CC BY
70
В.В. Федоров
к вопросу о СОЗДАНИИ "ИТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ЗДАНИЯ"
Сегодня современное здание или частное жильё независимо от своего масштаба может содержать в себе до сорока различных высокотехнологичных инженерных и телекоммуникационных систем и подсистем, таких, например, как электроснабжение и электроосвещение, жизнеобеспечение и безопасность, отопление, вентиляция и кондиционирование, СКС (структурированная кабельная сеть), ЛВС (локально-вычислительная сеть) и др.
Системы отличаются не только назначением и выполняемыми функциями, но и принципами работы (электрические, механические, электронные, гидравлические и т. д.), а также требуют необходимости прокладки большого числа разнородных кабельных трасс различного назначения и исполнения.
Каждая из этих систем поставляется производителем, как правило, в виде комплекта оборудования, на базе которого можно создать законченное решение с собственной системой контроля и управления. Такое решение приводит к возникновению множества проблем при проектировании и строительстве зданий и сооружений - квартир, коттеджей, бизнесцентров, гостиниц, аэропортов или, например, больниц.
Как отмечалось выше, в здании будет сосуществовать большое число разнородных сетей передачи данных для различных инженерных систем. Кроме удорожания монтажа владелец получает также усложнение дальнейшей эксплуатации и модернизации таких сетей.
Проблема стандартного подхода при строительстве здания - отсутствие единой централизованной системы управления и мониторинга. Каждый оператор обучается управлению одной системой определённого производителя и видит только то, что происходит внутри его системы. Помимо неэффективного использования управляющего и обсуживающего персонала это приводит к повышению вероятности так называемого "человеческого" фактора. Ведь часто для принятия правильного решения необходимо иметь информацию не об одном параметре, а о
комплексе параметров в целом. Например, при срабатывании системы пожарной сигнализации недостаточно включить систему оповещения и локализировать пожар, следует также выключить систему приточно-вытяжной вентиляции и заблокировать дальнейшее использование лифтов и эскалаторов.
Отсутствие единой системы управления в случае частного жилья приводит к появлению десятка разноплановых пультов дистанционного управления для совершенно разных приборов и систем начиная от телевизоров и заканчивая системой кондиционирования. Часто чтобы активировать несложный сценарий, например, "просмотр кино", необходимо найти несколько устройств управления и совершить ряд операций. Кроме инженерных сложностей по обслуживанию, адаптации и модернизации здания отметим также низкую информированность управляющей компании (в случае офисов или жильцов) о технических и экономических параметрах функционирования здания, сложной отчётности и невозможности мобильного и оперативного управления.
Во второй части статьи рассматривается модель "Интеллектуального здания". В заключение делаются основные выводы.
Модель "интеллектуального здания"
Понятие интеллектуального здания (ИЗ) было дано Институтом интеллектуального здания (Intelligent Building Institute - IBI.) в Вашингтоне в 70-е годы прошлого века как "здание, обеспечивающее продуктивное и эффективное использование рабочего пространства благодаря оптимизации его четырех основных элементов: структуры, систем, служб и управления, а также взаимоотношений между ними. Интеллектуальное здание помогает владельцам здания, управляющей компании и обитателям реализовать свои задачи в областях эффективности, комфорта, простоты, безопасности, долгосрочной гибкости и рыночной продуктивности" [1].
В 2001 году организация EIBG (European Intelligent Building Group) дала своё определение:
"Интеллектуальное здание создаёт окружение, которое позволяет организациям достигать свои бизнес цели и максимизирует эффективность сотрудников, в то же самое время позволяя эффективно управлять ресурсами с минимальными затратами на всём протяжении срока службы здания".
Говоря об "интеллектуальном здании", различают два понятия: собственно Интеллектуальное здание (этот термин применяется для объектов офисной недвижимости) и "умный дом" (прежде всего жилые постройки).
Интеллектуальным зданием (от англ. Intelligent Building) называют объект с такой архитектурой управления инженерными системами, когда автономно функционирующие инженерные системы и интегрированные системы жизнеобеспечения здания объединены единой интеллектуальной системой управления зданием (Building Management System, BMS). Кроме того, должно быть не менее двух-трех тысяч информационных точек, через которые поступает информация с контролируемых инженерных систем.
Умный дом - система автоматизированного управления жильем (квартирой, коттеджем), объединяющая, кроме систем управления коммунальным хозяйством, развлекательные системы (аудио и видео) и т. д., а также подразумевающая управление всеми этими системами с универсальных многофункциональных пультов управления или с сенсорных компьютеров. На рис. 1 изображён пример "интеллектуального здания".
Опишем архитектуру системы управления зданием [2], приведённую на рис. 2.
Уровень управления зданием (Management Level). Система управления зданием, BMS, которую называют еще системой автоматизации и диспетчеризации инженерного оборудования, является ядром интеллектуального здания и представляет собой аппаратно-программный комплекс, осуществляющий сбор, хранение и анализ данных от различных систем здания, а также управление работой этих систем через сетевые контроллеры и различные интерфейсы.
--- Рй i i - ГШ . _ : 1 ШВ т— - i .i J 1 1. v 'j » I Ир и Щ Ы M тат
щ m¡¡ щ 'jf' ■= **—! Г щщш ísT—I ; Ли И ■Р JlJ ж ¥ inmäi ЕШИШ ММ ^.««..ÍLl i 33 еэ;. 'л.. m —
Рис. 1. Инженерные системы в "интеллектуальном здании"
Рис. 2. Архитектура "интеллектуального здания"
На рис. 2 система управления зданием расположена на верхнем уровне архитектуры "интеллектуального здания".
Уровень автоматического управления (Automation Level). Подсистема автоматического управления занимает второй уровень архитектуры. Основные компоненты данного уровня — сетевые контроллеры автоматического управления, модули ввода-вывода сигналов, электротехническое и коммутационное оборудование. В контроллерах реализуются основные алгоритмы приёма, вывода, обработки сигналов, алгоритмы автоматического управления.
Используя открытые протоколы, интерфейсы и стандарты передачи данных, контроллеры осуществляют контроль и управление работой подведомственных им инженерных систем, а также обмен данными с другими сетевыми контроллерами системы управления зданием. На основе собранной информации сетевые контроллеры могут автономно посылать управляющие команды на контроллеры инженерных систем в рамках заложенных в них алгоритмов реакций на события в штатных или нештатных ситуациях.
Взаимодействие контроллеров осуществляется с использованием открытых шинных технологий. На сегодняшний день можно выделить несколько видов наиболее востребованных типов протоколов открытых шинных технологий в системах "интеллектуальных зданий": Ethernet, Modbus RTU/TCP, LONWorks, EIB/KNX, BAC-Net. Дадим краткую характеристику каждой из технологий, за исключением известной технологии Ethernet.
Протокол Modbus [3] — протокол передачи данных, основанный на архитектуре "клиент-сервер". Разработан фирмой Modicon для использования в контроллерах с программируемой логикой и стал стандартом де-факто в промышленности и широко применяется для организации связи промышленного электронного оборудования. Протокол использует для передачи данных интерфейсы RS-485, RS-422, RS-232 (Modbus RTU), а также протоколы TCP/ IP (Modbus TCP).
Протокол LonWorks (Local Operation Network, LON) — протокол для организации управляющих сетей [4]. Технология LonWorks широко используется для построения распределенных
систем автоматизации зданий. Несомненным преимуществом LonWorks является независимость от протокола физического уровня, свобода в выборе сетевых топологий, алгоритм разрешения коллизий.
Протокол EIB (European Installation Bus) -открытый протокол для автоматизации жилых и офисных помещений [5]. Шина EIB представляет собой децентрализованную систему с последовательной передачей данных управления, контроля и сигнализации эксплуатационно-технических функций. Подключенные абоненты могут обмениваться информацией через общий канал передачи, шину. При этом используются следующие передающие среды: витая пара, электрическая подводка, беспроводные линии связи. Стандарт EIB поддерживается более чем ста фирмами - производителями оборудования для автоматизации зданий, объединёнными с 1990 года в соответствующую ассоциацию - EIBA со штаб-квартирой в Брюсселе (Бельгия).
Протокол BACnet (Building Automation and Control network) применяется в системах автоматизации зданий и сетях управления [6]. Разработка протокола BACnet началась в июне 1987 года. Цель разработки состояла в создании унифицированного, не зависящего от производителей оборудования стандарта для передачи данных в системах автоматизации здания. BACnet стал в 1995-м году стандартом ASHRAE/ANSI (135) и в 2003-м - стандартом ISO (16484-5).
Уровень периферийных устройств (Field Level). Третий уровень иерархии "интеллектуального здания" включает в себя датчики, исполнительные механизмы, а также кабельные и беспроводные сети.
Датчики. В зависимости от решаемых задач в здании устанавливаются различные датчики -температуры, влажности и качества воздуха; давления и контроля протечек воды; датчики уровня освещённости; присутствия, задымлённости и др. По типу связи датчики также можно разделить на две группы - проводные и беспроводные. Проводные датчики, как правило, используют двух- или чётырёхпроводную линию и передают измеренные значения путём изменения уровня электрического сигнала. Датчики могут быть оснащены микроконтроллером и передавать свои значения в сеть в цифровом виде по протоколам EIB/KNX, LON или, например, MODBUS TCP.
Беспроводные датчики более удобны в монтаже, могут не требовать питания за счёт использования солнечной энергии или искусственного освещения. Можно выделить целую группу протоколов передачи данных в беспроводных сетях, наиболее востребованных на рынке систем "Интеллектуального здания" - это протоколы EnOcean [7], Z-Wave [8], ZigBee [9]. Последние два типа беспроводных сетей относятся к семейству сенсорных [10]. Датчики отличаются относительно невысоким энергопотреблением, большим радиусом действия (до 300 м), достаточной скоростью для передачи небольших объёмов данных, а также возможностью некоторых из них к построению самоорганизующихся сетей.
Исполнительные механизмы, или актуаторы.
Класс исполнительных механизмов наиболее многообразен. Он включает в себя устройства управления инженерными системами, называемые также актуаторами [11]. Это могут быть электрические сервоприводы на коллекторы с отоплением, реле включения света, электроприводы ворот, диммера (устройства плавного регулирования яркости освещения), электрозамки и др. Актуаторы получают управляющую информацию по проводным и беспроводным сетям передачи данных.
Кабельные и беспроводные сети. Использование структурированных кабельных и сетей LAN/WAN/WLAN, открытых протоколов обмена данными между различными системами здания, распределённых сетевых контроллеров системы управления зданием, интеллектуальных проводных и беспроводных датчиков и актуа-торов позволяет создавать инженерную инфраструктуру, которая имеет высокий потенциал для наращивания и быстрой модернизации. Следует отметить тенденцию всё большего распространения технологии Ethernet/TCP/IP в автоматизации зданий. Необходимость в дополнительной системе передачи данных для автоматизации отпадает.
Преимущества "Интеллектуального здания"
"Интеллектуальное здание", построенное по описанной выше модели, имеет целый ряд существенных преимуществ по сравнению со зданием, не оборудованным интеллектуальной инфраструктурой.
Система управления зданием (ВЫВ) оптимизирует управление и мониторинг всех инженерных и инфокоммуникационных подсистем, увеличивает сроки безаварийной службы оборудования, а также производительность труда персонала, тем самым снижая операционные издержки на содержание большого штата диспетчеров и ремонтников, наконец, оптимизирует потребление ресурсов за счёт применения систем интеллектуального отопления, электроосвещения, охлаждения. Становится возможным взаимодействие подсистем. Благодаря конвергенции инфокоммуникационных и инженерных подсистем возможны, например, следующие сценарии: датчик движения системы безопасности определяет, находится ли сотрудник в помещении, и передаёт эту информацию в систему ВЫВ. Основываясь на этих данных, а также на данных системы контроля доступа, система ВЫВ посылает управляющий сигнал на В1Р-сервер для включения переадресации стационарного В1Р-телефона отсутствующего сотрудника на его мобильный номер. Как только срабатывает датчик движения и по своей карте доступа в помещение входит соответствующий сотрудник, переадресация выключается.
Впервые появляется возможность внедрять комплексные системы безопасности, которые объединяют в единую среду системы контроля доступа, охранного видеонаблюдения, пожарно-охранную сигнализацию и систему оповещения. Подсистемы взаимодействуют между собой и с другими (например, с подсистемой ОВК, отопления, вентиляции и кондиционирования), повышая уровень комфорта и безопасности людей.
Здесь необходимо упомянуть про экологию. Использование энергосберегающего оборудо-
вания, интеллектуальных систем управления и экологически чистых технологий (таких, как солнечные батареи) позволяет создавать безопасные для здоровья и экологически чистые условия работы людей. Так, в "интеллектуальном здании" можно будет снизить число заболеваний за счет обеспечения климатических условий в помещениях (температура, влажность воздуха и освещенность рабочих мест), наиболее комфортных для их обитателей.
Учитывая тот факт, что сегодня доля стоимости систем жизнеобеспечения, инфокоммуника-ционных и систем безопасности современного здания составляет в общей стоимости объекта от 30 до 50 %, решение вопроса о внедрении систем автоматизации и диспетчеризации здания будет отражаться не только на стоимости здания в будущем, но и на текущих расходах по обслуживанию и ремонту систем здания, на размерах ежемесячных платежей за коммунальные услуги и степени комфорта и безопасности работающих в здании людей. Доказано, что внедрение модели "интеллектуальное здание" окупается за период от трех до восьми лет, тогда как средний срок службы здания составляет не менее 40 лет.
Опыт применения концепций "интеллектуальное здание" и "умный дом" в России существенно меньше, чем в Европе, США и Японии, но интерес к данной тематике постоянно растёт. Уже несколько лет подряд в Москве проходит крупная международная выставка "НГТесИНо-ше" [12], посвящённая системам автоматизации зданий и "умным домам". Несколько раз в год в разных городах России проходят конференции и научные семинары "Интеллектуальное здание". Появились и отечественные программно-аппаратные решения для данного рынка.
список ЛИТЕРАТУРЫ
1. Стандарт АВОК-3-2003. Системы автоматизации и управления зданиями. Ч. 1. Общие положения. М.: АВОК-ПРЕСС. 2003.
2. EN ISO 16484-Х. Building Automation and Control Systems - BACS.
3. http://www.modbus.org
4. http://www.lonmark.org
5. http://www.knx.org
6. http://www.bacnet.org
7. http://www.enocean.com
8. http://www.z-wavealliance.org
9. http://www.zigbee.org
10. Römer Kay. Friedemann Mattern (December 2004). The Design Space of Wireless Sensor Networks // IEEE Wireless Communications 11 (6). Р. 54—61.
11. http://www.abb.com
12. Головин А. ВЫСТАВКА HI-TECH HOUSE:
Бюллетень "Автоматизация зданий". Ноябрь 2006. №4.
