МЕРЕЖІ
Останнім часом зріс попит на розробки в області спеціалізованого ПЗ для BACnet і LonWorks. Автор спробував зрозуміти, з чим це пов'язано, і, познайомившись з BACnet і LonWorks ближче, виявив для себе багато цікавого. В результаті з'явилася ця стаття, в якій коротко розглянуті особливості мереж BACnet і LonWorks і зроблена спроба оцінити їх перспективи на російському ринку.
Вступ
Функціональне призначення будь-якої будівлі - бути укриттям від зовнішнього середовища, створювати комфортні умови для перебування людини. Першими технічними засобами, що з'явилися в будівлях, були системи опалення та вентиляції (каміни і печі). Автоматизовані опалювальні системи з регуляторами температури аналогового управління існують вже більше 70 років. Нова ера в автоматизації експлуатації будівель почалася близько 25 років тому, коли з'явилися мікропроцесори. Вони дозволили створювати розподілені керуючі і моніторингові системи опалення, вентиляції та кондиціонування (ОВК). В англомовній літературі для них закріпився термін HVAC - Heat, Ventilation & Air Conditioning. За допомогою цих систем автоматизованого управління стало можливо будівлі з великими площами експлуатувати за допомогою відносно невеликих служб.
Паралельно з цим розвивалися програмно-керовані системи охоронної та пожежної сигналізації, відеомоніторингу, системи управління освітленням, вертикальним транспортом (ліфтами і ескалаторами), а також телефонні мережі і мережі передачі даних. Крім того, що всі вони були абсолютно автономними і для кожного випадку вимагали окремої кабельної проводки, але і з точки зору керуючих функцій системи одного призначення (наприклад, ОВК) різних виробників були повністю несумісні між собою. У них використовувалися закриті фірмові протоколи зв'язку, які не передбачають жодних загальноприйнятих інтерфейсів для взаємодії з системами інших виробників. На початку 90-х років необхідність стандартизації систем управління для розвитку галузі була усвідомлена практично всіма виробниками обладнання.
Для виходу з ситуації, що склалася в галузі, яку можна порівняти з будівництвом Вавилонської вежі, було два шляхи. З одного боку, при асоціації ASHRAE (американське суспільство інженерів опалювальної, холодильної техніки і кондиціонування) почалася робота зі створення галузевого стандарту мережевого протоколу, в результаті якої з'явився BACnet. З іншого - компанія Echelon, відкривши вельми вдалий фірмовий протокол LonTalk, привернула до лав своїх прихильників велика кількість виробників і встановила стандарт де-факто.
Протокол BACnet став американським стандартом ANSI / ASHRAE 135-1995 в 1995 р В даний час він прийнятий в якості чорнового стандарту європейською спільнотою і запропонований для ISO Technical Committee 205, Building Environment Design.
Пізніше, в жовтні 1999 р, протокол LonTalk був прийнятий офіційно як американський стандарт ANSI / EIA 709.1-A-1999 Control Network Protocol Specification. Як видно з назви, його офіційне визнання проходило через альянс електронної промисловості Electronic Industries Alliance (EIA).
Незважаючи на те що офіційно протокол LonTalk, що лежить в основі мереж LonWorks, був визнаний пізніше, ніж протокол BACnet, хронологічно він з'явився раніше. Тому спочатку розглянемо мережі LonWorks.
мережі LonWorks
LonWorks представляє собою комбінацію технології та апаратно-програмних засобів для побудови відкритих керуючих мереж інтелектуальних пристроїв. Його функціональне призначення позиціонується для наступних додатків:
- автоматизація будівель;
- промислова автоматизація (АСУ ТП);
- автоматизація на транспорті;
- домашні мережі.
Таким чином, область застосування мереж LonWorks ширше, ніж BACnet, спочатку призначених майже виключно для автоматизації будівель.
Основу LonWorks становить протокол LonTalk, розроблений в 1991 р фірмою Echelon і до 1995-го залишався закритим фірмовим протоколом мережевого зв'язку. Інтелектуальна власність на рішення, які є базою для цього протоколу, захищена 13 патентами США.
До 1995 р мережі LonWorks могли поширюватися тільки завдяки апаратної реалізації протоколу. Маючи можливість придбання спеціалізованого мікропроцесорного чіпа (Neuron Chip), такі мережі, які мають безсумнівними достоїнствами, могли створювати і незалежні розробники.
Neuron Chip став доступний c 1991 року, коли за ліцензією фірми Echelon його почали випускати виробники напівпровідників Motorola і Toshiba. В даний час їх випуском також займаються лише дві компанії - Toshiba і Cypress Semiconductor. Вартість Neuron Chip не перевищує 10 дол.
Кожен Neuron Chip, в якому "зашитий" протокол LonTalk, містить три 8-розрядних мікропроцесора, вбудовану пам'ять і 11 контактів ліній введення-виведення загального призначення. Будь-який пристрій на базі мікросхеми Neuron Chip здатне забезпечувати отримання даних, двосторонню зв'язок і управління.
Назва Neuron Chip відображає важливу особливість вузлів мережі LonWorks - їх інтелектуальність. Вузли не поділяються на Master і Slave, і мережа не вимагає централізованого управління. Для межузловой зв'язку є поняття пріоритетів повідомлень. Завдяки особливостям протоколу LonTalk і відповідної апаратної реалізації забезпечується надійна багатозадачність. Зв'язок виявляється чутливою до фізичного носія, т. Е. В залежності від наявності каналу зв'язку і його стану вибирається відповідна швидкість передачі даних.
Протоколом передбачена ідентифікація типу пристрою і його виробника.
У 1995 р фірма Echelon відкрила протокол LonTalk. Коли було опубліковано опис протоколу, американська компанія Adept Systems розробила код на мові Сі для реалізації LonTalk на платформі MC68360 фірми Motorola і надала його всім бажаючим. Він складається приблизно з 20 тис. Рядків тексту, включаючи коментарі. Була надана також детальна 45-сторінкова інструкція, що описує процедуру власної реалізації протоколу для сторонніх розробників. Таким чином, протокол LonTalk відокремився від своєї первісної апаратної реалізації і тепер легко підтримується будь-який інший платформою, відмінною від Neuron Chip.
Відкривши протокол LonTalk, фірма Echelon не зробила, проте, його безкоштовним. Ліцензування протоколу здійснюється за наступною схемою. Компанія-виробник, зацікавлена у випуску пристроїв для мережі LonWorks, подає заявку і укладає відповідний договір з фірмою Echelon про резервування для себе як мінімум 16 384 номерів пристроїв, за що одноразово виплачує суму в $ 2500. При подальшому виробництві компанія-ліцензіат додатково робить відрахування по $ 0,15 за кожен пристрій.
Протокол LonTalk досить швидко завоював визнання. Практично відразу після публікації він увійшов в стандарт BACnet як опція протоколу мережевого зв'язку (докладніше про це - трохи нижче). Крім EIA і ASHRAE він офіційно визнається такими організаціями, як IEEE, AAR, IFSF, SEMI і CEN. У 2000 р LonTalk був прийнятий як національний стандарт в Фінляндії. Організація, яка об'єднує фірми, що стимулюють розвиток мереж LonWorks, - Echelon Open System Alliance (EOSA) в даний час включає в себе більше 100 фірм (37 фірм з Америки, 33 з Європи, інші з Азіатсько-Тихоокеанського регіону). Серед прихильників мереж LonWorks - такі великі компанії, як NTT DATA і Cisco Systems.
протокол BACnet
Назва протоколу BACnet є абревіатурою Building Automation and Control Networks (автоматизація будівель і керуючі мережі). Він розроблявся комітетом ASHRAE протягом восьми з половиною років. Перший варіант був прийнятий у 1995 році, а в 2000-му взяли третю редакцію стандарту.
BACnet є спеціалізованим протокол передачі даних для автоматизації будівель і керуючих мереж. Його головний пріоритет зосереджений на рівні прикладної задачі.
Цим протоколом регламентуються:
- параметри електричних сигналів;
- система адресації;
- способи мережевого доступу (Master-Slave, Peer-to-Peer);
- процедури перевірки помилок;
- процедури управління потоком (Flow control);
- послідовність повідомлень, система сегментації, наявність контрольних точок;
- формат подання (упаковки, шифрування);
- формат повідомлень.
При його розробці спочатку був визначений вид або модель, за якою кожен виробник може подати схему свого пристрою. На наступному етапі було поставлено стандарт "повідомлень" або послуг, який використовує модель і виконує інші загальні функції. Потім домовилися, що вважати нулем і що одиницею. Нарешті, було прийнято угоду про те, які використовувати стандарти фізичних носіїв, передачі даних і мереж. Розглянемо докладніше складові протоколу.
об'єкти BACnet
Кожен об'єкт в мережі BACnet характеризується набором властивостей, які описують його поведінку або управляють його роботою. На рис. 1 представлений приклад об'єкта, відповідного вимірюваної в приміщенні температурі.
Мал. 1. Приклад об'єкта BACnet
BACnet визначає набір стандартних об'єктів. У наведеному на малюнку прикладі параметр "тип об'єкту" (Object_Type) ідентифікує його як стандартний об'єкт ANALOG_INPUT.
На рис. 2 представлений набір основних стандартних об'єктів BACnet. Передбачається, що в подальшому будуть з'являтися нові стандартні об'єкти. Крім того, стандартом обумовлено допущення на використання розробниками своїх власних об'єктів, а також способи взаємодії з ними пристроїв сторонніх виробників.
Мал. 2. Стандартні об'єкти BACnet
Будь-який пристрій в мережі BACnet описується у вигляді набору стандартних об'єктів. При цьому кількість однакових об'єктів, що становлять пристрій, не обмежена. Приклад такого пристрою наведено на рис. 3.
Мал. 3. Приклад моделі фізичного пристрою при
описі за допомогою стандартних об'єктів BACnet
Стандартом BACnet запропоновано такі класи прикладних задач, які виконують пристрої:
- генерація тривог і подій;
- організація доступу до файлів;
- організація доступу до об'єктів;
- управління віддаленим пристроєм;
- організація віртуального терміналу.
Ці класи прикладних задач описані набором послуг (Services), які виконуються певним класом задач. Наприклад, для класу прикладних задач "доступ до об'єкта" запропоновано такі послуги: ReadProperty, ReadPropertyConditional, ReadPropertyMultiple, WriteProperty, WritePropertyMultiple, CreateObject, DeleteObject, AddListElement, RemoveListElement.
Така детальна регламентація дозволяє представити все різноманіття пристроїв і розв'язуваних ними завдань в мережі BACnet. І хоча через це, з одного боку, протокол BACnet є досить громіздким, зате з іншого - забезпечується його міць і гнучкість при реальній роботі мережі. Як зауважив один з активних учасників розробки протоколу: "BACnet - найгірший протокол, але він єдиний з того, що є!" - маючи на увазі, що ні в жодній іншій галузі не були розроблені протоколи, що описують прикладний рівень.
транспортний рівень
Крім прикладного рівня BACnet описує можливі протоколи нижчих рівнів локальної мережі. Спочатку він допускав використання мережевих технологій Ethernet, ARCNET, Master-Slave / Token Passing (MS / TP), Point-to-Point (PTP) і LonTalk (див. Таблицю).
Характеристики різних мереж передачі даних
Крім того, останнє доповнення до протоколу 135a визначає поняття віртуальної мережі - "Virtual LAN", яке може бути притаманне таким мережам, як TCP / IP, ATM і т. Д.
У разі, коли додаток використовує лише один тип "рідний" локальної мережі BACnet, кожен пристрій того чи іншого виробництва може безпосередньо звертатися до будь-якого пристрою іншого виробника (рис. 4). Таким чином, цей тип ЛВС передбачає прямий зв'язок "пристрій-к-пристрою".
Мал. 4. Взаємодія пристроїв BACnet через одну зі стандартних LAN
Якщо додаток являє собою об'єднання різних "рідних" ЛВС, то зв'язок пристроїв, що знаходяться в різних мережах, здійснюється через маршрутизатори (рис. 5). Маршрутизатор всього лише заново упаковують повідомлення BACnet відповідно до стандарту даної мережі.
Мал. 5. Взаємодія пристроїв BACnet в різних стандартних ЛВС
Для зв'язку з приватними мережами потрібна наявність спеціалізованих шлюзів, які при перепакування повідомлень BACnet повинні, крім того, здійснювати їх переклад на мову відповідного приватного протоколу (рис. 6).
Мал. 6. Взаємодія пристроїв BACnet з пристроями в приватних LAN
Для взаємодії через IP-мережі BACnet передбачає два режими роботи: туннелирование IP-повідомлень і використання BACnet / IP.
При IP-тунелюванні від пристрою не потрібно розуміння протоколу IP, більшу частину роботи з яким бере на себе спеціалізований маршрутизатор - Annex H Router. Це назва обумовлена тим, що їх їм функції описані саме в додатку H стандарту.
При використанні BACnet / IP кожен пристрій є повноцінним вузлом IP. Воно має свій IP-адресу, стек протоколу IP і всю роботу з протоколом виконує самостійно. Повідомлення через Інтернет пристрою передають безпосередньо, без посередників.
Як уже згадувалося, в останньому додатку до протоколу 135a вводиться поняття "шар віртуального підключення BACnet" - BACnet Virtual Link Layer (BVLL). Відповідно до концепції BVLL пристрій BACnet / IP має доступ до інфраструктури IP, як до будь-якої ЛВС приватного типу. Таке підключення називається віртуальним (virtual data link). Воно забезпечує зручні умови для використання мереж ATM, SONET, Frame Relay, ISDN і інших, в тому числі і тих, які можуть з'явитися в подальшому. Якщо передача повідомлень між пристроями BACnet / IP через Інтернет йде безпосередньо, то широкомовна передача забезпечується за допомогою спеціалізованого пристрою BACnet / IP Broadcast Management Device (BBMD). Через BBMD здійснюється також реєстрація зовнішнього по відношенню до мережі BACnet пристрою. Для приєднання "зовнішнього пристрою" до BACnet при використанні BACnet / IP можна скористатися послугами Інтернет-провайдера (рис. 7).
Мал. 7. Взаємодія BACnet з "зовнішнім пристроєм" з Інтернету
Можна виділити наступні характеристики протоколу BACnet:
- його поява обумовлена в першу чергу потребою користувачів;
- це спеціальний протокол для автоматизованих систем в будівлях;
- BACnet грунтується на розширюється об'єктної моделі з гнучкою архітектурою;
- він не пов'язаний з конкретними технологіями і передбачає появу нових;
- широка наочність розробників і підтримка виробників гарантують його швидке поширення;
- BACnet є загальнодоступним протоколом, відкритий для удосконалення та підтримується ASHRAE;
- він може впроваджуватися в пристроях будь-яких розмірів і працювати в системах будь-якого типу.
BACnet швидко завоював визнання і викликав інтерес у всьому світі. В даний час його дотримуються понад 70 виробників. Він прийнятий як стандарт ANSI / ASHRAE 135-1995 і є європейським чорновим стандартом CEN TC247. Крім того, він з 1997 року є проектом міжнародного стандарту ISO ЄС 205 / WG3 і схвалений організацією NEMA для додатків в області охоронних і протипожежних систем.
висновок
Використання мереж LonWorks і BACnet є перспективним і економічний шлях побудови систем автоматизації будівель, особливо при поетапної реконструкції, коли спочатку, наприклад, будується єдина мережа на базі LonWorks, потім впроваджується BACnet-сумісна система управління освітленням і вертикальним транспортом, потім BACnet-сумісна система управління опаленням і вентиляцією і т. д. Таке поетапне впровадження систем забезпечує зниження одномоментно потрібних інвестицій і економію коштів.
Які ж проблеми пов'язані з впровадженням цих мереж на російському ринку? Можна виділити три аспекти, які стосуються позиції фірм, що мають відношення до автоматизації будівель.
По-перше, мережі BACnet і LonWorks мало відомі будь-кому в Росії, крім представництв іноземних фірм і вітчизняних системних інтеграторів, що пропонують пристрої, сумісні з BACnet і LonWorks. Автору невідомо поки жодного російського будівельного проекту або проекту з реконструкції, в якому була б здійснена інтеграція засобів управління LonWorks і BACnet від різних виробників. Потрібно вивчення цих технологій, навчання фахівців. Потрібна робота з пропаганди їх достоїнств, в тому числі і в Держстандарті Росії, якому належить голосування з питання прийняття BACnet як світовий стандарт.
По-друге, вітчизняні системні інтегратори і спеціалізовані проектні організації, що займаються впровадженням систем автоматизації будівель, повинні мати можливість конфігурації мереж LonWorks і BACnet для розробки комплексних систем на базі обладнання різних виробників. Їм напевно будуть потрібні відповідні програми, маршрутизатори і міжмережеві шлюзи. Часто стандартні засоби з яких-небудь причин не влаштовують користувачів і доводиться створювати свої. Розробникам таких коштів має бути ще набити шишки на цьому шляху.
Нарешті, по-третє, для підвищення конкурентоспроможності своєї продукції, особливо на зовнішніх ринках, вітчизняні підприємства, що випускають пристрої для систем життєзабезпечення будівель, повинні передбачати системи управління, сумісні з мережами LonWorks і BACnet. Їм потрібні відповідні спеціалізовані контролери з підтримкою цих мереж і драйвери прикладних систем моніторингу та дистанційного диспетчерського управління. Тут, очевидно, також розробники знайдуть широке поле діяльності.
Наявність проблем - не привід для песимізму, а стимул до роботи. BACnet і LonWorks повинні сприяти впровадженню передових, економічних систем автоматизації будівель, що особливо актуально для російських умов, де склалася дуже непроста ситуація в області енергетики.
З автором статті, заступником директора НЦ "Науцілус", можна зв'язатися по e-mail: [email protected].
Версія для друку
Тільки зареєстровані Користувачі могут залішаті Коментарі.
Які ж проблеми пов'язані з впровадженням цих мереж на російському ринку?