TRANSCOMP XV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

TRANSCOMP XV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT BUCZAJ Marcin 1 zintegrowane systemy sterowania i nadzoru, inteligentne instalacje elektryczne, systemy alarmowe INTEGRACJA SYSTEMÓW STEROWANIA I NADZORU W BUDYNKACH W ASPEKCIE REALIZACJI PRZEZ NIE ZADAŃ SYSTEMÓW ALARMOWYCH Integracja systemów sterowania i nadzoru w obiektach mieszkalnych ma na celu realizację następujących zadań: ograniczenie kosztów instalacji i uŝytkowania systemu, podniesienie komfortu uŝytkowania oraz zwiększenie moŝliwości technicznych, a takŝe realizację nowych funkcji i zadań niedostępnych w klasycznych autonomicznych układach sterowania. Obecnie moŝna wyróŝnić trzy główne sposoby integracji systemów sterowania: poprzez wymianę informacji, poprzez współdzielenie elementów infrastruktury systemów oraz poprzez wykorzystanie wspólnego układu sterującego zarządzającego pracą całego systemu. W artykule opisano funkcje układów realizujących zadania stawiane systemom alarmowych oraz ich wpływ na konfigurację, wyposaŝenie dodatkowe i pracę systemu zintegrowanego w róŝnych jego konfiguracjach i sposobach integracji. INTEGRATION OF SUPERVISION AND CONTROL BUILDING SYSTEMS IN ASPECT OF REALIZE OF ALARM SYSTEMS TASKS The aim of the integration of control and supervision systems in buildings is to realize next tasks: to reduce cost of installation and cost of use, raising of use comfort and increase technical possibility, and also to realize a new function and tasks which are inaccessible in classical autonomous control systems. Now we can identify the three main methods of integration of control systems: by exchange of information, by sharing of elements of system s infrastructure and use a common control system which manages of work system. In this article is presented a function of systems realized the tasks of alarm system and their influence on configuration, peripherals and work of integrated system in different configuration and integration methods. 1. WSTĘP Systemy sterowania i nadzoru instalowane w budynkach to układy umoŝliwiające automatyczną realizację załoŝonych w algorytmie sterowania zadań przez układy wykonawcze na podstawie informacji pochodzących od elementów detekcyjnych systemu [6,7]. Istotną rolę w systemach sterowania i nadzoru nad stanem chronionego obiektu spełniają systemy alarmowe, szczególnie realizujące funkcje systemów sygnalizacji 1 Politechnika Lubelska, Katedra InŜynierii Komputerowej i Elektrycznej; 20-618 Lublin; ul. Nadbystrzycka 38A. tel: + 48 81 538-43-01, fax: + 48 81 538-42-99, e-mail: m.buczaj@pollub.pl

336 Marcin BUCZAJ włamania i napadu (I&HAS). Współczesne systemy alarmowe sygnalizacji włamania i napadu I&HAS (ang. intrusion and hold-up alarm system) to instalacja elektryczna, która odpowiada na ręczne lub automatyczne wykrycie obecności zagroŝenia (włamania, napadu, próby sabotaŝu systemu) w zabezpieczanym obiekcie [1]. Technicznie jest to zespół współpracujących urządzeń (równieŝ z instalacją przewodową), który ma na celu wykrywanie zagroŝeń, wywołanie alarmu oraz inicjowanie przedsięwzięć zmierzających do likwidacji takiego zagroŝenia. Zatem z definicji są to systemy mające na celu zapewnienie bezpieczeństwa uŝytkownikom w chronionym obiekcie. Zgodnie z wymaganiami normy [1] system nadzoru realizujący funkcje systemu alarmowego I&HAS powinien zawierać środki do wykrywania, wyzwolenia stanu alarmowego, sabotaŝu i rozpoznania uszkodzeń w systemie. System ten moŝe realizować równieŝ inne funkcje pod warunkiem, Ŝe nie mają one szkodliwego wpływu na podstawowe funkcje systemu alarmowego I&HAS. Istnieje moŝliwość współpracy systemów alarmowych I&HAS z innymi systemami sterowania i nadzoru w celu ograniczenia kosztów instalacji i uŝytkowania oraz zwiększenie komfortu uŝytkowania obiektu [5]. W artykule zostanie zwrócona uwaga na aspekt techniczny dotyczący funkcjonowania systemu oraz realizacji przez zintegrowany system sterowania i nadzoru w budynkach zadań stawianych systemom alarmowym. Szczególny nacisk zostanie połoŝony na omówienie roli zasilania rezerwowego oraz szczególnych wymagań, jakie muszą spełnić elementy systemu zintegrowanego w celu realizacji załoŝonych celów ochrony. 2. SPOSOBY INTEGRACJI SYSTEMÓW STEROWANIA Z SYSTEMAMI REALIZUJĄCYMI ZADANIA STAWIANE SYSTEMOM ALARMOWYM Ze względu na wzajemne współdziałanie poszczególnych systemów sterowania i nadzoru moŝna wyróŝnić ich dwa główne rodzaje: - systemy wyspowe - systemy oparte na autonomicznych układach, w którym kaŝdy z układów realizuje tylko ściśle wyznaczone zadania (system sterowania ogrzewaniem, system sterowania oświetleniem, system alarmowy); - systemy zintegrowane - systemy oparte na wymianie informacji, współdzieleniu infrastruktury poszczególnych systemów lub scentralizowanym układzie zarządzania. Zarówno w systemach autonomicznych jak i systemach zintegrowanych funkcje poszczególnych obwodów są takie same. Od obwodu sterującego ogrzewaniem wymaga się stworzenie w pomieszczeniu odpowiedniego komfortu cieplnego. Natomiast w przypadku wykrycia zagroŝenia dla uŝytkownika lub dla chronionego mienia zadaniem elementów systemu alarmowego jest wygenerowanie sygnału alarmowego. Proces integracji systemów sterowania i nadzoru to proces polegający na współdziałaniu poszczególnych, autonomicznych pod względem pełnionych funkcji w obiekcie, instalacji w jeden system realizujący wszystkie zadania stawiane poszczególnym częściom wchodzącym w skład systemu. Systemy zintegrowane sterują funkcjami i kontrolują wiele urządzeń wykonawczych w budynku [4,6,7]. Na szczególne wyróŝnienie zasługują obwody: - sterowania oświetleniem; - sterowania ogrzewaniem w budynku; - sterowanie wentylacją i klimatyzacją w budynku; - sterowania pracą systemów alarmowych (włamaniowego, poŝarowego, kontroli dostępu).

INTEGRACJA I KONFIGURACJA SYSTEMÓW STEROWANIA... 337 Integracja autonomicznych systemów moŝe odbywać się w następujący sposób: - poprzez wymianę informacji między autonomicznymi systemami (rys. 1); - poprzez współdzielenie przez systemy elementów detekcyjnych i wykonawczych (rys. 2); - poprzez realizację funkcji przypisanych poszczególnym systemom przez ten sam układ sterujący (rys. 3). Rys.1. Integracja systemów poprzez wymianę informacji Integracja systemów poprzez wymianę informacji to najprostszy sposób współdziałania pomiędzy autonomicznymi systemami. Wszystkie systemy działają w sposób autonomiczny, jednak wymieniają się między sobą informacjami o stanach określonych wejść i wyjść. Rys.2. Integracja systemów poprzez współdzielenie elementów infrastruktury Integracja systemów poprzez współdzielenie elementów polega na podłączeniu do niezaleŝnych od siebie central zarządzających pracą poszczególnych obwodów elementów stanowiących część wspólną między systemami.

338 Marcin BUCZAJ Współdzielenie elementu sterującego przez systemy (system zintegrowany) D1 UW1 D2 D3 D4 Wspólny zintegrowany układ sterujący UW2 UW3 UW4 D5 UW5 Detektory Układy sterujące Układy wykonawcze Rys.3. System w pełni zintegrowany pod względem sprzętowym i funkcyjnym W przypadku systemów w pełni zintegrowanych pod względem sprzętowym i funkcyjnym wszystkie elementy podłączone są do jednego sterownika. Dzięki takiemu rozwiązaniu występuje tylko jeden układ nadzorujący, który ma dostęp do wszystkich informacji pochodzących z elementów detekcyjnych i w zaleŝności od ustalonego przez uŝytkownika stanu (trybu) pracy realizuje załoŝone funkcje i steruje układami wykonawczymi systemu sterowania i nadzoru. Obecnie występuje wiele rodzajów systemów umoŝliwiających realizację funkcji systemów automatycznego sterowania pracą urządzeń i nadające się do zastosowana w zintegrowanych systemach sterowania i nadzoru. Największą popularnością do zastosowań w budynkach mieszkalnych i gospodarczych, cieszą się trzy podstawowe grupy systemów: - systemy oparte na magistrali EIB stosowany w przypadku nowych instalacji i przewaŝnie wykorzystywanych do kontroli i sterowania parametrów klimatycznych i oświetleniowych z opcjami zarządzania systemami alarmowymi; - systemy oparte na sterownikach PLC wykorzystywany przy adaptacji istniejącej instalacji do zadań systemu zintegrowanego i przewaŝnie wykorzystywane do sterowania i kontroli nad stanem pojedynczych lub grup układów urządzeń [4]; - system oparte na mikroprocesorowych systemach wbudowanych mają one zastosowanie w systemach sterowania poszczególnych urządzeń i autonomicznych systemów sterowania (np. centrale alarmowe). 3. REALIZACJA ZADAŃ SYSTEMU ALARMOWEGO W ZINTEGROWANYCH SYSTEMA STEROWANIA W BUDYNKU Podstawowe zadanie, jakie naleŝy spełnić przy realizacji procesu integracji systemów sterowania, wyposaŝonego w elementy realizujące zadania stawiane systemom larmowym, to zabezpieczenie systemu w układ zasilania rezerwowego umoŝliwiające dostarczenie energii elektrycznej do układu i umoŝliwiające jego prawidłowe działanie przez cały wymagany przez normę [3] okres gotowości. Podczas pracy na zasilaniu rezerwowym system alarmowy musi realizować procedury wykrywania wszystkich mogących się

INTEGRACJA I KONFIGURACJA SYSTEMÓW STEROWANIA... 339 urzeczywistnić zagroŝeń w obiekcie oraz umoŝliwić prawidłowy przebieg procesu przekazywania informacji do uŝytkownika o stanie systemu. Realizacja tych zadań określonych dla systemu alarmowego I&HAS musi przebiegać tak jak przy pracy całości systemu przy zasilaniu z podstawowego źródła zasilania. Współpraca systemu alarmowego z innymi niezaleŝnymi systemami sterowania w budynku wiąŝe się z realizacją dodatkowych wymagań mających istotny wpływ na dobór elementów powstającego zintegrowany system sterowania: - zasilanie awaryjne systemu alarmowego musi zasilać wszystkie elementy współpracujące z systemem alarmowym i mające wpływ na ocenę stanu bezpieczeństwa w obiekcie. W przypadku integracji systemów poprzez współdzielenie elementów infrastruktury elementy detekcyjne systemu alarmowego powinny dzielić się informacją z innymi systemami, a nie korzystać z informacji od elementów innych systemów. W przypadku integracji poprzez wymianę informacji między systemami konieczne jest wyposaŝenie systemów sterowania współpracujących z systemem alarmowym w układy zasilania awaryjnego. Nawet wtedy, kiedy nie jest to wymagane z punktu widzenia systemu autonomicznego; - elementy systemów sterowania współpracujących z systemem alarmowym systemów sterowania i mające wpływ na realizację funkcji sygnalizacji włamania i napadu powinny mieć klasę urządzenia przewidzianą do współpracy z systemami alarmowymi o odpowiednim stopniu zabezpieczenia. Nawet wtedy, kiedy stanowią elementy innych systemów sterowania i nie jest to wymagane przy pracy autonomicznej układu; - układy detekcyjne współpracujące z systemem alarmowym powinny umoŝliwiać pracę tych elementów w trybie z wyjściem normalnie zamkniętym (NC), co umoŝliwia wczesne wykrycie prób sabotaŝu takiego obwodu; - w przypadku systemów zcentralizowanych realizujących funkcje w pełni zintegrowanych systemów sterowania w budynku pod względem funkcyjnym i sprzętowym naleŝy określić priorytety działania dla elementów i zasilania poszczególnych części systemu na wypadek braku zasilania z podstawowego źródła zasilania. Prawidłowy przebieg procesu doboru wielkości zasilacza rezerwowego zarówno typu A jak i typu B powinien uwzględniać dodatkowy zapas energii konieczny ze względu na realizację przedstawionych dodatkowych wymagań. 4. ASPEKT WIELKOŚCI ZASILANIA I PRIORYTETY ZASILANIA W ZINTEGROWANYM SYSTEMIE STEROWANIA I NADZORU Realizacja stawianych przed systemem alarmowym I&HAS zadań oraz podatności układu na zaplanowane działania mające na celu unieszkodliwienie systemu przez osoby trzecie determinuje uŝytkownika między innymi do zapewnienia ciągłości zasilania dla takiego systemu. Wymagania dotyczące warunków zasilania, jakie naleŝy spełnić określone są w odpowiedniej normie [3]. WyróŜnia się dwa typy układów zasilania przewidzianych do pracy z systemami sterowania i nadzoru, w tym szczególnie z systemami realizującymi funkcje systemów alarmowych i systemów bezpieczeństwa w chronionym i zabezpieczanym obiekcie: - zasilanie podstawowe dostarczające energię podczas normalnej pracy systemu; - zasilanie rezerwowe dostarczające energię podczas awarii podstawowego układu zasilania lub przerwie w dostawie energii do systemu przez podstawowe źródło zasilania.

340 Marcin BUCZAJ Norma dotycząca zasilania systemów alarmowych [3] definiuje trzy następujące typy rozwiązań zastosowanych w układach zasilających system alarmowy realizujący zadania systemu sygnalizacji włamania i napadu: Typ A podstawowe źródło zasilania i rezerwowe źródło zasilania doładowywane z I&HAS; Typ B podstawowe źródło zasilania i rezerwowe źródło zasilania niedoładowywane przez I&HAS; Typ C zasilacz podstawowy o skończonej pojemności. W zaleŝności od wybranego rozwiązania dotyczącego sposobu zasilania systemu alarmowego wymagane jest spełnienie warunku minimalnego okresu gotowości dla zasilacza rezerwowego. Minimalne okresy gotowości zasilacza rezerwowego uzaleŝnione są od stopnia zabezpieczenia systemu alarmowego. Wartości minimalnych okresów gotowości dotyczących parametrów zasilania rezerwowego zostały zamieszczone w tabeli 1. Tab. 1. Minimalne okresy gotowości zasilacza rezerwowego [3] Zasilanie Stopień zabezpieczenia systemu alarmowego rezerwowe 1 2 3 4 Typ A 12 h 12 h 60 h 60 h Typ B 24 h 24 h 120 h 120 h Wielkość zasilacza rezerwowego powinna uwzględniać równieŝ elementy współpracujące z systemem alarmowym a stanowiące kluczowe integralne części dla innych systemów sterowania i nadzoru w obiekcie wchodzące w skład zintegrowanego systemu. Minimalną wielkość zasilacza rezerwowego w postaci akumulatora (lub baterii akumulatorów) dla systemu alarmowego Q min określa wzoru: ( Qd + Qa ) = 1,25( IdTd + IaT ) Q, (1) min = 1,25 a gdzie: I d obciąŝenie prądowe elementów w okresie gotowości, T d wymagany okres gotowości, I a obciąŝenie prądowe elementów w okresie alarmowania, T a wymagany czas alarmowania T a = 0,25h. Określenie wielkości zasilacza rezerwowego współpracującego z systemem zintegrowanym musi być poprzedzone analizą funkcjonowania obiektu i wyznaczenia priorytetów zasilania poszczególnych układów. W tym celu naleŝy dokonać podziału układów i elementów systemu ze względu na waŝność realizowanych zadań, szczególnie w obszarze ochrony i zapewnienie bezpieczeństwa uŝytkownikowi obiektu. Poszczególne elementy realizujące zadania w róŝnych układach powinny być połączone z systemem o wyŝszym priorytecie. UmoŜliwi to optymalizację systemu zasilania rezerwowego oraz ograniczenie jego wielkości do niezbędnego poziomu, nie powodując negatywnego oddziaływania z innymi systemami, których zasilanie podczas zaniku zasilania podstawowego nie jest tak istotne. Szczególnie jest to waŝne w przypadku integracji z systemami zapewnienia komfortu w pomieszczeniach, gdzie ich układy wykonawcze są elementami o duŝym zapotrzebowaniu na energie elektryczną.

INTEGRACJA I KONFIGURACJA SYSTEMÓW STEROWANIA... 341 5. CHARATERTSYKA AUTONOMICZNYCH I ZINTEGROWANYCH SYSTEMÓW STEROWANIA I NADZORU Proces integracji autonomicznych systemów sterowania i nadzoru w system zintegrowany (o róŝnych sposobach integracji) ma na celu dostosowanie się do wymagań uŝytkownika. Zmiana funkcji uŝytkowych systemu (cechy zewnętrze) odbija się na pewnej zmianie cech samego systemu (cechy wewnętrzne). Porównanie cech określających walory uŝytkowe, ekonomiczne i techniczne oraz względy bezpieczeństwa dla poszczególnych typów instalacji (autonomicznych i zintegrowanych) przedstawione zostały w tabeli 2. Tab. 2. Porównanie cech wybranych typów instalacji elektrycznych Cecha systemu System autonomicznych instalacji System zintegrowanych instalacji integracja systemu brak duŝa elastyczność systemu niska duŝa ergonomiczność systemu niska wysoka koszt instalacji systemu duŝy średni koszt eksploatacji systemu duŝy niski moŝliwość rozbudowy systemu niewielka duŝa poziom bezpieczeństwa systemu duŝy średni odporność systemu na sabotaŝ duŝa średnia separacja obwodów systemu duŝa mała Jak wynika z tabeli 2 proces integracji autonomicznych systemów realizujących tylko ograniczone, ale ściśle określone cele, w system zintegrowany zwiększa poziomy cech, które są istotne dla uŝytkownika indywidualnego (elastyczność systemy, duŝy poziom integracji, wymienność funkcji, łatwość i intuicyjność obsługi). Przedstawione walory systemu zintegrowanego rekompensują pewien dyskomfort zawiązany z potencjalnym, związanym ze zwiększeniem moŝliwościami zakłócenia pracy systemu przez osoby trzecie, zmniejszeniem poziomu bezpieczeństwa systemu i odporności tego systemu na sabotaŝ. 6. WNIOSKI Zintegrowanie systemów poprzez stworzenie jednorodnego systemu nadzoru kontrolującego parametry techniczne i klimatyczne oraz realizującego funkcje systemów alarmowych umoŝliwiają zwiększenie moŝliwości całego systemu zarządzania. Takie systemy, dzięki posiadaniu i przetwarzaniu informacji z wielu autonomicznych systemów, umoŝliwiają zwiększenie swoich funkcji o zadania związane z globalnym zarządzaniem procesami utrzymującymi w obiekcie zadane parametry techniczne i klimatyczne.

342 Marcin BUCZAJ Proces integracji autonomicznych systemów sterowania i nadzoru dzięki wymianie informacji między systemami lub wzajemnym współdzieleniu elementów infrastruktury poszczególnych systemów umoŝliwia ograniczenie elementów detekcyjnych w budynku lepsze dopasowanie algorytmu sterowania do potrzeb uŝytkownika a takŝe wzajemną kontrolę między poszczególnymi autonomicznymi systemami. W celu zoptymalizowania pracy zintegrowanego systemu sterowania i nadzoru, realizującego między innymi zadania stawiane systemom alarmowym i systemom zapewnienia bezpieczeństwa i chronionym obiekcie, naleŝy tak skonfigurować powstający system, aby elementy detekcyjne i wykonawcze były związane z elementem sterującym odpowiedzialnym za pracę tych systemów. Taka konfiguracja wpływa na ograniczenie wielkości niezbędnego zasilacza rezerwowego oraz usprawnia pracę systemu w przypadku pracy na zasilaniu rezerwowym. Ze względu na niezbędną do prawidłowej pracy wielkość zasilania rezerwowego, w jaki musi być wyposaŝony system zintegrowany, najmniej korzystnym rozwiązaniem jest integracja systemów sterowania poprzez wymianę informacji. Takie rozwiązanie wymaga wyposaŝanie innych mniej waŝnych układów sterowania w dodatkowe systemy zasilania rezerwowego umoŝliwiające wymianę informacji z systemem alarmowym. Najbardziej korzystnym rozwiązaniem jest zastosowanie zcentralizowanego układu sterowania. W tym przypadku wielkość zasilacza rezerwowego jest porównywalna z zasilaczem przewidzianym do pracy tylko z autonomicznie działającym systemie alarmowym. 7. BIBLIOGRAFIA [1] PN-EN 50131-1:2009 Systemy alarmowe. Systemy sygnalizacji włamania i napadu. Część 1: Wymagania systemowe, PKN, Warszawa 2009. [2] PN-EN 50131-6:2009 - Systemy alarmowe. Systemy sygnalizacji włamania i napadu. Część 6: Zasilanie, PKN, Warszawa 2009. [3] PN-EN 50136-1-1:2001 Systemy alarmowe. Systemy i urządzenia transmisji alarmu. Wymagania ogólne dotyczące systemów transmisji alarmu, PKN, Warszawa, 2001. [4] Buczaj M., Kowalik P., Wykorzystanie sterowników PLC do budowy elektronicznych systemów alarmowych, Przegląd elektrotechniczny Nr 3/2008. [5] Buczaj M., Sumorek A. Wirtualny system nadzoru sterujący pracą systemu sygnalizacji włamania i napadu, Motrol Motoryzacja i Energetyka Rolnictwa, Tom 12, Lublin, 2010. [6] Mikulik J., Budynek inteligentny, Tom II Podstawowe systemy bezpieczeństwa w budynkach inteligentnych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2010. [7] Petykiewicz P., Nowoczesna instalacja elektryczna w inteligentnym budynku, Wydawnictwo COSiW SEP, Warszawa 2001.