پیاده سازی BMS و سیستم های اتوماسیون ساختمان

BMS یا سیستم اتوماسیون ساختمان سیستمی است که خدمات ساختمان را کنترل و نظارت می کند. این سیستم ها می توانند به چندین روش مختلف ساخته شوند. در این مطلب سیستم اتوماسیون عمومی ساختمان برای ساختمانی با نیازهای گسترده به دلیل  پیچیدگی کار، مانند یک بیمارستان، توضیح داده شده است. سیستم های واقعی معمولاً دارای چندین ویژگی و مؤلفه هستند که در این مطلب به تعدادی از آن ها اشاره شده است. آن ها همچنین ممکن است راه حل های خاصی داشته باشند که در این مقاله شرح داده نشده است.

هنگام تعریف BMS یا سیستم های اتوماسیون ساختمان، بهتر است که سیستم را به سطوح مختلف تقسیم کنیم. هیچ روش مشخصی برای نامگذاری این سطوح در یک سیستم وجود ندارد. برای اهداف این مقاله، کلیه دستگاه ها در سه سطح و سه شبکه تقسیم می شوند که مطابق شکل 1 نشان داده شده است. در این مطلب، عملکرد کلیه قسمت ها در یک سیستم اتوماسیون ساختمان با شروع از تجهیزات میدانی و استفاده از یک رویکرد از پایین به بالا، توصیف خواهد شد.

پیاده سازی انواع تجهیزات BMS

1. تجهیزات میدانی

تجهیزات میدانی شامل کلیه دستگاه هایی است که عملکرد فیزیکی ساختمان را کنترل یا تشخیص می دهند. این دستگاه ها مانند محرک ها، سنسورهای حرکتی، ردیاب های دود، شیرها، دمپرها، فن ها، کارت خوان ها، موتورها، آبپاش ها، کلیدهای برق، تجهیزات خاص بیمارستان و غیره هستند. اکثر این دستگاه ها به خودی خود هیچگونه هوشمندی در اختیار ندارند. آن ها یا وضعیت خود را ارسال می کنند یا به سیگنال های کنترل واکنش نشان می دهند.

در ابتدایی ترین سیستم، دستگاه های سطح میدانی به هیچ چیز وصل نمی شوند و به صورت دستی کنترل می شوند. برای کنترل اتوماتیک ساده، یک دستگاه کنترل می تواند به یک سنسور وصل شود به عنوان مثال کلید چراغی که به یک سنسور حرکتی وصل شده است. این راه حل ها برای بسیاری از کاربردها مؤثر است، اما برای سیستم های خدمات دهی پیشرفته ساختمان معمولاً یک سیستم کنترل پیشرفته تر مورد نیاز است. که این معمولاً از طریق شبکه میدانی و با اتصال دستگاه های سطح میدان به یک کنترلر پیشرفته تر در سطح اتوماسیون حاصل می شود. دستگاه های سطح میدانی بطور مقید عمل می کنند، در حالی که کنترل کننده های سطح اتوماسیون فرمانده آن ها هستند. همچنین دستگاه های سطح میدانی ای وجود دارند که از راه های دیگر به سیستم اتوماسیون ساختمان وصل می شوند. به عنوان مثال، یک ایستگاه هواشناسی بیرون از شبکه می تواند مستقیماً یا از طریق یک دروازه به شبکه اصلی وصل شود.

2. شبکه میدانی

شبکه میدانی، شبکه ای است که تجهیزات میدانی را به سطح اتوماسیون متصل می کند. هدف اصلی این شبکه اتصال محرک ها، سنسورها و سایر دستگاه های سطح عرصه به سطح PLC، کنترل کننده منطق قابل برنامه ریزی، یا RTU، واحد ترمینال از راه دور، در سطح اتوماسیون است. ارتباط فیزیکی بین دو لایه می تواند از چهار نوع مختلف باشد.

• سیم کشی
• گذرگاه میدانی
• خط برق
• بی سیم

یک یا چند تا از این چهار نوع ستون فقرات شبکه میدانی خواهد بود. یک سیستم اتوماسیون ساختمان معمولاً شامل چندین شبکه میدانی است.

سیم کشی

اگر دستگاه های سطح میدانی توسط سیم کشی متصل شوند، هر دستگاه توسط یک کابل جداگانه به یک درگاه جداگانه در دستگاه سطح اتوماسیون وصل می شود، مارشال (2001). هر نوع سیگنال هایی که از طریق شبکه میدانی ارسال می شود وابسته است به دستگاه هایی که سیستم را تشکیل می دهند. به عنوان مثال یک روش معمول برای کنترل شیر، تأمین ولتاژ بین 0 ولت تا 10 ولت است. این یک سیگنال کنترل آنالوگ است که به شیر فرمان می دهد چه موقعیتی باید داشته باشد. یک مثال پیشرفته تر می تواند سیم کشی یک ایستگاه هواشناسی خارج از شبکه باشد که از طریق نوعی کابل داده به PLC وصل شود. سیگنال های ارسالی در این مثال از داده های دیجیتال تشکیل شده است. سیم کشی معمولاً یک راه حل رضایت بخش برای سیستم هایی است که تعداد محدودی از اتصالات دارند.

گذرگاه میدانی

راه حل دیگر اتصال تجهیزات سطح میدانی از طریق یک یا چند گذرگاه میدانی است، مارشال (2001). گذرگاه میدانی معمولاً از کابل های مسی جفت پیچیده شده برای ارتباطات تشکیل شده است. منبع تغذیه را می توان به طور جداگانه به دستگاه ها وصل کرد یا در یک سیم اضافی در کابل گذرگاه قرار داد. سیم ها به صورت جعبه های اتصال به شکل صندوقچه جدا می شوند یا همانطور که در شکل 2.2 نشان داده شده است در یک زنجیره مروارید مانند متصل می شوند.

گذرگاه میدانی را می توان با یک شبکه محلی مقایسه کرد. در یک گذرگاه میدانی، در تقاطع هایی که دستگاه ها به کابل اصلی وصل می شوند، به هیچ کلیدی احتیاج نیست. این امر به دلیل آن است که بازتاب سیگنال هنگام انتقال داده ها با نرخ بیت پایین مشکل خیلی کمی ایجاد می کند. از طرف دیگر یک شبکه محلی با نرخ بیت در حدود 100-1000 مگابیت در ثانیه است. این بدان معناست که اگر هیچ کلیدی برای تقسیم و جدا کردن ارتباط بین دو گره وجود نداشته باشد، شبکه دارای یک طغیان مداوم از سیگنال های بازتاب کننده خواهد بود.

به علت فقدان کلیدها، تمام تجهیزات موجود در گذرگاه، پیام های ارسالی از طریق کابل را دریافت می کنند اما فقط تجهیزات مورد نظر به آن واکنش نشان می دهند. نرخ های بیت متداول برای این نوع شبکه ها تقریباً 1-40 کیلوبیت در ثانیه است، که کمتر از یک هزارم شبکه متداول اترنت می باشد. این برای اکثر وسایل کافی است زیرا یک پیام معمولی فقط شامل دو بایت است. تعداد اجزای قابل اتصال در یک گذرگاه بسته به پروتکل مورد استفاده، طول کابل و نوع اتصال، از ده ها تا هزارها عدد متغیر است.

اتصال خط برق

برخی از استانداردهای ارتباطی نیز از ارتباط خط برق از طریق کابل های 230 ولت / 50 هرتز اتصال مستقیم سوکت های برقی پشتیبانی می کنند، ZVEI (2006). سیگنال ها می توانند زیرساخت یکسانی را به اشتراک بگذارند زیرا ارتباط داده از باند فرکانس قابل توجه بالاتری از 95-125 کیلوهرتز استفاده می کند. به منظور جلوگیری از بازتاب سیگنال، برای نرخ های بیت تقریباً 1 کیلوبیت در ثانیه، معمولاً نرخ بیت پایین نگه داشته می شود. معماری و عملکرد اصلی شبکه شبیه به سیستم گذرگاه میدانی است.

اتصال بیسیم

رایج ترین فن آوری ارتباط بی سیم برای شبکه های میدانی، فرکانس رادیویی در باند فرکانس میانی (868 مگاهرتز) است. داده ها با استفاده از فرکانس مدل سازی، فاز یا دامنه امواج رادیویی منتقل می شوند، ZVEI(2006). دامنه رایج برای فرستنده در یک ساختمان با دیوارهای پارتیشن سبک از جنس الوار و گچ به طور افقی در حدود 30 متر است. اگر دیوارها از جنس فلز، بتن یا از عناصر ویژه دیگری ساخته شده باشند، دامنه تا حد زیادی کاهش می یابد. از تقویت کننده ها می توان برای افزایش دامنه استفاده کرد. اغلب آن ها در تجهیزات سطح میدانی داخل فرستنده ها قرار می گیرند.

3. سطح اتوماسیون

سطح اتوماسیون شامل تمام کنترلرهای پیشرفته است که تجهیزات سطح میدانی را در زمان واقعی کنترل و تنظیم می کنند. امروزه، این کنترلرها معمولاً دیجیتالی هستند و به وسیله ریزپردازنده ها طراحی شده اند، Levermore و همکاران (2000). این امر باعث می شود كه آن ها بطور آزاد توسط موارد زیر برنامه ریزی شوند:

• کنترل متناسب
• کنترل انتگرال
• کنترل دیفرانسیل
• هرگونه کنترل منطقی دیگری یا ترکیبی از کنترل های منطقی

کنترل کننده ها را می توان به دو دسته تقسیم کرد:

• PLC – کنترل کننده منطق قابل برنامه ریزی و
• RTU – واحد ترمینال از راه دور

یک PLC شبیه به یک رایانه امروزی است. قابلیت این برنامه ریزی را دارد که بتواند روی هر تعداد داده ورودی کار کند و هر تعداد داده خروجی را تا زمانی که قدرت پردازش و پورت ها کافی هستند کنترل کند. PLC را می توان با قفسه های محتوی درگاه های I / O متصل به یکی از گذرگاه های داخلی PLC گسترش داد. PLC های پیشرفته تری نیز وجود دارد که غالباً آن را Soft-PLC می نامند. آن ها روی یک سیستم عامل پیشرفته تر (مانند ویندوز) اجرا می شوند و می توانند به صفحه نمایش و صفحه کلید وصل شوند. RTU معمولاً قدرت پردازش کمتری دارد و درگاه های کمتری نسبت به PLC دارد. دلیل این موضوع این است که یک RTU برای کار خاصی ساخته شده است و بر این اساس اندازه گذاری شده است. RTU از قبل برنامه ریزی شده را برای کاربردهای متداول ارسال می کنند تا فقط نیاز باشد کاربر آن را تنظیم کند. در اکثر جنبه های دیگر PLC ها و RTU ها مشابه هستند و مرز دقیقی میان طبقه بندی آن ها وجود ندارد. رایج است كه سازنده دستگاه شامل یك سیستم كنترل دارای RTU، یک شبکه میدانی و کلیه دستگاه های سطح میدانی که الزامی است را پوشش دهد. به این معمولاً یک واحد حقیقی با کنترل یکپارچه گفته می شود.

در ساده ترین حالت، PLC یا RTU به عنوان یک واحد مستقل و بدون تعامل با سایر PLC ها، RTU یا تجهیزات در سطح مدیریت عمل می کند. به منظور برقراری ارتباط، یک PLC یا RTU می تواند به شبکه اصلی وصل شود و از طریق یک سیستم SCADA یا CCS، با ایستگاه کنترل مرکزی ارتباط برقرار کند یا یک شبکه کوچک محلی نظیر به نظیر داشته باشد که در آن بتواند با مقدار محدودی از PLC ها یا RTU ها ارتباط داشته باشد.

4. شبکه اصلی

به شبکه اصلی معمولاً ستون فقرات یا شبکه مدیریت گفته می شود. شبکه اصلی سطح اتوماسیون و سطح مدیریت را در سیستم اتوماسیون ساختمان به یکدیگر متصل می کند. یک شبکه اصلی می تواند با یک شبکه معمولی LAN، شبکه محلی، در یک ساختمان از هم جدا یا مشترک شود. معمولاً این شبکه ها مانند اکثر شبکه ها در دفاتر و خانه ها بر روی کابل های جفت پیچ خورده (ISO 8802-3) ارتباط برقرار می کنند. ارتباط از طریق WLAN، شبکه محلی بی سیم، نیز امکان پذیر است. این شبکه ها مقادیر بسیار بیشتری از داده ها را در نرخ های بیت بالاتر نسبت به انواع شبکه که در بخش های قبلی توضیح داده شده بود، اداره می کنند. میزان نرخ های بیت متداول در محدوده 10 تا 1000 مگابیت است.

کلید شبکه

از کلید شبکه در شبکه محلی استفاده می شود تا اتصال تعدادی از گره ها را برقرار کند و امکان برقراری ارتباط آن ها با یکدیگر را فراهم می کند (Cisco Systems، Inc.، 2009). برای شناسایی گره ها در یک شبکه، کلید از آدرس MAC استفاده می کند، که به آن آدرس دهی فیزیکی نیز می گویند. که این مطلب همانطور که در بخش 3.1 توضیح داده شده است، با بند لایه داده ها در مدل OSI، مطابقت دارد. برای کاهش خطر برخورد داده ها در یک شبکه، در ساخت کلید از قطعه بندی بسیار ریز استفاده می شود، بنابراین فقط دو گره در همان زمان همان طور که در شکل 2.3 نشان داده شده در تماس هستند.

دو دسته دیگر ازکلیدها که در لایه های مختلف مدل OSI کار می کنند به نام های لایه پیوند داده با ویژگی های لایه شبکه و کلیدهای چند لایه، وجود دارد. در لایه شبکه از آدرس های IP به عنوان شناسایی استفاده می شود، می توان از آن به عنوان آدرس منطقی نیز نام برد. کلید چند لایه می تواند داده ها را روی آدرس MAC تغییر دهد یا داده های ورودی را با آدرس های IP مسیریابی کند.

5. شبکه ثانویه

شبکه های ثانویه سطح اتوماسیون را به شبکه اصلی وصل می کنند. این بدان معنی است که این شبکه یک زیر شبکه ای از شبکه اصلی است. هدف ایجاد شبکه ثانویه جمع آوری تجهیزات سیستم های اتوماسیون ساختمان در سطح اتوماسیون است که با پروتکل متفاوت از پروتکل در شبکه اصلی کار می کند و آن تجهیزات را به بقیه سیستم اتوماسیون ساختمان متصل می کند. اگر قادر باشیم تنها با یک پروتکل سیستم را طراحی کنیم، سیستم اتوماسیون ساختمان نباید دارای شبکه ثانویه باشد. تعدادی شبکه ثانویه می توانند به یک شبکه اصلی وصل شوند.

6. سطح مدیریتی

سطح مدیریت شامل کلیه دستگاه هایی است که سیستم اتوماسیون ساختمان را کنترل و نظارت می کنند و با کارکنان و اینترنت ارتباط برقرار می کنند. نمونه هایی از این دستگاه ها می تواند مانند موارد زیر باشد.

• بانک های اطلاعاتی که فعالیت را ثبت می کنند
• سرورهای وب
• پنل های اپراتور
• CCS – ایستگاه کنترل مرکزی
• سرورهایی که پیام ها را در پروتکل های مختلف ترجمه می کنند.

وب سرور یک نقطه دسترسی به سیستم اتوماسیون ساختمان است که می تواند برای چندین هدف مختلف مورد استفاده قرار گیرد. که امکان نگهداری از راه دور، امکان ارسال هشدار به کارکنان خدمات، امکان خواندن وضعیت در مورد چندین سیستم در یک مکان و غیره را فراهم می کند.

بسته به نوع متمرکز یا غیر متمرکز بودن سیستم، CCS می تواند وظایف مختلفی داشته باشد. در یک سیستم متمرکز، یک CCS می تواند بخش بزرگی از کنترل زمان واقعی را با PLC ها و RTU هایی که عمدتا به عنوان گره هایی کار می کنند که فقط داده ها را پیدا و ارسال می کنند، اداره کند. در یک سیستم غیرمتمرکز، CCS هیچ کنترلی در زمان واقعی انجام نمی دهد و اگر تماس با CCS قطع شود، PLC ها و RTU ها باید بتوانند به تنهایی به فعالیت خود ادامه دهند. CCS وظیفه هماهنگی بین PLC ها و RTU ها را دارد و ممکن است کار کنترل آبشاری را انجام دهد.

کنترل آبشاری بدان معنی است که کنترل به دو سطح تقسیم می شود. یک سطح نقطه تنظیم متغیر را برای سطح دیگر کنترل می کند، Levermore و همکاران (2000). به عنوان مثال یک PLC در حال کنترل هوا در یک اتاق است. یکی از پارامترهایی که می تواند کنترل کند، دمای هوای موجود است. به جای تنظیم مستقیم تجهیزات در واحد انتقال هوا، PLC اول نقطه تنظیم را برای PLC دوم کنترل می کند. این PLC دوم سپس حلقه کنترلی مخصوص به خود را نظارت می کند که دستگاه ها را در واحد انتقال هوا کنترل می کند بنابراین دمای نقطه تنظیم را تأمین می کند. کنترل آبشاری از چند طریق قابل انجام است.

• بین چندین کارکرد کنترل در یک PLC یا RTU
• توسط PLC ، RTU یا CCS در PLC یا RTU
• بصورت دستی توسط پرسنل PLC یا RTU

از کنترل آبشاری معمولاً تحت عنوان کنترل استاد و شاگردی یا تنظیم مجدد نیز یاد می شود.

تمام ویژگی های توصیف شده برای سطح مدیریت را می توان در یک سیستم SCADA اجرا کرد. SCADA مخفف عبارت Supervisory Control And Data Acquisition،. Bailey D. Wright E(2003) است. SCADA نه یک نام تجاری است و نه محدود به هر فناوری خاص است. این شامل تمام راه حل هایی است که عملکرد “کنترل نظارتی و دستیابی به اطلاعات” را انجام می دهند. ساده ترین سیستم SCADA شخصی است که به طور دستی تنظیم نقاط و غیره را برای PLC و RTU تنظیم می کند و عملکرد آن ها را ثبت می کند. برای ساختمانی با نیازهای پیچیده به دلیل فعالیت، مانند بیمارستان، معمولاً از سیستم SCADA پیشرفته تر با عملکردهای بیشتر استفاده می شود. راه حل های فنی بسیاری برای سیستم های SCADA موجود در بازار هست که این وظایف را تأمین می کند.