BACS の基本構成と最新技術動向（一財）建築コスト管理システム研究所・新技術調査検討会

本稿では、機能階層モデルを使いBACSの構成要素を定義して、システム構成の時代的変遷、クラウドを活用した次世代BACSの最新技術動向に
ビ ル や 工 場 の 各 種 設 備 に お い て、 効 率 的 でついて紹介する。

安 全 な 運 用 を 行 う た め に、BACS（BuildingAutomation and Control System） が あ る。 近年、このBACSを活用したエネルギー管理や自動制御が、ビル施設の省エネに一定の効果を上げている。図1に現在のBACSの例を示す。

BACSにおける機器の構成と機能階層の対比は時代とともに変化してきた。そのシステム構成の変遷を図2に示す。

2．1．

1980年以前

当初の構成は、中央監視室に盤製の監視卓が設置され、設備からの信号がすべてこの卓に配線されており、また、表示はディスプレイでなくランプやメーター、操作はレバーで行っていた。70年
代 後 半 に は、 ミ ニ コ ン と 呼 ば れ る 産 業 用 コ ン
ピュータが採用され始めたが、演算装置／入出力
図1

BACSの例

装置一体で構成され、センサ・操作端層からの信号は直接入出力装置と接続し、ローカル制御層、BACSの構成はその時代のニーズや技術の進歩

データサーバ層、ヒューマンインタフェース層ににより構成形態を変え、進化してきた。そして、相当する機能は一つのCPU装置で処理されていた。

その進化の過程において、オペレーション機能、自動制御機能及びデータの管理機能の利便性、省力性が向上した。

2．2．

1980年代

ミニコンを使用したシステムにネットワーク通

また、平成22年の改正省エネ法施行以来、従来信の概念が導入された。また、入出力装置を分離の大規模ビルだけでなく中小規模のビルにおいてし、設備機器側に設置することにより、直引きのも、クラウドサービスを利用したエネルギー管理信号配線と比べ大幅に工事費の低減が図られた。

システムが普及し始めている。BACSの活用方法

そして、機能階層の対比ではローカル制御層がは時代とともに変わってきたが、その本質的な機明確に独立した構成となった。

能そのものは不変である。

建築コスト研究No.1002018.143

～１９８０年

機能階層

１９８０年代２０００年代

１９９０年代ＥＭＳ

運用管理層

次世代BACS
クラウドサーバ
インターネット

ヒューマンインタフェース層

集中型
中央監
視設備

集中型
中央監
視設備
（ミニコン）

Ｗｅｂ端末
ＧＷルータ

サブシステム

Ｂ－ＢＣ

RIO

RIO
ＤＤＣ

ＲIO
ＤＤＣ

センサ

センサ

センサ

ローカル
制御層

センサ ・操作端層

センサ

DDC:デジタルダイレクトコントローラ

BACnet
Ｂ－ＢＣ

ＲIO
ＤＤＣ

ＩＯＴ
センサ

ＲIO
ＤＤＣ

センサ

センサ

B-OWS:オペレータワークステーション B-BC:ビルディングコントローラ EMS:エネルギーマネジメントシステム

図２

2．3．

Ｂ－ＯＷＳ

BACnet

データ
サーバ層

ＲＩＯ: リモートI/O

ＰＣ(クライアント)

BACSシステム構成の変遷

1990年代

ビスと融合し、ビル監視の基本機能をデータサー

パーソナルコンピュータ（PC）が普及し、今バ層以下のデバイスに付加し、エネルギー管理なでは当たり前になった小型コントローラでの演算どの付加価値機能をクラウドサーバ上に置くこと処理が可能となり、機能階層に則した装置の分離で、Web端末などで誰でも監視しながら、高度構成が初めて登場した。

な省エネサービスを提供することが可能になってこの時代のシステムにて、オブジェクトデータきた。

をサーバに持つ、いわゆるクライアント／サーバモデルが導入され、この構成が現在のBACSの基本形となっている。
BACSの機能階層モデルには、以下の機能階層2．4．

2000年代以降がある。図3に機能階層モデルを示す。

小型のデバイスでも高機能の処理が可能となり、データサーバ層の機能が、DDCやセンサ、3．1．

センサ・操作端層操作端といった、より下位のデバイスにて個別にセンサは、計測・計量のための対象物理量の検実現可能となった。そして、BACnetに代表され出装置である。温度検出素子は測温抵抗体やサーるようなオープンプロトコルが、データサーバ層ミスタが用いられることが多い。また、電気設備～ヒューマンインタフェース層の標準プロトコルの電圧、電流、電力や、空調設備の湿度、圧力、として統一される構成となった。

流量、水位などは、変換器・トランスデューサと呼ばれるアナログ信号へ変換出力する検出器が用

2．5．

次世代BACSいられる。操作端としては冷温水の流量を制御す

最新のBEMS（Building Energy Management

る調節弁、空気の流量を制御するダンパ、電気のSystem）では、IoTセンサなどの通信機能を標準入／切を制御する遮断器や、ポンプ・ファンの運実装したデバイスの発達により、クラウド型サー転／停止を制御する動力盤や制御盤が挙げられる。

44

建築コスト研究No.1002018.1

機能階層

機能要素

内容

3.5

ＥＭＳ等

運用管理層
3.4

スーパーバイザ制御

表示

オブジェクトをアクセスしてデータを取得し、GUIによるデータのオペレータへの提供、あるいはオペレータからの操作に応じてオブジェクト設定値を書き込む。また、管理機能として日報、月報などの帳票作成、イベント履歴表示や印字を行う。

B-OWS

ヒューマンインタフェース層

表示

3.3

データサーバ層

B-BC

オブジェクトスーパーバイザ制御

3.2

ローカル制御層

RIO
DDC

Ｉ／Ｏ処理

センサ

ローカル制御センサ層は計測・計量のための対象物理量を検出する機器。操作端層は弁、ダンパなどプロセス量を制御する機器・装置。
4-20mA、0-10Vなどの標準化信号や、Pt100Ω等の標準検出素子の信号である。

操作端
図3

3．2．

各種処理のための属性値を付加してポイントをオブジェクトとして管理できるようにする。
スーパーバイザ制御もこの層の機能である。
属性値を付加したオブジェクト形式のデータの授受となる。代表的にはBACnetが相当する。
センサからの信号を数値変換する。さらに、PIDループ制御、シーケンス制御などの直接操作端を制御するローカル制御を実行する。
計測値や設定値あるいは状態値の数値化されたデータがプリミティブな形式で授受される。

3.1

センサ・操作端層

エネルギーに特化した管理機能やテナントに対する請求業務、 設備機器の故障履歴保守履歴などビル ・ 工場の設備に係わる管理機能を行うシステムである。

ローカル制御層

機能階層モデル

実際にはPLC（プログラマブル・ロジック・コI/O処理（入出力処理）では入力された電気信号をソフトウェアで扱えるように数値変換し、逆ントローラ）や温度、湿度、流量等、各1種類を制御する指示調節計を用いて実現する。に出力信号は操作端が受け付けられるよう電気信ローカル制御層とデータサーバ層のインタフェー号変換を行う。一例として計測は4-20mAの電スは、番地イメージの識別子と実際の値を示す数値流信号を3,200-16,000のカウント値へ、状態・故データやバイナリデータでやり取りされる。

障信号はON状態を「1」、OFF状態を「0」へワークとなる。日本ではメーカー独自ネットワー変換する。
また、ループ制御、シーケンス制御などの直接操作端を制御するローカル制御を実行する。
表1

この層は現場の設備間を渡るフィールドネット
ク も 多 い が、 表 1 に 示 す よ う なLonWorks、MODBUS、FL-netなどのオープンプロトコルもフィールドネットワークの例
名称

概要

Devicenet

デバイスレベルのPLC/DCS用ネットワークとして、FAを中心に世界的に普及している。

CC-link

デバイスレベル／センサレベルのPLC用高速ネットワークとして、FAを中心に広く普及している。

Profibus
ModbusLonWorks
FL-netMECHATROLINK
Hart
RS-485

デバイスレベル／センサレベルのPLC/DCS用ネットワークとしてヨーロッパ を中心に世界的に普及している。
あらゆる階層で使用できる、シンプルなプロトコルによる汎用のオープン・フィールドネットワーク。世界的に普及している。
コントローラ/デバイス/センサレベルで使用される自律分散型のネットワーク。ビルコンやFA、ホームオートメーションに広く普及している。
日本のFAの分野で生まれたオープンネットワーク。マスタ局が必要のないトークン方式の通信プロトコルを採用し、EthernetのUDP/IPで動作する。
フィールドネットワークの中の、モーションフィールドネットワークに位置付けられ、I/Oやアクチュエータなどの制御システムの操作端を駆動したり制御情報を入力するための機器が繋がる。
DC 4～ 20mAのアナログの統一信号にデジタル信号を重畳させて情報を伝送する、センサレベルのオープン・フィールドネットワーク。
リモートI ／ OやPLCなどの計測・制御機器のデージーチェーン接続で使用される。昔から「RS-485」あるいは「EIA-485」と呼ばれる規格が広く用いられている。

建築コスト研究No.1002018.1453．4．

一般的になってきている。

ヒューマンインタフェース層

各種データをGUI（グラフィカルユーザインタ

3．3．

データサーバ層フェース）によりオペレータへの提供、あるいはローカル制御層からのデータに、識別子や名オペレータからの操作に応じてデータを書き込む

前、単位、信頼度、あるいはデータの蓄積、警報機能を有する。また、管理機能として日報、月報

発 報 な ど の 各 種 処 理 の た め の 属 性 値（ プ ロ パなどの帳票作成、イベント履歴表示や印字を行ティ）を付加して、計測・計量ポイント、設定値う。オブジェクトより取得したトレンドデータのポイント、状態ポイント、操作ポイントをオブ長期保存、発生したイベント履歴の保持も行う。

ジェクトとして管理できるようにする。ヒューマ

図4にヒューマンインタフェース層の表示画面のンインタフェース装置や他の管理装置からのアク例を記載する。

セスによりオブジェクトとして管理されたデータの集合としてそれらの装置に提供（サービス）する。表2にデータサーバ層で扱うオブジェクトの例を国際標準のオープンプロトコルであるBACnetを例として記載する。
表2

オブジェクトの代表例

オブジェクト名称

概要

Device Object

機器（デバイス）管理用オブジェクト

Analog Input Object

計測（アナログ）入力用オブジェクト

Analog Output Object

設定（アナログ）出力用オブジェクト

Binary Input Object

状態・故障入力用オブジェクト

Binary Output Object

操作・切替出力用オブジェクト

Accumulator Object

積算入力用オブジェクト

Schedule Object

スケジュール制御用オブジェクト

Trend Log Object

トレンドデータ格納用オブジェクト

図4

3．5．

ヒューマンインタフェース画面例

運用管理層

エネルギーに特化した管理機能やテナントなどユーザーに対するサービス機能、設備機器の故障履歴・保守履歴などビル・工場の設備に係わる管理機能を提供するシステムである。

また、スケジュール制御や連動制御、最適化制御など、ローカル制御層に対し、一括動作指令や最適設定値を与えるスーパーバイザ制御もこの層の機能として位置づけられる。

ネットワーク技術やセンサ技術の進歩によっデータサーバ層とヒューマンインタフェースて、最近までは取り込んでいなかったビル内の情層、運用管理層のインタフェースは、クライアン報を簡単に収集できるようになり、従来から取りトであるヒューマンインタフェース層の機器や運込んでいる設備の運転データと合わせて、次世代用管理層の機器からの要求に応じオブジェクトのBACSにより統合管理することで、更なるビル性属性値（プロパティ）を提供（リードサービス）能の向上（省エネ性、快適性、安全性などの向したり、オブジェクトに属性値（プロパティ）を上 ） が 図 れ る よ う に な っ て き た。 こ こ で は、設定（ライトサービス）したりするインタフェー

BACSによる最新制御技術を紹介する。

スであり、国際標準のオープンプロトコルである
BACnetがこのインタフェースに相当する。ま4．1．

画像センサによる設備連携制御

た、運営管理層に相当する他のIT系システムと画像センサは、車載用カメラの画像認識技術をのインタフェースとしてGW（ゲートウェイ）を応用し、赤外線などを用いた従来の人感センサよ用いてBACnet/WSを使用することもある。

り検知範囲が広く、微細な動作も検知することが46

建築コスト研究No.1002018.1エレベータ制御では、乗り継ぎ階などに設置しできる。
また、単なる人物の在・不在だけでなく、おおた画像センサから待ち人数を検知し、混雑度に応よその人数や活動量まで認識することができるた

じた配車優先制御を行うことで利用者の待ち時間め、照明制御、空調制御、エレベータ制御などとを短縮する（図8）。

連携することにより、ビル性能の向上を実現する
（図5）
。

図8
図5

赤外線人感センサとの違い

４．２．

エレベータ制御への応用例

輻射温度予測PMV省エネ制御

照明制御では、1台の画像センサで最大9エリ

輻射温度予測PMV（Predicted Mean Vote）省アの在・不在情報と連携して照明の点灯・消灯を

エネ制御は、室温が設定された設定温度を維持す制御する（図6）。

るように空調制御する従来の制御方式とは異なり、居住者の快適／不快を左右する六つの要素（温度、湿度、平均輻射温度、気流速度、着衣量、活動量）を総合的にとらえた快適度（PMV）により、室内が設定された快適度を維持するように設定温度を自動算出・変動させる制御である。
PMVとは、デンマーク工科大学のFanger教授が提唱した考え方で、ISO7730で規定されている。
人の快適さを温度、湿度、平均輻射温度、気流速

図6

照明制御への応用例

空調制御では、画像センサエリア内の人数情報を基に室内負荷を予測し、きめ細やかな空調制御

度、着衣量、活動量の六つの要素で指数化したものであり、PMVを±0.5以内になるように制御することで90％以上の人は快適と感じると言われている。PMVの概念を図9に示す。

を行う（図7）。

図7

空調制御への応用例

図9

PMVの概念建築コスト研究No.1002018.147本制御の特徴は、従来のPMV制御では高価な外調機系統は、熱源機から外調機に冷水またはセンサが必要であった輻射温度を、BACSで計測温水が供給され、外気を冷却または加熱して居室しているポイント情報を活用して、部屋の方位、に給気する。ここで、外調機は居室のCO2 濃度が窓面積、壁材質、隣室との位置関係などの建物パ基準値を超えないように、VAV（可変風量制御

ラメータと、コンピュータの内部時計から演算し装置）により給気風量を変えることで換気を行た太陽方位角及び外気温度、室内温度、隣室温度う。ビルマルチ系統は、室外機と室内機を循環すから演算で求める方式をとり、専用センサの設置る冷媒によって、居室からの空気を冷却または加を不要とした点である。

熱して居室に給気する。本制御は、熱源機の冷水本制御により、図10に示すとおり、従来の設定または温水の温度設定値、外調機の給気温度設定

温度一定制御方式による過剰冷房、過剰暖房を削値、ビルマルチの室内温度設定値をそれぞれ変化減でき、PMVを一定に保ちながら空調エネルギーさせ、外調機系統とビルマルチ系統の負荷分担をを5～ 20％削減する効果を上げている。

調整し、消費エネルギーを削減する。
省エネとなる空調制御の演算手法は、季節によって制御方式を自動的に切り替える。外気温湿度等の現在値から、外気等のエンタルピー（熱含量）を計算し、夏期モード、冬期モード、中間期モードを自動判別し、各季節に合った最適な省エネ制御を行う。
例として、夏期モードの省エネ制御動作について説明する。まず、居室に設置された画像センサ
で計測した居室の在室人数、照明等を含む、居室

図10

4．3．

輻射温度予測PMV制御による効果

需要予測型空調省エネ制御の消費エネルギー及び最大室内負荷（設計値）を用いて室内負荷率の演算を行う。そして、室内負荷率の演算結果や外気温湿度等を用い、PMVを需要予測型空調省エネ制御は、熱源設備と空調一定範囲内に維持しながら、外調機系統とビルマ設備を適切な温度設定値に変化させ、快適性を維ルチ系統との空調負荷の分担を最適化して消費エ持しながら熱源・空調システムの消費エネルギーネルギーを最小化するように、それぞれの温度設を削減する。ここでは、図11で示すとおり、外気定値を演算する。

処理するセントラル空調系統と室内負荷を処理するビルマルチ系統から構成される空調システムを夏季モードで消費エネルギーを削減する概念を図12に示す。

例に制御動作を説明する。

図1148

建築コスト研究

空調システム例

No.1002018.1

図12

消費エネルギー削減の概念

この例では、外調機給気温度が14℃～ 24℃のの減光、空調機の風量抑制、昇降機の台数制御な範囲において、居室のPMVが約＋0.5となる消費どボリュームを絞るようなきめ細やかな負荷容量エネルギーを表している。従来制御の場合、外調制御を行うことで、負荷容量を最小化する。

機の給気温度は一律に設計値の22℃と設定してい例えば表3のような負荷容量制御を行い、平常るため、消費エネルギーはこの設定値で決まり一時の半分の負荷になるように制御することで、受定となる。これに対して、本制御の場合、外調機電電力の半分の容量の自家発で非常時の企業活動の給気温度を約16.5℃に下げ、外調機系統の負荷を最大72時間継続することができる。

分担を増加させる代わりに、ビルマルチ系統の負荷分担を減少させることで、熱源・空調システム全体の消費エネルギーを削減できる。つまり、外気温湿度、室内負荷率等の状況に応じて、外調機系統とビルマルチ系統の効率が良くなるように負荷分担を調整することで、空調システム全体の効率が最も良いところで運転できる。

4．4．

表3

BCP対応負荷制御の例

負荷設備

負荷容量制御内容

照明

照度25％に減光

外調機

ナイトモードに変更し最低風量に調整

パッケージ
エアコン

発電余力内でゾーン毎に運転
設定温度は上限まで上げる（夏）／下限まで下げる（冬）OAコンセント

発電余力内で各階２ゾーンまでの電源供給制限

エレベータ

運転台数を１／３に削減

BCP対応制御

災害発生時にもビルの機能を最低限維持しながら企業活動を早期に再開するためには、非常用回路だけの電源復旧ではなく、OAコンセントなど一般電源の復旧も不可欠である。

5．1．

エネルギー管理サービス

ここでは、従来の自家発負荷制御を、様々なここではクラウドサービスを応用したエネルBCPに対応できるように機能強化し、電源の確保

ギー管理サービスの例を紹介する。これは、管理をサポートする最新のBACSによるBCP対応負荷したい各拠点のリアルタイムの使用電力量を、ク制御機能について説明する。

ラウドサーバにて一括管理・監視し、使用電力量

この制御は、電源回路としてはすべての系統にと目標電力量との関係を即座に掌握すると同時非常電源設備からの給電を可能な回路設計としたに、各拠点の削減の効果等を評価及び削減量の指上で、自家発や蓄電池など創エネ設備の発電余力示等を行えるような支援を行うサービスである。

を計算しながら、照明、空調、昇降機、OA機器

構成としては図14のように、BEMSがない拠点もなどの設備を優先度に応じてきめ細かく負荷制御含み各拠点にデータ変換装置（GW）を設置しする。図13に本制御の概念図を示す。
単なる機器のON/OFF制御だけでなく、照明

図13

BCP対応負荷制御の概念図

図14

クラウドサービスのシステム例

建築コスト研究No.1002018.149

て、インターネット経由で電力量情報を収集し、データセンターのサーバにて一括管理するものである。
クラウドによるエネルギー管理サービスには、図15に示すような各拠点の使用電力表示、デマンド監視や、超過アラームのメール発報、CSVファイルダウンロードなどが行える。

図16

温湿度のトレンドグラフ画面表示例

今回紹介したBACSの最新技術を導入することにより、高い省エネ性能と、非常時の安全を確保することができ、ビルの付加価値向上に寄与する
反面、BACSのコスト増により、建築時のイニ
図15

5．2．

使用電力表示の画面例

遠隔空調省エネサービス

シャルコストは増大する。
しかしながら、低炭素社会実現のため、2017年4月に適合義務が施行された建築物省エネ法なクラウドサービスを応用した遠隔空調省エネ制

ど、今後ZEBを義務化する規制も増えてくること御に関して紹介する。本制御は、インターネットが予想される。これらの最新BACSの付加価値機回線を使用することで、遠隔地のクラウドサーバ能をクラウドサービスで提供することで、イニから、拠点毎の最適な空調温度設定を行うサービシャルコストを抑えて、ランニングコストを上回スである。

る省エネ効果がある技術の開発が進み、導入が進本サービスの特徴は、前述したBACSによる省んでいくことに期待したい。

エネ制御機能の一つである輻射温度予測PMV制
御機能を遠隔地にあるサーバ内に実装し、イン最後に本稿をまとめるにあたり、東芝インフラ

ターネットを通じてオープンプロトコルであるシステムズ㈱ビル・施設ソリューション推進室戦

BACnet技術により空調の設定温度を最適に制御

略部参事 朝妻智裕氏に多大なご協力をいただきするものである。これによりBACnetに対応してました。ここに感謝の意を表します。

いれば、どのメーカのBACSでも接続可能なため、既設ビルへの導入が容易で、初期導入コスト負担も少ない。
遠隔空調省エネ制御の実施結果は、モニタリン
グ機能として、図16に示すWebサイトの画面にて、対象エリアの現在の温湿度、PMV及びこれらのトレンドグラフを表示する。この他に、トレンドグラフのデータを任意選択して、指定区間のデータをCSVファイルダウンロードなどが行える。

50

建築コスト研究No.1002018.1（参考文献）
１）島立敦「BACSの構成技術とオープン化」『電気設備学会誌』
2015-9, pp.7-11２）田丸慎悟他「スマートＢＥＭＳのモデルベース空調制御によるビルの省エネ効果検証」『東芝レビュー』
Vol.70, No.2, pp.2226, 2015３）朝妻智裕「クラウド活用サービスと需要家協調型スマートグリッド」『電気設備学会誌』2012-8, pp.35-38.