BMS เลือกโปรโตคอลไหน — BACnet, Modbus หรือ KNX และเขียนสเปกอย่างไรไม่ให้ถูกล็อก

เจ้าของอาคารและฝ่ายวิศวกรรมมักเจอสถานการณ์เดียวกัน คือมีชิลเลอร์ที่พูดภาษาหนึ่ง มิเตอร์ไฟที่พูดอีกภาษาหนึ่ง ระบบไฟแสงสว่างที่ผู้รับเหมาไฟฟ้าติดตั้งไว้อีกแบบ แล้วอยากรวมทั้งหมดขึ้นหน้าจอเดียว คำถามที่ตามมาคือควรกำหนดในสเปกว่าอะไร ระหว่าง BACnet, Modbus และ KNX บทความนี้ตอบด้วยข้อกำหนดจากองค์กรมาตรฐานโดยตรง และจบด้วยวิธีเขียนข้อกำหนดที่ทำให้อาคารดูแลระบบต่อเองได้ในระยะยาว

สามโปรโตคอลนี้อยู่คนละชั้น ไม่ใช่คู่แข่งกันโดยตรง

ความเข้าใจผิดที่ทำให้สเปกหลายฉบับพลาดตั้งแต่ต้น คือการมองว่าต้อง "เลือกหนึ่งอย่าง" ในทางปฏิบัติ อาคารขนาดกลางขึ้นไปมักใช้ทั้งสามพร้อมกัน โดยแต่ละตัวรับผิดชอบคนละชั้นของระบบ และเชื่อมกันด้วยเกตเวย์ที่ตู้ควบคุม

flowchart TD
    A["ชั้นบริหารอาคาร
หน้าจอกลาง · รายงานพลังงาน"] --> B["BACnet
ANSI/ASHRAE 135
ISO 16484-5"]
    B --> C["เกตเวย์แปลงโปรโตคอล
ที่ตู้ควบคุม"]
    C --> D["Modbus RTU / TCP
ชิลเลอร์ · ปั๊ม · VFD · มิเตอร์"]
    C --> E["KNX
แสงสว่าง · ม่าน · สวิตช์ในห้อง"]
    B --> F["BACnet MS/TP · BACnet/IP
คอนโทรลเลอร์ AHU · FCU"]

พูดให้สั้นที่สุด Modbus คือภาษาของอุปกรณ์ระดับสนามที่ผู้ผลิตเครื่องจักรใส่มาให้อยู่แล้ว KNX คือภาษาของงานไฟฟ้าและการควบคุมภายในห้อง ส่วน BACnet คือภาษากลางระดับอาคารที่ออกแบบมาเพื่อรวมทุกอย่างให้ผู้ดูแลมองเห็นจากที่เดียว

BACnet — มาตรฐานกลางของงานอาคาร

BACnet เริ่มพัฒนาโดยคณะกรรมการของ ASHRAE ตั้งแต่เดือนมิถุนายน 2530 และเผยแพร่ครั้งแรกในชื่อ ANSI/ASHRAE Standard 135 เมื่อปี 2538 จากนั้นได้รับการรับรองเป็นมาตรฐานสากลในปี 2547 ในชื่อ ISO 16484-5 ส่วนมาตรฐานคู่ที่ใช้ทดสอบความสอดคล้องคือ ASHRAE 135.1 ซึ่งถูกรับเป็น ISO 16484-6 ขอบเขตที่มาตรฐานระบุไว้ครอบคลุมงานอาคารกว้างกว่าที่หลายคนเข้าใจ ไม่ได้จำกัดแค่ระบบปรับอากาศ แต่รวมถึงแสงสว่าง ระบบควบคุมการเข้าออก ลิฟต์ ระบบรักษาความปลอดภัย และระบบตรวจจับอัคคีภัยด้วย

ฉบับฐานที่ใช้อ้างอิงในปัจจุบันคือ ANSI/ASHRAE Standard 135-2020 และมาตรฐานยังเดินหน้าต่อผ่านภาคผนวกเพิ่มเติมเป็นระยะ ตัวอย่างล่าสุดคือ Addendum 135-2020cp ที่เผยแพร่เมื่อ 30 พฤศจิกายน 2567 ในระดับ protocol revision 29 ซึ่งเพิ่มแนวคิดเรื่องการพิสูจน์ตัวตนและการกำหนดสิทธิ์ระหว่างเครื่องกับเครื่องให้ละเอียดขึ้น จุดนี้สำคัญสำหรับผู้เขียนสเปก เพราะคำว่า "รองรับ BACnet" ที่ไม่ระบุรุ่นของมาตรฐานหรือระดับ protocol revision แทบไม่ได้ผูกมัดผู้ขายเลย

สิ่งที่ทำให้ BACnet ใช้ได้จริงในงานประมูลคือมีระบบรับรองผลิตภัณฑ์ระดับสากล อุปกรณ์ที่อ้างว่าสอดคล้องกับมาตรฐานต้องผ่านการทดสอบจากหน่วยงานอิสระ และมีรายชื่อผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการรับรองเผยแพร่ไว้โดย BACnet Testing Laboratories ซึ่งเป็นสิ่งที่ TOR สามารถอ้างอิงได้โดยไม่ต้องระบุยี่ห้อ

Modbus — เรียบง่ายจนแพร่หลาย แต่ต้องอ่านสเปกให้ถูกฉบับ

Modbus เป็นโปรโตคอลแบบร้องขอ-ตอบกลับที่เรียบง่ายมาก จึงกลายเป็นภาษาที่ผู้ผลิตอุปกรณ์แทบทุกรายใส่มาให้ Modbus Organization เผยแพร่เอกสารหลักไว้หลายฉบับ และการเลือกอ้างอิงผิดฉบับคือข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในสเปกไทย

ในชั้นแอปพลิเคชัน ฟังก์ชันโค้ดมีขนาดหนึ่งไบต์ และกำหนดการทำงานไว้ตรงไปตรงมา เช่น ฟังก์ชัน 06 ใช้เขียนค่าลงโฮลดิงรีจิสเตอร์ทีละหนึ่งตัว ฟังก์ชัน 15 (0x0F) ใช้สั่งคอยล์หลายตัวพร้อมกัน และฟังก์ชัน 16 (0x10) ใช้เขียนรีจิสเตอร์ที่เรียงต่อกันได้ครั้งละ 1 ถึง 123 ตัว ข้อจำกัดจำนวนนี้มีผลจริงในงานออกแบบ เพราะมิเตอร์พลังงานที่มีพอยต์หลายร้อยค่าจะต้องถูกอ่านหลายรอบ ซึ่งกระทบเวลาสแกนของทั้งระบบ

จุดอ่อนที่ต้องยอมรับตรง ๆ คือ Modbus ดั้งเดิมไม่มีกลไกยืนยันตัวตนหรือเข้ารหัสใด ๆ อยู่ในตัวโปรโตคอล ใครที่ต่อเข้าเครือข่ายเดียวกันได้ก็สั่งเขียนค่าได้ ทางแก้ที่เป็นทางการคือ Modbus Security Protocol ซึ่งนำ TLS มาห่อโปรโตคอลเดิมและใช้พอร์ต 802 แต่อุปกรณ์ที่รองรับยังมีจำกัด ในทางปฏิบัติจึงต้องชดเชยด้วยการออกแบบเครือข่าย ไม่ใช่หวังพึ่งตัวโปรโตคอล

KNX — เหมาะกับงานไฟฟ้าและการควบคุมระดับห้อง

KNX เป็นมาตรฐานเปิดสำหรับงานอัตโนมัติในบ้านและอาคาร จุดขายหลักคืออุปกรณ์จากผู้ผลิตต่างรายสามารถทำงานร่วมกันได้บนสายเดียวกัน ครอบคลุมแสงสว่าง เครื่องปรับอากาศ ม่านบังแดด ระบบความปลอดภัย และการจัดการพลังงาน โดยมีเครื่องมือกลางชื่อ ETS เป็นซอฟต์แวร์สำหรับออกแบบและตั้งค่าอุปกรณ์ทั้งระบบให้เป็นการติดตั้งเดียวกัน ซึ่งแปลว่าไฟล์โครงการ ETS คือทรัพย์สินที่เจ้าของอาคารต้องเรียกเก็บเมื่อจบงาน ไม่ใช่ของผู้รับเหมา

ด้านความปลอดภัย KNX มีสองส่วนที่ต้องระบุแยกกันในสเปก คือ KNX Data Secure ที่ป้องกันข้อมูลผู้ใช้จากการเข้าถึงและแก้ไขโดยไม่ได้รับอนุญาตด้วยการเข้ารหัสและการพิสูจน์ตัวตน กับ KNX IP Secure ที่เข้ารหัสเทเลแกรมทั้งหมดที่วิ่งบนไอพี เทคโนโลยีนี้มีฐานการมาตรฐานตาม EN 50090-3-4 ใช้การเข้ารหัส AES 128 CCM ซึ่งอ้างอิงมาตรฐานการเข้ารหัส ISO 18033-3 และในปี 2565 ได้รับใบรับรองด้านความมั่นคงปลอดภัยสารสนเทศสำหรับบ้านและอาคารอัจฉริยะจาก VDE ปัจจุบันมีอุปกรณ์ KNX Secure ที่ผ่านการรับรองแล้วกว่า 1,000 รุ่น จึงเป็นเงื่อนไขที่ระบุในสเปกได้จริงโดยไม่ทำให้ไม่มีผู้เสนอราคา

เลือกอย่างไรในงานจริง

flowchart TD
    S{"จุดควบคุมนี้คืออะไร"} --> M["เครื่องจักรที่ผู้ผลิตให้มา
ชิลเลอร์ · VFD · มิเตอร์"]
    S --> K["งานไฟฟ้าในห้อง
แสงสว่าง · ม่าน · สวิตช์"]
    S --> B["คอนโทรลเลอร์งานอาคาร
AHU · FCU · หน้าจอกลาง"]
    M --> M2["ใช้ Modbus ที่ติดมา
+ เกตเวย์ขึ้น BACnet
ส่งมอบตารางแมปพอยต์"]
    K --> K2["ใช้ KNX + KNX Secure
ส่งมอบไฟล์โครงการ ETS"]
    B --> B2["ใช้ BACnet โดยตรง
MS/TP ในชั้น · IP ระหว่างตู้"]
    M2 --> Z["หน้าจอกลางเดียว
อ้างอิง ASHRAE 135-2020"]
    K2 --> Z
    B2 --> Z

หลักการตัดสินใจที่ใช้ได้เกือบทุกโครงการมีอยู่ไม่กี่ข้อ ข้อแรกคืออย่าฝืนเปลี่ยนโปรโตคอลของเครื่องจักรที่ผู้ผลิตให้มา เพราะการบังคับให้ชิลเลอร์พูด BACnet มักแลกมาด้วยการ์ดเสริมราคาสูงโดยไม่ได้ฟังก์ชันเพิ่ม ข้อสองคือให้จุดรวมอยู่ที่ BACnet เสมอ เพื่อให้หน้าจอกลางและรายงานพลังงานอ้างมาตรฐานเปิดได้ ข้อสามคือถ้างานมีจุดควบคุมกระจายในระดับห้องจำนวนมาก การใช้ KNX จะได้เปรียบตรงที่อุปกรณ์คุยกันเองได้โดยไม่ต้องพึ่งเซิร์ฟเวอร์กลาง ทำให้ไฟยังสั่งได้แม้ระบบกลางล่ม

ความปลอดภัยไซเบอร์ คือหัวข้อที่ TOR ไทยมักเขียนตกหล่น

NIST เผยแพร่ SP 800-82 Rev. 3 เรื่องแนวทางความมั่นคงปลอดภัยของ Operational Technology เมื่อเดือนกันยายน 2566 และจัดระบบอาคารอัตโนมัติไว้ในขอบเขตเดียวกับระบบควบคุมอุตสาหกรรม นั่นหมายความว่าเครือข่าย BMS ต้องถูกดูแลแบบระบบ OT ไม่ใช่แบบอุปกรณ์สำนักงานทั่วไป

ในระดับโปรโตคอล ทั้งสามค่ายมีทางเลือกที่เข้ารหัสได้แล้ว BACnet มี BACnet Secure Connect ซึ่งนิยามไว้ใน Addendum 135-2016bj ใช้ WebSockets ร่วมกับ TLS เพื่อพิสูจน์ตัวตนของอุปกรณ์และเข้ารหัสข้อความ ทำงานได้ทั้งบนเครือข่าย IPv4 และ IPv6 โดยไม่ได้มาแทน BACnet/IP หรือ MS/TP เดิม แต่เป็นตัวเลือกเพิ่มที่ใช้ควบคู่กันได้ ฝั่ง KNX มี KNX Secure ตามที่กล่าวข้างต้น ส่วน Modbus มี Modbus Security Protocol บนพอร์ต 802 การเขียนสเปกที่ดีจึงควรระบุว่าชั้นสื่อสารระหว่างตู้และขึ้นสู่หน้าจอกลางต้องเข้ารหัส และยอมให้ Modbus แบบไม่เข้ารหัสอยู่ได้เฉพาะในเครือข่ายย่อยที่แยกออกมาแล้วเท่านั้น

เขียนสเปกอย่างไรไม่ให้ถูกล็อกกับผู้ขายรายเดียว

1. อ้างมาตรฐานพร้อมรุ่น ระบุ ANSI/ASHRAE Standard 135-2020 และระดับ protocol revision ที่ต้องการ แทนคำว่า "รองรับ BACnet" ลอย ๆ พร้อมกำหนดว่าอุปกรณ์ต้องอยู่ในรายการที่ผ่านการทดสอบจาก BACnet Testing Laboratories
2. บังคับส่งมอบตารางแมปพอยต์ ทุกอุปกรณ์ Modbus ต้องมีเอกสารระบุแอดเดรสรีจิสเตอร์ ชนิดข้อมูล ตัวคูณสเกล และหน่วย เพราะ Modbus ส่งมาเพียงตัวเลขดิบโดยไม่มีคำอธิบายติดมา
3. เรียกไฟล์โครงการเป็นสิ่งส่งมอบ ไฟล์ ETS ของงาน KNX และไฟล์คอนฟิกของคอนโทรลเลอร์ BACnet ต้องส่งมอบพร้อมรหัสผ่านระดับผู้ดูแล มิฉะนั้นอาคารจะแก้ไขอะไรเองไม่ได้เลยหลังหมดสัญญา
4. ใช้ ASHRAE Guideline 13 เป็นโครงร่างข้อกำหนด ฉบับปัจจุบันคือ Guideline 13-2024 ซึ่งวางกรอบการเขียนสเปกระบบอาคารอัตโนมัติไว้ครบตั้งแต่สถาปัตยกรรมระบบ สมรรถนะฮาร์ดแวร์ การติดตั้ง การอบรม โปรโตคอลสื่อสาร การตั้งค่าโปรแกรม การทดสอบระบบ เอกสารส่งมอบ ไปจนถึงหัวข้อความมั่นคงปลอดภัยไซเบอร์และการเลือกวาล์วกับแดมเปอร์
5. แยกเครือข่ายและเปลี่ยนรหัสผ่านตั้งต้น กำหนดให้เครือข่าย BMS แยกจากเครือข่ายผู้ใช้ ไม่เปิดออกอินเทอร์เน็ตโดยตรง และส่งมอบรายการบัญชีผู้ใช้ทั้งหมดตามแนวทาง OT ของ NIST SP 800-82 Rev. 3
6. เผื่อเรื่องการตั้งชื่อพอยต์ไว้ล่วงหน้า ทิศทางของอุตสาหกรรมกำลังมุ่งไปที่การอธิบายความหมายของข้อมูลอาคารให้เครื่องอ่านได้ ผ่านงานมาตรฐาน ASHRAE 223P ที่ใช้เทคโนโลยีเว็บเชิงความหมายอย่าง RDF, SPARQL และ SHACL เพื่อให้ซอฟต์แวร์ค้นหาและตั้งค่าตัวเองได้โดยไม่ต้องให้ผู้เชี่ยวชาญมาแมปทีละจุด การกำหนดรูปแบบการตั้งชื่อพอยต์ให้เป็นระบบตั้งแต่วันนี้จะลดต้นทุนการอัปเกรดในอนาคตมาก

สรุป

BACnet, Modbus และ KNX ไม่ได้เป็นทางเลือกที่ต้องเลือกอย่างใดอย่างหนึ่ง แต่เป็นชั้นที่ทำงานคนละหน้าที่และเชื่อมกันด้วยเกตเวย์ สิ่งที่ตัดสินว่าโครงการ BMS จะดูแลต่อได้หรือกลายเป็นระบบที่ผูกติดผู้ติดตั้งเดิม ไม่ใช่ยี่ห้อของคอนโทรลเลอร์ แต่คือความชัดเจนของข้อกำหนดสามข้อ ได้แก่ การอ้างมาตรฐานพร้อมรุ่นและการรับรอง การส่งมอบตารางแมปพอยต์กับไฟล์โครงการ และการกำหนดชั้นสื่อสารที่เข้ารหัสตามแนวทาง OT ทีมวิศวกรรมของสหวัฒนกิจ (1988) รับปรึกษาการวางโครงร่างข้อกำหนดและการตรวจสอบความครบถ้วนของเอกสารส่งมอบในงานลักษณะนี้ ควบคู่กับงานระบบประกอบอาคารที่เกี่ยวข้อง

คำถามที่พบบ่อย

ถ้าอาคารมีอุปกรณ์ที่พูด Modbus อยู่แล้ว จำเป็นต้องรื้อเปลี่ยนเป็น BACnet ทั้งหมดไหม โดยทั่วไปไม่คุ้มและไม่จำเป็น แนวทางมาตรฐานคือติดตั้งเกตเวย์แปลง Modbus ขึ้นเป็น BACnet ที่ระดับตู้ควบคุม แล้วให้ระบบชั้นบนมองเห็นเป็นออบเจ็กต์ BACnet ตามปกติ ความเสี่ยงจริงไม่ได้อยู่ที่ตัวเกตเวย์ แต่อยู่ที่ตารางแมปพอยต์ เพราะ Modbus ส่งมาเพียงค่าตัวเลขในรีจิสเตอร์โดยไม่มีชื่อ หน่วย หรือสถานะคุณภาพข้อมูลติดมาด้วย ถ้าเอกสารชุดนี้ไม่ถูกส่งมอบ อาคารจะไม่สามารถแก้ไขหรือขยายระบบเองได้เมื่อผู้ติดตั้งเดิมไม่อยู่แล้ว

BACnet MS/TP กับ BACnet/IP ต่างกันอย่างไร ทั้งสองเป็นชั้นสื่อสารคนละแบบภายใต้มาตรฐานเดียวกัน MS/TP ทำงานบนสายคู่ตีเกลียวแบบ RS-485 เหมาะกับคอนโทรลเลอร์ปลายทางจำนวนมากที่ปริมาณข้อมูลไม่สูงและช่วยประหยัดต้นทุนสาย ส่วน BACnet/IP ทำงานบนเครือข่ายอีเทอร์เน็ตซึ่งให้แบนด์วิดท์สูงกว่ามาก เหมาะกับคอนโทรลเลอร์หลักและหน้าจอกลาง อาคารหนึ่งหลังมักใช้ทั้งสองแบบร่วมกัน โดยให้ไอพีเป็นแกนเชื่อมระหว่างตู้และ MS/TP แตกลงไปยังอุปกรณ์ในแต่ละชั้น

Modbus RTU กับ Modbus TCP ใช้เอกสารสเปกฉบับเดียวกันหรือไม่ ใช้ชั้นแอปพลิเคชันร่วมกันคือ Modbus Application Protocol Specification V1.1b3 ซึ่งนิยามฟังก์ชันโค้ดและรูปแบบข้อมูล แต่ชั้นล่างแยกกัน โดย Modbus Organization แนะนำให้งานติดตั้งใหม่บนสายอนุกรมอ้างอิง Modbus Serial Line Protocol and Implementation Guide V1.02 และงานบนเครือข่ายอ้างอิง Modbus Messaging on TCP/IP Implementation Guide V1.0b ส่วนเอกสาร Modbus over Serial Line ฉบับปี 1996 ถูกระบุไว้ชัดเจนว่าคงไว้เพื่อรองรับระบบเดิมเท่านั้น

ทำไม TOR หลายฉบับถึงเขียนเพียงว่าต้องเป็น BACnet เพราะ BACnet มีสถานะเป็นมาตรฐานเปิดทั้งในระดับ ANSI/ASHRAE 135 และระดับสากล ISO 16484-5 การอ้างมาตรฐานจึงช่วยเลี่ยงข้อครหาเรื่องล็อกยี่ห้อ แต่ถ้อยคำเพียงเท่านี้ยังหลวมเกินไป เพราะอุปกรณ์ที่อ้างว่ารองรับอาจไม่มีออบเจ็กต์หรือบริการที่งานต้องใช้จริง ข้อกำหนดที่รัดกุมควรเพิ่มเงื่อนไขว่าอุปกรณ์ต้องอยู่ในรายการที่ผ่านการทดสอบจากห้องปฏิบัติการรับรอง พร้อมระบุชุดความสามารถและชั้นสื่อสารที่ยอมรับได้

ระบบ BMS ต้องทำอะไรบ้างในด้านความปลอดภัยไซเบอร์ แนวทาง NIST SP 800-82 Rev. 3 ซึ่งเผยแพร่เมื่อกันยายน 2566 จัดระบบอาคารอัตโนมัติไว้ในขอบเขตของ Operational Technology ร่วมกับระบบควบคุมอุตสาหกรรม สิ่งที่ควรกำหนดเป็นอย่างน้อยคือแยกเครือข่าย BMS ออกจากเครือข่ายผู้ใช้ทั่วไป ไม่เปิดให้เข้าถึงจากอินเทอร์เน็ตโดยตรง เปลี่ยนรหัสผ่านตั้งต้นของอุปกรณ์ทุกตัว และเลือกใช้ชั้นสื่อสารที่เข้ารหัสได้เมื่อมีให้ใช้ เช่น BACnet Secure Connect หรือ KNX Secure

จำเป็นต้องใช้ KNX ไหมถ้าอาคารใช้ BACnet อยู่แล้ว ไม่จำเป็น แต่มักคุ้มค่าในงานที่มีจุดควบคุมกระจายตัวมากในระดับห้อง เช่น แสงสว่าง ม่านบังแดด และสวิตช์ที่ผู้ใช้กดเอง เพราะ KNX ออกแบบให้อุปกรณ์สื่อสารกันเองบนสายเดียวกันโดยไม่ต้องผ่านคอนโทรลเลอร์กลาง ระบบไฟจึงยังทำงานได้แม้เซิร์ฟเวอร์กลางขัดข้อง ส่วนการเชื่อมขึ้นไปยังระบบบริหารอาคารทำผ่านเกตเวย์ KNX เป็น BACnet ซึ่งเป็นแนวทางที่ใช้กันทั่วไปในอาคารสำนักงานและโรงพยาบาล