CZ20770U1 - Systém pro automatizaci objektů - Google Patents

Description

Systém pro automatizaci objektů

Navrhované technické řešení spadá do oblasti obvodů pro umožnění dálkového měření režimu sítě a dálkového ovládání spínacích prostředků v rozvodné síti. Technické řešení dále spadá do oblasti řídicích nebo regulačních systémů, systémů pro řízení nebo regulaci neelektrických veličin a systémů pro regulaci elektrických veličin.

Dosavadní stav techniky

Doposud existuje mnoho systémů tvořených sítí vzájemně propojených zařízení, sloužících k ovládání a měření veličin spotřebičů v objektech jako jsou domy, byty, nebytové komerční proto story, apod. Některé tyto systémy dále umožňují detekci událostí, popř. řízení distribuční soustavy dodavatelem za měřidlem dodavatele. Měřidlem dodavatele je zejména elektroměr, vodoměr.

plynoměr, apod.

Jeden z těchto systémů je popsaný v patentovém spise NL 1034532. Tento systém je určený k řízení elektrických spotřebičů v domácnosti. Systém je tvořený centrální jednotkou, ovládacím panelem, senzory, rozhraními, regulátory, software a internetovým, popř. telefonním připojením. Výhodné umístění centrální jednotky je v elektroměrové skříní. Centrální jednotka je připojena k elektrickým spotřebičům pomocí existujících elektrických kabelových rozvodů světelných zdrojů dané domácnosti.

Nevýhodou popsaného systému je nutnost použiti elektrických kabelových rozvodů, systém nelze operativně upravovat a přestavovat. Výstavba systému má kvůli použití elektrických kabelových rozvodů určitá omezení, umístění prvků systému je limitováno nutností připojení k elektrickým kabelovým rozvodům. Tento systém je zároveň limitován pouze pro řízení elektrických spotřebičů.

Dalším známým systémem je systém popsaný v patentovém spise US 2001010032. Tento systém je určený k řízení spotřeby energie a k automatizaci budov. Systém zahrnuje místní kabelovou síť. Každý spotřebič je k síti připojen pomocí ovládacího modulu. Ovládací modul může obsahovat relé nebo přepínač k odpojení spotřebiče od elektrického rozvodu. Ovládací moduly určují, zda budou spotřebiče zapnuty a monitorují spotřebu elektrické energie. Systém dále zahrnuje dva mikropočítače. První mikropočítač je s výhodou umístěn mimo danou budovu v elektroměrové skříni, druhý mikropočítač je s výhodou umístěn uvnitř dané budovy. Oba mikropočítače spolu vzájemně komunikují. První mikropočítač slouží ke komunikaci s dodavatelem elektrické energie. Druhý mikropočítač slouží k zadávání dat uživatelem, k řízení celého systému a ke znázornění výstupních dat.

Nevýhodou popsaného systému je zejména omezení na zapnutí a vypnutí elektrických spotřebičů.

Není tedy možná plynulá regulace, stejně tak není možné ovládání spotřebičů pomocí elektrických pulsů, tj, digitálně. Konstrukčně je tento systém znevýhodněn nutností použití dvou speciálních mikropočítačů, což zvyšuje pořizovací náklady a komplikuje instalaci a provoz systému.

Dalším známým systémem je systém popsaný v patentovém spise GB 2309567. Tento systém obsahuje řídicí centrum vysílající signály a přijímající informace z lokálních jednotek dále obsa40 huje lokální řídicí jednotky vybavené přijímačem a vysílačem, které řídí zařízení obsažená v lokálních systémech. Řízená zařízení mohou obsahovat měřiče plynu a elektřiny, elektrické generátory, kogenerační jednotku vyrábějící teplo a elektřinu, ventilační a klimatizační prvky. Lokální řídicí jednotka přijímá od dodavatele data zahrnující informaci o ceně daného media a meteorologická data, na základě kterých je lokální systém řízen; zpět do centra může zasílat odečty ener45 gie.

Nevýhodou tohoto systému je zejména omezení na zapnutí nebo vypnutí zařízení a měření - systém nedokáže detekovat jiné události. Dále je nevýhodou omezení pouze na elektrická a plynová zařízení. Systém také není uzpůsoben na autonomní programování akcí v lokálních systémech

-1CZ 20770 Ul jejich uživateli. Napojení lokálních systémů na okolní je možné pouze pomocí externích radiových sítí - tj. systém neumožňuje ovládání a komunikaci přes pevné internetové připojení. Systém také neumožňuje měřit a vyhodnocovat kvalitu dodávky energie.

Nevýhodou dosud známých systémů je zejména jejich jednostranné zaměření, zpravidla na ovlá5 dání elektrospotřebičů a měření elektrických veličin. V systémech použitá zařízení jsou zpravidla speciálně navrhovaná pro konkrétní aplikace, a to včetně centrálních jednotek, resp. řídicích počítačů. Žádný z dosud známých systémů neumožňuje automatickou výstavbu sítě a její dynamickou rekonfiguraci v případě výpadku některého z prvků, což má za následek určitou nespolehlivost systémů a vysoké provozní náklady. V těchto systémech dále není možné uživatelsky defi10 novat prioritu elektrických spotřebičů pro jejich případné dálkové ovládání, resp. zapínání a vypínání, dodavatelem elektřiny.

Podstata technického řešeni

Podstatou navrhovaného systému je jeho konstrukční vytvoření z jednotlivých prvků a jejich vzájemné propojení. Systém pro automatizaci objektů je tvořený sítí, která zahrnuje nejméně is jednu centrální jednotku a nejméně jedno účastnické zařízení. Účastnické zařízení je opatřeno a/nebo propojeno s různými čidly a senzory.

Centrální jednotka obsahuje nejméně jeden řídicí počítač, opatřený příslušným software, a dále obsahuje nejméně jeden koordinátor sítě. Koordinátor sítě je tvořen zejména komunikačním modemem a slouží k řízení sítě. Řídicí počítač je tvořen běžným osobním počítačem s běžným, na trhu dostupným, operačním systémem. Účastnické zařízení je bud¹ koncovým zařízením a/nebo komunikačním prostředníkem. Účastnické zařízení ve formě koncového zařízení obsahuje nejméně jeden spínací prvek a/nebo nejméně jeden regulační prvek a/nebo nejméně jeden měřicí prvek a/nebo nejméně jeden senzor. Účastnické zařízení ve formě komunikačního prostředníka obsahuje přijímač a vysílač k přeposílání řídicích a informačních zpráv mezi vzdálenějšími účastnickými zařízeními. Účastnické zařízení ve formě komunikačního prostředníka je použito zejména v případě, že síť obsahuje více účastnických zařízení. Libovolné účastnické zařízení je v případě potřeby možné beze změny hardware naprogramovat jako centrální jednotku.

Podstatným rysem sítě je, že síť je bezdrátová. Struktura sítě je stromová a/nebo pletivová. Stromová síť má jeden centrální prvek, tj. koordinátor sítě, a ostatní prvky jsou uspořádány do para30 lelně uspořádaných větví. V pletivové síti jsou nejbližší sousední prvky vzájemně spojené do trojúhelníkových nebo víceúhelníkových vazeb. Pletivová síť je tedy vhodná zejména v případě výpadku některého z prvků, protože umožňuje snazší překlenutí tohoto výpadku.

Toto řešení je zvoleno s ohledem na variabilitu sítě v případě výpadku jednoho z prvků sítě. Všechny prvky sítě jsou naprogramovány k automatické výstavbě sítě a dynamické rekonfiguraci sítě. Automatická výstavba sítě velmi výrazně urychluje a usnadňuje instalaci systému a šetří pořizovací náklady. Dynamická rekonfígurace sítě umožňuje spolehlivou činnost systému i v případě výpadku některého z prvků sítě.

Všechny prvky systému jsou opatřeny vnitřní pamětí pro obnovení původního stavu a činnosti po případném výpadku elektrického proudu a obnově jeho dodávky. Tímto řešením je zaručena značná spolehlivost a bezúdržbovost systému. Ve variantním řešení mohou být účastnická zařízení a/nebo centrální jednotka opatřeny vlastním nezávislým napájením, což zaručuje jejich funkčnost po určitou dobu i v případě výpadku elektrického proudu.

Všechny prvky sítě jsou v síti autentizovány k zamezení neautorizovaného připojení cizího prvku do sítě. Komunikace v rámci sítě dále s výhodou může být Šifrovaná. Centrální jednotka a účast45 nická zařízení jsou uzpůsobeny k zasílání zpráv v rámci sítě s vyžádaným potvrzením příjmu a/nebo bez potvrzení. Méně důležité zprávy jsou zasílány bez vyžádání potvrzení příjmu. Naopak zprávy s vysokou prioritou jsou zasílány s vyžádaným potvrzením, aby se případně chybný přenos mohl opakovat.

Ve výhodném provedení může být účastnické zařízení opatřeno vlastními elektronickými hodi50 námi a ve vnitřní paměti má uložený, a centrální jednotkou programovatelný, seznam plánova-2CZ 20770 Ul ných akcí k autonomnímu vykonání. Toto řešení je využitelné zejména v případě výpadku centrální jednotky.

Účastnické zařízení opatřené měřicím prvkem k měření elektrických veličin je uzpůsobeno k měření hodnot proudu a/nebo napětí a/nebo účiníku. Měřenými elektrickými veličinami jsou zejména: okamžitý proud, okamžité napětí, okamžitý výkon, činný výkon, efektivní proud, efektivní napětí, epsilon registr, teplota, průměrný jalový výkon, okamžitý jalový výkon, špičkový proud, špičkové napětí, účiník, zdánlivý výkon a Činná práce - kumulace.

Účastnické zařízení ke spínání a/nebo regulování a/nebo měření elektrických veličin může být zapojeno v elektrické zásuvce jako mezičlánek mezi elektrickou zásuvkou a elektrickým spotře10 bičem nebo může být zapojeno v libovolném místě elektrické rozvodné sítě.

Účastnické zařízení opatřené měřicím prvkem k měření neelektrických veličin je uzpůsobeno k měření hodnot teploty a/nebo vlhkosti a/nebo intenzity světla.

Variantně je účastnické zařízení opatřeno mechanismem porovnávání naměřených elektrických veličin se zákonnými a/nebo předepsanými standardy, vyhodnocení naměřených elektrických veličin a signalizace porušení daného standardu do centrální jednotky. V souvislosti se získáváním relevantních hodnot dodaného a spotřebovaného media je výhodné, když je nejméně jedno účastnické zařízení napojeno na výstupní rozhraní měřidla dodavatele, čímž jsou získány spolehlivé hodnoty dodaného množství media. Měřidlem dodavatele je zejména elektroměr, plynoměr nebo vodoměr. Výstupní rozhraní měřidla dodavatele může být optické, elektrické, popř. bez20 drátové.

Účastnické zařízení obsahující spínací prvek je uzpůsobeno k zapnutí a vypnutí a/nebo k pulznímu ovládání a/nebo k nastavení požadované úrovně. Zapnutí a vypnutí je použito například u osvětlení, pulzní ovládání například u garážových vTat a nastavení požadované úrovně například u elektromechanického ventilu topení.

Centrální jednotka je s výhodou připojena k síti mobilního operátora a/nebo k internetové síti a/nebo k přijímačům signálů zasílaných distributorem po rozvodné síti. Tyto komunikační kanály slouží pro ovládání systému a pro příjem informací ze systému.

Ve zvlášť výhodném provedení jsou vzájemné závislosti mezi účastnickými zařízeními uživatelsky definovatelné.

Navrhované technické řešení je tedy svým konstrukčním vytvořením využitelné k řízení objektů, jako jsou domy, byty a nebytové komerční prostory. Umožňuje ovládání spotřebičů a měření jejich spotřeby energie. Dále umožňuje detekci událostí a řízení distribuční soustavy dodavatelem za měřidlem dodavatele. Je zejména využitelné k zapínání a vypínání spotřebičů, a to jak operativního pomocí okamžitého pokynu uživatelem, tak programového na základě předem definova35 ného pokynu uživatele zaslaného v určený čas nebo za určitých podmínek centrální jednotkou. Umožňuje ovládání elektromechanických ventilů, například radiátorových hlavic, a detekování změn elektrického kontaktu, například v Čidle pohybu.

Systém je napojen na distributora elektřiny přes distribuční síť, umožňuje příjem signálů hromadného dálkového ovládání, tzv. HDO, čímž umožňuje řízené zapínání a vypínání prvků sítě distributorem. Je napojen na internet a GSM síť, Čímž umožňuje oboustrannou komunikaci uživatele s dodavateli.

Systém umožňuje trvalé měření spotřeby medií jak vstupu do objektu, tak i jednotlivých spotřebičů.

Velkou výhodou systému je, že má značnou autonomii účastnických zařízení, prvky sítě si pa45 matují plán svých akcí dopředu, přičemž všechny prvky sítě jsou persistentní - tj. pamatují si svůj stav i pri výpadku napájení.

Systém zajišťuje funkcionalitu omezovače maximálního proudu, čímž umožňuje distributorovi rychlé snížení odběru elektrického proudu uživatelem a tím stabilizaci přenosové soustavy. Uži-3CZ 20770 Ul vatel si pomocí systému definuje vlastní prioritizační tabulku, která určuje, které spotřebiče a v jakém pořadí mohou být případně distributorem odpojovány.

Přehled obrázků na výkresech

Příkladné provedení navrhovaného řešení je popsáno s odkazem na výkresy, na kterých je na:

obr. 1 - obecné schéma systému, obr. 2 - schéma systému pro zvyšování pohodlí, bezpečnosti a úspor energií v domácnosti, obr. 3 - schéma systému pro odpínání spotřebičů distributorem podle priorit uživatele.

Příklady provedení technického řešení

Příklad 1 io Systém pro automatizaci objektů je v tomto případě koncipován pro zvyšování pohodlí, bezpečnosti a úspor energií v domácnosti. Centrální jednotka 3 je tvořena jedním řídicím počítačem 4 a jedním koordinátorem 1 sítě. Dále je centrální jednotka 3 tvořena rozhraním mobilního operátora a internetovým rozhraním. Centrální jednotka 3 je bezdrátově propojena s devíti účastnickými zařízeními 2 umístěnými v elektrickém rozvaděči 23 a v konvenčních elektrických zásuvkách.

První účastnické zařízení 2 v rozvaděči 23 je připojeno na přijímač signálů hromadného dálkového ovládání distributorem, tzv. HDO. Je zároveň opatřeno měřicím prvkem 7 a slouží jako měřič vstupu elektrické energie do domácnosti. Druhé a třetí účastnické zařízení 2 v rozvaděči 22 jsou opatřeny měřicím prvkem 7 a spínacím prvkem 5 a slouží k přímému ovládání zásuvkového okruhu 20, světelného okruhu 19, elektrického kotle 22 a varné desky 21.

Další dvě účastnická zařízení 2 jsou opatřena měřicím prvkem Ί a spínacím prvkem 5. Jsou umístěna v elektrické zásuvce jako mezičlánek mezi elektrickou zásuvkou a elektrickými spotřebiči. Elektrickými spotřebiči jsou v tomto případě mrazák 12, pečicí trouba 13 a myčka 14 nádobí.

Další tři účastnická zařízení 2 jsou opatřena spínacím prvkem 5 a jsou umístěna v elektrické zá25 suvce jako mezičlánek mezi elektrickou zásuvkou a spotřebiči. Spotřebiči jsou v tomto případě radiátorová hlavice U, plynový kotel 16 a předokenní rolety 17.

Poslední účastnické zařízení 2 je opatřeno senzorem 8 a je spojeno s detektorem 18 pohybu.

Takto definovaný systém umožňuje pomocí řídicího počítače 4 operativní a programové ovládání spotřebičů v domácnosti na základě rozhodnutí uživatele, umožňuje vyhodnocování spotřeby celého objektu vybraných spotřebičů a umožňuje sledování objektu a zasílání zpráv uživateli na mobilní telefon nebo email.

Popisované řešení je patrné z obr. 2.

Příklad 2

Systém pro automatizaci objektů je v tomto případě koncipován zejména pro odpínání spotřebičů distributorem podle priorit uživatele. Centrální jednotka 3 je tvořena jedním řídicím počítačem 4 a jedním koordinátorem 1 sítě. Jedno z účastnických zařízení 2, umístěné v rozvaděči 23, je v tomto případě druhým koordinátorem 1 sítě. Funkce koordinátora 1 sítě se tedy v tomto případě variantně přesouvá mezi koordinátorem 1 sítě obsaženým v centrální jednotce 3 účastnickým zařízením 2 ve formě koordinátoru 1 sítě. Toto řešení je zde užito z důvodu, aby centrální jednot40 ka 2 nemusela být stále v provozu, případně být stálou součástí systému. Centrální jednotka 3 je v tomto případě použita pouze k naprogramování účastnického zařízení 2 ve formě koordinátoru 1 sítě. Účastnické zařízení 2 ve formě koordinátoru 1 sítě je dále opatřeno měřicím prvkem 7 a spínacím prvkem 5 a udržuje prioritizační tabulku zapojených spotřebičů. Díky tomu může být centrální jednotka 3 po většinu Času vypnuta, neboť hlavní funkci centrální jednotky 3 přebírá toto účastnické zařízení 2.

-4CZ 20770 Ul

Účastnické zařízení 2 ve formě koordinátoru i sítě je v tomto příkladu propojeno s dalšími sedmi účastnickými zařízeními 2 umístěnými v elektrickém rozvaděči 23 a v konvenčních elektrických zásuvkách. Účastnické zařízení 2 ve formě koordinátora I sítě dále přímo spíná tři spotřebiče, v tomto případě jeden zásuvkový okruh 20 a dva světelné okruhy 19. Zároveň je napojeno na při5 jímaČ signálů hromadného dálkového ovládání distributorem, tzv. HDO.

Účastnická zařízení 2 do zásuvek jsou opatřena spínacími prvky 5 ke spínání zapojených spotřebičů - v tomto případě předokenních rolet 17, mrazáku 12, lednice 24, dekoračního osvětlení 25 a přímotopného tělesa 26. Účastnická zařízení 2 v rozvaděči 21 jsou opatřena spínacími prvky 5 a slouží k přímému ovládání připojených spotřebičů - v tomto případě elektrického kotle 22, bojleío ru 27 pro ohřev vody a varné desky 21.

Takto definovaný systém umožňuje pomocí účastnického zařízení 2 s funkcí koordinátora 1 sítě operativní řízení odběru elektřiny distributorem podle vlastních požadavků a priorit uživatele. Popisované řešení je patrné z obr. 3.

Claims (11)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   15 1. Systém pro automatizaci objektů, tvořený sítí zahrnující nejméně jednu centrální jednotku (3) a nejméně jedno účastnické zařízení (2) a dále zahrnující čidla a senzory, přičemž systém umožňuje ovládání a měření veličin spotřebičů a detekci událostí a dále umožňuje řízení distribuční soustavy za měřidlem dodavatele, vyznačující se tím, že centrální jednotka (3) obsahuje nejméně jeden řídicí počítač (4), opatřený příslušným software, a

   20 nejméně jeden koordinátor (1) sítě, přičemž řídicí počítač (4) je tvořen běžným osobním počítačem s běžným, na trhu dostupným, operačním systémem, a účastnické zařízení (2) je koncovým zařízením a/nebo komunikačním prostředníkem a/nebo koordinátorem (1) sítě, přičemž účastnické zařízení (2) ve formě koncového zařízení obsahuje nejméně jeden spínací

   25 prvek a/nebo nejméně jeden regulační prvek a/nebo nejméně jeden měřicí prvek a/nebo nejméně jeden senzor, a účastnické zařízení (2) ve formě komunikačního prostředníka obsahuje přijímač a vysílač k přeposílání řídicích a informačních zpráv mezi vzdálenějšími účastnickými zařízeními (2), přičemž síť je bezdrátová a struktura sítě je stromová a/nebo pletivová

   30 a všechny prvky sítě jsou naprogramovány k automatické výstavbě sítě a dynamické rekonfiguraci sítě, a dále jsou všechny prvky sítě opatřeny vnitřní pamětí pro obnovení původního stavu a Činnosti po výpadku elektrického proudu a obnově jeho dodávky, přičemž všechny prvky sítě jsou v síti autentizovány.
2. 2. Systém pro automatizaci objektů, podle nároku 1, vyznačující se tím, že komu35 nikace v rámci sítě je šifrovaná.
3. 3. Systém pro automatizaci objektů, podle nároků la2, vyznačující se tím, že účastnické zařízení (2) je opatřeno vlastním nezávislým napájením.
4. 4. Systém pro automatizaci objektů, podle nároků laž3, vyznačující se tím, že účastnické zařízení (2) je opatřeno vlastními elektronickými hodinami a ve vnitřní paměti má

   40 uložený, a centrální jednotkou (3) programovatelný, seznam plánovaných akcí k autonomnímu vykonání.
5. 5. Systém pro automatizaci objektů, podle nároků laž4, vyznačující se tím, že účastnické zařízení (2) opatřené měřicím prvkem k měření elektrických veličin je uzpůsobeno k měření hodnot proudu a/nebo napětí a/nebo úěiníku

   45 a že účastnické zařízení (2) opatřené měřicím prvkem k měření neelektrických veličin je uzpůsobeno k měření hodnot teploty a/nebo vlhkosti a/nebo intenzity světla.

   -5CZ 20770 Ul
6. 6. Systém pro automatizaci objektů, podle nároku 5, vyznačující se tím, že účastnické zařízení (2) je opatřeno mechanismem porovnávání naměřených elektrických veličin se zákonnými a/nebo předepsanými standardy, vyhodnocení naměřených elektrických veličin a signalizace porušení daného standardu do centrální jednotky (3).

   5
7. 7. Systém pro automatizaci objektů, podle nároků lažó, vyznačující se tím, že nejméně jedno účastnické zařízení (2) je napojeno na výstupní rozhraní měřidla dodavatele.
8. 8. Systém pro automatizaci objektů, podle nároků laž7, vyznačující se tím, že účastnické zařízení (2) obsahující spínací prvek je uzpůsobeno k zapnutí a vypnutí a/nebo k pulznímu ovládání a/nebo k nastavení požadované úrovně.

   io
9. 9. Systém pro automatizaci objektů, podle nároků laž8, vyznačující se tím, že centrální jednotka (3) je připojena k síti mobilního operátora a/nebo k internetové síti a/nebo k přijímačům signálů zasílaných distributorem po rozvodné síti.
10. 10. Systém pro automatizaci objektů, podle nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že centrální jednotka (3) je opatřena záložním zdrojem napájení.
11. 15 11. Systém pro automatizaci objektů, podle nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že vzájemné závislosti mezi účastnickými zařízeními (2) jsou uživatelsky definovatelné.