BACnet (Building Automation and Control network)

[해피맨]

  BACnet은 빌딩자동화시스템을 위하여 제정된 통신망의 표준규격이다.  빌딩자동화통신망의 표준규격에 대한 필요성이 제기됨에 따라 ASHRAE에서 개발한 BACnet 규격은 1995년에 ANSI/ASHRAE로 부터 미국의 빌딩자동화전용통신망의 표준으로 채택 되었으며, 이 후 전 세계로 기술보급 및 표준화가 확산되고 있다.  BACnet은 유럽공동체의 pre-standard로 채택 되었으며, 현재 ISO에서 빌딩자동화전용통신망의 국제표준으로의 제정이추진 되고 있다.  BACnet은 또한 1999년 12월에 한국의 빌딩자동화용 통신망의 표준규격(KS X 6909)으로 채택 되었다.  최근에는 중국과 일본에서도 BACnet 규격을 자국어로 번역하는 작업이 완료 되었다.  미국, 유럽, 아시아, 오세아니아 등의 전세계 70여개 회사에서 BACnet 통신망 기술을 채택한 제품을 생산하고 있으며, 제품의 범위는 HVAC을 포함하여, 조명제어, 화재감지, 출입통제 등의 다양한 빌딩자동화 응용분야에서 제품들이 생산 되고 있다.

  BMA에서는 2000년 연간보고서에서 전 세계적으로 BACnet의 설치현황을 발표하였다. 15개의 BMA 회원 사업체가운데 6개업체가 설문에 응답하였으며, 그 결과는 다음의표 1과 같다. 표 1에서 보는바와 같이 BACnet의 제품화가 비교적 최근에 이루어졌다는 짧은역사에도 불구하고 전세계의 82개국에 걸쳐 약 2만개의 빌딩에서 BACnet 기술을 채택하고 있다. 제품군은 게이트웨이(Gateway)에서 단위제어기(Unitary Controller)까지 다양하게 분포 되어 있다. 초기에는 빌딩 내에서 프로토콜이 서로 다른 다양한 통신망들을 BACnet으로 통합하기 위한 수단으로 게이트웨이 제품을 사용하는 빈도가 높았으나,  이 후 단위 제어기까지 BACnet 통신망 기술을 채택한 제품의 개발이 활발히 이루어지면서, 최근에는 워크스테이션, 대형제어기, 단위제어기등의 빌딩내의 모든 장비를 BACnet 통신망으로 통합하는 추세로 변모하고있다. 

  BACnet의 하부통신망으로도 게이트웨이를 사용하던 이전의 경우에 Ethernet의 사용 빈도가 높았으나, 제어기 레벨로 BACnet의 사용 빈도가 증가되면서 ARCNET과 MS/TP의 사용 빈도가 크게 증가 하고 있으며, 특히, 매우 저가로 구현이가능한 MS/TP 프로토콜의 사용 빈도가 크게 증가 하고 있는 추세이다.

Item	Number
Installations	19,054
Gateways	2,410
Devices by Network Type Ethernet ARCNET MS/TP(Master-slave/Token-passing) Point-to-point	11,920 95,567 248,500 1,549
Workstations	15,807
Large Controllers	53,391
Unitary Controllers	299,600

표 1. BACnet 설치현황

BACnet 규격은 다른 일반 통신망들과 마찬가지로 정보를 교환하는 방법에 대한 규칙을 정의 하고 있다.  BACnet이 다른 통신망과 다른 점은 빌딩자동화 및 제어의 응용 분야 요구사항을 만족하도록 특별히 설계 되고 최적화 되었다는 것이다. 즉, BACnet은 바이너리 데이터의 입출력, 아날로그 데이터의 입출력을 비롯하여 스케듈 정보, 경고 및 이벤트 정보, 파일전송, 제어로직 등의 빌딩자동화 및 제어에 필수적으로 요구되는 통신 서비스들을 제공 한다.

BACnet은 또한 저가의 장비가 사용되는 작은 규모의 빌딩에서 부터 수천개의 장비들이 설치되는 대형의 복잡한 빌딩 및 이러한 빌딩의 집합으로 이루어지는 빌딩군에 이르기까지 다양한 규모의 빌딩에 적용될 수 있는 통신망 기술이다. 이는  BACnet 통신망 기술이 다음과 같은 특징을 갖기 때문에 가능한 것이다.

(i)   객체지향(object-oriented) 방식에의한정보의표현

(ii)  하부계층에서다양한종류의 LAN 기술채택

(iii)  다양한 LAN들의연동기능

(iv)  IP를통한인터넷과의연동기능

그림 1에는 이러한 특징이 반영된 BACnet의 계층구조가 ISO에서 제정한 OSI 참조모델과 비교되어나타나 있다.

그림 1. BACnet 프로토콜계층구조

BACnet에서는 모든 빌딩 자동화 장비에 관한 정보와 기능을 “객체(object)” 를 통하여 표현 한다. 객체는 또한 그것의 특징을 나타내는 “속성(property)”을 갖는다. 이를 좀 더 쉽게 설명하기 위하여 아날로그 입력을 다루는 자동화 장비, 즉 센서에 대하여 간단한 예를 들어 보자.

BACnet에서 센서의 아날로그 입력에 대한 정보는 ‘Analog_Input’이라는 객체로 표현되며, 이는 해당 아날로그 입력의 현재 입력값, 센서종류, 센서의 위치, 알람 한계값 등의 아날로그 입력과 직접적으로 관련된 여러개의 특징을 속성으로 갖는다. 따라서 특정 센서의 Analog_Input 이라는 객체에는 그 센서의 특성에 관한 모든 정보가 포함된다.

이와 같이 일단 빌딩자동화장비에 관한 정보와 기능을 표현하는 방법이 표준화된 객체와 속성으로 정의 되면, 다음의 단계는 네트워크를 통하여 이러한 객체들간에 정보를 교환하기 위한 표준화된 방법이 부과 되어야 한다. 이를 위하여 BACnet에서는 이러한 객체의 정보에 접속하고 이를 다루기 위한 표준화된 메시지를 정의 한다. 예를들어 센서의 ‘Analog_Input’ 객체 가운데 ‘현재입력값(present value)’의 속성을 알고자 하는 경우에는 ‘Read_Property’ 라는 통신 서비스를 수행하는 메시지를 전송하면 된다.

BACnet의 응용계층은 이와 같이 빌딩자동화시스템에서 사용되는 각종 장비의 정보와 기능을 표준화된 방식으로 표현하는 객체와, 빌딩자동화시스템에서 요구하는 통신 서비스를 수행하도록 하는 표준화된 메시지를 정의하고 있다. 이러한 객체와 통신서비스들은 모두 모듈화 방식으로 구현할 수 있어, 규모가 작고 제한된 기능만을 수행하는 빌딩의 경우에는 그에 해당하는 객체 및 서비스만을 이용하여 시스템을 구성하면 될 것이고, 대규모의 다양한 기능을 요구하는 빌딩에서는 BACnet의 응용계층에서 정의하는 다양한 객체와 통신 서비스들을 이용하여 시스템을 구성하면 될 것이다.

일단 정보의 표현 방법과 메시지의 구조가 정의 되면, 다음에 필요한 것은 그러한 정보를 어떻게 한장소에서 다른장소로 전달하는가에 대한 방법을 정의하는 것이다. BACnet에서는 이를 위하여그림 1의데이터링크계층에서 보는 바와 같이 다섯가지의 LAN 기술을 제공한다.

첫번째로 선택 가능한 LAN은 이더넷으로 알려진 ISO8802-3 프로토콜이다. 이는 다섯가지 LAN들 가운데 가장 고속으로 동작되며, 워크스테이션과 복잡한 기능을 수행하는 대형 제어기들이 여기에 접속된다.  ARCNET은 비교적 고속으로 동작하여 실시간성을 요구하는 제어기들 간의 통신에 사용 된다. BACnet에서는 꼬임 쌍선을 이용하여 비교적 저가로 통신망 시스템을 구축 하도록 하기 위하여 MS/TP 통신망 규격을 제정 하였다. 또한 LonWorks의 통신 프로토콜 스택인 LonTalk 역시 BACnet의 하부망으로 지정하였다. BACnet에서는 또한 전화선을 이용한 모뎀 통신을 지원하기 위한 PTP 프로토콜을 정의하고 있다.  따라서 BACnet을 이용하여 빌딩자동화시스템을 구축하고자 하는 경우에 시스템 설계자는 빌딩의 규모, 자동화시스템의 기능 및 성능 요구사항, 시스템 구축비용 등을 고려하여 이러한 LAN 기술들 가운데 가장 적합한 것을 선택하여사용할 수 있다.

규모가 매우 작은 빌딩의 경우 BACnet에서 제공하는 여러 종류의 LAN 가운데 하나로도 빌딩자동화시스템을 구축할 수 있을 것이다. 대형의 건물에서는 그러나 하나의 LAN 기술로 빌딩 내의 모든 응용프로세스에 대한 통신 서비스를 수용할 수 없다. 이러한 경우에는 여러 종류의 LAN들이 그들의 특성에 따라 적재적소에 배치 되어야 한다. 다음의 그림 2에는 대형의 빌딩자동화시스템에서 LAN들의 계층적 구조에 대한 예가 나타나 있다.

그림 2. 빌딩자동화시스템에서 LAN의계층적구조의예

BACnet 시스템에서 중요한 점은 하부 통신망으로 어떠한 LAN을 사용하여도 자동화 장비로 전달되는 BACnet 메시지는 동일하다는 것이다. 이것이 서로 다른 종류의 LAN들이 한 빌딩 내에서 공존 할 수 있는 이유이다.  그림 1의 계층 구조에서 BACnet의 네트워크 계층이 바로 이러한 기능을 담당한다. 네트워크계층은 서로 다른 LAN들간에 데이터 교환을 위한 인터페이스 기능을 제공하고, 여러 LAN을 거쳐 최종 목적지로 데이터가 전달되는 경우에 라우팅 기능을 제공하며, 그림 2에서 보는 바와같이 빌딩 내 통신망들이 외부 통신망과 연결될 필요가 있는 경우에 인터넷의 IP와의 연동 기능을 제공하여 WAN 구축환경을 제공한다.

BACnet 메시지는 기본적으로 어떠한 형태의 LAN을 통하여서도 전송이 가능하다. 따라서지금 BACnet에서 정의한 다섯가지 LAN 기술보다 훨씬 빌딩자동화에 적합한 LAN 기술이추후에 개발되는 경우에 BACnet에서는 이를 적극 수용할 수 있으며, 이는 기존의 LAN 들을 통합하는 방법을 그대로 사용하여 이들과 아무 문제없이 연동될 수 있다.  BACnet의 응용계층에서 채택한 객체지향방식은 추후 빌딩 자동화시스템에서 요구되는 새로운 기능을 수용하는데 있어서 매우 유용한 역할을 할 것이다. 즉, 새로운 기능이 요구 되는 경우에 그러한 기능을 수행 할 수있는 객체와 통신 서비스를 위한 메시지 구조만을 추가로 정의하여 응용계층에 포함 시키면 되며, 이미 이러한 요구들은 BACnet의 새로운 기능으로 추가 되고 있다. 가장 대표적인 경우가 최근에 규격이 완성되어 BACnet의 부록으로 추가된 Life Safety 기능이다.

약어모음

ANSI : American National Standards Institute

APDU : Application Protocol Data Unit

ASHRAE : American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers

BACnet : Building Automation and Control network

BIBB : BACnet Interoperability Building Block

BIG-NA : BACnet Interest Group-North America

BMA : BACnet Manufacturing Association

BTL : BACnet Testing Laboratories

EIA : Electronics Industry Association

HVAC : Heating, Ventilation and Air Conditioning

IP : Internet Protocol

ISO : International Standard Organization

LAN : Local Area Network

NEMA : National Electrical Manufacturers Association

NFPA : National Fire Protection Association

NIST : National Institute of Standards and Technology

OSI : Open Systems Interconnection

SSPC : Standing Standard Project Committee

WAN : Wide Area Network

출처 : BACnet 기술동향보고서 홍승호 한양대학교전자컴퓨터공학부

[김영덕]

좋은 자료 올려주신 최재영 위원님... 고맙습니다.

[김박사]

좋은 자료입니다