Automatyka budynkowa

Ten artykuł dotyczy automatyki w budynkach komercyjnych. Aby zapoznać się z automatyzacją w domach, zobacz Automatyka domowa .
Robot arm icon.svg
Część serii poświęconej
automatyzacji
Automatyzacja w ogóle
Robotyka i roboty
Wpływ automatyzacji
Targi i nagrody

Automatyka budynkowa (BAS) , znana również jako system zarządzania budynkiem (BMS) lub system zarządzania energią w budynku (BEMS), to automatyczne scentralizowane sterowanie HVAC (ogrzewaniem, wentylacją i klimatyzacją) budynku , elektrycznością, oświetleniem , cieniowaniem, kontrolą dostępu , Systemy bezpieczeństwa i inne powiązane ze sobą systemy. Niektóre cele automatyki budynkowej to poprawa komfortu użytkowników, wydajne działanie systemów budynkowych, zmniejszenie zużycia energii, zmniejszenie kosztów eksploatacji i utrzymania oraz zwiększenie bezpieczeństwa.

Funkcjonalność BAS może utrzymywać klimat w budynkach w określonym zakresie, dostarczać światło do pomieszczeń w zależności od liczby osób, monitorować wydajność i awarie urządzeń oraz dostarczać alarmy o usterkach personelowi utrzymania budynku. BAS działa w celu zmniejszenia kosztów energii i konserwacji budynku w porównaniu z budynkiem niekontrolowanym. Większość budynków komercyjnych, instytucjonalnych i przemysłowych zbudowanych po 2000 r. obejmuje BAS, podczas gdy starsze budynki można doposażyć w nowy BAS.

Budynek kontrolowany przez BAS jest często określany jako inteligentny budynek, „inteligentny budynek” lub (w przypadku rezydencji) „ inteligentny dom ”. Budynki komercyjne i przemysłowe w przeszłości opierały się na solidnych, sprawdzonych protokołach (takich jak BACnet ), podczas gdy w domach używano protokołów zastrzeżonych (takich jak X-10 ).

Prawie wszystkie wielopiętrowe zielone budynki są zaprojektowane tak, aby pomieścić BAS w zakresie charakterystyki oszczędzania energii, powietrza i wody. Reakcja na zapotrzebowanie urządzeń elektrycznych jest typową funkcją BAS, podobnie jak bardziej wyrafinowane monitorowanie wentylacji i wilgotności wymagane w przypadku „szczelnie” izolowanych budynków. Większość zielonych budynków wykorzystuje również jak najwięcej urządzeń prądu stałego o niskim poborze mocy. Nawet domu pasywnego , który ma nie zużywać żadnej energii netto, zazwyczaj wymaga BAS do zarządzania wychwytywaniem ciepła, zacienianiem i wentylacją oraz planowaniem użycia urządzeń.

Charakterystyka

Systemy zarządzania budynkiem są najczęściej wdrażane w dużych projektach z rozbudowanymi systemami mechanicznymi, HVAC i elektrycznymi. Systemy połączone z BMS zwykle odpowiadają za 40% zużycia energii w budynku; jeśli uwzględni się oświetlenie, liczba ta zbliża się do 70%. Systemy BMS są kluczowym elementem zarządzania zapotrzebowaniem na energię. Uważa się, że nieprawidłowo skonfigurowane systemy BMS odpowiadają za 20% zużycia energii w budynkach, czyli około 8% całkowitego zużycia energii w Stanach Zjednoczonych.

Oprócz kontrolowania środowiska wewnętrznego budynku, systemy BMS są czasami połączone z kontrolą dostępu (kołowrotki i drzwi wejściowe kontrolujące, kto ma dostęp do budynku i z którego można wyjść) lub innymi systemami bezpieczeństwa, takimi jak telewizja przemysłowa (CCTV) i czujniki ruchu . Systemy sygnalizacji pożaru i windy są czasami połączone z systemem BMS w celu monitorowania. W przypadku wykrycia pożaru tylko centrala sygnalizacji pożaru mogłaby zamknąć klapy w instalacji wentylacyjnej w celu powstrzymania rozprzestrzeniania się dymu, wyłączyć centrale wentylacyjne, uruchomić wentylatory oddymiające oraz skierować wszystkie windy na parter i zaparkować je tak, aby uniemożliwić ludziom używając ich.

Systemy zarządzania budynkami obejmują również mechanizmy reagowania na katastrofy (takie jak izolacja bazy ) w celu ratowania konstrukcji przed trzęsieniami ziemi. W ostatnim czasie firmy i rządy pracowały nad znalezieniem podobnych rozwiązań dla stref powodziowych i obszarów przybrzeżnych zagrożonych podnoszeniem się poziomu mórz . Samoregulujące się pływające środowisko czerpie z istniejących technologii stosowanych do unoszenia betonowych mostów i pasów startowych, takich jak Washington's SR 520 i Japan's Mega-Float .

Rodzaje wejść i wyjść

Czujniki

Wejścia analogowe służą do odczytu wielkości pomiarowej. Przykładami są czujniki temperatury , wilgotności i ciśnienia , które mogą być termistorem , 4–20 mA , 0–10 V lub platynowym termometrem oporowym (rezystancyjny czujnik temperatury) lub czujnikami bezprzewodowymi .

Wejście cyfrowe wskazuje, że urządzenie jest włączone lub wyłączone. Niektóre przykłady wejść cyfrowych to przełącznik drzwiowy, przełącznik prądu, przełącznik przepływu powietrza lub beznapięciowy styk przekaźnika (styk bezprądowy). Wejścia cyfrowe mogą być również wejściami impulsowymi zliczającymi impulsy w pewnym okresie czasu. Przykładem jest przepływomierz turbinowy przesyłający dane o przepływie jako częstotliwość impulsów na wejście.

Nieinwazyjne monitorowanie obciążenia to oprogramowanie wykorzystujące czujniki cyfrowe i algorytmy do wykrywania urządzeń lub innych obciążeń na podstawie charakterystyki elektrycznej lub magnetycznej obwodu. Jest to jednak wykrywanie zdarzenia za pomocą środków analogowych. Są one niezwykle ekonomiczne w eksploatacji i przydatne nie tylko do identyfikacji, ale również do wykrywania stanów przejściowych rozruchu, usterek linii lub sprzętu itp.

Sterownica

Wyjścia analogowe sterują prędkością lub położeniem urządzenia, takiego jak przetwornica częstotliwości , przetwornik IP ( prąd do pneumatyki ) lub siłownik zaworu lub przepustnicy . Przykładem jest otwarcie zaworu ciepłej wody o 25% w celu utrzymania wartości zadanej . Innym przykładem jest przetwornica częstotliwości, która powoli przyspiesza silnik, aby uniknąć trudnego rozruchu.

Wyjścia cyfrowe służą do otwierania i zamykania przekaźników i przełączników, a także do sterowania obciążeniem na polecenie. Przykładem może być włączenie świateł parkingowych, gdy fotokomórka wskazuje , że na zewnątrz jest ciemno. Innym przykładem może być otwarcie zaworu poprzez przepuszczenie napięcia 24 VDC/AC przez wyjście zasilające zawór. Wyjścia analogowe mogą być również wyjściami impulsowymi emitującymi częstotliwość impulsów w zadanym okresie czasu. Przykładem jest licznik energii obliczający kWh i emitujący odpowiednio częstotliwość impulsów.

Infrastruktura

A diagram showing connected components within a building automation system
Przykładowy układ systemu automatyki budynkowej

Kontroler

Kontrolery to zasadniczo małe, specjalnie skonstruowane komputery z możliwościami wejścia i wyjścia. Kontrolery te są dostępne w różnych rozmiarach i możliwościach do sterowania urządzeniami powszechnie spotykanymi w budynkach oraz do sterowania podsieciami sterowników.

Wejścia umożliwiają sterownikowi odczyt temperatury, wilgotności, ciśnienia, przepływu prądu, przepływu powietrza i innych istotnych czynników. Wyjścia umożliwiają sterownikowi wysyłanie sygnałów sterujących i sterujących do urządzeń podrzędnych i innych części systemu. Wejścia i wyjścia mogą być cyfrowe lub analogowe. Wyjścia cyfrowe są czasami nazywane dyskretnymi w zależności od producenta.

Sterowniki stosowane w automatyce budynków można podzielić na trzy kategorie: programowalne sterowniki logiczne (PLC), sterowniki systemowe/sieciowe oraz sterowniki terminali. Jednak może istnieć również dodatkowe urządzenie w celu zintegrowania systemów innych firm (np. samodzielny system klimatyzacji) z centralnym systemem automatyki budynku.

Sterowniki terminali zwykle nadają się do sterowania oświetleniem i/lub prostszymi urządzeniami, takimi jak pakietowa jednostka dachowa, pompa ciepła, skrzynka VAV, klimakonwektor itp. Instalator zazwyczaj wybiera jedną z dostępnych zaprogramowanych osobowości najlepiej pasujących do urządzenia być sterowany i nie musi tworzyć nowej logiki sterowania.

Okupacja

Zajętość to jeden z dwóch lub więcej trybów pracy systemu automatyki budynku; Inne popularne tryby to Wolny, Poranna rozgrzewka i Nocne obniżenie.

Obłożenie jest zwykle oparte na harmonogramach pory dnia. W trybie obecności BAS ma na celu zapewnienie komfortowego klimatu i odpowiedniego oświetlenia, często ze sterowaniem strefowym, tak aby użytkownicy po jednej stronie budynku mieli inny termostat (lub inny system lub podsystem) niż użytkownicy po przeciwnej stronie strona.

Czujnik temperatury w strefie przekazuje informację zwrotną do sterownika, dzięki czemu może on w razie potrzeby zapewnić ogrzewanie lub chłodzenie.

Jeśli ta opcja jest włączona, tryb porannego rozgrzewania (MWU) uruchamia się przed zajęciem. Podczas porannej rozgrzewki system BAS próbuje doprowadzić budynek do wartości zadanej w samą porę dla obecności. BAS często bierze pod uwagę warunki zewnętrzne i doświadczenia historyczne, aby zoptymalizować MWU. Nazywa się to również zoptymalizowanym startem .

Niektóre budynki wykorzystują czujniki obecności do włączania oświetlenia lub klimatyzacji. Biorąc pod uwagę długi czas realizacji, zanim pomieszczenie stanie się wystarczająco chłodne lub ciepłe, klimatyzacja nie jest często inicjowana bezpośrednio przez czujnik obecności.

Oświetlenie

Oświetlenie można włączać, wyłączać lub ściemniać za pomocą automatyki budynkowej lub systemu sterowania oświetleniem w oparciu o porę dnia lub czujnik obecności, fotoczujniki i timery. Typowym przykładem jest włączenie światła w przestrzeni na pół godziny od wykrycia ostatniego ruchu. Fotokomórka umieszczona na zewnątrz budynku może wykrywać ciemność i porę dnia oraz modulować oświetlenie w zewnętrznych biurach i na parkingu.

Oświetlenie jest również dobrym kandydatem do reagowania na zapotrzebowanie , a wiele systemów sterowania zapewnia możliwość przyciemniania (lub wyłączania) świateł w celu skorzystania z zachęt i oszczędności DR.

W nowszych budynkach sterowanie oświetleniem może opierać się na magistrali polowej Digital Addressable Lighting Interface (DALI). Lampy ze statecznikami DALI są w pełni ściemnialne. DALI może również wykrywać awarie lamp i stateczników w oprawach DALI oraz sygnalizować awarie.

Cieniowanie i przeszklenie

Zacienienie i przeszklenia są niezbędnymi elementami systemu budowlanego, wpływają na komfort wizualny, akustyczny i termiczny użytkowników oraz zapewniają mieszkańcom widok na zewnątrz. Zautomatyzowane systemy zacieniania i oszklenia to rozwiązania do kontrolowania zysków ciepła słonecznego i olśnienia. Odnosi się do wykorzystania technologii do sterowania zewnętrznymi lub wewnętrznymi urządzeniami zaciemniającymi (takimi jak żaluzje i żaluzje) lub samymi przeszkleniami. System aktywnie i szybko reaguje na różne zmieniające się dane zewnętrzne (takie jak nasłonecznienie, wiatr) oraz na zmieniające się środowisko wewnętrzne (takie jak temperatura, natężenie oświetlenia i wymagania użytkowników). Systemy zacieniania i przeszklenia budynków mogą przyczynić się do poprawy temperatury i oświetlenia zarówno z punktu widzenia oszczędności energii, jak i komfortu.

Cieniowanie dynamiczne

Dynamiczne urządzenia zacieniające umożliwiają kontrolę dostępu światła dziennego i energii słonecznej do środowiska zabudowanego w zależności od warunków zewnętrznych, zapotrzebowania na światło dzienne i pozycji nasłonecznienia. Typowe produkty to żaluzje , rolety , żaluzje i żaluzje. Są one najczęściej instalowane po wewnętrznej stronie systemu przeszklenia ze względu na niskie koszty utrzymania, ale mogą być również stosowane na zewnątrz lub w kombinacji obu.

Handlowcy powietrza

Dalsze informacje: Obsługa powietrza

Większość central wentylacyjnych miesza powietrze powrotne z powietrzem zewnętrznym, więc wymagana jest mniejsza temperatura/wilgotność klimatyzacji. Może to zaoszczędzić pieniądze, zużywając mniej schłodzonej lub podgrzanej wody (nie wszystkie centrale wykorzystują obiegi wody lodowej lub ciepłej). Aby powietrze w budynku było zdrowe, potrzebna jest pewna ilość powietrza z zewnątrz. Aby zoptymalizować efektywność energetyczną przy jednoczesnym utrzymaniu zdrowej jakości powietrza w pomieszczeniach (IAQ) , sterowanie zapotrzebowaniem (lub kontrolowana) wentylacja (DCV) dostosowuje ilość powietrza zewnętrznego na podstawie zmierzonych poziomów zajętości.

kanałach powietrza wywiewanego i nawiewanego , a czasami powietrza zewnętrznego. Siłowniki umieszczone są na zaworach wody ciepłej i zimnej, przepustnicach powietrza zewnętrznego i powietrza powrotnego. Wentylator nawiewny (i powrót, jeśli dotyczy) jest uruchamiany i zatrzymywany w zależności od pory dnia, temperatury, ciśnienia w budynku lub kombinacji.

Alarmy i zabezpieczenia

Wszystkie nowoczesne systemy automatyki budynkowej posiadają funkcje alarmowe. Niewiele pomoże wykrycie potencjalnie niebezpiecznej lub kosztownej sytuacji, jeśli nie zostanie powiadomiona osoba, która może rozwiązać problem. Powiadomienie może nastąpić za pośrednictwem komputera (e-mail lub wiadomość tekstowa), pagera , połączenia głosowego z telefonu komórkowego, alarmu dźwiękowego lub wszystkich z nich. Dla celów ubezpieczenia i odpowiedzialności wszystkie systemy prowadzą rejestry, kto został powiadomiony, kiedy iw jaki sposób.

Alarmy mogą natychmiast powiadamiać kogoś lub powiadamiać tylko wtedy, gdy alarmy osiągną pewien próg powagi lub pilności. W obiektach z kilkoma budynkami chwilowe awarie zasilania mogą powodować setki lub tysiące alarmów z wyłączonych urządzeń – należy je stłumić i rozpoznać jako symptomy większej awarii. Niektóre lokalizacje są zaprogramowane tak, że krytyczne alarmy są automatycznie wysyłane ponownie w różnych odstępach czasu. Na przykład powtarzający się alarm krytyczny (zasilania awaryjnego w trybie obejścia) może rozlegać się po 10 minutach, 30 minutach, a następnie co 2 do 4 godzin, aż do usunięcia alarmów.

Systemy bezpieczeństwa można połączyć z systemem automatyki budynku. Jeśli obecne są czujniki obecności, mogą być również używane jako alarmy antywłamaniowe. Ponieważ systemy bezpieczeństwa są często celowo sabotowane, przynajmniej niektóre detektory lub kamery powinny mieć podtrzymanie bateryjne i łączność bezprzewodową oraz możliwość wyzwalania alarmów po rozłączeniu. Nowoczesne systemy zwykle wykorzystują technologię Power-over-Ethernet (która może obsługiwać kamerę z funkcją obrotu, pochylenia i zoomu oraz inne urządzenia o mocy do 30–90 watów), która jest w stanie ładować takie akumulatory i zapewnia dostępność sieci bezprzewodowych dla prawdziwie bezprzewodowych zastosowań, takich jak tworzenie kopii zapasowych komunikacja w awariach.

Centrale przeciwpożarowe i powiązane z nimi systemy sygnalizacji dymu są zwykle podłączone na stałe, aby zastąpić automatykę budynku. Na przykład: jeśli alarm dymu jest aktywny, wszystkie zewnętrzne klapy powietrza zamykają się, aby zapobiec przedostawaniu się powietrza do budynku, a system wyciągowy może odizolować ogień. Podobnie systemy wykrywania usterek elektrycznych mogą wyłączać całe obwody, niezależnie od liczby alarmów, które wyzwalają, lub osób, które to niepokoi. paliw kopalnych mają również zwykle własne obejścia, takie jak linie zasilania gazem ziemnym , które wyłączają się po wykryciu powolnych spadków ciśnienia (wskazujących na wyciek) lub po wykryciu nadmiaru metanu w dopływie powietrza do budynku.

Autobusy i protokoły

Większość sieci automatyki budynkowej składa się z magistrali głównej i drugorzędnej , które łączą sterowniki wysokiego poziomu (zwykle wyspecjalizowane w automatyce budynków, ale mogą to być ogólne programowalne sterowniki logiczne ) ze sterownikami niższego poziomu, urządzeniami wejścia/wyjścia oraz interfejsem użytkownika (znanym również jako urządzenie interfejsu człowieka). Otwarty protokół ASHRAE BACnet lub otwarty protokół LonTalk określają sposób współpracy większości takich urządzeń. Nowoczesne systemy wykorzystują SNMP do śledzenia zdarzeń, opierając się na dziesięcioleciach historii protokołów opartych na SNMP w świecie sieci komputerowych.

Fizyczna łączność między urządzeniami była historycznie zapewniana przez dedykowane światłowody , ethernet , ARCNET , RS-232 , RS-485 lub specjalną sieć bezprzewodową o niskiej przepustowości . Nowoczesne systemy opierają się na wieloprotokołowych, heterogenicznych sieciach opartych na standardach, takich jak określone w IEEE 1905.1 i zweryfikowane przez znak audytu nVoy. Obsługują one zwykle tylko sieci oparte na protokole IP, ale mogą wykorzystywać dowolne istniejące okablowanie, a także integrować sieci Powerline za pośrednictwem obwodów prądu przemiennego, obwody prądu stałego o niskim poborze mocy przez Ethernet , sieci bezprzewodowe o dużej przepustowości, takie jak LTE i IEEE 802.11n oraz IEEE 802.11 ac i często integrują je za pomocą otwartego standardu sieci bezprzewodowej Zigbee specyficznego dla budynków .

Własny sprzęt dominuje na rynku kontrolerów. Każda firma posiada sterowniki do określonych zastosowań. Niektóre są zaprojektowane z ograniczonymi elementami sterującymi i bez interoperacyjności, na przykład proste kompaktowe jednostki dachowe do HVAC. Oprogramowanie zazwyczaj nie integruje się dobrze z pakietami innych dostawców. Współpraca odbywa się wyłącznie na poziomie Zigbee/BACnet/LonTalk.

Obecne systemy zapewniają interoperacyjność na poziomie aplikacji, umożliwiając użytkownikom łączenie i dopasowywanie urządzeń różnych producentów oraz integrację z innymi kompatybilnymi systemami sterowania budynkiem . Zazwyczaj opierają się one na protokole SNMP , od dawna używanym w tym samym celu do integracji różnych komputerowych urządzeń sieciowych w jedną spójną sieć.

Protokoły i standardy branżowe

Względy bezpieczeństwa

Wraz z rosnącym spektrum możliwości i połączeń z Internetem Rzeczy , systemy automatyki budynkowej były wielokrotnie zgłaszane jako podatne na ataki, co pozwalało hakerom i cyberprzestępcom atakować ich komponenty. Hakerzy mogą wykorzystać budynki do pomiaru lub zmiany ich otoczenia: czujniki umożliwiają inwigilację (np. monitorowanie ruchu pracowników lub zwyczajów mieszkańców), a aktuatory pozwalają na wykonywanie działań w budynkach (np. otwieranie drzwi lub okien intruzom). Kilku dostawców i komitety rozpoczęło ulepszanie funkcji bezpieczeństwa w swoich produktach i standardach, w tym KNX, Zigbee i BACnet (patrz najnowsze standardy lub projekty norm). Jednak badacze zgłaszają kilka otwartych problemów związanych z bezpieczeństwem automatyki budynkowej.

11 listopada 2019 r. Gjoko Krstic i Sipke Mellema opublikowali 132-stronicowy artykuł badawczy zatytułowany „Jestem właścicielem twojego budynku (system zarządzania)”, w którym omówiono ponad 100 luk w zabezpieczeniach różnych rozwiązań BMS i kontroli dostępu różnych dostawców.

Automatyka pokojowa

Automatyka pokojowa jest podzbiorem automatyki budynkowej i ma podobny cel; jest to konsolidacja jednego lub więcej systemów pod scentralizowaną kontrolą, choć w tym przypadku w jednym pomieszczeniu.

Najczęstszym przykładem automatyzacji pomieszczeń są korporacyjne sale konferencyjne, sale prezentacyjne i sale wykładowe, w których działa duża liczba urządzeń definiujących funkcję pomieszczenia (takich jak sprzęt do wideokonferencji , projektory wideo , systemy sterowania oświetleniem , systemy nagłośnieniowe itp. ) sprawiłoby, że ręczna obsługa pomieszczenia byłaby bardzo skomplikowana. Systemy automatyki pomieszczeń często wykorzystują ekran dotykowy jako podstawowy sposób sterowania każdą operacją.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Building_automation&oldid=1140729904 ”