Интеллектуальное здание (BMS) –система автоматизации и диспетчеризации здания САУиД

Инженерное оборудование гражданского здания может включать климатическое оборудование, оборудование водоснабжения и водоотведения, лифтовое оборудование и подъемники, оборудование связи, безопасности, противопожарное оборудование, электрохозяйство и др. В промышленных зданиях также установлено оборудование, обеспечивающее техпроцесс.

Управление каждой из систем «по умолчанию» выполняется либо в ручном полуавтоматическом, либо в автоматическом автономном режиме, когда систем работает без учета данных от других систем.

По ГОСТ 34.003-90 «Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения», автоматизированная система (АС): Система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций.

В системе управления зданием можно выделить две подсистемы: систему диспетчеризации и программный комплекс, обеспечивающий интеграцию автономно автоматизированных систем.

Система диспетчеризации предназначена для удалённого сбора и хранения показаний полевых устройств и датчиков, а также для контроля за параметрами управления режимами работы, выявления нештатных ситуаций, ведения отчётности.

Система интеграции обеспечивает обмен данными между системами и учет данных, получаемых от одной системы в алгоритмах работы другой системы. Интегрированная автоматизированная система - это совокупность двух или более взаимоувязанных АС, в которой функционирование одной из них зависит от результатов функционирования другой (других) так, что эту совокупность можно рассматривать как единую АС (ГОСТ 34.003-90).

Интеллектуальное здание предоставляет владельцу определенное количество сервисов, необходимых для автоматизированного выполнения им своих функций, и имеет способность адекватно и оперативно реагировать на любые изменения внешней и внутренней среды, а также на требования владельцев или арендаторов здания.

Основа интеллектуального здания – программное обеспечение, обеспечивающее совместное функционирование различных систем, основные требования, выставляемые к ИЗ аналогичны к общим требованиям для автоматизированных систем управления (АСУ):

• Техническое решение должно обеспечивать достижение целей создания системы, установленных в ТЗ на систему автоматизации;
• В ИЗ должна быть обеспечена совместимость между ее частями – выполнение этого требования, подразумевает либо применение единого оборудования управления для всех инженерных систем, попытка такого подхода реализуется например компанией Schneider Electric на архитектуре Smart Struxture, либо с помощью шлюзов, универсальных контроллеров, OPC-серверов;
  
  
• В ИЗ должна быть предусмотрена возможность масштабирования и модернизации;
• Надежность системы в целом и каждой из ее частей должна быть достаточна для достижения установленных в ТЗ целей при заданных условиях применения;
• Адаптивность системы должна быть достаточной для достижения установленных целей ее функционирования в заданном диапазоне возможных отклонений;
• В системе интеллектуального здания должен быть предусмотрен контроль корректности выполнения функций и функции диагностирования;
• В измерительных каналах должна быть предусмотрена возможность контроля метрологических характеристик измерительных приборов. Поверка приборов важна, если потребуется, к примеру, возмещать ущерб, полученный от некачественного сетевого снабжения;
  
  
• В системе должны быть предусмотрены меры защиты от неправильных действий персонала, приводящих к аварийному состоянию объекта или системы управления, от случайных изменений и разрушения информации и программ, а также от несанкционированного вмешательства;
• Система должна быть защищена от утечки информации.

Интеллектуальное здание – это здание, обеспечивающее продуктивное и эффективное использование рабочего пространства. Оно подразумевает интеграцию различных инженерных систем «под эгидой» единой автоматизированной системы управления зданием.

Цели разработки системы интеллектуального здания

В зависимости от назначения и размеров здания, цели разработки системы ИЗ могут отличаться. Например, в производственном здании, основной целью может быть обеспечение стабильной работы технологического процесса, с максимальной экономией ресурсов. В офисном здании задача может звучать как обеспечение комфорта арендаторов с обеспечением необходимого уровня комфорта и возможной экономией ресурсов, в частном домостроении приоритетом может быть комфорт жителей и их безопасность, особенно с учетом того, что абсолютные цифры экономии на энергоресурсах могут быть очень небольшими в зданиях площадью меньше 300 м².

Выделяют три основные задачи системы автоматизации: экономия, комфорт и безопасность. Приоритетная задача определяется назначением здания и техническим заданием.

Интегрированная система управления зданием решает три указанные задачи лучше, чем каждая из систем решила бы по отдельности:

Экономия. За счет информационного обмена между системами и возможностью совместной работы, ИЗ позволяет существенно снизить энергетические расходы и коммунальные платежи, оптимизировать траты на ремонт инженерных систем, эффективно использовать человеческие ресурсы, в целом улучшить сервисное обслуживание системы;

Комфорт. ИЗ предоставляет своим обитателям максимальное количество сервисов, необходимых для комфортной работы. Проект разрабатывается с учетом индивидуальных пожеланий заказчика и приоритетных задач;

Безопасность. Подразумевается безопасность от внешней угрозы и безопасность протекания процессов (предотвращение аварийных ситуаций и т.п.). Система ИЗ уменьшает влияние субъективного человеческого фактора, особенно во внештатных ситуациях, исключается фактор паники, снижается время реакции до 90%.

Энергоэффективность, энергосбережение и снижение коммунальных затрат

Энергоэффективность системы показывает насколько технические и проектные решения, принятые на объекте, позволяют максимально полно использовать энергию.

Энергосбережение представляет собой меры, которые позволяют экономить энергию за счет отключения потребления систем, в случаях, когда энергия не требуется.

Эти два понятия часто используются вместе, однако имеют отличия. Лучше всего продемонстрировать отличия с помощью примера. Рассмотрим систему отопления энергоэффективного здания. Применение частотных преобразователей при управлении расхода насосами, совершенные теплоизоляционные материалы при строительстве стен, радиаторы специальной конструкции – это примеры энергоэффективности. Но если помещения отапливаются одинаково, вне зависимости от наличия в них людей и учета сторон света север-юг, то эта энергоэффективная система отопления не является энергосберегающей.

В России определены следующие классы энергоэффективности зданий А++, А+, А, В+, В, С+, С, С-, D, Е. Здания класса А – наиболее энергоэффективные и современные. А проектирование новых зданий классов D и E уже не допускается. (Федеральный закон № 261 ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергоэффективности», Постановление российского Правительства № 18 «Об утверждении Правил установления требований энергоэффективности для зданий, строений, сооружений и требований к правилам определения класса энергоэффективности МКД»).

Система интеллектуального здания позволяет в большей степени управлять энергосбережением, повышение энергоэффективности возможно, однако ограничено уже применяемой технологией.

Как работает активное энергосбережение?

Положим, объект сдан и ведется его ежедневная эксплуатация. Обязательными составляющими системы ИЗ являются – подсистема диспетчеризации (отображает и протоколирует все процессы, происходящие в здании), система технического учета энергоресурсов (позволяет получать данные о потреблении каждого из основных устройств системы), система автоматизации (управление полевыми устройствами), системы сигнализации (позволяют получать данные о наличии людей в помещениях и о состоянии окон, дверей, лючков и т.п.).

Если служба эксплуатации относится к своим обязанностям не формально, то при увеличении или уменьшении энергопотребления, диспетчер сопоставляет временные графики параметров оборудования системы и определяет причину, происходящего. Далее анализируются алгоритмы работы систем, и при необходимости, в них вносятся изменения, чтобы исключить повтор определенной ситуации или наоборот, чтобы ее возникновение происходило в штатном режиме.

Пример: Южный контур системы отопления южного контура частично перекрывается при ярком солнечном дне или при отсутствии в помещениях людей, а в ночное время производится перевод всей системы на пониженную мощность.

В результат моделирования или просто опыта разумной эксплуатации, возможны в т.ч. изменения в конструкции здания. Самое простое – применение теплоизоляционных материалов или стеклопакетов с улучшенными характеристиками, установка доводчиков дверей или дополнительных перегородок. Т.о. цикл активного энергосбережения замыкается и начинается заново.

По некоторым оптимистичным оценкам, за счет экономичного потребления и эффективного перераспределения энергоресурсов между инженерными системами здания, непосредственная выгода может составлять:

• Снижение платежей за электроэнергию - до 30 %, и до 40% на систему электроосвещения;
• Сокращение энергопотребления за счет оптимизации работы тепловых машин – до 40 %;
• Снижение эксплуатационных расходов до 40%;
• Продление срока службы оборудования - от 50 до 100%.

Какой бы совершенной не была система автоматизации, значительная экономия энергоносителей достигается за счет использования ресурсосберегающих материалов и технологий строительства и отделки: энергосберегающих ламп и светильников, утепления стен и кровли.

Увеличение срока службы оборудования

Интеллектуальное здание обеспечивает эффективную организацию контроля над всеми значимыми параметрами инженерного оборудования, линиями коммуникаций и общим состоянием составляющих системы.

Специальные алгоритмы систем мониторинга позволяют службе эксплуатации заранее предотвращать серьезные сбои на основе изменения косвенных показателей работы оборудования. При этом, обслуживающий персонал не должен в знать детали определенного техпроцесса, система сама формирует тревожное сообщение, все что требуется в дальнейшем – передача информации компетентному в данном вопросе специалисту. Т.о. образом, меры принимаются «до» а не «по факту» аварии.

Аналогичные алгоритмы программируются и для планового технического обслуживания, и для обеспечения равномерного расходования ресурса основных и резервных систем, и для любой специфической настройки системы.

Благодаря рациональному использованию ресурсов и соблюдению технических норм по эксплуатации инженерных систем срок их службы значительно увеличивается.

Снижение затрат на эксплуатацию

Известно, что набор из 100 функций, выполняемых отдельными системами, обходится заказчику как минимум на 10-15 % дороже, чем реализация этого же набора в рамках интегрированной системы. Такой результат достигается за счет:

• Снижения затрат на работу специалистов, т.к. в «интеллектуальном» здании многие функции выполняются в автоматическом режиме. Достаточно выполнение контрольных функций квалифицированным оператором системы, который при этом на своем рабочем месте в диспетчерской;
• Прогнозирования и оптимизация расходов на ремонт инженерных систем;
• Эффективного использования трудовых ресурсов за счет уменьшения числа непредвиденных поломок;
• Оптимизации частоты сервисного обслуживания системы, и как следствие, увеличение срока ее эксплуатации.

Кроме того, имеются большие льготы по страхованию рисков такого объекта.

Важная информация при выборе решения с системой BMS

Интегрированная система автоматизации и диспетчеризации здания выполняется на тех же свободно-программируемых контроллерах и на том же программном обеспечении, что и системы автономной автоматизации и диспетчеризации. Это означает, что на одном и том же «железе» возможно получение совершенно разных результатов.

Если исполнитель предлагает решение на оборудовании таких известных фирм, как Schneider Electric (TAC), Jonson Controls, Honeywell, Siemens (список можно продолжить), то это вовсе не означает того, что заказчик получит в эксплуатацию «умную» систему автоматизации, которая выполняет 90% работы без участия оператора.

При этом служба эксплуатации будет вручную выбирать режимы работы оборудования, не важно каким образом - бегать между щитами управления и нажимать на кнопки или «кликать» на кнопки на экране монитора (удаленное ручное управление).

Смысл ИЗ – разработка алгоритмов. Оборудование без алгоритмов – это красивые и очень дорогие щиты автоматизации, работающие каждый сам по себе.

Управление инженерными системами

Система BMS отображает параметры, управляет или контролирует работоспособность следующих инженерных системам (список не ограничивается приведенными):

• Системы приточно-вытяжной вентиляцией, кондиционирования и холодоснабжения. Осуществляется выбор режимов работы, перераспределение воздушных потоков по помещениям, управление рекуперацией и рециркуляцией;
• Системы периметрального и напольного отопления. Поконтурное регулирование расхода теплоносителя, совместная работа с системой вентиляции;
• Системы горячего и холодного водоснабжения. Управление циркуляционными насосами, подмесом;
• Системой теплоснабжения (ИТП). Синхронизация работы циркуляционных насосов с реальными текущими потребностями здания;
• Системой электроснабжения, электрообогрева, электроосвещения, наружного освещения. Производится учет потребляемой энергии, выявление повышенного энергопотребления, управление световыми сценариями, балансировка мощности по потребителям;
• Системы управления лифтовым хозяйством, эскалаторов, траволаторов и подъемников. По большей части осуществляется мониторинг работоспособности агрегатов системы и устройств связи;
• Системой технического учета расхода энергоресурсов (тепла, горячей и холодной воды, электроэнергии);
• Системы безопасности: охранной сигнализации, контроля доступа, охранного телевидения. Осуществляется мониторинг их работоспособности и передача данных о состоянии помещений в системы управления климатом;
• Противопожарные системы - пожарная сигнализация, оповещение и управление эвакуацией, пожаротушение, дымоудаления и подпора при пожаре. По большей части осуществляется мониторинг работоспособности систем;
• Системой контроля параметров среды, воды и загазованности подвалов, коллекторов и других объектов;
• Системами управления звуком в офисных зданиях, громкоговорящей речевой связи диспетчера ЦДП с персоналом технических и машинных помещений;
• Системами связи – телефонизации, ЛВС, ОДС и пр. Контроль состояния устройств;
• Другие системы, связанные с конкретным зданием или производством, например, счетчик посетителей, автоматика включения проекторов системы внутреннего телевещания и т.п.

Примеры стандартной интеграции

Решения на основе интеграции создают комфорт для посетителей, упрощают работу служб эксплуатации и повышают энергетическую эффективность здания. Свободно программируемые контроллеры локальной автоматизации обеспечивают управление отдельной инженерной системой, а интеллектуальная система BMS, через SCADA координатор управляет их автоматизированной совместной работой и взаимодействием.

Ручное, автоматическое и полуавтоматическое управление при необходимости могут работать параллельно.

Протоколы системы BMS

Здание оснащается большим количеством оборудования (датчиков, преобразователей частоты и других исполнительных устройств), которое на полевому уровне, очевидно, управляется различными протоколами. Наиболее известные из протоколов управления на полевом уровне это: Modbus, DALI, M-bus, EnOcean, C-bus, Profibus, RS232, RS485, сухие контакты и другие. Каждый из протоколов разработан производителями оборудования для стандартизации в управлении. Однако, большинство протоколов не совместимы.

Если здание большое, оно имеет большое количество разного оборудования. Исходя из концепции ИЗ, при оснащении здания различными системами и оборудованием разных производителей важно, чтобы технические устройства были совместимы и представляли единое целое. У интеграторов возникала проблема: «как подружить этот зоопарк?». Проблема совместимости была решена через разработку т.н. «стандартов открытых систем».

В настоящее время широкое распространение в области автоматизированных систем управления зданиями получили стандарты BACnet, LonWorks, EIB.

Стандарт LonWorks (local operating network) поддерживает различные среды для передачи информации: кабель «витая пара», коаксиальный кабель, волоконно-оптический кабель, радиоканал и др. Он позволяет строить системы управления зданиями по «свободной» топологии, которая наилучшим образом соответствует структуре комплексных систем ИЗ.

Cтандарт BACnet (Building Automation Control Network) – сетевой протокол для автоматизации зданий) был разработан американским обществом инженеров по отоплению и кондиционированию воздуха (ASHRAE).

Стандарт EIB/KNX (European Installation Bus) – европейская инсталляционная шина. Он предназначен для управления энергопотреблением, освещением, жалюзи, микроклиматом и для контроля доступом. Данный стандарт пока больше ассоциируется с небольшими частными объектами. Для управления крупными зданиями используют LonWorks и BACnet.

Для расширения и масштабирования систем выпускаются маршрутизаторы, преобразующие протоколы управления для передачи по сетям TCP/IP.

Для совмещения BACnet, LonWorks, EIB/KNX в рамках одной системы, применяются OPC-серверы (Open Platform Communications), обеспечивающие передачу данных и сигналов управления между разными протоколами.

Рассмотрим эту иерархию на примере концепции Schneider Electric SmartStruxure Solution.

Полевые устройства управляются контроллерами, размещенными в самих устройствах, в комплектных или индивидуальных щитах автоматизации.

Контроллеры имеют выходы на сетевые интерфейсы и подключаются по проводной сети к серверам автоматизации Automation Server.

Сервера автоматизации имеют web-интерфейс и возможность подключения рабочей станции с программным обеспечением SCADA.

Если требуется масштабирование системы, то сервера автоматизации могут быть включены в большую систему по сети TCP/IP через Ethernet. Тогда сбор информации, подготовка отчетов, управление доступом и БД обеспечиваются внешними серверами.

Интеллектуальные здания или умные дома?

Разница между терминами «умный дом» и «интеллектуальное здание» условна и заключается в том, что первый, как правило, применяется по отношению к частным объектам (коттеджам, загородным домам, квартирам), а второй – к объектам общественного значения.

Система «умный дом» ориентирована преимущественно на одного пользователя или семью и ее действие направлено в первую очередь на управление бытовым оборудованием. Система «умного дома» предназначена для управления большим количеством домашних устройств – жалюзи, домашний кинотеатр, сауна, гараж, охранные системы, климат, и если охарактеризовать ее одним словом, то это будет слово «комфорт» или «удобство». Безопасность и экономия так же присуща этим системам, приоритет может настраиваться программно.

В «интеллектуальном здании» интеграция подсистем в единый «организм» реализуется на более надежном и дорогостоящем оборудовании. Система объединяет управление инженерными системами с высоким энергопотреблением (отоплением, водоснабжением, освещением, вентиляцией) общими алгоритмами, при этом информация от других инженерных систем: диспетчеризации здания, телефонии, безопасности, пожарной сигнализации, видеонаблюдения, контроля доступа и т.д. используется в алгоритмах управления зданием.

Стоимость внедрения BMS на объекте

Стоимость системы складывается из следующих составляющих:

Проектные работы: На этом этапе возможны два варианта проведения работы:

• а) Проекты систем автоматизации оборудования выполняются отдельно, а проект BMS выполняется в рамках системы диспетчеризации;
• б) Проекты системы автоматизации и диспетчеризации изначально проектируются в рамках единой системы.

При первом варианте – раздельное проектирование есть одно преимущество, чем больше участников, тем больше вариантов решения, недостаток его в том, что в процессе необходим контроль согласованности взаимодействия специалистов.

Оборудование условно разделяется на оборудование автоматизации и диспетчеризации и BMS. При этом, независимо от «внедрения/не внедрения» системы ИЗ, заказчик в полном объеме оплатит за оборудование автоматизации и диспетчеризации. Дополнительные расходы возникнут только при установке систем технического учета и системы, управляющей ИЗ.

При монтажных работах расходы распределятся аналогично расходам за оборудования. Часть монтажных работ по автоматизации будут производиться в любом случае.

Пуско-наладка и интеграция. На этом этапе затраты будут наиболее существенно отличаться от систем без ИЗ. Основная работа при запуске BMS заключается в программировании и отладке алгоритмов взаимодействия между системами.

Существуют общепринятые примерные цифры. Проект интеллектуального здания может стоить от 5-7 до 50-100 долларов за м², а стоимость оборудования, включая обычные щиты автоматизации, обойдется заказчику от 25 до 250 долларов за м²: это зависит от числа точек контроля.

В частном домостроении стоимость оборудования может быть выше за счет отношения количества систем и оборудования к площади самого здания. Монтажные и пусконаладочные работы, обходятся в среднем от 20 до 30% от стоимости оборудования.

С чего начать при разработке системы интеллектуального здания

Интеллектуальные здания можно рассматривать, как набор сервисов и способов их реализации. Исходя из этого, требования к ним следует устанавливать исходя из того, какие сервисы наиболее интересны заказчику или будущему арендатору. Степень автоматизации процессов в здании во многом зависит от числа решений, принимаемых службой эксплуатации, которое должно быть передано в автоматическое управление.

Исходные требования к интеллектуальным зданиям прорабатываются со службой эксплуатации, пользователями здания или их представителями. В современном строительстве коммерческой недвижимости не всегда возможно на предварительном этапе учесть пожелания этих категорий потребителей, и поэтому проработка требований ложится на коммерческих застройщиков и девелоперов. Их задачей становится определение соотношения стоимости предлагаемого коммерческого объекта к составу систем и сервисов, видам и уровню услуг проектируемого объекта.

Проектирование системы ИЗ

Как упоминалось ранее, проект системы ИЗ разрабатывается в р