Системы автоматизации зданий на базе сети BACnet

С. В. Золотарев,

А. В. Фрейдман

Введение

Основное назначение любого здания – быть укрытием от внешней среды, создавать комфортные условия для пребывания человека. Первые технические средства, появившиеся в зданиях, были системами отопления (камины и печи). Автоматизированные системы отопления с регуляторами температуры аналогового управления существуют уже более 70 лет. Новая эра в автоматизации зданий началась около 25 лет назад, когда появились первые микропроцессоры, обеспечившие числовое программное управление. Они позволили создавать распределенные управляющие и мониторинговые системы отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК). В англоязычной литературе для таких систем закрепился термин-аббревиатура HVAC – Heat, Ventilation & Air Conditioning. С помощью этих систем автоматизированного управления стало возможно обеспечивать эксплуатацию зданий с большими площадями относительно небольшими службами.

Рисунок 1. Логотип BACnet, включающий в себя логотип ASHRAE

Параллельно с этим развивались программно-управляемые системы охранной и пожарной сигнализации, видеомониторинга, системы управления освещением, вертикальным транспортом (лифтами и эскалаторами), а также телефонные сети и сети передачи данных. Помимо того, что все эти системы были полностью автономными и требовали каждый раз отдельной кабельной проводки, системы одного назначения (например, системы ОВК) разных производителей с точки зрения управляющих функций были полностью несовместимы между собой. Они использовали свои закрытые фирменные протоколы связи и не предусматривали никаких общепринятых интерфейсов для взаимодействия с системами других производителей. В начале 1990-х годов необходимость стандартизации систем управления для развития отрасли осознавалась практически всеми производителями оборудования.

Тогда Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)* началась работа по созданию отраслевого стандарта сетевого протокола, результатом которой стало появление BACnet. Протокол BACnet стал американским стандартом ANSI/ASHRAE 135 в 1995 году. В настоящее время он является основой для разработки стандарта европейского сообщества (в организации CEN), а также для всемирного стандарта ISO (Международной организации по стандартизации), где рассматривается техническим комитетом 205 (по внутренней среде здания) для включения в стандарт группы ISO 16484.

В России внедрение протокола BACnet осуществляется при реализации проектов, в которых используется BACnet-совместимое оборудование таких фирм, как «Alerton», «Sauter» и др.

Разработка отраслевого стандарта АВОК на системы автоматизации зданий ведется с учетом необходимости его гармонизации с будущим стандартом ISO 16484, в который, как планируется, войдет протокол BACnet, и поэтому знакомство с ним будет полезно отечественным специалистам отрасли.

Протокол BACnet

Название протокола BACnet представляет собой аббревиатуру Building Automation and Control Networks (сети автоматизации и управления зданий). Он разрабатывался комитетом ASHRAE в течение 8,5 лет. Первый вариант был принят в 1995 году. В 2001 году была принята последняя редакция стандарта.

BACnet представляет собой специализированный протокол передачи данных для автоматизации зданий и управляющих сетей. Его главный приоритет сосредоточен на уровне прикладной задачи.

Протоколом BACnet регламентируются:

- Параметры электрических сигналов.

- Система адресации.

- Способы сетевого доступа (Master-Slave, Peer-to-Peer).

- Процедуры проверки ошибок.

- Процедуры управления потоком (Flow control).

- Последовательность сообщений, система сегментации, наличие контрольных точек.

- Формат представления (упаковки, шифрования).

- Формат сообщений.

Последовательность разработки протокола BACnet была следующей.

Вначале был определен вид или модель, по которой каждый производитель может представить схему своего устройства. Следующим этапом был задан стандарт «сообщений» или услуг, который использует модель и выполняет другие общие функции. Затем было достигнуто соглашение о том, что считать «0» и «1». Наконец, было принято соглашение о том, какие использовать стандарты физических носителей, передачи данных и сетей (LAN). Рассмотрим подробнее составляющие протокола.

Объекты BACnet

Каждый объект в сети BACnet характеризуется набором «свойств», которые описывают его поведение или управляют его работой. На рис. 2 представлен пример объекта, который соответствует измеряемой в помещении температуре.

BACnet определяет набор стандартных объектов. В примере на рис. 2 параметр тип объекта (Object_Type) идентифицирует его как стандартный объект Analog Input.

Рисунок 2. Пример объекта BACnet

На следующем рисунке представлен набор основных стандартных объектов BACnet (не всех). Предполагается, что в дальнейшем будут появляться новые стандартные объекты. Кроме того, стандартом оговорено допущение на использование разработчиками своих собственных объектов, а также способы взаимодействия с ними со стороны устройств сторонних производителей.

Рисунок 3. Стандартные объекты BACnet

Любое устройство в сети BACnet описывается в виде набора стандартных объектов. Причем количество одинаковых объектов, составляющих устройство, не ограничено.

На рис. 4 представлен пример устройства, которое состоит из набора следующих объектов: устройство (DEVICE), цикл (LOOP), расписание (SHEDULE), группа (GROUP), аналоговое значение (AV), двоичный ввод (BI), двоичный вывод (BI), аналоговый ввод (BO) и аналоговый вывод (AO). На практике устройство обычно состоит из нескольких объектов «аналоговый ввод», нескольких объектов «двоичный ввод» и т. д.

Рисунок 4. Пример модели физического устройства при описании с помощью стандартных объектов BACnet

Стандартом BACnet заданы следующие классы прикладных задач, которые выполняют устройства:

- тревоги и события;

- доступ к файлам;

- доступ к объектам;

- управление удаленным устройством;

- виртуальный терминал.

Эти классы прикладных задач описаны набором услуг (Services), которые выполняются определенным классом задач. Например, для класса прикладных задач «доступ к объекту» заданы следующие услуги:

- ReadProperty

- CreateObject

- ReadPropertyConditional

- DeleteObject

- ReadPropertyMultiple

- AddListElement

- WriteProperty

- RemoveListElement

- WritePropertyMultiple

Эта подробная регламентация позволяет представить все многообразие устройств и решаемых ими задач в сети BACnet.

Транспортный уровень

Помимо прикладного уровня протокол BACnet описывает возможные опции локальной сети. Первоначально протокол допускал использование следующих сетевых технологий:

- Ethernet;

- ARCNET;

- Master-Slave/Token Passing (MS/TP);

- Point-to-Point (PTP);

- LonTalk.

Эти опции обеспечивают различные характеристики сети, покрывая специфические потребности конкретных приложений. В таблице представлены некоторые характеристики этих сетей.

Кроме того, последнее дополнение к протоколу 135a определяет понятие виртуальной сети – «Virtual LAN», которое дает возможность использовать такие сети, как TCP/IP, ATM и т. д.

В случае когда приложение использует лишь один тип «родной» локальной сети BACnet, каждое устройство любого производителя может напрямую обращаться к другому устройству произвольного изготовителя. Таким образом, этот тип LAN предусматривает прямую связь устройство-к-устройству.

Если приложение представляет собой объединение различных «родных» LAN, то связь устройств, находящихся в разных сетях, осуществляется через маршрутизаторы. Маршрутизаторы всего лишь переупаковывают сообщения BACnet в соответствии с определенным стандартом данной сети.

Для связи с частными сетями требуется наличие специализированных шлюзов, которые при переупаковке сообщений BACnet должны, кроме того, осуществлять их «перевод» на язык соответствующего частного протокола.

Проиллюстрируем взаимодействие BACnet-системы с различными (стандартными и нестандартными) сетями LAN схемой интеграции системы BACtalk фирмы «Alerton» (www.alerton.com), первой в отрасли BACnet-системы, в продуктах которой реализован «родной» сетевой стандарт – MS/TP. На верхнем уровне здесь широко используется сеть Ethernet.

Для взаимодействия через IP-сети BACnet предусматривает 2 режима работы:

- туннелирование IP-сообщений;

- использование BACnet/IP.

	Рисунок 5. (подробнее) Взаимодействие устройств BACnet через одну из стандартных LAN
	Рисунок 6. (подробнее) Взаимодействие устройств BACnet в «смеси» стандартных LAN
	Рисунок 7. (подробнее) Взаимодействие устройств BACnet с устройствами в частных LAN

Концепция BVLL

Как уже упоминалось, в последнем дополнении к протоколу 135a вводится понятие «Слой виртуального подключения BACnet» (BACnet Virtual Link Layer – BVLL). В соответствии с концепцией BVLL устройство BACnet/IP имеет доступ к инфраструктуре IP, как если бы это была какая-то LAN частного типа. Подключение такого типа называется «виртуальным подключением» («virtual data link»). Оно позволяет удобным образом использовать такие сети, как ATM, SONET, Frame Relay, ISDN и другие, даже те, которые могут появиться в дальнейшем. Если передача сообщений между устройствами BACnet/IP через Internet идет напрямую, то широковещательная передача обеспечивается посредством специализированного устройства BACnet/IP Broadcast Management Device (BBMD).

Через BBMD осуществляется также регистрация внешнего по отношению к cети BACnet устройства. При использовании BACnet/IP «внешнее устройство» может через интернет-провайдера присоединиться к BACnet.

	Рисунок 8. (подробнее) Туннелирование IP-сообщений При IP-туннелировании устройству не требуется «понимание» протокола IP. Большую часть работы с протоколом IP берет на себя специализированный маршрутизатор, который называется Annex H Router. Это название обусловлено тем, что именно в приложении H описаны функции, которые он выполняет.
	Рисунок 9. (подробнее) Использование BACnet/IP При использовании BACnet/IP каждое устройство является полноценным узлом IP. Оно имеет свой IP-адрес, стек протокола IP и всю работу с протоколом IP выполняет самостоятельно. Устройства передают сообщения через Internet напрямую без посредников.
	Рисунок 10. (подробнее) Широковещательная передача со стороны устройства BACnet/IP
	Рисунок 11. (подробнее) Взаимодействие BACnet с «внешним устройством» из Интернета

Программное обеспечение для работы с сетями BACnet

BACtalk for Windows

BACtalk для Windows фирмы «Alerton» – это программное обеспечение, которое предоставляет возможности управления оборудованием здания с персонального компьютера (операторского терминала). BACtalk для Windows осуществляет связь с полевыми устройствами BACtalk, а также с BACnet-совместимыми устройствами любых производителей через сеть Ethernet, через последовательное соединение точка-точка (через модем или нуль-модемный кабель). Характерной особенностью BACtalk для Windows является расширенная графическая библиотека, предназначенная для создания интуитивно ясных мнемосхем на рабочем месте оператора. Живая трехмерная анимация и полноцветная графика дают оператору возможности очень простого управления (показ-щелчок) данными в реальном времени. Встроенные изображения, поэтажные схемы строения, специфического оборудования систем ОВК – все это можно адаптировать для любого здания, основываясь на растровых изображениях. Возможен импорт растровых изображений из систем САПР и из других графических приложений.

BACtalk для Windows поддерживает полный диапазон функций, включая определенные в BACnet расписания, регистраторы трендов (в текстовом и графическом форматах), регистраторы потребления энергии, ограничители потребления энергии, элементы Active X, регистраторы действий обитателей помещения и операторов, управляющих системой. Поддерживается механизм защиты от несанкционированного доступа пользователей к ресурсам системы управления.

Характеристики локальных сетей

Тип локальной сети Стандарт Скорость передачи данных Размер пакета, байт Стоимость Ethernet ISO/IEC 8802-3 10–100 Mб/с 1 515 Высокая ARCNET ATA/ANSI 878.1 10–100 Mб/с 501 Средняя MS/TP ANSI/ASHRAE 135-1995 0,156–10 Mб/с 501 Низкая LonTalk ANSI/EIA 709.1-A-1999 4,8–1 250 кб/с 228 Зависит от физиче- ского носителя

VisualLogic

С помощью пакета VisualLogic фирмы «Alerton» создается алгоритм управления системы BACtalk. Данное программное обеспечение имеет полноценную графическую среду на базе MS Visio для разработки простым перемещением функций из универсальной библиотеки. Одновременно с разработкой программ создается и документация. VisualLogic может работать автономно для разработки локальной логики или может быть вызван из пакета диспетчерского управления BACtalk for Windows для создания сложных алгоритмов распределенных систем управления и/или создания SCADA-систем.

WEBtalk

Система WEBtalk фирмы «Alerton» автоматически cчитывает данные из системы автоматизации здания и транслирует эти данные в web-страницы. Простой вход пользователя через web-браузер дает вам доступ к данным системы. Данные могут быть представлены в графической интуитивно понятной форме. Для доступа к этим данным нужны соответствующие права доступа. На рабочем месте обслуживающего персонала достаточно иметь стандартный web-браузер, чтобы осуществлять полный контроль и мониторинг всех подсистем обслуживаемого здания. Кроме того, используя в качестве клиентской программы web-браузер возможно индивидуальное управление через WEBtalk отдельными помещениями их арендаторами. Тем самым исключается необходимость поддержки и обслуживания клиентской программы со стороны сервисной службы здания.

Страницы WEBtalk имеют внешний вид, практически идентичный с дисплеями данных BACtalk, поэтому персоналу на рабочих местах системы и арендаторам не сложно с этим освоиться. Ядро интерфейса, которое они будут использовать для контроля и мониторинга, настраивается так же, как и интерфейс операторского терминала BACtalk.

Сердце системы WEBtalk – это WEBtalk IPort. Это сетевое устройство, которое и транслирует данные системы автоматизации здания в web-страницы. IPort – это аппаратура серверного класса, которая предназначена для круглосуточной непрерывной работы без обслуживания. Это устройство выключается при снятии питающего напряжения и вновь автоматически включается при его подаче.

Заключение

Сети BACnet пока мало известны в России, хотя они обладают рядом неоспоримых достоинств. Главным из этих достоинств является возможность осуществления проектов без привязки к конкретному производителю – возможна легкая замена и модернизация оборудования, в том числе на уровне отдельных функциональных элементов.

Системные интеграторы и специализированные проектные организации, занимающиеся внедрением систем автоматизации зданий, осуществляя проекты с использованием сетей BACnet, смогут иметь возможность разработки комплексных мультивендорных систем, т. е. использующих оборудование различного функционального назначения и различных производителей.

Отечественные предприятия, выпускающие устройства для систем жизнеобеспечения зданий, реализовав в своих изделиях протокол BACnet, повысят конкурентоспособность своей продукции, в особенности на внешних рынках.

В настоящее время соответствующие специализированные BACnet-контроллеры, драйверы BACnet, прикладные программы для систем мониторинга и удаленного диспетчерского управления – все составляющие сетей BACnet – доступны на российском рынке. Их поддержка обеспечивается высококвалифицированными специалистами, знакомыми с BACnet и имеющими опыт самостоятельной реализации протокола.

Внедрение BACnet должно способствовать внедрению передовых, экономичных систем автоматизации зданий.