History of the Evolution to Direct Digital Control (DDC)

Example of the Application of DDC

Open Protocols Use in Building Automation

How to Specify Building Automation Systems

Future of Web Services in Building Automation

Web-Based Facilities Operations Guide

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17.1 서론 및 개요(Introduction & Overview)

​Building Automation 빌딩 자동화

본 장은 대형 건물의 자동화 산업에 대한 이해를 돕기 위해 구성되었습니다. 각 대형 건물에는 맞춤 설계된 난방, 환기 및 냉방(HVAC: Heating, Ventilating, and Air Conditioning) 시스템이 있으며, 여기에 자동 제어 시스템이 적용됩니다. 출입 통제(access control), 보안(security), 화재 및 생명 안전(fire/life safety), 조명 제어(lighting control) 및 기타 건물 시스템들도 건물 자동화 시스템(Building Automation System)의 일부로 자동화됩니다.

이러한 시스템들은 건물 관리자가 현장 또는 원격지에서 표준 컴퓨터 기술을 통해 모니터링할 수 있습니다. 과거에는 전화 모뎀을 사용하는 독자적인 통신 시스템을 통해 이루어졌지만, 현재는 인터넷 접속과 개방형 통신 표준(open communication standards)을 활용한 브라우저 기반의 화면 구성 방식이 주류를 이루고 있습니다.

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건물 자동화 시스템은 다양한 명칭으로 불립니다:

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• 건물 자동화 시스템(Building Automation Systems, BAS)

• 건물 관리 시스템(Building Management Systems, BMS)

• 시설 관리 시스템(Facility Management Systems, FMS)

• 에너지 관리 시스템(Energy Management Systems, EMS)

• 에너지 관리 제어 시스템(Energy Management Control Systems, EMCS)

• 고객 쾌적 시스템(Client Comfort System, CCS)

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그 외에도 조명 제어, 화재/생명 안전, 보안, 영상, 디지털 사이니지(digital signage) 등 건물 기능에 따라 다양한 명칭이 사용됩니다.

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기본적인 기후 제어 시스템(건물 HVAC)은 건물 소유자 및 건물의 요구사항, 그리고 기계 엔지니어의 설계에 따라 매우 다양하게 구성됩니다. 본 장에서는 전체 프로세스에 대한 이해를 돕기 위해, 일반적인 공기 처리 시스템(air handling system)의 계측 설계가 어떻게 구성되는지를 예시로 포함하고 있습니다. 건물의 구역 설정(zoning)은 설계 엔지니어와 건물 소유자에 의해 결정되며, 비용과 쾌적성 간의 균형을 기반으로 합니다. 열 구역(thermal zones)은 일반적으로 건물 내부의 열적 경계(thermal barriers)를 반영합니다.

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대부분의 제어는 공간 온도의 단순한 피드백에 기반하고 있습니다. 그러나 복잡성은 냉각기(chillers), 보일러(boilers), 펌프(pumps), 공기 처리 장비(air-handling equipment) 등 중앙 장비와 HVAC 시스템을 구성하는 다수의 개별 구역(zone) 간 상호작용을 최적화하는 데서 발생합니다.

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태양광 제어(solar control)는 때때로 창문 차양을 작동시키는 데 사용되지만, 대부분의 북미 건물 설계는 난방 및 냉방 요구를 극복하기 위해 강제적인 방식에 의존합니다. 친환경 건축(green building) 운동은 이러한 사고방식을 점차 변화시키고 있으며, 수동적 설계(passive design)와 건물 외피(envelope)의 상호작용 제어를 장려하고 있습니다.외부 공기(outdoor air)는 가능한 경우 냉방 비용을 줄이기 위한 자유 냉방(free cooling)에 사용되지만, 많은 건물은 환기를 위한 최소한의 외부 공기만을 도입하고 있습니다. 온도는 일반적으로 저비용 서미스터(thermistor)를 통해 감지됩니다.

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건물의 에너지 관리 제어(energy management control)는 단순한 타이머 제어(time clock control)부터, 웹 기반 상호작용 정보를 통해 국가 전력망의 제어 가능한 부하로 작동할 수 있도록 연결하는 Gridwise와 같은 복잡한 시스템까지 다양합니다. 소형 건물이나 주택에서는 제어 시스템이 난방 또는 냉방 장비와 함께 패키지 형태로 제공되는 경우가 많습니다.

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17.2 직접 디지털 제어(DDC)로의 진화 역사

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제어 기술의 간략한 역사는 직접 디지털 제어(Direct Digital Control, DDC)의 발전 과정을 이해하는 데 도움이 되며, 이는 업계의 기반이 되는 기술입니다. 자동화 건물의 발전은 100년 동안 공압 제어(pneumatic control) 산업의 성장과 함께 이루어졌으며, 공압 전송(pneumatic transmission)의 점진적인 도입 이후 전기 및 전자 제어로 발전해왔습니다. 1960년대 중반에는 전자 제어가 다중화 제어 시스템(multiplex control systems)으로 발전하였고, 이는 헤드엔드 컴퓨터(head-end computers)를 사용하는 최초의 컴퓨터 기반 시스템으로 이어졌습니다. 이후 미니컴퓨터(minicomputer), 마이크로컴퓨터(microcomputer)로 빠르게 전환되었으며, DDC 혁명이 시작되었습니다. 1970년대 후반에서 1980년대 초반에 걸쳐 DDC의 사용이 폭발적으로 증가하면서 기존의 공압 제어 산업을 대체하고, 전통적인 건물 자동화 제어 시장의 범위를 크게 확장시켰습니다. 자동화 건물 제어 시장의 성장 곡선은 거의 수직으로 상승했습니다. 1980년대 중반부터 1990년대 중반까지는 많은 신규 제어 회사들이 저비용, 고기능의 독자 프로토콜 기반 제어 시스템을 빠르게 시장에 출시하였으며, 1990년대 중반에는 DDC의 비용이 공압 시스템보다 훨씬 저렴해졌습니다. 이로 인해 공압 제어의 빠른 대체와 전통 및 비전통 자동화 시장의 확장이 촉진되었습니다.

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1990년대 중반에는 BACnet 운동이 시작되었으며, 이는 “최초의 개방형 통신 프로토콜 중 하나”로서 점차 확산되었고, 일부 시스템은 이 표준을 기반으로 구축되었습니다. 같은 시기에 업계는 Echelon 칩 기반 제품을 통해 다른 산업에서 일어난 혁신을 따르기 시작했습니다. 표준 프로토콜은 업계가 달성하고자 하는 목표가 되었으며, 점차적으로 독자적인 통신 표준은 줄어들고 개방형 통신 프로토콜로 대체되었습니다.

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그 다음 혁신은 인터넷/인트라넷 및 브라우저 기반의 화면 구성 방식이었습니다. 이는 모든 기업이 정보기술(Information Technology, IT) 산업이 화면 구성 모델을 표준화하는 방식에 주목하게 만들었습니다. 일부 기업은 IT 사고방식을 기반으로 새로운 시스템을 구축하여 이 새로운 흐름을 빠르게 따라가거나 선도할 수 있었습니다. DDC 개념이 브라우저 기반 화면 구성에 통합되면서, 무선 휴대전화, PDA 인터페이스, 이메일 알림 등과의 융합이 빠른 진화를 촉진했습니다. 이로 인해 인터넷 기능이 더욱 확장되었고, 웹 환경에서 새롭게 얻은 도구의 잠재력을 이해하게 되면서 건물 자동화 기능은 폭발적으로 발전하게 되었습니다. 이러한 흐름은 그림 17-1에 시각적으로 표현되어 있습니다.

Figure 17-1: Automated Buildings Evolution

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17.2.1 DDC 적용 사례(Example of the Application of DDC)

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기본적인 공기 처리 시스템(air handling system)에 대한 DDC 적용 사례로서, BC Buildings Corp.(BCBC, 캐나다 브리티시컬럼비아주 빅토리아)의 표 17-1과 그림 17-2에 제시된 포인트 리스트(points list)를 예시로 재수록하였습니다.

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BCBC Client Comfort System Design Manual는 BC Buildings Corp.의 컴퓨터 기반 건물 제어 시스템을 설계하는 설계자를 교육하고 지원하기 위해 제작된 매뉴얼입니다. 이 매뉴얼은 조달 절차에서 어떻게 활용할 수 있는지를 설명하는 서론으로 시작됩니다.

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이 개념을 이해하게 되면, 자동화가 건물의 다른 구성 요소에 어떻게 적용되는지를 파악할 수 있습니다. 각 공기 시스템뿐만 아니라 기계 설계에 포함된 주요 장비들에 대해 센싱 및 제어 포인트가 제공되며, 하드웨어 및 소프트웨어 포인트 모두가 명시됩니다.

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포인트 리스트(points list)에는 각 하드웨어 및 소프트웨어 포인트가 고유 번호와 함께 제공되며, 이는 그림 17-2에 표시되어 있습니다. 포인트 유형은 사양서(specification)에 색인화되어 있으며, 각 센싱 및 제어 장치와 모든 소프트웨어 포인트에 대한 상세한 사양이 포함되어 있습니다.

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이 시스템이 컴퓨터 화면에 어떻게 그래픽으로 표현되어야 하는지에 대한 이미지도 사양서의 일부로 포함되어 있으며, 필요한 센싱 포인트와 작동 장치의 정확한 위치를 보여줍니다. 사양서에 상세히 기술된 소프트웨어 포인트도 함께 표시됩니다. 운영자가 트렌드 정보, 시간 일정, 제어 프로그램 접근 등을 위해 클릭할 수 있는 그래픽상의 실제 위치도 함께 나타납니다.

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그래픽 다음에는 제어 언어(control language)가 제공되며, 이는 자동화 시스템 내 실제 포인트와 가상 포인트 간의 관계를 기본적인 If, Then, Else 형식의 제어 언어로 표현합니다.

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이 예시는 하나의 공기 시스템에 대한 사례입니다. 매우 큰 건물의 경우, 수백 개의 공기 시스템이 존재할 수 있으며, 고층 건물에서는 일반적으로 층마다 하나씩 설치됩니다. 또한 수천 개의 개별 단말 구역(terminal zones)이 존재하며, 각각 자체적인 DDC 제어를 갖추고 있습니다. 난방 및 냉방을 제공하는 냉각기(chillers)와 보일러(boilers) 같은 중앙 장비도 각각의 제어 시스템을 갖추고 있습니다.

이러한 모든 DDC 제어 포인트는 네트워크로 연결되어 상호작용이 가능하도록 구성됩니다. 제어 언어를 통해 이 상호작용이 이루어지며, 운영자에게는 브라우저 기반 인터페이스를 통해 시스템이 표시됩니다.

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LonMark International은 ANSI/EIA/CEA 709.1 및 관련 표준을 활용하여 개방형(Open), 다중 공급업체(Multi-vendor) 제어 시스템의 효율적이고 효과적인 통합을 촉진하고 발전시키기 위해 설립된 글로벌 회원제 조직입니다. 자세한 내용은 http://www.lonmark.org/를 참조하십시오.

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TCP/IP는 전송 제어 프로토콜/인터넷 프로토콜(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)의 약어로, 인터넷에서 호스트 간 연결을 위한 통신 프로토콜 집합입니다.

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oBIX(Open Building Information Xchange)는 건물 시스템 관련 정보를 TCP/IP 네트워크(예: 인터넷) 상에서 표현하기 위한 XML 및 웹 서비스(Web Services) 기반 메커니즘을 정의하는 업계 전반의 이니셔티브입니다. 자세한 내용은 http://www.obix.org/를 참조하십시오.

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Niagara는 진정한 상호운용성과 개방형 시스템을 구축하는 과제를 해결하기 위한 새로운 접근 방식입니다. Niagara는 다양한 시스템에서 데이터를 수집하여 이를 통합된 소프트웨어 구성 요소(software components)로 변환합니다. 이는 다양한 스마트 장치를 통합 시스템으로 구성하기 위한 포괄적인 소프트웨어 프레임워크입니다.

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이러한 구성 요소는 동적 디스플레이, 제어 시퀀스(다른 시스템 및 장치 간에도 가능), 알람, 일정, 보고서 등 다양한 애플리케이션으로 쉽게 조립할 수 있습니다. Niagara는 이러한 모든 데이터를 IT 친화적인 방식으로 기업에 통합하여 제공할 수 있도록 합니다. Niagara는 네트워크 관리, 프로토콜 변환(protocol conversion), 분산 제어(distributed control), 사용자 인터페이스 기능을 하나의 소프트웨어 솔루션으로 결합하며, 소형부터 대형까지 다양한 하드웨어 플랫폼에서 작동할 수 있습니다. PC, 서버, 소형 임베디드 컨트롤러에서도 사용 가능합니다. 자세한 내용은 http://www.tridium.com/을 참조하십시오.

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자동화 건물 산업의 핵심은 수천 개의 DDC 포인트를 연결하고 올바른 관계를 형성하는 동시에, 개방형 프로토콜을 통해 웹 브라우저와 통신할 수 있도록 하는 것입니다. 자동화 건물 산업의 빠른 발전은 통신 프로토콜의 표준화에 의해 촉진되었습니다.

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그림 17-3은 Reliable Controls 웹사이트(http://www.reliablecontrols.com/)에서 제공된 것으로, BACnet 프로토콜을 사용하는 개방형 프로토콜 운영 시스템이 DDC 포인트를 제어 언어(BASIC 코드)로 관계를 설정하고 이를 표준 인터넷 브라우저에 표시하는 방식의 좋은 예시를 보여줍니다.

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Figure 17-3: Display Showing How BACnet Protocol Is Applied

(Source: Reliable Controls Corp., Victoria, British Columbia, Canada. Reprinted with permission.)

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17.4 건물 자동화 시스템 사양 작성 방법(How to Specify Building Automation Systems)

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CtrlSpecBuilder™란 무엇인가요?

CtrlSpecBuilder™는 HVAC 제어 시스템에 대한 입찰 사양서를 준비하기 위한 무료 온라인 생산성 도구입니다. CtrlSpecBuilder는 BACnet 사양 또는 다른 프로토콜을 허용하는 사양을 준비할 수 있으며, 온라인으로 사양을 확인하고 Microsoft Word 파일로 다운로드할 수 있습니다.

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CtrlSpecBuilder는 보다 빠르고 간편한 사양 작성을 위한 도구를 제공합니다.

최근 개설된 웹사이트는 HVAC 엔지니어에게 새로운 생산성 도구를 제공합니다. 과거에는 엔지니어들이 사양서를 처음부터 작성하거나, 이전 프로젝트에서 복사하여 붙여넣거나, 공급업체의 독자적인 “기성 사양서”에 의존하곤 했습니다.

CtrlSpecBuilder는 비독점적(nonproprietary)이고 맞춤형(custom) 사양서를 작성할 수 있는 무료 온라인 도구입니다. 이 도구는 ASHRAE 지침 13-2000(DDC 시스템 사양) 및 CSI MasterFormat의 섹션 15900을 따릅니다. 또한 프로젝트에 포함된 모든 HVAC 장비에 대한 포인트 리스트(points list)와 제어 시퀀스(sequences of control)를 생성하며, 미국 단위 또는 미터법 단위로 사양서를 제공할 수 있습니다.

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CtrlSpecBuilder는 http://www.ctrlspecbuilder.com/에서 이용하실 수 있습니다.

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17.5 건물 자동화에서 웹 서비스의 미래(Future of Web Services in Building Automation)

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다음은 AutomatedBuildings.com 웹사이트에 게재된 기사(2002년 1월)에서 발췌한 내용입니다. 해당 기사는 Information Model: The Key to Integration이라는 제목으로 http://www.automatedbuildings.com/news/jan02/art/alc/alc.htm에서 확인할 수 있으며, 웹 기반 진화의 핵심 자료로 널리 읽히고 있습니다. 저자는 Automated Logic Corp.(미국 조지아주 애틀랜타)의 제품 개발 책임자 Eric Craton과 소프트웨어 개발 책임자 Dave Robin입니다.

웹 서비스 관점에서 다음의 네 가지 주요 트렌드를 살펴보겠습니다:

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  1. 콘텐츠의 동적화 –웹 서비스는 다양한 출처의 콘텐츠를 결합할 수 있어야 합니다. 여기에는 가구 재고, 유지보수 일정 및 작업 지시서, 에너지 소비 및 예측, 그리고 기존의 건물 자동화 정보 등이 포함될 수 있습니다.

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2. 대역폭 비용의 감소 – 웹 서비스는 이제 몇 년 전에는 상상할 수 없었던 콘텐츠(예: 스트리밍 비디오나 오디오)를 제공할 수 있습니다. 대역폭이 계속 증가함에 따라 웹 서비스는 새로운 콘텐츠 유형에 적응해야 합니다.

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3. 저렴해진 저장소 비용 – 웹 서비스는 방대한 양의 데이터를 지능적으로 처리할 수 있어야 합니다. 이를 위해 데이터베이스 복제(database replication), LDAP 디렉터리, 캐시(cache), 로드 밸런싱 소프트웨어(load balancing software) 등의 기술을 활용하여 확장성(scalability)에 문제가 없도록 해야 합니다.

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4. 기업 컴퓨팅의 중요성 증가 – 웹 서비스는 사용자가 특정 버전의 Windows에서 전통적인 브라우저를 실행해야만 하는 방식으로는 작동할 수 없습니다. 웹 서비스는 다양한 장치, 플랫폼, 브라우저 유형을 지원해야 하며, 다양한 연결 방식과 목적에 맞춰 콘텐츠를 제공할 수 있어야 합니다.

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17.6 웹 기반 시설 운영 가이드(Web-Based Facilities Operations Guide)

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2002년 8월, Engineered Systems Magazine을 위해 “웹 기반 시설 운영 가이드(A Guide to Web-Based Facilities Operations)”라는 보충 자료를 작성하였습니다. 자세한 내용은 http://www.automatedbuildings.com/news/aug02/articles/ksin/ksin.htm을 참조하십시오.

다음은 해당 기사에서 발췌한 내용입니다:

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“웹 기반의 어디서나 접근 가능한 정보를 활용하여 기존 건물 운영 자원을 증대시켜 더 적은 자원으로 더 많은 일을 수행하기”

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“오늘날과 미래의 경제 현실은, 더 적은 자원으로 건물을 효과적으로 관리해야 한다는 것입니다. 우리의 해결책은 웹 기반 기술(Web-based technology)이며, 이는 커뮤니케이션을 개선하고 복잡한 건물 정보를 진화하는 건물 운영 전문가(Building Operations Specialist)에게 보다 쉽게 전달할 수 있는 경로를 제공합니다.”

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“건물 자동화 산업의 웹 기반으로의 빠른 전환은 중요한 동적 건물 정보를 브라우저 기반의 어디서나 접근 가능한 화면 구성으로 통합할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 기존의 건물 운영 자원과 운영 인력을 집중시키고 증대시켜, 모든 이해관계자에게 중요한 정보를 공개하는 가상의 운영 센터를 구축할 수 있습니다.”

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“어디서나 볼 수 있는 이러한 정보는 승인된 사용자가 적절한 입력, 관리, 비용 책임 능력을 발휘하여 우수한 쾌적성 및 에너지 성능을 달성하고, 전반적인 책임성을 확보할 수 있도록 합니다.”

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“동적 건물 정보를 웹 기반으로 표현함으로써, 운영자는 어디서든 완전한 기능으로 시스템을 운영할 수 있을 뿐만 아니라, 계약자, 장비 공급업체, 컨설턴트와의 상호작용을 통해 건물 운영에 유용한 피드백 및 예측 정보를 제공받을 수 있습니다. 고위 경영진 또한 브라우저 기반의 실적 화면을 통해 건물 성능의 성공 또는 실패를 동적으로 확인할 수 있습니다.”

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“기존 건물 운영 자원과 인력을 집중시키고 증대시키는 이 새로운 접근 방식은 우수한 운영 원칙의 가치에 대한 강력한 재조명을 제공할 것입니다.”

“이러한 집중과 재조명은 경영진과 운영팀이 비용 효율적인 우수한 건물 운영을 달성하기 위해 무엇이 중요한지, 무엇이 필요한지를 다시 소통하게 만들 것입니다.”

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17.7 요약(Summary)

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우리는 대형 건물 자동화 산업이 기업 시스템과 융합되는 모습을 목격하고 있습니다. 기술이 융합됨에 따라, 고객의 기대는 인터넷을 통한 정보 접근의 용이성과 자유로움에 의해 더욱 높아지고 있습니다.

건물 자동화의 범위는 환경 제어(environmental control), 에너지 계측/회계 시스템(energy metering/accounting systems), 조명 제어(lighting control), 생명 안전/화재(life safety/fire), 보안(security), 통신(communications), 첨단 도구(high tech tools), 웹 자원(Web resources), 상호작용 정보 시스템(interactive information systems)까지 확대되었습니다.

IT 기반 솔루션으로의 전환 추세에 따라, 영상(video), 카드 리더(card readers), 기업 기반 솔루션(enterprise-based solutions) 등이 현재의 건물 자동화(Building Automation)의 적극적인 구성 요소로 자리잡고 있습니다.

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17.8 추가 학습을 위한 자료(Resources to Learn More)

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다음은 온라인 매거진 AutomatedBuildings.com(http://www.automatedbuildings.com)에서 무료로 제공되는 자료들로, 자동화 건물 산업에 대해 더 깊이 배우는 데 도움이 됩니다. 이 매거진은 매월 업데이트되며, 진화하는 자동화 건물 산업의 거의 모든 관련 웹사이트와 연결되어 있습니다.

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  • Automated Building Systems Education
  • http://www.automatedbuildings.com/frame_education.htm
  • 빠르게 변화하는 자동화 건물 산업에서는 모든 관계자가 지속적으로 재교육을 받아 최신 정보를 유지해야 하며, 지금처럼 그 중요성이 강조된 시기는 없었습니다.

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  • Intelligent Building Ranking System
  • 이 태스크포스(Task Force)는 건물 소유자/관리자, 상업용 부동산 업계 및 기타 이해관계자가 건물 내 통합 시스템 수준을 평가할 수 있도록 돕는 온라인 도구를 개발 중입니다. “건물 지능 지수(Building Intelligence Quotient, BIQ)”를 기반으로 포괄적인 평가 기준과 순위 매트릭스가 마련되어 있으며, 각 항목에 대한 상세 콘텐츠도 개발 중입니다.

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  • Middleware 백서(Middleware White Paper)
  • 이 백서는 미들웨어(middleware)를 정의하고, 새로운 지능형 건물 기술을 기존 시스템과 통합하는 데 있어 미들웨어가 해결책을 제공한 다양한 사례를 소개합니다.

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  • 건물 제어 네트워크 프로토콜 백서(Building Control Network Protocols White Paper)
  • 통신 프로토콜은 서로 다른 시스템 간의 정보 전달을 가능하게 하는 메시지 형식 및 절차입니다. 이 백서는 Continental Automated Building Association(CABA)의 Intelligent & Integrated Buildings Council 산하 Building Protocol Task Group에서 작성한 것으로, 현재 가장 널리 사용되는 네 가지 프로토콜을 비교하고, 대형 건물 산업이 지능형 건물 설계 및 구현에 사용할 수 있는 통신 프로토콜의 강점과 기능을 이해하는 데 도움을 줍니다. CABA 자료는 http://www.caba.org/councils/council-pubs.html에서 확인할 수 있습니다.

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  • 지능형 건물 기술 평가를 위한 모범 사례 가이드(Best-Practices Guide for Evaluating IBT)
  • Kenneth P. Wacks 박사가 작성한 이 가이드는 Technology Roadmap for Intelligent Building Technology를 기반으로 하며, 지능형 건물 기술을 평가하기 위한 기준을 제공합니다. 건물 소유자, 관리자, 설계자, 설치자 등 다양한 대상에게 유용한 내용을 담고 있습니다.

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  • Builconn 이야기(The Builconn Story)
  • http://www.automatedbuildings.com/news/mar03/articles/builconn/bcon.htm
  • BuilConn은 제품이나 기술 중심이 아닌, 솔루션 중심의 실용적인 통합 접근 방식을 제공하기 위해 노력하고 있습니다.

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  • 인터넷의 힘을 활용하라(Bring the Power of the Internet)
  • http://www.automatedbuildings.com/news/jul00/articles/tridium/trid.htm
  • 인터넷은 우리가 구매하는 방식, 기업 간 거래 방식, 정보 획득 방식, 커뮤니케이션 방식 등 거의 모든 것을 변화시키고 있습니다. 이 기사에서는 인터넷의 힘이 실시간 제어 및 자동화 시스템에 어떻게 적용되고 있는지를 설명합니다.