Обзор технологий интеграции устройств в интеллектуальное здание

Для интеграции устройств в интеллектуальное здание наиболее часто применяется структурированная кабельная сеть (СКС).

В основе СКС лежит неэкранированный или экранированный четырехпарный кабель с «витыми парами», каждая жила которой имеет диаметр от 0,5 мм и соответственно сечение 0,2 кв. мм (и выше). Одним из основных положительных моментов, который способствует применению СКС в системах управления и безопасности, является то, что кабельная проводка наиболее полно покрывает всю полезную площадь здания. При этом в случае если проектировщики не пренебрегали требованиями международных стандар­тов для телекоммуникационных проводок, СКС всегда имеет достаточный резерв пар для дальнейшего использования. К тому же ка­бель с витыми парами и соединительные элементы проектируется для работы с высо­коскоростными приложениями. В свою оче­редь, системы управления и безопасности го­раздо менее требовательны к высокочастот­ным характеристикам кабельной проводки. Однако основным недостатком применения кабеля является ограниченная возможность использования его в качестве питающего (да­же низковольтного). А изоляционные свойст­ва кабеля не позволяют выполнять с его по­мощью подключение сетевого напряжения 220-230 В даже для маломощных контроль­ных сигналов. Именно с этим связано боль­шинство ограничений применения «витой па­ры» в системах здания (хотя здесь правиль­нее говорить не про ограничения, а про не­обходимость более точного проектирования кабельной архитектуры и трасс для систем уп­равления и безопасности). Основные ограни­чения, которые имеет «витая пара» калибра AWG24 (0,51 мм диаметром), - это 1 А по од­ной жиле кабеля, но не более 3,3 А по четырехпарному кабелю или 21 А по двадцатипятипарнику. При этом рекомендуется исполь­зовать специализированные мини-предохранители, которые устанавливаются стандарт­ным забивочным инструментом непосредст­венно в кросс (если предохранители соответ­ствующего номинала не установлены в источ­нике питания).

Спараллеливание проводов в паре в целях повышения нагрузки допуска­ется, но не рекомендуется по причине воз­можной пожароопасности при нарушении или разрыве одного из проводов. Таким образом, при проектировании линии электропитания необходимо руководство­ваться величиной падения напряжения, до­пустимого при подключении конкретного дат­чика, контроллера или актуатора. Падение напряжения при этом будет зависеть от дли­ны кабельной линии и величины силы тока, потребляемого устройством. Для определения величины падения напряже­ния можно производить соответствующие рас­четы или пользоваться таблицами, приведен­ными в руководствах по проектированию, ко­торые издают некоторые производители СКС.

Рассмотрим некоторые конкретные примеры использования СКС в системах управления и безопасности здания. Прежде всего, СКС можно использовать для передачи сигналов НЧ-видео в системах ви­деонаблюдения на расстояния до 457 м (цвет­ное изображение) и 762 м (черно-белое изображение). Это требует использования двух согласующих адаптеров с обоих концов ка­бельной линии. Подключение осуществляется по принципу «point-to-point», для коммутации можно использовать стандартные средства – кроссы и шнуры переключения всех типов.

Применение СКС в системах пожарной и тре­вожно-охранной сигнализации ~ тема наибо­лее трудная для обсуждения. Подобные сис­темы имеют достаточно сложную архитектуру, которая обычно включает в себя: пульт приемно-контрольный (находящийся в логиче­ском, а часто и в физическом центре системы охранно-пожарной сигнализации); пульт управления; автоматические извещатели (адрес­ные и аналоговые датчики); ручные извеща­тели; блоки расширения шлейфов, релейных выходов, памяти и т. д.; релейные выходы для выдачи команды другим приборам (напри­мер, в систему пожарной автоматики (СПА); средства связи с пультом центрального на­блюдения (например, по телефонной линии); интерфейс для связи с ПК или сетью с целью конфигурации или управления системой. Все вышеперечисленные подключения, как правило, проводные, некоторые из них, правда, локальные - блоки расширения обычно располагаются рядом с ППК. Вопрос в том, какими кабелями и проводами все эти подключения выполнять, и подходит ли для этого СКС.

С системами охранной сигнализации дело выглядит следующим образом. Для организаций, имеющих собственную службу безопасности, —это чисто внутренний вопрос, связанный в основном со структурой службы эксплуатации здания. С технической же точки зрения вопрос не стоит, так как в большинстве проводных соединений тради­ционно используются кабели, по своим хара­ктеристикам аналогичные кабелю «витая па­ра», используемому при построении СКС. Пи­тание мощных потребителей по шлейфам охранных систем не осуществляется.

Для объектов, сдаваемых под охрану в ОВД, выбор технических решений регламентирует­ся «Перечнем технических средств вневедом­ственной охраны, разрешенных к примене­нию» [3]. Однако в этот перечень входят различ­ные пульты, извещатели, и в нем нет упоми­наний о какой-либо кабельно-проводниковой продукции. Таким образом, с формаль­ной точки зрения никаких запретов нет. Пожарные сигнализации в России выполня­ются на основе требований, изложенных в документе НПБ 88-2001 (нормы пожарной безопасности). Вот некоторые выдержки из этого документа:

«Шлейфы пожарной сигнализации, как пра­вило, следует выполнять проводами связи».

«В случаях, когда система пожарной сигна­лизации не предназначена для управления автоматическими установками пожароту­шения, системами оповещения, дымоудаления и иными инженерными системами пожарной безопасности объекта, для под­ключения шлейфов пожарной сигнализа­ции радиального типа напряжением до 60 В к приборам приемно-контрольным могут использоваться соединительные ли­нии, выполняемые телефонными кабелями с медными жилами комплексной сети связи объекта при условии выделения каналов связи. При этом выделенные свободные па­ры от кросса до распределительных коро­бок, используемых при монтаже шлейфов пожарной сигнализации, как правило, сле­дует располагать группами в пределах ка­ждой распределительной коробки и марки­ровать красной краской».

«Диаметр медных жил проводов и кабелей должен быть определен из расчета допус­тимого падения напряжения, но не ме­нее 0,5 мм».

«Не допускается совместная прокладка шлей­фов и соединительных линий пожарной сиг­нализации, линий управления автоматиче­скими установками пожаротушения и опове­щения с напряжением до 60 В с линиями на­пряжением 110 В и более в одном коробе, трубе, жгуте, замкнутом канале строительной конструкции или на одном лотке».

Видно, что СКС, выполненная на основе ка­беля «витая пара», удовлетворяет этим требо­ваниям или, если необходимо, может быть к ним легко адаптирована. Ситуация с «обязательными» пожарными сертификатами примерно следующая. Электрические проводники на напряжение не более 80 В, используемые в телекоммуника­ции, оснащенные соединительными деталя­ми по нескольким определенным кодам ТН ВЭД, не входят в перечень продукции, подле­жащей обязательной сертификации в области пожарной безопасности. Однако имеются не­которые приказы ГПС (Государственная про­тивопожарная служба) с требованиями об обязательной сертификации изделий, приме­няемых в системах противопожарной защи­ты. В свя5и с этим многие фирмы-производи­тели СКС, хотя далеко не все, такую сертифи­кацию кабелей и соединительных элементов производят.

Система оповещения и управления эвакуаци­ей предназначена для обеспечения звукового, речевого и светового оповещения. Как прави­ло, система имеет централизованную структу­ру. Имеется центральное устройство типа шта­тива с процессором, усилителем, средствами записи сообщений и средствами коммутации, к входам/выходам которого могут подклю­чаться: станции вызова (микрофоны); конт­рольные линии от сигнализаций; телефонные линии; музыкальные источники; громкогово­рители, сгруппированные по зонам; релейные модули светового оповещения.

Часто допускается потеря мощности на ка­бельной линии до громкоговорителя до 10%. При выборе системы для «витой пары» предпочтение надо отдавать усилителям с высо­ким выходным напряжением - 70 В по срав­нению с системами, рассчитанными на 25 В. В этом случае передача той же мощности бу­дет происходить при меньшем токе. Для оп­ределения мощности громкоговорителей, расположенных на не­котором удалении от центральной станции и запитанных по од­ной паре, имеется оп­ределенная методика. В качестве примера: на конце стандартной горизонтальной линии СКС (до 90 м длиной) можно разместить громкоговорители с суммарной мощно­стью 30-40 Вт. При планировании коммутации надо иметь в виду, что вну­три одного четырехпарного кабеля нельзя подключать аудиоприложения и телефонные системы с импульс­ным набором номера.

Системы вентиляции и кондиционирования по принципу своего построения почти не име­ют соединений, которые было бы целесооб­разно выполнять с помощью СКС. Простейшие сплит-системы и мультизональные системы кондиционирования (VRF) со­единяются между внутренними и внешними блоками с помощью контрольного кабеля, однако при монтаже таких систем между блоками по одной трассе все равно прокладываются трубы холодильного агента и электричессие провода, в которых дополнительные жилы и являются контрольными. Центральный кондиционер вместе с приточной вентиляционной установкой, в которой он находится, как правило, управляется с локального контроллера, расположенного в этом же или соседнем помещении. Соединение всех датчиков и приводов с контроллером и шкафом автоматики на этой установке опять же локальное. Если же датчики температуры расположены в обслуживаемом помещении, то, скорее всего, придется пользоваться кабелем с рекомендованным сечением жилы, так как простые системы вентиляции могут не иметь программной компенсации сопротивления линии. Система кондиционирования с холодильной машиной (chiller) и вентиляторными конвекторами (fan coil) в большинстве случаев те же имеет локальные соединения, только внутри обслуживаемых помещений. Средства коммуникации для подобных, достаточно простых климатических установок требуются, пожалуй, только в системе мониторинга и управления установкой для организации удаленного диспетчерского пульта. Таким пультом как правило, являются ПК или специализированное устройство, подключаемые на стандартное рабочее место СКС по «витой паре». По сравнению с прочими системами безопасности систему контроля и управления доступом можно считать наиболее «продвинутой» системой в плане применения современных высоких технологий. Принцип ее построен аналогичен интегрированным командно-ориентированным» системам - те же сети контроллеров, датчиков и исполнительных механизмов со сложным адаптируемым алгоритмом взаимодействия. Рассмотрим работу подобных систем подробнее. Интегрированные командно-ориентированые системы представляют собой комплексные системы, решающие большое число задач по безопасности и управлению зданием. Надо заметить, что встречаются похожие системы и отечественных разработчиков, в ocновном, с уклоном в системы безопасности.

Интеграция таких систем может быть очень высока. Это функции управления параметра­ми среды и электрической энергией, тревож­ная и пожарная сигнализации и противопо­жарная безопасность, контроль доступа, регистрация присутствия и перемени пребывания, управление освещением, управление лифтами, управление автостоянками, ви­деоидентификация, мониторинг систем ин­женерного обеспечения здания. Такие системы строятся, как правило, по принципу многоуровневого взаимодействия. Верхний уровень - станции диспетчерского управления, серверы и сетевые контроллеры, которые работают в сети Ethernet по прото­колу TCP/IP, что обеспечивает возможность доступа нескольких операторов с разными правами, в том числе и удаленного, напри­мер, непосредственно к контроллеру, кото­рый работает как WWW -сервер. Эта «шина» верхнего уровня предназначена для работы по «витой паре», все устройства подключают­ся к стандартно оборудованным рабочим ме­стам СКС, то есть никаких вопросов, связан­ных с калибровкой, не возникает. Уровнем ниже работает сеть исполнительных контрол­леров, как правило, имеющих специализа­цию, — контроллер управления бойлерами, освещением, контролем доступа и т.д. На этом уровне связь с «верхними» сетевыми контроллерами осуществляется по шине RS-485. В принципе это наиболее широко ис­пользуемый стандарт передачи данных в сис­темах управления и безопасности. Он обес­печивает многоточечное подключение до 32 узлов сети.

В качестве шины может использоваться ка­бель «витая пара» 3-й категории и выше, при общей длине до 1220 м. Исполнительные контроллеры в свою оче­редь работают с датчиками и актуаторами. Подключение этой «периферии» практически невозможно каким-либо образом раскласси­фицировать, это передача контрольных сиг­налов и электроэнергии напряжением от 10 до 380 В с любой силой тока. При этом боль­шинство подключений — локальные; испол­нительный контроллер, как правило, распо­лагается недалеко от контролируемого объе­кта. При необходимости удаленного подклю­чения чего-либо придется ориентироваться на описание конкретного изделия и «Руко­водство по приложению», которые издают наиболее солидные производители СКС2. Интегрированные информационно-ориенти­рованные системы предназначены для рабо­ты без управления со стороны центрального контроллера. «Мозг» такой системы распреде­лен между процессорами, встроенными непосредственно в датчики и исполнительные механизмы. Наиболее яркие представители систем этого класса — Lon Works и EIВ (из тех, что предназначены преимущественно для уп­равления зданиями и менее для АСУТП ). Lon Works — это самая популярная на амери­канском рынке технология из класса «полевых шин» (field bus), где процессы управления распределяются среди узлов сети, между ко­торыми осуществляются коммуникационные взаимодействия. Узлы обмениваются информацией, а не командами, отсюда и термин — «информационно ориентированная система». Каждый узел такой сети содержит процессор (Neuron Chip), трансивер для связи с сетью и устройство ввода/вывода для непосредственного выполнения функции контроля.

Система Lon Works была представлена корпо­рацией Echelon в начале 1990-х годов и была изначально спроектирована для работы по кабельным системам на основе «витой пары». Система допускает физические кабельные со­единения типа «шины» или произвольную то­пологию, которая может состоять из любых частей – «шины», «иерархического дерева» или «кольца», однако ограничения по длине кабеля для этих двух топологий различны. При «свободной» топологии суммарная дли­на всех проводных соединений не должна превышать 450 м, причем максимальное рас­стояние между двумя узлами сети должно быть не более 250 м (для провода 24AWG). Если проводка соединяется в «шину», то ее максимальная длина возрастает до 900 м. Уз­лы подключаются к «шине» ответвлениями длиной до 3 м.

Фактически топология соединений определя­ется не принципами прокладки кабеля, а схе­мой соединения пар на кроссе и будет зави­сеть от плотности размещения узлов сети и трафика, на основании которого планиру­ется разбиение системы на подсети с помо­щью повторителей и маршрутизаторов [4, 8].