Построение энергоэффективных решений на базе открытых протоколов

Не буду здесь еще раз приводить выдержки из аналитической статьи П. Мадаха «Обзор современных технологий автоматизации», датированной 1989 годом, приведу только перечень требований к протоколу:

• открытость и наличие описания, разбитого на главы по уровням семиуровневой модели OSI/ISO;
• объем адресного пространства не меньше 12 000 адресов;
• дноуровневый доступ к среде передачи, логическая сегментация;
• поддержка нескольких сред передачи (в каждой области свои предпочтения: витая пара для BMS, RF для старых зданий и т. д.);
• поддержка пособытийного опроса;
• высокая помехоустойчивость (даже за счет относительного снижения скорости);
• поддержка квитирования (одноадресного, многоадресного, циркулярного, без квитирования);
• поддержка телеграмм переменной длины;
• возможность горячего подключения контроллера к сети;
• высокая прогнозируемость сетевого обмена;
• наличие встроенных механизмов сетевой диагностики;
• возможность удаленного программирования контроллеров;
• наличие достаточно удобного инструментального программного обеспечения для настройки контроллеров, диагностики и конфигурирования сети;
• выделенный прикладной процессор.

Одноуровневая распределенная (децентрализованная) архитектура.

Децентрализованные системы имеют два основополагающих преимущества: абсолютная масштабируемость (одинаково легко строится и маленькая и большая инсталляции) и максимальная отказоустойчивость (чтобы вывести из строя систему, нужно уничтожить все контроллеры).

Эти два свойства в частности позволяют налаживать систему по частям, не дожидаясь полной строительной готовности объекта.

Принцип построения распределенных систем. Использование открытых протоколов

Об открытых протоколах говорилось много и часто. Что же дает применение открытых протоколов при построении ИЗ для инвестора?

1. Экономия средств на этапе выбора оборудования на этапе строительства и (или) модернизации (независимость от одного производителя).
2. Возможность организации тендера на реализацию проекта.
3. Возможность интеграции подсистем на уровне протокола.
4. Широкий выбор устройств со встроенной поддержкой протокола.

Использование испытанных технических решений

Наличие в предлагаемом ИЗ непроверенных технологий или технических приемов приводит к непрогнозируемому времени пусконаладки и чаще всего к срыву сроков и дополнительным расходам.

Интеграция на уровне протокола посредством аппаратных шлюзов

Существует три способа интеграции систем между собой: сухой контакт, единая SCADA и аппаратный шлюз протокольного уровня. По сути, аппаратный шлюз протокольного уровня — это контроллер, подключенный к двум разным протоколам, работающий как переводчик с языка одного протокола на язык другого протокола. Такой метод является максимально универсальным и гарантирует передачу максимального объема сигналов от одной системы к другой и назад при минимальной задержке прохождения управляющего воздействия.

Как видите, ключом к построению экономически эффективного и надежного ИЗ является выполнение четырех вышеописанных принципов, которые и составляют методологию построения ИЗ.

От теории — к практике
На сегодняшний день существует несколько открытых протоколов, автоматизирующих те или иные системы жизнеобеспечения здания. Каждый из них характеризуется своей областью применимости. Самая широкая область применимости принадлежит протоколу Lonworks, что позволяет использовать его как основную информационную магистраль систем автоматики здания.

Наряду с этим есть системы жизнеобеспечения, для которых характерен иной протокол. Так, например, для дизель-генераторов традиционен другой открытый протокол — ModBus. Для некоторых систем Lonworks не является оптимальным — как пример можно назвать системы управления освещением, которые более эффективно реализуются на EIB.

Нейрончип и топологии соединений
Микросхема «Нейрончип», изобретенная компанией Эшелон в 1990 году и являющаяся краеугольным камнем всей технологии LonWorks, содержит, на самом деле, три процессора. На рис. 3 вы можете видеть структурную схему этого кристалла.

Модель MC143150B1FU1, выпускаемая фирмой Motorola, имеет:

• три 8-битных процессора конвейерной архитектуры для одновременной обработки кода приложения и сетевых пакетов;
• программируемый 11-контактный порт ввода/вывода, имеющий 34 режима работы;
• два 16-битных таймера/счетчика;
• 5-контактный коммуникационный порт для подключения сетевого трансивера;
• 2Кб статической ОЗУ;

При использовании контроллеров с трансиверами TP/FT-10 компании Echelon сеть контроля и управления строится в соответствии с правилами «свободной топологии». Проиллюстрируем их на примерах.

На рис. 4 приведен пример топологии, называемый «общая шина».

При таком соединении ограничение на длину сегмента составляет 130 м, что почти в два раза больше ограничений для всех остальных способов соединения.

В централизованных системах обработка сигнала от датчиков, реализация алгоритма управления технологическим процессом и выдача управляющих воздействий на сервоприводы или актуаторы производятся одним единственным процессорным узлом. В таком случае злоумышленник либо должен внедриться во внутренние цепи процессорного узла, либо подключиться к измерительным или исполнительным цепям. Первый случай не имеет смысла рассматривать, поскольку злоумышленник имеет абсолютный контроль над системой. Во втором случае бороться со злоумышленником можно, контролируя целостность измерительных и исполнительных цепей.

В децентрализованных системах вместо одного процессорного узла реализовано несколько небольших самостоятельных микропроцессорных устройств, называемых узлами. Каждый узел кроме функций обработки измерительных и исполнительных цепей и реализации алгоритма управления, имеет сетевой интерфейс для обмена информацией с другими узлами. Зачастую в таких системах один узел пользуется резуль- татами измерений другого узла. И наоборот, узел реализующий алгоритм управления некоторым сервоприводом, может не иметь возможности напрямую управлять им, так как тот подключен к абсолютно другому узлу. Таким образом, описанный узел передает информацию о требуемом положении сервопривода на другой узел, а тот исполняет ее как прямой приказ. В децентрализованных системах возможности злоумышленника по реализации компрометирующего воздействия колоссальны. Несмотря на это большинство производителей оборудования для систем распределенной автоматики не предпринимают никаких мер против этого. Ставка делается на «закрытость» протокола обмена, т.е. всего лишь на то, что язык протокола обмена знает только узкий круг специалистов.

Следует отметить, что проблема необходимости контроля целостности измерительных и исполнительных цепей точно также актуальна и для децентрализованных систем тоже. Однако компрометация путем посылки ложной информации по сети передачи данных децентрализованной системы во много раз опасней. Уточним терминологию и назовем такой случай «сетевым компрометирующим воздействием».

Единственным методом борьбы с сетевым компрометирующим воздействием является аутентификация отправителя сообщения. Поддержка аутентификации может быть реализована либо на сеансовом уровне модели OSI/ ISO, либо на уровне приложения. Так, например, когда один контроллер сети автоматики высылает другому пакет информации, суть содержания которого должна привести к некоторому критическому действию, второй контроллер «желает» удостовериться в «личности» отправителя. Для наглядности предположим, что речь идет о команде подъема графитового стержня в ядерном реакторе. В качестве доказательства полномочий отправителя (аутентичности) либо используется цифровая подпись, либо механизм запрос-ответ, где в запросе высылается некое случайное число (фраза), а в качестве ответа используется число (фраза) зашифрованная на ключе, известном только этим двум контроллерам.

Пример построения сети передачи данных автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ) высотного здания.

При создании систем автоматики высотных зданий возникает целый ряд специфических проблем, несвойственных зданиям обычным. Ради снижения удаленности обслуживаемых помещений от технологического оборудования это обслуживающее оборудование размещается также на высотных этажах, а не только в подвале, чердаке или пристройке, как обычно. В итоге здание разделяется на блоки по несколько этажей. В каждом таком блоке есть специальный технический этаж, где и размещается все технологическое оборудование, обслуживающее этажи данного блока. Таким образом, на техническом этаже размещены тепловые пункты, чилеры, ВРУ, насосы холодного водоснабжения, установки центрального кондиционирования и многое другое, зависящее от специфики здания.

Требования, накладываемые надежностью, приводят к тому, что каждый такой блок должен сохранять свою работоспособность при выходе из строя остальных. При этом необходимо наличие механизма централизованного воздействия на любой механизм здания. Совокупности этих требований может удовлетворить только децентрализо- ванная автоматика.