Станет ли OPC универсальным решением?

Станет ли OPC универсальным решением?

Ханс Р. Кранц, консультант по автоматизации зданий компании "HAK", член правления Союза немецких инженеров VDI TGA,  почетный член Ассоциации BIG-RU

Контрольные устройства и операторские интерфейсы часто соединяют через интерфейс стандарта OPC (OLE for Process Control) – программная технология на базе Windows-технологий (OLE, ActiveX, COM/DCOM), предоставляющая единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами. Этот распространенный промышленный стандарт применяется на серверах под управлением операционных систем корпорации Microsoft Windows, исключая MS Vista. Обратите внимание, что этот стандарт не попадает под сертификацию ISO/EN. Он используется для связи контроллеров PLC (программируемый логический контроллер) с рабочими станциями, осуществляющими мониторинг и работающими под операционной системой семейства Windows.  Для профессиональных систем автоматизации и управления зданиями стандарт OPC имеет слишком много функциональных ограничений, не говоря уже о сомнительной надежности передачи данных при работе под управлением операционной системы Windows. Этот стандарт не поддерживает используемую семантику, измерительные точки и объекты, как структуры данных. Это означает, что теряется связь между функциями объекта. Примером тому может послужить потеря контроля значений величин «на входе», а также потеря контроля над другими параметрами, значения которых могут выйти за допустимые пределы. Это влечет за собой дополнительные усилия со стороны инженерного персонала, поскольку все переменные, которым присваиваются данные, поступающие с измерительных точек, тогда приходиться формировать на уровне контроллеров, а затем повторять эту процедуру уже в системе мониторинга.  Однородная объектная модель  Ни для кого не секрет, что хорошо продуманная модель данных для системы автоматизации и контроля зданий – это прибыльный актив для всех: и для владельцев, и для подрядчиков, и для тех, кто это здание будет обслуживать. Особенно важно, чтобы выбранная модель данных соответствовала международному стандарту, принятому во многих странах. Однако однородную модель данных можно реализовать только через такую же однородную объектную модель, допускающую доступ к внутренним данным различных систем.

Изначально BACnet представлял собой протокол передачи данных, применяемый для организации сети контроля и автоматизации зданий. Разработчиком является Американское общество инженеров по отоплению, холодоснабжению и кондиционированию воздуха ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers). BACnet обеспечивает сетевую интеграцию таких систем, как: отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха, а также систем контроля освещения, систем контроля доступа и противопожарных систем. Но это далеко не полный перечень – ряд систем находится в разработке. Изначально протокол BACnet не был предназначен для использования в прикладных областях автоматизации малых жилых зданий, бытовой техники и электроники.

Протокол BACnet описывает:

1. Типы объектов, применяемых для обмена сообщениями.
2. Сервисы доступа к данным с описанием формата и синтаксиса сообщений.
3. Согласование передачи данных с другими форматами (в сетях LAN, WAN, Dial-up).
4. Интеграцию сетей передачи данных с образованием общего информационного пространства.
Протокол был разработан специально для применения в зданиях. К числу его функций относятся: сигнализация и обработка событий, расписание работы служб, анализ тенденций, расстановка приоритетов, логический контроль, обеспечение безопасности жизнедеятельности, а также организация объектов с контролем доступа. Однако следует помнить, что протокол не является узкоспециализированным по отношению к данным системам в целом. Его применение лишь обеспечивает условия для взаимодействия разнородных систем.

Типы объектов BACnet

Объекты BACnet представляют собой структуры, описывающие ввод/вывод данных и их обработку. Каждый объект характеризуется набором свойств, определяющих выполняемые им операции. В настоящей редакции стандарт BACnet выделяет 28 типов объектов. Например, аналоговый вход представлен объектом BACnet Analog Input, обладающим следующим набором свойств: представляемые данные, тип и расположение датчика, уровень срабатывания сигнализации и др. Некоторые из свойств являются обязательными, другие – дополнительными в зависимости от функционального использования.

Устройство представлено в сети целым комплексом виртуальных объектов, доступных публично (этим термином называют внешние логические структуры). А поскольку данные и процедуры, реализуемые устройством, представлены в сети в виде стандартных объектов и свойств, то и внутренние сообщения могут обрабатываться стандартным образом.

Объектно-ориентированная структура также способствует расширению функциональных возможностей протокола BACnet, определяя новые объекты и сервисы. Так были разработаны дополнительные датчики безопасности, которые впоследствии были одобрены комитетом BACnet и используются для контроля и предотвращения возгораний.

К числу других типов объектов, появившихся сравнительно недавно, относятся система видеонаблюдения, контроля доступа и другие системы, обеспечивающие безопасность жизнедеятельности. Также были разработаны вспомогательные системы интегрированного контроля освещения. В скором времени они будут включены в основной стандарт.

Прикладные службы

Вопросы коммуникации в рамках протокола BACnet исчерпывающе описываются в терминах свойств объектов.
1. Службы индикации и регистрации событий.
2. Службы считывания и записи данных.
3. Службы доступа к файлам.
4. Службы доступа к объектам.
5. Сетевые службы удаленного управления приборами.
6. Виртуальные терминалы (для инженерного персонала).
7. WEB-сервисы для интеграции с системами предприятий-поставщиков энергетических ресурсов на основе синтаксиса языка XML.

Язык программирования XML позволяет достаточно гибко описывать данные, чтобы передавать их по сетям на основе IP-протокола. Эти Web-сервисы лучше всего можно охарактеризовать в качестве приложений (как системных, так и объединяющих приборы), применяемых для связи внутри сетей Intranet, а также сети Интернет.

Эти сервисы необходимы для работы планировщика (календаря), с помощью которых производятся действия по расписанию. Также они необходимы для анализа тенденций на основе информации из Log-файлов, где записываются аналоговые значения величин и события.

Философия обмена данными в протоколе BACnet соответствует взаимодействию типа «клиент-сервер». Однако она функционально подходит далеко не для всех устройств. Поэтому дополнения к протоколу BACnet обеспечивают процедуры, необходимые для правильной работы этих приложений и служб. Примером тому может выступить расстановка приоритетов для службы уведомления о событиях и поступления команд.

К числу иных процедур, требующих дополнений, относятся запускаемые при старте системы, контролирующие восстановление энергоснабжения, определяющие характер сбоев с расширенным описанием ошибок и отказов, а также коды возврата при неудачном проведения операции.

Варианты организации сети BACnet

Протокол BACnet обеспечивает широкое разнообразие вариантов передачи данных. К их числу относятся:
1. Ethernet, IEC 8802-3;
2. ARCNET, ATA/ANSI 878.1;
3. Master-Slave/Token-Passing (MS/TP), ISO 16484-5, EIA RS 485;
4. Point-to-Point (PTP), EIA RS 232-C;
5. LonTalk (компания Echelon), EIA/CEA 709.1-B;
6. BACnet/IP (Интернет-протокол);
7. BACnet/WS (Web службы), ISO 16484-5 Am. 2004-c;
8. На стадии обсуждения находятся беспроводные сети, такие как: ZigBee, Bluetooth, WLAN (они уже поддерживаются протоколом Ethernet/IP).

Первый из вариантов (ISO 8802-3), более известный как Ethernet, используется также совместно с Интернет-протоколом (IP). Он обеспечивает самый быстрый обмен данными и обычно используется для соединения рабочих станций, контроллеров и внешних устройств класса high-end. Ethernet совместно с Интернет-протоколом получил развитие как наиболее перспективный в будущем метод передачи данных.

Второй вариант (ARCNET) представляет собой менее производительную, но более дешевую версию сетевого решения, распространенную, в основном, в США. В рамках протокола BACnet определен вариант обмена данными через сеть MS/TP (master-slave/token-passing), специально разработанную для работы через витую пару. Также используется и сетевое решение LonTalk от компании Echelon. Варианты Ethernet/IP, ARCNET и LonTalk поддерживают все разнообразие периферийных устройств. Протокол BACnet также включает в себя dialup соединение под управлением point-to-point протокола, иначе называемого PTP. Этот вид соединения используется для коммутируемого соединения (собственно, dial-up, что означает «дозвон») либо для некоммутируемого соединения EIA-232 (которое тоже осуществляется через телефонную пару).

Ключевым моментом является то, что для протокола BACnet не принципиально, какая технология локальных сетей (LAN) используется. Это позволяет легко объединять различные технологии локальных сетей в единую систему. Службы BACnet/WS (от Web Services) облегчают интеграцию системы автоматизации и управления зданиями. Они позволяют задавать расписание событий, экономить энергию, осуществлять профилактическое обслуживание, а также многое другое – причем реализовано это на основе кодов XML, SOAP и других возможностей Интернет-протокола.

Техническая поддержка BACnet

Согласно концепции «непрерывного обслуживания», принятой в рамках ASHRAE, система автоматизации зданий BACnet поддерживается всеми отраслями промышленности (комитет SSPC 135), причем не только в странах Европы, но и Азии. Комитет представляет следующие рабочие группы:
1. Приложения (AP-WG);
2. Вопросы организации Интернет-протокола (IP-WG);
3. Управление системой освещения (LA-WG);
4. Охранная и противопожарная системы безопасности (LSS-WG);
5. Вопросы организации локальных сетей MS/TP LAN (MS/TP-WG);
6. Сетевая безопасность (NS-WG);
7. Объекты и службы (OS-WG);
8. Интеграция служб (UI-WG);
9. Язык XML (XML-WG).

Свои поправки может предложить не только член комитета, но и любой другой человек. Все поправки представляются для публичного ознакомления и выносятся на обсуждение. Поддерживаются официальные отношения со следующими организациями: CEN/TC247 (Автоматизации и менеджмент зданий); IEIEJ (Японский институт инженеров-электриков); NEMA (Национальная ассоциация изготовителей электрооборудования); SIA (Ассоциация промышленной безопасности); SWEDVAC (Шведское общество отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха).

BACnet и вопросы соответствия

Открытая система коммуникации разрабатывалась для того, чтобы обеспечивать возможность монтажа и совместной работы разнородных систем, различающихся не только сферами применения, но и фирмами-изготовителями. При разработке программного обеспечения (например, интерфейсы взаимодействия с пользователем или коммуникационные протоколы) не всегда удается избежать ошибок. Именно поэтому так необходимо проверять устройства на соответствие применяемой спецификации или стандарта. Для международного стандарта BACnet уже разработана такая спецификация (EN ISO 16484-6). Ассоциация BACnet International создала сеть испытательных лабораторий BACnet Testing Laboratories в США, Европе и Индии (BTL – знак соответствия стандарту BACnet).

Цель этих испытаний – проверка на соответствие реакции проверяемого программного обеспечения основным параметрам протокола. Специально уполномоченные институты проводят испытания в стандартных условиях тестирования. Это гарантия того, что все составляющие проверяются в идентичных условиях. Однако подобные испытания не обеспечивают понимания динамики поведения исследуемого объекта как части единой системы. Только тест на способность частей системы к взаимодействию способен показать, как разнородные составляющие поведут себя, будучи объединенными в едином проекте и поставленными в условия нарушения функционирования. Но подобная проверка стоит очень дорого, так что эту задачу лучше поручить заслуживающей доверия организации.

Испытание на соответствие стандарту BACnet

В 2003 году в печати появился метод проверки на соответствие стандарту BACnet в виде сопутствующего стандарта ANSI/ASHRAE 135.1. Функциональные возможности различного оборудования в рамках BACnet представлены на веб-сайте www.bacnetassociation.org.

Требования к процедурам тестирования доступны публично. Большую часть применяемых программных средств, вы найдете на http://sourceforge.net/projects/vts. В Европе разрабатывается собственное тестовое программное обеспечение, распространяемое ассоциацией BIG-EU (www.big-eu.org). Производители оборудования теперь могут сами проводить испытания в своих лабораториях еще до того, как оно попадет на рынок. В Северной Америке и Европе укрепляется тенденция проведения совместных испытаний, программные продукты для которых будут заноситься в перечни на сайтах. По итогам испытаний функциональных возможностей устройств в сети BACnet, которые проводятся самими производителями, изделия либо вносятся в список BTL либо нет.

На основе стандарта BACnet выдается сертификат соответствия PICS (Protocol Implementation Conformance Statement – Сертификат соответствия реализации протокола), а также спецификации BIBB (BACnet Interoperability Building Blocks – Блоки взаимодействия в рамках BACnet). Это позволяет точно оценивать способность составных частей (устройств) к взаимодействию. Классификация BACnet-устройств производится в соответствии с профилями оборудования. Каждый элемент автоматизации зданий (будь-то: рабочая станция, контроллеры дистанционного управления или контроля программных приложений и т.п., а также «умные» сенсоры и приводы устройств) состоит из минимального количества блоков BIBB.

Блоки взаимодействия BIBB определяют функции, важные для эксплуатации и мониторинга специальных объектов, которые, в свою очередь, делятся на объекты: информационной инфраструктуры, обработки сигналов тревоги и событий, планировщик, блок анализа тенденций, а также системы управления сетью и конечными приборами.
Сертификат соответствия PICS поставляется самим производителем и должен содержать следующую информацию об устройствах:
1. Реализуемые приложениями типы объектов (ввод/вывод, планировщик и пр.).
2. Службы работы с приложениями и их роль (инициирующая, исполнительная).
3. Физический и более низкие уровни реализации протокола.
4. Поддерживаемые наборы символов.

Дистрибьюторы и пользователи BACnet

Сегодня наблюдается устойчивый рост числа дистрибьюторов систем на основе протокола BACnet. Так в мае 2007 года было зарегистрировано 255 дистрибьюторских компаний-представителей из 29 стран мира. Конечным пользователям уже установлены десятки тысяч систем, сложность которых варьируется от оснащения современной техникой ворот до автоматизации огромных офисных зданий. При этом автоматизация в рамках системы BACnet идет централизованно сверху вниз. Возможности автоматизации позволяют оснащать не только отдельные здания, но и целые институтские городки. В более чем 82 странах мира на всех континентах разворачиваются системы автоматизации, охватывающие целые группы зданий.

Преимущества BACnet

Протокол BACnet был разработан специально для интеграции разнородных инженерных систем в зданиях. Система автоматизации на основе BACnet берет на себя выполнение следующих функций: сигнализация и обработка событий; планировщик; анализ тенденций; расстановка приоритетов команд; логический контроль; обеспечение охраны и безопасности. Напоминание (!): Применение протокола BACnet не является определяющим для реализации системы автоматизации в целом. Данный протокол лишь определяет возможность совместной работы разнородных элементов системы автоматизации.

Итак, подведем обобщающие итоги:
1. Концепция BACnet не зависит от состояния технологического развития.
– BACnet реализуется именно через программное обеспечение, а не аппаратные средства,
– объекты и службы автоматизации BACnet не зависят от лежащих в их основе сетевых технологий,
– BACnet/WS позволяет реализовать систему автоматизации и контроля зданий на корпоративном уровне.
2. BACnet не имеет никакой фиксированной архитектуры.
– BACnet-устройства можно присоединять к системной шине в плоской топологии,
– BACnet-устройства можно соединять в иерархические структуры.
3. Протокол BACnet может быть реализован в любых масштабах. Его компоненты:
– программируемые контроллеры общего назначения,
– конфигурируемые контроллеры программных комплексов,
– контроллеры отдельных программных приложений,
– рабочие станции и веб-серверы,
– сетевые устройства и анализаторы данных.
4. Системы BACnet легко расширяемы и обновляемы, потому что построены на основе объектной модели.
5. Системы BACnet полностью освобождены от лицензионных и прочих выплат, то есть абсолютно бесплатны.

К размышлению.
О вопросах ответственности

Для клиента одним из сильнейших аргументов заключения контракта с единым поставщиком является то, что именно этот поставщик будет нести ответственность за ошибки работы системы. Очевидно, что интеграция разнородных систем ограничена тем, что нет единого производителя или поставщика компонентов.

Ошибки и сложности, появляющиеся на этапе интеграции компонентов или эксплуатации системы (например, ложные срабатывания или отказы сигнализации, неправильные действия автоматики), неизбежно ведут к проблеме – кто возьмет на себя возмещение ущерба? Другая проблема состоит в том, чтобы каждому поставщику оборудования и программного обеспечения суметь распределить свою долю ответственности за нарушение работы системы. Например, бесконечным источником ошибок могут стать, так называемые, «внешние» системы, поэтому особенно важны вопросы страхования (особенно в случаях, где речь идет об обеспечении безопасности жизнедеятельности).

Интеграция систем безопасности и сигнализации с другими системами станет реальностью, если найти способ заранее выявлять неисправности системы, а также документировать все внешние воздействия на систему пожарно-охранной сигнализации. Сочетание автономных систем пожарно-охранной сигнализации с системами автоматизации и контроля зданий станет реальным, если компании возьмут на себя ответственность создавать такие интерфейсы, с помощью которых можно отслеживать все внешние воздействия на систему безопасности.

Не зависимо от того, будет ли иметь популярность идея интеграции в будущем или нет, нам не следует поддаваться соблазну выдавать желаемое за действительное и идти на поводу у идеализированных представлений о технической осуществимости этих систем. Если говорить серьезно об интегрированных системах, то не следует забывать и о человеческом факторе. Рассуждая о проектах интеграции, мы обычно предполагаем, что поставщик «объединенных систем» заслуживает доверия и выступает в роли генерального директора проекта. Это гарантирует необходимую цельность при проектировании системы автоматизации зданий.