CC BY
108
УДК 681.51
Информационное и программное обеспечение автоматизированного проектирования интеллектуального здания
Александр Вячеславович Силуянов, к.т.н., проф., начальник управления информатизации и средств связи МАТИ, зав. каф. «Системное моделирование и инженерная графика», e-mail: ctcmati@yandex.ru
Илья Николаевич Пономаренко, аспирант, e-mail: scoboman@gmail.com ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского», Москва
Разработана математическая модель, которая описывает процесс проектирования информационных управляющих систем интеллектуальных зданий (ИУСИЗ); на основе данной модели рассмотрен пример моделирования, включающий в себя все этапы разработки конечной ИУСИЗ; показано, что основная особенность приведенного подхода заключается в том, что он учитывает все аспекты создания ИУСИЗ, а именно географическое описание физических элементов системы, их функциональное и коммутационное разделение, проектирование логики работы, разработку алгоритмов функционирования системы и документации.
The authors worked out a mathematical model that describes the process of designing information management systems of intelligent buildings (IMSIB). On the basis of this model the authors considered an example of simulation, including all the stages of IMSIB development. it is shown that the main feature of the this approach is that it considers all aspects of IMSIB, namely the geographical description of the physical elements of the system, their functional and switching separation, design of logic, the development of algorithms for system operation and documentation.
Ключевые слова: информационные управляющие системы интеллектуальных зданий, функциональные блоки, коммутационные схемы, визуальное конфигурирование.
Keywords: information management systems of intelligent buildings, function blocks, switching circuits, visual configuration.
Проектирование технического объекта - это создание, преобразование и представление в принятой форме образа еще не существующего объекта [1]. При проектировании информационных управляющих систем интеллектуальных зданий (ИУСИЗ) понятие «принятой формы образа» на сегодняшний день только формируется, поскольку процесс разработки и внедрения ИУСИЗ является многокомпонентной и многоуровневой задачей, требующей комплексного подхода [2]. Однако очевиден факт проектирования таких систем при помощи средств автоматизации и, в первую очередь, компьютерных средств. Современная ИУСИЗ по своей сути является программноаппаратным комплексом, соответственно, ее проектирование сводится к проектированию аппаратной части (технического объекта) и структурнологической части (программного продукта). Такое разделение обусловлено различными способами проектирования и стадиями получения результата. Для аппаратной части результатом проектирования служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для приобрете-
ния оборудования, его монтажа и коммутации аппаратуры. Проектирование программного обеспечения предпочтительнее вести несколько другими методами, например методом, сформулированном в Agile Manifesto, согласно которому процессы проектирования и непосредственного создания самого ПО происходят одновременно. Результат проектирования (документация) интегрирован в сам продукт, и завершение проектирования заканчивается на стадии реализации.
На первом этапе проектирования - проведения исходного описания объекта - выявляются отдельные свойства и функции будущей ИУСИЗ, некоторые из них могут быть впоследствии реализованы как исключительно на аппаратном уровне, так и с использованием программной логики. Решения о передаче реализации таких функций ИУСИЗ программной или аппаратной части могут меняться в процессе проектирования. Поэтому связь между этими процессами необходима в течение всего процесса проектирования, причем на уровне взаимодействия средств САПР в режиме on-line. Результатом данного этапа является опре-
деленный набор функций ИУСИЗ и география их применения.
Второй этап предполагает выбор одной или нескольких платформ, на базе которых может быть реализована ИУСИЗ, а также примерного перечня оборудования и места его дислокации. Эффективная разработка «формы образа» результатов этого этапа подразумевает использование некоторых математических описаний и моделей, которые являются исходными данными для САПР ИУСИЗ, применяемых на следующих стадиях проектирования.
Далее проектирование ведется по двум направлениям: оценивается функционал системы, а также места его применения и дислокация оборудования.
Рассмотрим пример моделирования ИУСИЗ [3].
Определим ряд понятий. Обозначим информационную управляющую систему интеллектуального здания как S, она разбита на ряд подсистем (сервисов) Si (i = 1, ..., n), каждая из которых выполняет свою функциональную задачу. Таким образом, ИУСИЗ представляет собой множество подсистем управления
S = {Si,S2,...,S„}.
Выполнение функциональных задач ИУСИЗ осуществляется через взаимодействие с устройствами так называемого «полевого» уровня. «Полевой» уровень содержит устройства, связанные с контроллерами уровня автоматизации, такие как датчики температуры, влажности, уровня, давления и всевозможные переключатели. Также «полевой» уровень включает в себя элементы управления, например клапаны, задвижки, исполнительные устройства, реле управления и др.
В соответствии с вышесказанным в ИУСИЗ существуют R (receiver) - подмножество элементов мониторинга диагностических устройств и O (operate) - подмножество органов управления исполнительными устройствами. Техническая система S в наиболее абстрактной форме задается в виде отношения S = X х Y над множествами X (вход) и Y (выход), но в реальных системах более естественным является использование отображения S: X ^ Y. В нашем случае будет иметь место следующее отображение:
S = R ^ O.
Для представления размещения сервисов ИУСИЗ введем описание каждой точки здания через набор параметров P. Этот набор должен однозначно определять точку здания без привязки к
существующей нумерации здания, что позволит быстро и гибко изменять географию системы в случае необходимости строительного переустройства части или всего здания. Для этого введем систему идентификаторов, построенную на основе плана здания или группы зданий (рис. 1).
Будем использовать следующие параметры:
• F - этаж, F = ^,F2,...,Ff}, f - число этажей
в здании;
• K- корпус (строение), К = {К1,К2,...,Kk}, k - число корпусов здания;
• Z - зона, Z = {%ъZ2,...,ZN^}, N - число зон в
здании;
• U- место (юнит), U = {и1,и2,.,иы}, ы - число различных мест здания, места могут иметь как численное, так и буквенное обозначение (например, к - холл, а - аудитория/кабинет, 5 - шахты, стояки, с - коридор и т.д.);
• В - устройство, В = {В1,В2,...,Ва}, с1 - число
типов устройств, используемых в здании. Разделение здания на зоны условно и не привязано к конкретным помещениям и инженерным системам. Таким образом, каждая зона здания Z однозначно определяется набором параметров ^, К, Z}. Общее число зон N в здании тогда будет равно
N =£ ±Ъ.
‘=1 у =1
где Nу - число зон ву-м корпусе на ‘-м этаже.
Таким образом, интеллектуальное здание Н будет представлять собой множество зон (г=1,... N.):
Н = {-^,Z2,■■■,ZNz }.
Каждая зона, в свою очередь, может состоять из различных помещений, а также определяться геометрическими параметрами.
Продолжая детализацию здания до точки, примем, что зона разделена на «места» (юниты), к ним относятся комнаты, холлы, слаботочные, силовые и пожарные шахты. В каждом месте может быть несколько устройств.
Устройство, в свою очередь, имеет какой-то тип, например, это может быть роутер, колодка, модуль расширения, считыватель, электромагнитный замок, геркон и т. д. Множество типов устройств в здании конечно и определено.
Таким образом, каждое устройство Р в системе может быть однозначно определено в виде
а)
б)_
Рис. 1. Разделение здания на области применения функционала ИУСИЗ: а - по корпусам; б - по зонам (А, Б, В - корпуса;
1, 2, 3 - зоны)
Р = {Р,К,X,и,Б}. Например, запись Р(2, А, 1, И, 3)
означает, что в корпусе А на 2-м этаже в холле 1-й зоны установлено устройство 3-го типа.
Некий набор устройств, общий функционал которых направлен на решение определенной задачи или ряда задач, образует так называемый функциональный блок. Например, считыватель смарт-карт, геркон и электромагнитный замок образуют функциональный блок «дверь со считывателем смарт-карт», который решает задачу ограничения доступа к помещению.
Алгоритм функционирования системы, относящийся к данному устройству или функциональному блоку, может быть выражен как некая функция ^ = /(х1,х2,...,хп), где х^ - устройство определенного типа; п - общее число устройств в блоке.
Список всех устройств, используемых в системе, формируется автоматически. Каждому устройству в этом списке присваивается уникальный идентификатор, соответствующий географическому расположению устройства.
Такая модель может быть положена в основу программного модуля разработки дислокационной схемы САПР ИУСИЗ (рис. 2).
Детализация схемы дислокации подразумевает разработку схем коммутации оборудования, исполнительных, задающих устройств, коммуникационных средств, блоков управления и интерфейсов.
Исходными данными для создания схем коммутации (рис. 3) является список устройств [4], которые будут коммутированы. Каждому устройству присваивается индекс точки размещения. Соответствующий индекс присваивается и блоку управления/мониторинга (далее блоку). Затем производится коммутация между блоком и конечным устройством. Из специального справочника выбирается тип коммутируемого кабеля, после чего определяется соответствие жил кабеля клеймам устройства и блока. Далее производится коммутация между блоками, контроллерами управления и компьютерами визуализации. Результатом данной работы является проект размещения устройств, блоков управления, контроллеров, компьютеров визуализации и физических соединений между ними. Используя специализируемые механизмы выборки, можно получить коммутационную схему для любого блока, устройства, контроллера и компьютера визуализации.
На схемы наносятся все элементы системы, им присваиваются либо номера, либо соответствующие имена, отмечаются трассы кабелей. Трассы кабелей разного назначения обозначаются разным цветом. Для наглядности каждую линию кабелей необходимо пронумеровать. Все монтажные шкафы, в которых располагается оборудование ИУСИЗ, также должны быть пронумерованы и отмечены на электронных схемах. Практическая
Электротехнические и информационные комплексы и системы № 1, т. 8, 2012 г.
ИшлвГфв ИюлатсрЮ Ихляторі 1
ЮКННКАЯ НОГК/&Я Д&-6 №к»шия
GDaGOaVrraVTCJi •LOW 20
GECUT ia 5M_9 s3*_10 Аятс*»ат ЗР^ОА АотсматЗР 4СА1 Иаоявтор28 ІЛззлятср29 IrtKfiSTCpjO Hivercpn Клмамша псиодоа хЪ-2 Клвмымм нмвда xs-i
aO»OD»VnnVrc_2 OCWrVic 23 'rtAaaj_rwr*«s WAGCK_pJui Ижлатор ІЛ»лзтс*>1 ІЛмлйтор2 ■: 'p. ' !
Схема
И ozp035 - Commutation _017 - Коммутация v.3.1.0 (12 578) Файл Віід Сервис Конфигурация Помощь
□ Ul
| Журнал 11 Коммутация |
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 80МБ из 494МБ | Щ
— | Bffil І ШКЗФ49 | Шкафб | Шкаф КПП красный [ Шкаф_КПП_компьюгеі> | Шкаф_КПП_с_кнопками Оощий_план шкаф6_ствйка | Шкаф_с БИРП54 [’ Шкафб4
Рис. 2. Пример разработки дислокации оборудования в САПР ИУСИЗ
Информационное и программное обеспечение автоматизированного проектирования..
Электротехнические и информационные комплексы и системы № 1, т. 8, 2012 г.
@ Ы Ш О & Л ІНІ \Л
73МБ из 494МБ
Рис. 3. Пример разработки схем коммутации в САПР ИУСИЗ
СИСТЕМЫ, СЕТИ И УСТРОЙСТВА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
реализация такой модели позволит безошибочно и оперативно разрабатывать проект коммутации, а также упростить периодическую актуализацию проектной документации в процессе эксплуатации.
Параллельно с разработкой дислокации и коммутации ведется проектирование логики работы ИУСИЗ, для которого в общем случае исходными данными могут являться следующие математические модели [3].
Предположим, перед ИУСИЗ определено множество функциональных задач Fa. Эти задачи подразделяются следующим образом:
Eb (engineering) - множество функциональных задач для автоматизации инженерных систем здания;
Sc (security) - множество функциональных задач для автоматизации систем безопасности;
Pd (purpose) - множество функциональных задач для автоматизации систем обеспечения целевых функций предприятия, размещенного в здании.
То есть справедливо следующее выражение:
Fa ={Eb + Sc + Pd } , a = b + C + d. (1)
Как уже отмечалось, в ИУСИЗ существует Я, (receiver) - подмножество элементов мониторинга диагностических устройств и Oj (operate) - подмножество органов управления исполнительными устройствами. В общем случае некое множество взаимодействующих с устройствами полевого уровня соединений Ck (connection) описывается выражением
ck ={q,c2 ,... , сп }, (2)
где
n=kE + kS+kP. (3)
При этом
kE kS kP
Jfk =ffE+-£с* +fcP.
1 1 1
Каждое соединение имеет свой набор характеристик, различаемых по типам, соединения могут совпадать по типам при обслуживании разнородных систем, входящих в ИУСИЗ.
Пусть элемент CE имеет характеристики типов
IfS tS tS 1
('1k, '2к lNS (к)к j,
1 < m < kS.
(б)
{f1k , f2k ,---,fNE (k)k }, 1 < m < kE.
Аналогично для элемента С£ -
ifP tP fP *
I'1k, '2k ,■■■,'NP (к )k j , и для элемента С£ -
1 < m < kP,
(4)
(5)
Поскольку типы характеристик соединений полевого уровня внутри каждой из подсистем Е, £ Р уникальны, максимальное необходимое число типов вычисляется по формуле
\т\ = \т (СЕ )| + \т (С8 )| + \т (СР )| =
кЕ к8 кР
= ТНЕ (к) + £^ (к ) + 1,*Р (к). (7)
к=1 к=1 к=1
Множество типов Т(СЕ), Т(С8) и Т (СР ) ,
имеющих непустые пересечения, в интегрированной системе целесообразно упорядочить для исключения дублирования, т. е. наличия одинаковых типов Ск в разных подсистемах ИУСИЗ. При этом можно минимизировать число необходимых типов Т' = тіп(Т) характеристик С к с переходом
к подмножествам Т (СЕ ),Т (С8) и Т (СР ):
T' = \Т (СЕ )| + \T (CS) - T (СЕ )| +
+It (СP) - t (cS) - t (СЕ )|.
(8)
Если предположить, что ИУСИЗ имеет в своем составе некоторое число подсистем для решения задач одного функционального направления, то тогда число подсистем (д) может быть неограниченно и для общего случая:
*2
T '=Е
i=1
i-1
T (сС1) -Е (CJ)
j=1
(9)
Эти модели в общем виде могут являться исходными данными для проектирования логических связей ИУСИЗ.
Проектирование логики работы может производиться в различных средах и на специализированных языках типа SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). Такой процесс проектирования подразумевает вовлечение аналитиков и программистов, которые являются посредниками между инженерами и средствами разработки. Поэтому в последнее время все более популярными становятся средства визуального программирования, не требующие специальных навыков [5]. Например, программы конфигураторы ИУСИЗ. При помощи такого приложения определяется логика работы, т.е. создается конфигурация (рис. 4).
Перед началом разработки конфигурации необходимо выделить функциональные блоки. Функциональный блок это набор из элементов управле-
оо
К
и
к
те
к
к
<я
и
о
&
<я
&
О
&
8
о
к
л
ч
й
л
С
и
8
0-
ния и управляемого устройства. Название каждого компонента состоит из следующих частей:
• название вкладки, на которой он будет располагаться;
номер этажа, на котором находится элемент управления;
номер зоны, в которой он будет располагаться; название функционального блока; название элемента.
В зависимости от управляемого устройства используются различные элементы управления, определяющие режим работы этого устройства. В конфигураторе должны быть представлены элементы управления для множества различных устройств, а также элементы индикации состояния, переходов между вкладками и активации сцен работы оборудования.
Список функциональных блоков позволяет структурировать алгоритм, разработанный в программе таким образом, чтобы облегчить доступ к каждой функции системы и получить список всех устройств и программных компонентов, связанных с ней.
Рассмотрим пример функционального блока, где основными задачами системы контроля и управления доступом (СКУД) являются контроль и разграничение доступа на территории объекта автоматизации. Двери, турникеты, шлюзы и шлагбаумы называются точками доступа и являются узловыми точками конфигурации (рис. 5).
Рис. 5. Функциональная схема (блок) реализации точки доступа «Дверь с электромагнитным замком и считывателем 8шаг1;-карт»
Функциональный блок, функционал которого будет направлен на реализацию задачи обеспечения контроля доступа через данную точку доступа, будет иметь следующую структуру:
Дверь_1
Места
• Место двери с электромагнитным замком
• Место контроллера
Устройства
• Дверь с электромагнитным замком
• Геркон
Модули
• Считыватель 8шаг1-карт
Контроллеры
• Контроллер Компоненты
• Модули
о Я1 (Считыватель кодов)
о Е1 (Эффектор 1)
о 81 (Сенсор 1)
• Реализация точки доступа
• Проверка кода карты
• Адаптер базы данных
• Визуализация точки доступа
Данная структура содержит все программные и аппаратные объекты и места на плане здания, а соответственно, и всю необходимую информацию для работы с данной частью алгоритма системы СКУД.
Структура управляющего алгоритма, разбитая на функциональные блоки, позволяет рассматривать систему как набор элементов, направленных на решение задач, поставленных перед системой. При помощи конфигуратора определяется, каким образом компоненты должны взаимодействовать между собой. Исходя из поставленной задачи инженер-проектировщик выбирает компоненты, связывает их и распределяет по контроллерам. Конфигуратор имеет удобный пользовательский интерфейс как по созданию конфигурации, так и по общему управлению экземплярами. Вся логика работы определяется инженером-проектировщиком визуально, без участия программистов.
Таким образом, представленные современные средства автоматизированного проектирования информационных систем интеллектуальных зданий позволяют не только эффективно проектировать и разрабатывать конечный продукт, но и вести актуальную документацию конкретной ИУСИЗ при ее эксплуатации или переустройстве.
ЛИТЕРАТУРА
1. Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования: учеб. для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2009.
2. Силуянов А. В. Методология проектирования информа-ционно-управляющих систем организационнотехнического комплекса // Информационный бюллетень «Автоматизация зданий». 2010. Вып. № 3 (36).
3. Системное моделирование и инженерная графика: Сб. трудов, посвященный 70-летию кафедры / Под общ. ред. А. В. Силуянова. М.: РиК им. Русанова. 2010.
4. Квашнин В. М., Силуянов А. В. Принципы проектирования систем интеллектуального управления на базе платформы «БСОВО» // Мат. Всероссийской научн.-техн. конф. «Новые материалы и технологии». НМТ-2010.
5. Силуянов А. В., Силуянов А. В. БсоЪо - новое решение для инсталляторов систем «Умный дом» // Автоматизация зданий: Информационный бюллетень. 2009. Вып. №9 (34).
Поступила 18.11.2011 г.
