Automatyka budynkowa

Automatyka budynkowa – Poradnik Inwestora

Poradnik Inwestora, który dla Państwa przygotowaliśmy to odpowiedzi na kilka podstawowych pytań. Z pewnością przybliżą one Państwu zagadnienia związane z branżą „automatyka budynkowa”. Wierzymy, że opracowanie okaże się pomocne w ocenie dostępnych rozwiązań, a tym samym pozwoli na podejmowanie najkorzystniejszych decyzji. W poradniku bazujemy na doświadczeniu zdobytym w trakcie realizacji instalacji z zakresu „automatyka budynkowa” na obiektach w całej Polsce. Zapraszamy również do śledzenia rozwiązań oferowanych za pośrednictwem naszego sklepu internetowego alcon-sklep.pl.

Czym jest system zarządzania budynkiem (BMS)?

KOMPUTER Z OPROGRAMOWANIEM

BMS to skrót oznaczający system zarządzania budynkiem (z ang. Building Management System).

W praktyce jest to komputer z oprogramowaniem SCADA, które pozwala na wizualizację procesów, zarządzanie procesami oraz gromadzenie danych (z ang. Supervisory Control And Data Acquisition). Termin SCADA kojarzymy głównie z przemysłem. Warto wiedzieć, że oprogramowanie wykorzystywane w przemyśle i budynkach zasadniczo niczym się nie różni. Różnice wynikają ze sposobu w jaki dane oprogramowanie wykorzystujemy, co jest ściśle powiązane z zadaniami stawianymi takiemu systemowi przez Użytkownika.

KOMUNIKACJA

Oprogramowanie dedykowane budynkom z reguły obsługuje wyłącznie standardy komunikacyjne stosowane powszechnie w tej branży, takie jak BACnet czy MODBUS. Czasami jest to ograniczenie, które wprowadzają producenci, czy też dystrybutorzy oprogramowania. W przemyśle standard komunikacyjny BACnet nie występuje, możemy natomiast spotkać protokół MODBUS. Najczęściej spotkamy się tutaj ze standardami komunikacyjnymi PROFINET oraz PROFIBUS, stąd też takie drajwery komunikacyjne posiada oprogramowanie dedykowane dla przemysłu. Nie ma jednak przeszkód, żeby oprogramowanie SCADA posiadało drajwery komunikacyjne dla wszystkich wymienionych standardów i tego typu rozwiązania są dostępne. Uniwersalne oprogramowanie SCADA, niewątpliwie jest najkorzystniejszym wyborem dla Użytkownika. Nie zawsze bowiem wiadomo z jakimi rozwiązaniami w zakresie systemów automatyki spotkamy się na danym obiekcie. Bywa, że zmieniamy nasze pierwotne założenia, często także rozbudowujemy system oraz integrujemy kolejne urządzenia już na etapie eksploatacji instalacji.

PODSTAWOWE FUNKCJONALNOŚCI

Do podstawowych funkcjonalności oprogramowania BMS należy wizualizacja procesów. Użytkownik może obserwować pracę całej instalacji i wybranych urządzeń z jednego miejsca. Możemy korzystać w tym celu z ekranu komputera, stacjonarnego lub przenośnego, a także z urządzeń mobilnych. Operator z tego poziomu może zarządzać pracą instalacji poprzez zmiany wartości parametrów zadanych.

Kolejną bardzo istotną funkcją jest system alarmów, przede wszystkim bieżących (tj. aktualnie występujących), ale również historycznych, niezbędnych do diagnozowania problemów. W systemach budynkowych,  alarmowanie jest z reguły najczęściej wykorzystywaną przez Użytkownika funkcją systemu.

Jedną z głównych funkcjonalności są harmonogramy. Pozwalają operatorowi na uzależnienie pracy wybranych urządzeń od aktualnej daty, dnia tygodnia oraz godziny.

Niewątpliwie niezbędną funkcjonalnością jest gromadzenie danych pomiarowych. Dzięki systemowi zarządzania budynkiem możemy, rejestrować w czasie każdą zmienną, która występuje w systemie. Najczęściej ograniczamy się jednak do wielkości, które są dla nas szczególnie istotne. Oprogramowanie BMS umożliwia operatorowi analizę przebiegów czasowych rejestrowanych zmiennych, jak również generowanie w tym zakresie raportów. Dane, które gromadzone są najczęściej to wskazania liczników zużycia mediów. Są to istotne informacje dla planowania budżetu związanego z eksploatacją obiektu, a także informacje niezbędne np. do rozliczania najemców.

ZASTOSOWANIE

BMS znajduje zastosowanie w zarządzaniu instalacjami technicznymi budynków tj. systemem wentylacji i klimatyzacji, systemem ogrzewania, system elektroenergetycznym, oświetleniem. Z BMS integrujemy m.in. automatykę:

• central wentylacyjno-klimatyzacyjnych,
• urządzeń komfortu strefowego (klimatyzatorów, szaf klimatyzacji precyzyjnej, klimakonwektorów, belek chłodzących, grzejników, regulatorów zmiennego wydatku),
• węzłów ciepła i kotłowni,
• maszynowni wody lodowej,
• wież i agregatów chłodniczych,
• systemów zasilania awaryjnego,
• agregatów prądotwórczych,
• technologii specyficznej dla danego obiektu (np. technologia basenowa, sprężarki, osuszacze itd.),
• przepompowni ścieków i separatorów substancji ropopochodnych.

Dodatkowo BMS realizuje monitoring:

• warunków pogodowych,
• parametrów środowiskowych w poszczególnych pomieszczeniach,
• analizatorów parametrów sieci elektroenergetycznej,
• liczników zużycia mediów,
• wycieków,
• baterii kondensatorów,
• rozdzielnic elektrycznych (stan ochrony przeciwprzepięciowej, stan poszczególnych zabezpieczeń),
• innych urządzeń i instalacji,
• a także sterowanie obwodami elektrycznymi (np. oświetleniem, ogrzewaniem wpustów), oraz sterowanie innymi instalacjami technicznymi.

INTEGRACJA Z SYSTEMAMI BEZPIECZEŃSTWA

Rzadko spotykanym w praktyce rozwiązaniem jest integracja z BMS systemów bezpieczeństwa (m.in. SSWiN, KD, CCTV, SAP), ponieważ systemy te z reguły posiadają własny system zarządzania, funkcjonujący pod nazwą SMS (z ang. Security Management System). BMS i SMS to dwa odrębne i niezależne systemy. Stawiamy im różne zadania, a do ich obsługi wyznaczamy oddzielne służby tj. techniczne i ochrony. Powiązania pomiędzy systemami BMS i SMS ograniczamy najczęściej do alarmów technicznych, przekazywanych z systemów bezpieczeństwa do BMS. Taki właśnie zakres danych jest przedmiotem zainteresowania służb technicznych obiektu.

Czym jest automatyka budynkowa (BAS)?

STEROWNIKI PLC

System zarządzania budynkiem (BMS) opieramy na danych, których wymiana odbywa się pomiędzy komputerem wyposażonym w oprogramowanie BMS i systemami automatyki budynkowej.

Pod skrótem BAS, czyli „automatyka budynkowa” (z ang. Building Automation System), kryją się wszystkie instalacje i urządzenia występujące w danym obiekcie, wyposażone w sterowniki PLC.

To sterowniki PLC wyposażone w odpowiednie interfejsy komunikacyjne (obsługujące określone standardy komunikacyjne) wymieniają dane z BMS. Sterowniki stanowią źródło danych dla BMS (np. stany urządzeń, wartości wielkości mierzonych), jak również same te dane odbierają (np. wartości zadane, ustawiane przez Użytkownika).

Do sterowników PLC podłączamy aparaturę kontrolno-pomiarowa i regulacyjną, a także możliwe jest załączanie i monitorowanie wszelkiego rodzaju obwodów sterowniczych i zasilających.

Sterowniki PLC odpowiadają za realizację algorytmów sterowania w zakresie poszczególnych instalacji oraz urządzeń i są przede wszystkim elementami autonomicznymi, które mogą funkcjonować niezależenie od systemu zarządzania budynkiem. BMS jest dla nas narzędziem niezbędnym, natomiast automatyka budynkowa realizuje swoje zadania bez względu na działanie tego systemu, przy czym nastawy musimy wówczas wprowadzić indywidualnie dla każdego systemu automatyki z poziomu lokalnych paneli operatorskich (np. zabudowanych bezpośrednio na sterownikach).

AUTOMATYKA FABRYCZNA

W automatyce budynkowej spotykamy się z terminem „automatyka fabryczna”, który jest dla nas systemem automatyki dostarczonym w komplecie wraz z urządzeniem (do pozostałych układów system automatyki projektujemy i wykonujemy indywidualnie). Automatyka fabryczna to rozwiązanie powtarzalne dla urządzeń danego producenta, optymalne w odniesieniu do samego urządzenia oraz z reguły tańsze od alternatywnych rozwiązań projektowanych indywidualnie.

Do wad automatyki fabrycznej można z pewnością zaliczyć ograniczone możliwości dostosowania algorytmów pracy urządzeń do indywidualnych wymagań Użytkownika oraz do współdziałania z innymi systemami automatyki budynkowej. Ograniczenia w tym przypadku występują również w zakresie integracji z BMS, ponieważ integrator, bazując na uniwersalnych zmiennych udostępnionych przez producenta, nie jest wstanie zapewnić Użytkowni możliwości monitorowania wszystkich wybranych przez niego wielkości i niewątpliwie nie może zagwarantować dostępu do wszystkich wybranych przez Użytkownika wartości zadanych. Niższa cena automatyki fabrycznej wynika w wielu przypadkach z zastosowania elementów niskiej jakości, a w szczególności przyjmowania prostych rozwiązań, które nie zawsze wpisują się w ogólnie przyjęte standardy, a w szczególności nie są poprawne technicznie. Niejednokrotnie sam fakt, że dostarczona przez producenta automatyka jest niejako częścią urządzenia, powoduje, że łatwiej akceptujemy nawet rażąco niską jakość wykonania. 

AUTOMATYKA PROJEKTOWANA INDYWIDUALNIE

Systemy automatyki budynkowej, które projektujemy i wykonujemy indywidualnie z reguły są na wyższym poziomie technicznym niż automatyka fabryczna. Wynika to w dużej mierze ze znacznie większych możliwości weryfikacji rozwiązań przez Użytkownika, zanim wykonawca je dostarczy i zainstaluje na obiekcie. W przypadku automatyki projektowanej indywidualnie w nieporównanie większym stopniu możliwe jest spełnienie oczekiwań Użytkownika, a przede wszystkim dopasowanie rozwiązań do współdziałania z pozostałymi systemami automatyki, występującymi na obiekcie.

Jaki standard komunikacyjny wybrać?

PRZEGLĄD

Na przełomie ostatnich 25 lat w branży „automatyka i BMS” pojawiło się kilka standardów komunikacyjnych, które niewątpliwie ją zdominowały.

W latach 90-tych bardzo popularny był standard komunikacyjny LonWorks stworzony przez Echelon, który obecnie jest coraz rzadziej stosowany. Z oferty producentów automatyki budynkowej znikają rozwiązania oparte na tym standardzie.

Bardzo popularnym standardem komunikacyjnym jest KNX (wcześniej EIB), który przede wszystkim rozwijał się w zakresie nowoczesnych instalacji elektrycznych. Obecnie standard ten wykorzystujemy również w automatyce budynkowej, a w szczególności w systemach automatyki pomieszczeniowej.

W celu zarządzania systemem oświetlenia często wykorzystywany jest protokół DALI, który umożliwia indywidualne sterowanie każdą oprawą oświetleniową. Integracja takich systemów z BMS odbywa się za pośrednictwem bramek komunikacyjnych np. DALI-BACnet lub DALI-MODBUS.

Do integracji liczników zużycia mediów (w szczególności liczników ciepła i wody) wykorzystujemy powszechnie protokół komunikacyjny Mbus. Jest on integrowany z BMS za pomocą bramek komunikacyjnych np. Mbus-BACnet, czy też Mbus-MODBUS. W tym przypadku konieczny jest również konwerter zapewniający zasilanie na magistrali.

POWSZECHNIE STOSOWANE

Najczęściej stosowane obecnie standardy komunikacyjne w automatyce budynkowej to BACnet i MODBUS. Wykorzystują one zarówno Ethernet (BACnet IP, MODBUS TCP) jak również transmisję szeregową RS485 (BACnet MSTP, MODBUS RTU). Zarówno BACnet jak i MODBUS są otwartymi standardami międzynarodowymi, a przede wszystkim są wspierane przez wszystkich producentów automatyki budynkowej.

BACNET

BACnet jest standardem zatwierdzonym przez Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Ogrzewnictwa, Chłodnictwa i Klimatyzacji, ASHRAE. Każde wyprodukowane urządzenie w celu potwierdzenia zgodności ze standardem BACnet wymaga uzyskania certyfikatu BTL (z ang. BACnet Testing Laboratories), tak więc wdrożenie rozwiązań zgodnych ze standardem BACnet jest niewątpliwie kosztownym przedsięwzięciem. Urządzenia zgodne ze standardem BACnet są stosunkowo drogie, ale jest to uzasadnione kosztami badań i testów jakie musi ponieść producent.

MODBUS

MODBUS został opracowany przez firmę Modicon w 1979 roku, przejętą następnie przez firmę Schneider Electric. W 2004 roku prawa autorskie zostały przekazane do niezależnej organizacji. Obecnie MODBUS jest standardem otwartym, udostępnionym publicznie i wolnym od opłat. Korzystają z tego producenci, którzy mogą nieodpłatnie implementować standard komunikacyjny MODBUS w swoich urządzeniach, dlatego też jest to standard najczęściej spotykany w automatyce budynkowej. MODBUS jest podstawowym interfejsem komunikacyjnym dostępnym w wielu urządzeniach tj. aparaturze kontrolno-pomiarowej i regulacyjnej,  przemiennikach częstotliwości, agregatach chłodniczych, szafach klimatyzacji precyzyjnej, układach VRF i w większości urządzeń z automatyką fabryczną. Za inne interfejsy komunikacyjne Klient musi dopłacić.

KONSEKWENCJE DLA UŻYTKOWNIKA

Warto wspomnieć, że dla Użytkownika końcowego w trakcie eksploatacji takich systemów jak „automatyka budynkowa” nie ma znaczenia jaki protokół komunikacyjny został wykorzystany przez integratora. Kluczowy jest wybór standardu otwartego, który umożliwia współpracę urządzeń różnych producentów. Bardzo ważne jest również, aby główne systemy automatyki (z uwagi na ilość danych, czy też roli jaką pełnią) połączone zostały z BMS za pośrednictwem sieci Ethernet, co niewątpliwie zapewnia sprawną obsługę instalacji i urządzeń oraz ich serwis.

Na co zwrócić uwagę planując zakup rozwiązań z zakresu „automatyka i BMS”?

PROJEKT PRZETARGOWY

Wszystko zaczyna się od projektu, dlatego również w przypadku systemów takich jak „automatyka budynkowa” właściwy projekt jest niewątpliwie elementem kluczowym. W zależności od tego czy jest to projekt przetargowy, czy też projekt wykonawczy, powinien koncentrować się na innych kwestiach. W celu pozyskania projektu przetargowego należy unikać współpracy z producentami oraz biurami projektowymi promującymi wybranych producentów, a w szczególności należy blokować wszelkie zapisy specyficzne dla urządzeń danego producenta. Projekt przetargowy powinien określać wymagania Inwestora, bez narzucania szczegółowych rozwiązań. Takie podejście jest korzystne dla Inwestora, ponieważ pozwala na pozyskanie z rynku większej ilości ofert.

PROMOWANIE WYBRANYCH ROZWIĄZAŃ

Promowanie wybranego producenta (a tym właśnie jest umieszczanie w projekcie zapisów charakteryzujących konkretny produkt) powoduje, że niewątpliwie już na starcie jest się skazanym na poniesienie znacznie wyższych kosztów inwestycyjnych. Wynika to z faktu, że rozwiązania wybranego producenta lub konkretny asortyment wybrany z szerszej oferty tego producenta, nie zawsze będzie optymalny dla naszego obiektu. Projekt przetargowy musimy opracować bardzo rzetelnie, ponieważ w przeciwnym razie nie spełni swojej podstawowej roli, a przede wszystkim nie pozwoli na złożenie ofert, które będzie można w sposób skuteczny porównywać.

ROZWIĄZANIA ZAMIENNE

Zbyt ogólne zapisy będą działały na niekorzyść Inwestora, ponieważ w rezultacie będę promowały nierzetelnego wykonawcę, który zinterpretuje je na swoją korzyść. Często dochodzi do sytuacji gdzie projekty promujące wybranych producentów zawierają jednocześnie zapisy o możliwości stosowania rozwiązań zamiennych. Trudno jednak po fakcie takie rozwiązania zamienne zatwierdzić. Z reguły wymaga to również akceptacji ze strony projektanta, który nie zawsze będzie tym zainteresowany.

PROJEKT WYKONAWCZY

Projekt wykonawczy powinien być następstwem projektu przetargowego lub uzgodnionej koncepcji, która podobnie jak projekt przetargowy musi określać wymagania Inwestora. Na podstawie złożonych wcześniej ofert znamy budżet oraz rozwiązania bazujące na wybranym producencie automatyki budynkowej. Na tym etapie najważniejsza jest dla nas koordynacja międzybranżowa, a w szczególności koordynacja z branżą mechaniczną i elektryczną, ponieważ nasz system automatyki budynkowej w większości powiążemy właśnie z tymi dwiema branżami.

Do ważnych kwestii w zakresie planowania systemu automatyki i BMS należy:

• stosowanie standardów otwartych,
• bazowanie głównie na komunikacji Ethernet,
• optymalna ilość danych w systemie,
• rozproszenie sterowników PLC,
• dostęp administratora po okresie gwarancyjnym.

STANDARDY OTWARTE

Wykorzystywanie do budowy BAS / BMS standardów otwartych jest obecnie wymaganiem podstawowym, a przede wszystkim umożliwiającym współpracę urządzeń różnych producentów.

ETHERNET

Najszybszą komunikację zapewnia sieć Ethernet, która niewątpliwie pozwala na najbardziej efektywną eksploatację systemu, jak również jego diagnostykę i konserwację.

OPTYMALIZACJA

Ważną kwestią jest ilość danych w systemie, ponieważ nie wszystkie informacje są Użytkownikowi niezbędne do zarządzania instalacjami technicznymi w budynku. Niekiedy nadmiar danych może być dla Użytkownika równie problematyczny jak ich brak.

ROZPROSZENIE

Obsługa dużej ilości sygnałów z jednej lokalizacji jest błędem, często spotykanym na obiektach. Wynika to z zastosowania wybranych rozwiązań producentów, które są korzystne pod względem ceny sterownika oraz modułów wejść / wyjść, ale przy jednoczesnym ignorowaniu ilości okablowania, które jest wówczas konieczne do wykonania.

Najkorzystniejszym rozwiązaniem jest możliwie duże rozproszenie sterowników po całym obiekcie, a następnie łączenie poszczególnych systemów automatyki oraz BMS za pośrednictwem sieci Ethernet.

HASŁA DOSTĘPU

Po upływie okresu gwarancyjnego wykonawca automatyki budynkowej powinien zapewnić Użytkownikowi dostęp do systemu na poziomie administratora. Jest to niewątpliwie niezbędne do swobodnego wyboru dostawcy usług serwisowych w okresie pogwarancyjnym. Warto zastrzec w umowie z wykonawcą, że po upływie okresu gwarancji nastąpi przekazanie niezbędnych haseł dostępu.

Jakie są korzyści z wdrożenia systemu zarządzania budynkiem (BMS)?

UPROSZCZONY NADZÓR

Główną korzyścią z wdrożenia rozwiązań z dziedziny „automatyka budynkowa” jest możliwość nadzorowania pracy wszystkich instalacji i urządzeń włączonych do systemu z jednego miejsca. W konsekwencji ograniczamy ilości osób zaangażowanych do realizacji tego zadania.

RZETELNA INFORMACJA

Do najważniejszych korzyści należy zaliczyć również ilość oraz jakość otrzymywanych informacji, których nie potrafimy uzyskać bez BMS. Byłoby to niemożliwe nawet w sytuacji, gdy stoimy bezpośrednio przy danym urządzeniu.

OSZCZĘDNOŚCI

Dane i narzędzia dostępne dla Użytkownika pozwalają mu dostosować pracę wszystkich instalacji do swoich indywidualnych potrzeb. W szczególności umożliwiają zadbać o gospodarowanie nimi możliwie najkorzystniejsze pod względem ekonomicznym.

DŁUŻSZY OKRES EKSPLOATACJI

Kluczowe znaczenie ma informowanie Użytkownika o występujących stanach nieprawidłowych i alarmach, dlatego że zapewnia mu możliwość podjęcia natychmiastowych działań. Pozwala to na uniknięcie poważniejszych awarii i przede wszystkim zapewnia właściwą i systematyczną konserwację instalacji i urządzeń.

DANE DO ANALIZY

Możliwość rejestracji danych i ich późniejsze analizowanie  na przebiegach czasowych, pozwala na diagnozowanie problemów w trakcie eksploatacji. Możliwe jest również optymalizowanie nastaw wartości zadanych.  Rejestracja danych zapewnia także wiedzę o kosztach eksploatacji budynku, usprawnia planowanie budżetu, umożliwia rozliczanie najemców.