INTELIGENTNE SYSTEMY ZARZĄDZANIA BUDYNKIEM

Transkrypt

1 Marek SKOCZYLAS SAB Solutions Sp. z o.o. INTELIGENTNE SYSTEMY ZARZĄDZANIA BUDYNKIEM Streszczenie: Inteligentne systemy zarządzania budynkami (Building Management System) tworzą nową rzeczywistość w zakresie zarządzania energią w budynkach. Zapewniają użytkownikowi komfort, bezpieczeństwo oraz racjonalne zużycie energii, czyli również efekt ekonomiczny. Podstawowy system automatyki budynkowej stworzył KNX/EIB otwierając proces rozwoju inteligentnej instalacji zarządzania energią budynków. Obecnie inteligentne systemy zarządzania budynkiem są już standardem wyznaczającym poziom życia coraz większej grupy społecznej. 1. Czym jest inteligentny system zarządzania budynkiem? Zintegrowany system zarządzania instalacjami znajdującymi się w budynku określa się nazwą inteligentny budynek (w skrócie z j. ang. Building Management System). Najstarszym i najbardziej rozpowszechnionym systemem jest EIB (European Installation Bus). Steruje między innymi: oświetleniem, żaluzjami, ogrzewaniem. Jak większość jest też systemem magistralnym, czyli 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.. Współczesne systemy automatyki budynkowej Spośród obecnych na polskim rynku systemów inteligentnej instalacji należy wymienić: KNX/EIB, LonWorks, BACnet, LCN, Lutron, X-Comfort, IDRA, X10, D000, Tenis, In One, Domintell, Delta Dore, Teletask, Sienna, APA, EVER, Satel i SAB System. Przedstawiono w kolejnych punktach wybrane systemy, charakteryzujące się specyficznymi funkcjami i parametrami istotnymi z punktu widzenia automatyki domów. Na tle standardu jakim jest KNX/EIB pokazano możliwości polskich rozwiązań sprawdzonych i z coraz większym powodzeniem instalowanych. 46

2 .1. System KNX/EIB W wyniku badań kilku firm opracowano wspólne standardy, co przyspieszyło rozwój i wdrażanie systemu. W efekcie, w roku 1987 w fabryce SIEMENS, powstał jeden otwarty system KNX/EIB, ratyfikowany przez CENELEC (Bureau Technique) jako europejski standard (EN 50090). Protokół KNX, tworząc międzynarodowy standard, jest oparty na trzech mediach transmisyjnych: TP (twisted pair jednoparowa skrętka), PL (przewody zasilające), RF (fale radiowe), a także ostatecznie IP (Internet Protocol). Głównym celem KNX/EIB w budynku jest zarządzanie oświetleniem, żaluzjami, ogrzewaniem, wentylacją, monitorowaniem, kontrolą dostępu itp. Instalacja magistralna KNX/EIB jest prowadzona specjalnymi przewodami telekomunikacyjnymi. 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 4 V. Pod względem galwanicznym wszystkie aparaty są połączone równolegle i razem tworzą sieć. Przy projektowaniu należy zachować topologię dowolnie rozgałęzionego drzewa. 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 otrzymuje się topologię drzewa. Rozbudowa instalacji magistralnej wymaga skorzystania z innych systemów. Najczęściej używane są rutery 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, i 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. Nr

3 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 AUTOTASK System automatyki domowej AUTOTASK to nowoczesne rozwiązania dla instalacji elektrycznej. Zarządzanie i kontrola domu przez Internet to jego 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 5% kosztów ogrzewania,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..3. System APA 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 monitorowania 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..4. System LCN System LCN (Lokal Control Network) jest siecią rozproszoną, tzn. nie posiada jednej głównej jednostki centralnej. Trzon tej struktury stanowią moduły sterowniki programowalne, do których dołącza się moduły lub elementy podrzędne. Zadaniem 48

4 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 50 modułów (liczba 50 wynika z narzuconej liczby numerów ID, jakie nadaje się modułom). Jeżeli zaistnieje potrzeba dodania kolejnych modułów, należy dodać kolejny segment sieci..5. System 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..6. System 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 0 ms) lub długotrwały. Typowy zasilacz komputerowy skonstruowany w oparciu o standard 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)..7. System SAB SAB system automatyki budynków wprowadzony na rynek przez KOS Elektro-- System posiada wszystkie cechy instalacji mieszanej (zcentralizowanej i zdecentrali- Nr

5 zowanej) zapewniającą 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 PC 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. Adresy w każdym segmencie są przeznaczone do adresowania zwrotnic, tak więc w maksymalnym rozwinięciu może być adresowanych 785 ( ) modułów, co przy zastosowaniu przekaźnika PRO10 (10 przekaźników16 A/30 V) daje obwodów. Jest to wielkość teoretyczna, gdyż trudno sobie wyobrazić budynek o takich potrzebach. Praktycznie ta wielkość to biurowiec o 17 (7 31) dobrze wyposażonych pokojach (zamki na karty chipowe lub zbliżeniowe, rolety, rozbudowane oświetlenie, ogrzewanie) z pełnym monitorowaniem zdarzeń. Ze względu na wydajność prądową nadajników, a także w celu filtrowania komunikatów rozległa sieć w dużych budynkach dzielona jest na segmenty po około 3 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. 3. Integracja systemów Systemy w automatyce budynków możemy podzielić na dwie grupy, biorąc pod uwagę możliwość ich swobodnego wykorzystania. Są to systemy otwarte (otwarty protokół komunikacyjny) i zamknięte (utajnione przez producenta wysyłane telegramy). Każde z tych rozwiązań posiada wady i zalety, ale są stosowane w zależności od sposobu podejścia do otwartości systemów. Kolejnym kryterium podziału systemów automatyki może być podział ze względu na architekturę danego systemu. System centralny, w którym cała logika skupiona jest w jednym urządzeniu zwanym masterem. Drugim jest system, w który logika jest rozproszona po całej sieci. W przypadku braku komunikacji pomiędzy masterami 50

6 Nr 151 Instalacje elektryczne niskiego napięcia każdy master nadal funkcjonuje, ale samodzielnie bez możliwości wysyłania rozkazów do pozostałej części systemu. Stopień uszczegółowienia styku między systemami zależy od wielkości, specyfiki obiektu lub liczby danych wymienianych między systemami. Rozróżniamy dwa podstawowe typy integracji systemów, jeden za pośrednictwem we/wy sygnałowych napięciowych lub bez potencjałowych, a drugi za pomocą sterowników (driverów, sprzęgieł). Każda z tych metod może występować w wydaniu jedno lub dwukierunkowym. Poza bezpośrednim połączeniem między systemami istnieje również integracja pośrednia, gdzie medium łączącym systemy nie jest kabel urządzenie, a środowisko, w którym te systemy pracują i to właśnie zmiany warunków środowiskowych wymuszone przez jeden z systemów powodują zmiany w drugim systemie. 4. Analiza ekonomiczna systemów automatyki budynków Koszty systemów automatyki stanowią ważne kryterium, według którego są oceniane i wybierane. Inne będzie podejście do kosztów inwestora, a inne ostatecznego użytkownika. W interesie inwestora jest ograniczanie nakładów inwestycyjnych, natomiast w interesie użytkownika jest korzystanie z systemów dających komfort i energooszczędność. Często chcąc uniknąć wysokich kosztów inwestycyjnych inwestor w konsekwencji wpada w pułapkę źle zaprojektowanych i wykonanych obiektów. Do tego dochodzą koszty z tytułu utraconych korzyści. Obiekt, w którym wadliwie dobrano układ regulacji klimatu wywołuje stratę czasu pracy pracowników. I tak w biurowcu, gdzie pracuje 1000 osób, z tego powodu każdy pracownik traci ok. 1 roboczogodziny, co w rezultacie daje straty na poziomie ok. 5 mln zł rocznie, (1000 pracowników x 1rg x 50 dni ). Natomiast koszt automatyki w takim biurowcu w zależności od dostawcy i systemu będzie się wahał w granicach 10 mln zł. Koszty utrzymania automatyki są na poziomie nieznacznie wyższym od kosztów utrzymania tradycyjnej instalacji elektrycznej. Po uruchomieniu zastosowane w instalacji mikroprocesorowe urządzenia pracują w ciągu wielu lat praktycznie bezawaryjnie. Są one odporne na zakłócenia i mogą pracować w sieciach o niestabilnym napięciu zasilania w granicach od 190 do 60 V (pracują bezprzerwowo jeszcze w ciągu kilkudziesięciu sekund po zaniku napięcia). Pobór mocy przez system automatyki budynku jest z nawiązką kompensowany uzyskaniem znacznych oszczędności energii elektrycznej lub cieplnej wygenerowanych przez system. Koszt inteligentnego domu mieści się w przedziale od 00 zł/m wariant podstawowy do 500 zł/m wariant komfortowy. Powyżej 500 zł/m to już wersja luksusowa, poszerzona o dodatki, zapewniająca najbardziej wyszukane oczekiwania użytkownika. Ceny brutto obejmują koszt kompletnej instalacji (projekt, okablowanie, rozdzielnice, urządzenia EIB, gniazdka, uruchomienie) bez urządzeń wykonawczych (lampy, grzejniki, rolety itp.) dla domu o powierzchni 00 m (dane w złotych). 51

7 Tabela 1. Zestawienie kosztów system instalacji inteligentnej w stosunku do tradycyjnej 5 Koszt systemu instalacji K [zł] Systemy podstawowe Systemy klasy średniej Systemy zaawansowane Instalacja Tradycyjna (IT) SAB System KNX/EIB Cardio IHC Lonworks Hometronic Duplice IDRA Luxor LCN Crestron X Xcomfort Lutrom Jak porównać koszt instalacji tradycyjnej (IT) i instalacji inteligentnej (II)? Jeżeli zastosujemy system (II), tylko dla potrzeb sterowania oświetleniem możemy stwierdzić, że będzie on droższy od typowej instalacji. Jednak, gdy istnieje potrzeba sterowania oświetleniem, roletami, ogrzewaniem, zarządzaniem energią i sterowania centralnego i zdalnego wówczas instalacja inteligentna (IT) oferuje prostszą i tańszą drogę do ich połączenia. Tabela. Porównanie kosztów instalacji tradycyjnej (IT) i instalacji inteligentnej (II) Urządzenie lub usługa Projekt instalacji i systemu Instalacja Tradycyjna (IT) Instalacja Inteligentna (II) Liczba Cena Wartość Liczba Cena Wartość Instalacja elektryczna Instalacja TV, tel., PC Rozdzielnica elektryczna Gniazdka (30V, TV, Tel., PC) Montaż gniazdek Wyłączniki lamp Montaż wyłączników Ściemniacze lamp Sterowniki rolet Montaż sterowników rolet Termostaty elektroniczne (w przyciskach II) Montaż termostatów (w przyciskach II) Przyciski II Przyciski II z termostatem Siłowniki grzewcze ze sterownikiem II Zasilacz i uruchomienie II Razem:

8 W tabeli przedstawiono porównanie kosztów instalacji tradycyjnej (IT) i instalacji inteligentnej (II) dla domu o powierzchni 00 m. Założono komfortowy zakres funkcji: 40 obwodów oświetlenia (w tym 4 ściemniacze), 16 rolet i 8 niezależnych stref ogrzewania, oraz profesjonalne usługi (dane w złotych). Okres zwrotu inwestycji w zależności od zapotrzebowania na energię wynosi od do 4 lat. Oszczędności wynikające ze sterowania ogrzewaniem osiągają 30%. 5. Kierunki rozwoju systemu automatyki budynkowej Zmiany funkcjonalności obiektów wywoływane są zmianami kulturowymi i cywilizacyjnymi, związanymi z pracą, nauczaniem i spędzaniem wolnego czasu. Kolejnym czynnikiem jest ograniczenie w dostępie do zasobów naturalnych, wywołujących zmiany technologiczne, które wraz nowymi trendami architektonicznymi przesądzają o rozwoju automatyki. Główne nurty rozwoju w automatyce determinuje czynnik przeludnienia, zmuszające przyszłych użytkowników do zasiedlania regionów o gorszych parametrach środowiskowych. 6. Bibliografia 1. Materiały Pracowni integracji systemów automatyki budynkowej Politechniki Łódzkiej.. KOS ELEKTRO-SYSTEM Sp. z o.o., Września. Artykuł jest przedrukiem referatu wygłoszonego na XIV Sympozjum Oddziału Poznańskiego SEP w Poznaniu, w dniu r. CZYTAJ NA STRONIE: Nr