BACnet — интегрирующий стандарт

S. Tom, член Американского общества инженеров по отоплениию, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE), директор центра технической информации компании «Automated Logic», США

(BACnet (Building Automation and Control Network) – протокол обмена данными для систем автоматизации жизнеобеспечения зданий. BACnet разработан Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE) и является зарегистрированным товарным знаком ASHRAE. В России BACnet официально представляет комитет НП «АВОК» «Интеллектуальные здания и информационно-управляющие системы».)

Университет в Аризоне столкнулся с подобной проблемой, вызывающей озабоченность руководства многих университетских городков. В результате строительства новых сооружений и реконструкции существующих зданий здесь появилось множество систем управления отоплением, вентиляцией, кондиционированием воздуха, изготовленных различными производителями. В некоторых зданиях управление все еще осуществлялось с помощью пневматических систем, а в остальных регулирование велось различными цифровыми системами непосредственного управления. Аналогичная ситуация наблюдалась и в системах пожаротушения, энергообеспечения и обеспечения безопасности. Руководство университета понимало, что производительность и эффективность этих систем могут быть повышены путем объединения их в единую систему контроля и регулирования, но такая перспектива казалась просто пугающей.

Для решения этой задачи был выбран подход с использованием стандартного протокола, действующего в системе Ethernet всего университетского городка. Все здания, одно за другим, должны быть подключены к этой сети. Ведение некоторых проектов осуществлял персонал, обслуживающий установленное в зданиях оборудование, для осуществления некоторых проектов был организован тендер среди предварительно отобранных поставщиков. Но перед началом любого из этих проектов нужно было выбрать стандартный протокол.

«Мы выбираем BACnet, т. к. это наиболее легко адаптируемый протокол для интегрирования существующего оборудования и для последующего добавления нового оборудования», — говорит Джо Бранаум (Joe Branaum), руководитель группы интегрированных систем университета Аризоны. «То, что это открытый протокол, было очень важно для нас». Действительно, благодаря гибкости и открытости протокола BACnet стало возможным написание пользовательских компьютерных программ SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition — диспетчерское управление и сбор данных), позволяющих осуществлять сбор данных о системе BACnet и анализировать ее производительность. Эти компьютеры осуществляют сбор данных не только систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, но и систем пожаротушения, обеспечения безопасности, систем коммунального и энергетического обеспечения.

Созданная на базе BACnet интегрированная университетская система была названа BACNIE© (Building Automation Control and Network Information Exchange — Система автоматизированного управления зданиями и сетевого обмена информацией).

Как только был выбран стандартный протокол, сотрудники группы интегрированных систем произвели оценку клиентских компьютеров нескольких производителей, проверяя, насколько возможности и характеристики этих компьютеров удовлетворяют требованиям, предъявляемым к системе. Они провели тестирование в реальных условиях наиболее многообещающих кандидатов и остановились на системе, основанной на взаимодействии через Интернет. Такая система давала необходимые разработчикам производительные возможности и гибкость. Кроме этого, она совместима с модифицированным протоколом BACnet, позволяет входить в систему из портативных и настольных компьютеров, а также при помощи мобильных телефонов. Также она позволяет легко создавать страницы в Интернете, адаптированные к потребностям пользователей и служащие в качестве графического интерфейса системы.

Рисунок 1. Административное здание университета Аризоны

Следующим шагом после выбора сетевого стандарта и клиентского оборудования было написание программ для ввода данных в систему и для объединения отдельных элементов этих данных. Так как необходимо в основном связываться с существующими системами управления, не совместимыми с протоколом BACnet, потребовалось создать множество модулей межсетевого интерфейса (трансляционных модулей) для интегрирования данных многих протоколов в систему BACnet.

Следует указать, что эти модули были установлены приблизительно в 38 000 точках подключения к системе. Такая работа заключалась не только в программировании интерфейсных модулей для обмена данными с BACnet. Так как системы управления на уровне здания не используют таких элементов BACnet, как тренды (графики изменений), графики или аварийные сигналы, то указанные элементы должны были быть запрограммированы на клиентских компьютерах. Например, данные трендов должны собираться по одному значению в каждый момент времени и архивироваться в клиентском компьютере.

Клиентские компьютеры также следят за графиком технического обслуживания зданий, формируют параметры запуска и останова оборудования в определенные моменты времени, производят мониторинг определенных точек в системе для формирования аварийных сигналов, если соответствующие параметры выходят за допустимые границы.

Естественно, при таком подходе, увеличивается сетевой трафик. Потенциальным недостатком выполнения всех указанных функций на клиентских компьютерах является то, что сеть может быть постоянно загружена, кроме этого, могут быть потеряны данные и функции управления. На этапе планирования, перед включением в систему очередного здания, персонал служб эксплуатации зданий работает в тесном взаимодействии с вычислительным и информационно-технологическим центром. Персонал обеспечивает прокладку сетевых кабелей и конфигурацию IP-адресов, выполняет все другие работы, необходимые для нормального функционирования сети и для предотвращения неожиданных ситуаций, которые могут возникнуть в последнюю минуту.

Также технический персонал подготавливает специальный графический интерфейс пользователя и средства формирования сообщений для анализа эффективности работы системы, разрабатывает программное обеспечение для интеграции независимых автономных систем управления оборудованием зданий в общую систему управления.

Такая работа потребовала 2 800 часов работы двух специалистов. Это эквивалентно затрате менее 5 минут на одну точку обмена данных — не так плохо, при учете всех модулей преобразования, графических модулей и прочих программных средств, которые необходимо было создать.

Стоил ли полученный результат всех этих усилий? Несомненно!

Перед внедрением новой системы университет уже имел опыт использования методов энергосбережения, но даже при этом срок окупаемости интегрирования существующего здания в систему BACnet составляет около пяти лет. Разработчики решили также, что вне периодов пиковой нагрузки производительность вентиляторов и насосов может быть снижена, благодаря чему увеличивается срок службы оборудования и экономится потребляемая энергия. Интенсивное использование трендов и результатов анализа, получаемых при интегрировании BACnet, позволяет пользоваться услугами коммунальных служб университета более эффективно.

Производя корреляцию данных об энергопотреблении, погодных условиях, степени использования зданий и других факторов, операторы системы могут предсказывать потребность в энергии на 12 часов вперед, что позволяет использовать генераторы теплоэлектроцентрали университета наиболее оптимальным образом. Руководство служб обеспечения университета надеется, что по мере того как их специалисты накопят большее количество данных и приобретут больший опыт, они смогут предсказывать энергопотребление за три-четыре дня.

Преимущества интегрирования многих систем при помощи протокола BACnet не ограничиваются экономией энергии. Обслуживающий персонал может контролировать противопожарные системы, системы коммунальных служб, системы безопасности, а также системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха при помощи общего интерфейса, действующего по принципу «выбери и щелкни нужный элемент». Благодаря заложенным в системе возможностям формирования трендов и проведения анализа данных более удобно выполняются работы по техническому обслуживанию, т. к. можно заранее выявить потенциальные проблемы и провести определенную профилактику до выхода оборудования из строя. На рис. 2 показан пример тренда, выявляющего надвигающуюся проблему с электродвигателем. В результате этот двигатель может быть заменен, не дожидаясь поломки подшипников.

Рисунок 2. (подробнее) Тренд, указывающий на поломку подшипника электродвигателя

То, что система университета Аризоны базируется на сети Интернет, придает ей дополнительные преимущества. Технический и обслуживающий персонал, персонал коммунальных и эксплуатационных служб может входить в систему из любого компьютера, подключенного к университетской сети, что обеспечивает высокую степень доступа ко всем подсистемам. Технические сотрудники могут носить с собой переносные компьютеры и подключать их в любой свободный порт Ethernet для настройки или для устранения неисправностей в системе. Руководящий персонал может использовать мобильные телефоны с возможностью выхода в Интернет, которые могут также использоваться для входа в систему.

Система аварийной сигнализации сконфигурирована таким образом, что при возникновении каких-либо неполадок в соответствующую техническую службу посылаются электронные письма с сообщениями о неисправностях. Таким образом, сотрудники технических служб могут получать аварийные сообщения на мобильный телефон, а затем использовать этот же телефон в качестве браузера для устранения неисправности в системе. Естественно, объем текстовой и графической информации, передаваемой на такой телефон, ограничен размером экрана телефона. Однако, если сотруднику необходима дополнительная информация, к телефону может быть подключен переносной компьютер, при помощи которого осуществляется выход в Интернет. В результате технический сотрудник в любое время и в любом месте может использовать все возможности, обеспечиваемые рабочей станцией оператора. Демонстрацией эффективности такого подхода может служить то, что университет вначале планировал организовать круглосуточный центр чрезвычайных ситуаций, в котором 24 часа в день должны были находиться два оператора для устранения аварийных ситуаций и реагирования на вызовы после работы основного персонала. Опыт показал, что необходимости в таком центре нет, т. к. те же возможности могут обеспечивать работающие по вызову технические работники, находящиеся дома и имеющие для связи мобильный телефон и переносной компьютер. Эти сотрудники могут разрешать нештатные ситуации, не выезжая из дома, делая необходимые исправления непосредственно по телефону или, определив проблему, вызвав по телефону соответствующего сотрудника ремонтной службы.

Интегрирование различных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, противопожарных, коммунальных систем и систем обеспечения безопасности в единую сеть потребовало значительных усилий и четкого взаимодействия. Из инженерных и технических работников группы управления службами университета Аризоны, ответственных за отдельные разнородные системы, была организована единая Центральная компьютерная группа. Эти работники, в тесном сотрудничестве с различными поставщиками инженерного оборудования, работали над созданием интерфейса оператора, основанного на технологии Интернет. Они также взаимодействовали с персоналом университетского вычислительного и информационно-технологического центра для обеспечения наиболее безболезненной интеграции системы BACnet с университетской сетью Ethernet. (Это может казаться очевидным требованием, но во многих проектах подобного типа рассмотрение этих процедур откладывается на последний момент, что часто приводит к недопониманию и конфликтам между персоналом информационно-технологических структур и сотрудниками эксплуатационных служб.) Наконец, эти работники имели, как сказал Джо Бранаум, самое важное для проектов такого рода — поддержку администрации университетского городка. «Они понимали важность этого проекта и преимущества, которые могут быть получены в результате его реализации, — заявил Бранаум. — Поэтому администрация оказала нам всю необходимую поддержку».

Перепечатано с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Перевод с англ. Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено А. В. Фрейдманом, членом комитета НП «АВОК» «Интеллектуальные здания и информационно-управляющие системы», тел. (095) 939-58-72, freYdman@nautsilus.ru