Automatyka budynkowa

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.

Grzegorz Tomas - Inteligentne domy Domito, MCD Electronics

Jak rozwija się rynek automatyki domowej w Polsce i Europie ?

Podobnie jak w bardzo wielu innych dziedzinach, również w przypadku automatyki prekursorami branży są duże firmy, które instalują systemy inteligentnego sterowania w swoich siedzibach. Na dzień dzisiejszy to właśnie one są najliczniejszą grupą odbiorców urządzeń tego typu. Automatyka taka trafia jednak coraz częściej do inwestorów prywatnych – inteligentne instalacje w (zachodnio)europejskich domach to już niemal norma. Niemniej jednak również w Polsce zauważalny jest wyraźny wzrost zainteresowania tego typu rozwiązaniami.

Automatyka domowa (home automation) – wyróżniony sektor automatyki budynkowej skupiający się na prywatnych domach ma, na co wszystko wskazuje, świetlaną przyszłość. Europejski rynek automatyki domowej rozwija się w tempie 9,1% rocznie – w 2006 roku wart on był 232,6 mln dolarów, a zgodnie z prognozami w 2013 roku jego wartość osiągnąć może 446 mln dolarów.

Ten imponujący wzrost jest w dużej mierze rezultatem boomu budowlanego oraz faktu, że aż cztery na pięć systemów jest instalowanych w nowo budowanych domach. Innymi czynnikami sprzyjającymi rozwojowi rynku są lub będą wzrost instytucjonalnego nacisku organów UE na oszczędność energii oraz rozwój i upowszechnienie się technologii, a co za tym idzie spadek cen automatyki domowej.

W chwili obecnej wysokie ceny, zwłaszcza w Polsce, są największą barierą na drodze do upowszechnienia się inteligentnych domów. Prawdopodobnie jesteśmy świadkami tworzenia się nowego standardu życia – rewolucji nie mniejszej niż elektryfikacja domostw.

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.

Warunki wprowadzania nowych technologii

Oceniając każdą nową technologie na rynku automatyki budynków należy rozważyć kilka podstawowych czynników, które są istotne z punktu widzenia użytkownika. Najważniejsze z nich to:

Dostępność – technologia powinna realizować wystarczająco dużo zadań za odpowiednią cenę tak, aby użytkownicy chcieli w nią zainwestować.
Łatwość użycia – technologia powinna być na tyle prosta w instalacji, aby użytkownik mógł wykorzystać ją praktycznie w momencie uruchomienia.
Niezawodność – po zainstalowaniu technologia powinna działać tak jak została zaprogramowana bez przerwy i bez szczególnego nadzoru ze strony użytkownika.
Elastyczność – należy umożliwić użytkownikowi wykorzystanie technologii w wybranym przez niego miejscu i w sposób zgodny z jego preferencjami, bez szczególnych ograniczeń.
Długi czas działania – istotną cechą urządzeń są długie okresy (miesiące, lata) bezawaryjnego i bezobsługowego działania. Tak więc należy rozważyć sposób ich zasilania.
Współdziałanie – należy umożliwić użytkownikowi nabycie komponentów stosowanych w danej technologii od różnych, niezależnych dostawców oraz umożliwić bezawaryjną i prostą współpracę tych urządzeń.
Rozwój – technologia powinna dostarczać użytkownikowi nowych, istotnych udogodnień i użytecznych funkcji; należy także umożliwić ciągłe zwiększanie możliwości urządzeń i poprawę ich działania.

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.

Słowa-klucze do automatyki budynkowej

Z systemami automatyki budynków związane jest szereg interesujących zagadnień, które często również spotyka się w życiu codziennym. Poniżej opisano kilka wybranych:

HVAC – akronim wyrażenia Heating, Ventilation, Air Conditioning i oznacza systemy lub branżę inżynierii sanitarnej zajmującą się ogrzewaniem, wentylacją i klimatyzacją. W języku polskim nie ma dokładnego odpowiednika tego pojęcia, ale można przyjąć, że HVAC to określenie instalacji zapewniających odczucie komfortu w pomieszczeniach.

Budynek inteligentny – budynek wyposażony w system czujników i detektorów oraz zintegrowany system zarządzania wszystkimi znajdującymi się w budynku instalacjami. Dzięki informacjom pochodzącym z różnych elementów systemu, system ten może reagować na zmiany środowiskowe wewnątrz i na zewnątrz, co prowadzi do maksymalizacji funkcjonalności, komfortu i bezpieczeństwa oraz minimalizacji kosztów eksploatacji i modernizacji. Dodatkowo inteligentny budynek, aby w pełni zasłużyć na to określenie, powinien dostosowywać się do każdego spośród jego użytkowników z osobna. Personalizacja połączona z uwzględnieniem potrzeb i oczekiwań konkretnego użytkownika jest realizowana za pomocą podsystemu bezpośredniego programowania przez jego operatora. Coraz częściej proponowane i rozwijane są metody adaptacyjne, znane z dziedziny sztucznej inteligencji.
Architektura high-tech – kierunek w architekturze zaliczany do postmodernizmu. Polega on na wykorzystaniu nowych technologii w konstrukcji budynków i w ich wyposażeniu technicznym oraz opiera wyraz architektoniczny budynku na cechach technologicznych. Ponieważ w zaawansowanych technicznie budynkach znaczy procent kosztów inwestycji stanowi techniczne wyposażenie obiektu, projektowanie architektoniczne oparte na zasadach high-tech dąży do zintegrowania wyposażenia technicznego z architekturą i strukturą budynku oraz czyni te systemy widocznymi i maksymalnie wzmacnia ich oddziaływanie funkcjonalne i wizualne.