System automatyki budynkowej (BAS – Building Automation System) to klucz do tego, by wszystkie systemy zainstalowane w budynku pracowały efektywnie i wydajnie. Integracja oświetlenia, instalacji HVAC (ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji), przeciwpożarowej i innych podsystemów infrastruktury budynków wymaga jednak od projektantów stworzenia odpowiedniego systemu.
Wraz z pojawieniem się idei inteligentnych sieci elektroenergetyczych – smart grid i inteligentnych rozwiązań mobilnych – w ostatnim dziesięcioleciu branża systemów automatyki budynkowej (BAS) zaczęła rozwijać się znacznie szybciej w porównaniu do innych klasycznych instalacji mechanicznych, elektrycznych, sanitarnych czy przeciwpożarowych. Rozwój ten stanowi swego rodzaju siłę napędową do tego, by zoptymalizować procesy, zwiększyć niezawodność oraz zmniejszyć zużycie energii poprzez integrację tych podsystemów, które są kluczowe z punktu widzenia funkcjonalności budynku.
Przez lata priorytetami w rozwijaniu nowych technologii były komfort, bezpieczeństwo, niezawodność i wydajność. I chociaż rośnie świadomość negatywnego wpływu działalności człowieka na środowisko, to jednak zapotrzebowanie na energię jest coraz większe. Dlatego też na inżynierów, specjalistów od budownictwa oraz właścicieli nieruchomości nakłada się coraz nowsze wymagania i obostrzenia, zmierzające do ograniczenia konsumpcji energii tak, by zminimalizować negatywny wpływ jej zużycia na środowisko naturalne.
Według różnych badań budynki komercyjne oraz mieszkalne są odpowiedzialne za ok. 40% całkowitego zużycia energii – więcej niż jakikolwiek inny sektor. Około 70% z tej energii przypada na systemy HVAC, jednak jest to uzależnione od miejsca i panującego tam klimatu (rys. 1). Pozostałe 30% z kolei jest zużywane przez oświetlenie i inne urządzenia elektryczne. To jednoznacznie pokazuje, dlaczego integracja i automatyzacja procesów w tego typu budynkach jest taka ważna, gdy mowa o zmniejszeniu konsumpcji energii. Można tego dokonać jedynie przez integrację systemów przy użyciu nowoczesnych technologii, takich jak systemy zarządzania energią czy systemy automatyki budynkowej BAS, a także przez utrzymywanie odpowiednio wysokiej wydajności operacyjnej budynku. Dodajmy do tego połączenie różnych urządzeń przez Internet – Internet Rzeczy (IoT) – oraz wykorzystanie oprogramowania i narzędzi programowych udostępnianych na zasadzie miesięcznej lub rocznej subskrypcji z tzw. chmury – niewymagających instalacji na lokalnym komputerze lub serwerze. Dzięki nowym technologiom projektanci oraz inżynierowie mogą tworzyć bardziej wydajne budynki, a przez to zmniejszać zużycie energii. Pomóc w tym mogą także dostępne narzędzia analityczne, opracowane do wykrywania zazębiających się operacji lub różnych problemów energetycznych, nawet zanim się one pojawią.
Ewolucja systemów BAS
W Stanach Zjednoczonych w związku z podwyżkami cen energii w latach 70. i 80. wzrosło zapotrzebowanie na efektywne energetycznie budownictwo, co napędziło rozwój branży systemów automatyki budynkowej oraz inteligentnych budynków. Slogany takie jak „inteligentne rozwiązania dla budownictwa” upowszechniły się, odkąd możliwe stało się wykorzystanie tanich technologii komputerowych do budowy takich systemów. To była złota era branży BAS. W szczycie zainteresowania obniżeniem zużycia energii producenci systemów automatyki budynkowej opracowali wiele nowych technologii związanych ze sterowaniem infrastrukturą budynków. Rosnąca konkurencja spowodowała, że powszechne stały się cyfrowe rozwiązania bezpośredniego sterowania systemami budynków. Jednak większość systemów była niezależna od siebie i specyficzna dla określonego zastosowania, zaprojektowana do sterowania konkretnych operacji, „niewidzących” siebie nawzajem i bez integracji mechanizmów odpowiadających za sterowanie.
Przez następną dekadę systemy automatyki budynkowej rozwijały się jeszcze szybciej, jako że tempo postępu technologicznego było niemal wykładnicze. W tym czasie ceny energii spadły, co spowodowało, że zainteresowanie drogimi rozwiązaniami ograniczającymi jej zużycie osłabło. Presja zmalała, a o niedawnych problemach wkrótce zapomniano. Jednak w branży automatyki nie przerwano prac nad sposobami ograniczenia zużycia energii przez budownictwo. Użytkownicy zaczęli pytać o systemy, które umożliwiałyby połączenie ich razem, mimo tego, że urządzenia pochodziły od różnych producentów i dostawców, co przełożyło się na zwiększenie wyboru dostępnych produktów.
Dlatego właśnie otwarte protokoły stały się powszechnym tematem rozmów wśród użytkowników realizujących integrację systemów. To był czas, gdy świat dopiero zaczynał rozumieć wpływ konsumpcji energii na naszą planetę i środowisko naturalne. Ciągle pracowano nad rozwiązaniami, które pomagały zmniejszyć ten negatywny wpływ – nad otwartymi protokołami, które umożliwiały pełną integrację systemów. W 1987 r. dało to początek organizacji BACnet Project Standards Commettee (której prace zostały wdrożone jako standard ANSI/ANSHRAE w 1995 r.), a w 1990 r. doprowadziło do opracowania protokołu LonTalk (obecnie znanego jako LonWork, wdrożonego jako standard ANSI w 1999) r. przez Echelon Corp.
Dzisiaj większość budynków, zwłaszcza użyteczności publicznej i komercyjnych, jest projektowanych do korzystania z cyfrowych systemów BAS. Dzięki ewolucji technologii i protokołów systemy te stały się kluczowym elementem zapewnienia efektywnego funkcjonowania całych budynków. W idealnym świecie znaczyłoby to, że wszystkie budynki mogą czerpać korzyści z systemów typu plug & play. Jednak w istniejących realiach rynku nie jest łatwo zbudować tani budynek, a koszty przerzucić na najemców nieruchomości komercyjnych. Gdy myślimy o integracji, trzeba wziąć pod uwagę wszystkie czynniki, takie jak: koszt początkowy, różnorodność producentów sprzętu, „odziedziczone” stare systemy kontroli oraz wiek budynku.
Dodatkowo, ciągle rozwijające się technologie tzw. chmury oraz Internetu Rzeczy umożliwiają efektywną, wzajemną łączność, dzięki czemu inteligentne urządzenia mobilne mogą zostać włączone do tych skomplikowanych systemów. Przeglądarki internetowe, oprogramowanie dostępne online czy urządzenia mobilne mogą zostać wykorzystane do budowania dynamicznych systemów, w których możliwości archiwizacji są teoretycznie nieograniczone, a cała kontrola jest na wyciągnięcie ręki. Dzięki temu szansa na poprawę efektywności jest większa niż kiedykolwiek. Jednak można to osiągnąć tylko dzięki przeprowadzeniu udanej integracji.
Integracja i protokoły
Udana integracja wszystkich systemów w budynku zależy przede wszystkim od dobrego zrozumienia specyfiki konkretnej aplikacji i obiektu. Oczywiście dynamika procesu integracji zależy od tego, czy dotyczy on modernizacji istniejącego budynku, czy konstrukcji nowego. W przypadku nowej konstrukcji użyte mogą być urządzenia w specyfikacji z góry zakładającej integrację z innymi rozwiązaniami poprzez protokoły takie jak BACnet, LonWorks czy Modbus lub sprzęt pochodzący od jednego dostawcy, który będzie wzajemnie kompatybilny.
Jednakże również w przypadku projektów modernizacyjnych inżynierowie mogą pozostawić istniejące już systemy bez zmian, „dobudowując” nowe elementy, tak by w pełni współpracowały ze starszą instalacją. W takim przypadku najważniejsze, co należy zrobić na samym początku, powinno być szczegółowe przeanalizowanie, które obszary mogą zostać zintegrowane, a które nie. Dobra informacja jest taka, że producenci zaczęli rozwijać rozwiązania, które umożliwiają sprzężenie różnych systemów. W wielu przypadkach możemy zdecydować, czy chcemy wykorzystać sprzęt oferowany przez producenta istniejącej infrastruktury, czy pochodzący od innego, ale komunikujący się w odziedziczonym starszym protokole. Popularnym rozwiązaniem jest użycie sprzętu konwertującego stare lub firmowe protokoły na otwarte standardy, takie jak BACnet lub LonTalk. Pozwoli to innym systemom korzystającym z tych popularnych protokołów na dostęp do danych systemowych, punktów kontrolnych, sygnałów sterujących itp. Ponieważ nie zawsze integracja tych protokołów jest prosta, słabe zrozumienie ich specyfiki może spowodować, że proces ten będzie trwał naprawdę długo.
BACnet: Rozwój tego protokołu nabrał rozpędu w ostatniej dekadzie, by stać się obecnie prawdopodobnie najczęściej wykorzystywanym otwartym protokołem na rynku. Stało się tak, ponieważ różni producenci kolektywnie pracowali nad jego rozwojem i maksymalną użytecznością w integracji systemowej. Dodatkowo niezależna instytucja – BACnet Testing Laboratories (BTL) – ocenia i testuje produkty w zależności od ich funkcjonalności w oparciu o aktualne standardy ANSI/ASHRAE. Każde testowane rozwiązanie musi spełniać wytyczne dla danej grupy produktów. Na przykład sterownik budynku jest testowany w oparciu o inne wytyczne niż zaawansowana stacja robocza. Jeżeli jakiś produkt jest oznaczony logiem BTL, oznacza to, że został wszechstronnie przetestowany w oparciu o obowiązujące standardy.
Najpopularniejsza funkcjonalność BACnetu to integracja dwóch warstw komunikacyjnych – MS/TP oraz IP. Każda z tych warstw ma swoje zalety. MS/TP jest zwykle wykorzystywana w urządzeniach sterujących niższego poziomu, zaprojektowanych do sterowania urządzeń przy użyciu ekranowanej skrętki z buforem EIA-485 jako warstwą fizyczną. Jest to przydatne w projektach modernizacyjnych, gdy okablowanie dla urządzeń sterujących jest już wbudowane. Wymagana jest jednak ostrożność, ponieważ szybkość transmisji może być różna od obecnej, w zależności od tego, według której generacji standardów zostało ono zaprojektowane. Można to zweryfikować, sprawdzając dokumentację zgodności (Protocol Implementation Conformance Statement – PICS) danego urządzenia.
Do transmisji danych pomiędzy urządzeniami oraz do zcentralizowanego interfejsu, dla warstwy komunikacyjnej BACnet IP wykorzystuje się sieć CAT5, Ethernet lub protokoły bezprzewodowe. Jest to szybsze rozwiązanie, a także wygodniejsze, o ile infrastruktura sieci IP jest już zainstalowana w budynku. Sieci BACnet IP są zwykle oddzielone od głównego szkieletu sieci informatycznej, ponieważ transmitowanie wiadomości może spowolnić całą komunikację.
W większości przypadków sieć BACnet będzie się składała zarówno z urządzeń warstwy MS/TP, jak i IP, głównie dzięki wykorzystaniu routerów (urządzeń, które mogą przesyłać dane pomiędzy sieciami różnego typu), mostków (urządzeń, które przesyłają dane do sieci tego samego typu) oraz wzmacniaków-repeaterów (urządzeń, które przesyłają sygnał, jednocześnie go korygując i wzmacniając). Umożliwia to zebranie danych z różnych sieci BACnet na centralnym serwerze, by móc je później wyświetlać, monitorować i kontrolować. To wcale nie oznacza, że budynek musi mieć łączność „ze światem zewnętrznym”, by móc skorzystać z zalet sieci IP czy MS/TP – warstwy te mogą pracować lokalnie w strukturze intranetu (zamkniętej sieci lokalnej wykorzystującej technologie internetowe).
Gdy tworzona jest specyfikacja produktów BACnet potrzebnych do przeprowadzenia integracji, istotne jest zrozumienie, że istnieje wiele wariantów i generacji tego protokołu. Co więcej, komunikacja może nie być możliwa, jeśli nie zostanie spełnionych szereg warunków i standardów. Z tego powodu BACnet sprawdzi się w przypadku wielu urządzeń, ale działających tylko na konkretnych warstwach komunikacyjnych, np. BACnet w połączeniu z warstwą MS/TP to sprawdzony standard, ale z siecią ARCnet już nie.
LonWorks: Standard ten został opracowany przez firmę Echelon Corp. i jest postrzegany jako główny konkurent dla BACnetu. Bazuje on na protokole LonTalk i wykorzystuje wbudowane w urządzeniach chipy Neuron, produkowane przez konkurujących producentów. Ponieważ LonWorks jest rozwijany tylko przez jeden podmiot, pojawiały się wątpliwości, czy protokół ten jest naprawdę „otwarty”. Jednak taki model pracy nad tym standardem i ściślejsza kontrola jego rozwoju pozwoliły stworzyć bardziej rygorystyczny standard. Dzieje się tak dlatego, że LonWorks wykorzystuje stos, który musi mieć każdy węzeł sieci, sterownik i nie jest rozwijany przez konkurujące ze sobą firmy.
LonWorks może pracować zarówno z wykorzystaniem magistrali komunikacyjnej w postaci ekranowanej skrętki, jak i technologii IP (Ethernet). Protokół ten przeznaczony jest do pracy w zamkniętej sieci intranet lub środowisku komunikującym się z Internetem i może być dostępny na wielu urządzaniach, pochodzących od różnych producentów. Echelon, przy współpracy z kilkoma producentami branży automatyki, oferuje urządzenia, które mogą zostać zaimplementowane w sieci wykorzystującej inne protokoły i które mogą być przekonwertowane na standard BACnet. Oznacza to, że można zbudować system automatyki budynkowej działający efektywniej i zapewniający pełną interoperacyjność, używając innych, konkurencyjnych dla LonWorks, produktów.
Modbus: Ten otwarty protokół jest powszechnie wykorzystywany w aplikacjach ze sterownikami lub czujnikami. Do komunikacji wykorzystuje on zarówno zdalny terminal (Remote Terminal Unit – RTU, z zastosowaniem ekranowanej skrętki oraz buforu EIA-485) oraz strukturę TCP/IP (Ethernet, CAT5E itp.) i jest przeznaczony do pracy zarówno w lokalnej sieci intranet, jak i w Internecie. Typowe zastosowania Modbus sprowadzają się głównie do przemysłu – są to np. pomiary energetyczne, sterowanie napędami czy klasyczne układy sterowania. Integracja tego protokołu w przypadku większości systemów nie stanowi problemu. Możliwe jest także wykorzystanie bram sieciowych (gateway), czyli urządzeń komunikujących ze sobą różne protokoły.
Protokoły firmowe: Obecnie na rynku dostępnych jest wiele różnorodnych protokołów firmowych, które można spotkać w automatyce budynkowej. Warto zaznaczyć, że w aplikacjach przemysłowych dominują protokoły otwarte, jednak w aplikacjach budynkowych bardzo często budowane są systemy sterowania w oparciu właśnie o protokoły firmowe. Integracja takich urządzeń automatyki generuje dodatkowe koszty, a ponadto zawsze istnieje ryzyko, że integrator będzie znał system, który sprzedaje i instaluje, ale nie będzie znał systemów, które ma ze sobą połączyć. Integratorzy często doskonale znają „swoje” urządzenia, ale może się okazać, że integracja systemów innych standardów będzie wymagała pracy dodatkowych zespołów serwisantów czy automatyków.
Szczególną uwagę należy zwrócić na producentów, którzy oferują wsparcie dla swoich starszych systemów i zapewniają ich kompatybilność z nowszymi oraz wiodącymi na rynku rozwiązaniami. Wiele z tych firm ma opracowane metody, jak modernizować starsze produkty, by mogły współpracować z nowszymi protokołami. W dodatku oferują one często rozwiązania umożliwiające połączenie wszystkich urządzeń w jeden spójny system, przy stosunkowo niskich kosztach. W takim przypadku modernizacja budynku pozwala na zachowanie dotychczasowego systemu BAS, który jest znany personelowi, zmniejszając tym samym czas potrzebny na szkolenia, oraz pozwala dopasować tempo prac do potrzeb pracowników.
Chociaż na rynku istnieje wiele dobrych rozwiązań dla integracji istniejących systemów, trzeba jednak jasno powiedzieć, że nie wszystkie one są jednakowe. Niektóre charakteryzują się ograniczonym wsparciem, wynikającym z braku doświadczonych fachowców, inne natomiast są z czasem celowo dezaktualizowane. W obu przypadkach może dojść do sytuacji, że użytkownicy będą musieli modernizować system znacznie częściej, niż pozwala na to ich budżet lub zostaną skazani na system, który nie będzie już dłużej wspierany przez producenta. Istotne jest, by firmy zapewniały wsparcie dla swoich produktów i usług przez długi czas.
Internet Rzeczy – IoT
Obecny rozwój technologii komunikacyjnych i sieciowych sprawia, że każdy z nas staje się coraz bardziej „połączony” z różnymi produktami, usługami czy urządzeniami, jako że Internet wkracza coraz częściej w niemal każdy aspekt naszego życia. Coraz bardziej usieciowione budynki, o większej dostępności do ich podsystemów, przy dobrej i przemyślanej integracji funkcji sterowania i monitoringu, będą pracowały znacznie wydajniej.
W branży automatyki rozwijanych jest coraz więcej nowych produktów dla budownictwa. Niektóre firmy, wykorzystując protokoły integracyjne, takie jak wspomniane wcześniej BACnet, Modbus czy LonWorks, tworzą w ten sposób rozwiązania i usługi bazujące na sieciach lokalnych poziomu obiektowego i Internecie, które pozwalają na jeszcze większą dostępność systemów budynków oraz oferują lepsze narzędzia analityczne. Produkty te znacząco upraszczają obsługę systemów BAS, wobec czego użytkownik może kontrolować infrastrukturę budynku, bez znajomości zawiłości tego skomplikowanego systemu. Realizuje się to poprzez integrację z usługami IT, już obecnymi w tych budynkach.
Na przykład pewne systemy BAS mogą współpracować z takimi popularnymi kalendarzami, jak Microsoft Outlook, Google Calendar czy Apple iCal. W praktyce oznacza to, że strefy czasowe mogą być ustawiane automatycznie na podstawie grafiku użytkownika – dane są pobierane bezpośrednio z jego komputera, tabletu czy telefonu. To zmniejsza ryzyko zapominania o zmianie nastaw temperatury lub konieczności dokonania jakichś zmian, co może wynikać na przykład z nieaktualizowania harmonogramów (spotkanie w sali konferencyjnej zostało anulowane poprzez kalendarz MS Outlook, jednak system BAS, używający swojego lokalnego kalendarza, „nie wie”, że trzeba wyłączyć oświetlenie i klimatyzację. Dzięki integracji z firmowym kalendarzem nikt nie musi pamiętać o bezpośredniej ingerencji w interfejsie BAS). Inne przykłady to możliwość zmiany temperatury, wykorzystanie interfejsów monitoringu i operatorskich do zdalnego rozwiązywania problemów w systemie, przeglądania alarmów czy analizy trendów przy pomocy urządzeń mobilnych.
Dodatkowo nowoczesne systemy automatyki budynkowej pełnymi garściami czerpią z dobrodziejstw Internetu czy chmury i na bieżąco mogą przesyłać raporty o oszczędnościach w konsumpcji energii lub inne dane, np. związane z finansami, do odpowiednich osób w firmie. Systemy te dysponują narzędziami, które mogą monitorować zużycie energii i automatycznie konwertują te dane na informacje o wpływie na środowisko. Narzędzia te mogą także tworzyć analizy historii zużycia, a po uwzględnieniu odpowiednich zmiennych, sporządzać znormalizowane raporty o wydajności. Pomagają one także ustalać cele, bazując na głównych czynnikach wpływających na zużycie energii, i tworzyć predykcyjne modele, automatycznie generujące alarmy, gdy wydajność spada poniżej założonego poziomu. Dzięki tym i wielu innym funkcjom energia i parametry środowiska w budynku mogą być efektywnie monitorowane, a także optymalizowane. Dzięki praktycznie nieskończonej pojemności chmury dane można archiwizować bezpiecznie, bez przejmowania się ilością zajmowanego przez nie miejsca. Informacje te mogą być wykorzystywane w czasie cyklu życia, by śledzić i analizować wydajność energetyczną, skuteczność konserwacji, a także oszczędności, które udało się poczynić dzięki wszystkim wbudowanym systemom.
Ponieważ systemy automatyki budynkowej są obecnie wykorzystywane do poprawy efektywności energetycznej budynków w odpowiedzi na wysokie ceny energii, dzięki interoperacyjności i integracji, kładzie się coraz większy nacisk, by skutecznie wykorzystywać możliwości, jakie oferuje współczesny, połączony siecią teleinformatyczną świat.
Wykorzystanie chmury
Rozwój Internetu i urządzeń mobilnych spowodował, że firmy zajmujące się automatyką budynkową oraz oprogramowaniem IT zaczynają oferować platformy do zarządzania inteligentnymi budynkami na zasadzie SaaS – Software as a Service (oprogramowanie jako usługa). SaaS polega na tym, że aplikacja, która jest wykonywana, nie jest zlokalizowana w obszarze, którym zarządza. Aplikacja, zamiast pracować i przechowywać dane na lokalnym serwerze w budynku, korzysta z centrum danych dostawcy.
Sposób licencjonowania oprogramowania SaaS różni się od licencjonowania oprogramowania instalowanego na sprzęcie u klienta. Zamiast kupowania licencji, a następnie płacenia za wsparcie techniczne i aktualizacje, „wynajmuje się” oprogramowanie na pewien czas – zwykle na miesiąc lub rok. Ponieważ oprogramowanie działa na sprzęcie dostawcy, nie trzeba kupować sprzętu, a następnie płacić za jego instalację, pracę i konserwację. Koszty subskrypcji zawierają koszt oprogramowania, sprzętu i obsługi.
By uruchomić aplikację typu SaaS, zwykle wystarczy zalogować się na stronie sprzedawcy. Można powiedzieć, że oprogramowanie takie działa w chmurze i byłaby to prawda, trzeba jednak podkreślić, że same aplikacje SaaS nie są chmurą.
Chmura obliczeniowa dostarcza usług obliczeniowych, które nie są związane z żadną konkretną lokalizacją – są hostowane, monitorowane, archiwizowane i obsługiwane przez serwery w różnych miejscach na całym świecie. Chmura obliczeniowa składa się z:
- wirtualnych komputerów i serwerów,
- przestrzeni do przechowywania informacji,
- przestrzeni komunikacyjnej,
- sieci,
- środowisk rozwojowych.
Chmura obliczeniowa jest narzędziem skierowanym do programistów, dostawców oprogramowania, świadomych użytkowników i działów IT w korporacjach, a nie do użytkowników aplikacji komputerowych (rys. 3).
O autorach:
Anil Ahuja jest prezesem CCJM, multidyscyplinarnej firmy inżynieryjnej dostarczającej projekty typu inteligentne miasto i inteligentne budynki, strategie rozwoju miast, rozwiązania inżynieryjne do systemów wodociągowych i ściekowych oraz projekty mostów i autostrad. Jest członkiem panelu doradczego Consulting-Specifying Engineer.
Rocky Moore jest regionalnym dyrektorem sprzedaży w American Auto-Matrix. Ma ponad 11 lat doświadczenia z instalacjami HVAC. Jest także członkiem BACnet International Marketing Committee.
Tekst pochodzi z nr 3/2016 magazynu „Inteligentny Budynek”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.