Московский Государственный Инженерно-Физический Институт (Государственный Университет)
Факультет кибернетики. Кафедра 29 “Управляющие интеллектуальные системы” Пояснительная записка по учебно-исследовательской работе на тему:
Управление системой “Интеллектуальный дом” через Интернет. Аппаратно-программные решения внутренней сети. выполнил: студент группы К9-292 Попов И. А. научный руководитель Чучкин В. И. оценка руководителя комиссия: Оценка комиссии: Москва 2001 СОДЕРЖАНИЕ Введение 3 Раздел 1. Интеллектуальное здание 3 1. 1 Концепция "интеллектуального здания" 3 Почему появилась необходимость в интеллектуальном здании 3 Основные положения концепции интеллектуального здания 4 Возможности интеллектуального здания 5 Экономические аспекты 5 1. 2 Применение концепции ИЗ для жилого дома 5 Отличия дома от здания 6 Возможности интеллектуального дома 6 Удаленное управление интеллектуальным домом 6 Состояние проблемы 7 1. 3 Интегрированная система управления зданием 7 Определение и роль в интеллектуальном здании 7 Возможности интегрированных систем 9
Примеры алгоритмов, реализуемых в интегрированной системе 9 Раздел 2. Структура интегрированной системы управления 9 2. 1 Уровни интегрированной системы управления зданием 10
Деление интегрированной системы управления зданием на уровни 10 2. 2 Уровень кабельных сетей 10 Стандарты кабельных сетей 10 Принципы структурированных кабельных сетей 10
2. 3 Уровень системы управления технологической инфрастуктурой здания 11 Стандарты сетей контроля и управления устройствами 11 Стандарт FOUNDATION fieldbus 12 Компоненты стандарта FOUNDATION fieldbus 12
2. 4 Интегрированная система управления информационной, вычислительной и коммуникационной инфраструктурой 14 Архитектура системы 15
Раздел 3. Построение макета интегрированной системы управления зданием 15 Условия создания системы 15 Архитектура системы 16 Структура аппаратного модуля 16 Структура программного модуля 17 Структура макета интегрированной системы 18 Заключение 19 Литература 20 Введение
В учебно-исследовательской работе на тему “Управление системой “Интеллектуальный дом” через Интернет” ставится целью рассмотреть возможности построения современной интеллектуальной системы управления зданием с удаленным управлением через Интернет. Пояснительная записка состоит из трех разделов. В первом разделе рассматривается концепция и определение интеллектуального здания, его составные части и выполняемые функции. Во втором разделе рассматривается интегрированная система управления зданием, как один из вариантов реализации концепции интеллектуального здания. В третьем разделе приведено описание частей созданного в рамках данной работы макета интегрированной системы управления интеллектуальным зданием. Раздел 1. Интеллектуальное здание 1. 1 Концепция "интеллектуального здания" Почему появилась необходимость в интеллектуальном здании
Любое здание – будь-то административное, производственное или жилое состоит из некоторого набора подсистем, отвечающих за выполнение определенных функций, которые решают различные задачи в процессе функционирования этого здания. По мере усложнения этих подсистем и увеличения количества выполняемых ими функций, управление ими становилось все сложнее. Также стремительно росли расходы на содержание обслуживающего персонала, ремонт и обслуживание этих подсистем. Впервые эти проблемы встали при эксплуатации больших административных и производственных комплексов.
Современное здание такого типа — это город в миниатюре. Фактически в нем действуют все службы, являвшиеся ранее непременными атрибутами городского хозяйства. В таких зданиях обычно существует административная служба или администратор, которые используют и обслуживают эту систему практически круглосуточно. Хотя есть немало средств автоматики, которые сами справляются с возложенными на них задачами, такими, как отопление, вентиляция, поддержание микроклимата, освещение, пожарная сигнализация, дымоуничтожение, контроль входа/выхода и т. п. , но управление и обслуживание всех этих систем требует наличие администрирующего персонала. Его обязанностью является контроль работы этих подсистем и принятие мер в случае выхода их из строя. Но есть ситуации, когда даже действия квалифицированного персонала могут оказаться неэффективными. Это случаи возникновения угрозы зданию и находящимся в нем людям, имеющие глобальный характер – пожар, землятресение и другие стихийные бедствия, террористические атаки. Здесь нужно принимать экстраординарные меры в считанные доли секунды. Реакция и корректность действий людей в критической ситуации может оказаться недостаточной.
Традиционные системы обеспечения различных аспектов жизнедеятельности в прошлом проектировались как автономные. Такие системы, создававшиеся отдельно для каждой функции и объединенные для произвольной части здания. В зданиях устанавливались системы только с теми возможностями и с той степенью сложности, какие были необходимы на текущий момент построения здания. Дальнейшее расширение и модернизация данных систем были сложными и дорогостоящими задачами из-за множества различных факторов. Затраты на эксплуатацию такой системы слагаются из затрат на эксплуатацию каждой автономной системы в отдельности, стоимости обучения персонала Стоимость эксплуатации этих систем высока — в силу их автономности каждая из них поддерживается отдельно. Стоимость обучения персонала столь же высока, поскольку операторы должны быть ознакомлены с эксплуатацией каждой автономной системы. Основные положения концепции интеллектуального здания
В настоящее время для комплексного решения вышеперечисленных проблем используется подход, называемый “Интеллектуальное здание” (ИЗ). “Интеллектуальное здание” — не очень точный перевод английского термина "intelligent building". Под интеллектом в этом подходе понимается умение распознавать определенные ситуации и каким-либо образом на них реагировать (естественно, степень этого умения может быть различной, в том числе очень высокой). Вместе с тем, в соответствии с буквальным переводом с английского, ИЗ можно интерпретировать как "разумно построенное"[3]. Это означает, что здание должно быть спроектировано так, что все сервисы могли бы интегрироваться друг с другом с минимальными затратами (с точки зрения финансов, времени и трудоемкости), а их обслуживание было бы организовано оптимальным образом.
Концепция интеллектуального здания содержит в себе следующие положения: Создание интегрированной системы управление зданием - системы с возможностью обеспечения комплексной работы всех инженерных систем здания: освещения, отопления, вентиляции, кондиционирования, водоснабжения, контроля доступа и многих других. Устранение всего обслуживающего персонала здания и передача функций контроля и принятия решений подсистемам интегрированной системы управления зданием. В эти подсистемы как раз и закладывается “интеллект” здания – то, как оно будет реагировать на изменение параметров датчиков системы и другие события типа внештатных ситуаций. Реализация механизма немедленного отключения и передачи при необходимости управления человеку любой подсистемой интеллектуального здания. Вместе с этим человеку должен предоставляться удобный и единообразный доступ к управлению и отображению всех подсистем и частей “Интеллектуального здания”. Обеспечение корректной работы отдельных подсистем в случае отказа общей управляющей системы или других частей системы. Минимизация стоимости обслуживания и модернизации систем здания, что должно обеспечиваться применением общих стандартов в построении подсистем, автоматическое конфигурирование и обнаружение новых устройств и модулей при их добавлении в систему. Наличие в здании проложенной коммуникационной среды для подключения к ней устройств и модулей систем. Наряду с этим возможность использования в качестве коммуникационной среды в системе управления различных типов физических каналов: слаботочные линии, силовые линии, радиоканал. Возможности интеллектуального здания
Интеллектуальное здание имеет массу преимуществ перед неинтеллектуальным. Интегрированная система управления зданием позволяется владельцам здания создавать сколь угодно сложные и интеллектуальные процедуры функционирования этого здания, т. к. все исполнительные системы этого здания могут работать согласованно и совместно. Отсюда следует реализация множества ресурсосберегающих процедур, процедур контроля доступа и обеспечения безопасности здания, учета и контроля практически всех параметров систем здания и оперативное реагирование на их критическое изменение, причем реакция является комплексной и мгновенной, удаленного контроля и управления зданием, т. к. все информационные и управляющие каналы связи в такой системе являются цифровыми. Далее по ходу изложения будут приведены конкретные примеры использования новых возможностей интеллектуального здания. Кроме предоставления новых возможностей проектировщикам и владельцам интеллектуального здания, оно также является для них экономически выгодным. Экономические аспекты
Во всех странах с развитыми рыночными экономиками прозрачны и доходы, и расходы налогоплательщиков, а последними являются фактически все граждане. Четкий контроль за доходами и расходами позволяет эффективно работать таким институтам, как ипотечное кредитование (выдача кредитов под постройку и приобретение жилья). Это приводит к тому, что покупку жилья в кредит может позволить себе большинство работоспособного населения. Каждый, взявший кредит на покупку жилья станет “жить взаймы”: львиная доля его дохода будет утекать на погашение кредита. Без страхования рисков в таком случае не возможны правовые взаимоотношения в данных экономических процессах. [6] Поэтому во многих странах уже существует практика обязательного страхования жилья. Естественно, что страховые компании заинтересованы в качестве и надежности страхуемого жилья. Но поскольку возникновения страховых случаев не избежать, то страховые компания стремятся затем взыскать деньги с настоящих виновников, например, — строительных компаний. “Интеллектуальное здание” в состоянии предоставить экспертам тот “черный ящик”, по содержимому которого будут делаться заключения. Поэтому развитие и внедрение ИЗ в странах с развитыми рыночными экономиками сейчас идет стремительныи темпами. Даже в России современные и дорогие офисные и жилые здания уже проектируются с учетом требований концепции ИЗ, для последующего их внедрения. [6] Кроме того сами будущие владельцы таких зданий заинтересованы в их интеллектуальности, потому что оно несомненно приносит значительную экономию средств своему владельцу за счет точного учета и контроля над всеми системами здания, а также интеллектуального и рационального использования таких ресурсов, как электричество, вода, тепло. [6] 1. 2 Применение концепции ИЗ для жилого дома
Весь предыдуший материал полностью справедлив для административного или производственного здания или комплекса. Но в целью данной работы является прежде всего рассмотрение системы управления интеллектуальным домом в смысле частного жилого дома или жилища. Поэтому далее будут рассмотрены основные отличия от офиса и предприятия при внедрении концепции ИЗ в жилом доме, который мы будем называть “интеллектуальный дом”. Отличия дома от здания
Частный жилой дом или жилище отличаются от административного комплекса или цеха производственного предприятия. Можно выделить несколько аспектов использования и конструкции жилого дома, которые существенно отличаются от аналогичных в зданиях. Вот самые важные: - в жилом доме его владелец не может и не хочет постоянно или перидически администрировать и управлять подсистемами здания. Значит интегрированная система управления таким домом должна быть построена таким образом, чтобы требовать минимального обслуживания или быть полностью автоматической. - подключение новых приборов и устройств к такой системе должно быть максимально облегчено, т. е. сведено практически к простому подсоединению к свободному разъему в сети или даже простому включению прибора. А он сам уже должен при поддержке системы управления подключиться к ней, настроить свои параметры в соответствии с требованиями системы и предложить свои сервисы другим компонентам системы. При этом система должна предоставить пользователю по его требованию очень подробный интерфейс настройки всех ее компонент и алгоритмов функционирования. - здесь появляется много новых аспектов, которые нужно автоматизировать - это избавление человека от повседневной работы, как то: уборка помещения, приготовление пищи, стирка одежды и т. д. Причем они в отличие от других областей очень плохо поддаются автоматизации и система должна обладать очень высоким интеллектом, чтобы приемлемым образом справляться с этими задачами. - в функциях дома должно быть четко разграничено, что он может делать, а чего делать не должен ни в коем случае. Важно, чтобы человек знал об этом разграничении и был уверен, что дом никогда эту черту не переступит. Возможности интеллектуального дома
Возможности у интеллектуального дома такие же как и у здания, но к ним добавляются еще несколько специфических. Одна из них, как уже отмечалось выше, избавление человека от повседневных забот. Подключение всех домашних приборов и устройств к интегрированной системе позволяет также освободить человека, живущего в таком доме, от необходимости следить за наличием продуктов, скоплением мусора в корзине, своевременной оплатой счетов, и многим другим. Система сама за всем будет следить, затем принимать решение о необходимых действиях и при наличии возможности выполнять какие-либо действия (заказ продуктов в магазине, перевод денег со счета за коммунальные услуги и т. д. ) Удаленное управление интеллектуальным домом
Человек может управлять интеллектуальным домом или зданием с помощью некоторых средств управления, размещенных в самом здании или его окрестностях, но включенных в ту же коммуникационную среду, что и все остальные компоненты системы. Но существует множество случаев когда бывает необходимо или желательно удаленное управление подсистемами интеллектуального дома. Перечислим основные из них: * человек хочет иметь возможность контролировать состояние своего дома при длительном отсутствии и при необходимости управлять некоторыми системами * в случае непредвиденных ситуаций (пожар, наводнение и т. д. ) дом должен иметь возможность известить об этом своего владельца и соответсвующие городске службы * при неисправностях в некоторых модулях и подсистемах, диагностика и некоторые ремонтные или настроечные процедуры могут быть проведены специалистами из сервисных центров удаленно без непосредственного присутствия, что экономит значительные средства и способствует разнообразию доступных технических средств Концепция интеллектуального дома предоставляет возможность создания в рамках интегрированной системы управления подсистемы удаленного управления. Эта подсистема позволяет получать информацию о событиях и состоянии некоторых параметров и удаленно посылать команды управления всей системе или ее отдельным компонентам. Относительно глубины реализации такой возможности в интеллектуальном доме можно выделить следующие формы: 1. Автономный саморегулируемый и управляемый объект, включающий в себя всевозможную автоматику, но не имеющий сообщения с “себе подобными”. Это та наиболее примитивная модель искусственного интеллекта, на которую делается упор в средствах массовой информации. Где “интеллектуальный дом” представляется чудом техники, сулящем массу удобств и удовольствий богатому лентяю, которому лень встать с дивана, чтобы щелкнуть выключателем. 2. При подключении интеллектуального дома к сети, связывающей отдельные объекты в единое целое, что позволит осуществлять мониторинг систем жизнеобеспечения, энергосбережения ресурсов, безопасности и т. д. Решение любых вопросов, связанных с упомянутыми системами, а также доставка различных услуг по сети станет гораздо проще и эффективнее. 3. Высшая форма интеллектуального жилища: обмен информацией как внутри дома, так и вне его (по глобальной сети) происходит с помощью стандартных цифровых протоколов. Все компоненты системы интегрированы в единое коммуникационное пространство. Последняя форма рассматривается как основа релизации концепции ИЗ и предполагает создание интегрированных систем управления интеллектуальным домом. Состояние проблемы
На данный момент уже существуют сложившиеся решения создания интеллектуальных офисов или производственных цехов. Проблемами автоматизации управления инфраструктурой зданий начали заниматься еще более 30 лет назад. Поэтому к натоящему моменту времени существует множество стандартов и готовых решений для этого класса зданий. Но для категории частных домов, котеджей или квартир пока не существует комплексных стандартизованных решений. Хотя для жилых многоэтажек как целого в принципе приминимы системы автоматизации офисных и административных зданий.
Как было сказано выше основой реализации концепции ИЗ является создание интегрированных систем управления. В этой работе также будет создан макет интегрированной системы управления. Далее она будет рассмотрена более подробно. 1. 3 Интегрированная система управления зданием Определение и роль в интеллектуальном здании
Система управления зданием может быть как интегрированной, так и состоять из нескольким автономных систем управления разными подсистемами здания. Автономные системы имеют свои преимущества и недостатки по сравнению с интегрированными, но в нашем случае наиболее важно то, что автономные системы не могут использовать общие данные. Каждая система имеет собственные датчики и сигнализаторы, недоступные для других, столь же герметично замкнутых систем. Это — следствие изолированности действий и невозможности автоматической координации реакции систем. Поэтому такие системы не могут обеспечить требований, предъявляемых к интеллектуальным зданиям. Интегрированная система управления интеллектуальным зданием занимается решением задач обеспечения комплексной работы всех инженерных систем здания: освещения, отопления, вентиляции, кондиционирования, водоснабжения, контроля доступа и многих других. Интегрированная система управления инфраструктурой здания позволяет безболезненно, без переделок повышать разнообразие обслуживаемых функций контроля за состоянием всего здания в целом, различных его помещений, а также за условиями труда и жизни находящихся в нем людей. При этом уже существующие и работающие автономные устройства интегрируются в единую систему. В отличие от автономных систем, интегрированная система использует общую базу данных. Такая база данных может быть аутентично использована не только отдельными подсистемами обеспечения жизнедеятельности, но и любыми другими устройствами автоматизации управления зданием, как, например, системами фотоидентификации, установками обогрева и вентиляции, осветительными сетями, и даже может собирать данные, исходящие от существующих задействованных в здании автономных систем (например, от противопожарной установки). Интегрированная система предоставляет удобный доступ и к архиву за все прошедшее время работы. Использование больших массивов данных за прошедшее время позволяет проводить аналитические прогнозы и принимать обоснованные стратегические решения. Из всего изложенного выше, можно выделить определенные требования, предъявляемые к интегрированной системе управления: * создание на основе различных физических сред передачи данных единой коммуникационной среды, прозрачной для всех устройств, подключенных к ней; * возможность подключения устройств без дополнительной настройки и изменения конфигурации системы; * создание протоколов взаимодействия устройств между собой и передачи сообщений; * ведение единой централизованной или распределенной базы данных всех устройств, компонентов и подсистем интегрированной системы с указанием предоставляемых ими сервисов и служб другим подсистемам; * возможность простого реконфигурирования системы с изменением или перенесением некоторых частей без настройки и перерыва в функционировании; * устройства, подключаемые к такой сети должны иметь возможность автономной работы в случае потери связи с системой и самостоятельного включения обратно в систему при восстановлении связи; Возможности интегрированных систем
Использование данных одной системы (для управления устройствами других систем), позволяет избежать дублирования датчиков, оптимизировать расход таких ресурсов, как вода, тепло, электричество [2]. Взаимодействие систем дает возможность автоматически выключать свет в помещении при отсутствии в нем людей, а в нерабочее время и в выходные дни переводить отопление и вентиляцию в экономичный режим. Контроль над расходом ресурсов помогает вычислить объекты с наибольшим потреблением и разработать оптимальную стратегию управления ими. Совмещение двух систем (контроля доступа и учета кадров) позволяет учитывать время нахождения на работе, автоматизировать выдачу пропусков, расчет заработной платы и т. д. [2] Пожарные системы безопасности могут работать автономно и тем не менее выдавать сигналы в систему. Например, выдавать на экран дисплея пути эвакуации, перекрывать пути распространения огня, включать систему пожаротушения и т. п. В большинстве случаев достигается огромная экономия за счет снижения общей длины коммуникационных кабелей и уменьшения сроков создания экземпляров системы. Примеры алгоритмов, реализуемых в интегрированной системе Пример 1.
Вечером сотрудники покидают здание. Кто-то еще может зачем-то вернуться, кто-то засиживается допоздна, но рано или поздно из здания уходят все. Охранная система определяет, что в какой-то момент времени все сотрудники, работающие в некоторой зоне (этаж, секция, крыло этажа), разошлись по домам. Реакцией на это может стать обесточивание системы освещения этажа, а также выключение настольных компьютеров по сети, если кто-то забыл, уходя, выключить свой ПК (подобная функция реализована во многих современных сетевых адаптерах). Экономия электроэнергии в этом случае очевидна. Если добавить частичное отключение системы отопления (в зимнее время) или ее перевод на пониженные мощности в ночное время, то материальные выгоды, приносимые ИЗ, окажутся вполне ощутимы. [3] Пример 2.
Определение наличия сотрудника в здании может также принести пользу с точки зрения защиты информации. Если сотрудник покинул здание, то его учетная запись в информационной системе блокируется, и никто, даже зная пароль, не сможет войти в сеть под его именем. Более того, при наличии информации о том, с какой рабочей станции злоумышленник пытался войти в сеть, и о том, кто именно находился в тот момент в помещении, уполномоченные лица могут принять соответствующие меры. [3] Но это примеры для использование интергированных систем в интеллектуальных зданиях, а для интеллектуального дома можно привести следующий пример: К примеру хозяева дома могут смотреть программу приготовления того или иного блюда на экране телевизионной приставки, а затем послать рецепт холодильнику, который, в свою очередь, передаст список ингредиентов в интерактивный продовольственный магазин. Раздел 2. Структура интегрированной системы управления 2. 1 Уровни интегрированной системы управления зданием
Деление интегрированной системы управления зданием на уровни Уровень кабельные сетей (КС)
Уровень системы управления технологической инфрастуктурой здания Уровень интегрированная система управления информационной, вычислительной и коммуникационной инфраструктурой 2. 2 Уровень кабельных сетей
Современные здания требуют применения эффективных коммуникационных инфраструктур, поддерживающих работу различных сервисных систем на основе передачи информации в электронном виде. Такую инфраструктуру можно рассматривать как совокупность телекоммуникационных помещений, кабельных трасс, элементов системы заземления, кабелей и терминационного оборудования, обеспечивающих базовую поддержку распределения всей информации в здании Стандарты кабельных сетей
В основе концепции ИЗ лежат стандарты TIA/EIA 568 и 569 для кабельных систем и технологических трасс офисных зданий [5]. Каждым стандартом рассматриваются конкретные, требующие к себе внимания вопросы, а все вместе они дополняют друг друга в деле создания оптимальной кабельной инфраструктуры. Стандарт на телекоммуникационную систему офисных зданий ANSI/TIA/EIA 568A определяет в деталях структуру модели, а TIA/EIA 569 дополняет его рекомендациями относительно прокладки кабельных трасс. Эти два стандарта в сочетании с TIA/EIA 607 на систему заземления и TIA/EIA 606 на документацию и администрирование, а также с национальными и местными электрическими кодексами образуют базис для планирования инфраструктуры офисного здания. [5] Принципы структурированных кабельных сетей (СКС)
Кабельная система соответствующая стандартам ANSI/TIA/EIA 568A называется структурированной [5]. При перемещениях служб и персонала внутри здания из одних помещений в другие не изменяют саму проводку - достаточно аппаратуру из одних помещений перенести в другие и сделать необходимые переключения на кроссировочных панелях. Розетки же во всех помещениях однотипные для всех видов оборудования, т. е. проводка обладает хорошей приспособляемостью. Такие системы не требуют каждый раз прокладывать новую проводку и ставить новые розетки, а позволяют использовать при любых переустройствах или перестановках ту сеть, которая капитально смонтирована в здании. Обычно фирмы дают гарантии на работу таких систем в течение 15 лет, без значительных переделок кабельной разводки. В структурированной системе заложена значительная избыточность, позволяющая наращивать виды передачи сигналов и применять различные комбинации сетей. [5]
Но это относится к реализации интегрированной системы в административных и производственных зданиях. В жилых домах же в настоящее время при построении различных видов интеллектуальных домов применяется множество различных технологий объединения приборов и устройств – от RS-232 до Bluetooth. Поэтому для построения интегрированной системы необходимо либо поддерживать множество технологий коммуникационной инфраструктуры, либо необходима выработка стандарта на такие системы. 2. 3 Уровень системы управления технологической инфрастуктурой здания Исполнительные контроллеры системы прямого цифрового управления DDC (Direct Digital Control) управляют локальными объектами: установками сетевой климатизации, котлами, холодильными агрегатами, вентиляторами, насосами, элементами тепловых и осветительных сетей, конвекторами, устройствами управления допуском и т. п. [1] Объектные исполнительные контроллеры обслуживают ограниченное число системных входов/выходов и, как правило, размещены вблизи управляемого объекта и относящихся к нему конечных датчиков. Поэтому контроллер может использовать сигналы, поступающие от локальной аналоговой сети. Разбросанные по зданию исполнительные контроллеры современной системы DDC реализуют собственные программы управления также в случае утраты связи с остальной системой и главной базой данных. При восстановлении связи правильно сконфигурированная система должна автоматически восстановить как центральную базу данных, так и локальную базу данных контроллера. [1] Существенным свойством программируемых систем DDC является их способность перепрограммирования в режиме реального времени [1], без необходимости временного отключения контроллеров. Дополнительное достоинство — автоадресация контроллеров в действующей сети — делает возможной легкую перестройку или модификацию системы без необходимости ее временного отключения. [1] Стандарты сетей контроля и управления устройствами
Очевидно, что различные подсистемы здания тоже отвечают каким-либо стандартам сами по себе, безотносительно их интегрированности в ИЗ [3]. Вопрос о стандарте на ИЗ заключается, таким образом, в наличии спецификаций на интеграцию систем. Все современные более-менее развитые системы имеют интерфейсы для электронного управления, так что разработать средства для их интеграции не составляет особого труда. Проблема в том, что производители этого оборудования, естественно, не рассчитывают, что оно будет подключаться в сеть по витой паре или по волоконной оптике. В результате попытки перевести охранную или пожарную сигнализацию на трассы СКС вступают в противоречие с концепцией универсальной проводки. [3] Стали появляться открытые стандарты на сети контроля и управления различными устройствами. На сегодняшний день самое широкое распространение получили два стандарта: BACNet и LonWorks [3]. Стандарт BACNet был предложен и продвигается Американским Обществом Инженеров по Отоплению, Охлаждению и Воздушному кондиционированию ASHRAE. Он принят ANSI и имеет индекс 135-1995. Название стандарта расшифровывается как "протокол для сетей контроля и автоматизации зданий" (Building Automation Control Network). Стандарт предусматривает использование программируемых контроллеров, причем они могут быть объединены в сеть при помощи различных сред. Таким образом, контроллеры выступают промежуточным звеном между практически любыми устройствами, к которым они подключаются по нестандартным интерфейсам. Связь же между контроллерами и системой управления осуществляется по общей сети. [3] Что такое fieldbus?
До начала 1980-х наиболее распространенным средством связи между системами управления, полевым оборудованием и контрольно-измерительными устройствами был аналоговый сигнал. Однако, в 1983 ведущие производители начали выпускать "интеллектуальные" полевые приборы с встроенными запатентованными протоколами цифровой связи, которые позволяют осуществлять функции двусторонней связи между приборами и системами управления, дистанционной конфигурации и более точного, воспроизводимого управления. Это заставило Международную электротехническую комиссию (IEC) в Европе разработать стандартный цифровой протокол, который должен был иметь ряд преимуществ по эффективности и экономии, включая следующее [4]: соединение приборов по многоточечной схеме, которая дала бы возможность подключать несколько приборов к одной полевой шине вместо того, чтобы прокладывать отдельные витые пары для каждого индивидуального прибора; возможность совместного функционирования различных приборов. Это означает, что пользователи могут сочетать в одной системе разные приборы от самых разных производителей, при этом все приборы будут функционировать правильно и взаимодействовать друг с другом и системой управления; равноправная связь между интеллектуальными приборами, подключенными к шине (не требуется вмешательство системы управления в обмен данными), что позволяет распределить задачи управления на уровне полевого оборудования;
расширенные возможности передачи данных по сравнению с аналоговой связью. Эти данные затем могут быть использованы в оперативном режиме в самых различных приложениях;
Сети, соответствующие данному стандарту могут быть эффективно использованы для построения интегрированной системы управления, потому что они обеспечивают ряд условий функционирования устройств в такой системе: небольшой объем передаваемых данных
необходимость синхронизации всех устройств во время функционирования необходимость взаимодействия между несколькими устройствами напрямую
Для окончательной стандартизации была создана организация Fieldbus Foundation которая разработала стандарт FOUNDATION fieldbus – стандарт на построение сети контроля и управления различными устройствами. Он объединяет в себе все основные качества сетей подобного типа, поэтому мы его рассмотрим подробнее. Стандарт FOUNDATION fieldbus
Fieldbus Foundation - некоммерческая организация, которая объединяет более 120 ведущих мировых поставщиков и конечных пользователей систем управления технологическими процессами и автоматизации производства. Многоуровневая модель взаимодействия открытых систем Open System Interconnect (OSI) используется для объединения компонентов стандарта в рамках единой модели. [4] Технология Fieldbus позволяет соединять несколько устройств при помощи всего лишь двух соединительных кабелей. Это существенно снижает сложность схем соединения, а также позволяет снизить общие эксплуатационные расходы системы и обеспечивает большее удобство при работе: чем меньше кабелей используется при подключении устройств, тем меньше устанавливается предохранителей и распределительных щитков. Подключение нескольких полевых устройств к одной шине позволяет также существенно уменьшить число необходимых устройств ввода-вывода и управляющих устройств, электронных модулей. [4] 2. 4 Интегрированная система управления информационной, вычислительной и коммуникационной инфраструктурой Эти системы возникли из-за необходимости обслуживания гетерогенных информационно-технологических сред, когда поддерживается многоплатформенность на всех уровнях: разные компьютеры (мейнфреймы, серверы, рабочие станции и персональные компьютеры), разные операционные системы, разные СУБД, сетевое оборудование от разных фирм-производителей и различного уровня интеллектуальности и т. д. Основываясь на предоставляемых нижележащими уровнями сервисами, создается последний уровень, в котором все аспекты управления инфраструктурой здания сводятся в единую систему, выполняющую многообразные функции, в число которых входят [1]: пожарная сигнализация; управление параметрами среды; контроль доступа в здание; сигнализация взлома; управление лифтами; телевизионное слежение; регистрация времени пребывания; управление освещением; контроль использования электрической энергии; отопление, вентиляция, поддержание микроклимата;
Кроме выполнения целевых функций на нее возлагаются функции управления информационной инфраструктурой [1]: контроль доступа к информации и управление безопасностью; управление рабочей нагрузкой; контроль производительности; управление событиями; отображение и поддержка бизнес-процессов; управление бизнес-приложениями; автоматизированное управление хранением данных; управление проблемами; управление транспортом данных; рассылка программного обеспечения; управление рассылкой отчетов; управление очередями и устройствами печати; управление Web-серверами; управление сетью;
Последняя функция — управление сетью — включает в себя автоматическое распознавание объектов управления и топологии сети, повышение уровня контроля сетевого оборудования, наличие средств разработки для управления нестандартным сетевым оборудованием, интеграция с уже существующими в здании системами управления сетью и наличие средств ведения политики управления сетью. Архитектура системы
Контроллеры, верхнего уровня, так называемые сетевые контроллеры подключаются к существующей локальной сети здания и обеспечивают связь с контроллерами нижнего уровня - исполнительными контроллерами [2]. Датчики температуры, влажности и т. п. , подключаются к исполнительным контроллерам. К ним же подключается и "оконечное" оборудование - силовые реле моторов и лампы освещения, приводов вентиляционных заслонок, замки дверей и сигнальные лампочки [2]. Раздел 3. Построение макета интегрированной системы управления зданием Условия создания системы
Так как этой работе ставилось целью рассмотреть вопросы удаленного управления системой интеллектуального дома, то для практического исследования теоритеческих выводов необходима реализация принципов ИЗ в некотором макете интегрированной системы управления. В силу непреодолимых ограничений условий реализации системы, а именно, отсутсвии необходимых средств для реализации уровня структурированных кабельные сетей и уровня системы управления технологической инфрастуктурой здания, то они моделируются с помощью имеющихся в наличие вычислительных и коммуникационных средств. Это персональные компьютеры, локальная сеть стандарта Ethernet на базе стека протоколов TCP/IP и самостоятельно спроектированное устройство, подключающееся к последовательному интерфейсу COM персонального компьютера и выполняющее роль модели датчика и исполнительного устройства. Также не ставится целью достичь соответствия значений различных технических параметров реализованного макета реально существующим стандартам и системам. Архитектура системы
Физически реализация системы представляет собой макет, состоящий из нескольких компьютеров, объединенных локальной сетью Ethernet, к которым, с помощью последовательного интерфейса, присоединяются спроектированные устройства. Для того, чтобы создать устройства, выполняющие различные функции в интегрированной системе, их алгоритмы работы имитируются на программном уровне. Аппараттурно все устройства идентичны и предоставляют одинаковые функции. На нижеприведеной схеме системы (Рис. 1) изображена структура подключения и взаимодействия частей системы. Рис. 1
Макет состоит из модулей, которые имитируют работу устройств, подключенных к интегрированной системе. Каждый модуль состоит из компьютера и подключенного к нему через интерфейс RS-232 модуля. Коммуникационная среда интегрированной системы также имитируется на этих компьютерах. Структура аппаратного модуля
Аппаратный модуль представляет собой смонтированную на картоне электрическую схему, позволяющую реализовать следующие функции: отображение состояний устройства: подача питания готовность к работе выполнение специфической функции
подача сигнала в устройство для имитации пользовательского ввода или срабатывания некоторого датчика На рис 2. приведена принципиальная схема устройства: Рис. 2
Выходы данной схемы выводятся на линии последовательного интерфейса RTS, DTR, CD и GND. Для индикации состояния устройства в данной схеме используются два светодиода, подключенные через резисторы для ограничения тока к двум линиям интерфейса RS-232. На этих линиях контроллер интерфейса позволяет программно выставлять высокий и низкий уровни сигнала, что позволяет управлять состоянием светодиодов. Для обратной связи используется кнопочный выключатель, размещенный в цепи линии CD (Carrier Detect) - обнаружение несущей, при его замыкании к ней начинает течь ток и контроллер посылает программному обеспечению сигнал обнаружения несущей. При включении питания в такой схеме загорается зеленый светодиод, что говорит о правильном подключении схемы к последовательному порту и его работоспособности. При инициализации программной части имитации устройства, подается напряжение на линию RTS и DTR, следовательно загорается красный светодиод и гаснет зеленый, что означает успешное включение устройства в интегрированную систему и готовность его выполнять свои функции. Одновременная индикация обоих светодиодов означает выполнение этим устройством его специфической функции. Выключатель предназначен для передачи устройству сигнала о пользовательском вводе или имитации возникновения некотрого внешнего события (срабатывания датчика). Структура программного модуля
Программная часть модуля имитации устройства в интегрированной сети представляет собой программу работающую с последовательным портом, написанную на языке Java, и позволяющую программно реализовывать описанные выше действия по управлению аппаратной частью модуля устройства. На рис 3. приведена схема взаимодействия программных модулей во время их работы: Рис. 3
Написанный на языке Java класс использует для работы с COM портом стандартный интерфейс программирования Java Communication API. Он в свою очередь через механизмы Java Native Interface использует системный драйвер для работы с COM портом. Экземпляры классов, порожденных от этого класса и реализующих особенности работы различных устройств используются для подключения их в интегрированную систему. Структура макета интегрированной системы
Макет интегрированной системы создавался на основе платформы Java при использовании средства создания распределенных приложений CORBA. Данное сочетание позволило быстро и с наименьшими затратами создать макет, отвечающий требованиям, предъявляемым к интергрированным системам в концепции интеллектуального дома. Технология CORBA представляет собой среду для функционирования и взаимодействия некоторых CORBA-объектов, предоставляющих друг другу сервисы. Использование механизма CORBA позволяет автоматически получить в создаваемой системе наличие следующих возможностей: * независимость от аппаратной платформы и коммуникационных протоколов, что позволяет имитировать единство и прозрачность коммуникационной среды интегрированой системы управления; * служба Имен и Поиска позволяет регистрировать и находить в единой, возможно распределенной базе данных все объекты системы; при этом она также обеспечивает перенос устройств и реконфигурацию сети без дополнительного ручного настраивания системы; * поддержка транзакций дает возможность поддержки надежной среды взаимодействия между модулями системы * служба сохранения состояния объектов позволяет в случае потери связи устройства с системой продолжать функционирование по алгоритмам, заложенным в самом устройстве и, при восстановлении связи, корректно возобновлять работу в составе системы; * служба времени позволяет всем объектам системы синхронизировать свое время и получать реальные временные параметры, происходящих в системе событий; * служба событий дает возможность различным объектам генерировать и рассылать в системе события, о которых должны быть извещены другие объекты, и получать события от других объектов для возможного изменения режима работы этих объектов Макет интегрированной системы физически размещается на тех же компьютерах, что и макеты устройств, подключенных к этой системе. На них запускаются вышеперечисленные сервисы для обепечения подключения к ним макетов устройств. Более подробно структура макета интегрированной системы изложена в работе [7]. Проверка работоспособности макета
Работоспособность созданного макета проверялась на базе технических средств СКИБ2. Были созданы три макета устройств, подключаемых к макету интегрированной системы управления, развернут и настроен макет интегрированной системы управления, установлен модуль удаленного доступа к системе через Интернет. С помощью удаленного компьютера, подключенного к сети Интернет был проведен тест по управлению устройствами с помощью интернет-браузера. Были получены положительные результаты и подтвердено правильное функционирование макета. Заключение
Целью этой этой работы ставилось рассмотрение возможности построения современной интеллектуальной системы управления зданием с удаленным управлением через Интернет. При изучении концепции интеллектуальной системы управления зданием были сформулированы основные требования и характеристики ее реализации. Среди существующих в мире на сегодняшний день реализаций наиболее полно удовлетворют требованиям концепции интеллектуального дома интегрированные системы управления зданием. В рамках своих стандартов они обеспечивают выполнение всех требований ИЗ, обладая при этом несомненными достоинствами: * длительная и глубокая проработка таких систем множеством разработчиков; * наличие открытых стандартов, поддерживаемых широким кругом разработчиков; * экономические выгоды как для создателей систем, так и для их пользователей; Поэтому данная реализация была выбрана в качестве объекта для создания макета. Макет был создан с применением имеющихся в наличии технических средств. Тестирование и проверка работоспособности макета показала корректную работу модулей и выполнение заложенных в макет функций по удаленному уравлению ИЗ. Литература
И. Федоров, “Сколько этажей у интеллектуального здания? ” - "Бизнес: Организация, Стратегия, Системы", №10 1999 г. В. Архипов “Системы для “интеллектуального” здания” - "СтройМаркет", № 45 1999 г. А. Авдуевский “Крыша для интеллекта” - “Журнал сетевых решений LAN”, №12 1998 г. Информация сайта http: //www. fieldbus. narod. ru/
И. Г. Смирнов “Должны ли кабельные системы быть структурированными? ” - "Вестник связи", №8, 1998 г. Ю. Королев “УМНЫЙ ДОМ: приятная неизбежность” http: //www. sf. perm. ru/kd_dop_house. html Новичихин В. Пояснительная записка к УИР.