Цифровой мир производства и интеллектуальные здания
Содержание
Введение
1. Средства промышленной автоматизации
2. Контроллеры
3. Промышленные сети
4. Промышленные компьютеры
5. SCADA-системы
6. ОС реального времени
7. Прозрачное предприятие
8. Здания с интеллектом
9. Концепция построения "интеллектуальных" зданий
10. Принцип построения
11. Стандарты интеграции
12. Поставщики решений
Заключение
Литература
Введение
Тема контрольной работы "Цифровой мир производства и интеллектуальные здания".
В истории человечества столетия принято именовать в соответствии с наиболее значимым технологическим прорывом, который имел место в это время. Конечно, все слышали о Бронзовом, Железном и Золотом веках. Прошедшее столетие называют Индустриальным веком, а век настоящий претендует стать Информационным.
Еще 15-20 лет назад мировая экономика имела дело исключительно с материальными ресурсами. Именно из-за них в прошлом веке произошли две мировые войны, множество локальных конфликтов, гражданских войн и революций. Земля и природные ресурсы (нефть, уголь, руда, минералы, лес), а также труд людей и мощь машин были необходимыми условиями роста национального валового продукта во всех странах мира. Это же составляло и суть основных фондов корпораций и предприятий.
100-200 лет назад природные ресурсы были главными источниками национального богатства. Потом "первую скрипку" играл капитал в виде денег, недвижимости и машин, а сегодня "материальный капитал" уступает место "капиталу интеллектуальному", лежащему в основе "информационной экономики".
В наше время знания и информация стали первичным сырьем экономики и ее важнейшей продукцией. Умение управлять интеллектуальным капиталом становится основной экономической задачей бизнеса.
Почему знания и так тесно связанная с ними информация составляют основу современной экономики? Отбросив множество доводов, остановимся лишь на некоторой цифровой интерпретации.
Рассмотрим, например, такой продукт, как микросхемы (чипы), без которых сегодня уже мало какая индустрия обходится. То, что стоимость всех продаваемых микросхем превышает стоимость выплавленной за такой же период той же стали, говорить не приходится. Если, например, Украина зарабатывает на производстве стали $5-6 млрд. в год, то доходы Тайваня на производстве чипов на порядок больше. Но суть даже не в этом. Если рассмотреть те чипы, которые изготавливаются из обыкновенного песка, то дороже всего обходится их проектирование и создание производящих их конвейеров, т. е. ценится интеллектуальное, а не материальное или физическое содержимое.
Каждые $6 из 9, затрачиваемых при производстве пары джинсов, тратятся на информацию, а не на покраску куска ткани, покрой и пошив "штанов". Адвокат или эксперт берут сотни долларов за час своей работы, оплачивая не свой стол, бумагу или компьютер. Это плата за их профессионализм (знания). Примеров эффективного использования знаний и информации можно приводить бесчисленное множество.
Сегодня даже деньги теряют свою физическую осязаемость, превращаясь в виртуальные купюры. Как это ни печально, знания воплощаются и в "умные бомбы", и в другие средства уничтожения людей.
Все современные компании стремятся быть интеллектуальными. Это уже неоспариваемый факт. Скептики скажут: "Без еды, одежды, домов, автомобилей не обойтись, и их не заменит никакая информация и знания о них". Конечно, нет. Крупнейший капиталист наших дней, председатель правления Microsoft Билл Гейтс тратит огромные средства на содержание роскошного особняка и модных автомобилей. Кстати, стал он таким именно благодаря производству интеллектуальной продукции. Значит, потребность в ней есть.
Индустриальная революция, начавшая индустриальный век, не отменила сельское хозяйство, потому что людям просто нужна пища. Информатизация не отменит легкую и пищевую промышленности, так как нам по-прежнему нужны джинсы, банки с пивом и колбаса. Не отменит и тяжелую промышленность, и автомобили, и самолеты. К сожалению, не отменит и производство вооружений.
Но новая (информационная) экономика и не ставит своей целью покончить со старой индустриальной экономикой, она только неузнаваемо изменит свою предшественницу.
1. Средства промышленной автоматизации
Недавно с автоматизацией "на уровне конторы", вроде бы, все начало более-менее проясняться, так как с применением персональных компьютеров связаны АСУП. А вот со спецификой вычислительных систем и программных средств, применяемых непосредственно в производстве, известно очень мало.
Цифровые технологии быстро вытесняют аналоговые, преобладавшие в системах управления технологическими процессами еще несколько лет назад. Это связано с тем, что возможности цифровых средств измерения и управления на порядок выше, чем у аналоговых:
- более точное представление измеряемых величин;
- большая помехозащищенность;
- возможности построения вычислительных сетей;
- большая гибкость и эффективность в управлении процессом и т. д.
Все эти возможности обеспечивают ускорение работы операторов системы управления, экономию финансовых ресурсов, повышение качества и корректности решений, принимаемых операторами, уменьшение потерь продукции.
В классической схеме промышленной автоматизации выделяют три уровня управления предприятием. Нижний уровень - это датчики и контроллеры, установленные непосредственно на производственных технологических линиях, оборудовании и конвейерах. Средний уровень - операторы процессов и начальники цехов (используют рабочие станции, как правило, промышленного исполнения). Высший уровень - это руководство предприятия, топ-менеджеры, которые используют обычные персональные компьютеры.
Самым нижним уровнем автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) является уровень датчиков и исполнительных механизмов, которые устанавливаются непосредственно на технологических объектах. Их деятельность заключается в получении параметров процесса, преобразовании их в соответствующий вид для дальнейшей передачи на более высокую ступень (функции датчиков), а также в приеме управляющих сигналов и в выполнении соответствующих действий (функции исполнительных механизмов).
К функциям среднего уровня (уровня производственного участка) относятся; сбор информации от датчиков нижнего уровня, ее обработка и хранение, выработка управляющих сигналов на основе анализа информации и передача информации о производственном участке на более высокий уровень.
На верхнем уровне в АСУТП (уровне управления) осуществляется контроль за производством продукции через центр управления производством, который может состоять из трех взаимопроникающих частей:
- операторской части (отвечает за связь между оператором и процессом на уровне управления, выдает информацию о процессе и позволяет в случае необходимости вмешательство в ход автоматического управления, обеспечивает диалог между системой и операторами);
- системы подготовки отчетов (выводит на экран, принтеры, в архивы информацию о технологических параметрах с указанием точного времени измерения, выдает данные о материальном и энергетическом балансе);
- системы анализа тенденций (позволяет оператору вести наблюдение за технологическим параметрами и делать соответствующие выводы).
На верхнем уровне АСУТП размещены мощные компьютеры, а основой программного обеспечения верхнего уровня являются пакеты SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - системы управления и доступа к данным).
Технологические параметры, присутствующие в реальном технологическом объекте, имеют аналоговый или дискретный вид. Чтобы связать между собой параметры, представленные в аналоговом и цифровом видах, в современной АСУТП используют устройства связи с объектом - конструктивно законченные устройства, выполненные в виде модулей.
По виду преобразуемого сигнала эти модули можно разделить на аналоговые, дискретные и цифровые.
По направлению прохождения данных модули можно разделить на:
- устройства ввода, обеспечивающие передачу сигналов датчиков;
- устройства вывода для формирования сигналов на исполнительные механизмы;
- двунаправленные.
2. Контроллеры
До последнего времени роль контроллеров в АСУТП в основном исполняли (PLC Programable Logic Controllers - программируемые логические контроллеры), SoftPLC и DCS (Distribution Control System). Контроллеры DCS работают с распределенными устройствами на уровне датчиков и исполнительных устройств, имеющих свой встроенный "интеллект". Контроллеры с "централизованным интеллектом" (PLC) содержат процессор, обрабатывающий данные от датчиков и выдающий сигналы управления для управления исполнительными устройствами. В табл. 1 приведены средства программирования контроллеров PLC.
В последнее время в производстве в качестве контроллеров начали появляться миниатюрные PC-совместимые компьютеры. Их основное преимущество связано с открытостью. Кроме того, они очень похожи на ПК верхнего уровня (обычные ПК и серверы), что не требует дополнительных затрат на подготовку персонала. Они обладают более высокой надежностью, как физической, так и программной.
Таблица 1. Средства программирования PLC
-
Продукт
Производитель
Краткая характеристика
ISaGRAF
AlterSys
Поддерживает 5 языков программирования PLC спецификации IEC 1131-3. Работает под управлением DOS, OS9, VxWorks, Windows 9х, NT, QNX4 и Windows СЕ. Имеется русскоязычная версия
Step 5
Siemens
Поддерживает 3 языка программирования: LD, STL и CSF (Control System Flowchart). Используется для программирования контроллеров Siemens серии SIMATIC S5
Step 7
Siemens
Используется для программирования контроллеров Siemens серий SIMATIC S7
ProTool/Pro
Siemens
Используется для программирования панелей оператора
RTTarget-32
On Time
Кросс-средство для переноса 32-разрядных приложений во встраиваемые системы. Поддерживает языки программирования Borland C/C++, Microsoft C/C++, Watcom C/C+ +
3. Промышленные сети
Как было отмечено выше, типовые архитектуры АСУТП, как правило, включают в себя три уровня:
- датчики и исполнительные механизмы;
- контроллеры;
- автоматизированные рабочие места операторов и диспетчеров.
Между собой устройства этих уровней связаны различными интерфейсами, отражающими нынешнее состояние промышленных сетей.
Объединение интеллектуальных контроллеров, датчиков и исполнительных устройств в единую информационную сеть осуществляется благодаря Fieldbus (полевая шина, или промышленная сеть). Fieldbus - это некая физическая коммуникационная технология объединения устройств и протокол их взаимодействия. Хотя Fieldbus очень похожа на офисную локальную вычислительную сеть, тем не менее, она обеспечивает ряд специфических функций. Это жесткая предсказуемость поведения, поддержка функций реального времени, повышенная надежность передачи данных, наличие высоконадежных механических соединительных компонентов.
Ниже приведены краткие характеристики основных промышленных сетей:
• BITbus. В ее основе лежит использование протокола SDLC, имеющего хорошие показатели по обнаружению ошибок. Структура такой сети всегда включает один ведущий (Master) узел и до 249 ведомых (Slave) узлов. Физический уровень основан на кабеле RS-485, но возможна работа и по оптическому кабелю;
• CANbus. Это последовательная шина с децентрализованным доступом к ней на основе модели CSMA/CA (множественный доступ с контролем несущей и встроенным механизмом разрешения коллизий). Существует несколько разновидностей CANbus, несовместимых друг с другом: CANopen, SDS (Honeywell), DeviceNET (Allen Bradley), CAL (OA), CAN11 (BMW), SeleCAN (Selectron), Kingdom (Kvaser), MiCAN (RMI) и др.;
• Interbus. Все данные, передаваемые в этой сети, делятся на два основных типа: данные о процессе и параметрические данные. При этом реализуется процедура доступа к шине по схеме "Master/Slave". Топология Interbus - это физическое и логическое кольцо, для реализации которого используются две витые пары, а также дополнительный провод для передачи сигнала "Земля";
• LON. В основе LON-технологии лежит использование специального Neuron-кристалла для обработки сигналов. LON-сеть может со-
стоять из сегментов с различными физическими средами передачи: витая пара, радиочастотный канал, инфракрасный канал, коаксиальный и оптический кабели. Максимальная размерность LON-сети - 32 ООО узлов;
• PROFIbus. Строится на совокупности трех отдельных протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA, каждый из которых имеет свою область применения на различных уровнях распределенной системы автоматизации. Протокол общего назначения PROFIBUS-FMS разработан для связи контроллеров и интеллектуальных устройств, и его основное назначение - передача больших объемов данных. Протокол PROFIBUS-DP "отвечает" за продолжительность цикла шины, а протокол PROFIBUS-PA используется в устройствах, работающих в опасных производствах.
4. Промышленные компьютеры
Причины использования промышленных компьютеров достаточно тривиальны. Они - не в высокой надежности или производительности промышленных компьютеров, а даже наоборот - многим промышленным компьютерам достаточно производительности устаревшего процессора х486.
Основная проблема - условия эксплуатации компьютера на промышленном предприятии. Промышленные компьютеры работают в пыли и грязи, в условиях вибраций и ударных нагрузок, бросков напряжения и других "неудобств" внешней среды.
Модульность и исключительные возможности расширения облегчают техническое обслуживание промышленных компьютеров и позволяют быстро заменять модули в случае их отказов. Материнская плата, как и другие периферийные устройства, вставляется в объединительную кросс-плату с большим числом разъемов. Так как промышленному компьютеру часто приходится взаимодействовать с большим количеством датчиков и исполнительных устройств, то количество разъемов в нем может достигать 20.
В клавиатурах промышленных компьютеров в обязательном порядке предусматривается пыле- и влагозащита. Очень часто применяют ограниченный набор функциональных и цифровых клавиш, выполненных по пленочной технологии. В последние годы все большую популярность приобретают сенсорные экраны, дающие неограниченные возможности в создании дружественных интерфейсов (рис. 1).
Рис. 1. Сенсорный экран, разработанный компанией Siemens
Среди других отличительных особенностей промышленных компьютеров от персональных можно отметить малую потребляемую мощность, жесткие условия эксплуатации (температура -40 +85 °С, удары, вибрация), "усиленное" конструктивное исполнение, отсутствие дисковых накопителей (вместо них - память на полупроводниковых элементах) и стандартных устройств ввода-вывода данных и более низкая производительность.
Существует несколько шин, применяемых в промышленных компьютерах.
Compact PCI определяет высокоскоростной интерфейс для соединения высокоскоростных периферийных устройств, контроллеров, памяти и процессора. Физически это синхронная шина с частотой от 25 до 33 МГц с поддержкой 32- и 64-разрядных данных, которая допускает одновременное сосуществование 32-разрядных устройств с 64-разрядными периферийными устройствами. Compact PCI использует европейский конструктив (форм-фактор).
На базе шины Compact PCI фирмой National Instruments разработана спецификация PXI (PCI extensions for Instrumentation - расширение PCI для инструментальных систем) в том же форм-факторе. В шине PXI часть контактов, определенных в Compact PCI как свободно используемые, предназначаются для дополнительных шин.
Шина VME "по возрасту" намного старше Compact PCI. В промышленных системах эта шина получила широкое распространение, и для нее существует большой выбор модулей, каркасов и т. д. Исходная шина VME (16/32 бит) имеет теоретическую максимальную пропускную способность 40 Мб/с, а расширенная шина VME64 - 80 Мб/с. Шина VME обеспечивает возможность горячей замены модулей - имеются контакты с опережающим соединением и запаздывающим разъединением. Расширением VME является шина VXI (VME extension (or Instrumentation).
Стандартная для обычных ПК шина ISA была использована и для промышленных нужд. На ее основе был создан одноплатный компьютер, называемый microPC (mPC). На базе плат mРС производят и модули. Верхнюю сторону платы снабжают панелью, которая становится лицевой. При этом изменяется система крепления и подвода внешних цепей.
Для самых "маленьких" встраиваемых контроллеров применяется шина РС-104. В ее названии присутствует число контактов разъема, на который выводятся сигналы шины ISA. От обычной шины ISA РС-104 отличается только типом разъема и нагрузочными характеристиками линий.
5. SCADA-системы
Применение SCADA-технологий позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации о технологических процессах (рис. 2). SCADA-пакеты состоят из нескольких программных модулей: доступа и управления, сигнализации, базы данных реального времени, базы данных, ввода-вывода и аварийных ситуаций (табл. 2).
Рис. 2. SCADA-система Trace Mode 5
Таблица 2. Известные SCADA-системы
|
SCADA-система |
Производитель |
Информация, |
Краткая характеристика |
|
Cited 5.4 |
Citect |
www.citect.com |
Высокопроизводительная клиент-серверная система на базе Windows 9х и NT. Поддерживает язык программирования для создания прикладных систем |
|
FactorySuite 2000 |
Wonderware |
www.wonderware.com |
Функционирует под управлением ОС Windows NT. Основные модули: InTouch (для визуализации процессов), InControl (для управления оборудованием и производственными процессами), Industrial SQL Server (реляционная база данных реального времени промышленного применения). Поддерживаются все открытые интерфейсы Microsoft, а также множество коммуникационных драйверов для связи с контроллерами |
|
Genesis32 7.0 |
Iconics |
www.iconics.com |
Набор 32-разрядных приложений для Windows 9х и NT, построенных в соответствии со спецификацией ОРС. В состав данного пакета входят следующие клиентские приложения, соответствующие спецификации ОРС: GraphWorX32, TrendWorX32, AlarmWorX32, ScriptWorX32 |
|
Genie |
Advantech |
www.advantech.com |
Windows-среда для построения систем сбора, анализа, визуализации данных и управления. Поддерживается многозадачный режим работы и механизмы DDE, OLE, ODBC. Можно встраивать программы на Visual Basic |
|
RealFlex 4.2 |
RealFlex |
www.realflex.com |
32-разрядная система, работающая под управлением ОС QNX |
|
SIMATIC IT Production Suite |
Siemens |
www.siemens.com |
В состав этого комплекса входит несколько диспетчеров - SIMATIC IT Framework, SIMATIC IT Personnel Manager, SIMATIC IT Messaging Manager, SIMATIC IT Material Manager, SIMATIC IT Production Order Manager. Они обеспечивают моделирование и управление технологическими процессами различных типов производств |
|
Sitex |
Jade Software |
www.sitex.com |
32-разрядная сетевая система, в которой серверная часть отделена от клиентской, работает под управлением ОС QNX. Клиентская часть может работать под управлением QNX Windows, Photon/QMX и Windows |
|
Trace Mode 5 |
AdAstrA |
www.adastra.ru |
Открытая, модульная и масштабируемая система, которая поддерживает различные коммуникационные драйверы, среди которых драйверы контроллеров российского производства. Обеспечивает программирование приложений как для верхнего, так и для нижнего уровня в соответствии со стандартом IEC-1131 |
|
Wizcon |
Axeda |
www.axeda.com |
Сетевая Windows-система с 32-разрядным ядром, управляемым по событиям. Имеется возможность управления через Internet посредством Web-публикации графических интерфейсов в виде Java-кодов |
|
WizFactory |
Axeda |
www.axeda.com |
Интегрированный пакет, содержащий: SCADA Wizcon for Windows & Internet, WizPLC, WizDCS, WizReport (средство для составления производственных отчетов), WizScheduler (средство для планирования автоматического запуска производственных заданий). Имеется возможность управления через Internet посредством Web-публикации графических интерфейсов |
Что дает использование SCADA-системы предприятию:
- Точное соблюдение технологических нормативов и регламента. Значительное уменьшение процента брака, автоматическое повышение качества;
- Снижение простоев оборудования, вызванное неравномерной загрузкой производственных мощностей;
- Устранение ошибок, допускаемых операторами путем полной автоматизации процессов управления;
- Установление непосредственных взаимосвязей между производством, отделом планирования, складом и поставщиками;
- Точный учет количества выпущенной продукции на всех стадиях производства, не зависящий от действий оператора;
- Анализ использования, загрузки и обслуживания оборудования. Правильное и экономное распределение капитальных вложений;
- Предупреждение аварий на производстве;
- Комплексный статистический анализ причин, влияющих на качество выпускаемой продукции;
- Автоматическая и своевременная генерация отчетов для руководящего персонала.
Основное требование к SCADA-системам - это работа в режиме реального времени, когда главную роль играют сигналы, управляющие технологическим процессом. Для этих целей многие пакеты реализованы с применением операционной системы (ОС) реального времени, хотя в последнее время делаются попытки перехода и на платформу Windows NT/2000, в которую встраиваются расширения реального времени RTX (Real Time Extension). Благодаря использованию этой ОС от Microsoft, появилась возможность создания многоуровневых систем, интегрированных с АСУП.
Источниками данных в системах SCADA могут быть драйверы связи с контроллерами, реляционные базы данных, приложения, содержащие интерфейс DDE (Dynamic Data Exchange) или OLE-технологию (Object Linking and Embedding).
Текущая информация о технологическом процессе хранится в специальных базах ввода-вывода. Входные блоки получают информацию и после ее преобразования передают в блоки обработки, которые реализуют алгоритмы контроля и управления. Выходные блоки передают управляющий сигнал от системы к объекту, для связи с которыми применяются известные интерфейсы - RS-232, RS-422, RS-485, Ethernet. Для увеличения скорости передачи данных применяются различные методы кэширования данных, что устраняет перегрузку низкоскоростных сетей.
Аварийные предупреждения и отработка аварийных ситуаций в технологическом процессе в большинстве SCADA-систем выделяются в отдельный модуль с наивысшим приоритетом, а надежность системы управления достигается за счет горячего резервирования как аппаратных, так и программных средств.
Для эффективной работы в разнородной среде SCADA-системы используют стандартные протоколы NETBIOS и TCP/IP. Использование протокола TCP/IP позволяет SCADA-системам работать и в Интернете, что особенно актуально, когда информацию о технологическом процессе необходимо передавать на Web-сайт предприятия.
6. ОС реального времени
Как упоминалось выше, в промышленных системах нашли свое применение ОС реального времени (табл. 3). Эти системы имеют явные отличительные особенности от ОС общего назначения, которые известны по использованию в офисных приложениях.
Во-первых, если ОС общего назначения (Windows, MacOS) и особенно многопользовательские, такие как Windows NT/2000, UNIX, Linux, ориентированы на оптимальное распределение ресурсов компьютера (процессорного времени, памяти, дискового пространства, принтеров и др.) между пользователями и задачами, то в ОС реального времени главная задача заключается в реакции на события, происходящие на объекте, т. е. они ориентированы на обработку внешних событий.
Во-вторых, ОС реального времени всегда связаны с аппаратурой, с объектом, с событиями, происходящими на объекте. Именно это приводит к коренным отличиям в структуре системы, в функциях ядра, в построении системы ввода-вывода.
В-третьих, если ОС общего назначения обычно воспринимается пользователями как готовый набор приложений, то ОС реального времени служит только инструментом для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени.
Различают системы реального времени двух типов - системы жесткого реального времени (СЖРВ) и системы мягкого реального времени (СМРВ). СЖРВ (например, бортовые системы управления или системы аварийной защиты) не допускают никаких задержек реакции системы ни при каких условиях. СМРВ характеризуются тем, что задержка реакции не критична. СЖРВ никогда не опоздает с реакцией на событие, СМРВ - не должна опаздывать с реакцией на событие.
Таблица 3. Операционные системы реального времени
|
ОС |
Производитель |
Краткая характеристика |
|
Component Integrator |
VenturCom |
Расширение реального времени для ОС Windows NT, позволяющее адаптировать Windows NT для использования во встроенных приложениях |
|
Nucleus и Nucleus PLUS |
ATI |
Кросс-платформенная и 32-разрядная ОС реального времени для встроенных систем |
|
OS9 |
Microware |
UNIX-подобная многогозадачная и многопользовательская, модульная и переносимая система для компактных встраиваемых приложений |
|
QNX |
QSSL |
Система с компактным ядром, хорошим временем реакции и встроенными механизмами передачи сообщений между процессами. Имеет встроенную защиту памяти и устойчивую файловую систему, поддерживает различные контроллеры |
|
RTKernel 4.5 |
On Time |
Многозадачная система реального времени, предназначенная для разработки программного обеспечения в среде MS-DOS для PC-совместимых контроллеров с открытой архитектурой |
|
VxWorks |
WindRiver |
Система с кросс-средствами разработки прикладного программного обеспечения (ОС реального времени VxWorks и инструментальная среда Tornado) |
|
LynxOS |
LynuxWorks |
Система, имеющая интерфейс Linux и совместимая с ее компонентами и приложениями |
|
Windows NT/ CE-RTX |
VenturCom |
Расширение реального времени для ОС Windows NT, интегрированное в ядро этой сетевой ОС и использующее ее службы и интерфейс прикладного программирования WIN32 API |
7. Прозрачное предприятие
Для решения задач межсетевого обмена в рамках всего промышленного предприятия и предоставления технологической возможности "бесшовной" интеграции систем АСУП и АСУТП компанией Schneider Elektrik была разработана концепция Transparent Factory. Это стало возможным благодаря применению новых технологических решений. Так, Ethernet становится основой следующего поколения сетей промышленной автоматики, интегрированных с традиционными офисными сетевыми инфраструктурами. Сети intranet обеспечивают унифицированный и "прозрачный" доступ к данным всех уровней, которые поступают как от датчиков и исполнительных устройств, так и от ERP-системы. Появились открытые, стандартные и обьектно- ориентированные компонентов управления и доступа к информации, к которым относятся Web-серверы и ОРС-средства (OLE for Process Control).
В рамках первого этапа реализации концепции Transparent Factory контроллеры компании Schneider снабжены встроенными Web-серверами, выпущен ОРС-сервер Factory Server, созданы модули, обеспечивающие взаимодействие контроллеров с сетями Ethernet.
8. Здания с интеллектом
Чтобы понять суть "интеллектуальности офиса", рассмотрим гипотетический пример, когда доступ в здание офиса осуществляется на основе радио-карточек сотрудников. При перемещении по зданию, оборудованному считывателями информации с этих карточек, автоматически определяется текущее местонахождение сотрудника. Вечером сотрудники, покидая здание, проходят через турникеты, которые оповещают системы здания о том, какие сотрудники покинули рабочие места. Система определяет, что в каком-то помещении нет сотрудников, и обеспечивает выключение компьютеров (если их забыли выключить), уменьшение температуры воздуха, выключение света, блокирование доступа в компьютерную сеть с рабочих мест отсутствующих сотрудников и т. д. Вот так достаточно тривиально можно представить явные преимущества новых решений в области строительства современных офисных зданий на Западе.
Известно, что скорость возврата инвестиций в строительство напрямую зависит от применяемых технологий. Поскольку строительство занимает относительно немного времени (обычно 1-3 года), а эксплуатация - весь срок жизни здания, то расходы на эксплуатацию могут составлять значительную часть общей стоимости недвижимого имущества. Поэтому заказчики и инвесторы пытаются найти оптимальный баланс между стоимостью строительства и расходами на эксплуатацию сооружений.
Один из немаловажных факторов снижения стоимости здания - сокращение эксплуатационных расходов. К их числу относятся расходы на потребление энерго- и теплоресурсов, расходы, связанные с численностью персонала службы эксплуатации, расходы по обеспечению безопасности недвижимого имущества и снижению рисков возникновения чрезвычайных ситуаций и др. Именно развитие современных технологий должно существенно помочь в снижении эксплуатационных расходов на содержание зданий. Одним из таких решений является концепция "интеллектуального здания" (intellectual Building). В первоначальном смысле понятие "интеллектуальное здание" означает здание, "способное приспосабливаться к изменениям окружающей среды".
В чем принципиальное отличие "интеллектуального здания" от обычного? Ответ прост: само здание "беспокоится" о состоянии систем и условиях жизни его обитателей, предоставляя им принципиально иные уровни комфорта и безопасности. Автоматизированные комплексы управления не только включают, выключают и регулируют работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования, освещения и электроснабжения, но и информируют оператора о возможных неполадках в системах, напоминают о необходимости проведения работ по их обслуживанию.
Традиционные решения инженерного оборудования здания представляют собой совокупность автономных, не взаимодействующих между собой систем. Здание, в котором эти системы объединены в интегрированный комплекс и правильно организованы, уже можно относить к интеллектуальному. "Интеллектуальное здание" - это и здание, и комплекс систем, и "технология".
9. Концепция построения "интеллектуальных" зданий
"Интеллектуальное" здание отличается, главным образом, возможностью программировать управляющие системы таким образом, чтобы реакция на события внутри здания происходила по заранее определенным алгоритмам. Все системы жизнеобеспечения могут охватываться единой кабельной структурой, либо каждая из них строится на основе своих кабельных систем. Инженерное оборудование современного здания представляет собой комплекс систем "безопасности-жизнеобеспечения-информатизации".
В состав комплекса технических средств безопасности входят система управления доступом, система охранно-тревожной сигнализации, система телевизионного наблюдения, система сбора и обработки информации, система пожарной сигнализации и оповещения о пожаре, система автоматического пожаротушения.
Комплекс систем жизнеобеспечения - это система отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, система управления микроклиматом, система бесперебойного электроснабжения, система удаленного мониторинга и управления электроснабжением, системы освещения и управления освещением, система учета энергоносителей, системы контроля и управления лифтами, эскалаторами.
К комплексу систем информатизации относят локальную вычислительную сеть (ЛВС), систему приема кабельного и спутникового телевидения, систему радиофикации, телефонную сеть, систему проведения конференций, средства оперативной радиосвязи персонала и другие системы.
Все эти комплексы построены на основе структурированной кабельной системы (СКС) и управляются из единого центра диспетчеризации. Интеграция перечисленных выше систем обеспечивает повышенный уровень безопасности здания в целом, четкое взаимодействие всех инженерных систем с приоритетом системы пожарной безопасности. Кроме того, поддерживается сетевая структура управления с автоматическим контролем, обработкой и хранением информации о состоянии систем с единого диспетчерского пульта управления, автоматический и ручной режимы управления. Можно выделить пять уровней интеграции внутри здания: уровень инженерного оборудования, уровень транспортной среды (кабельных систем), уровень информационных систем (ЛВС, телефонных и других систем передачи данных), уровень программного обеспечения и уровень диспетчерской системы.
Любая диспетчерская система построена по одному принципу: объект управления - субъект управления (диспетчер). Между ними находится система интерфейсов - кабельная среда, контроллеры, система обработки информации, программное обеспечение.
В кабельной основе большинства "интеллектуальных заданий" лежит СКС. Как известно, СКС предназначена для организации физического уровня системы передачи информации в локальных вычислительных и телекоммуникационных сетях. Она обеспечивает быстрое и легкое изменение конфигурации кабельной системы посредством перекоммутирования. Конфигурация СКС и применяемое оборудование обеспечивают возможность наращивания системы без нарушения работоспособности смонтированной части системы.
СКС вместе с силовой электросетью здания (объединенная кабельная система) обеспечивает передачу и распределение электроэнергии и информации, а также мониторинг и управление системами "интеллектуального здания".
10. Принцип построения
В вышеперечисленные системы входит периферийное оборудование, состоящее из различных датчиков, реагирующих на те или иные изменения, абонентское оборудование (телефонные аппараты, динамики) и вычислитель, предназначенный для сбора и обработки информации, поступающей с датчиков, либо усиления, коммутации сигналов для остального периферийного оборудования. Все это оборудование объединяется в так называемые радиальные схемы построения и трудно увязывается в единый комплекс.
Поэтому в отличие от традиционно принятых схем оснащения зданий техническими средствами для "интеллектуального здания" применяется система коммуникаций, при которой создается так называемая информационная транспортная магистраль. Внутри ее осуществляется передача информации и управляющих сигналов от вычислителя к периферийному оборудованию и наоборот. При оснащении здания создается информационное кольцо, по которому передаются сигналы от всех систем, существующих в офисе. Каждый из этих сигналов попадает в вычислитель и выполняет необходимое действие, но поскольку в этом кольце присутствуют все сигналы, то создаются условия, при которых становится возможным централизованное управление всеми системами.
К кабельным структурам "интеллектуального здания" относят:
- информационная сеть (Ethernet). Разводка в пределах этажа делается на основе витой пары 5 категории, а между этажами применяют волоконно-оптический кабель или витую пару категории 5 и выше;
- замкнутая кабельная пожарная система на основе RS 485. Провода укладываются по периметру объекта петлей для увеличения надежности и отказоустойчивости системы;
- замкнутая кабельная система защиты от проникновения (RS 485);
- замкнутая кабельная система сервисных служб (контроль освещения, расхода электроэнергии, воды и т. д.);
- сеть передачи информации от системы видеонаблюдения;
- телефонная сеть.
11. Стандарты интеграции
Так как "интеллектуальное здание" оснащается различными системами и оборудованием от разных производителей, то очень важно, чтобы все технические устройства были совместимы. Для этих целей разработаны стандарты открытой архитектуры, предоставляющие одни и те же правила (протоколы) для обмена данными. В настоящее время широкое распространение в области систем управления зданиями получили стандарты BACnet, LonWorks и EIB.
Протокол BACnet (Building Automation Control Networks) - это сетевой протокол для автоматизации зданий, предложенный ASHRAE (Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и воздушному кондиционированию). Это национальный стандарт США. BACnet предусматривает использование программируемых контроллеров, причем они могут быть объединены в сеть с помощью различных сред. Контроллеры являются промежуточным звеном между любыми устройствами, к которым они подключаются по нестандартным интерфейсам, а связь же между контроллерами и системой управления осуществляется по общей сети.
В Европе все большую популярность приобретает разработка компании Echelon Corporation - технология LonWorks (Local Operation Network) на базе протокола LonTalk. (BACNet тоже поддерживает протокол LonTalk). Первоначально стандарт LonWorks был разработан для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а в настоящее время уже используется при построении комплексных систем, включая системы безопасности и учета. В основе технологии LonWorks лежит специализированный сигнальный процессор Neuron Chip, для которого разработан язык Neuron С. Это позволяет реали-зовывать логику работы контроллера низкоуровневыми средствами, а также строить сеть контроля и управления, используя различные топологии (шина, звезда, кольцо или смешанные).
Одним из самых популярных решений является интеграция сети передачи данных от системы управления с помощью специального маршрутизатора, соединяющего сеть LonWorks с сетью ЛВС Ethernet. При этом станция контроля и управления "общается" с маршрутизатором по протоколу TCP/IP, а между маршрутизатором и контроллером используется протокол LonTalk.
Стандарт EIB (European Installation Bus) предназначен для управления энергопотреблением, освещением, жалюзями, микроклиматом и для контроля доступа. Это общеевропейский стандарт международной ассоциации EIBA (European Installation Bus Association), объединяющей более 100 ведущих европейских производителей электротехнической продукции. Данная "радио-шина" была разработана специально для дополнительного оснащения современной шинной техникой уже существующих коттеджей и квартир. Сегодня шина EIB "берет на себя" выполнение всех функций, связанных с управлением энергопотреблением, освещением, микроклиматом, оперативным контролем, охраной и сигнализацией, работой жалюзей, бытовой техникой и взаимодействием с другими системами.
12. Поставщики решений
Структура спроса и предложения на компоненты и решения "интеллектуального здания" определяется тем, что существуют две принципиально различные группы заказчиков. Для корпоративных заказчиков приоритеты распределены так: сокращение эксплуатационных расходов, требования к безопасности, и, наконец, - комфортные условия. В то же время потребности частных заказчиков ранжируются иначе: комфорт, безопасность, сокращение эксплуатационных расходов.
Остановимся на существующих решениях для корпоративного сегмента, которые составляют так называемую группу "тяжелых систем". К числу их производителей относятся Honeywell (www.honeyw-ell.com), Siemens (www.siemens.com), Johnson Controls (www.johnsonco-ntrols.com) и Andover Controls (www.andovercontrols.com). Они поставляют программно-аппаратные комплексы на базе программируемых сетевых микропроцессорных контроллеров, специализированные сетевые программы для рабочих мест операторов, администраторов и программистов, а также серверы баз данных для хранения и анализа событий. Поддерживают современные телекоммуникации и могут управлять всеми инженерными системами здания.
Для малого и среднего бизнеса могут использоваться решения, основанные на контроллерах, поддерживающих стандартные открытые шины EIB и LonWorks. Среди производством таких систем и компонентов Gira (www.gira.de), Lexel (www.lexel.com), Siemens, Honeywell и др. Эти решения могут управлять подсистемами вентиляции, отопления, кондиционирования и освещения. Они достаточно хорошо масштабируются, поскольку они открыты на уровне шины, и в одной системе могут работать контроллеры различных производителей.
Постепенно интерес к "интеллектуализации" зданий проявляется и в Украине, что демонстрируют, например, такие компании, как Domus Mobile (domusmobile.com.ua), АМИ (security.ami.ua), VSV (www.sat-vsv.kiev.ua), Элит-Сервис (www.elite-s.kiev.ua/kodos.html) и др.
Заключение
Внедрение системы "интеллектуального здания" позволяет значительно повысить экономичность, ликвидность, престижность, комфортность и функциональность здания или дома за счет уменьшения эксплуатационных расходов на содержание объекта, уменьшения опасности возникновения пожара, масштабируемости и гибкости системы, единого принципа управления всем электрооборудованием. Затраты на "интеллектуализацию" офиса окупаются в среднем через 3 года.
-
Повышение гибкости
28%
Обеспечение более безопасных и комфортных условий труда
34%
Улучшение защиты
44%
Интеграция операций
47 %
Снижение энергопотребления
69%
Литература
1. Антонов А.В. Системный анализ. Методология. Построение модели: Учеб. пособие. — Обникс: ИАТЭ, 2001. — 272 с.
2. Богданов А.А. Тетология: В 3 т. — М., 1905—1924.
3. Венда В.Ф. Системы гибридного интеллекта: эволюция, психология, информатика. — М.: Машиностроение, 1990. — 448 с.
4. Волова В.Н. Основы теории систем и системного анализа/ В.Н. Волова, А.А. Денисов. — СПб.: СПбГТУ, 1997. — 510 с.
5. Волова В.Н. Методы формализованного представления систем/ В.Н. Волова, А.А. Денисов, Ф.Е. Темнигов. — СПб.: СПбГТУ, 1993. — 108 с.
6. Гасаров Д.В. Интеллетальные информационные системы. — М.: Высш. ш., 2003. — 431 с.
7. Гелшов В.М. Введение в АСУ. — Киев: Техника, 1974.
8. Дегтярев Ю.И. Системный анализ и исследования операций. — М.: Высш. ш., 1996. — 335 с.
9. Корячов В.П. Теоретичесие основы САПР: Учеб. для взов/
В.П. Корячо, В.М. Крейчи, И.П. Норенов. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 400 с.
10. Мамионов А.Г. Основы построения АСУ: Учеб. для взов. — М.: Высш. ш., 1981. — 248 с.
11. Меньов А.В. Теоретичесие основы автоматизированного управления: Учеб. пособие. — М.: МГУП, 2002. — 176 с.
12. Острейовский В.А. Автоматизированные информационные системы в экономике: Учеб. пособие. — Ср т: СрГУ, 2000. — 165 с.
13. Острейовский В.А. Современные информационные технологии экономистам: Учеб. пособие. Ч. 1. Введение в автоматизированные информационные технологии. — Ср т:СрГУ, 2000. — 72 с.
14. Автоматизированные информационные технологии в экономике/ Под ред. проф. Г.А. Титоренко. — М.: Компьютер, ЮНИТИ, 1998.— 400 с.
15. Автоматизированные информационные технологии в банковской деятельности / Под ред. проф. Г.А. Титоренко. — М.: Финстатинформ, 1997.
16. АСУ на промышленном предприятии: Методы создания: Справочник / С.Б. Михалев, Р.С. Седенов, А.С. Гринбер и др. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 400 с.
17. Зелинский С.Э. Автоматизация управления предприятием – К., Кондор,2008 – 518 с.