Inteligentne systemy zarządzania budynkiem

fot. SAB System

Charakterystyka zasad działania oraz korzyści użytkowania instalacji inteligentnych systemów zarządzania budynkiem. Przedstawiono wybrane systemy, charakteryzujące się specyficznymi funkcjami i parametrami istotnymi z punktu widzenia automatyki domów. Na tle standardu, jakim jest KNX/EIB, pokazano możliwości polskich, sprawdzonych i z coraz większym powodzeniem instalowanych rozwiązań.

Czym jest inteligentny system zarządzania budynkiem?

Zintegrowany system zarządzania instalacjami znajdującymi się w budynku określa się nazwą „inteligentny budynek” (w skrócie z ang. Building Management System). Najstarszym i najbardziej rozpowszechnionym systemem jest EIB (European Installation Bus). Steruje on m.in. oświetleniem, żaluzjami, ogrzewaniem i jak większość jest też systemem magistralnym, tzn. oddziela funkcje sterownicze od zasilania, przekazuje informacje sterownicze i kontrolne za pomocą oddzielnego medium, dostarcza bezpośrednio energię do odbiorników oraz integruje poszczególne instalacje (oświetlenia, ogrzewania, żaluzji itp.). Instalacja magistralna jest systemem nerwowym budynku.

W tradycyjnych rozwiązaniach każda instalacja stanowi oddzielny system. Chociaż są oddzielnie sterowane, działanie jednej wpływa na pozostałe. I tak, stan żaluzji wpływa na temperaturę panującą we wnętrzu oraz na poziom natężenia oświetlenia, stan okien wpływa na pracę instalacji grzewczych czy też klimatycznych, powodując straty energii.

Szczególnymi obiektami są budynki pasywne, w których bilansie energetycznym uwzględniane są wszystkie zidentyfikowane źródła energii. Magistralne systemy automatyki mogą być centralne, tańsze, ale bardziej zawodne i zdecentralizowane (inteligencja rozproszona), droższe, ale awaria jednego lub wielu urządzeń tylko ogranicza działanie systemu.

Na postawie materiałów źródłowych uzyskanych z Pracowni Integracji Systemów Automatyki Budynkowej Politechniki Łódzkiej oraz z KOS Elektro-System Spółka z o.o., a także publikacji internetowych w artykule przedstawiono charakterystykę zasad działania oraz korzyści z użytkowania instalacji inteligentnych systemów zarządzania budynkiem.

Współczesne systemy automatyki budynkowej

Spośród obecnych na polskim rynku systemów inteligentnej instalacji można wymienić: KNX/EIB, LonWorks, BACnet, LCN, Lutron, X-Comfort, IDRA, X10, D2000, Tenis, In One, Domintell, Delta Dore, Teletask, Sienna, APA, EVER, Satel i SAB System.

W artykule przedstawiono wybrane systemy, charakteryzujące się specyficznymi funkcjami i parametrami istotnymi z punktu widzenia automatyki domów. Na tle standardu, jakim jest KNX/EIB pokazano możliwości polskich, sprawdzonych i z coraz większym powodzeniem instalowanych, rozwiązań.

System KNX/EIB

W wyniku badań kilku firm opracowano wspólne standardy, co przyspieszyło rozwój i wdrażanie systemu. W efekcie, w 1987 r. w fabryce SIEMENS, powstał jeden otwarty system KNX/EIB, ratyfikowany przez CENELEC (Buremu Technigue) jako europejski standard, (EN 50090). Protokół KNX jest oparty na trzech mediach transmisyjnych: TP (jednoparowa skrętka), PL (przewody zasilające), RF(fale radiowe), a także ostatecznie IP (Internet Protocol), tworząc międzynarodowy standard.

Głównym celem KNX/EIB w budynku jest zarządzanie oświetleniem, żaluzjami, ogrzewaniem, wentylacją, monitorowaniem, kontrolą dostępu i itp.

Instalacja magistralna KNX/EIB jest prowadzona specjalnymi przewodami telekomunikacyjnymi. Zasady projektowania systemu odnoszą się do przewodu o średnicy żył 0,8 mm (ekranowana skrętka telekomunikacyjna, w charakterystycznej zielonej izolacji zewnętrznej z umieszczonym nadrukiem BUS lub EIB). Podstawowym elementem instalacji jest linia składająca się z przewodu magistralnego, łączącego wszystkie urządzenia magistralne. Każda linia musi być wyposażona we własny zasilacz. Jedna para żył służy do zasilania przyłączonych elementów o napięciu znamionowym 24 V. Pod względem galwanicznym wszystkie aparaty są połączone równolegle i razem tworzą sieć. Liczba urządzeń w linii nie może przekraczać 64, maksymalna odległość urządzenia od zasilacza nie może przekraczać 350 m, maksymalna odległość między dwoma urządzeniami nie może przekraczać 700 m, całkowita długość przewodów  użytych do budowy linii nie może przekroczyć 1000 m i minimalna odległość między dwoma zasilaczami (przy dwustronnym zasilaniu) nie może być mniejsza niż 200 m, a w najdalszym punkcie obciążonej magistrali napięcie nie może spaść poniżej 21 V.

Zasady te odnoszą się do każdej linii, tj. do linii podrzędnej, obszarowej, systemowej, a także  segmentowej. Przy projektowaniu należy zachować topologię dowolnie rozgałęzionego drzewka. Zabronione jest tworzenie pętli. Możliwa jest więc topologia łańcucha, w której urządzenia przyłączane są kolejno wzdłuż przewodu. Innym sposobem jest tworzenie gwiazdy. Każda gwiazda może rozgałęziać się w kolejną gwiazdę. Możliwe jest dowolne łączenie obu topologii, w wyniku czego otrzymujemy topologię  drzewa.

Rozbudowa instalacji magistralnej wymaga skorzystania z innych systemów. Najczęściej używane są routery IP względnie home serwery. Urządzenia te umożliwiają współpracę różnych instalacji magistralnych KNX/EIB także wtedy, gdy są od siebie znacznie oddalone, (np. via internet).

Instalacja magistralna składa się z zespołu urządzeń mogących wymieniać między sobą informacje. Podstawowymi grupami są dwa rodzaje urządzeń: czujniki – odbierające informacje z otoczenia i przekazujące je do magistrali oraz urządzenia wykonawcze – odbierające polecenia przesyłane magistralą i wykonujące zawarte w nich polecenia .

Z reguły urządzenia te są wysoko wyspecjalizowanymi aparatami służącymi do realizacji określonych zadań. Czasem zakres ich działania jest wąski, ograniczony do jednej funkcji, (np. ściemniania), a czasem szeroki – pozwalający na określenie funkcjonalności za pomocą parametrów. Jednak aby system funkcjonował, musi zostać wyposażony w specjalne zasilacze oraz złącza umożliwiające programowanie poszczególnych urządzeń. Oprócz tego coraz większą rolę odgrywają urządzenia centralizujące oraz komunikacyjne.

Dzięki tym ostatnim wymiana informacji odbywa się za pośrednictwem sieci komputerowych oraz Internetu. Coraz częściej do kontroli i zarządzania systemem wykorzystuje się przenośne urządzenia typu iPhone, iPod korzystające z GSM, UMTS, WLAN. Home serwery wyposażone w rozbudowaną bibliotekę funkcji matematycznych, logicznych i czasowych pozwalają na tworzenie skomplikowanych algorytmów sterowniczych uwzględniających różne czynniki zewnętrzne do optymalizacji działania systemu.

Dynamiczny rozwój systemu KNX jest wymuszony stale zwiększającym się zapotrzebowaniem. Obecnie ponad 150 firm jest zaangażowanych w jego rozwiązania.

Każde urządzenie magistralne musi zostać sparametryzowane przez projektanta. Najczęściej używa się ustawień fabrycznych, dostosowanych do typowych zastosowań. W zależności od urządzenia do dyspozycji są różne specyficzne parametry.

System automatyki domowej AUTOTASK 

AUTOTASK to nowoczesne rozwiązania dla instalacji elektrycznej. Sieć tworzona jest tylko raz, natomiast dzięki możliwości programowania, instalacja może działać w różny sposób. Jedynym ograniczeniem jest fantazja programisty. Zarządzanie i kontrola domu przez Internet to standardowa cecha. Faktycznie każda funkcja systemu może zostać w bezpieczny sposób zmieniona z oddali.

System Teletask to komfort, bezpieczeństwo oraz ochrona środowiska, pozwalająca zaoszczędzić 15-25% kosztów ogrzewania i 10-15% kosztów energii elektrycznej.

Zaletą automatyki domowej Teletask jest architektura modułowa. Takie podejście sprawia, że instalację można przystosować do aktualnych możliwości finansowych klienta bez obawy o ograniczenie możliwości zmian i rozwoju. W ten sposób klienci są w stanie zacząć budowę z minimalną kontrolą i integracją oświetlenia oraz ogrzewania/chłodzenia. Kiedy wymagania techniczne i estetyczne wzrosną, zmiana polegać będzie jedynie na wymianie interfejsów użytkownika (panele dotykowe i wizualizacyjne zawierające interfejsy przyszłości), bądź dodaniu kolejnych interfejsów technicznych.

APA Vision BMS

Jednym z pierwszych polskich kompleksowych rozwiązań, łączących elementy automatyki budynkowej jest APA (Vision Building Management System). System Vision BMS ma swoje korzenie w zaawansowanym systemie monitoringowania wideo. Obecnie system działa w układzie hybrydowym, tj. analogowo-cyfrowym, dającym duże możliwości przy podłączaniu do już działających rozwiązań. VBMS łączy w sobie aspekty automatyki, sterowania, monitoringu wideo, powiadamiania i zarządzania pracą różnorodnych elementów składowych nowoczesnego budynku.

Podstawową cechą wyróżniającą System jest jego centralizacja. W praktyce sprowadza się to do faktu, iż za zarządzanie całością instalacji odpowiada jeden punkt - komputer centralny, a właściwie  zainstalowane na nim oprogramowanie. Takie rozwiązanie ma swoje wady – chociażby związane z niezawodnością rozwiązania. Platforma sprzętowa oprogramowania Systemu może być teoretycznie dowolna, ale zasadniczym wymaganiem jest, aby umożliwiała ona uruchomienie systemu operacyjnego Microsoft Windows, począwszy od wersji Windows XP. Mogą to być wszelkiego rodzaju komputery przemysłowe, panelowe, komputery osobiste i klasyczne serwery.

W procesie projektowania VBMS szczególny nacisk kładzie na uniwersalność i elastyczność rozwiązań. Urządzenia fizyczne opracowane w ramach VBMS spełniają wymagania dotyczące pracy w środowisku przemysłowym i są przystosowane do bezpośredniej pracy z instalacjami powszechnie w tych rozwiązaniach stosowanymi – jak choćby sterownikami PLC czy sensorami wielkości fizycznych. Integracja VBMS z systemami obcymi pozwala na pełne zachowanie ich odrębności, podziału zadań i zakresu  kompetencji. Pomiędzy nimi następuje, oparta na określonych zasadach, wymiana informacji, które są niezbędne do stworzenia użytkownikowi wrażenia scalenia wszystkich gałęzi funkcjonalności w jedną strukturę.

System LCN (Local Control Network)

System LCN stanowi sieć rozproszoną, tzn. nie posiada jednej głównej jednostki centralnej. Trzon tej struktury stanowią moduły - sterowniki programowalne, do których dołącza się moduły lub elementy podrzędne. Zadaniem tych sterowników jest odbieranie, przetwarzanie rozkazów z wejść i przesyłanie ich do odpowiednich wyjść lub innych modułów. Sterowniki współpracują ze sobą w strukturze typu multi-master. Dzięki takiemu rozwiązaniu uszkodzenie pewnego fragmentu sieci nie powoduje przerwania pracy całej sieci. W przypadku rozległych sieci, z wieloma równorzędnymi modułami, szyna danych mogłaby ulec przeciążeniu, co doprowadziłoby do gubienia rozkazów i wydłużenia czasu reakcji elementów systemu. Aby rozwiązać ten problem, moduły zostały podzielone na tzw. segmenty. Segment jest grupą maksymalnie 250 modułów (liczba 250 wynika z narzuconej liczby numerów ID, jakie nadaje się modułom). Jeżeli zaistnieje potrzeba dodania kolejnych modułów, należy dodać kolejny segment sieci. Stworzenie segmentu sprowadza się do dodania dodatkowego modułu, zwanego sprzęgiem segmentowym, który pełni funkcję węzła komunikacyjnego pomiędzy segmentami. Sprzęgom segmentowym również nadawany jest ID pochodzący z innej puli niż adresy przypisywane modułom w segmencie.

Systemy alarmowe SATEL

SATEL - Systemy alarmowe, jako fragment inżynierii zabezpieczeń, koniecznej w inteligentnym domu w zakresie ochrony przed napadem, włamaniem, kradzieżą. Systemy alarmowe sygnalizacji włamania i napadu powinny zawierać następujące części składowe: centrala alarmowa, czujka (detektory), moduły rozszerzające (komunikujące się z centralą), sprzęt sygnalizacji optycznej lub/i akustycznej, systemy transmisji alarmu (urządzenia umożliwiające przekazanie sygnałów), zasilacz.

Systemy bezpieczeństwa integruje się z innymi systemami, z możliwością sterowania oświetleniem, drzwiami, systemem wentylacji, dźwiękowymi systemami ostrzegania, systemami nawadniania, windami i wieloma innymi systemami zaimplementowanymi w budynku. W głównej mierze sterowanie scentralizowane odbywa się przez specjalistyczne oprogramowanie, które odpowiada za prawidłowe funkcjonowanie obiektu.

System Rezerwowego Zasilania EVER

EVER – System Rezerwowego Zasilania, zapewniający ciągłość i jakość zasilania dla urządzeń elektronicznych i informatycznych. Przez zanik napięcia rozumiemy obniżenie amplitudy przebiegu napięcia w sieci energetycznej do wartości mniejszej niż 1% wartości nominalnej. Zanik może mieć charakter chwilowy (dla krajowego systemu energetycznego 50 Hz jeden okres to 20 ms) lub długotrwały. Typowy zasilacz komputerowy oparty na standardzie ATX teoretycznie powinien bez jakiejkolwiek zmiany w pracy przetrwać zanik o czasie trwania do kilkunastu milisekund. Długotrwałe zaniki napięcia zasilania są związane z awariami systemu energetycznego lub lokalnych instalacji elektrycznych. W celu przeciwdziałania skutkom należy stosować układy zasilania buforowego.

Zasilacze awaryjne UPS są najpopularniejszym i najskuteczniejszym środkiem do przeciwdziałania zakłóceniom zasilania oraz kondycjonowania energii (polepszenia jakości).

Niezależnie od różnorodności konstrukcyjnych posiadają wspólne dwa tryby pracy: normalny (praca sieciowa) i buforowy (praca bateryjna).

System SAB

SAB to system automatyki budynków wprowadzony na rynek przez KOS Elektro-System posiada wszystkie cechy instalacji mieszanej (scentralizowanej i zdecentralizowanej) zapewniającej każdemu modułowi własną inteligencję, gdzie centralną jednostką sterującą jest Home Manager.

Możliwe są następujące sposoby sterowania Systemami Automatyki Budynkowej: sensory jako przyciski, Home Manager w panelu LCD, PC, pilot RC5 na podczerwień, pilot radiowy, urządzenie mobilne, telefon, Tablet PC2 itp. System SAB stanowi wręcz podręcznikowy przykład automatyzacji budynków (BMS).

SAB jest systemem sieciowym, a praca w nim polega na przesłaniu między modułami konkretnych komunikatów, czyli pewnych pakietów bajtów zawierających niezbędne informacje. Każdy z modułów musi mieć swój unikalny adres. Ze względu na specyfikę zastosowań i wygodę konfigurowania składa się z czterech części:

• obszar 3 bity (od 0 do 7 obszarów),
• obszar 5 bitów (od 0 do 31 regionów),
• obszar 4 bitów (od 0 do 15 modułów),
• obszar 3 bitów (od 0 do 7 kanałów).

Inaczej mówiąc, jeżeli obszar odpowiada piętru, a region pokojowi, to system SAB umożliwia obsługę 7-kondygnacyjnego hotelu o 31 pokojach na każdym piętrze. W każdym pokoju może być zainstalowanych 15 modułów, z siedmioma niezależnymi kanałami. Jeśli to konieczne, na każdym piętrze może zostać wykorzystany więcej niż jeden obszar. Obszar 7 często bywa przeznaczony do pomieszczeń ogólnych (recepcji, oświetlenia korytarzy, restauracji itp.). Adresy 0 w każdym segmencie adresu są przeznaczone do adresowania zwrotnic, tak więc w maksymalnym rozwinięciu może być adresowanych 22 785 (7 x 31 x 15 x 7) modułów, co przy zastosowaniu PRO 10 (10 przekaźników 16 A/230 V) daje 227 850 obwodów.

Jest to wielkość teoretyczna, gdyż trudno sobie wyobrazić budynek o takich potrzebach. Praktycznie ta wielkość to biurowiec o 217 (7x31) dobrze wyposażonych pokojach (zamki na karty chipowe lub zbliżeniowe, rolety, rozbudowane oświetlenie, ogrzewanie) z pełnym monitoringowaniem IV zdarzeń. Ze względu na wydajność prądową nadajników, a także w celu filtrowania komunikatów rozległa sieć w dużych budynkach dzielona jest na segmenty po ok. 32 przyłącza. Często taki segment bywa zasilany z jednego zasilacza buforowego. Bardzo ważnym elementem sieci jest zwrotnica i jest to jedyny z modułów, który posiada dwa porty łącza (RS485 - transceiwery). Zadaniem jej jest: separacja obszarów, wzmacnianie sygnałów transmisyjnych, wstępna akwizycja danych, synchronizacja czasowa zdarzeń – posiada sprzętowy zegar czasu rzeczywistego i ochronę przepięciową linii transmisyjnych (w porcie zwrotnicy zamontowane są ograniczniki napięć).

Aplikacje SAB są oparte na architekturze klient – serwer. Wszystkie dane pochodzące z sieci SAB są zapisywane w relacyjnej bazie danych SOL. Podstawą działania systemu jest serwer SAB, którego zadaniem jest administracja i zapisywanie zdarzeń do bazy danych. Zapamiętywane są zdarzenia: wejścia do pomieszczeń, wyjścia, przejścia, dla hoteli nie przeszkadzać i posprzątać, temperatura, otwarcie i zamknięcie rolety lub innych występujących w obiekcie. Dzięki aplikacji serwerowej jest możliwość sterowania i konfiguracji zdalnej systemu za pośrednictwem Telnet. Zewnętrzne programy mogą w uproszczony sposób wysterować urządzeniem w sieci, jak np. klimatyzacją.

Oświetlenie w budynkach stanowi główną część instalacji elektrycznej, jest też najbardziej energochłonne. Panele sterujące umożliwiają komfortowe, zdalne sterowanie wszystkimi punktami świetlnymi. Home Manager może zarządzać dowolną ilością obwodów oświetleniowych w budynku.

Sterowanie temperaturą odbywa się za pomocą regulatora temperatury z wyprowadzonym czujnikiem. Oprócz ustawienia temperatury w pomieszczeniu możemy zmieniać dodatkowe parametry zadawane z Home Managera. Są to zakres regulacji temperatury i korelacja temperatury. Regulacja temperatury może odbywać się w maksymalnym zakresie od 10oC do 30oC z dokładnością do 1^oC. Funkcja korekcji służy do zmniejszenia wartości zmierzonej temperatury przez czujnik względem rzeczywistej temperatury
otoczenia.