CC BY
27
К ВОПРОСУ ПОСТРОЕНИЯ КОММУНИКАЦИОННЫХ СТАНДАРТОВ АСУ ЗДАНИЙ
ABOUT COMMUNICATION STANDARDS FOR BUILDING
AUTOMATION
К.С.Кузин K.S.Kuzin
ГОУ ВПО МГСУ
Сегодня коммуникационный стандарт можно определить как набор правил, обеспечивающий обмен данными между всеми устройствами интеллектуального здания. О таких стандартах и пойдет речь в данной статье.
Communication standard in building automation today could be determined as a set of the rules that provide data exchange between all the devices of an intelligent building. Such standards will be discussed in this article
Сегодня для обмена информацией между всеми системами интеллектуального здания необходимо не только согласование их друг с другом, но и наиболее эффективная работа их интерфейсов. Объединение всех электрических компонентов в сеть позволит, обмениваясь данными, влиять на поведение друг друга и образует центральную систему. Это позволит в свою очередь использовать новые функции, о которых раньше даже не могло быть и речи, и, кроме того, обеспечит возможность наиболее оптимального использования приборов и процессов.
Наибольшее развитие в области построения подобных систем сегодня получили стандартные коммуникационные протоколы, такие как BACnetTM, EIB/KNX, LON-MARK® и др., и стандартные интерфейсы типа OPC (OLE для контроля технологических процессов), которые позволяют обеспечить согласованный обмен информацией между устройствами, программами и системами разных производителей.
Но, применение стандартного протокола для конкретного объекта еще не гарантирует, что устройство изготовителя А может быть заменено устройством изготовителя Б. Для этого необходима дальнейшая стандартизация конструкции и функций устройств. Большой шаг в этом направлении был сделан в концепции EIB (European Installation Bus) для применения в зданиях. Каждое из более чем 5 000 устройств EIB поставляется вместе с дискетой, содержащей соответствующие данные для параметризации, которые могут быть использованы нейтральным программным средством ETS фирмы EIBA - в комбинации, определяемой пользователем (EIBA - Европейская ассоциация по монтажу каналов связи; Брюссель, Бельгия).
В настоящее время рынок предъявляет такое разнообразие вариантов использования, что всеобъемлющая процедура тестирования едва ли экономически оправдана. Проводить тестирование проще и дешевле для менее сложных устройств (имеются в виду устройства EIB), уровень функциональности которых определен через "межсетевые стандарты". Функциональные блоки EIB не только описывают семантику функций на английском язы-
ВЕСТНИК МГСУ
4/2010
ке, но также определяют доступ к службам, ассоциированным с этими функциями. При этом используются начальные уставки регулирующих устройств.
Сегодня стандарт EIB - это европейский стандарт международной ассоциации EIBA (European Installation Bus Association), которая объединяет десятки ведущих европейских производителей электротехнической продукции. EIBA помимо разработки стандартов и норм осуществляет контроль качества и совместимости продукции различных производителей, координацию сбытовой и рекламной политики фирм, имеющих право на использование торгового знака EIB. Система EIB устанавливается как в больших зданиях (банки, больницы, школы, производство), так и в частных коттеджах и квартирах. Основной целью её служит обеспечение мониторинга и контроля таких процессов как освещение, управление жалюзи, отопление и кондиционирование, охрана и сигнализация.
Сипв&аА линии
CD
® ® ®
/ © л- ® m ®
ф Дпчии контроля каечоииогтн ф Длтчиидптиния Дичи« щмпаригуры
® Vtipoiict™» ыонктарннта I $ Упраалемгв йышцвнгоы '(Ï Прярзд Еирог
(J5 Прншмжилюзя ф Crroiuiemie ® Управлявший зломсит
Рис. 1. Шина EIB. Основные компоненты.
Система EIB была разработана для обеспечения функций технического контроля, управления и эксплуатации здания.
Как правило, системы EIB являются децентрализованными. В системах с децентрализованным управлением все устройства (компоненты, абоненты) обмениваются информацией по общему каналу - шине EIB. Децентрализованное управление осуществлено в пределах устройств - являются ли они передатчиками или приемниками, они связываются друг с другом непосредственно, без иерархии или сетевого контролирующего устройства. Такой тип управления делает систему действительно гибкой.
Но, не смотря на всю гибкость и достоинства децентрализованного управления, возможно введение централизованного режима управления системой EIB. Тогда в данном случае диспетчерский пульт (в качестве диспетчерского пульта может быть использован компьютер) может быть размещен в любом месте на шине.
Система EIB использует стандартный протокол передачи данных и поддерживает следующие передающие среды
- витая пара (9600 Байт/с)
- силовая линия (1200/2400 Бит/с, первоначально только для 230 В,50 Гц)
- сеть EIB (EIB.net) (например 10МБит/с, Ethernet)
- радиочастота
- инфракрасное излучение
Электрические сегменты системы Е1В могут иметь различную топологию, такую как:
- шина
- звезда
- дерево
- кольцо
- комбинированная
Шина
Кольцо
Дерево
Звезда
_ Л
гТ
I п □
Комбинированная
Рис. 2. Топология электрических сегментов.
Линия, которую часто обозначают термином «шина», хотя его значение неоднозначно, является самой распространенной топологией сетей. Можно использовать простые алгоритмы доступа, нет проблем с подключением и отключением новых устройств, да и прокладка кабелей не требует больших затрат.
Все узлы, находящиеся на линии, получают сообщение. Поэтому принимающие стороны сами решают, кому предназначено это сообщение, следует ли его оставить или надо переслать дальше. Не следует рассматривать данный процесс как ретрансляцию, так как при ретрансляции сообщение адресовано сразу всем. В этом заключается основная проблема, которую необходимо решить: каким образом определить доступ к линии, так называемый арбитраж.
Различают два основных вида арбитража - прямой и косвенный. При прямом арбитраже, который сегодня, как правило, используется в сетях без выделенного центрального узла, каждой станции передается маркер, что дает возможность пересылать информацию. Маркер в данном случае передается в соответствии с определенными алгоритмами управления. Данный метод в принципе очень прост, тем не менее требует значительных затрат, так как необходимо учесть все ошибки, которые могут возникнуть в ходе коммуникации.
В сетях LAN более распространен косвенный арбитраж, а именно метод CSMA (Carrier Sense Multiple Access, метод коллективного доступа с контролем несущей). В области fieldbus он играет значительную роль и выступает в различных вариациях. Он используется даже в системах, для которых время реакции является существенным требованием. Для обозначения метода CSMA также используется термин Random Acces (случайный доступ), что указывает на то, что участник имеет прямой доступ к шине, но при со-
ВЕСТНИК 4/2010
блюдении определенных правил. Самое первое и самое важное - перед передачей узел должен быть проверен, а также должно быть установлено, есть ли на линии другие активные в данный момент узлы. Пересылать сообщения они могут лишь в том случае, если линия свободна. Тем не менее могут возникнуть коллизии, которые следует разрешать. Для этого существует несколько методов. Самым распростроненным из них является CSMA/CD (CD: Collision Detection). В данном случае, прослушивая линию, участник получает сведения о том, была ли его информация случайно искажена другим отправителем. Если это произошло, он пытается повторить передачу позже. Время. через которое можно повторить попытку, вычисляется по специальному алгоритму.
Простой формой топологии является кольцо. Оно характеризуется наличием двух независимых процессов входа и выхода в сеть. Следует также обратить внимание на два следующих принципа. В технике управления, как правило, выставляются требования реального времени. Также необходима высокая скорость передачи данных. Узлы располагают один за другим, причем каждый из них обладает регистром, сдвигающим поступающие данные. В целом все кольцо образует один большой сдвигающий регистр, в котором центральный блок (Master, главное устройство) рассылает поступающую информацию остальным узлам (Slave, подчиненные устройства) или, наоборот, собирает передаваемую ими информацию. Данный метод является наиболее оптимальным, когда должны быть последовательно опрошены все подчиненные устройства, так как отсутствует адресация и управление осуществляется всеми устройствами одновременно.
С экономической точки зрения топология «звезда» хороша в том случае, если надо организовать центральную станцию, чтобы была возможность наиболее выгодно разместить узлы отдельных абонентов, например, упростив техническое обслуживание системы.
Структура типа «дерево» отличается тем, что с вершиной дерева - головным узлом - связаны несколько подузлов, которые, в свою очередь, сами могут быть вершинами. В большинстве случаев соединение между узлами является соединением типа точка - точка или шиной.
Структуры типа «дерево» имеют большое значение в области автоматизации прежде всего потому, что позволяют строить достаточно большие сети. Благодаря возможности иерархического соединения можно оптимально организовывать приложения и коммуникационные процессы, эффективно реализуя их в программном обеспечении и аппаратных средствах узлов. Если головные узлы исполняют роль межсетевых шлюзов или коммутаторов, то можно строить комплексные гетерогенные системы.
Гетерогенность образуется некоторым количеством основных структур и может быть реализована в архитектурах типа «линия» и «кольцо». На практике она встречается в специальных или естественных системах.
Передача данных осуществляется в соответствии с протоколом шины.
Компоненты системы обмениваются сообщениями (телеграммами), состоящими из пакетов данных, каждый пакет должен быть подтвержден. При этом спецификация EIB допускает присваивание приоритетов срочным пакетам (например сигнал от датчика сигнализации может иметь высший приоритет).
У каждого компонента системы есть физический и логический (групповой) адрес. Физический адрес определяет уникальное местоположение компонента в системе, хранится в ППЗУ компонента и при необходимости может быть изменен. Два компонента не могут иметь одинакового физического адреса. Физический адрес состоит из Зоны, Линии и Номера устройства, что однозначно определяет устройство. Поле адрес источника всегда содержит физический адрес. Логический адрес как бы связывает между собой компоненты системы (например, сенсор и исполнитель). Каждый компо-
нент системы может обладать несколькими логическими (групповыми) адресами и, соответственно, принимать команды от нескольких компонентов.
К примеру: сенсор определяется по его физическому адресу и может связаться с исполнителем, например лампой, используя её групповой (логический) адрес.
В целом fíeldbus-система EIB представляет собой чистую сеть, где все элементы взаимодействуют между собой, причем в качестве метода доступа к шине используется CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Этот метод позволяет производить арбитраж шины без потерь, так как каждый узел уже в самом начале передачи посылает информацию о приоритете и сразу же после каждого переданного бита проверяет уровень шины. Если он находит разницу в пришедшем уровне бита (0 или 1), процесс отправки будет остановлен. Передача осуществляется со скоростью 9600 Кбит/с.
Основной сферой применения EIB является автоматизация зданий, техника управления зданиями и их подсистемами:
- управление энергопотреблением
- управление освещением,
- управление микроклиматом (отопление, кондиционирование, вентиляция)
- оперативный контроль, индикацию, мониторинг
- охрану и сигнализацию
- управление жалюзи и рольставнями
- взаимодействие с другими системами.
Использование всевозможных программируемых таймеров и датчиков делает возможным полностью автоматическое децентрализованное функционирование электросистем здания в зависимости от времени года, дня недели и конкретных внешних условий.
А возможность построения сетей свободной топологии, т. е. в топологиях типа "шина", "кольцо" или "звезда" и в любых их комбинациях, в совокупности с возможностью использовать оборудование различных поставщиков и производителей, в целом позволит сделать управление и эксплуатацию зданий еще более эффективной.
Литература:
1. Европейская ассоциация по монтажу каналов связи. Настольная книга. 1999г.
2. СТОНП «АВОК» 8.1.2-2008
Bibliography:
1. EIBA. Handbook series. Volume 1. 1999
2. Standard «ABOK» 8.1.2-2008
Ключевые слова: коммуникационные интерфейсы, АСУ зданий, системы управления зданием, обмен данными, протоколы, топологии электрических сегментов.
Keywords:communication interfaces, building automation, building management systems, data transfer, protocols, electrical segments typology.
E-mail автора: kkuzin@mail.ru
Рецензент: зав. кафедрой «Испытание сооружений», профессор, к.т.н. - Ю.С.Кунин.
