Игры разума

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:

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…

Интеллект: Что это такое

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.

Интеллект: Кому нужен

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:

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.

Интеллект: Как устроен

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.

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.

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.

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.

Интеллект: Сколько стоит

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.
Интеллект: С чего начать

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.

Интеллект: С кем быть

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.

Интеллект: Как связать

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).

Интеллект: Где взять

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.

Достаточно посмотреть на марки периферийных устройств в уже выполненных проектах: казалось бы, тут российский производитель мог бы прорваться. Отнюдь, мы не увидим там практически ни одного отечественного КИПа[КИП - контрольно-измерительный прибор], ни одного исполнительного устройства, ни привода, ни насоса, ни задвижки. Небольшие возможности остаются только там, где выбор регламентируется государством, хороший пример - приборы учета энергоресурсов.

Интеллект: А что у нас

В качестве главной особенности нашего рынка ИЗ, к сожалению негативной, является отсутствие такого мощного стимула для развития, как потребность в энергосбережении[Однако в Москве этот вопрос уже встал весьма остро, многие потребители вынуждены ограничивать энергопотребление, особенно в зимний период]. Остается лишь надеяться, что по мере интеграции России в мировое сообщество у нас более активно будут проходить реформы энергетической сферы[А также физические ограничения нагрузочной способности линий электропередач] и ЖКХ, способные стать тем самым стимулом и катализатором развития рынка ИЗ. А пока российский рынок ИЗ находится в стадии становления. Продукт ИЗ предлагается там, где идет бурное строительство коммерческой недвижимости - офисов "класса А", торгово-деловых центров, - то есть в основном в Москве и Санкт-Петербурге.

Для России характерно еще и то, что коммерческую недвижимость возводят по большой части крупные иностранные строительные фирмы (например, финская Skanska Olson или турецкая ENKA). Однако зачастую они все же привлекают отечественные фирмы для возведения систем ИЗ. Но тут возникает проблема взаимодействия между зарубежным генподрядчиком и отечественными субподрядчиками (а в процессе построения ИЗ особенно важна их безупречная координация уже начиная с момента подготовки проекта), усугубляемая вертикально-иерархической структурой такой формы управления проектом (в условиях нехватки времени предпочтительнее горизонтальные связи). К сожалению, нужно отметить и недостатки в нормативных документах по АСУ ТП (они морально и технически устарели даже для самой отрасли АСУ ТП, не говоря об АСУ для зданий).

К сожалению, тех системных интеграторов, которые имеют опыт проектирования и реализаций комплексных решений для ИЗ, можно пересчитать по пальцам одной руки. Как правило, на этом рынке чаще предлагаются лишь отдельные элементы: охранно-пожарные сигнализации, системы контроля доступа, видеонаблюдения или СКС.

Самым ответственным и затратным звеном ИЗ является АСУ жизнеобеспечения - здесь важны как знания современных технологий механических систем здания, так и квалификация в области IT. Главная сложность состоит в грамотном выборе периферийных устройств, проектировании электрораспределительных шкафов автоматики, программировании контроллеров, инсталляции и настройке SCADA-системы. Это подразумевает гораздо более высокие требования к уровню квалификации фирмы-интегратора по сравнению с ее предыдущим опытом работы (продажа, сервисное обслуживание и инсталляция отдельных слаботочных систем).

Однако здание является крайне "удобным" объектом для автоматизации с небольшим набором типовых технологических процессов, что позволяет интеграторам добиваться высокой тиражируемости своих проектов и технических решений. То есть фактически достаточно выполнить пару проектов комплексной автоматизации здания, и опыт типовых решений для дальнейших проектов будет уже получен.