ВЛАДИМИР АДАМОВИЧ МАКСИМЕНКО Родился в 1956 году в Москве. В 1978 году окончил факультет АТиЭ МЭИС. С 2015 года — эксперт НВП «Болид». Два авторских свидетельства на изобретения. Автор курсов: «Системы автоматизации зданий» РАНХиГС (МВА); «Зеленые стандарты» (МинПрироды РФ); «BACnet. Ознакомительный курс»; «АСУЗданий»; более 100 докладов на российских и международных конференциях; более 90 аналитических статей в 21 отечественном и зарубежном журналах.
Одним из основных трендов автоматизации инженерного оборудования зданий (АСУЗ) последнего времени является взаимное проникновение или конвергенция систем автоматизации зданий и систем безопасности с активным использованием IT-технологий. Как сказал и. о. ректора МГСУ А. А. Волков на форуме INTERSEC Rus в рамках выставки Intrlight в Москве в 2019 году: «Мировым трендом сегодня является когнитивность конвергентных систем», что отражает также использование для управления в АСУЗ таких современных технологий, как Big Data, IoТ и облачных технологий. Комплексное использование перечисленных технологий и элементов искусственного интеллекта позволяет поднять планку комфорта и безопасности АСУЗ на принципиально новый уровень.
При этом задачи, реализуемые АСУЗ в конкретных проектах, определяются требованиями групп пользователей этих проектов. Общая структура АСУЗ соответствует приведенной в ISO 16 484-2.
Многолетний опыт разработки систем безопасности специалистами НВП «Болид» привел к тому, что в последние годы была разработана линейка приборов и программное обеспечение (ПО), реализующие на современном уровне структуру, показанную на рис. 1.
При этом упомянутые приборы и ПО, по сути, представляют собой аппаратно-программную платформу (далее — платформа), позволяющую реализовывать задачи комфорта, безопасности и энергоэффективности с возможностью масштабирования и организации территориально распределенных решений. Реализация конвергентных функций систем безопасности и автоматизации зданий обеспечивается использованием проверенных аппаратных решений и современных алгоритмов управления.
Характерной особенностью платформы является возможность построения законченной системы из типовых модулей путем тиражирования и масштабирования, а также возможности использования большинства модулей как автономных законченных решений.
Типовые модули платформы
Основными задачами, которые решает платформа, являются сбор и обработка данных от устройств полевого уровня, визуализация обработанной информации и обеспечение работы системы с локальными и удаленными пользовательскими интерфейс, включая мобильные. В соответствии со структурой платформы в качестве модулей полевого уровня используются:
Контроллер двухпроводной линии С2000-КДЛ-ModBus
На двухпроводную линию этого контроллера можно подключать до 127 адресуемых устройств — датчиков и исполнительных устройств. При этом контроллер может работать в автономном режиме, реализуя ряд несложных логических алгоритмов работы.
Контроллер технологический С2000-Т
Полноценный контроллер с предустановленными алгоритмами управления системами отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования с использованием ПИД-регуляции, каскадного регулирования, а также с возможностью формирования оригинальных алгоритмов управления оборудованием с использованием встроенного блока условий. Имеет на борту аналоговые и дискретные входы и выходы, а также интерфейсы RS-485 Орион ведущий и ведомый. При этом ведомый интерфейс при конфигурации может переводиться в режим ModBus RTU.
Модуль ввода-вывода М2000–4ДА
с аналоговыми и дискретными входами и дискретными выходами, а также дискретными выходами — релейными и транзисторными. Имеет простую встроенную логику и возможность ШИМ-регулирования.
Релейные модули М3000–ВВ–0010 и М3000–ВВ–1020
М3000-ВВ-0010 — поддерживает обмен данными в сети RS-485 по протоколу Modbus как ведомое устройство и позволяет управлять имеющимися в его составе 20 реле, коммутируя напряжение ~250 В 50 Гц и cos φ > 0,6 4 А. Позволяет управлять выходами с помощью ШИМ, при этом задавая период и коэффициент заполнения в широких пределах (максимальный период импульса 24 часа, минимальный 0,5 с).
Модуль М3000-ВВ-1020
Модуль из 6 перекидных реле с возможностью контроля состояния, управляемых по протоколу ModBus RTU.
С2000-ВТИ, С2000-ВТИ исп.01, С2000Р-ВТИ, С2000Р-ВТИ исп.01, М2000-ВТИ
— термогигрометры с индикацией. Имеют встроенный ЖКИ, обеспечивают измерение температуры и относительной влажности воздуха и измерение концентрации угарного газа.
Ядром платформы является модуль уровня аппаратного управления на базе контроллера М3000-Т с ОС LINUX.
Контроллер поддерживает все языки программирования, указанные в МЭК 61131-3. В качестве среды разработки и исполнения используется MasterSCADA 4D компании Инсат. В зависимости от решаемых задач наряду с MasterSCADA 4D могут использоваться также другие SCADA системы, например, КРУГ-2000, или Интеграционная платформа для Интернета вещей AggreGate. Соответствующие испытания успешно прошли в 2019 году. На борту контроллера находятся 4 интерфейса RS-485 ModBus RTU и интерфейс Ethernet. Благодаря наличию этих интерфейсов в соответствии с приведенной на рис. 2 структурой АСУЗ обеспечивается подключение периферийных устройств по протоколу ModBus RTU для сбора данных с датчиков и управления исполни- тельными устройствами. При этом могут использоваться как устройства, производимые НВП «Болид», так и широкий спектр оборудования ModBus RTU сторонних производителей. Необходимо отметить, что решение допускает также использование информации о состоянии установленного на объекте оборудования безопасности при помощи преобразователя интерфейса С2000-ПП.
При использовании MasterSCADA 4D может быть организован доступ к платформе с использованием интерфейса Ethernet-контроллера через любой интернет-браузер (за исключением Internet Explorer).
Структура платформы
Общая структура системы может иметь вид, представленный на рис. 8.
Эта структура системы отражает ограничения, накладываемые спецификацией протокола ModBus. На рис. 8 представлены 3 основных варианта реализации системы на базе линейки приборов М3000-Т. Контроллер М3000- Т имеет в своем составе 4 канала для подключения шины ModBus. Первый вариант подключения к шине, обозначенный как ModBus 1, показывает шинное подключение адресуемых устройств к шине ModBus. При этом максимальное количество подключаемых к шине адресуемых устройств в нашем случае составляет 240. Теоретически на такой шине можно адресовать до 255 адресов. На практике обычно ограничиваются 247 адресами, что, в принципе, возможно и в нашем случае. Вторая важная особенность этой шины заключается в рекомендациях ряда производителей использовать шинные усилители не реже, чем после каждого 31 устройства.
Канал ModBus 2 иллюстрирует вариант подключения к контроллеру М3000-Т в качестве адресуемых устройств приборов С2000-КЛД-ModBus. В данном случае эти приборы подключаются к шине ModBus RTU, поэтому их количество теоретически составляет до 240 приборов, а к каждому из них на двухпроводную линию связи (ДПЛС) можно подключить до 127 адресуемых устройств. При этом приборы, подключенные к ДПЛС, получают от нее питание. При использовании такого подключения следует учитывать, что время обработки контроллером од- ного прибора С2000-КДЛ-ModBus может составить до 100 миллисекунд при подключении око- ло 100 адресуемых устройств на его ДПЛС.
Канал ModBus 4 отличается от предыдущего варианта тем, что в данном случае к каналу ModBus подключаются как приборы С2000–КЛД-ModBus, так и модули, использующие для обработки информации из управляемого помещения такие приборы, как С2000-Т, М2000-4ДА, М3000-ВВ-0010 и М3000-ВВ-1020. В корпусе модуля могут быть собраны приборы, необходимые для получения и обработки информации из конкретного помещения. Кроме того, подключенная к каждому модулю ДПЛС от прибора С2000-КЛД-ModBus позволяет при необходимости использовать в зо- не расположения модуля адресуемые устройства ДПЛС.
Необходимо также отметить временные особенности работы шины ModBus: для опроса 10 переменных из 4 ведомых со скоростью 19200 бит/с необходимо затратить примерно 206 мс. Если необходим периодический опрос, желательно зарезервировать определенное время, например, еще дополнительно 100 мс.
В случае если производится интенсивная запись больших объемов во встроенную память контроллера, может произойти «затирание» этой памяти, что повлечет снятие с гарантии.
Типичная ошибка, приводящая к расходу ресурса памяти, — это архивирование процесса пользователем со временем цикла задачи, в которой объявлены переменные с атрибутом «архивирование». То есть если время цикла такой задачи составляет 100 мс, то при архивировании в этой задаче только одной переменной типа «вещественное», ячейка памяти в 8 байт будет записываться 10 раз в секунду, 600 раз в минуту, 36 000 раз в час, 864 000 циклов записи в сутки. За это время записанный архив (лишь одной вещественной переменной без меток времени) составит 6 912 000 байт. Используемый тип памяти — eMMC имеет ресурс порядка 3000 циклов перезаписи. Очевидно, что запись во встроенную память контроллера с такой интенсивностью приведет к ее преждевременному «затиранию».
Контроллер сам перераспределяет уже стершиеся блоки памяти как неиспользуемые, в связи с чем оставшийся объем будет постоянно уменьшаться. При необходимости сохранения архивов оперативных параметров необходимо:
- архивирование производить на внешние носители информации — SD-карты и USB-накопители;
- архивировать промежуточные переменные, которые объяв- лены в задаче с большим временем цикла, к примеру — 1 минута;
- архивировать медленно меняющиеся переменные (параметры) только тогда, когда они изменяются или существенно изменяются (запись по изменению).
Интерфейс Ethernet позволяет подключать контроллеры М3000- Т, аппаратные IP-шлюзы открытых протоколов, таких как KNX, LON, BACNet, Wi-Fi-роутеры и другое аналогичное оборудование.
Примеры реализуемых платформой задач, иллюстрирующие ее возможности
1. Реализация управления и контроля состояния помещения офисного комплекса
На рис. 9. приведена компоновка модуля управления и контроля состояния помещения офисного комплекса. Модуль как таковой представляет собой законченное локальное решение для управления включением нагрузок отдельного помещения с помощью карточного выключателя, установленного при входе. В качестве нагрузок в данном примере выступают освещение, розетки, кондиционер. Управление осуществляется с помощью логики прибора С2000–КЛД-ModBus, позволяющей включать и отключать кондиционер по датчику температуры, при открытии окон, включать свет при наличии людей в помещении по датчику движения. Модуль допускает установку в него дополнительных реле, например для включения увлажнителя по датчику влажности или для подачи тревожного сигнала секретарю с помощью тревожной кнопки и т. п. Исполнение модуля в соответствии с рис. 8 вариант ModBus 4 показан на рис. 10:
В этом исполнении функционал модуля дополнен функциями контроля доступа на базе считывателя, подключенного к контроллеру С2000-КДЛ-ModBus, а также дополнительными управляемыми нагрузками с возможностью расширения за счет большой коммутационной емкости блока реле М3000-ВВ-0010. Поскольку приборы С2000-КДЛ-ModBus и М3000-ВВ-0010 являются ведомыми на интерфейсе ModBus RTU, данное исполнение в части управления прибором М3000- ВВ-0010 работает только при наличии связи с коммуникационным контроллером М3000-Т по линии ModBus RTU.
Модули имеют интерфейсный выход по протоколу ModBus RTU, что позволяет использовать один или несколько таких модулей при решении следующей задачи:
2. Реализация управления и контроля состояния помещений офисного комплекса с отображением на мобильных устройствах
Реализация решения управления и контроля состояния помещений офисного комплекса с отображением на мобильных устройствах представляет собой набор из двух модулей, рассмотренных в предыдущем примере. Под конкретную задачу такие модули допускают соответствующую доработку с целью полноценной реализации необходимого функционала. Кроме того, в решении присутствует рассмотренный ранее модуль на контроллере М3000-Т — ядро платформы.
На борту этого контроллера находится предустановленная SCADA-система MasterSCADA -4D компании Инсат. Эта SCADA-система с ModBus-каналов контроллера получает информацию от подключенных модулей, обрабатывает ее и обеспечивает визуализацию этой информации и выдачу ее на мобильные средства пользователей системы в соответствии с присвоенными им правами доступа. Выдача осуществляется по каналу Ethernet и может транслироваться через Wi-Fi-роутер. Функционально решение поддерживает все возможности SCADA-системы в части обработки и отображения поступающей на контроллер информации от периферийных модулей. В соответствии с представленной на рис. 8 структурой решение может поддерживать число различных модулей, в том числе приведенных в разделе «Типовые модули платформы», необходимое для сбора данных с достаточно большого объема инженерного оборудования контролируемого объекта.
3. Реализация управления и контроля состояния помещений территориально распределенных офисных комплексов с функциями формирования произвольных отчетов и превентивного управления
В соответствии со структурой, приведенной на рис. 8, решение на базе платформы может использовать несколько модулей с контроллерами М3000-Т, каждый из которых может иметь свой набор периферийных модулей, что обеспечивает большую гибкость решения. При этом для связи между контроллерами М3000-Т могут использоваться IP-каналы связи, обеспечивающие практически неограниченную удаленность контроллеров друг от друга. Это позволяет реализовывать территориально разнесенные решения. В этом случае для обеспечения взаимодействия между контроллерами и обработки существенно больших объемов информации, генерируемых системой, могут применяться такие программные средства, как интеграционные платформы для Интернета вещей. Вариант такого решения представлен на рис. 12.
В данном случае контроллеры М3000-Т обрабатывают информацию, поступающую с оборудования подключенных к ним объектов. Сеть Ethernet в данном случае понимается в широком смысле как среда, т. е. контроллеры М3000-Т могут располагаться в разных точках этой среды, включая удаленные подключения, а также рабочие места могут быть как локальными, так и удаленными в зависимости от решаемой задачи. При использовании контроллером М3000-Т SCADA системы Master SCADA-4D компании Инсат для отображения на рабочих местах могут использоваться любые интернет-браузеры (кроме Internet Explorer).
Таким образом, рассматриваемая аппаратно-программная платформа управления инженерным оборудованием зданий обеспечивает:
- соответствие структуры требованиям ISO 16 484;
- оперативное построение практического решения из разработанных модулей, включающих базовое ПО, начиная от локальных автономных решений с возможностью поэтапного расширения до территориально распределенных решений;
- возможность развертывания на базовом контроллере SCADA систем и программных платформ Интернета вещей в зависимости от потребностей заказчика и решаемых задач;
- возможность использования в качестве периферийного оборудования любого ModBus-RTU-оборудования, а также оборудования ранее установленных на объектах систем ОПС НВП «Болид»;
- возможность вывода информации на любые удаленные средства отображения через web-браузер;
- оптимизацию обслуживания системы за счет использования типовых решений и оборудования;
- конкурентное соотношение цена/качество предлагаемого решения;
- возможность модернизации и расширения реализованных решений с минимальными затратами средств и времени.
ЛИТЕРАТУРА
- Максименко В. А. Комплексная концепция функционирования инженерных систем, систем безопасности и управления как основа обеспечения устойчивости объекта // Сборник трудов Международной научно-практической конференции «Охрана, безопасность, связь -2015», Воронеж. — 2015. — Часть 1. — С. 85–86.
- АВОК Стандарт — 5 — 2004 Отраслевой стандарт. Системы автоматизации и управления зданиями. Часть 2. Основные положения. Аппаратные средства.
