymi. Po przekroczeniu ustalonego poziomu sygnału układ analizujący czujki przekazuje do centrali alarmowej tylko informację o zmianie stanu sygnału, nie przesyłając żadnej informacji o aktualnym poziomie zaburzenia. Wewnętrzne układy analizują poszczególne stany linii detekcyjnych, realizują założone funkcje i przekazują użytkownikowi informację o podjętych przez urządzenia sterujące decyzjach. Działanie klasycznych układów zarządzających pracą systemu alarmowego ogranicza się do realizacji funkcji logicznych uzupełnionych procedurami czasowymi.
3. System nadzoru wykorzystujący mikrokomputerowy układ sterowania
Koncepcja budowy mikrokomputerowego układu zarządzającego pracą systemu sterowania i nadzoru polega na zastąpieniu klasycznej centrali alarmowej, wyposażonej we wbudowany mikroprocesor, komputerem klasy PC (o budowie klasycznej, np. desktop, albo specjalnej – mikrokomputer, np. Raspberry Pi) z indywidualnie opracowaną (np. w programie LabVIEW) aplikacją sterującą. Z powodu braku możliwości obsługi dużej liczby elementów wejścia/wyjścia przez mikrokomputery to rozwiązanie techniczne wymaga wyposażenia układu zarządzania w dodatkowe moduły umożliwiające sprawdzanie stanów detektorów i wysterowywanie wejść elementów wykonawczych. Takimi modułami mogą być karty pomiarowe.
Powoduje to zmianę roli obwodów komunikacyjnych – z elementów peryferyjnych, przekazujących tylko informację o stanie systemu alarmowego przekształcają się w elementy istotne, równorzędne z obwodami sterującymi i detekcyjnymi. Dlatego ważne jest wyposażenie systemu alarmowego w odpowiedni, spełniający wymagania [2] system transmisji sygnału ATS. Kluczowym parametrem wpływającym na niezawodność działania systemu jest dostępność systemu transmisji, zróżnicowana w zależności od zadań realizowanych przez system nadzoru. Ze względu na konieczność transmisji sygnału ogólnodostępną siecią komunikacyjną ważna jest ochrona informacji transmitowanej.
Schemat organizacyjny systemu nadzoru z wirtualnym układem sterowania został przedstawiony na rys. 3. Taka organizacja systemu alarmowego umożliwia wyprowadzenie bloków analizująco-decyzyjnych z dozorowanego obiektu. Zastąpienie sprzętowych elementów służących do zbierania i analizy informacji elementami wirtualnymi (rys. 4) umożliwia budowę rozproszonych systemów analizująco-decyzyjnych o dowolnym stopniu powielenia. Utrudnia to sabotaż, praktyczne eliminuje możliwość ingerencji w proces działania rejestratora zdarzeń i uniemożliwia zniszczenie urządzenia sterującego podczas dokonywania włamania do obiektu [4].
Rys. 4. Topologia rozproszonego wirtualnego systemu nadzoru
Rys. 5. Funkcjonalność wirtualnego systemu nadzoru
Tworzenie wirtualnych komputerowych systemów pomiarowych [5], czasami nawet pracujących niezależnie, umożliwia ukierunkowanie ich na zróżnicowane traktowanie sygnału rejestrowanego przez detektory (rys. 5). System z analizą zaburzenia przeniesioną z elementów detekcyjnych do układu zarządzania (mikrokomputer i aplikacja sterująca) pozwala na opracowanie algorytmów wykorzystujących zmienne kryteria wywoływania stanu alarmu. Przesył całego nieprzetworzonego strumienia informacji źródłowej i jego zdalna analiza umożliwia zastosowanie adaptacyjnych algorytmów wykrywania zagrożenia, dzięki którym kryteria oceny mogą się zmieniać w zależności od parametrów innych elementów detekcyjnych [4]. Takie rozwiązanie umożliwi wywołanie alarmu w przypadku niewielkiego zaburzenia wykrytego przez jedną z czujek i potwierdzenie tego zaburzenia również niewielkim pobudzeniem innej czujki. Nie jest to możliwe w przypadku klasycznego układu, gdy poziomy zaburzenia wywołujące alarm są ustawione na stałe i układ decyzyjny nie może określić aktualnych poziomów zaburzeń rejestrowanych przez poszczególne układy detekcyjne.
Rys. 6. Schemat organizacyjny komputerowego systemu sterowania i nadzoru
Głównym zadaniem projektowanego systemu nadzoru nad stanem infrastruktury w chronionym obiekcie jest umożliwienie użytkownikowi sprawowania kompleksowej kontroli parametrów bezpieczeństwa obiektu. Będzie to realizowane poprzez zbieranie przez system nadzoru danych pomiarowych z elementów detekcyjnych umieszczonych w poszczególnych strefach dozoru lub bezpośrednio z urządzeń stanowiących wyposażenie obiektu (parametry techniczne). Schemat blokowy organizacji wirtualnego systemu sterowania i nadzoru został przedstawiony na rys. 6.
4. Środowisko LabVIEW umożliwiające tworzenie aplikacji zarządzających pracą wirtualnych systemów sterowania i nadzoru
Aplikacja umożliwiająca sterowanie i kontrolę przez mikrokomputerowy system nadzoru kontrolujący stan chronionego obiektu została stworzona dzięki oprogramowaniu LabVIEW. LabVIEW umożliwia realizację złożonych funkcji gromadzenia, archiwizacji, przetwarzania i analizy danych pomiarowych. Dzięki temu można dowolnie kreować struktury programowe systemów pomiarowych i symulacyjnych, przydatnych w projektach naukowo-badawczych, a także tworzyć aplikacje umożliwiające budowę nowoczesnych systemów sterowania nadzorujących procesy technologiczne. LabVIEW umożliwia pomiary, sterowanie i zindywidualizowane tworzenie systemów obsługiwanych przez wielu użytkowników [5, 7, 8].
Stopnie dostępu poszczególnych użytkowników do systemu mogą być różne, zależne od uprawnień. Dzięki temu system jest stabilny i zabezpieczony przed nieuprawnionym dostępem. Dodatkową zaletą stworzonych w programie LabVIEW aplikacji jest ich oryginalność. Możliwe jest wykorzystanie zarówno gotowych schematów, jak i wyposażenie programów w indywidualne rozwiązania. Umożliwia to dopasowanie aplikacji do zmian w zabezpieczanym obiekcie (np. zmian architektonicznych, zmiany przeznaczenia poszczególnych pomieszczeń itp.).
W aplikacji zarządzającej i sterującej pracą systemu można wyróżnić następujące elementy:
- interfejs użytkownika (rys. 7) – umożliwia (w zależności od uprawnień) sterowanie, zmianę konfiguracji lub kontrolowanie pracy systemu,
- schemat organizacyjny (rys. 8) – schemat wewnętrznych powiązań poszczególnych elementów i aplikacji umożliwiających realizację zadań wyznaczonych przez użytkownika za pośrednictwem panelu sterującego,
- obsługa I/O (urządzeń wejścia i wyjścia) – część składowa systemu odpowiedzialna za wysyłanie informacji z elementów detekcyjnych systemu do urządzeń sterujących pracą elementów wykonawczych lub do użytkowników systemu.
Oprócz funkcji sterowania i kontroli stanu poszczególnych autonomicznych systemów sterowania komputerowy system nadzoru może mieć funkcję rejestracji zdarzeń.
5. Podsumowanie
Rys. 7. Przykładowy interfejs użytkownika w programie LabVIEW
Zintegrowane, zarządzane komputerowo systemy nadzorujące stan chronionego obiektu to rozwiązanie dające użytkownikowi wiele korzyści. Najważniejsze z nich to wymienność funkcji takich systemów oraz ich otwartość na modyfikacje. Dzięki zastosowaniu zintegrowanego systemu zarządzania instalacje domowe są pod nieustanną kontrolą, a użytkownik natychmiast otrzymuje informację o zmianie ich stanu. W przypadku awarii umożliwia to użytkownikom szybką lokalizację uszkodzenia i usunięcie źródła usterki.
Dzięki zastosowaniu oprogramowania LabVIEW firmy National Instruments użytkownik może mieć dostęp do zaawansowanych aplikacji umożliwiających komunikowanie się z urządzeniami zewnętrznymi na wiele sposobów. W takim systemie można wykorzystywać porty szeregowe i równoległe, protokół TCP/IP, łączyć się z urządzeniami bezprzewodowo.
Przeniesienie ośrodka oceny rodzaju i wielkości zaburzenia z elementów detekcyjnych (czujek) do układów sterujących, pełniących rolę central alarmowych umożliwia adaptacyjne ustalanie kryteriów wyzwolenia alarmów dla danych układów detekcyjnych na podstawie informacji o zaburzeniach w innych elementach detekcyjnych zainstalowanych w obiekcie. Umożliwia to także wykorzystanie w algorytmie sterowania funkcji arytmetycznych zamiast obecnie wykorzystywanych funkcji logicznych.
Rys. 8. Część schematu blokowego – procedura zbierania danych pomiarowych
dr inż. Marcin Buczaj
Politechnika Lubelska
Katedra Inżynierii Komputerowej i Elektrycznej
Zabezpieczenia 6/2012
Literatura
- PN-EN 50131-1 – Systemy alarmowe. Systemy sygnalizacji włamania i napadu. Część 1: Wymagania systemowe, PKN, Warszawa 2009.
- PN-EN 50136-1-1 – Systemy alarmowe. Systemy i urządzenia transmisji alarmu. Wymagania ogólne dotyczące systemów transmisji alarmu, PKN, Warszawa 2001.
- Buczaj M., Integracja systemów alarmowych i systemów zarządzających pracą urządzeń w budynku mieszkalnym, Zabezpieczenia nr 4(68)/2009.
- Buczaj M., Wykorzystanie telefonii mobilnej i Internetu w procesie przekazywania informacji w systemach nadzorujących stan chronionego obiektu, Zabezpieczenia nr 1(71)/2010.
- Nawrocki W., Komputerowe systemy pomiarowe, WKiŁ, Warszawa, 2006.
- Szulc W., Rosiński A., Systemy sygnalizacji włamania. Część 1 – konfiguracje central alarmowych, Zabezpieczenia nr 2(66)/2009.
- Tłaczała W., Środowisko LabView w eksperymencie wspomaganym komputerowo, WNT, Warszawa 2002.
- Chruściel M., LabView w praktyce, Wydawnictwo BTC, Legionowo 2008.