Standardy inteligentnego budownictwa

Postęp technologiczny w technice mikroprocesorowej, informatyce oraz telekomunikacji powoduje, że również w tradycyjnych instalacjach obiektowych pojawia się odmienne od dotychczasowych podejście do zagadnień sterowania, nadzoru i zabezpieczeń. Presja na podnoszenie standardu przy jednoczesnej redukcji kosztów eksploatacji spowodowała, że techniczne możliwości tradycyjnych instalacji elektrycznych zostały już praktycznie wyczerpane. Producenci urządzeń i rozwiązań instalacyjnych tworzą własne systemy sterowania i regulacji, wprowadzając do techniki budynkowej coraz bardziej wyrafinowane elementy automatyki.

Nowoczesne budynki wyposażane są dziś w komputerowo wspomagane systemy reagujące na różnego rodzaju stany instalacji według założonej procedury i bez interwencji człowieka. W początkowym okresie rozwoju automatyki systemy te pracowały niezależnie i gdy w jednym obiekcie stosowano kilka z nich, liczba wymaganych w takich sytuacjach przewodów rosła w postępie geometrycznym. Aby uniknąć tego problemu, opracowano systemy magistralne, integrujące różne instalacje w budynku i nazwano go "inteligentnym".
Terminem "inteligentny budynek" określa się obiekty o różnym przeznaczeniu i różnej wielkości (biurowe, handlowe, budynki przemysłowe, banki, szkoły, szpitale, rezydencje, domy prywatne) mające zintegrowany system zarządzania i nadzoru. "Inteligentne budynki" muszą spełniać wiele wymagań, zarówno pod względem zaawansowanych technologii urządzeń automatyki sterowania, jak również pod względem organizacji pracy układów automatyki. Zintegrowany system zarządzania obejmuje wiele autonomicznie pracujących układów automatyki i awaria któregokolwiek z nich nie może dezorganizować pracy pozostałych.
Istnieje wiele różnych definicji "inteligentnego budynku", ale wszystkie kładą nacisk na integrację systemów występujących w budynku. Umożliwia ona lepszą funkcjonalność, wzrost bezpieczeństwa i komfortu oraz minimalizację kosztów eksploatacji i modernizacji.
Rozwój "inteligentnego budownictwa" w Polsce datuje się na lata 1995/96. Szacuje się, że w kraju do chwili obecnej powstało ok. 250 obiektów zawierających centralny system zarządzania budynkiem. Zainteresowanie wprowadzaniem nowoczesnych technologii do budownictwa rośnie z roku na rok i to nie tylko z uwagi na znaczne oszczędności podczas eksploatacji takich budynków. Zintegrowane systemy cechuje otwartość oraz standaryzacja. Możliwa jest poprawna komunikacja oraz prosta i szybka instalacja. Integracja daje możliwość zdalnego monitorowania, wizualizacji, a także sterowania systemem za pomocą narzędzi wykorzystujących nowoczesne media transmisyjne: Internet, telefonię komórkową, telefonię stacjonarną, tor podczerwieni, łączność radiową oraz satelitarną. Integracja upraszcza również prace projektowe i instalatorskie. Zwiększa niezawodność oraz ułatwia prace serwisowe. Bardzo istotną cechą systemu zintegrowanego jest również dowolna jego konfiguracja. Dzięki temu możliwe jest dostosowanie go do charakteru i przeznaczenia budynku oraz indywidualnych potrzeb użytkowników. Integracja pozwala również na prostą modernizację i zmianę funkcjonalności wraz ze zmianą wymagań użytkowników.
Początkowo, idea integracji systemów znajdowała zastosowanie jedynie w obiektach o podwyższonym standardzie. Obecnie stosuje się ją niemal we wszystkich nowoczesnych obiektach budowlanych, zarówno w przemysłowych, jak biurowych, użyteczności publicznej oraz mieszkalnych.

Systemy zarządzające

Każda z instalacji występująca w nowoczesnym obiekcie budowlanym spełnia określone zadania, a ich liczba oraz złożoność realizowanych funkcji zmusiła projektantów do wyposażania tych obiektów w nadrzędny system zarządzający wszystkimi systemami i podsystemami sterowania - tzw. system zarządzania budynkiem.

Do systemów zarządzania budynkiem należą:

• BAS (Building Automation System) - system centralnego sterowania i nadzoru instalacji technicznych w budynku;
• BMS (Building Management System) - system zarządzający wszystkimi funkcjami technicznymi budynku. Powinien on charakteryzować się pełną zdolnością do konfiguracji, monitoringu, wizualizacji i nadzoru w oparciu o urządzenia różnych producentów i dostawców, a zdalny dostęp do wszystkich podsystemów powinien być możliwy za pośrednictwem komputera PC;
• SMS (Security Management System), DMS (Danger Management System) -systemy bezpieczeństwa w budynku na poziomie zarządzania informacją;
• BMCS (Building Management and Control System) - system globalny, który zarządza systemami BMS i SMS. Jego podstawowym zadaniem jest zbieranie i analizowanie wszystkich informacji pochodzących z urządzeń oraz umożliwianie komunikacji między systemami oraz podsystemami w sieci.

Dla mniejszych obiektów wprowadza się pojęcie HMS (House Management System). Są to systemy integrujące instalacje inteligentne, np. w obrębie jednego pomieszczenia (sala audiowizualna), powierzchni biurowej - open space, wydzielonego piętra, budynku jednorodzinnego, czy rezydencji.
Poniżej przedstawiono przykładowe rozwiązanie systemu BMS.

Rys. 1 Schemat ideowy systemu BMS w wykonaniu firmy Delta Controls

Podstawowe własności systemów otwartych o inteligencji rozproszonej

Systemy o inteligencji rozproszonej złożone są z wielu elementów, z których każdy ma własny system mikroprocesorowy. Wszystkie elementy systemu są równouprawnione. Elementy instalacji wymieniają ze sobą informacje poprzez protokół komunikacyjny. Każdy z elementów systemu to autonomiczne urządzenie, niezależne sprzętowo od pozostałych. Powiązanie elementów odbywa się jedynie na płaszczyźnie logicznej (programowej) poprzez medium transmisyjne.
Systemy o inteligencji rozproszonej należą do układów otwartych, tzn. rozbudowa systemu (dołączenie do systemu dodatkowych elementów) nie pociąga za sobą konieczności rekonfiguracji elementów pracujących wcześniej. W systemach tych można wykorzystywać urządzenia różnych producentów.
Podstawową zaletą takiego rozwiązania jest relatywnie wysoka niezawodność systemu, ponieważ w przypadku awarii jednego z urządzeń, pozostałe nadal realizują powierzone im funkcje. Podstawową wadą jest wysoki koszt instalacji.
Do najpopularniejszych na polskim rynku systemów o inteligencji rozproszonej należą: EIB/KNX, LCN, LonWorks, BACnet

EIB

System EIB - European Installation BUS (magistrala europejska) to system opracowany, przez wiodących, europejskich producentów osprzętu instalacyjnego.
W roku 1990 została powołana do życia międzynarodowa organizacja europejska EIBA (European Installation BUS Association) promująca system EIB.
Na bazie stowarzyszenia EIBA oraz BCI (Batibus Club International) i EHSA (European Home Systems Association), w 1999 r. powstała nowa organizacja KONNEX Association (KNX). System KNX jest ogólnoświatowym, otwartym standardem spełniającym wymogi Europejskiej Normy EN 50090.

Struktura systemu

Topologia systemu EIB opiera się na strukturze drzewa. Sieć komunikacyjna EIB jest siecią typu peer-to-peer, w której może funkcjonować ponad 60 000 urządzeń. Wszystkie podłączone do magistrali urządzenia są równoprawne i sterowane w sposób zdecentralizowany. Topologię systemu EIB/KNX przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2 Topologia systemu EIB/KNX

Urządzenia występujące w systemie EIB możemy podzielić na trzy grupy:

• urządzenia podstawowe - zasilacze napięciowe, cewki sprzęgające, łączniki szyn danych, przewody magistralne i magistralne szyny danych;
• urządzenia systemowe - sprzęgła liniowe, sprzęgła obszarowe, wzmacniacze liniowe oraz bramki (urządzenia sprzęgające) do innych systemów;
• urządzenia użytkowe - sensory, aktory.

Komunikacja w magistrali EIB odbywa się za pośrednictwem skrętki - kabla miedzianego typu PYCYM 2 x 2 x 0,8. Przesył danych odbywa się po dwóch żyłach: czerwonej i czarnej. Konstrukcja kabla zapewnia wysoką ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi.

LCN

System LCN jest produktem niemieckiej firmy ISSENDORFF GmbH. Na rynku inteligentnych instalacji pojawił się w roku 1994 (pierwsza prezentacja systemu miała miejsce na targach w Hanowerze w roku 1992).

Struktura systemu

Moduły systemu (maks. do 250) tworzą odrębną, podstawową jednostkę, zwaną segmentem.
Zastosowanie systemu LCN w dużych kompleksach budynkowych wymaga połączenia ze sobą większej liczby segmentów. Istnieje możliwość sprzęgnięcia 120 segmentów sieci LCN. Łączy się je ze sobą za pomocą sprzęgieł segmentowych. Podział na segmenty może zostać wprowadzony również z uwagi na większą przejrzystość systemu (np. podział na piętra) zachowując pełną komunikację i możliwość realizacji funkcji wspólnych dla całego obiektu (takich jak, np. sygnalizacja zagrożeń). Schemat połączeń segmentów przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3 Schemat połączeń segmentów sieci LCN

Wykorzystując maksymalną liczbę segmentów sieci, można użyć 30 000 modułów. Oznacza to, że system ma możliwość obsługi danych pochodzących z ponad pół miliona punktów.
Zaletą modułów LCN jest zasilanie ich napięciem 230 V, dzięki czemu nie jest konieczne stosowanie dodatkowych zasilaczy. Każde wejście czujników oraz wejście zasilania ma ochronę przeciwprzepięciową do 4kV.
System LCN jako medium transmisyjne wykorzystuje dodatkową żyłę w zwykłym przewodzie zasilającym YDY (NYM). Zbyteczna staje się zatem osobna sieć przewodów transmisyjnych. Ponieważ przewód ten wytrzymuje napięcie 230 V i jest odporny na przebicia do 4 kV, można go tak samo układać jak wszystkie inne przewody, a przy tym nie wymaga dodatkowej ochrony przyciwprzepięciowej danych.
System może również pracować w niestabilnych sieciach o napięciu od 190-260 V.

LonWorks

System LonWorks (Local Operating Network - lokalna sieć operacyjna) został opracowany w USA na początku lat dziewięćdziesiątych przez firmę Echelon Corporation. System został skonstruowany z myślą o wsparciu zarządzania procesami produkcyjnymi, ale z uwagi na swe doskonałe własności znalazł zastosowanie w innych dziedzinach, również w budownictwie.
W celu rozwiązania problemów związanych z kompatybilnością urządzeń, firma Echelon powołała w roku 1994 grupę LON-Mark-Group, której zadaniem było opracowanie standaryzacji magistrali i produktów.

Struktura systemu

LonWorks jest systemem bardzo zaawansowanym technologicznie. Jego technologia może wykorzystywać dowolną topologię sieciową (gwiazda, pierścień, drzewo lub klasyczna struktura liniowa). Cała instalacja nie musi ograniczać się do stosowania jednej metody łączeniowej. Technologia sieci LonWorks pozwala na łączenie ze sobą różnych topologii sieci, np. przy użyciu router-ów. Na rys. 4 przedstawiono przykładową sieć LonWorks wykorzystującą różne topologie. System jest bardzo elastyczny i jakakolwiek modernizacja i unowocześnienie nie wymaga jego rekonfiguracji. Wystarczy tylko usunąć bądź dodać kolejne urządzenie zawierające w sobie unikatowy numer Neuron ID, a system sam wykryje zmianę i zarejestruje w oprogramowaniu narzędziowym.
Rys. 4 Topologie stosowane w sieci LON

Sieć LonWorks składa się z niezależnych urządzeń zwanych węzłami, które posiadają zdolność komunikowania się ze sobą po wspólnym medium. W systemie tym istnieje możliwość wykorzystania praktycznie dowolnych rodzajów mediów transmisyjnych. Rodzaj użytego medium oraz przyjętej topologii sieci wpływa na maksymalne odległości przesyłania danych.
Każde urządzenie pracujące w systemie LonWorks zawiera w sobie układ Neuron Chip oraz ma zaimplementowany protokół LonTalk. Zapewnia on zbiór usług komunikacyjnych, które umożliwiają aplikacji znajdującej się w urządzeniu, wysyłanie i odbiór wiadomości z sieci bez potrzeby znajomości jej topologii, nazw, adresów lub funkcji jakie pełnią. Protokół LonTalk opcjonalnie umożliwia potwierdzenie, autoryzację wiadomości oraz określenie priorytetu wysyłki telegramu.
Podstawową jednostką sieci jest tzw. podsieć. Podsieci grupowane są w domeny.

Łączna liczba urządzeń w sieci LonWorks nie może przekraczać:

• 127 w podsieci
• 256 podsieci w domenie
• 32 385 urządzeń w domenie
• 248 domen w sieci.

BACnet

BACnet (Building Automation and Controls NETwork) jest to protokół komunikacyjny, który został opracowany pod patronatem American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). Protokół ten powstał w celu utworzenia standardu w komunikacji pomiędzy urządzeniami różnych producentów i systemów. Standard protokołu BACnet został po raz pierwszy opublikowany w 1995 roku. W tym samym roku zatwierdził go American National Standards Institute (ANSI) jako obowiązujący krajowy standard w USA. W styczniu 2003 roku BACnet stał się standardem międzynarodowym uzyskując certyfikat ISO (International Organization for Standards) 16484-5. W latach 2001 oraz 2004 zostały wydane do niego aktualizacje i rozszerzenia.

Struktura systemu

BACnet jest skalowany i dostarcza rozwiązań niezależnie od urządzenia i wielkości instalacji. Odnosi się do wszystkich poziomów systemu (stacje robocze, kontrolery sieciowe, routery, kontrolery wykonawcze, czujniki).
Architektura systemu realizującego protokół BACnet ma charakter hierarchiczny, trójpoziomowy. BACnet dociera bezpośrednio do każdego poziomu systemu inteligentnego budynku - od najniżej umiejscowionego poziomu obiektowego, poprzez poziom automatyki aż do najwyższego - poziomu zarządzania systemem (rys. 5).

Rys. 5 Struktura systemu zarządzania instalacjami inteligentnego budynku

BACnet obsługuje 6 rodzajów sieci. Dzięki temu istnieje (na etapie projektowania instalacji) możliwość wyboru takiej technologii sieciowej, która najlepiej będzie spełniała postawione wymagania. Często w dużych, rozbudowanych instalacjach wykorzystywane są różne rodzaje sieci. Ponieważ wszystkie te rodzaje sieci są zgodne ze standardem BACnet, nie występują problemy z ich integracją i współpracą.

BACnet specyfikuje 6 rodzajów sieci, są to:

• Ethernet
• ArcNet
• MS/TP
• PTP
• LonTalk
• BACnet/IP

Porównanie systemów zarządzających

Systemy zarządzające (BMCS) zostały praktycznie zdominowane przez dwa systemy: LonWorks i BACnet. Obecnie większą liczbę aplikacji posiada system LonWorks. Jednak dynamika wzrostu zastosowań zdecydowanie należy do systemu BACnet.
W 2005 r. w Waszyngtonie, w Stanach Zjednoczonych odbyła się konferencja "Dual Sourcing Vs. Sole Sourcing for Building Automation Controls" poświęcona tematyce automatyki budynkowej, jej stanu obecnego i perspektyw na przyszłość.
Na rys. 6 i 7 przedstawiono wyniki analizy rozwoju różnych standardów automatyki budynkowej (trendy) w latach 1998-2008 oraz przewidywania do roku 2028.

Rys. 6 Trendy rozwoju poszczególnych standardów automatyki budynkowej w latach 1998-2008 (źródło: Conference Dual Sourcing Vs. Sole Sourcing for Building Automation Controls, Washington, November 2005)

Rys. 7 Przewidywane trendy rozwoju poszczególnych standardów automatyki budynkowej do roku 2028 (źródło: Conference Dual Sourcing Vs. Sole Sourcing for Building Automation Controls, Washington, November 2005)

Analiza została przeprowadzona przez firmę consultingową Frost & Sullivan, zajmującą się badaniem globalnych i regionalnych rynków, w zakresie najnowszych technologii.
Zgodnie z tezami prezentowanymi na wspomnianej wyżej konferencji, w ciągu najbliższych 10 lat standard BACnet będzie najczęściej wybieranym standardem, a w ciągu 25 lat zdominuje 75% wszystkich nowych instalacji automatyki budynkowej.