Inteligentne budynki
Pojęcie inteligentnego budynku to określenie dotyczące wszystkich zaawansowanych technicznie budowli wyposażonych w automatyczne systemy monitoringu i zarządzania budynkiem. Inteligentny dom wyposażony jest w szereg systemów czujników i detektorów oraz jeden wspólny obwód zarządzania znajdującymi się w budynku instalacjami. Dzięki systemowi czujników, dom reaguje na zmiany zachodzące zarówno w jego wnętrzu, jak i na zewnątrz, co przyczynia się do zwiększenia komfortu przebywających w nim osób oraz minimalizacji kosztów eksploatacji. Oczywiście inteligentny budynek nie może w żaden negatywny sposób wpływać na ludzi, którzy z niego korzystają.
Automatyka budynkowa to nieodzowny element każdego inteligentnego domu, niezależnie od tego czy jest to prywatna, wolnostojąca willa, budynek wielorodzinny, obiekt usługowy, gmach publiczny czy też hala przemysłowa, a nawet może być to cała fabryka. Pod tym pojęciem kryje się kompleksowy system automatyki, który pozwala na automatyzację i zdalne sterowanie różnymi elementami budynku, takimi jak ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja, czyli systemy HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning), a także obejmuje systemy alarmowe, przeciwpożarowe czy monitoringu CCTV.
Jak widać, zadaniem automatyki budynkowej jest zapewnienie bezpieczeństwa i komfortu mieszkańcom czy pracownikom, przy jednoczesnym wdrożeniu procedur oszczędzania energii. Podstawą działania systemów automatyki budynkowej są sieci czujników, jednostki sterujące, np. sterowniki PLC, komputery przemysłowe czy przekaźniki, urządzenia pomiarowe, interfejsy HMI, siłowniki oraz przewodowe i bezprzewodowe systemy teleinformatyczne. Dzięki nim możliwa jest komunikacja i wymiana informacji pomiędzy poszczególnymi elementami automatyki budynkowej, a także zdalne nimi sterowanie, co pozwala stworzyć spójny i funkcjonalny system.
Automatyka budynkowa
Historia automatyki budynkowej, a zarazem inteligentnych budynków, sięga lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku, kiedy w Stanach Zjednoczonych zaczęły pojawiać się systemy sterujące infrastrukturą hal przemysłowych i automatyki zarządzającej szklarniami, w których środowisko dostosowywane było do potrzeb aktualnej fazy rozwoju roślin. Chodziło przede wszystkim o sterowanie ogrzewaniem i klimatyzacją tak, aby reagowały one na zmieniające się warunki zewnętrzne. Drugim elementem, jaki zaczęto wówczas wdrażać była telewizja przemysłowa CCTV (Close Circuit TV) i systemy automatycznych rygli do pomieszczeń lub wygrodzeń roboczych hal, tak aby nie mogły dostać się tam osoby niepowołane.
Technologie te zostały zmodyfikowane oraz unowocześnione, co pozwoliło już na początku lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku skonstruować systemy zarządzania budynkiem, tzw. systemy BMS (Building Management
Systems), które mogły być stosowane w budynkach biurowych i laboratoriach przemysłowe, skąd trafiły do urzędów administracji publicznej, budownictwa mieszkaniowego i małych domków jednorodzinnych.
Podstawę takiego systemu stanowi instalacja elektryczna i instalacja IT, do której przyłącza się m.in. czujniki, napędy, kamery, oświetlenie. Wszystkie elementy połączone są z centralą, która odbiera sygnały pochodzące z systemu, np. sygnał informujący o wejściu użytkownika do pomieszczenia i dający impuls włączający oświetlenie. Dodatkowo centrala pełni funkcję programatora, dzięki temu użytkownik może zaplanować cykliczne działanie odpowiednich urządzeń [1].
Zastosowanie systemów automatyki inteligentnego domu pozwala nie tylko na zwiększenie bezpieczeństwa i komfortu użytkowania danego budynku, ale często wręcz umożliwia stworzenie zaawansowanych systemów produkcyjnych, czego najlepszym przykładem mogą być fabryki półprzewodników. Bez sterowania budynkowego w tzw. clean roomach nie dałoby się w ogóle prowadzić produkcji. Systemy te pozwalają m.in. na odpowiednie oczyszczanie powietrza i na pełną kontrolę jego jakości i parametrów, takich jak temperatura, zawartość pyłów, wilgotność itp.
Energooszczędność
Obecnie najistotniejszą zaletą inteligentnego domu jest zwiększenie energooszczędności w jego eksploatacji i użytkowaniu. Jest to o tyle istotna cecha, że od 2030 r., a w wypadku budynków administracji publicznej od 2028 r., wszystkie nowo budowane na terenie Unii Europejskiej obiekty muszą być zeroemisyjne. W przypadku istniejących już budynków mieszkalnych państwa członkowskie będą musiały wprowadzić środki, które mają doprowadzić do zmniejszenia średniego zużycia energii pierwotnej o co najmniej 16 % do 2030 r. i co najmniej 20–22 % do 2035 r.
Budynek zeroemisyjny lub budynek o niemal zerowym zużyciu energii NZEB (Nearly Zero Energy Building) cechuje się zerowym lub bliskim zera zużyciem energii netto. Oznacza to, że całkowita ilość zużywanej przez niego energii w skali roku równa się ilości energii odnawialnej wytworzonej w danym miejscu lub w jego pobliżu – na przykład z zainstalowanych w ogrodzie paneli fotowoltaicznych. Innymi słowy, zgodnie z definicją przyjętą przez Komisję Europejskią, budynek zeroemisyjny to budynek o bardzo wysokiej charakterystyce energetycznej, czego w praktyce nie można uzyskać bez odpowiedniej automatyki budynkowej reagującej na zewnętrzne warunki atmosferyczne.
Inteligentny dom to nie tylko komfort oraz bezpieczeństwo jego użytkowania, ale również i ekonomia. W porównaniu z tradycyjnym budynkiem koszty eksploatacji są średnio mniejsze o około 50 %. Główne oszczędności uzyskuje się dzięki efektywnemu i optymalnemu sterowaniu ogrzewaniem oraz klimatyzacją. Istotne jest również zmniejszenie kosztów eksploatacji wynikające ze zautomatyzowania pracy urządzeń elektrycznych i oświetlenia.
Dzięki zastosowaniu technologii inteligentnego domu sprostanie wymaganiom, które zawarte są w przepisach europejskich jest dużo łatwiejsze, ponieważ system nie tylko wprowadza oszczędności, lecz także współpracuje z odnawialnymi źródłami energii, takimi jak: kolektory słoneczne, panele fotowoltaiczne czy wiatrowe lub wodne generatory prądu. W celu osiągnięcia zeroemisyjności budownictwa Komisja Europejska kieruje się zasadą „efektywność energetyczna przede wszystkim” i dlatego budynki o niemal zerowym zużyciu energii muszą charakteryzować się takimi rozwiązaniami, jak:
- ocieplenie dachu,
- filtracja powietrza i wentylacja,
- wydajne oraz energooszczędne oświetlenie i ogrzewanie,
- instalacja fotowoltaiczna (jeśli to możliwe),
- okna o wysokiej wydajności w zatrzymywaniu ciepła,
- energooszczędny sprzęt,
- inteligentny termostat,
- stacja ładowania pojazdów elektrycznych (jeśli potrzebna).
Komisja Europejska nakłada na budownictwo państw UE konkretne obowiązki, takie jak m.in. obliczanie współczynnika globalnego ocieplenia w całym cyklu życia budynków. Oznacza to, że współczynnik ten musi znaleźć się w charakterystyce energetycznej budynków. Przepis ten znajdzie zastosowanie od 1 stycznia 2027 r. w odniesieniu do wszystkich nowych budynków o powierzchni użytkowej większej niż 2000 m2 oraz od 1 stycznia 2030 r. w przypadku wszystkich nowych budynków [2].
| Standardy ZigBee i Z-Wave W Mniejszych instalacjach inteligentnego domu typu BA spotkać się można z bezprzewodowymi standardami komunikacji ZigBee oraz Z-Wave. Transmisja w standardzie ZigBee, w zależności od regionu, może odbywać się w pasmach 868 MHz, 915 MHz lub 2,4 GHz. Transmisja odbywa się z prędkością do 250 kbit/s, a maksymalna odległość pomiędzy urządzeniami może dochodzić na zewnątrz budynku do 100 metrów i ok. 50 wewnątrz. Standard stworzony został jako tani i przede wszystkim, energooszczędny protokół automatyki domowej. Jego cechą charakterystyczną jest to, że działa on w modelu bezprzewodowej sieci mesh – czyli takiej, w której obustronna komunikacja może się odbywać się bezpośrednio pomiędzy urządzeniami nazywanymi węzłami sieci. W większości rozwiązań systemów inteligentnego domu stosuje się jednak centralny kontroler, który usprawnia i optymalizuje działanie węzłów sieci ZigBee jako calości. Spośród najważniejszych zalet ZigBee wymienia się ogromną ofertę produktów, wspomnianą energooszczędność oraz stosunkowo dużą łatwość tworzenia rozbudowanych systemów inteligentnego domu. Głównym rywalem ZigBee jest standard Z-Wave. Jego ogólna zasada działania jest podobna. Urządzenia również działają w sieci mesh z centralnym sterowaniem. Sieć działa na szeregu częstotliwości, różnych w zależności od regionu. W Europie wykorzystuje się pasmo 868,42 MHz, dzięki czemu nie ma problemów z zakłóceniami pochodzącymi od sygnałów Wi-Fi i Bluetooth oraz ma lepszy zasięg przekraczający 150 m na zewnątrz i 80 m w budynku. Z-Wave często określany jest też mianem standardem prostszego, bardziej kompatybilnego i łatwiejszego w konfiguracji, szczególnie w warunkach domowych. Pozwala on na połączenie do 230 urządzeń. Ze standardu tego korzysta m.in. polski producent automatyki budynkowej, firma Fibaro. |
Funkcje systemu inteligentnego budynku
Systemy automatyki budynkowej podzielić można na cztery główne grupy: proste bezprzewodowe lub przewodowe systemy BA, centralne systemy BA, systemy KNX oraz rozwiązania BMS. Pierwsza grupa wyróżnia się niską ceną oraz łatwym montażem i instalacją oraz, niestety, ograniczonymi możliwościami rozbudowy. Systemy centralne bazują zaś na głównym urządzeniu sterującym, do którego podłącza się odpowiednie moduły wykonawcze. Kolejną grupą są systemy KNX, mają one bardzo wszechstronne zastosowania i można je dowolnie rozszerzać. Zaletą jest kompatybilność urządzeń różnych producentów. Wadą jest konieczność stosowania okablowania, co niekiedy może powodować problemy instalacyjne. Ostatnią, najbardziej rozbudowaną grupą są systemy BMS, które pozwalają na zbieranie informacji i sterowanie wszystkimi urządzeniami automatyki budynkowej. Systemy te współpracują z urządzeniami różnych producentów i można je w dowolny sposób rozbudowywać.
Wszystkie te systemy pozwalają, w mniejszym lub większym stopniu na realizację podstawowych funkcji inteligentnego domu. Pierwszą z nich jest dostosowywanie działania zamontowanych w budynku urządzeń do panujących na zewnątrz warunków pogodowych. Za pomocą rozbudowanej sieci czujników komputer współpracujący z systemem pogodowym podejmuje decyzje o zamknięciu okien, w chwili kiedy zostanie wykryty deszcz lub silny wiatr, a następnie je otworzy, kiedy warunki pogodowe się poprawią. Steruje też żaluzjami ograniczającymi efekt nagrzewania się pomieszczeń. Pomiar temperatury zewnętrznej pozwala lepiej sterować pracą grzejników, a czujniki natężenia oświetlenia wykorzystywane są do sterowania oświetleniem wewnątrz budynku, o czym za chwilę.
Drugą funkcją realizowaną przez automatykę budynkową funkcją jest ochrona budynku przed włamaniem, zalaniem lub pożarem. Dzięki zainstalowanym kamerom można w każdej chwili obserwować (i oczywiście rejestrować), w tym zdalnie na ekranie smartfona, co dzieje się w konkretnych pomieszczeniach. Dzięki odpowiednim czujnikom system wykrywa przekroczenia przez pracowników linii bezpieczeństwa, otwarcia bramek do stref wygrodzonych, a nawet może rejestrować wybicie okna lub otworzenie przez osoby niepowołane szafki z poufnymi dokumentami. Może to skutkować wszczęciem alarmu lub wysłania automatycznej informacji do firmy ochroniarskiej lub na policję.
Kolejnym istotnym systemem bezpieczeństwa jest system przeciwpożarowy. Jego zadaniem jest czynna ochrona budynku i znajdujących się w nim osób w razie pożaru. Składa się on z dwóch części – sieci czujników dymu i temperatury oraz bezpośredniej sieci ochrony przeciwpożarowej, w skład której wchodzą spryskiwacze. Działanie skutecznego systemu przeciwpożarowego polega na wczesnym wykryciu miejsca pożaru i uruchomieniu w danym pomieszczeniu urządzeń gaśniczych. Podobnie działa system ostrzegający przed zalaniem. Ma on istotne znaczenie w ochronie kluczowych elementów sterujących inteligentnym domem lub przy ochronie takiej infrastruktury, jak serwerownie i uruchamia się, jeśli czujniki na danym obszarze wykryją wilgoć, wodę pochodzącą z pękniętej instalacji centralnego ogrzewania, czy wodociągowej.
Trzecią, istotną funkcją systemów inteligentnego domu jest system odpowiadający za komfort przebywających w budynku, biurze czy fabryce osób. Najważniejszy z nich to systemy sterujące ogrzewaniem, wentylacją, oświetleniem i klimatyzacją oraz wspomniany na początku system pogodowy. Mogą one zapewnić różne warunki w różnych pomieszczeniach – w zależności od potrzeb przebywających tam osób. Systemy te inaczej zachowują się gdy budynek jest pusty, a inaczej gdy przebywają w nim pracownicy lub mieszkańcy. Dzięki współpracy z systemem pogodowym mogą odpowiednio zareagować na zmieniające się warunki atmosferyczne. Sterowanie ogrzewaniem i klimatyzacją uzależnione jest od temperatury zewnętrznej oraz obecności w pomieszczeniach osób. Po wejściu pracownika do pomieszczenia temperatura, zależnie od pory roku, zostaje podniesiona lub zmniejszona do optymalnej. Największe oszczędności uzyskuje się w wypadku pomieszczeń pustych. Ogrzewanie lub klimatyzowanie pomieszczeń zostaje wówczas ograniczone, a przed przybyciem pracowników do budynku podnoszona jest temperatura do zadanych wartości. Podobnie działa system oświetlenia. Źródła światła są wyłączane, gdy nie są potrzebne, np. jest jasny słoneczny dzień. Są włączane do poziomu zadanego dla danej hali czy stanowiska pracy, gdy są tam obecni pracownicy i jest tam niewystarczająco widno.
Komfortowy, inteligentny budynek nie może się obejść bez różnego rodzaju systemów multimedialnych. Mogą one współpracować z laptopami lub smartfonami pracowników i korzystać z danych zgromadzonych na serwerach firmy lub z zewnętrznych usług chmurowych bądź streamingowych. Wykorzystywane często w aplikacjach multimedialnych panele HMI mogą dodatkowo służyć do ręcznego ustawiania poprawek do warunków panujących w danym pomieszczeniu lub na stanowisku roboczym i przeglądania danych dotyczących pracy systemów, a także analizy raportów dotyczących działania inteligentnego domu. Z kolei zastosowanie technologii sieci bezprzewodowych Wi-Fi pozwala na komfortowe korzystanie z dostępu do Intranetu i Internetu.
Kontrola dostępu i system personalizacji
Ostatnią, istotną funkcją realizowaną przez systemy inteligentnego budynku jest kontrola dostępu do pomieszczeń i wydzielonych stref. Znajdują one głównie zastosowanie w biurowcach i budynkach fabrycznych należących do firm i instytucji. Bazują one albo na złożonych systemach personalizacji wykorzystujących rozpoznawanie obrazu, albo na systemie tradycyjnych czytników kart chipowych. W tym pierwszym wypadku budynek sam rozpoznaje osobę i stwierdza, czy ma ona dostęp do danych pomieszczeń, w drugim decyzje podejmowane są na podstawie informacji zawartych na karcie.
Z kolei złożone systemy personalizacji, jak sama nazwa wskazuje, są znacznie bardziej skomplikowane i pozwalają dostosować budynek do indywidualnych wymagań użytkownika. Stosuje się tu nie tylko technologie rozpoznawania obrazu, ale również mechanizmy sztucznej inteligencji, które w sposób adaptywny śledzą zachowania i reakcje poszczególnych osób lub mogą też dynamicznie analizować losowe zdarzenia. Przykładowo, jeśli pracownik wykazuje objawy zmęczenia, można mu odciąć dostęp do wygrodzonych stref bezpieczeństwa w pobliżu maszyn. W normalnych warunkach jest on uprawniony do przebywania w tych strefach. W ten sposób można zapobiec wypadkom przy pracy.
Klasy systemów inteligentnego domu
Przejdźmy teraz do omówienia, wspomnianych wcześniej klas systemów automatyki budynkowej i rozwiązań inteligentnego domu. Wyróżniamy tu cztery klasy:
- proste systemy przewodowe i bezprzewodoweklasy BA (Building Automation),
- systemy BA z centralnym modułem sterującym,
- systemy klasy KNX,
- rozwiązania BMS.
Cechą systemów BA jest to, że są przygotowywane pod potrzeby konkretnego lub typowego (wg założeń twórców) klienta i charakteryzują się ograniczoną możliwością rozbudowy. Bardzo często są to systemy zamknięte, które co prawda można do pewnego stopnia rozbudować, ale wszystkie jego elementy muszą pochodzić od jednego dostawcy. Proste systemy BA pozwalają zwykle na sterowanie typu włącz-wylącz, a użytkownik ma do dyspozycji wyłącznie panel sterujący wspomagany aplikacją na smartfona, która pozwala zdalnie sterować systemem inteligentnego domu. Warto też wspomnieć, że liczba podłączonych elementów (w tym czujników zbierających dane do systemu i elementów wykonawczych) jest ograniczona. Maksymalnie jest to 100–500 podłączonych elementów. Tego typu rozwiązania doskonale sprawdzają się w domkach jednorodzinnych i małych biurach bądź niewielkich biurowcach, w których jest od kilku do maksymalnie 15–20 pomieszczeń.
W systemach BA stosuje się coraz częściej komunikację bezprzewodową. F&Home Radio firmy F&F to bezprzewodowy system inteligentnej automatyki domowej. Szczególnie polecany do mieszkań i budynków, w których prowadzenie dodatkowych instalacji wiązałoby się z kuciem ścian w już wykończonych wnętrzach. Podstawą działania modułów systemu inteligentnego domu F&Home Radio są fale radiowe zapewniające stabilne działanie oraz skuteczną transmisję danych w zasięgu do 350 m.
Przykładem kompletnych, w pełni funkcjonalnych, rozwiązań typu BA mogą być też produkty firmy Fibaro. System bazuje na centralnym kontrolerze Home Center 3 dostępnym również w wersji Lite oraz szeregu czujników i aktuatorów czyli elementów wykonawczych. Komunikacja między nimi odbywa się za pomocą protokołu Z-Wave, a w wypadku urządzeń Nice za pomocą protokołu ZigBee. Ich maksymalna liczba, zgodnie ze specyfikacją Z-Wave, to 230. Co ważne, jednostka sterująca wyposażona jest też w port Gigabit Ethernet, który pozwala połączyć system z domową siecią LAN i za jej pośrednictwem z urządzeniami mobilnymi.
Zaletą systemu Fibaro jest w pełni bezprzewodowa praca, a co za tym idzie bezinwazyjna instalacja niewymagająca kładzenia setek metrów. Miniaturowe moduły instaluje się w dowolnej puszce podtynkowej zamiast klasycznego włącznika światła, sterowania rolet itp. Elementy systemu automatyki domu nie integrują się na stałe z infrastrukturą. W każdym momencie moduły można wyjąć ze ściany i zainstalować w nowym miejscu.
Systemy centralne charakteryzują się tym, że są znacznie bardziej rozbudowane i koncentrują się wokół jednego, centralnego urządzenia sterującego, zazwyczaj komputera przemysłowego klasy PC. W rozwiązaniach tych do komunikacji bardzo często stosuje się własne okablowanie lub istniejącą instalację elektryczną (technologia PLC) czy sieć Ethernet LAN. Coraz częściej spotkać można komunikację bezprzewodową, zarówno w standardzie 5G, jak i Wi-Fi 6/6E, a nawet Wi-Fi 7, ale głównie na zasadzie uzupełnienia kablowej wymiany danych. Wówczas mamy do czynienia z tzw. instalacją hybrydową. Systemy centralne znaleźć można zarówno w wolnostojących domkach, jak i większych budynkach, takich jak bloki mieszkalne czy nawet spore biurowce.
Sercem każdego systemu centralnego jest jednostka sterująca. Rolę tę pełni wyspecjalizowany, szybki komputer, który umożliwia odczyt parametrów z setek, a nawet tysięcy sensorów i może jednocześnie sterować dziesiątkami lub setkami aktuatorów. Musi zapamiętywać i analizować wszystkie dane, a także udostępniać informacje archiwalne. Standardem jest możliwość współpracy systemu centralnego z Internetem, z telewizją przemysłową CCTV lub kamerami IP, a także z urządzeniami mobilnymi LTE/5G. Dostęp do wszystkich zgromadzonych danych musi być możliwy zarówno z terminali rozrzuconych po całym budynku, jak i smartfona czy tabletu i to bez zbędnych opóźnień.
Przykładem aplikacji sterującej instalowanej na jednostce centralnej jest WAGO Building Control. Oferuje ona wszystkie funkcje potrzebne do obsługi systemów oświetlenia, zacienienia, ogrzewania, klimatyzacji i wentylacji. Dzięki interfejsowi użytkownika opartemu na przeglądarce operator ma stały podgląd wszystkich podsystemów w budynku i może korzystać z różnych funkcji monitorowania. System oferuje również funkcję alarmu w przypadku wystąpienia błędów. W razie potrzeby dane z aplikacji mogą zostać przeniesione do chmury WAGO Building Operation and Control.
System zarządzania budynkiem Emalytics firmy Phoenix Contact to platforma łącząca wszystkie centralne elementy cyfrowej infrastruktury budynku. Emalytics to inteligentna platforma integrująca system zarządzania i obsługi oraz monitorowanie energii. Platforma programistyczna oparta na IoT umożliwia sterowanie i przetwarzanie danych i informacji ze wszystkich obszarów i instalacji, zgodnie z aktualnym zapotrzebowaniem. Jest to platforma łącząca wszystkie procesy i aplikacje w budynku, zapewniająca łatwe programowanie.
Z punktu widzenia zwykłego użytkownika, system centralny ma taką samą funkcjonalność jak prostsze rozwiązania inteligentnego domu. Jego zalety są widoczne w większych instalacjach, pozwalają administratorowi budynku w pełni kontrolować media, temperaturę i oświetlenie. System taki może automatycznie wskazywać drogę ucieczki, zapalać oświetlenie awaryjne zasilane ze stacji UPS, a także samodzielnie wszczynać alarmy w razie pożaru czy nieszczelności instalacji gazowej z jednoczesnym, zdalnym powiadamianiem służb ratowniczych. Dostępne są też moduły ułatwiające akcje ratunkowe, obrazujące w których pomieszczeniach znajdują się ludzie.
Standard KNX
Przejdźmy do systemów KNX. Jest to standard instalacji elektrycznej umożliwiający komunikację między wszystkimi odbiornikami energii elektrycznej znajdującymi się w budynku. Innymi słowy, KNX pozwala na zdalny dostęp do wszystkich instalacji infrastruktury budynku, a ponieważ jest otwartym standardem, pozwala na dowolne rozwijanie funkcjonalności automatyki budynkowej przez wszystkich producentów i użytkowników. Warto zauważyć, że system KNX jest jednocześnie rozproszonym, zdecentarlizowanym systemem automatyzacji funkcji budynkowych, a za realizację każdej funkcji w systemie, odpowiadają niezależne urządzenia, komunikujące się przy pomocy wspólnej magistrali.
KNX to też protokół komunikacyjny dla wszystkich inteligentnych instalacji budynkowych, wyposażonych we własną elektronikę, a także protokół, za pomocą którego mogą komunikować się czujniki i systemy sterowania. Urządzenia te mogą działać w ramach Przemysłowego Internetu Rzeczy IIoT. Dzięki temu można łączyć systemy instalacji elektrycznej, infrastrukturę techniczną budynku, systemy ogrzewania i klimatyzacji HVAC, instalacje alarmowe i przeciwpożarowe, nagłośnienie, monitoring, zabezpieczenia budynków, opomiarowanie i wszystkie inne systemy automatyki budynkowej składające się na inteligentny dom. Co ważne, do komunikacji wykorzystać można zarówno linie elektryczne, skrętkę, przewody dwużyłowe, fale radiowe oraz standardową sieć LAN, w tym w wersji optycznej.
Jednolity protokół komunikacyjny KNX umożliwia inteligentną integrację w jeden centralny lub rozproszony system różnych funkcji rozproszonej automatyki budynkowej, niezależnie od producenta sprzętu. System pozwala na komunikowanie do 12 000 urządzeń, dzięki czemu można projektować i realizować dowolne rozwiązania inteligentnego domu czy fabryki, a nawet tzw. rozwiązania kampusowe. Wymienić należy układy, zaczynając od najprostszej kontroli oświetlenia, prostych dwustanowych systemów alarmowych czy instalacji ogrzewania lub kontroli rolet, przez zaawansowane sterowanie klimatyzacją, wentylacją, integrację z zaawansowanymi systemami alarmowymi, systemami rozpoznawania obrazu i kontrolą dostępu do pomieszczeń, aż do zdalnej wizualizacji i sterowania całą infrastrukturą fabryki za pomocą dedykowanych serwerów współpracujących z oprogramowaniem SCADA. Możliwe też jest „spięcie” automatyki budynkowej z systemem automatyki przemysłowej za pomocą specjalnych bramek komunikacyjnych. Co więcej, KNX pozwala w dowolnym momencie przeprogramowywać poszczególne urządzenia, tak aby sprostały zmieniającym się wymaganiom.
Przykładem w pełni funkcjonalnych rozwiązań KNX jest system GAMMA instabus firmy Siemens. W jej skład wchodzi wiele urządzeń, w tym zadajniki pomieszczeniowe, regulatory pogodowe, regulatory układów HVAC, termostaty i regulatory pomieszczeniowe, siłowniki, zawory, pzremienniki częstotliwości i inne.
Warto zauważyć, że w systemach KNX zarządzanie budynkami obejmuje wiele instalacji zintegrowanych z siecią LAN i Internetem. Routery IP umożliwiają łączenie poszczególnych pięter przez Ethernet (LAN). Pozwala to w przejrzysty sposób monitorować zarówno duże kompleksy budynków, jak i małe instalacje. Ewentualne luki bezpieczeństwa w automatyce budynkowej mogą umożliwić kopiowanie i odczyt danych, a tym samym nieuprawnioną obsługę i odczyt funkcji w budynku. Manipulacja systemami oświetlenia czy ogrzewania stwarza potencjalne zagrożenie dla bezpiecznej eksploatacji budynków.
Ze względu na rosnące wymagania bezpieczeństwa dla instalacji KNX w inteligentnych budynkach, bezpieczna komunikacja między urządzeniami ma kluczowe znaczenie. Tutaj przydadzą się systemy bezpieczeństwa Siemens KNX IP Secure chroniące instalację KNX i oferujące najwyższe bezpieczeństwo przez przesyłanie zaszyfrowanych komunikatów między routerami KNX IP w sieciach IP.
W tym miejscu koniecznie trzeba wspomnieć, że w ofertach wielu firm znajdziemy przykłady urządzeń automatyki zgodnych z systemem KNX. Przykładem może być ASTAT, gdzie wśród systemów automatyki budynkowej znajdziemy dotykowe panele strerujące, czyli interfejsy HMI, moduły wejść i wyjść wykorzystywane do sterowania urządzeniami wykonawczymi, zasilacze systemów magistralowych, sterowniki, jednostki centralne, moduły ściemniające, termostaty i wiele innych. Podobny asortyment znajdziemy również w ofercie firmy TME. Dostępne są tam czujniki wiatru i detektory deszczu, czujniki natężenia oświetlenia, sterowniki bram, zamki i rygle, sterowniki rolet i wiele innych.
Systemy BMS
Na zakończenie zostały do omówienia systemy BMS. Jest to najbardziej rozbudowana pod względem funkcjonalnym automatyka budynkowa. Sercem systemu BMS jest wysokowydajny komputer przemysłowy, często wspomagany algorytmami sztucznej inteligencji, która pozwala przewidywać awarie lub nietypowe zdarzenia. Systemy BMS to systemy otwarte, dlatego bardzo często korzysta się tutaj „pod spodem” z technologii KNX. Oczywiście są one projektowane na zamówienie pod konkretną inwestycję deweloperską czy fabrykę. Często systemy BMS można spotkać na dworcach, lotniskach czy w centrach handlowych.
Zadaniem systemów zarządzania budynkami BMS, zarówno tych montowanych w nowoczesnych biurowcach, jak i tych małych przeznaczonego do sterowania instalacjami w niewielkich jednorodzinnych domkach, jest połączenie w jedną całość różnych systemów automatyki budynkowej. Nowoczesny, wielofunkcyjny BMS odpowiada za sterowanie, kontrolę, monitorowanie i optymalizowanie pracy takich elementów budynku jak:
- sieć teleinformatyczna,
- sterowanie oświetleniem wewnętrznym – włączanie oświetlenia i natężenie światła zależą od obecności osób w pomieszczeniach oraz od o zewnętrznych warunków oświetleniowych,
- sterowanie oświetleniem zewnętrznym zależnie od pory dnia oraz ruchu na zewnątrz budynku,
- sterowanie ogrzewaniem pomieszczeń (niezależnie dla każdego pomieszczenia),
- sterowanie wentylacją, klimatyzacją oraz filtrowaniem powietrza w zależności od zewnętrznych warunków atmosferycznych i parametrów jakości powietrza (zawartość dwutlenku węgla, wilgotność, zapylenie),
- symulacja obecności domowników,
- sterowanie systemem alarmowym, przeciwpożarowym, przeciwzalaniowym i monitoringiem, w tym CCTV,
- obsługa urządzeń multimedialnych czy częściowe sterowanie maszyn, jak np. windy czy wózki AGV,
- system pogodowy,
- współpraca z systemem fotowoltaiki lub innym źródłem OZE
- komunikacja z systemem automatyki przemysłowej i wymianą z nim danych oraz poleceń.
Jak widać, najbardziej zaawansowane systemy automatyki budynkowej nie tylko poprawiają komfort pracy użytkowników, ale również pozwalają na sterowanie i zarządzanie pracą budynku, hali fabrycznej lub całego przedsiębiorstwa. Możliwa jest też współpraca z systemami automatyki sterującej produkcją. Nowoczesna fabryka czy biurowiec nie może obejść się bez odpowiednich systemów KNX czy BMS, a największą korzyścią ze stosowania ich są ogromne oszczędności na różnego rodzaju mediach, przede wszystkim na ogrzewaniu i klimatyzacji. Jeśli system BMS zostanie połączony z zielonym, zeroemisyjnym budynkiem czy fabryką, wówczas oszczędności mogą dochodzić nawet do 70–90 %.
Materiały źródłowe
[1] O. Sulikowska, A. Brzuzy, System inteligentny dom − nowoczesna technologia stosowana w budownictwie, Biuletyn WAT, Vol. LXVIII, Nr 2, 2019
[2] Materiały na portalu ŚwiatOZE.pl
[3] M. Bieńkowski, Domy, które myślą (za nas), Wiedza i życie 2/2008
źródło: Automatyka 6/2024
Komentarze
blog comments powered by Disqus