Мировой стандарт для автоматизации зданий

Мировой стандарт для автоматизации зданий

Ханс Р. Кранц

Система автоматизации зданий (сокр. BACS—Building Automation and Control System) базируется на устройствах, в основу которых заложен микропроцессор. Также используется аббревиатура DDC — прямое цифровое управление. Если мы рассматриваем взаимодействие таких устройств, то уместно говорить об их объединении в сеть (BuildingAutomation and Control Network). Стандарт BACnet при оснащении зданий и сооружений ориентируется на будущее, так как является открытым протоколом. В этой статье мы намеренно избегаем термина «технология», наша задача — обрисовать все преимущества и особенности системы автоматизации зданий на протоколе BACnet и ввести читателя в курс дела. Мы не ответим на вопрос: стоит ли система автоматизации здания, выполненная на протоколе BACnet, дороже, чем система с применением другого протокола? Предоставим рынку выбрать ответ на этот вопрос.

Автоматизация зданий

Системы автоматизации зданий и операторы, управляющие ими, заботятся о максимальной оптимизации функционирования и эксплуатации здания, о наибольшей экономичности, экологичности и, следовательно, о снижении расходов по его обслуживанию. Система автоматизации надежно следит за выполнением алгоритмов работы климатического оборудования.

Функциональное назначение системы автоматизации — оптимизация жизнеобеспечения здания, продление срока его службы, ограничение максимальных нагрузок по энергопотреблению, а также информирование владельца здания о тенденциях эксплуатации оборудования, действующих параметрах и изменениях их состояний. 

Решение этих задач возложено на систему автоматизации зданий, без которой работу инженерного оборудования здания нельзя было бы оптимизировать. 

Система автоматизации зданий располагает инструментами, необходимыми для отслеживания потребления зданием энергии и коммунальных расходов, для мониторинга экологического состояния здания, неисправностей в работе инженерного оборудования и ведения отчетности о событиях. Одновременно система автоматизации здания служит механизмом для его управления, анализируя текущее состояние и пути его оптимизации.

Если такая система соответсвует международным стандартам DIN EN ISO 16484, она может быть названа системой автоматизации зданий, (DIN EN ISO 16484—2, 3.31).

Что такое автоматизация зданий?

Прежде чем мы перейдем к BACnet, его характерным особенностям и достоинствам, необходимо понимать, что скрывается внутри системы автоматизации здания. Не стоит рассматривать автоматизацию здания как самостоятельное явление, ведь это всего лишь скрытый механизм здания.

Автоматизация зданий (Building Automation) отличается от домашней автоматизации (Home Automation) и промышленной автоматизации специфической областью применения, и в частности, протоколом обмена данными — BACnet.

Для автоматизации в промышленности или домашней автоматизации используется большое количество различных протоколов, в то время как автоматизация зданий базируется на одном_единственном унифицированном протоколе, утвержденном международным стандартом DIN EN ISO 16484. Для тех, кто строит здания и инвестирует средства в их строительство, этот стандарт означает надёжность капиталовложений. Конечно, для отдельных задач существуют специальные протоколы, которые интегрируются в систему автоматизации здания. Среди них можно отметить протоколы:

KNX (EIB) для инженерных систем здания, LonMark для комплексной автоматизации помещений, M_Bus для измерения потребления энергоресурсов и биллинговых систем, а также PROFIBUS или MODBUS и другие протоколы. Все они осуществляют целенаправленный обмен информацией и с течением времени совершенствуются и развиваются.

Системы освещения, охранной сигнализации, видеонаблюдения, общего энергообеспечения ориентированы на интеграцию в единую систему BACnet, где совместными усилиями экспертов разрабатываются правила общей работы различных подсистем и оборудования (interoperablity).

«Открытая система» — насколько открытая?

В последнее время часто используется понятие «открытая система». Как показывает опыт, для рационального взаимодействия различных частей системы методология коммуникации необходима (например, протокол обмена данными через шину), но ее явно недостаточно. В действительности различные механизмы, системы и приборы должны в первую очередь не просто общаться друг с другом, но и быть настроены на совместную работу. При этом другие варианты выбора, кроме международного стандарта BACnet, принципиальное теряют в своей «открытости». Максимально слаженное функционирование и совместимость различных частей и уровней системы в обозримом будущем возможно только внутри систем одного производителя от известных брендов. Единая система «подключи и работай» остается пока еще утопией (даже с унифицированным протоколом).

Мультивендорные проекты автоматизации зданий, в которых участвуют различные производители автоматики, требуют однозначных и ясных условий координации совместной работы их оборудования, функционирования и обслуживания, поскольку поставщики разных частей и оборудования одной системы порой не заключают никаких контрактов или соглашений между собой, а только с Заказчиком, которых строит здание.

Системная интеграция

Уже на этапе проектирования здания закладываются решения по интеграции разных частей системы, выясняется их совместимость. Здесь особая роль отводится стандарту, посвященному функциям системы автоматизации здания, из которых могут быть скомбинированы специфические решения для данного проекта, а уже на их основе ведется дальнейшее совершенствование системы. При этом не надо будет «изобретать колесо» заново.

Нормированные функции системы автоматизации здания позволяют эффективно взаимодействовать проектировщикам и тем, кто будет реализовывать проект (функции системы автоматизации здания собраны в стандарте Союза немецких инженеров VDI 3814). Нормированные «стан дартные объекты» (например, для обмена данными) — это наиболее важный компонент для описания интерфейсов устройств, чтобы они могли работать совместно друг с другом.

Компаниям-застройщикам необходимо уяснить для себя все связанные с этим европейские нормы и законы об ответсвенности, необходимо знать, когда и за что они несут ответственность и когда от нее свободны. Системный интегратор — это та компания, которая заказывает отдельные части будущей системы, она же несет ответсвенность за их слаженное функционирование в качестве единого продукта. Часто эту функцию может выполнять сам застройщик, Но к делу «причастны» также и партнеры застройщика, и главный инженер. Системный интегратор обязан отвечать за исправную подготовку и совместное функционирование частей системы автоматизации, как это происходит, например, при сборке автомобилей.

Функции системы автоматизации

Функции систем автоматизации зданий изначально разрабатывались рабочей группой GAEB 070 для стандартного перечня спецификаций. Союз немецких инженеров VDI использовал эти списки и инструкции для своих нормативных документов (VDI 3814). Так сформировалась стандартная таблица функций системы автоматизации здания, которая включает в себя функции ввода—вывода, обработки, управления и обслуживания. Раньше таблицу еще называли список точек данных системы.

Использование функций в данной таблице описано в международных стандартах и в стандарте VDI 3814—1 : 2005.

Европейская BACnet Ассоциация BIG_EU публикует в своем журнале «BACnet Europe» № 4—2006 таблицу соответствия типов объектов из стандарта BACnet и функций системы автоматизации здания из стандарта VDI 3814. Не пытайтесь самостоятельно интерпретировать инструкции и технические перечни по функциям системы автоматизации. Обратитесь к официальным источникам иь нормативным документам: DIN EN ISO 16484—3 : 2005, VDI 3814—1 : 2005 (с прилагающимся списком функций на СD).

Стандарт BACnet

На сегодня BACnet действительно является единственным стандартизированным коммуникационным протоколом для автоматизации зданий, обеспечивающим интероперабельность ее подсистем. Протокол описывает способы передачи данных (двоичный вход/выход, аналоговый и цифровой). Также протокол отвечает за выбор и способ скорости передачи информации, за защиту данных и систему адресации и распределения информационных точек. Протокол BACnet развивался самостоятельно, независимо от аппаратной части (hardware), что и отличает его от прочих, также нормированных и стандартизированных коммуникационных протоколов и шинных систем передачи данных. Поэтому BACnet подходит любому производителю оборудования для автоматизации здания и может быть использован без специальной лицензии. Все эти условия зафиксированы в стандарте BACnet, в главе «Протокол». Понятие стандарт BACnet часто употребляется в отношении Части 5 международного стандарта «DIN EN ISO 16484». Комплекс стандартов ISO 16484 посвящен описанию аппаратных средств (Часть 2) и описанию функций систем автоматизации (Часть 3).

В результате тщательной работы группы экспертов и инженеров появился новый протокол передачи данных, независимый от производителей оборудования — BACnet, способствующий интероперабельной работе подсистем здания. Права на стандарт BACnet принадлежат ассоциации ASHRAE (Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха), американского аналога Союза немецких инженеров VDI. Американские специалисты с самого начала работы над стандартом привлекали заинтересованных экспертов из Европы. В итоге европейский стандарт KNX (EIB) стал частью станадарта BACnet (Глава H.5 «Использование BACnet с EIB/KNX»). Ассоциации ASHRAE и VDI поддерживают разработку стандарта BACnet и проведение обучющих курсов.

Целью всей работы была реализация совместимости и интегрированности элементов системы между собой и между системами разных производителей. Взаимная интеграция происходит через применение единых подходов к унификации технических данных, согласованию функций и внедрению соответствующих связующих на стыках разнородных элементов. Стандарт BACnet уже давно мог бы стать мировым стандартом в автоматизации зданий, коммерчески выгодным и универсальным, если бы рыночная политика ведущих компаний была построена по другому.

Таким образом, BACnet — это и не система, и не устройство, это предпосылка к развитию для производителей оборудования, уместившаяся в основе нормативного документа на 600 страницах. В рамках BACnet можно развивать и изобретать новые системы автоматизации зданий. Последняя версия стандарта BACnet за 2005 г. существует в 1-й версии и 4-й редакции (1.4), то есть в документ вносятся только дополнения и расширения. Дополнением к стандарту BACnet служит международный стандарт DIN EN ISO 16484—6, отчечающий за проверку оборудования на совместимость и соответствие протоколу BACnet.

Стандарт BACnet доступен на сайте ASHRAE http://resourcecenter.ashrae.org/store/ashrae/newstore.cgi в формате PDF под номером D86447 (его стоимость 95 US$), на сайте www.cci—promotor.de или www.cci.info (стоимость 129 евро), на сайте Европейской BACnet Ассоциации BIG—ЕU www.big—eu.org/html/download.html. На последнем сайте можно также найти разного рода справочники и пособия по реализации и внедрению BACnet cистем. Ассоциация BIG_EU подготовила унифицированную таблицу для обмена данными между участвующими фирмами «EDE-Templates» (Engineering Data Exchange), которая помогает создать инженерную базу данных по системам автоматизации зданий.

Сертификация

Одновременно с работой над стандартом BACnet велась подготовка нормативного документа DIN EN ISO 16484 «Методология тестирования на соответстие коммуникации данных» Теперь проверкой совместимости BACnet оборудования могут заниматься независимые эксперты.

Ассоциация производителей BACnet-оборудования BMA в конце 2005 года соединилась с ассоциацией BIG—NA в единую организацию «BACnet International». Их общая цель — независимая экспертиза совместимости BACnet-оборудования. Так возникла независимая организация «BACnet Testing Laboratory» (BTL — лаборатория по тестированию BACnet_оборудования), чья задача — разрабатывать тесты на совместимость и применять эти тесты к различным составляющим BACnet-системы. Если проверка пройдена, элемент системы (устройство) получает знак «ВTL», который действителен только при наличии специального подтверждающего документа.

В США сертификация означает не совсем то же, что в Европе. Поэтому в Америке для устройств, удачно прошедших проверку, существует специальные перечни и номенклатура (listings), в Европе же товар получает сертификат. Европейским тестированием BACnet занимается независимая организация «BACnet Testlabor» в WSP_Лаборатории доктора технических наук Харальда Биттера в Штуттгарте (www.wsplab.de), где регулярно проходят европейские технические BACnet-семинары.

Из чего состоит стандарт BACnet

Архитектура протокола BACnet описывается после определения ключевых понятий и установления области применения данного нормативного документа.

Документация стандарта BACnet описывает строение всей системы и технические параметры ее составных частей (эталонная модель OSI , меры безопасности в системе, расположение коммуникационных сетей в здании). Физические уровни, служащие транспортом для передачи данных:

a) Ethernet (ISO 8802—3);

b) ARCnet;

c) MS/TP (Master/Slave Token Passing RS 485);

d) RS 232C для соединения через модем;

e) LonTalk от компании Echelon;

f) BACnet/IP.

Возможно также, что к этому списку вскоре присоединятся беспроводные технологии ZigBee и Bluetooth.

Стандартный набор элементов протокола BACnet.

1. Типы объектов для коммуникации, чтобы описывать значение передаваемых сообщений для достижения интероперабильности. Они служат для правильной интерпретации действительной функции приложения.

2. Коммуникационные сервисы, чтобы получать напрямую доступ к данным и размещать

команды для устройств системы автоматизации. Включает в себя сервисы отправки тревожных сообщений и событий, доступ к файлам, сервисы доступа к объекту и сервисы управления устройством/сетью.

3. Средства функций для определения приоритетов команд и сообщений, для сохранения и восстановления системы, автоматической настройки устройства и объекта, а также для Web-сервисов.

В приложении стандарт BACnet имеет много дополнений, среди которых стандарт EIB/KNX и BACnet/IP. Для более удобной сертификации BACnet-устройств и их деление на классы были созданы так называемые BIBBs — блоки построения BACnet_совместимости (BACnet Interoperability Building Blocks). В дальнейшем планируется развивать в стандарте службы и процедуры защиты данных, ввести в действие систему паролей и приспособить BACnet для так называемой «открытой коммуникации». Также разработчики BACnet собираются приспособить систему к элементам IT_технологий: «ERP» (система управления предприятием) на базе Web_сервисов, XML (Extensible Markup Language), SOAP (Simple Object Access Protocol) и HTTP (Hypertext Tranfer Protocol).

Объекты коммуникации

В протоколе BACnet-объекты и их свойста — самая главная часть стандарта, ведь именно эта часть определяет и описывает значение данных, которые передаются по сети. Данные отображаются одинаково и для пользователя, и для программного обеспечения. Это коренным образом отличает BACnet от других коммуникационных протоколов. Объекты в BACnet обладают набором свойств (properties), описываемых определенным способом для последующей интерпретации в работе системы автоматизации.

До 2005 г. в стандарт BACnet входили 28 различных объектов коммуникации (рис. 4.). Объект «Device_Object» обладает свойствами, относящимися к аппаратной части и описывает коммуникационные особенности оборудования.

Нормативный документ предписывает каждому из объектов определенный набор свойств для возможности максимальной интеграции. Все дополнительные свойства объектов увеличивают способность оборудования системы к взаимодействию, если они равным образом применяются всеми сторонами, участвующими в интеграции. Обязательное требование ко всем составляющим системы — взаимная интеграция и приспособляемость. Эта задача решается с использованием BIBBs.

Коммуникационные службы

Данные по сети доставляются коммуникационными службами. Из них наиболее распространённые — «чтение» (read) и «запись» (write). Те устройства-участники коммункации, чьи данные передаются и используются другими, называются «серверами» (server). Типичные серверы, к примеру, — сенсоры или станции автоматизации, если они собирают и передают информацию другим объектам коммуникации. Партнеры серверов по коммуникации, запрашивающие и получающие данные, называются «клиентами».

Коммуникационные сети

Согласно инструкциям VDI по распределению функций систем автоматизации зданий, на разных уровнях функционирования системы были созданы и оптимизированы сети, передающие данные. Решения на Ethernet с протоколом IP дешевеют и унифицируются, а их продукты становятся мульти-функциональными. Если мы сравним сеть автоматизации здания и полевую сеть, увидим, что схема действия — прежняя, меняются лишь отдельные сегменты сети. При связи системы автоматизации здания с офисной рабочей сетью необходимо определить сетевые сегменты с высокой степенью защиты, иначе могут произойти опасные нарушения, которые мы часто можем видеть в повседневной офисной жизни.

В системе BACnet важнейшие элементы сети — маршрутизаторы и шлюзы. Маршрутизаторы структурируют сеть, задают ее топологию и передают сообщения между различными типами сетей, причем содержание сообщений при этом не меняется. Шлюзы модифицируют коммуникационные особенности разных сетей, приспосабливая сети друг к другу и к протоколу BACnet. Например, продукты LonMark c BACnet практически несовместимы, их можно связать и заставить работать совместно только через шлюз. Благодаря ему LonTalk может использоваться протоколом ВACnet среди прочих физическихсред передачи данных.

BACnet с самого момента своего создания имел возможность использовать Интернет. Станции автоматизации соединяются посредством BACnet/IP с современными web-серверами и программным обеспечением, а обычный браузер может быть использован для нужд автоматизации здания.

«Родной» BACnet (native)

Все чаще применительно к системам автоматизации зданий можно услышать термин «родная» BACnet-система. Это понятие нигде не регламентировано и потому требует проверки.

Стандарт VDI—TGA/BIG—EU предписывает следующее:

a) BACnet — это система, приспособленная для гибкого развития в будущем, постоянно

действующая и доступная, приспосабливающаяся к изменениям;

b) BACnet не требует никаких дополнительных приспособлений (устройств) и издержек на услуги;

c) все необходимые типы BACnet-объектов, свойств и служб имеются в наличии;

d) для коммуникации «родного» BACnet c другими системами необходим шлюз.

Преимущества BACnet

1. BACnet изначально создавался специально для автоматизации зданий. Нейтральным образом он описывает пути создания интероперабильности для таких важных функций как:

— журнал трендов;

— расписание и календарь процессов;

— тревожные сообщения и напоминания о событиях;

— маршрутизация тревожных сообщений и подтверждения внутри сети;

— механизм разделения приоритетов команд;

— группирование по функциям ввода/вывода;

— установка параметров цикла управления.

2. BACnet не зависит от работы компьютера или каких-то сетевых технологий. Протокол BACnet реализуется на программном обеспечении от производителей оборудования, при этом никакое специальное оборудование не требуется: BACnet объекты и сервисы не зависят от сетевых технологий, BACnet Web-сервисы позволяют осуществить взаимодействие системы автоматизации зданий с системой управления предприятием.

3. BACnet не требует построения жесткой архитектуры сети. Конфигурация сети может быть плоской, связь может проходить через «одноранговую» шину, а может быть и иерархичной (в виде пирамиды).

4. В BACnet_системе интероперабильность имеет гораздо большую функциональность, чем в системах с другими известными «открытыми» протоколами. BACnet легко масштабируется и расширяется новыми составляющими, такими как:

— аккумулятор (Accumulator);

— преобразователь импульсов (Pulse converter);

— усреднитель значений (Averaging);

— сигнализатор опасности (Life Safety Point);

— зона безопасности (Life Safety Zone);

— регистрация мульти трендов (Trendlog Multiple);

— журнал регистрации событий (Eventlog).

5. Уже разрабатываются новые типы BACnet объектов для:

— управления освещением;

— видеонаблюдения;

— контроля доступа;

— обмена данными между системой автоматизации здания и энергоснабжающими компаниями.

6. BACnet внедряется в системах любого размера, например, программируемые станции автоматизации широкого назначения, станции автоматизации с ограниченными ресурсами, специфические блоки управления и устройства (например, VAV-блоки), отдельные регуляторы помещения, веб-серверы и веб-службы, анализаторы протоколов и инструменты для инжиниринга.

7. ASHRAE владеет правами, продвигает и обслуживает стандарт BACnet, при сотрудничестве с родственными организациями в Европе, России и Азии. Международные организации ISO и CEN предоставили протоколу BACnet статус международного стандарта. Также представители локальных BACnet-ассоциаций вносят вклад в его развитие:

— BIG—AA (BACnet ассоциация Азия—Австралия);

— BIG—EU (Европейская BACnet ассоциация с подразделениями в Финляндии, Франции, Польше и Швеции);

— BIG—ME (BACnet ассоциация на Ближнем Востоке);

— BIG—NA (Североамериканская BACnet ассоциация / BACnet International);

— BIG—RU (Российская BACnet ассоциация);

— Следующая BACnet ассоциация будет создана в Китае.

8. Все больше компаний производят оборудование, совместимое с BACnet: уже более 200 фирм из 21 страны (о них можно узнать на http://www.bacnet.org/VendorID/index.html).

9. Интерес к BACnet во всем мире растет. Доказательством тому служит тот факт, что число инсталляций BACnet-систем достаточно велико и покрывает все континенты. По информации за 2003 г.: 33000 зданий с миллионами точек данных в 82 государствах; из них более 6000 проектов — мультивенторные.

10. За пользование BACnet не надо платить ни лицензионных, ни абонентских взносов. Любая компания-производитель может применять решения BACnet. Исключение составляет случай, когда передача данных происходит поверх протокола LonTalk, права на который принадлежат корпорации Echelon. В этом случае соответствующий адрес указан в стандарте BACnet (глава 11).

Внедрение BACnet на основе тендера

Сегодня внедрение любых технических инноваций происходит на основе конкурса или тендера, что обеспечивает свободную конкуренцию, обмен информацией и сохраняет деньги и время Заказчика. Тендер для систем автоматизации зданий проводится на основании стандарта DIN 18386 —«Общие технические условия договора». Объявлять тендер целесообразно, ведь Заказчику будет предложено множество систем и различных технических решений. Это разнообразие невозможно унифицировать, так что Заказчик делает выбор, ознакомившись со всеми техническими и функциональными характеристиками и особенностями предложений.

Для отдельных элементов систем автоматизации и сетей также объявляется конкурс, для чего необходимо четко прописать весь «функционал» предлагаемых решений. Для автоматизации зданий имеется стандарт VOB/C DIN 18386 «Общетехнические условия договора» с установленными функциями системы автоматизации здания, используется также стандарт VDI 3814. Для описания производительности системы автоматизации здания используется стандарт VOB/A § 9 абз. 10. Для участков системы автоматизации здания эффективная конкуренция производителей систем может быть гарантирована только функциональной частью с приложенным перечнем производительности.

Стандарт VDI—3814 (DIN EN ISO 16484—3 : 2005) более всего применим для того, чтобы при интеграции в систему новых элементов избежать дублирования уже имеющихся данных и системных компонентов. В системе не должно быть ничего лишнего, ничего не должно повторяться дважды без необходимости — ни данных, ни приборов, ни лицензий на программное обеспечение.

Каждый новый проект внедрения системы автоматизации здания требует нового свода технических инструкций и функциональных характеристик. Под каждый новый проект создается полный технический паспорт с подробным перечнем всех системных элементов. Поэтому перечень работ и услуг в стандарте VOB/C DIN 18386 избегает обобщений и «некалькулируемых» показателей.

Отказ от использования функций системы автоматизации здания из стандарта VDI 3814означает, что перечень работ и услуг остаётся не вполне достоверным и открытым, так что до конца не ясно, как же должна функционировать данная система. Нет четкого договора, технические характеристики можно трактовать по-разному. Спорные случаи обычно разбираются в судах. Если Заказчик недоволен, немедленно следует призыв к «открытой коммуникации», то есть к смене производителя. 

     Рис. 1. Системная интеграция

_______________________________________________________________________________________________________________

                                                             

Рис. 2. Основные элемены BACnet                                                                       Рис. 3 Знак BTL для оборудования, прошедшего проверку.

______________________________________________________________________________________________________________

Рис. 4. Типы BACnet объектов (по материалам Дэвида Фишера).

____________________________________________________________________________________________________________

Рис. 5. BACnet, Ethernet/IP и Интернет (по материалам Майкла Ньюмана)

______________________________________________________________________________________________________

Рис. 6. Архитектура сети с «родными» BACnetустройствами (по материалам Майкла Ньюмана)