Automatyka budynkowa - Część 1

W ten sposób można zoptymalizować ich pracę w celu uzyskania dodatkowych oszczędności oraz udogodnień dla osób znajdujących się w pomieszczeniach. W dwuczęściowym artykule przedstawiamy najważniejsze informacje dotyczące technologii wykorzystywanych w inteligentnych budynkach, w szczególności związanych z różnymi typami instalacji i standardami sieciowymi.

Trudne początki

Jeszcze kilkanaście lat temu zastosowanie technologii sieciowych do usprawnienia na dużą skalę pracy różnych instalacji znajdujących się w biurowcach lub budynkach mieszkalnych było bardzo mało popularne. Główne ograniczenie stanowiły wysokie koszty implementacji takich systemów oraz brak uniwersalnych standardów i interfejsów do komunikacji.

Zwykle systemy nadzorujące układy automatyki w budynkach były tylko rozwijane w przypadku dużych i spektakularnych instalacji w biurowcach lub budynkach użyteczności publicznej, takich jak dworce, stadiony lub lotniska. Głównym założeniem była redukcja kosztów utrzymania oraz zużywanej energii.

Pierwsze próby komercyjnego zastosowania systemów automatyki do zarządzania budynkami pojawiły się już w roku 1975 wraz z powstaniem technologii przesyłania sygnałów linią zasilającą o nazwie X10, która zaproponowaną przez szkocką firmę Pico Electronics. Początkowo ich działanie ograniczało się do prostego włączania i wyłączania różnych urządzeń, takich jak np. wentylatory lub lampy.

Kolejnym ważnym krokiem było powstanie standardu komunikacyjnego CEBus, opracowanego w latach 1984-1994, przez organizację EIA (Electronics Industries Association, obecnie CIA – Consumer Electronics Association). Definiował on sposób komunikacji wewnątrz budynków, w celu przesyłania danych z wykorzystaniem różnego rodzaju mediów – linii zasilającej, okablowania typu skrętka, podczerwieni i połączenia radiowego. Standard CEBus nie spotkał się jednak z dużym zainteresowaniem i stopniowo tracił na znaczeniu.

Szybki rozwój

Rys. 1. Trójpoziomowa hierarchia sieci w automatyce budynków

Ostatnie kilkanaście lat pozwoliło na zaprezentowanie wielu firmom zaawansowanych rozwiązań komunikacji pomiędzy urządzeniami w budynkach oraz sposobu ich automatyzacji.

Wraz ze znacznym spadkiem cen urządzeń elektronicznych oraz wzrostem zainteresowania nimi i wsparcia ze strony dużych firm, automatyka budynkowa stanowi obecnie jeden z obiecujących obszarów, w którym możliwe jest zastosowanie nowoczesnych technologii monitorowania oraz sterowania.

Trzeba podkreślić, że automatyzacja budynku, szczególnie związana z jego wydajnością energetyczną, pozwala spełniać coraz ostrzejsze wymagania prawne dotyczące ochrony środowiska i oszczędności energii.

Należy jednak rozgraniczyć pomiędzy systemami automatyki budynków, które są dedykowane dla dużych obiektów, a które są przeznaczone dla domów mieszkalnych. W pierwszym przypadku istnieje bardzo dużo różnych podsystemów, które są trudne w zarządzaniu i administracji.

Zastosowanie technologii sieciowych z jednym centrum sterowania znacznie redukuje koszt nadzoru nad istniejącymi instalacjami i jest ekonomicznie uzasadnione. W przypadku mniejszych budynków zastosowanie zbyt złożonych technologii nie zawsze jest opłacalne. Obecnie, z powodu wciąż zmniejszających się kosztów urządzeń i ich instalacji, systemy automatyki wkraczają także do domów mieszkalnych.

Otwarte i zamknięte systemy automatyki budynków

Rys. 2. Dwupoziomowa hierarchia sieci w automatyce budynków

Przez wiele lat na rynku automatyki budynkowej rozwijane były systemy proponowane przez niewielką liczbę firm oferujących rozwiązania autorskie. Tworzone były one jako tzw. systemy zamknięte, których elementy były, pod względem konstrukcji, często objęte tajemnicą producenta.

Zwykle urządzenia oraz usługi instalacyjne i serwisowe były domeną jednej firmy lub niewielkiej liczby podwykonawców. Ponadto systemy takie nie były kompatybilne z innymi, tak więc inwestor decydując się na określone rozwiązanie, musiał przyjąć jednolity system w całym budynku. Rozwiązania tego typu dotyczyły dużych biurowców i budynków użyteczności publicznej, gdyż wymagały poniesienia wysokich kosztów związanych z ich zaprojektowaniem i instalacją.

Od kilkunastu lat na omawianym rynku rozwijane są interesujące alternatywne systemy automatyki, które należą do tzw. systemów otwartych. Charakteryzują się one spójnym zbiorem zasad dotyczących architektury oraz określają rozwój technologii niezależnie od sposobu implementacji.

Wiele z nich jest proponowanych, a ich rozwój nadzorowany przez organizacje, których istotnymi partnerami są firmy komercyjne i ośrodki badawcze. Systemy te charakteryzują się publicznymi protokołami i architekturami zatwierdzonymi przez producentów, integratorów i instytucje normalizacyjne. Poprzez zwiększenie liczby producentów skupionych wokół określonego rozwiązania, rośnie konkurencja na rynku, co stymuluje rozwój technologii. Takie podejście powoduje, że praktycznie każda firma może wyprodukować i wprowadzić na rynek urządzenie lub oprogramowanie mogące stać się częścią systemu otwartego.

Który wybrać?

Rys. 3. Tunelowanie

Może się wydawać, że inwestorzy i firmy projektujące instalacje w budynkach, chcąc ograniczyć wydatki, będą skłaniać się do wykorzystania systemów otwartych. Istnieje jednak wciąż wiele zastosowań, gdzie systemy zamknięte stanowią lepsze rozwiązanie.

Jedną z newralgicznych cech systemu automatyki budynkowej jest zapewnienie jego odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa. Powszechnie znany, standardowy format danych przesyłanych pomiędzy urządzeniami w systemie otwartym powoduje, że bezpieczeństwo danych i całego systemu może być niskie. W tym przypadku zaletą systemów zamkniętych jest wyższy poziom uzyskany dzięki zastosowaniu niejawnego protokołu komunikacyjnego.

W przypadku systemów otwartych istnieje możliwość wykorzystania w instalacji urządzeń pochodzących od dowolnego producenta, które spełniają przyjęty standard. Niestety różnice w implementacjach pomiędzy produktami pochodzącymi z wielu źródeł mogą powodować problemy podczas ich współpracy.

Instalacja i utrzymanie systemu otwartego wymaga znajomości cech wielu elementów i konieczność tworzenia na bieżąco algorytmów pracy systemu, co wydłuża czas wdrażania. Ponadto znacznie trudniej jest zapewnić ciągłość działania i bezawaryjność. Cechą systemów zamkniętych jest mała liczba wytwórców produktów (często tylko jeden), co pozwala uzyskać wysoki stopień kompatybilności i ułatwia serwisowanie.

Zwykle producent zapewnia także obsługę starszych wersji oprogramowania ponadto istnieją już gotowe i przetestowane algorytmy pracy, co przyspiesza instalację. Dzięki powyższym cechom system zamknięty jest wdrażany sprawniej niż otwarty. Istotną wadą systemów otwartych jest wreszcie brak gotowych realizacji podsystemów bezpieczeństwa, gdyż wiąże się to z koniecznością jego certyfikacji i jawności, co automatycznie obniża poziom bezpieczeństwa.

Tak więc podsystemy zaliczane do krytycznych, czyli przeciwpożarowe, ostrzegania, itp., powinny być realizowane jako systemy zamknięte. W przypadku systemów otwartych istnieje niewiele możliwości współpracy z podsystemami bezpieczeństwa, natomiast w systemach zamkniętych są zwykle gotowe rozwiązania umożliwiające współpracę zarówno z podsystemami bezpieczeństwa, jak i systemami otwartymi.

Ostatecznie należy zwrócić uwagę, że zwykle proces certyfikacji określonych rozwiązań jest stosunkowo długi, co powoduje że najnowsze rozwiązania technologiczne pojawiają się w systemach otwartych z dużym opóźnieniem. Podstawowe różnice pomiędzy systemami otwartymi i zamkniętymi przedstawiono w tab. 1.

Powyższa analiza pokazuje, że w rzeczywistych rozwiązaniach automatyki budynków systemy otwarte mają pewne ograniczenia, szczególnie związane kwestiami bezpieczeństwa. Z tego względu, decydując się na przyjęcie jakiegoś rozwiązania, zwykle preferowana jest realizacja łącząca ze sobą systemy otwarte oraz systemy zamknięte.