ТЕМА НОМЕРА: Игры разума

Автор: Виктор Ильин

В крупных российских городах развернулся настоящий строительный бум. Воплощением новаций на рынке строительства и одним из самых любопытных для айтишника компонентов (как для потребителя, так и для производителя) стал комплекс технологий, объединенный модным термином «Интеллектуальное Здание» (далее ИЗ). На самом деле за рубежом это направление развивается уже больше десяти лет, но в России оно делает лишь первые шаги.

Производят решения для комплекса ИЗ, его программно-технической начинки, хорошо известные зарубежные компании и целые корпорации. Поставщиками же выступают, как правило, отечественные инжиниринговые фирмы, являющиеся по сути «системными интеграторами» зданий. Этот термин, прочно прижившийся в ИT-сфере, уместен и в строительстве, так как и тут от поставщика комплекса ИЗ требуется системный подход.

Только ленивый интегратор, действующий на рынке недвижимости, не заявил о наличии готовых решений для ИЗ. Тем не менее похоже, что многие, примерно представляя, что такое современное здание, путем простого добавления термина «Интеллектуальное» и получают на выходе ИЗ. На самом деле все не так просто.

Здесь мы рассмотрим технологию ИЗ для крупной недвижимости (более тысячи квадратных метров). Но необходимо заметить, что существует близкий по профилю сегмент рынка «домашней автоматики» (Home automation), ориентированный на небольшие здания, коттеджи, офисы и квартиры. У обоих сегментов немало общих черт, однако в них работают разные производители и действуют разные стандарты.

Еще до появления этой модной технологии минимально необходимые условия для жильцов или арендаторов здания уже были реализованы в виде автоматических систем, к каковым относятся:

теплоснабжение и холодоснабжение;

водоснабжение;

вентиляция;

канализация;

электроснабжение и освещение;

противопожарные средства.

Постепенно здание обрастало инженерным оборудованием, появлялись новые функции, и наконец возникла необходимость в едином управлении ими. И тогда родилась автоматизированная система управления (далее АСУ жизнеобеспечения; рис. 1, слева). Таким образом, здание обрело первые признаки интеллектуальности.

Исторически первыми были системы мониторинга и управления отдельными системами: теплоснабжения, электроснабжения, вентиляцией.

Затем, по мере технического прогресса в области ИТ, в здании появились дополнительные системы, обеспечивающие в первую очередь повышенный уровень комфорта и безопасности:

автоматическая пожарная сигнализация;

система контроля доступа;

охранная сигнализация;

видеонаблюдение;

оповещение, переговорная связь, телерадиофикация;

единая информационно-телекоммуникационная сеть;

подсистемы «офисной» автоматики: зонное управление климатом, освещением, жалюзи, окнами, инфраструктурой конференц-залов и т. д.;

мониторинг состояния строительной конструкции (контроль нагрузки крыши и основных несущих конструкций).

Таким образом, главными составляющими «интеллектуальности» здания являются автоматизированные системы управления функционально различными процессами жизнеобеспечения, безопасности и комфорта. Однако, что очень важно, собрав основные кирпичики интеллектуальности, мы еще не получили ИЗ! Присутствие этих компонентов в здании еще не позволяет назвать его действительно Интеллектуальным, с большой буквы…

Нам не хватает одного важнейшего звена. Необходимо интегрировать разрозненные системы автоматизации; только действующие как единое целое, отдельные компоненты здания придают ему черты настоящего комплекса ИЗ. Еще большая интеграция систем управления и обеспечивает преимущества, которые позволяют использовать термин «Интеллектуальное здание». Их в научной сфере принято называть синергетическими — это ключевой признак ИЗ.

Покажем преимущества интегрированного взаимодействия на примере.

Рано утром здание «спит»: выключено рабочее освещение, агрегаты вентиляции и теплоснабжения находятся в экономных режимах, обеспечивающих минимально допустимые параметры для комфорта и безопасности. Сотрудник одного из офисов крупного торгово-делового центра собрался в выходной день с утра пораньше приехать на работу. Приняв это решение еще вечером буднего дня, он из дома зашел на интернет-портал своего центра и оставил сообщение службе безопасности и эксплуатации, которые приняли заявку и проверили право сотрудника данной фирмы находиться в здании по выходным.

На следующий день сотрудник подъехал к автоматическому шлагбауму, индивидуальным беспроводным пропуском (например, магнитной карточкой) зарегистрировался в системе контроля доступа. В этот момент в кадровой службе было автоматически учтено время начала рабочего дня сотрудника и время парковки его автомобиля для последующей оплаты. Также возможен автоматизированный учет дополнительного расхода энергоресурсов с последующей компенсацией владельцу здания за счет фирмы-арендатора, в которой работает наш трудоголик. Свет включен лишь в тех частях здания, где проходит его маршрут на рабочее место, — электричество нужно экономить.

Перед входом в офис сотрудник еще раз зарегистрировался в системе контроля доступа. Если проверка на возможность нахождения данного сотрудника в офисе в столь раннее время прошла успешно, то по сигналу открытия двери охранная сигнализация сняла офис с охраны, а на центральный пульт охранной сигнализации пришел сигнал о занятии помещения. Одновременно с АСУ жизнеобеспечения поступил сигнал на управление местным кондиционером. Центральная система приточно-вытяжной вентиляции в столь ранее время еще не включена, поэтому кондиционер перешел в специальный режим, обеспечивающий необходимый расход воздуха и комфортную температуру.

Итак, мы рассмотрели пример «интеллектуальности» здания, когда были задействованы функции безопасности, энергосбережения и комфорта.

Сотрудник не потратил ни одной лишней минуты. Ему не пришлось ни звонить охране, прося пропустить его в здание, ни объяснять службе эксплуатации, почему кому-то не спится в выходной день. При этом все системы работали в экономном режиме, включались только в необходимом объеме, тем самым сберегая энергоресурсы.

Все эти услуги учтены в стоимости «интеллектуального» квадратного метра, и фирма, в которой работает наш герой, заранее их оплатила. Собственнику же здания нет необходимости нести лишние расходы на персонал для обеспечения столь комфортных условий.

В этой корпорации имеется подразделение Siemens SBT, занимающееся интеллектуальными зданиями. До начала 90-х Siemens, имея развитые продукты в области промышленной автоматизации АСУ ТП (например, Simatic), запаздывала с выходом на рынок ИЗ. Однако после покупки одного из ведущих производителей подобных систем, швейцарской фирмы Laendis&Staefa, корпорация ворвалась и сюда.

Основными продуктами у Siemens являются комплекс Visonik Insight и последнее решение Desigo Insight. Это полноценные АСУ жизнеобеспечения, включающие все три уровня системы автоматизации. Оригинальное решение для модулей ввода-вывода, имеющих возможность удобного локального управления периферийными устройствами, позволяет существенно сократить расходы на разработку и установку электрощитов автоматики. Также отметим уникальную возможность программирования контроллеров встроенными средствами SCADA-системы верхнего уровня, не требующую наличия среды разработки. Подобной возможности нет ни у одного из конкурентов.

Направления других подсистем ИЗ — контроль доступа, охранно-пожарная сигнализация, видеонаблюдение — развивались у Siemens уже давно. Такие системы, как Sigmasys или Sigmaport, хорошо известны в Европе и отличаются (как, впрочем, и остальная продукция Siemens) высочайшим немецким качеством, надежностью и относительно высокой ценой.

Siemens является ведущим производителем продукции, сделанной с учетом технологии EIB. Эта технология направлена главным образом на сектор офисной автоматики, где требуется высокая масштабируемость системы. EIB практически не используется в АСУ жизнеобеспечения, в которых нужны скорее гибкость функциональных свойств и относительно высокая скорость обработки и передачи информации. На сегодняшний день EIB получила широкое распространение в Европе, где целый ряд производителей выпускают широкую гамму EIB-совместимых устройств. Концерн является одним из инициаторов создания единого европейского стандарта автоматизации для зданий (Konnex), объединяющего стандарты EIB, BatiBus и EHSA.

Закрытость систем и склонность фирмы к использованию своих собственных разработок делает системы Siemens достаточно дорогими в эксплуатации и обслуживании. Впрочем, последние замечания можно отнести ко всем крупным производителям.

Siemens SBT имеет в России представительство, которое занимается всем комплексом услуг для рынка ИЗ — продажей отдельных компонентов, проектированием и поставкой систем, их обслуживанием и поддержкой. Одним из самых известных дистрибьюторов этой техники является фирма «Инпред».

ИЗ является коммерческим продуктом с четко выраженным экономическим показателем — стоимостью арендуемого квадратного метра. Очевидно, что она в немалой степени зависит от затрат владельца здания на обслуживание этого метра.

За рубежом главным стимулом для развития технологий ИЗ является энергосбережение. Стоимость энергоресурсов такова, что в зданиях развернута самая настоящая борьба за каждый киловатт, гигакалорию и кубометр, — за все, что может экономиться и сокращаться. Важнейшее оружие в этой борьбе — технологии энергосбережения в составе комплекса ИЗ.

АСУ жизнеобеспечения позволяет управлять технологическим оборудованием в зависимости от дня недели и времени суток, а интегрированные системы контроля доступа и охранной сигнализации — в зависимости от занятости помещений персоналом. Все это и называется менеджментом энергосбережения.

Показательно, что на Западе термину «Интеллектуальное Здание» все чаще предпочитают «Зеленое Здание» (Green Building). У нас пока по разным причинам стимул энергосбережения является далеко не первостепенным. Скорее наоборот, расходы на внедрение энергосберегающих технологий, наряду с убытками от их неправильного применения, превышают эффект от самой экономии непозволительно дешевых ресурсов. Однако остальные преимущества ИЗ, а именно:

повышение эффективности и надежности систем жизнеобеспечения здания;

сокращение расходов на эксплуатацию;

повышение уровня безопасности;

повышение комфорта;

обеспечение масштабируемости подсистем;

снижение расходов на этапе строительства и при вводе здания в эксплуатацию;

уменьшение расходов на страхование,

при переносе на отечественную почву ценности не теряют.

Итак, эти преимущества обеспечиваются в первую очередь за счет вышеназванного синергетического эффекта — интегрированного взаимодействия различных подсистем в составе комплекса.

Основная подсистема ИЗ — автоматизированная система управления жизнеобеспечением. На Западе объект автоматизации этой АСУ принято называть HVAC (Heating, Ventilation, Air Condition). Он включает в себя вентиляцию, тепло— и холодоснабжение, кондиционирование и электроснабжение.

Система имеет классическую трехуровневую структуру (рис. 1), характерную для обычных промышленных АСУ ТП. Фактически здание тоже можно рассматривать как технологический процесс.

1-й уровень (field level) — периферийные устройства (датчики и исполнительные устройства), непосредственно связанные с объектами автоматизации.

В качестве датчиков температуры используются термопреобразователи сопротивления с нормированными характеристиками. Для измерения давления применяют датчики с унифицированными аналоговыми выходными сигналами. А исполнительными устройствами служат клапаны и заслонки с электроприводом.

Одним из самых распространенных типов исполнительных устройств в здании является насосное оборудование. Его ведущие производители, чья продукция установлена в подавляющем большинстве новых или строящихся зданий, — это датская компания Grundfos и немецкая Wilo. Их изделия являются хорошим примером составляющих ИЗ: наиболее важное — насосное — оборудование включает в комплект поставки встроенные средства, позволяющие автономно управлять основными параметрами насоса и контролировать их, при этом они имеют все, что нужно для объединения с другими системами автоматизации. На этом уровне используются устройства с высокой степенью стандартизации входных/выходных сигналов, типичной для АСУ зданий.

Особенностью первого уровня автоматизации является использование «интеллектуальных» устройств, позволяющих строить системы с распределенными функциями управления. Наибольшее распространение получили устройства, построенные на базе стандартов EIB и LonWorks и использующиеся в основном для целей так называемой офисной автоматики: управление зонным микроклиматом, освещением, жалюзи и оборудованием конференц-залов. Эти устройства способны автономно выполнять несложные функции контроля и управления.

Обычно они позиционируются как отдельные периферийные устройства автоматики первого уровня, которые просто конфигурируются для типовых задач. Но при реализации гораздо более сложных алгоритмов автоматического управления они не находят широкого применения.

2-й уровень (automation level) — электросиловая и релейная часть автоматики, модули ввода-вывода и контроллеры, сетевые коммуникации между устройствами.

Это основной уровень, на котором выполняются задачи автоматического управления и контроля. Современные АСУ используют распределенный обмен сигналами между периферийными устройствами и контроллерами, обеспечивая тем самым высокую надежность и гибкое конфигурирование системы.

Современные контроллерные средства являются перепрограммируемыми, они способны конфигурироваться под решение любых задач автоматизации в здании (чаще всего для локального автоматического управления, включающего защитные блокировки и мониторинг аварийных ситуаций). Коммуникация между контроллерами и верхним (операторским) уровнем осуществляется по сетям, построенным, как правило, на физическом уровне по интерфейсу RS485. На программном уровне в большинстве случаев использовались внутренние протоколы производителей, однако сегодня прослеживается явная тенденция стандартизации типа LonWorks, BACnet и ProfiBus.

3-й уровень (management level) — операторские станции со SCADA-системой[Supervisory Control and Data Acquisition (англ.) — сбор данных и управление], управляющие панели и сетевые коммуникации.

На этом уровне выполняется дистанционный контроль через SCADA-систему на операторской станции — как правило, это обычный персональный компьютер со встроенным сетевым интерфейсом и установленной на нем SCADA-системой. На этом уровне обеспечивается дистанционный операторский контроль и управление, регистрация аварийных сообщений, сбор данных для построения графиков изменений и подготовки отчетов. Практически все крупные производители АСУ имеют свои собственные SCADA-системы.

Кроме АСУ жизнеобеспечения есть и другие составляющие «интеллекта» здания — подсистемы пожарной и охранной сигнализации, контроль доступа, системы видеонаблюдения и др. По структуре они во многом сходны с АСУ жизнеобеспечения. Действительно, имеется первый уровень, включающий в свой состав различные периферийные устройства: считыватели, контактные и инфракрасные датчики охранной сигнализации, дымовые и температурные датчики пожарной сигнализации, видеокамеры и управляемые элементы в виде приводных замков и противопожарных клапанов.

Второй уровень этих подсистем также может включать в себя контроллеры со встроенными функциями автоматической обработки входных/выходных сигналов от периферийных устройств и коммуникационные средства для связи с верхним уровнем. В отличие от АСУ жизнеобеспечения, этот уровень «интеллектуализирован» гораздо меньше, тут используются не столь мощные процессорные и коммуникационные средства, — вызвано это более узкой функциональностью подсистем, а также существенно меньшим количеством сигналов и параметров.

На третьем уровне используются информационно-управляющие панели или операторские станции на базе обычных персональных компьютеров. Во многих случаях производители таких систем выполняют интеграцию уже на уровне продуктов, не требуя внешнего ПО. Например, при срабатывании элемента охранной сигнализации на экран оператора автоматически выводится изображение с соответствующей камеры видеонаблюдения.

Особняком стоит структурированная кабельная сеть (СКС), обеспечивающая связь между компьютерами, связь между IT-оборудованием и цифровую телефонию. СКС является самой высокотехнологичной подсистемой, пронизывающей здание сверху донизу. Большая гибкость в конфигурации и коммуникационные возможности делают ее особенно привлекательной в качестве основного интеграционного средства интеллектуального здания.

Это одна из ведущих компаний в области автоматизации зданий. Основная ее продукция — средства автоматизации для автоиндустрии и комплексы автоматизации зданий.

Главной составляющей является система Metasys 5. Johnson Controls выпускает полный набор периферийных устройств, начиная от датчиков и клапанов и заканчивая бесконтактными считывателями для систем контроля доступа.

Для интеграции с периферийными устройствами, имеющими фирменные интерфейсы, компания предлагает оригинальное решение в виде дополнительных контроллеров, так называемых интеграторов, имеющих аппаратные интерфейсы RS 232/485 и возможность программной адаптации к различным протоколам других производителей. Отличительной особенностью структуры системы Metasys является наличие специальных супервизорных контроллеров серии NCM. Они позиционируются между вторым и третьим уровнями, являясь связующим звеном между операторской станцией и контроллерами локальной автоматики. Это позволяет передатьть часть функций системы автоматизации более надежным аппаратным модулям, тем самым обеспечив горячее резервирование, а также создать более гибкую масштабируемую систему верхнего уровня.

Для операторского уровня Johnson Controls приняла концептуальное решение использовать программный пакет Genesys32 — разработку сторонней фирмы Iconics. Таким образом, в качестве верхнего уровня системы Metasys сегодня используется одна из лучших SCADA-систем — M5 Workstation, которая поддерживает технологию OPC[Open Process Control (англ.) — открытый стандарт управления процессами].

На примере Johnson Controls мы видим, как ведущие игроки рынка автоматизации зданий постепенно переходят к поддержке мировых стандартов интеграции, отказываясь от своих собственных, пусть надежных и проверенных стандартов и предпочитая все же более открытые технологии. И хотя на нижнем уровне имеются средства коммуникации с поддержкой LonWorks и BACnet, на верхнем уровне используется архитектура клиент-сервер OPC, разработанная специально для целей интеграции продуктов различных производителей. Как и другие ведущие компании, Johnson Controls предусмотрела возможность использования преимуществ веб-технологий — система Metasys включает в свой состав программный компонент M-Web, который предоставляет доступ к средствам операторской станции через обычный браузер.

Затраты на интеллектуальную начинку вполне могут быть сравнимы с общими строительными затратами на все здание — это не доли процента, а порой десятки (от 30 до 80 долларов за квадратный метр). И тем не менее она того стоит: подсистемы ИЗ начинают функционировать уже на ранних этапах строительства, не только снижая расходы на пуско-наладочные работы, но и улучшая общую организацию работ по монтажу и вводу в эксплуатацию всех инженерных систем.

На рынке имеется ряд крупных производителей, использующих общие сетевые коммуникационные технологии (наибольшее распространение получили LonWorks, BACnet и EIB), позволяющие легко интегрировать их продукцию в единую систему. Не секрет, что между приверженцами различных технологий ведется активная информационная «война» в целях поддержки именно своего «правильного» решения. Особенно это заметно, когда столкновение происходит внутри одного потребительского сектора. Подобная конкуренция, как правило, приводит либо к унификации технологий на базе общего стандарта, либо к сегментированию технологий по уровням. На примере LonWorks-BACnet можно видеть, что BACnet тяготеет к верхнему уровню, обеспечивая коммуникацию между контроллерами и операторскими станциями, тогда как LonWorks находит широкое применение для связи между периферийными устройствами в распределенных системах.

Часто требуется объединить периферийные устройства разных производителей, для чего используются стандарты RS 232/485, открытые программные интерфейсы (например, Modbus RTU) или протоколы собственного производства и адаптеры.

Из-за большого функционального различия между АСУ жизнеобеспечения и остальными подсистемами ИЗ совсем не просто объединить их «под одной крышей», оставаясь при этом на уровне контроллеров и устройств ввода/вывода. На реальную интеграцию можно рассчитывать лишь в достаточно крупных проектах, используя полную линейку программно-технических средств только одного производителя, что недешево и порой неоправданно с функциональной точки зрения. Это в большей степени маркетинговые решения брэндовых производителей, стремящихся предложить решение все-в-одном. Поэтому интеграцию между разнородными функциональными подсистемами разумнее выполнять на третьем уровне — уровне операторских станций. Примечательно, что благодаря практически полной победе платформы Wintel[Windows+Intel — то есть x86-совместимый компьютер с установленной на нем ОС Windows] для персональных компьютеров в системах автоматизации SCADA-систем сам собой решился вопрос выбора платформы для третьего уровня.

И в самом деле, в качестве транспортного средства уже давно используется TCP/IP по Ethernet. Его недостаток — отсутствие достоверности при передаче данных — не является серьезной проблемой, так как за счет скорости и высокой надежности сети эту проблему можно решить на более высоком уровне протокола. В некоторых подсистемах в качестве встроенного коммуникационного средства между третьим и вторым уровнем служит именно TCP/IP over Ethernet, предоставляющий удобную возможность для системного объединения контроллеров.

Важной частью интеллектуального здания является СКС. На нее возлагается функция централизованной интеграции ИЗ, при этом фактически не требующей дополнительных затрат. Ведь все вопросы по распределению и защите трафика ИЗ решаются стандартными (и недорогими!) средствами маршрутизации СКС. Кроме основного преимущества в виде сквозной интеграции подсистем, мы получаем и все остальные преимущества СКС — распределенный доступ к ресурсам, в том числе и веб-доступ, возможность использования встроенных средств диагностики и защиты IT-инфраструктуры, общее открытое[Надо понимать, что «открытое» вовсе не значит «незащищенное»] информационное пространство.

Замечательно, что в качестве программных интерфейсов связи на этом уровне служат стандартизованные, хорошо документированные технологии, начиная с DDE, DirectDDE и OLE и заканчивая ODBC, DCOM, OPC, CORBA, HTML и XML. Многие из них встроены либо в операционные системы операторских станций, либо поддерживаются SCADA-системами станций, тем самым значительно упрощая задачу интеграции.

Унификация на самом верхнем уровне ИЗ привела к рождению нового типа интеграционных средств — метаинтеграторов, которые обеспечивают единый централизованный доступ ко всем системам здания на базе лишь одной программной платформы. В качестве коммуникационной основы служит СКС, а на программном уровне применяется целый ряд распространенных технологий, пришедших из сферы IT, — HTML, XML, .NET, Java Framework. В качестве примера метаинтегратора можно назвать продукт Niagara Framework фирмы Tridium. В отдельных проектах метаинтеграторы могут предлагаться даже в качестве полной альтернативы «родной» SCADA-системы, еще более сокращая расходы на дальнейшее развитие (не придется платить за покупку дополнительных программных модулей).

Платформа Excel 5000, продвигаемая этой фирмой, отличается большим разнообразием программно-технических средств. Однако в первую очередь Honeywell выпускает качественную периферию (особенно отметим датчики контроля технологических параметров).

Семейство контроллеров Excel второго уровня включает в себя как специализированные модели Excel 10, 50, 100, так и многофункциональные Excel 500 с модулями распределенного ввода-вывода. Обеспечена поддержка не только относительно старого, «родного» для Honeywell протокола C-bus, но и широко известного LonWorks. На верхнем уровне используется система XBS, обеспечивающая все функции современной SCADA-системы — визуализация технологических данных на мнемосхемах, контроль аварийных сообщений, обработка и вывод данных для трендов.

В качестве глобального интеграционного решения Honeywell предлагает платформу Enterprise Buildings Integrator (EBI). EBI состоит из трех частей: Building Manager — управление системами жизнеобеспечения, Security Manager — система безопасности здания, контроль доступа и охранная сигнализация, и наконец LifeSafety Manager — система пожарной сигнализации и пожаротушения. К этому добавляется интеграционное решение верхнего уровня (содержащее ПО для работы с платформой Excel 5000), универсальный открытый протокол Modbus RTU и средства автоматизации AllenBradley PLC. Все это объединено технологиями OPC, LonWorks или BACnet.

С одной стороны, активно играющие на этом рынке производители уже имеют свои собственные полные наборы компонентов ИЗ, каждый из которых является проверенным временем решением. С другой стороны, такие стандартизованные технологии, как LonWorks, BacNet, OPC и EIB, уже созрели и оформились технически, а также получили признание (что выразилось во включении их в национальные стандарты). Компаниям-интеграторам только остается разумно соединить их в составе своих средств и продвигать в качестве отдельного продукта для воплощения настоящего ИЗ.

О самых крупных производителях можно прочитать во врезках. Назову лишь еще несколько производителей, имеющих в составе своей продукции компоненты, способные помочь в построении комплексных решений для ИЗ: это американские Andover Controls, Alerton, Computrols, шведская TAC[Эту компанию недавно купил французский электротехнический гигант Schneider Electric, тоже стремящийся выйти на рынок ИЗ], швейцарская Sauter.

К сожалению, перспективы отечественных предприятий на рынке программно-технических ИЗ пока призрачны. Для разработки конкурентоспособной продукции в сфере АСУ и слаботочных систем требуется высокотехнологичная научная база. А готовых, проверенных временем решений у нас пока нет. К тому же инвестиции в рынок недвижимости таковы, что низкая стоимость программно-технических средств не является веским аргументом в тендерах по выбору решений для ИЗ. И на этом фоне предполагаемая более низкая стоимость отечественных систем не может стать конкурентным преимуществом. Инвестор готов переплатить за брэнд, проверенный опытом многочисленных реализаций на Западе, к тому же широко разрекламированный.