Современный взгляд на построение систем автоматизации зданий

calendar_today
2 декабря 0002
query_builder
visibility
369

При организации систем автоматики на крупных и средних объектах, важную роль играет возможность создания централизованной системы управления. Для этого необходимо наладить обмен информацией между станциями автоматизации (контроллерами), управляющими системами технологического оборудования и станцией управления, реализованной чаще всего на базе персонального компьютера.

Развитие систем автоматики за последние 10 лет выявило две четко-выраженные тенденции.
Первая - это стремление сократить время необходимое на реализацию алгоритмов управления, пусконаладочных работ и операций, необходимых при сервисном обслуживании и эксплуатации.
Вторая - это стремление большинства фирм производителей автоматики поддерживать стандартные протоколы обмена информацией.
Сокращение времени на разработку приложений достигается за счет использования инструмента для написания программ, который основывается на принципе D-MAP. Если говорить простым языком это среда программирования, которая состоит из неких элементов, реализующих те или иные функции, и имеющих те или иные свойства которые можно задавать или просматривать. Взаимодействие же между элементами описывается при помощи сопоставления некого свойства одного элемента некому свойству другого элемента. Сопоставления, чаще всего отображается в графическом виде, при помощи соединительных линий. Бесспорным достоинством такого способа программирования является сокращение времени разработки программ. А создание библиотек, из заранее соединенных элементов, реализующих ту или иную функциональность, сводит программирование контроллеров к детской игре в кубики.
При организации систем автоматики на крупных и средних объектах, важную роль играет возможность создания системы управления, для чего необходимо наладить обмен информацией между станциями автоматизации (контроллерами), управляющими системами технологического оборудования и станцией управления, реализованной чаще всего на базе персонального компьютера.

Рис. 1. Варианты топологий систем автоматизации зданий

Большинство фирм, до недавнего времени, использовали свои собственные протоколы обмена информацией. Большинство из них были достаточно невнятны, поскольку фирма разработчик держала в своих руках разработку протокола и его реализацию, и делала протокол пригодный, по сути, только для внутреннего использования. Отсутствовала строгая документация протокола, и пригодность для обмена информацией со станциями управления и автоматизации других производителей.
Подобный подход в то время был вполне оправдан. Системы автоматики для конкретного объекта создавались на базе одного производителя оборудования, оборудование третьих производителей интегрировалось, в случае возникновения такой необходимости, некими совершенно загадочными путями, ко всей этой системе присоединялась станция управления и диспетчеризации того же производителя, вне зависимости от того устраивала она Вас или нет. В дальнейшем любые расширения, могли быть сделаны, только на оборудовании того же производителя.
Тенденция по созданию универсальных протоколов обмена информацией появилась лет десять-пятнадцать назад, и фирмы-производители начали разработки по реализации этих стандартных протоколов в своих станциях автоматизации и диспетчеризации и управления.
Для того чтобы продолжить разговор о тех или иных протоколах необходимо сделать некие уточнения. Вообще говоря, в области организации сетей передачи информации существует семиуровневая модель описания сети передачи данных. Но даже в классических примерах, складывается впечатление, что не модель создана для удобства описания сети передачи данных. А сети передачи данных с трудом вписываются в эту модель.

Рис. 2. Функции систем диспетчеризации зданий

Поэтому в дальнейшем предлагаю использовать упрощенную модель, состоящую из двух основных уровней:
- транспортный уровень - это топология системы, линии связи, уровень сигналов и система адресации физических устройств;
- логический уровень - это система адресации логических элементов, представление информации и собственно организация обмена информации (запрос-ответ, уведомление об изменении и т.д.).

Можно выделить три основных протокола логического уровня, используемых в системах автоматики зданий.
Konex, более известный по своему предшественнику EIB. Данный протокол получил наиболее широкое распространение в системах автоматического управления освещением, приводами жалюзи и всем что входит в понятие комнатной автоматизации.
LON. Определяет протокол как логического уровня, называемый также LonWorks и протокол транспортного уровня называемый также LonTalk. Очень распространенный на сегодняшний день протокол. Транспортный уровень этого протокола может быть использован для других протоколов логического уровня
BACNet. В отличие от первых двух, широко использоваться стал достаточно недавно и является протоколом только логического уровня. В качестве транспортного уровня используется несколько протоколов.
Наиболее распространенная реализация протокола BACNet использует в качестве транспортного уровня протокол Ethernet и TCP/IP. Конечно по сути своей это два разных протокола, но с точки зрения уровня BACNet все это транспортный уровень, по которому BACNet может осуществлять передачу данных. В дальнейшем будем называть эту реализацию BACNet на TCP/IP.
У этой реализации имеется ряд преимуществ. Во-первых, используется большинством производителей как основная реализация, иногда правда и единственная. Во-вторых, накоплен колоссальный опыт по организации TCP/IP сетей разного размера, так как данный протокол является основным для организации локальных сетей для персональных компьютеров. В-третьих, для протокола TCP/IP в последнее время широкое распространение получило использование волоконно-оптических линий связи. Эти линии связи лишены такого недостатка, как ограниченность длины одного сегмента и обладают высокой помехозащищенностью.
Наряду с достоинствами данная реализация имеет ряд недостатков. Во-первых, длина линии между двумя активными устройствами, при использовании витой пары не может превышать 100 метров. Во-вторых, для организации связи даже двух станций автоматизации или станции автоматизации со станцией диспетчеризации и управления необходимо использовать дополнительное коммуникационное оборудование. Исключением для двух станций является возможность связи в пределах одного сегмента без использования дополнительного коммуникационного оборудования.
Для сетей связи малого и среднего размера, оправдано использование в качестве протокола транспортного уровня протокола LonTalk. Данная реализация позволяет строить сети передачи информации с длиной линии до 900 метров без использования дополнительного коммуникационного оборудования. То есть, каждый контроллер содержит в себе достаточные возможности для подсоединения к сети передачи данных размера достаточного для большинства строящихся сейчас офисных зданий.
Трехлетний практический опыт показал, что данная реализация очень удобна для проектов малого и среднего размера, все проблемы, возникающие с коммуникацией, были вызваны исключительно невнимательным чтением документации, как только все делалось в соответствии с описанием, все тут же начинало работать.

Рис. 3. Среда программирования D-MAP

Интересна также комбинация двух вышеописанных реализаций протокола BACNet. Организуется несколько сегментов BACNet на LonTalk со станциями автоматизации. В каждом сегменте содержится BACNet маршрутизатор, преобразующий BACNet на LonTalk в BACNet на TCP/IP и уже к этой сети подсоединяется станция управления и диспетчеризации. Данная комбинация, является удачной альтернативой для объектов среднего и большого размера, по сравнению с использованием только BACNet на TCP/IP.
Еще одна реализация протокола BACNet это использование в качестве протокола транспортного уровня протокола PTP. По сути своей это возможность организации сети BACNet на базе телефонных каналов, как проводных сетей, так и сетей сотовых операторов. Данная реализация может быть использована для организации BACNet сети с удаленными BACNet сегментами BACNet/LonTalk или BACNet/IP.
Основным понятием протокола BACNet является так называемая BACNet точка данных. Каждая точка данных имеет как основное значение, например температура или состояние контакта, так и другие свойства позволяющие сконфигурировать точку данных и описать ее взаимодействие с другими точками данных.
Если говорить об организации среды программирования для контроллеров BACNet, то для этого очень подходит уже упомянутый выше принцип D-MAP. В качестве элементов используется BACNet точки данных, а установление связей между определенными свойствами точек данных позволяет реализовывать те или иные алгоритмы управления.
Основой программы является BACNet точки данных стандартных типов, большинство из них представляют собой точки данных связанные с физическими точками ввода вывода и большая часть функциональности по управлению и мониторингу реализована непосредственно в этих стандартных BACNet объектах.
Помимо этого в контроллерах существует еще несколько стандартных типов точек данных необходимых для реализации мониторинга управления. Наиболее характерные из них это объекты по реализации временных программ, по организации уведомления об аварийных ситуациях и объекты позволяющие запоминать изменения значений по времени.

Рис. 4. Варианты реализации транспортного уровня для протокола BACnet

Для реализации алгоритмов управления в системах программирования создаются BACNet объекты пользовательских типов, реализующих функции, например PI регулятора или гистерезиса, а также прочие функции стандартные при программировании систем автоматики, и не имеющие стандартного типа в BACNet протоколе. Эти элементы пользовательских типов могут быть как отображены в BACNet, так и скрыты.
Таким образом, для написания программ, используется библиотека BACNet объектов, которые связываются определенным образом для реализации той или иной функциональности.

При организации систем диспетчеризации и управления для BACNet станций управления очень важным фактором, на мой взгляд, является возможность использования протокола BACNet как такового, для реализации мониторинга и управления. Некоторые SCADA системы работают не с протоколом BACNet на прямую, а конвертируют его в какой либо промежуточный протокол, а уже его используют при организации интерфейса с пользователем. При таком подходе теряется основное преимущество протокола BACNet – возможность оперирования точками данных как стандартными объектами с предсказуемыми реакциями.

В качестве средства взаимодействия оператора и сети BACNet контроллеров можно использовать стандартные программы под общим названием BACNet браузер. Браузер может быть реализован как на аппаратном уровне, так и на базе персонального компьютера.
В заключении хотелось бы обобщить всю изложенную здесь информацию. При современном подходе к организации систем автоматики, диспетчеризации и управления системами технологического оборудования наиболее целесообразно строить систему на базе контроллеров поддерживающих BACNet на нескольких протоколах транспортного уровня, а в качестве станций мониторинга и управления использовать системы взаимодействия с оператором, реализующие доступ к BACNet объектам напрямую.


И. Д. Павлов,
ведущий эксперт
по системам автоматизации
компании "Сименс",
департамент "Автоматизация
и безопасность зданий"
г. Москва
Комментарии
Loading
E-Mail:
следить за ответами