СТРОИМ УМНЫЙ ДОМ

 

“Умный дом», «интеллектуальное здание» – подобные фразы все чаще появляются в печати, в рекламных материалах различных компаний. Что это – лозунг, маркетинговый трюк, перспективные разработки завтрашнего дня или некая реальность, уже сегодня доступная в Украине.

 

Умный дом – прихоть или необходимость и почему об этом стали говорить

Давайте посмотрим на современный дом[1] или здание[2]. Во-первых, он оборудован различными инженерными системами, например, электро- и водоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования, освещения и безопасности. Эти системы могут работать в различных режимах в зависимости от внешних и внутренних факторов. Во-вторых, дом требует для своего функционирования ресурсов и его нужно обслуживать.

В доме живут и работают люди. В основном они максимально сосредоточены на собственных бизнес-процессах, комфортном и экономически выгодном время провождении в доме, при этом об инженерных системах дома вспоминают только когда что-то выходит из строя.  Причиной тому является занятость своими текущими проблемами, нелюбовь к технике, отсутствие профессиональной подготовки и навыков обслуживания инженерных систем, а также, в большинстве случаев, отсутствие прямой экономической заинтересованности в правильной и эффективной эксплуатации здания («не мое»).

Активный процесс внедрения рыночных отношений во все сферы деятельности людей не оставил в стороне и дом. Теперь это объект отношений «деньги-товар», т.е. каждый дом имеет свою текущую стоимость, состоящую из стоимости его строительства и эксплуатационных затрат (стоимость потребляемых ресурсов и обслуживания).

И получается, что дом не может функционировать без некоторой системы, охватывающей его целиком и работающей постоянно. Описание истории развития таких систем, их типов и структур – это достаточно объемный материал, который выходит за рамки этой статьи. Основные функции автоматизированной системы управления зданием (АСУЗ) таковы:

1.      Мониторинг: а) и учет параметров потребления энергетических ресурсов (вода, тепло, газ, электроэнергия); б) параметров инженерных систем (отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, водоснабжения, освещения, электроснабжения и др.); в) параметров, определяющих состояние строительных конструкций и окружающей среды с целью предупреждения аварийных ситуаций.

2.      Управление режимами работы инженерных систем (отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, водоснабжения, освещения, электроснабжения и др.) с целью удовлетворения требований строительных и санитарных норм.

Это жизненно необходимые функции, которые реализуются по строго регламентированным правилам. И при этом АСУЗ с этими двумя функциями смотрит на человека как на один из элементов, игнорируя его потребности, не укладывающиеся в узкие рамки существующих норм и правил, слабости, желание экономить и оптимизировать собственные расходы.

И вот с ростом самосознания и уважения к самому себе человек привносит элементы интеллекта в АСУЗ. В результате появляется система, условно называемая «умный дом». В связи с тем, что в среде специалистов нет единодушия по поводу точного определения этого термина, имеет смысл перечислить основные функции такой системы. Итак, «умный дом[3]»

Ø      "чувствует", что происходит внутри и снаружи здания;

Ø      "реагирует" таким образом, чтобы наиболее эффективным способом обеспечить эффективные с точки зрения бизнес-процессов, безопасные и комфортные условия пребывание в нем людей, сведя при этом до минимума потребление энергии и энергоресурсов;

Ø      "объединяет" все технические и экономические системы в единый слаженный организм;

Ø      "взаимодействует" с людьми посредством применения простых и легко доступных средств общения в локальном (по месту) и дистанционном режимах.

А как строить?

Одно дело декларировать идеи, другое – знать, как их реализовать. Проектировщик «умного дома» попадает в область, где нет четких критериев эффективности, трудно формализуются взаимосвязь деятельности человека с поведением здания, где можно использовать только общие рекомендации и основополагающие принципы теории систем. Вот некоторые аспекты, которые следует учитывать при проектировании систем типа «умный дом».

1.      Интеллект дома должен быть наращиваемым и гибким.

2.      Интеллекту требуется время, чтобы себя проявить.

3.      Уровень интеллекта дома должен соответствовать ценности того, что в нем находится и какие процессы в нем протекают.

Конечно же, это не полный перечень, но уже этого достаточно, чтобы искать технические средства для строительства «умного дома»[4].

На сегодняшний день перспективным является использование децентрализованных технологий типа Fieldbus, которые поддерживаются большим количеством производителей инженерного и коммуникационного оборудования. К числу таких технологий относятся LonWork и EIB.

Технология LonWork

Это законченная платформа для построения сетевых систем автоматизации и управления. В рамках этой технологии сеть содержит интеллектуальные устройства, называемыми узлами, которые взаимодействуют друг с другом с помощью широкого набора передающих сред, используя общий протокол обмена информацией, основанный на сообщениях.

В основе каждого узла лежит Neuron Chip (мощный микропроцессор, разработанный компанией Echelon Corp. и производимый компаниями Motorola и Toshiba), который для передачи данных  использует манчестерское кодирование. Для него требуется питание 5 Вольт, которое может подаваться извне, либо стабилизироваться самим узлом из напряжения 7-16 Вольт.

Каждый узел должен иметь также приемопередатчик LonWorks, рассчитанный на работу с определенным типом передающей среды, например, витой парой. Технология поддерживает обмен данных также по коаксиальному кабелю, оптоволокну, радиоканалу, посредством инфракрасного излучения и силовых линий. Каналы могут быть сконфигурированы на различную скорость передачи, это может зависеть от различных внешних условий (расстояние, питающего напряжения и пр.). Доступные скорости передачи данных находятся в пределах от 0.6 до 1250 кБит/с. Средняя длина пакета находится в пределах от 10 до16 байт, но при этом максимальная длина равна 255 байтам.

Узлы общаются друг с другом посредством простого общего коммуникационного протокола LonTalk, полностью соответствующего семиуровневой архитектуре взаимодействия открытых систем OSI. Протокол поддерживает многоуровневую адресацию. Верхним уровнем иерархии при адресации, является домен. Идентификатор домена может иметь длину 0,1,3,6 байт. Каждый узел может входить максимум в два домена. Второй уровень адресации, это подсеть. В домене может быть до 255 подсетей. Подсеть - логическое объединение узлов одного или нескольких каналов. Третий уровень это сам узел. Количество узлов для одной подсети ограничено 127. Таким образом, один домен может содержать 127х255=32385 узлов. Домен может состоять из нескольких каналов, подсети и группы также могут состоять из нескольких каналов. Узлы могут быть также сгруппированы. В домене может быть определено до 256 групп, в каждой группе до 64 узлов.

Каждый узел в сети содержит встроенную логику, осуществляет поддержку коммуникационного протокола и управляет.

Технология LonWorks использует схему адресации, допускающую сегментацию сети, которая реализуется с помощью применения маршрутизаторов. На сеансовом уровне LonWorks предоставляет службу идентификации, с помощью которой можно реализовать защиту передаваемых данных от повреждения или подмены.

Технология поддерживается ведущими поставщиками систем диспетчеризации и управления зданиями – Honeywell, TA Control, Landys&Staefa, Johnson Control, Andover Controls и другими. Технология LonWorks получила наибольшее распространение при* подключении управляющих устройств полевого уровня в системах автоматизации зданий. Наиболее характерными устройствами являются: локальная автоматика HVAC, контроль доступа, управление освещением и т.д. Разрабатываемые в настоящее время приложения стандарта будут включать протокол интерфейса для систем управления зданием для промышленных и домашних управляющих устройств через Internet или другие IP-сети.

Технология EIB (European Installation Bus)

При разработке технологии EIB целью было создание мощного и гибкого инструмента для построения систем автоматизированного контроля и управления зданиями, например, комплексное управление инженерными системами микроклимата (отопление, кондиционирование, вентиляция), водо-, тепло-, электроснабжения и освещения, а также охрана и сигнализация, управление приводной нагрузкой (насосы, двигатели, компрессоры) и бытовой техникой.

Система ЕIВ представляет собой открытую децентрализованную шинную систему (см. рис.1) с событийным управлением и с последовательной передачей данных. Все подключаемые интеллектуальные устройства могут обмениваться информацией через общий канал передачи - шину. Протокол ЕIВ основывается на методе множественного доступа CSМА/СА (Carrier Sense Multiple Access /Collision Avoidance) с контролем несущей и предотвращением коллизий. Передаваемый пакет данных сообщения ЕIВ имеет переменную длину и содержит фиксированный набор полей. Но длина пакета ЕIВ сообщения является переменной и может изменяться от 57 до 184 бит. Скорость
передачи для шины ЕIВ составляет 9600 bps.

Рисунок 1.

Базовым элементом топологии системы ЕIB является шина. Одна шина (первый уровень) может объединять до 64 интеллектуальных устройств. Длина шины может составлять не более 1000 метров. С помощью линейных соединителей LC (Line Coupler), выполняющих функции гальванической развязки шины и фильтрации информационных пакетов между отдельными шинами, можно объединить в один сегмент до 15 шин первого уровня. Далее система позволяет объединить главной шиной в одну область до 15 сегментов при помощи тех же линейных соединителей. Таким образом одна область может объединять около 14000 шинных интеллектуальных устройств.

В основу EIB устройства положен микроконтроллер – BCU (Bus Coupling Unit). Он выпускается в нескольких видах, позволяющих устанавливать его в электрическом щитке на DIN-рейку, в монтажную коробку под выключатель в подвесном потолке, в конструкции светильника и т.п.

Шина EIB в качестве среды передачи данных использует следующие среды:

Ø      витая пара (9600 байт/с);

Ø      силовая линия (1200/2400 Бит/с, первоначально только для 230В 50 Гц) – спецификация EIB.pl;

Ø      вычислительная сеть EIB (например 10МБит/с, Ethernet) - спецификация EIB.net;

Ø      радиоканал -  спецификация EIB.rf;

Ø      инфракрасное излучение;

Ø      телефонная сеть;

Ø      голосовые команды.

Поддержкой и развитием стандарта EIB занимается международная организация EIBА (European Installation Bus Association)[5] со штаб-квартирой в Брюсселе. Она основана в 1990 году и на сегодняшний день включает более 110 членов, объединивших свои усилия в уникальном сочетании сотрудничества и конкуренции. В их числе ABB, Bosch, Buderus, Danfoss, Gewiss, Legrand, Moeller, Siemens, Vaillant, Viesmann и др.

Основными принципами работы EIBA является невмешательство в процесс разработок, производства и реализации продуктов системы EIB, контролируя членов Ассоциации посредством общей системной документации и программного обеспечения. При этом фактически любая компания может стать членом EIBA.

Для создания и реализации EIB проектов используется общее программное обеспечение ETS (EIB Tools Software).

В марте 1998 Ассоциация EIB стала первой организацией, выпустившей объектные спецификации системы с шинной архитектурой, соответствующие стандарту CEN TC247 и предназначенные для объектов управления в системах HVAC. В рамках Ассоциации работает инициатива EIB Scientific Partnership, объединяющая ведущие университеты мира в разработке новых EIB решений.

Активными членами Ассоциации EIB являются компании Siemens AG (продукция под торговыми марками instabus EIB и HES /Home Electronic System/), Bosch (продукция под торговой маркой Domotik),  ABB (продукция под торговой маркой i-bus EIB), Busch-Jaeger, Merten, Gira, Schupa, Legrand и другие.

Технология EIB активно распространяется по всему миру. Уже реализовано более 70000 проектов. В настоящее время она развивается в направлении интеграции с современными технологиями Internet, мобильной и беcпроводной связи.

 

Экономическая эффективность

За счет своих архитектурных особенностей описанные технологии дают существенную экономию начальных и эксплуатационных средств. Обобщенные оценки показывают, что

-         за счет возможности организации согласованной работы всех внутренних систем дома с учетом протекающих в нем процессов удается дополнительно сэкономить до 30 % затрат на энергию;

-         за счет оптимизации конфигураций кабельных систем, использования одних и также источников и регистраторов событий в различных функциональных подсистемах здания удается снизить начальные и эксплуатационные расходы на 20%.

Конечно же, это слишком общие показатели – в жизни все может быть и по-другому с уклоном, как в лучшую, так и худшую стороны. И здесь почти все зависит от проектировщика, от его интуиции, опыта и владения новыми технологиями. Поэтому на страницах этого журнала мы продолжим публикацию материалов по этой тематике.

 

При подготовке материала использовались следующие источники:

1.      Материалы Российско-Австрийского центра изучения Fieldbus технологий.

2.      Материалы научных конференций на базе Технического университета Мюнхена EIB-Proceedings 1997, 1998, 1999.

3.      Материалы учебного курса «Siemens instabus EIB Compact Course».

 

 

Разумовский Олег Валериевич

Институт энергосбережения и энергоменеджмента НТУУ “КПИ”