Автоматизация зданий ( BAS ), также известная как система управления зданием ( BMS ) или система управления энергопотреблением здания ( BEMS ), представляет собой автоматическое централизованное управление системами HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха) , электроснабжением, освещением , затенением, контролем доступа , системами безопасности и другими взаимосвязанными системами здания. Некоторые цели автоматизации зданий — повышение комфорта для жильцов, эффективная работа систем здания, снижение потребления энергии, снижение расходов на эксплуатацию и обслуживание и повышение безопасности.
Функциональность BAS может поддерживать климат в здании в пределах определенного диапазона, обеспечивать освещение комнат в зависимости от занятости, контролировать производительность и отказы устройств, а также подавать сигналы о неисправностях обслуживающему персоналу здания. BAS работает для снижения затрат на энергию и обслуживание здания по сравнению с неконтролируемым зданием. Большинство коммерческих, институциональных и промышленных зданий, построенных после 2000 года, включают BAS, в то время как более старые здания могут быть модернизированы с помощью новой BAS.
Здание, контролируемое BAS, часто называют интеллектуальным зданием, [1] «умным зданием» или (если это жилой дом) « умным домом ». Коммерческие и промышленные здания исторически полагались на надежные проверенные протоколы (например, BACnet ), в то время как в домах использовались фирменные протоколы (например, X-10 ).
С появлением беспроводных сенсорных сетей и Интернета вещей все большее число умных зданий прибегают к использованию маломощных беспроводных коммуникационных технологий, таких как ZigBee, Bluetooth Low Energy и LoRa, для соединения локальных датчиков, исполнительных механизмов и устройств обработки данных. [2]
Почти все многоэтажные зеленые здания спроектированы с учетом BAS для характеристик сохранения энергии, воздуха и воды. Реакция на спрос электрических устройств является типичной функцией BAS, как и более сложная вентиляция и мониторинг влажности, требуемые для «плотных» изолированных зданий. Большинство зеленых зданий также используют как можно больше маломощных устройств постоянного тока. Даже конструкция пассивного дома , предназначенная для полного отсутствия потребления чистой энергии, обычно требует BAS для управления улавливанием тепла, затенением и вентиляцией, а также для планирования использования устройств.
Системы управления зданием чаще всего внедряются в крупных проектах с обширными механическими, HVAC и электрическими системами. Системы, связанные с BMS, обычно составляют 40% энергопотребления здания; если включить освещение, это число приближается к 70%. Системы BMS являются критически важным компонентом управления спросом на энергию. Считается, что неправильно настроенные системы BMS составляют 20% энергопотребления здания или примерно 8% от общего энергопотребления в Соединенных Штатах. [3] [4]
Помимо контроля внутренней среды здания, системы BMS иногда связаны с контролем доступа (турникеты и двери доступа, контролирующие, кому разрешен вход и выход в здание) или другими системами безопасности, такими как система видеонаблюдения (CCTV) и датчики движения. Системы пожарной сигнализации и лифты также иногда связаны с BMS для мониторинга. В случае обнаружения пожара только панель пожарной сигнализации может закрыть заслонки в системе вентиляции, чтобы остановить распространение дыма, отключить воздухообрабатывающие установки, запустить вентиляторы дымоудаления и отправить все лифты на первый этаж и припарковать их, чтобы люди не могли ими воспользоваться.
Системы управления зданиями также включают механизмы реагирования на стихийные бедствия (например, изоляцию основания ) для защиты сооружений от землетрясений. В последнее время компании и правительства работают над поиском аналогичных решений для зон затопления и прибрежных районов, подверженных риску повышения уровня моря . Саморегулирующаяся плавучая среда черпает вдохновение из существующих технологий, используемых для плавучих бетонных мостов и взлетно-посадочных полос, таких как вашингтонский SR 520 и японский Mega-Float . [5]
Аналоговые входы используются для считывания переменного измерения. Примерами являются датчики температуры , влажности и давления , которые могут быть термисторами , 4–20 мА , 0–10 вольт или платиновыми термометрами сопротивления (резистивными датчиками температуры) или беспроводными датчиками .
Цифровой вход указывает, включено или выключено устройство. Примерами цифровых входов могут служить дверной контактный выключатель, токовый выключатель, выключатель воздушного потока или релейный контакт без напряжения (сухой контакт). Цифровые входы также могут быть импульсными входами, подсчитывающими импульсы за определенный период времени. Примером может служить турбинный расходомер, передающий данные о расходе в виде частоты импульсов на вход.
Неинтрузивный мониторинг нагрузки [6] — это программное обеспечение, использующее цифровые датчики и алгоритмы для обнаружения приборов или других нагрузок по электрическим или магнитным характеристикам цепи. Однако он обнаруживает событие аналоговыми средствами. Они чрезвычайно экономичны в эксплуатации и полезны не только для идентификации, но и для обнаружения переходных процессов при запуске, неисправностей линии или оборудования и т. д. [7] [8]
Аналоговые выходы управляют скоростью или положением устройства, например, частотно-регулируемого привода , преобразователя IP ( ток в пневматику ) или привода клапана или заслонки . Примером может служить клапан горячей воды, открывающийся на 25% для поддержания заданного значения . Другим примером является частотно-регулируемый привод, который медленно разгоняет двигатель, чтобы избежать жесткого запуска.
Цифровые выходы используются для открытия и закрытия реле и переключателей, а также для управления нагрузкой по команде. Примером может служить включение освещения на парковке, когда фотоэлемент показывает , что на улице темно. Другим примером может быть открытие клапана путем пропускания 24 В постоянного/переменного тока через выход, питающий клапан. Аналоговые выходы также могут быть выходами импульсного типа, излучающими частоту импульсов в течение заданного периода времени. Примером может служить счетчик электроэнергии, вычисляющий кВт·ч и излучающий частоту импульсов соответственно.
Контроллеры по сути являются небольшими, специально разработанными компьютерами с возможностями ввода и вывода. Эти контроллеры бывают разных размеров и возможностей для управления устройствами, обычно встречающимися в зданиях, и для управления подсетями контроллеров.
Входы позволяют контроллеру считывать температуру, влажность, давление, ток, поток воздуха и другие важные факторы. Выходы позволяют контроллеру отправлять сигналы команд и управления подчиненным устройствам и другим частям системы. Входы и выходы могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. Цифровые выходы также иногда называют дискретными в зависимости от производителя.
Контроллеры, используемые для автоматизации зданий, можно разделить на три категории: программируемые логические контроллеры (ПЛК), системные/сетевые контроллеры и контроллеры терминальных устройств. Однако может также существовать дополнительное устройство для интеграции сторонних систем (например, автономной системы кондиционирования) в центральную систему автоматизации зданий.
Контроллеры оконечных устройств обычно подходят для управления освещением и/или более простыми устройствами, такими как крышный блок, тепловой насос, блок VAV, фанкойл и т. д. Установщик обычно выбирает одну из доступных предварительно запрограммированных персонализаций, наиболее подходящую для управляемого устройства, и ему не нужно создавать новую логику управления.
Режим занятости — один из двух или более режимов работы системы автоматизации здания; другими распространенными режимами являются режимы «Незанятость», «Утренний прогрев» и «Ночное понижение температуры».
Занятость обычно основана на расписании времени суток. В режиме занятости BAS стремится обеспечить комфортный климат и адекватное освещение, часто с зональным управлением, так что пользователи на одной стороне здания имеют другой термостат (или другую систему, или подсистему), чем пользователи на противоположной стороне.
Датчик температуры в зоне обеспечивает обратную связь с контроллером, который может обеспечивать обогрев или охлаждение по мере необходимости.
Если включено, режим утреннего прогрева (MWU) запускается до занятости. Во время утреннего прогрева BAS пытается привести здание к заданному значению как раз вовремя для занятости. BAS часто учитывает наружные условия и исторический опыт для оптимизации MWU. Это также называется оптимизированным запуском .
Некоторые здания полагаются на датчики присутствия для активации освещения или кондиционирования воздуха. Учитывая потенциальные большие сроки, прежде чем пространство станет достаточно прохладным или теплым, кондиционирование воздуха часто не инициируется напрямую датчиком присутствия.
Освещение можно включать, выключать или приглушать с помощью системы автоматизации здания или управления освещением в зависимости от времени суток или датчиков присутствия, фотодатчиков и таймеров. [9] Типичным примером является включение света в помещении на полчаса с момента последнего обнаружения движения. Фотоэлемент, размещенный снаружи здания, может определять темноту и время суток, а также регулировать освещение в офисах и на парковке.
Освещение также является хорошим кандидатом для реагирования на спрос , поскольку многие системы управления предоставляют возможность приглушить (или выключить) свет, чтобы воспользоваться преимуществами стимулов и экономии в рамках программы снижения энергопотребления.
В новых зданиях управление освещением может быть основано на интерфейсе цифрового адресуемого освещения (DALI) полевой шины . Лампы с балластами DALI полностью диммируются. DALI также может обнаруживать отказы ламп и балластов на светильниках DALI и сигнализировать об отказах.
Затенение и остекление являются важными компонентами в системе здания, они влияют на визуальный, акустический и тепловой комфорт жильцов и обеспечивают жильцу вид на улицу. [10] Автоматизированные системы затенения и остекления являются решениями для контроля солнечного тепла и бликов. [11] Это относится к использованию технологий для управления внешними или внутренними устройствами затенения (такими как жалюзи и шторы) или самим остеклением. Система имеет активную и быструю реакцию на различные изменяющиеся наружные данные (такие как солнце, ветер) и на изменяющуюся внутреннюю среду (такие как температура, освещенность и потребности жильцов). Системы затенения и остекления зданий могут способствовать улучшению теплового и светового режима как с точки зрения энергосбережения, так и с точки зрения комфорта.
Динамические устройства затенения позволяют контролировать дневной свет и солнечную энергию, проникающую в застроенную среду, в зависимости от внешних условий, потребностей в дневном освещении и положения солнца. [12] Распространенные продукты включают в себя жалюзи , рулонные шторы , жалюзи и ставни. [13] Они в основном устанавливаются на внутренней стороне системы остекления из-за низкой стоимости обслуживания, но также могут использоваться на внешней стороне или в комбинации того и другого. [14]
Большинство воздухообрабатывающих установок смешивают возвратный и наружный воздух, поэтому требуется меньшее кондиционирование температуры/влажности. Это может сэкономить деньги за счет использования меньшего количества охлажденной или нагретой воды (не все AHU используют контуры охлажденной или горячей воды). Некоторое количество наружного воздуха необходимо для поддержания здорового воздуха в здании. Для оптимизации энергоэффективности при сохранении здорового качества воздуха в помещении (IAQ) система вентиляции с контролем спроса (или контролируемая) (DCV) регулирует количество наружного воздуха на основе измеренных уровней занятости.
Аналоговые или цифровые датчики температуры могут быть размещены в пространстве или комнате, в воздуховодах возвратного и приточного воздуха , а иногда и в наружном воздухе. Приводы размещаются на клапанах горячей и охлажденной воды, на заслонках наружного и возвратного воздуха. Приточный вентилятор (и возвратный, если применимо) запускается и останавливается в зависимости от времени суток, температуры, давления в здании или их комбинации.
Все современные системы автоматизации зданий имеют возможности сигнализации. Мало толку от обнаружения потенциально опасной [15] или дорогостоящей ситуации, если не уведомлен тот, кто может решить проблему. Уведомление может осуществляться через компьютер (электронная почта или текстовое сообщение), пейджер , голосовой звонок по сотовому телефону, звуковой сигнал или все это вместе. Для целей страхования и ответственности все системы ведут журналы с указанием того, кто был уведомлен, когда и как.
Сигналы тревоги могут немедленно оповещать кого-либо или оповещать только тогда, когда сигналы тревоги достигают некоторого порога серьезности или срочности. На объектах с несколькими зданиями кратковременные сбои в подаче электроэнергии могут вызывать сотни или тысячи сигналов тревоги от отключившегося оборудования — их следует подавлять и распознавать как симптомы более крупного сбоя. Некоторые объекты запрограммированы таким образом, что критические сигналы тревоги автоматически передаются через различные интервалы. Например, повторяющийся критический сигнал тревоги (источника бесперебойного питания в «обходе») может срабатывать через 10 минут, 30 минут и каждые 2–4 часа до тех пор, пока сигналы тревоги не будут устранены.
Системы безопасности могут быть связаны с системой автоматизации здания. [15] Если присутствуют датчики присутствия, их также можно использовать в качестве охранной сигнализации. Поскольку системы безопасности часто намеренно саботируются, по крайней мере некоторые детекторы или камеры должны иметь резервное питание от батареи и беспроводное подключение, а также возможность срабатывания сигнализации при отключении. Современные системы обычно используют питание через Ethernet (которое может управлять камерой с функцией панорамирования, наклона и масштабирования и другими устройствами мощностью до 30–90 Вт), что позволяет заряжать такие батареи и сохранять беспроводные сети свободными для действительно беспроводных приложений, таких как резервная связь при отключении.
Панели пожарной сигнализации и связанные с ними системы дымовой сигнализации обычно жестко подключены для обхода автоматизации здания. Например: если срабатывает дымовая сигнализация, все наружные воздушные заслонки закрываются, чтобы предотвратить попадание воздуха в здание, а вытяжная система может изолировать возгорание. Аналогичным образом, системы обнаружения электрических неисправностей могут отключать целые цепи, независимо от количества срабатывающих тревог или людей, которым это доставляет неудобства. Устройства сжигания ископаемого топлива также, как правило, имеют свои собственные обходные пути, такие как линии подачи природного газа , которые отключаются при обнаружении медленных падений давления (указывающих на утечку) или при обнаружении избыточного метана в системе подачи воздуха в здание.
Большинство сетей автоматизации зданий состоят из первичной и вторичной шины , которые соединяют контроллеры высокого уровня (обычно специализированные для автоматизации зданий, но могут быть и обычными программируемыми логическими контроллерами ) с контроллерами нижнего уровня, устройствами ввода/вывода и пользовательским интерфейсом (также известным как устройство интерфейса человека). Открытый протокол ASHRAE BACnet или открытый протокол LonTalk определяют, как большинство таких устройств взаимодействуют. Современные системы используют SNMP для отслеживания событий, опираясь на десятилетия истории с протоколами на основе SNMP в мире компьютерных сетей.
Физическое соединение между устройствами исторически обеспечивалось выделенным оптоволокном , Ethernet , ARCNET , RS-232 , RS-485 или беспроводной сетью специального назначения с низкой пропускной способностью . Современные системы полагаются на основанные на стандартах многопротокольные гетерогенные сети, такие как те, что указаны в стандарте IEEE 1905.1 и проверены знаком аудита nVoy. Они обычно поддерживают только сети на основе IP, но могут использовать любую существующую проводку, а также интегрируют сетевые сети Powerline по цепям переменного тока, маломощные цепи постоянного тока Power over Ethernet , беспроводные сети с высокой пропускной способностью, такие как LTE и IEEE 802.11n и IEEE 802.11ac , и часто интегрируют их с использованием открытого стандарта беспроводной сети для зданий Zigbee .
На рынке контроллеров доминирует фирменное оборудование . У каждой компании есть контроллеры для определенных приложений. Некоторые из них разработаны с ограниченными элементами управления и без взаимодействия, например, простые упакованные крышные блоки для HVAC. Программное обеспечение, как правило, не будет хорошо интегрироваться с пакетами других поставщиков. Сотрудничество осуществляется только на уровне Zigbee/BACnet/LonTalk.
Текущие системы обеспечивают совместимость на уровне приложений, позволяя пользователям смешивать и сопоставлять устройства от разных производителей, а также обеспечивать интеграцию с другими совместимыми системами управления зданием . Они обычно полагаются на SNMP , давно используемый для этой же цели для интеграции различных сетевых компьютерных устройств в одну согласованную сеть.
С ростом спектра возможностей и подключений к Интернету вещей , системы автоматизации зданий неоднократно становились уязвимыми, что позволяло хакерам и киберпреступникам атаковать их компоненты. [16] [17] Здания могут использоваться хакерами для измерения или изменения их среды: [18] датчики позволяют осуществлять наблюдение (например, отслеживать перемещения сотрудников или привычки жителей), в то время как исполнительные механизмы позволяют выполнять действия в зданиях (например, открывать двери или окна для злоумышленников). Несколько поставщиков и комитетов начали улучшать функции безопасности в своих продуктах и стандартах, включая KNX, Zigbee и BACnet (см. последние стандарты или проекты стандартов). Однако исследователи сообщают о нескольких открытых проблемах в безопасности автоматизации зданий. [19] [20]
11 ноября 2019 года был опубликован 132-страничный исследовательский документ по безопасности под названием «Я владею вашим зданием (система управления)», написанный Джоко Крстичем и Сипке Меллемой, в котором было рассмотрено более 100 уязвимостей, влияющих на различные решения BMS и контроля доступа от разных поставщиков. [21]
Автоматизация помещений — это подвид автоматизации зданий, имеющий схожую цель: объединение одной или нескольких систем под централизованным управлением, хотя в данном случае в одном помещении.
Наиболее распространенным примером автоматизации помещений являются корпоративные залы заседаний, презентационные залы и лекционные залы, где работа большого количества устройств, определяющих функцию помещения (например, оборудования для видеоконференций , видеопроекторов , систем управления освещением , систем оповещения и т. д.), сделала бы ручное управление помещением очень сложным. Обычно для систем автоматизации помещений используется сенсорный экран в качестве основного способа управления каждой операцией.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
Медиа, связанные с автоматизацией зданий на Wikimedia Commons