Protocolos de comunicação aberta para elevadores, Parte 2

No primeiro artigo desta série (ELEVATOR WORLD, julho de 2014), foram discutidos a ciência e o conceito de protocolos abertos e interoperáveis, com uma introdução às sete camadas do modelo de rede OSI (Interconexão de Sistemas Abertos) da Organização Internacional de Normalização (ISO) e a diversas redes populares, incluindo ModBus e CANBus, com aplicações em sistemas de elevadores e outros. Em seguida, um dos principais players deste setor, o LonWorks, e um protocolo associado, o LonTalk, foram discutidos em detalhes. Nesta discussão, foram apresentados perfis funcionais especialmente projetados para elevadores.

Neste artigo final da série, outro importante ator do setor, as Redes de Automação e Controle Predial (BACnet), será o tema principal. A história do desenvolvimento do BACnet começou em 1995, quando a primeira especificação do BACnet foi publicada. A versão mais recente, a Norma 135-2012, foi publicada em 2012 e está em constante atualização. O desenvolvimento recente do BACnet relacionado a sistemas de elevadores é o foco principal deste artigo.

O que é BACnet?

O BACnet é um protocolo de comunicação padrão, aberto e interoperável, desenvolvido pela Sociedade Americana de Engenheiros de Aquecimento, Refrigeração e Ar Condicionado (ASHRAE). Ele fornece a infraestrutura de comunicação necessária para integrar produtos de diferentes fornecedores e sistemas prediais utilizados independentemente uns dos outros.

História do Desenvolvimento

Até meados da década de 1980, os protocolos utilizados em sistemas de gerenciamento predial (BMSes) eram proprietários; portanto, sistemas isolados de diferentes fornecedores eram conectados entre si por gateways que atuavam como tradutores de protocolos proprietários. A solução encontrada foi combinar todos esses protocolos, de forma que os dados pudessem ser utilizados de maneira consistente e repetida pelos diferentes sistemas durante a intercomunicação. Em janeiro de 1987, a ASHRAE iniciou o desenvolvimento de um protocolo de comunicação padrão da indústria para sistemas de automação e controle predial. O Comitê de Projeto Padrão (SPC) 135P foi formado para realizar essa tarefa. Seus membros eram provenientes de fabricantes, consultorias de engenharia, universidades e agências governamentais dos EUA e Canadá. Em 1988, outra solução foi proposta, que se tornou o LonWorks na década de 1990 (EW, julho de 2014). Em 1990, uma solução europeia resultou na formação da Associação Europeia de Barramento de Instalação (EIBA). Esses três protocolos abertos estabeleceram a plataforma de controle predial para BMSs em todo o mundo. No final da década de 1990, a EIBA, a Batibus e a União Europeia Home Sistema, fundido para formar a Associação Konnex (EW, julho de 2014).

Segundo Bushby,[1] a primeira reunião do SPC foi realizada em junho de 1987. Em agosto de 1991, a primeira revisão pública da proposta de norma BACnet foi publicada para comentários, gerando 507 comentários de seis países diferentes. Uma versão revisada da minuta da norma foi publicada em março de 1994 para uma segunda revisão, que gerou 228 comentários de 12 países. Uma terceira e última revisão pública foi realizada em março de 1995, gerando seis comentários. Essa versão de 1995 foi denominada ASHRAE – 135, que se tornou uma norma do Instituto Nacional Americano de Padrões (ANSI) no mesmo ano.

Em 1998, dois Grupos de Interesse BACnet (BIGs) foram formados na América do Norte e na Europa. Em 1999, foi criada a Associação de Fabricantes BACnet (BACnet Manufacturers Association). Em 2000, foi formado o BACnet Testing Laboratories (BTL), que posteriormente passou a fazer parte da BACnet International (uma organização global para promover o BACnet) para apoiar as atividades de testes de conformidade e interoperabilidade, sendo composto pelo Gerente do BTL e pelo Grupo de Trabalho (GT). O GT foi formado pela BACnet International para supervisionar o estabelecimento do programa de certificação e listagem de conformidade do BACnet. O GT é composto por membros da BACnet International e do BIG-Europa, com o objetivo de promover e manter a marca registrada BACnet e BTL.

Em 2001, foi lançada a versão 2001 do BACnet. Em 2002, o primeiro dispositivo listado pela BTL tornou-se disponível. No mesmo ano, o Grupo de Trabalho de Linguagem de Marcação Extensível (XML) foi criado para analisar a possível utilização dessa linguagem de marcação amplamente usada para dar suporte ao BACnet. Isso permitiu que o BACnet deixasse de ser um simples protocolo entre dispositivos de controle – sistemas de soluções empresariais e sistemas computadorizados de gerenciamento de instalações também passaram a se comunicar por meio dele. Em 2003, o BACnet tornou-se um padrão internacional, designado ISO 16484-5. No mesmo ano, foi publicado o documento Métodos de Teste e Conformidade do BACnet, ASHRAE 135.1. Em seguida, foi lançada a versão 2004 do BACnet. Em 2005, o 100º dispositivo listado pela BTL foi disponibilizado para o mercado. Em 2008, foi lançada a versão 2008 do BACnet. Atualmente, existem mais de 726 designações de identificação de fornecedores (IDs) exclusivas no mundo. Cada fornecedor que fabrica dispositivos listados na BTL está listado, e estamos usando a versão mais recente do BACnet, a de 2012.

BACnet moderno

Atualmente, apesar de possuir a designação ASHRAE, o BACnet não é utilizado apenas na indústria de aquecimento, ventilação e ar condicionado. Ele também é aplicado em circuito fechado de TV, laboratórios, iluminação, segurança, controle de acesso e segurança contra incêndio e proteção à vida. Sua aplicação na indústria de transporte vertical é considerada inédita.

O padrão BACnet de 2012 define sete tipos de rede (Figura 1): BACnet Internet Protocol (IP) (o mais popular), BACnet master-slave/token passing (MS/TP) (o segundo mais popular), BACnet sobre Ethernet, BACnet sobre ARCNET, BACnet ponto a ponto via RS-232 ou telefone, BACnet sobre LonTalk e BACnet sobre ZigBee (uma rede sem fio).[3] O BACnet é implementado em apenas quatro das sete camadas do modelo OSI da ISO, chamado de “OSI colapsado”. “BACnet IP” significa que o protocolo BACnet é escrito em termos de IP, mas não é roteado por IP. O BACnet alcança a interoperabilidade de dispositivos de três maneiras: objetos (informações), serviços (solicitações de ação) e sistemas de transporte (interconexão de redes, mensagens eletrônicas).

O BACnet define atualmente 54 tipos de objetos padrão diferentes, cujas funções são semelhantes às das variáveis ​​de rede no LonWorks. Os objetos podem ser físicos ou virtuais, únicos ou múltiplos. A existência de tipos de objetos padrão é importante, pois seu significado e aplicação são bem definidos e implementados de forma consistente em dispositivos de diferentes fornecedores. Cada objeto possui propriedades (atualmente, existem mais de 190 propriedades padrão), que fornecem as informações exatas dos objetos BACnet. Por exemplo, um sensor de temperatura é um objeto de entrada analógica, e o valor atual, em graus Fahrenheit, é uma de suas propriedades.

Os dispositivos comunicam-se entre si enviando e recebendo serviços. Cada solicitação de serviço e a respectiva confirmação (resposta) constituem um par de pacotes de mensagens transferidos pela rede entre os dispositivos remetente e destinatário. O programa em execução em cada dispositivo emite as solicitações de serviço e as processa após o recebimento. Todos os serviços são agrupados em cinco categorias: acesso a objetos (leitura, gravação, criação e exclusão), gerenciamento de dispositivos (descoberta, sincronização de tempo, etc.), alarmes e eventos (mudanças de estado, etc.), transferência de arquivos (dados de tendência e transferência de programas) e terminal virtual (interface homem-máquina).

Os sistemas de transporte do BACnet são os diferentes tipos de rede utilizados (ou seja, os níveis 1 e 2 do modelo OSI da ISO). É importante notar que o conteúdo exato permanece o mesmo, independentemente da rede utilizada para transportar uma mensagem. Somente dessa forma é que um gateway não é necessário em uma rede BACnet.

O BACnet define cinco áreas de interoperabilidade para atingir seu objetivo principal: compartilhamento de dados, tendências, agendamento, gerenciamento de alarmes e eventos e gerenciamento de dispositivos e redes. Todas são representadas por diferentes Blocos de Construção de Interoperabilidade BACnet (BIBBs). Para mostrar aos usuários como um dispositivo BACnet funciona, um "manual" padrão para cada dispositivo é imposto: a "Declaração de Implementação e Conformidade do Protocolo (PICS)", que é basicamente uma folha de dados padrão para divulgar os recursos BACnet implementados naquele dispositivo. Novamente, como no LonWorks, a PICS diz respeito às interfaces de entrada/saída de um dispositivo, enquanto os programas de controle internos não são regulamentados. A PICS normalmente consiste nas seguintes informações de um dispositivo:

1. Nome, versão e descrição do produto
2. Perfil do dispositivo, estação de trabalho, controlador de edifício, sensor inteligente, etc.
3. Suporte BIBBs
4. Suporte à segmentação e tamanho da janela
5. Suporte a tipos de objetos padrão
6. Suporte a camadas de controle de acesso ao meio
7. Suporte para construção estática de endereços de dispositivos
8. Suporte para opções de rede
9. Suporte a conjuntos de caracteres.

Problemas de utilização do BACnet

Segundo Hoffmann,[2 & 4] o BACnet precisa ser especificado corretamente para ser totalmente interoperável. Aqui, interoperabilidade significa que dispositivos, mesmo fabricados por fornecedores diferentes, podem ser conectados e trabalhar juntos para realizar uma tarefa complexa. Deve-se notar que a interoperabilidade é muito mais do que a comunicação entre dois dispositivos. Ela só é útil quando dois dispositivos de fornecedores diferentes conseguem se comunicar entre si e cooperar para atingir o mesmo objetivo. Uma especificação deve incluir todas as informações que os gestores da instalação desejam acessar via BACnet. Questões comuns podem estar relacionadas aos objetivos do BMS, às informações específicas que precisam ser exibidas, ao formato de exibição ou à facilidade de uso. Conhecer as respostas a essas perguntas antecipadamente ajudará os engenheiros responsáveis ​​pela especificação a levarem essas necessidades em consideração durante o processo de projeto.

BACnet é apenas um conjunto de protocolos para comunicação entre dispositivos eletrônicos e computadores. Portanto, o BACnet por si só não determina como um sistema de automação predial é programado ou configurado para funcionar como um todo. Assim, as informações na especificação devem incluir também a sequência de operações, uma lista de pontos e os pontos de entrada/saída que devem ser acessíveis via BACnet.

BACnet para elevadores

De acordo com o Capítulo 14 do Guia D do Chartered Institution of Building Services Engineers: Sistemas de transporte em edifícios, Existem muitas vantagens na monitorização remota de elevadores, incluindo monitorização de falhas, monitorização baseada em condições, monitorização por vídeo, registo de dados, segurança dos funcionários no local, alarmes e controlo de vandalismo. A monitorização remota pode melhorar a fiabilidade e a disponibilidade de um sistema de elevadores, uma vez que a gestão do edifício pode acompanhar de perto o funcionamento do sistema em tempo real. Desta forma, o tempo de resposta para resolver avarias e libertar passageiros presos pode ser reduzido.

Em 2006, o autor deste texto foi contratado pelo Departamento de Serviços de Arquitetura do governo da Região Administrativa Especial de Hong Kong para trabalhar no desenvolvimento de protocolos comuns para elevadores pertencentes ao governo em Hong Kong. Os protocolos desenvolvidos deveriam ser independentes tanto da máquina quanto da plataforma, tornando desnecessária a colaboração demorada entre a empresa de elevadores e o fornecedor do sistema de gerenciamento predial (BMS) em qualquer projeto de integração. A equipe do autor levou quase um ano para concluir o projeto, com a recomendação de três propostas, utilizando XML, LonTalk e BACnet, respectivamente. Os três sistemas, que envolviam o desenvolvimento de um gateway universal para elevadores e escadas rolantes, capaz de converter o protocolo proprietário do controlador supervisor do elevador para o nosso protocolo aberto, foram instalados e testados em dois locais reais em Hong Kong.

Após a conclusão do projeto, o autor deste texto conheceu o falecido Bill Swan, que havia sido presidente do SPC 135 da ASHRAE por vários anos. Ele tinha grande interesse em sistemas de elevadores e era um grande apoiador, e trabalhamos juntos para produzir a primeira versão preliminar dos objetos BACnet relacionados a elevadores no início de 2010. Infelizmente, ele faleceu em meados de 2011, e levou mais de um ano até que os objetos preliminares estivessem prontos para a primeira revisão pública. Antes disso, um artigo conjunto de Swan e o autor deste texto foi publicado para apresentar a versão preliminar.[6] A segunda revisão pública foi concluída no início de 2014. Aguardamos a aprovação final antes do final de 2014.

A hierarquia de um elevador padrão (incluindo elevadores e escadas rolantes; aqui, o termo "elevador" é usado em um sentido mais geral) foi projetada em conjunto. Ela envolve edifícios, casas de máquinas (para elevadores) ou compartimentos de máquinas (para escadas rolantes), grupos de elevadores e elevadores ou escadas rolantes individuais (Figura 2). Tais objetos consistem em propriedades que representam o estado atual da instalação. Embora esse projeto seja facilmente compreensível para engenheiros de elevadores, ele não é compatível com o formato padrão do BACnet. Algumas modificações são necessárias, sendo esta a versão incluída no segundo documento de revisão (Figura 3).

O objeto do grupo de elevadores consiste nas propriedades listadas na coluna da esquerda da Figura 4. Aqui, novas propriedades foram introduzidas, como “Landing_Calls” e “Landing_Call_Control”. Esta última é um comando de controle limitado que pode ser emitido remotamente pelo BMS como se um passageiro pressionasse os botões de chamada de andar no local.

O objeto elevador ou escada rolante é muito mais complexo, com novos identificadores (Figura 4). Aqui, “Fazer_Chamada_da_Cabine” e “Comando_da_Porta_da_Cabine” são dois comandos remotos restantes permitidos, como se um passageiro fizesse uma chamada para a cabine dentro do elevador ou abrisse/fechasse as portas manualmente. Além dos sinais de segurança padrão, propriedades como “Carga_da_Cabine”, “Posição_da_Cabine” e “Medidor_de_Energia” são novas para avaliar o parâmetro de referência de desempenho energético, J/kg-m, discutido na Parte 1 desta série de artigos.

Alguns sistemas que utilizam objetos e serviços são bastante grandes ou estão localizados em áreas remotas, sendo conectados por redes IP. Por esse motivo, considera-se que os dados não são transmitidos em tempo real, embora um sistema de gestão predial (BMS) precise saber quais dados possuem são os mais recentes. Além disso, a própria internet não é síncrona, enquanto o sistema de elevadores é muito dinâmico, mudando a cada segundo. Isso levou à introdução de dados com registro de data e hora. Também, devido ao potencial para um grande número de assinaturas de mudança de valor (COV) (e alterações em tempo real nessas assinaturas), é oferecida a capacidade de assinar e cancelar a assinatura de notificações de COV em uma única solicitação (em várias propriedades de vários objetos). A capacidade de transmitir COVs de múltiplos objetos em uma única notificação também está disponível.

Conclusão

Neste artigo, a estrutura BACnet foi brevemente analisada, enquanto a estrutura de dados dos objetos recém-desenvolvidos para grupo de elevadores, elevador e escada rolante foi apresentada. Com esses objetos, a comunicação entre um sistema de gestão predial (BMS) e um controlador supervisor de elevadores torna-se direta, sem a necessidade de interconectá-los projeto a projeto. Com a esperada aprovação desses objetos em um futuro próximo, espera-se que o BACnet seja oficialmente implementado em toda a indústria de elevadores.

Reconhecimento

O autor deste artigo dedica-o à memória de seu falecido amigo, Bill “BACnet Bill” Swan, por todas as suas contribuições e esforços na preparação dos novos objetos e propriedades do BACnet.

Referências
[1] Bushby, ST “BACnet – uma infraestrutura de comunicação padrão para edifícios inteligentes”, Automação na Construção, Vol. 6, No. 5-6, 1997, p. 529-540.
[2] Hoffmann, T. “BACnet: Definindo o Novo Padrão”, Livro Branco de Eficiência de Edifícios da Johnson Controls, agosto de 2010.
[3] Martocci, JP “Bacnet Unplugged – Zigbee and BACnet Connect,” ASHRAE Journal, junho de 2008, p. 42-46.
[4] Tom, S., “Uma maneira simples de especificar BACnet”, BACnet Today – Um suplemento para o ASHRAE Journal, novembro de 2005, p. B27-B32.
[5] Guia D da Chartered Institution of Building Services Engineers: Sistemas de transporte em edifícios, 2010.
[6] So, A. e Swan, B., “BACnet para elevadores”, Elevatori, Vol. 1, jan./fev. 2011.