Automatyka budynkowa

Zacznijmy od ustalenia, czym jest automatyka budynkowa. Poszczególni dostawcy rozwiązań budynkowych lubią koncentrować się na tym, co sami oferują, często pomijając inne istotne komponenty. W rzeczywistości za automatykę budynkową możemy uznać wszystko, co sprawia, że użytkownik lokalu (albo całego budynku) może zdać się na elektronikę. Do tak szerokiej definicji należałoby zaliczyć nawet windy, ale te klasyczne dźwigi, których funkcje nie odbiegają od możliwości wind z czasów, gdy szczytem technologii były przełączniki elektromechaniczne, są tak naturalne, że często się je wyklucza. Natomiast są chętnie podawane jako przykłady automatyki budynkowej, jeśli tylko pracują pod kontrolą bardziej zaawansowanych algorytmów, np. określających kolejność zatrzymywania się na wybranych piętrach, lub zarządzających ruchem kilku wind jednocześnie.

Do automatyki budynkowej można też zaliczyć systemy wentylacyjne i grzewcze, które samodzielnie dobierają swoje parametry pracy do aktualnych warunków. Tu też łatwo wykluczyć prosty piec z termostatem, ale jeśli już dodamy do niego panel użytkownika z wyświetlaczem, umieszczony poza wydzieloną kotłownią – wtedy z pewnością taka instalacja zostanie do automatyki budynkowej zakwalifikowana.

W związku z powyższym wydaje się, że w dobie Internetu Rzeczy jednym z wymogów stawianych przed komponentami automatyki budynkowej jest to, by mogły łączyć się w sieci i komunikować. Natomiast najbardziej zaawansowane rozwiązania będą nie tylko pozwalały sterować pracą z niewielkich paneli rozmieszczonych w poszczególnych pomieszczeniach budynku, ale też za pomocą smartfona oraz będą miały stałą łączność z serwerami umieszczonymi w chmurze.

Cele automatyki budynkowej

Wdrażając w istniejącym, a częściej w nowo budowanym obiekcie system automatyki budynkowej, jej inwestorzy najczęściej koncentrują się na następujących trzech celach:

• zwiększenie oszczędności, głównie odnośnie zużycia energii,
• zwiększenie wygody i komfortu użytkowania budynku,
• zwiększenie stopnia bezpieczeństwa w budynku.

Rosnące koszty energii sprawiają, że w długoterminowej perspektywie opłaca się zainwestować na początku w system automatyki, który pozwoli zoptymalizować zużycie różnych nośników energii. Co więcej, zastosowanie takich rozwiązań wiąże się z prestiżem i podnosi wartość budynku. Ekologia jest obecnie bardzo modna, co sprawia, że klienci czasem chcą dopłacić za droższą instalację, nawet jeśli czas zwrotu takiej inwestycji przekracza 20 lat (co ma miejsce w przypadku aplikacji fotowoltaicznych w polskiej strefie klimatycznej). Bywa też, że zastosowanie inteligentnych systemów grzewczych lub wentylacyjnych umożliwia uzyskanie lepszych certyfikatów energooszczędności, które także pozwalają oczekiwać większego wynagrodzenia za najem lub sprzedaż lokali.

Komfort i wygoda użytkowników to elementy istotne dla wartości budynku. Tu także oprócz realnej użyteczności, liczy się moda. Nowoczesna automatyka budynkowa jest przez jej użytkowników często postrzegana jako elektronika użytkowa i tak też jest oceniana.

W końcu rosnące znaczenie ma też bezpieczeństwo. Systemy automatyki pozwalają lepiej realizować monitoring i informować właścicieli lokali o zagrożeniach. Dotyczy to przede zabezpieczenia obiektu przed niepowołanymi osobami.

Przykładowe funkcje

Do grupy funkcji automatyki budynkowej, dla których powstało dotąd najwięcej implementacji, należą przede wszystkim systemy sterujące ogrzewaniem i oświetleniem. Podstawą każdego automatycznego domu jest mniej lub bardziej inteligentny system regulacji temperatury pomieszczeń. Bardziej zaawansowane aplikacje pozwalają nie tylko określać jak mają być ogrzewane poszczególne pomieszczenia, ale też definiować profile temperaturowe, w zależność od pory dnia. Sterowanie ogrzewaniem często łączone jest z wentylacją, o ile tylko jest ona pod kontrolą tego samego użytkownika, a nie jest wspólna dla większej grupy mieszkańców.

Coraz częściej spotyka się też systemy zaawansowanego sterowania oświetleniem, tyle że tu w dużej mierze chodzi o wygodę. Użytkownik nie musi za każdym razem podchodzić do wyłączników światła w poszczególnych pomieszczeniach, lecz zamiast tego korzysta ze smartfonu lub innego panelu/pilota i zmienia warunki oświetleniowe bez ruszania się z miejsca. Naturalnie systemy tego typu umożliwiają również planowanie godzin automatycznego włączania lub wyłączania lamp, co natomiast służy bezpieczeństwu – pozwala imitować obecność mieszkańców w budynku, gdy ten w rzeczywistości jest akurat opuszczony.

Kolejną z bardziej cieszących się popularnością funkcji jest sterowanie żaluzjami okiennymi. Może to dotyczyć zarówno rolet antywłamaniowych, jak i osłaniających przed słońcem. Ta aplikacja odgrywa większą rolę w dużych biurowcach, w których codzienne odsłanianie i zasłanianie okien jest sumarycznie czasochłonne. W bardziej inteligentnych wdrożeniach tego typu stopień odsłonięcia rolet jest dopasowany do zewnętrznych warunków oświetleniowych tak, by automatycznie, przy najmniejszym zużyciu energii zagwarantować optymalne warunki pracy wewnątrz budynku. Warto dodać, że silniki instalowane do przesuwania rolet mogą też służyć do otwierania okien lub bram i być używane do sterowania nimi.

Rosnące znaczenie mają funkcje bezpieczeństwa. Wynika to zarówno z poczucia zagrożenia użytkowników, jak i z wzrastającego zaufania do sprawności nowoczesnych technologii. W Polsce nowoczesne budynki mieszkalne coraz częściej wyposażane są w wideofony zamiast klasycznych domofonów. Natomiast na Zachodzie oraz Dalekim Wschodzie standardem stają się zamki elektroniczne, które można otwierać za pomocą pinu, kart zbliżeniowych, czy nawet gestów – podobnie jak odblokowuje się telefony. Zaletą tego typu rozwiązań jest możliwość dokładnego monitorowania wejść i wyjść, również z uwzględnieniem tożsamości osób otwierających drzwi. Wraz z systemami wykrywania ruchu oraz monitoringu wideo (a bywa że również audio), właściciel budynku może zdalnie na bieżąco kontrolować, kto znajduje się w pomieszczeniach, a nawet jak z nich korzysta.

Pojawiają się też rozwiązania z zakresu bezpieczeństwa, koncentrujące się nie na niepowołanym dostępie, ale zdarzeniach bardziej naturalnych. Czujniki mogą posłużyć do wykrywania dymu, monitorowania zawartości tlenku węgla w powietrzu, czy też np. do wykrywania zalania podłogi. Dzięki wzajemnemu połączeniu ich ze sobą przez sieć, można nawet stworzyć system, który automatycznie odcina dopływ wody lub gazu do instalacji, która uległa awarii.

W końcu automatyka budynkowa może posłużyć do zwiększenia komfortu korzystania z mieszkania przez zdalne sterowanie uruchamianiem praktycznie dowolnego urządzenia elektrycznego. Typowe przykłady obejmują sterowanie systemami audio oraz innymi multimediami.

Czym kierować się w wyborze systemu automatyki budynkowej? Barbara Wójcicka, Sabur Zasady zrównoważonego rozwoju zakładają, że w budynkach powinna być zachowana równowaga między komfortem użytkowania a względami ekonomicznymi. Celem zastosowania rozwiązań automatyki jest zagwarantowanie maksymalnego komfortu i wygody użytkownika przy efektywnym wykorzystaniu mediów. Systemy automatyki służą poprawie warunków pracy w budynkach. Właściwie zaprojektowana, wykonana i zoptymalizowana instalacja automatyki gwarantuje niskie koszty eksploatacji obiektu w całym cyklu jego życia.Jednocześnie zapewnia komfort i bezpieczeństwo użytkownikom budynku, niezawodność oraz łatwiejsze zarządzanie nim przez obsługę techniczną. Odpowiednie rozwiązania automatyki budynkowej wspomagają codzienne użytkowanie, dostarczają niezbędnych informacji o stanie obiektu, ułatwiają pracę firm FM, a zarządcom i właścicielom zapewniają możliwość skutecznego zarządzania zasobami. Gdy system automatyki jest częścią większego systemu, to należy zastosować rozwiązanie, którego otwartość komunikacyjna zagwarantuje kompatybilność i łatwą integrację z pozostałymi podsystemami, a także umożliwi włączenie go do systemów zarządzania przedsiębiorstwem. Już na etapie projektowania warto wziąć pod uwagę koszty utrzymania systemu w trakcie całego cyklu życia instalacji (ile będą kosztować aktualizacje technologii, czy możliwa jest swobodna rozbudowa i komunikacja z produktami firm trzecich, jak wygląda serwis, czy do przeprowadzania czynności serwisowych konieczne są przestoje w pracy instalacji i in.). Nie można pominąć również gwarancji ciągłości dostaw wynikającej z rozwoju technologicznego wybranych rozwiązań. Należy sprawdzić jak wygląda cykl życia urządzeń oraz gwarancje producenta w zakresie ich produkcji i wsparcia serwisowego.

Wykorzystywane komponenty

Jak zaimplementować automatykę budynkową? W praktyce można to zrobić co najmniej na trzy sposoby. Bardzo wiele zależy od kompetencji osób, które mają wdrożyć system oraz od oczekiwanego stopnia niezawodności instalacji.

Duże systemy budynkowe, odpowiadające za oświetlenie, ogrzewanie, wentylację lub klimatyzację (HVAC), szczególnie w budynkach wielorodzinnych lub użytkowych, realizowane są za pomocą komponentów bardzo zbliżonych do tych, jakie wykorzystuje się w automatyce przemysłowej. Mowa o sterownikach i przekaźnikach programowalnych, panelach HMI, regulatorach i sieciach przewodowych. Zapewniają one wysokiej klasy parametry pracy, ale wymagają dużej wiedzy, by je poprawnie skonfigurować. Nie muszą być estetyczne – z założenia są umieszczane głównie w przestrzeniach technicznych budynków i w codziennym użytkowaniu budynku nie trzeba ich ręcznie obsługiwać. Sterowanie całością może odbywać się za pomocą paneli rozlokowanych w różnych pomieszczeniach.

Zupełnie odmiennym rozwiązaniem jest użycie gotowych komponentów automatyki budynkowej, które konsumenci mogą sobie sami kupić i zainstalować. Najczęściej są to urządzenia bezprzewodowe, podłączone do centralki lub obsługujące różnego rodzaju, kompatybilne podsystemy. Świetnym przykładem jest termostat Nest, którym zachwycały się media na całym świecie. Systemy tego typu cechują się przede wszystkim prostotą i estetyką i wydaje się, że ich faktyczna użyteczność czasem schodzi na dalszy plan.

Można wyróżnić też trzecie podejście, pod względem estetyki i trudności instalacji lokujące się mniej więcej pośrodku między dwoma wcześniej podanymi, skrajnymi rozwiązaniami. Na rynku pojawiło się bowiem niemało firm, które widząc rosnące zapotrzebowanie na automatykę domową, przygotowało własne komponenty, ale nie miało na tyle dużej siły przebicia, by je wypromować. W efekcie znaleźć można cały szereg różnego rodzaju prostych, czy bardziej skomplikowanych paneli sterujących, nierzadko integrujących ze sobą funkcje interfejsu użytkownika i algorytmy sterowania. Są one bardzo często uniwersalne, dzięki czemu można je wykorzystać w połączeniu wieloma innymi modułami. Trzeba wtedy tylko pokonać wstępny problem połączenia ze sobą poszczególnych podsystemów i dopasować automatykę do własnych potrzeb. W praktyce pozwala to na uzyskanie całkiem zaawansowanych systemów sterowania, bez ponoszenia większych kosztów. Niestety, bywa że pojawiają się problemy z niezawodnością, szczególnie jeśli instalacja składa się z modułów pochodzących od wielu, zupełnie niezwiązanych ze sobą producentów. Minusem takiego rozwiązania jest brak prestiżu, który wiąże się z wdrożeniem którejś z modnych i wypromowanych technologii. A na rynku automatyki mieszkaniowej czynnik ten ma znaczenie.

Nieco wyłamującymi się z tego podziału są wszelkiego rodzaju uniwersalne piloty – czy to radiowe, czy na podczerwień, jakie można próbować podłączyć do posiadanych urządzeń. Niektóre z nich są oferowane w postaci samego oprogramowania, przeznaczonego do instalacji na urządzeniach mobilnych z systemami iOS, Android, lub Windows. Większość z nich jest bardzo estetycznie wykonana, ale problemem może być skonfigurowanie ich ze sterowanymi urządzeniami.

Warto też wspomnieć o oprogramowaniu, które może posłużyć do sterowania systemami automatyki domowej. Oprócz prostych, uniwersalnych, własnościowych i zarazem „lekkich” systemów, które konfiguruje się np. za pomocą plików XML, a które zostały opracowane na potrzeby niektórych paneli sterowniczych, swoje produkty na potrzeby automatyki domowej przygotowali także giganci z rynku elektroniki użytkowej. Google stworzył system operacyjny Android Things, Apple ma rodzinę produktów HomeKit, a Microsoft w swoim sklepie ma specjalną kategorię Connected Home, w którym sprzedaje np. inteligentne termostaty, nie zapominając, że przygotował też wersję systemu operacyjnego Windows 10 IoT. W tworzeniu aplikacji podłączonej do Internetu automatyki budynkowej przydatne mogą być też chmury obliczeniowe (np. Amazon Web Services IoT), które pozwalają na sprawne przechowywanie i prezentowanie informacji pochodzących z sieci czujnikowych oraz na przesyłanie poleceń do aktuatorów.

Specyfika użytkowników

Nie da się ukryć, że niektóre przytoczone wyżej rozwiązania zupełnie nie przystają do rynku automatyki znanej z przemysłu. To fakt – automatyka budynkowa z założenia łączy ze sobą dwa zupełnie odmienne światy: konsumencki z półprzemysłowym i stąd właśnie wynikają różnice.

Wdrażanie nowoczesnych systemów automatyki w przemyśle niemal zawsze podyktowane jest ograniczaniem kosztów produkcji, zwiększaniem wydajności zakładów przemysłowych, poprawianiem jakości wytwarzanych produktów, a czasem także potrzebą spełnienia nowych norm. Instalowane systemy muszą być przede wszystkim niezawodne, gdyż od ich bezbłędnego działania zależy faktyczny zysk z działalności firmy. Wysokie koszty użytkowania maszyn przemysłowych powodują, że wszelkie przestoje produkcyjne mają bardzo poważne skutki, a więc i usterki w systemach automatyki prowadzą do daleko idących konsekwencji, bardzo często łatwych do wyrażenia w dolarach.

Tymczasem automatyka w budynkach, choć również prowadzi do oszczędności, nie jest niezbędna by np. zachować konkurencyjność. Usterka systemu monitorowania temperatury w domu rzadko kiedy będzie miała poważne konsekwencje – co najwyżej podsystemy zostaną wysterowane ręcznie, a realne konsekwencje finansowe takiego zdarzenia są mało prawdopodobne. Istotnie większe znaczenie mają natomiast wygoda użytkowania, estetyka i prestiż posiadania systemu automatyki domowej. Dlatego też oferty firm, które na poważnie weszły na ten rynek muszą przemawiać także do klientów końcowych, najczęściej za pomocą efektownych wizualizacji. Liczy się również marka, przy czym nie głównie ze względu na kojarzoną z nią niezawodność, ale raczej z uwagi na prestiż i modę. W konsekwencji, oczekiwania klientów końcowych są zupełnie inne niż użytkowników automatyki budynkowej.

Sposób tworzenia ofert

Potrzeby klientów poskutkowały odmiennymi sposobami tworzenia ofert na rynku automatyki budynkowej. Objawia się to nie tylko pojawieniem się nowych firm, które specjalizują się w tego typu aplikacjach, ale także przygotowaniem oddzielnych stron internetowych dla rynku home automation, przez przedsiębiorstwa z branży przemysłowej. Produkty reklamowane są hasłami „styl”, „komfort” i „bezpieczeństwo”, a nawet „moda”. W przypadku urządzeń wywodzących się ze świata przemysłu, ich producenci opracowują zupełnie odmienne materiały promocyjne dla użytkowników, niż dla projektantów sieci automatyki. Natomiast dostawcy gotowych rozwiązań użytkowych, które wystarczy niemalże tylko włączyć, by same ze sobą współdziałały, opracowali nietypowe formy płatności. Bywa, że system automatyki jest oferowany za miesięczną opłatą abonamentową, w ramach której otrzymuje się dostęp do określonej liczby modułów, wraz z ich serwisowaniem w miarę potrzeb.

Pojawiają się też promocje, które umożliwiają niedrogie wdrożenie pierwszych elementów sieci. Ma to dla producentów o tyle duże znaczenie, że często są to systemy zamknięte, które nie będą kompatybilne z rozwiązaniami konkurencyjnymi. Dzięki temu użytkownik, który skorzysta z takiej promocji i nie zrazi się do produktu, jeśli tylko będzie chciał rozbudować instalację, będzie musiał skorzystać z kolejnych, już droższych modułów tego samego producenta.

Firmy z branży

Na rynku automatyki budynkowej działa wiele firm obecnych także w przemyśle. Poniżej podajemy kilka przykładów.

Siemens dzieli swoją ofertę z tego zakresu na kilka podkategorii. Są to systemy automatyki mieszkaniowej Synco Living (umożliwiające monitorowanie zużycia mediów i sterowanie ogrzewaniem), systemy automatyki budynkowej Synco i DESIGO (centralne, inteligentne sterowanie zużyciem energii, oświetleniem i żaluzjami), podzespoły HVAC, które można zainstalować niezależnie i różne rozwiązania programowe, umożliwiające poprawę efektywności energetycznej.

Schneider Electric przygotował na potrzeby automatyki mieszkaniowej szereg produktów związanych z elektrycznością: przełączniki do sterowania oświetleniem, inteligentne zabezpieczenia nadprądowe, czujniki ruchu i wykrywacze dymu, termostaty i regulatory. Naturalnie zastosowanie w instalacjach domowych znajdą też proste sterowniki i przekaźniki programowalne.

Firma WAGO podzieliła swoją ofertę na systemy sterowania pomieszczeniami, oświetleniem, ochronę przeciwsłoneczną oraz HVAC. Promuje rozwiązania z rodziny flrexROOM, oparte na Fast Ethernet, ale również wspiera sieci typowe dla automatyki budynkowej: DALI, KNX, BACnet, LON Works i Modbus i EnOcean.

Automatyka budynkowa jest tematem, którym od bardzo dawna interesowała się szwajcarska firma Saia, znana m.in. z produkcji sterowników programowalnych. Już wiele lat temu projektowano je tak, by jak najlepiej spełniały potrzeby użytkowników w budynkach, zarówno od strony możliwości komunikacyjnych, jak i interfejsów użytkownika.

Swoje miejsce na rynku automatyki budynkowej chce też zdobyć Relpol, który promuje przekaźniki programowalne serii NEED, znajdujące zastosowanie w sterowaniu oświetleniem oraz roletami.

W świat Internetu Rzeczy wkroczyła firma Beckhoff Automation, której komputery przemysłowe pełniące rolę sterowników dobrze integrują się z systemami chmurowymi i przez to mogą służyć do monitorowania nawet dużych instalacji budynkowych.

Ciekawe produkty oferuje Wieland Electric, który opracował moduły komunikacyjne KNX, umożliwiające proste łączenie na zasadzie „plug and play”. Oferuje je w ramach rodziny rozwiązań Gesis, przygotowanej właśnie pod kątem automatyki budynkowej.

Automatyką budynkową interesują się również firmy mające bogatą ofertę złączy i okablowania. Przykładem jest Phoenix Contact, który przygotował sterowniki ze zintegrowanymi, dosyć dużymi, monochromatycznymi wyświetlaczami LCD, przeznaczone do prezentacji danych na temat zużycia mediów. Firma dostarcza zarówno sprzęt, jak i oprogramowanie z bogatymi bibliotekami modułów funkcji na potrzeby branży HVAC.

W praktyce jednak w automatyce budynkowej można zastosować większość prostych sterowników PLC i przekaźników programowalnych, oferowanych przez dowolne firmy produkujące na rynek przemysłowy. Wiele firm zwyczajnie jeszcze nie zaczęło promować swoich rozwiązań w zastosowaniach nieprzemysłowych. Niektórzy producenci natomiast preferują utrzymanie wizerunku przedsiębiorstw koncentrujących się tylko na przemyśle i ich produkty bywają promowane na innych rynkach jedynie przez niezależnych dystrybutorów.

Z rynku konsumenckiego warto przede wszystkim wymienić firmę Fibaro, która produkuje gotowe i bardzo estetyczne komponenty automatyki do mieszkań.

Tymczasem wspomniana już firma Nest, oprócz termostatu obecnie produkuje także systemy monitoringu i wykrywacze dymu.

Do automatyki budynkowej swoją ofertę kieruje także firma Philips. Są to inteligentne żarówki i inne systemy oświetleniowe. Strategia tej firmy wiąże się z umożliwieniem użytkownikom kontroli lamp za pomocą aplikacji uruchamianych na urządzeniach mobilnych.

W bardziej rozbudowaną automatykę swoje produkty wyposażyli też liderzy rynku termostatów mieszkaniowych – firmy Honeywell i Danfoss. Z łatwością można znaleźć w ofercie tych firm panele (Danfoss Link, 
Honeywell Z-Wave) umożliwiające zdalne sterowanie temperaturą.

Wszystkich oferowanych rozwiązań nie da się wymienić. Część z nich pochodzi od firm, które zajęły się samodzielnym budowaniem instalacji automatyki z komponentów różnych producentów, a po pewnym czasie zaczęły oferować powstałe przy okazji oprogramowanie (a czasem i urządzenia elektroniczne) jako samodzielne produkty. Wśród nich są także polscy przedsiębiorcy.

Przyszłość i wnioski

Świat automatyki budynkowej niewątpliwie będzie się w najbliższych latach mocno rozwijał. Wynika to zarówno z coraz bardziej wymagających regulacji odnośnie oszczędności energii, jak i z większej dostępności technologii komunikacji. Postęp w technikach bezprzewodowej wymiany danych (sieci komórkowe oraz sieci w paśmie ISM) pozwala coraz niższym kosztem łączyć ze sobą nawet drobne urządzenia oraz przekazywać dane do sieci. Natomiast mały koszt prostych mikrokontrolerów, taniejące sensory i coraz mniejsze zapotrzebowanie na energię elektryczną, a także coraz bardziej innowacyjne sposoby jej pozyskiwania będą pozwalać rozbudowywać Internet Rzeczy i otaczać się nim. Wygoda, oszczędność, a w dużej mierze i moda sprawią, że rynek ten z pewnością się rozwinie i jest całkiem prawdopodobne, że stanie się to już niedługo. Do tego istotna może być także rola sztucznej inteligencji, która coraz sprawniej realizuje stawiane jej zadania. A Internet Rzeczy jest idealnym sposobem na jej wykorzystanie – dzięki dostępowi do chmur obliczeniowych i ogromnej liczby czujników pozwala tanim kosztem odkrywać wiedzę i poszukiwać użytecznych wzorców w gromadzonych danych, które następnie mogłyby optymalizować codzienne życie użytkowników.

Pewnym problemem może natomiast być konkurencja między dużymi graczami, którzy nie mogą dojść do porozumienia odnośnie wykorzystywanych standardów. Poszczególni producenci starają się obecnie przeforsować własne rozwiązania, kompatybilne z tym, co produkują na rynek automatyki przemysłowej, lub spopularyzować zupełnie autorskie protokoły. To sprawia, że trudno o uniwersalne systemy, które z łatwością można byłoby łączyć ze sobą i rozbudowywać w miarę potrzeb. Niewątpliwie jest to czynnik ograniczający rozwój rynku automatyki budynkowej.

Niemniej perspektywy są bardzo obiecujące. Stąd też nie ma co się dziwić, że firmy z branży przemysłowej interesują się jakże odmiennym rynkiem automatyki budynkowej. Niewątpliwie jest na nim jeszcze bardzo dużo miejsca na ciekawe rozwiązania i na pewno będzie on w przyszłości stanowił główne źródło dochodu dla bardzo dużej rzeszy inżynierów-automatyków.

źródło: Automatyka 6/2017