BR112013024767A2 - aparelho para uso em um sistema de automação de construção, e, método para configurar ou operar um dispositivo de barramento de campo - Google Patents

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Abstract

aparelho para uso em um sistema de automação de construção, e, método para configurar ou operar um dispositivo de barramento de campo aparelhos e métodos para uso em conexão com um sistema de automação de construção (bas) são aqui descritos. em uma modalidade, a presente invenção compreende um nó de potência inteligente que compreende um dispositivo habilitado com java e cabo de comunicação serial que proveem um protocolo aberto contínuo e ponto de agregação para difundir comunicações por protocolo da internet. em outra modalidade, a presente invenção habilita a monitoração de potência e o controle de portas e saídas individuais. em uma ainda outra modalidade, a presente invenção é um método para configurar e operar dispositivos de barramento de campo.

Description

“APARELHO PARA USO EM UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO DE CONSTRUÇÃO, E, MÉTODO PARA CONFIGURAR OU OPERAR UM DISPOSITIVO DE BARRAMENTO DE CAMPO”
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
Sistemas de Automação de Construção (BAS’s) atuais estão sendo usualmente especificados e desenhados usando um protocolo de comunicação serial aberto comum. Dois dos protocolos de comunicação serial mais usados são Rede de Operação Local (LON) e Rede de Automação e Controle de Construção (BACnet). A presente invenção compreende um nó de potência inteligente que compreende um dispositivo habilitado com JAVA e cabo de comunicação serial que proveem um protocolo aberto contínuo e ponto de agregação para difundir comunicações por protocolo da Internet. Além do mais, a presente invenção habilita a monitoração de potência e o controle de portas e saídas individuais e compreende: entradas e saídas integradas com fio/sem fio universais, e diagnósticos de detecção de falha; supressão de surto/harmônica de ruído; portas USB; portas RS-485/232; memória extensível; endereçabilidade IP; e capacidades de Potência por Ethernet.
Os seguintes termos são usados para entendimento das modalidades da presente invenção:
JAVA·. JAVA é uma linguagem de programação e plataforma de computação lançado pela primeira vez por Sun Microsystems em 1995. Ela é a tecnologia fundamental que liga programas no estado da técnica, incluindo utilitários, jogos e aplicações empresariais, de controle de automação de construção e de ponto de conexão.
Ponto de conexão: Um ponto de conexão em algumas modalidades da presente invenção usa software JAVA para normalizar dados de comunicação tanto por IP quanto serial para integrar os dados a serem usados em outros sistemas. Os pontos de dados normalizados podem ser correlacionados, registrados, incorporados em relatórios de tendência ou de histórico e alarmados, com a capacidade de prover comandos de leitura/gravação a cada ponto. Este ponto de conexão, em algumas modalidades da presente invenção, terá memória interna extensível e será endereçável por IP usando acesso de cliente de pequeno porte.
Integração: Integração é o processo de ligação de sistemas de software distintos, tais como, HVAC, iluminação, energia, acesso a cartão e sistemas de proteção a incêndio/salvamento de vidas/segurança, para se tomar parte de um sistema maior. Integrar estes sistemas distintos com diferentes protocolos de comunicação usando software mediador permite troca de dados a partir destes sistemas, e entre eles.
Sistemas BAS são usualmente construídos e desenhados usando um protocolo de comunicação serial (por exemplo, LON ou BACnet). No evento em que LON e BACnet precisarem coexistir em um sistema BAS, exige-se o uso de um ponto de conexão para normalizar os dados BAS. Limitar um sistema BAS para comunicar em comunicação serial tanto LON quanto BACnet pode ocasionar ao usuário final/titular problemas com escalonamento do sistema e paralisação com software e serviços protegidos, resultando em maior custo total de titularidade.
BACnet
Descrição da BACnet
BACnet é um protocolo de comunicação de dados para redes de automação e controle de construção. BACnet é um padrão ISO/ANSI/ASHRAE 135-1995. Como o protocolo LonWorks, ele tem muitas camadas físicas/de ligação de dados, incluindo RS-485, Ethernet, ARCNET, RS-232, IP e LonTalk. O protocolo padrão BACnet (Rede de Automação e Controle de Construção) foi concebido, desenvolvido e mantido por um consórcio de interessados na indústria em parceria com a American Society of Heating, Refrigerating and Ar-Conditioning Engineers (ASHRAE). BACnet usa uma topologia de rede em camadas para comunicação.
Uma Rede BACnet é uma solução vertical que é focalizada na integração Interface Humano - Máquina (HMI) para aumentar a interoperabilidade. BACnet é aceita em uma variedade de indústrias: HVAC, segurança, segurança contra incêndio/de vida, iluminação, etc.
LON
Descrição de LonWorks
Rede de Operação Local (L6W) Works usa ANSI/EIA 709.ΙΑ-1999 como uma especificação de protocolo e em alguns casos, RS-485, como a especificação elétrica. O Protocolo LonTalk pode ser empregado sobre par trançado, linha de potência (ligada ou desligada), radiofrequência, cabeamento coaxial ou fibra ótica.
Velocidades usando diferentes interfaces incluem:
Transformador Acoplado em 78 kbps até 1.400 metros
Transformador Acoplado em 1,25 Mbps até 130 metros Topologia Livre em 78 Kbps até 500 metros Linha de potência em 10 kbps até 6.000 metros
Rádio em 15 K, Linha de visão [400 - 470 MHz e 900 MHz].
O protocolo LON (Rede de Operação Local) foi desenvolvido por Echelon Corp. LON é embutido no chip Neuron, que foi desenhado por Echelon e é fabricado por Cypress Semiconductor e Toshiba. Qualquer dispositivo com base em LonTalk é um dispositivo LonWorks. Todos os dispositivos LonWorks usam o chip Neuron. LON usa uma topologia para comunicação ponto a ponto (P2P).
Como LON & BACnet são diferentes
LON e BACnet são muito diferentes e, de muitas maneiras, não diretamente comparáveis. Por exemplo, BACnet é uma especificação para interoperabilidade de sistema supervisor. A especificação BACnet é desenhada para interoperabilidade entre computadores, não dispositivos. BACnet é implementada como uma solução de ponto de conexão com computadores interligando subsistemas de construção distintos.
A certificação LON, ao contrário, diz respeito a dispositivos. Sistemas ainda com base na plataforma LonWorks, que utilizam produtos LonMark, são usados no nível tanto do supervisor quanto do dispositivo em aplicações por todo o mundo. Adicionalmente, dispositivos LonMark são certificados para interoperar no nível do dispositivo em uma arquitetura distribuída, em que nós na rede são 'pares'. Portanto, um sistema que usa dispositivos LonMark não precisa de portas de comunicação, roteamento ou arbitração de tráfego na rede entre vários subsistemas, nem é limitado apenas a sistemas HVAC.
Comunicação serial
Comunicação serial entre dispositivos eletrônicos encara três desafios: velocidade, distância e a capacidade de operar em um ambiente eletricamente ruidoso. A capacidade de múltiplos dispositivos compartilharem o mesmo canal de comunicação também é um recurso desejável. Como as exigências e as capacidades da indústria de componentes eletrônicos têm evoluído, os novos padrões foram introduzidos para satisfazê-las.
RS-485 foi desenhado para permitir que múltiplas unidades eletrônicas sejam conectadas em um único canal de comunicações. Transmissores RS-485 podem ser instalados em um estado de alta impedância e habilitado sobre o canal apenas quando dados precisarem ser transmitidos. Transmissões simultâneas resultarão na mensagem sendo perdida e, possivelmente, na destruição dos acionadores.
Um canal pode ser configurado para operação duplex completa ou semiduplex. Em duplex completa o dispositivo de transmissão pode suportar recepção de dados ao mesmo tempo em que a transmissão. Para alcançar isto, RS-485 exige 2 pares de fios de dados, um para transmissão e o outro para recepção. Em operação semiduplex, o transmissor, primeiro, envia seus dados, então, ele desabilita seu acionador e espera pela resposta. Isto permite o uso de um único par de dados para comunicação bidirecional.
A especificação RS-485 também permite que até 32 cargas unitárias sejam colocadas em um canal. Isto também é conhecido como configuração multiponto/ponto de barramento de campo. Isto normalmente exige algum método de endereçamento de cada módulo, mas, uma vez mais, este nível de protocolo está fora do escopo de RS-485. Uma carga unitária é um tanto quanto similar à carga padrão de telefonia. Ela coloca um limite no número de dispositivos que podem comunicar no canal. Se um dispositivo carregar o canal em mais de uma única carga unitária, o número de pontos é reduzido. Há dispositivos que apresentam um quarto de uma carga unitária, permitindo até 128 pontos, mas a velocidade de comunicação máxima é reduzida.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Em uma modalidade, a presente invenção é um aparelho para uso em um Sistema de Automação de Construção (BAS), o dito aparelho compreendendo um dispositivo eletrônico, em que o dito dispositivo eletrônico inclui um dispositivo de comunicação serial e um dispositivo de comunicação por Protocolo da Internet (IP), e em que o dito dispositivo eletrônico facilita a convergência e a integração entre o dito dispositivo de comunicação serial e o dito dispositivo de comunicação por IP.
Em outra modalidade, a presente invenção é um aparelho para uso em um BAS, o dito aparelho compreendendo uma entrada universal integrada e uma saída universal integrada; um porta de comunicação serial RS-485; uma porta do Barramento Serial Universal (USB); memória extensível; uma saída de potência; um injetor de Potência na Ethernet (PoE); dispositivo de filtragem de potência; dispositivo de supressão de surto; dispositivo de supressão de ruído; e dispositivo de supressão harmônica.
Em uma ainda outra modalidade, a presente invenção é um método para configurar ou operar um dispositivo de barramento de campo, o dito método compreendendo prover um dispositivo eletrônico, em que o dito dispositivo eletrônico inclui um sistema operacional, um dispositivo de comunicação serial e um dispositivo de comunicação por Protocolo da Internet (IP), e em que o dito dispositivo eletrônico facilita a convergência e a integração entre o dito dispositivo de comunicação serial e o dito dispositivo de comunicação por IP; conectar pelo menos um dispositivo de barramento de campo no dito dispositivo eletrônico através do dito dispositivo de comunicação serial, em que o dito dispositivo de barramento de campo tem um perfil do dispositivo de barramento de campo; sincronizar os ditos perfis do dispositivo de barramento de campo com o dito sistema operacional; e transmitir dados de configuração ou operação eletrônica entre o dito dispositivo de barramento de campo e o dito dispositivo eletrônico.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A figura 1 mostra um nó de potência de acordo com uma modalidade da presente invenção.
A figura 2 mostra um nó de potência de acordo com outra modalidade da presente invenção.
A figura 3 mostra um nó de potência de acordo com uma ainda outra modalidade da presente invenção.
A figura 4 mostra a arquitetura do concentrador de comutação do nó de potência com a unidade de saída de potência do nó de potência de acordo com uma modalidade da presente invenção.
A figura 5 mostra uma configuração acionada por menu de software de acordo com uma modalidade da presente invenção, que fica residente em um nó de potência para configuração de dispositivos de barramento de campo.
A figura 6 mostra um diagrama de trajetos de comunicação entre múltiplos nós de potência e uma variedade de nós de barramento de campo de acordo com uma modalidade da presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA
A figura 1 mostra um comutador Ethernet de comunicações seriais no Protocolo da Internet (IP), ou nó de potência 10. O nó de potência 10 pode ser altemativamente considerado um comutador do nó de potência ou um ponto de conexão. O comutador do nó de potência 10 tem um ponto de conexão JAVA embutida 12 que permite a convergência e a integração de comunicações seriais em IP que podem ser alavancadas por outros sistemas BAS distintos. Preferivelmente, o ponto de conexão JAVA 12 é integrado no comutador do nó de potência 10 e é usada para normalizar os dados de comunicação. Uma linha tronco de comunicação serial e uma linha tronco de IP convergem fisicamente no comutador do nó de potência 10, que normaliza todos os pontos de dados para serem alavancados tanto em uma comunicação serial quanto em protocolo de comunicação por IP.
Os pontos de dados normalizados podem ser correlacionados, registrados, agregados em um relatório de tendência ou de histórico, e alarmados. Instruções podem ser providas do nó de potência às saídas do dispositivo, de forma que ação possa ser tomada com base no processamento dos dados de entrada pelo software provido no nó de potência 10. O nó de potência, em algumas modalidades, tem memória interna extensível e é endereçável por IP usando acesso de cliente de pequeno porte.
Além do mais, a ponto de conexão/comutador do nó de potência 10 podem ser providos com entradas e saídas universais integradas, sejam com fio ou sem fio.
O comutador do nó de potência 10 provê sistemas BAS novos e existentes com visibilidade e extensibilidade do nível da borda aos seus sistemas BAS atuais. Além do mais, o comutador do nó de potência 10 provê segurança aprimorada da rede e aumenta a facilidade de manutenção.
Voltando, a seguir, para a figura 2, deve-se notar que, em sistemas atuais, BACnet e LON nunca coexistem no mesmo cabo de comunicação RS-485 em virtude de suas arquiteturas de transição de comunicação e da exigência da ponto de conexão em normalizar dados BAS. BACnet é com base em um modelo cliente - servidor. Mensagens BACnet são solicitações de serviço chamado. Uma máquina cliente envia uma solicitação de serviço a uma máquina servidora que, então, realiza o serviço e relata com o resultado enviado ao cliente.
LonTalk é como um sistema de correios muito simples que provê aos projetistas de sistema alguns mecanismos básicos para transportar mensagens entre os sistemas. Exclusivamente por si, LonTalk não define o que estas mensagens contêm. Como o sistema postal dos EUA, LonTalk meramente provê uma maneira de enviar uma mensagem a um outro destinatário. Várias opções para envio podem ser usadas.
Para que o sistema de mensagem de LonTalk seja útil em uma dada aplicação, o emissor e o receptor precisam concordam no conteúdo destas mensagens. Projetistas de Echelon tiveram uma ideia razoavelmente boa de algumas das aplicações para as quais Neuron e LonTalk podem ser usados, e eles foram capazes de desenvolver um segundo protocolo que pode ser usado para definir o conteúdo de mensagens de aplicação. Este protocolo genérico representa a sessão, a apresentação e as camadas de aplicação de LonTalk e é frequentemente referido como LonWorks.
A figura 2 mostra um cabo serial de comunicação universal que é dimensionado com resistência e impedância específicas que podem ser usadas para qualquer um de LON, BACnet, MODbus ou outras aplicações de comunicação serial com o uso do comutador/concentrador inteligente do Nó de Potência.
O cabo universal, quando acoplado com o nó de potência 10, provê um trajeto de origem de comunicação serial física que pode ser visível em uma rede. Isto permite que a convergência de muitos dispositivos de comunicação serial seja alavancada na mesma linha tronco de comunicação serial física.
Outra modalidade do comutador do nó de potência, mostrada no item 14 da figura 3, inclui uma unidade de saída de potência integrada que compreende uma ou mais das seguintes funções: entradas/saídas universais integradas (com fio ou sem fio); conexões de comunicação serial RS-485; portas USB; memória extensível; monitoração da potência de saída individual (incluindo consumo em kWh, potência real em kW, potência reativa em kVAR, potência aparente em kVA, fator de potência, potência real média, potência real mínima, potência real máxima, voltagem linha a linha, voltagem Linha a neutro, amperagens, corrente média, kW e fase da potência real A, B, C), um injetor de Potência na Ethernet (PoE), filtragem de potência, supressão de surto e capacidades de supressão de ruído/harmônica.
A figura 4 ilustra a arquitetura do concentrador de Comutação do Nó de Potência com a unidade de saída de potência do Nó de Potência.
Em uma modalidade, a solução do concentrador/comutador inteligente do nó de potência pode ser desenhada usando um ponto de conexão embutida em JAVA que provê a funcionalidade do nível do dispositivo do microbarramento de campo.
Em uma modalidade, da forma ilustrada na figura 5, uma configuração acionada por menu de software que fica residente no hardware do nó de potência permite a simples configuração dos dispositivos com fio e sem fio do barramento de campo, incluindo, mas sem limitações: Termostatos, Sensores, Atuadores de Controle, Válvulas de Controle, Leitores de Acesso a Cartão, Câmeras de Vídeo e Vigilância, Medidores de Potência e Relês (Protocolos compatíveis devem incluir, mas sem limitações: LON, BACnet, MODBUS, ZigBEE e Z-Wave).
Dispositivos de barramento de campo são reconhecidos e descobertos pelo sincronismo dos perfis do dispositivo com o sistema operacional que fica residente no hardware do nó de potência. Esta função provê a capacidade de adicionar um novo componente de barramento de campo em um sistema e fazê-lo funcionar automaticamente sem precisar fazer nenhuma análise técnica ou configuração manual.
Uma vez que o nó de potência reconhece um dispositivo periférico com fio ou sem fio pré-configurado/compatível, ele ajusta as definições internas apropriadas. Isto pode incluir configurar o endereço MAC, o endereço I/O, os números de instância do dispositivo, descoberta e autodescrição, nível do dispositivo, IDs de fabricante + aplicação, nível da função, códigos do canal, códigos de conexão, tipos de objeto e conjunto de entrada canal dos pontos de dados. O nó de potência é capaz de reconhecer tipos de e configuração automática para aceitar e processar a informação de entrada recebida a partir do dispositivo com base neste reconhecimento.
Um novo dispositivo de barramento de campo será autodescoberto e autoconfigurado na interface gráfica de usuário do Nó de Potência para comunicação instantânea com o dispositivo de barramento de campo. As funções do Nó de Potência permitem a integração dos dispositivos de barramento de campo descobertos, e não são limitadas a: alarme, registro, tendência, comunicação ponto a ponto e controle dos dispositivos de barramento de campo.
A figura 6 é um diagrama que mostra trajetos de comunicação entre um nó de potência 10 ou 14 e uma variedade de nós de barramento de campo 18a -18d.

Claims (7)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Aparelho para uso em um Sistema de Automação de Construção (BAS), caracterizado pelo fato de que o dito aparelho compreende:
    um dispositivo eletrônico, em que o dito dispositivo eletrônico inclui um dispositivo de comunicação serial e um dispositivo de comunicação por Protocolo da Internet (IP), e em que o dito dispositivo eletrônico facilita a convergência e a integração entre o dito dispositivo de comunicação serial e o dito dispositivo de comunicação por IP, em que o dito dispositivo eletrônico se comunica com pelo menos um dispositivo da Rede de Operação Local (LON) e pelo menos um dispositivo da Rede de Automação e Controle de Construção (BACnet) através de uma única porta de conexão serial, o dito dispositivo LON e o dito dispositivo BACnet sendo interligados, e em que o dito dispositivo eletrônico inclui adicionalmente um ponto de conexão com base em JAVA, em que o dito ponto de conexão com base em JAVA normaliza a comunicação entre o dito dispositivo de comunicação serial e o dito dispositivo de comunicação por IP.
  2. 2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito dispositivo eletrônico é acionado por Potência na Ethernet (PoE).
  3. 3. Aparelho para uso em um Sistema de Automação de Construção {BAS), caracterizado pelo fato de que o dito aparelho compreende:
    uma entrada universal integrada e uma saída universal integrada;
    uma porta de comunicação serial RS-485;
    uma porta do Barramento Serial Universal (USB);
    memória extensível;
    uma saída de potência, em que a dita saída de potência inclui dispositivo de filtragem de potência, dispositivo de supressão de surto, dispositivo de supressão de ruído, e dispositivo de supressão harmônica; e um injetor de Potência na Ethernet (PoE), em que o dito aparelho se comunica com pelo menos um dispositivo da Rede de Operação Local (LON) e com pelo menos um dispositivo da Rede de Automação e Controle de Construção (BACnet) através da dita porta de comunicação serial RS-485, o dito dispositivo LON e o dito dispositivo BACnet sendo interligados.
  4. 4. Aparelho de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a dita saída de potência é monitorada em relação a consumo em kilowatt por hora (kWh), potência real em kilowatt (kW), potência reativa em kilovolt ampères reativo (kVAR), potência aparente em kilovolt ampère (kVA), fator de potência, potência real média, potência real mínima, potência real máxima, voltagem, voltagem linha a linha, voltagem linha a neutro, amperagens, corrente média e fase da potência real.
  5. 5. Método para configurar um dispositivo de barramento de campo, caracterizado pelo fato de que o dito método compreende:
    prover um dispositivo eletrônico, em que o dito dispositivo eletrônico inclui um sistema operacional, um dispositivo de comunicação serial e um dispositivo de comunicação por Protocolo da Internet (IP), e em que o dito dispositivo eletrônico facilita a convergência e a integração entre o dito dispositivo de comunicação serial e o dito dispositivo de comunicação por IP;
    conectar pelo menos um dispositivo de barramento de campo no dito dispositivo eletrônico através do dito dispositivo de comunicação serial, em que o dito dispositivo de barramento de campo tem um perfil do dispositivo de barramento de campo;
    sincronizar os ditos perfis do dispositivo de barramento de campo com o dito sistema operacional, em que a dita etapa de sincronizar inclui o dito dispositivo eletrônico associando o dito perfil do dispositivo de barramento de campo com um perfil do dispositivo de barramento de campo pré-configurado, e ajustar as definições do dito dispositivo eletrônico com base no dito perfil do dispositivo de barramento de campo pré-configurado; e transmitir os dados eletrônicos entre o dito dispositivo de barramento de campo e o dito dispositivo eletrônico, em que o dito pelo menos um dispositivo de barramento de campo compreende pelo menos um dispositivo da Rede de Operação Local (LON) e pelo menos um dispositivo da Rede de Automação e Controle de Construção (BACnet) através de uma única porta de comunicação serial, o dito dispositivo LON e o dito dispositivo BACnet sendo interligados.
  6. 6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os ditos dados eletrônicos incluem informação selecionada a partir do grupo que consiste em um endereço de Controle de Acesso à mídia (MAC), endereço de entrada/saída (I/O), números de instância do dispositivo de barramento de campo, informação de descoberta e autodescrição, nível do dispositivo, fabricante e aplicação, nível da função, código do canal, código de conexão, tipo de objeto e conjunto de canal dos pontos de dados.
  7. 7. Método para configurar um dispositivo de barramento de campo, caracterizado pelo fato de que o dito método compreende:
    prover um dispositivo eletrônico, em que o dito dispositivo eletrônico inclui um sistema operacional, um dispositivo de comunicação serial e um dispositivo de comunicação por Protocolo da Internet (IP), e em que o dito dispositivo eletrônico facilita a convergência e a integração entre o dito dispositivo de comunicação serial e o dito dispositivo de comunicação por IP;
    conectar pelo menos um dispositivo de barramento de campo no dito dispositivo eletrônico através do dito dispositivo de comunicação serial, em que o dito dispositivo de barramento de campo tem um perfil do dispositivo de barramento de campo;
    sincronizar os ditos perfis do dispositivo de barramento de campo com o dito sistema operacional, em que a dita etapa de sincronizar inclui o dito dispositivo eletrônico associando o dito perfil do dispositivo de barramento de campo com um perfil do dispositivo de barramento de campo pré-configurado, e ajustar as definições do dito dispositivo eletrônico com 5 base no dito perfil do dispositivo de barramento de campo pré-configurado; e em resposta à sincronização do dito perfil do dispositivo de barramento de campo com o dito sistema operacional, transmitir os dados eletrônicos entre o dito dispositivo de barramento de campo e o dito dispositivo eletrônico, em que os ditos dados eletrônicos incluem informação 10 selecionada a partir do grupo que consiste em um endereço de Controle de
    Acesso à mídia (MAC), endereço de entrada/saída (I/O), números de instância do dispositivo de barramento de campo, informação de descoberta e autodescrição, nível do dispositivo, fabricante e aplicação, nível da função, código do canal, código de conexão, tipo de objeto e conjunto de canal dos 15 pontos de dados.
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