Pojęcie inteligentnych budynków powstało w latach 70. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. W dużych zakładach produkujących samoloty w procesach o wysokim stopniu automatyzacji i robotyzacji pojawiły się problemy zarządzania oraz sterowania halami produkcyjnymi, ich wyposażeniem i zmiennością funkcji. Dostosowanie pomieszczeń fabrycznych i biurowych do zmieniającej się dynamicznie produkcji wymagało bardzo dużego nakładu sił i środków. Niejednokrotnie obiekty te wyposażone były w silnie rozwiniętą infrastrukturę informatyczną, co sprawiało, że koszty ich eksploatacji wyraźnie wpływały na całkowity koszt produkcji. Zaistniała zatem potrzeba stworzenia budynków przemysłowych w pełni zintegrowanych z systemem informatycznym oraz wysoce zautomatyzowanych.

Niestety, doświadczeń z zakresu automatyzacji i robotyzacji produkcji nie można było przenieść bezpośrednio na obiekty budowlane. Należało stworzyć nowe standardy, które wykorzystywałaby metody i narzędzia informatyczne oraz systemy automatyzacji do możliwie najefektywniejszej eksploatacji hal przemysłowych, co z kolei wspierałoby procesy, jakie odbywają się w tych pomieszczeniach. Pojawiło się wówczas pojęcie inteligentnych systemów zarządzania budynkami (ang. Building Management System – BMS). Systemy te wykorzystują nowe technologie stosowane w budownictwie oraz intensywny rozwój informatyki oraz automatyki.

 

System wielopoziomowy

BMS to zintegrowany system, który daje możliwość monitorowania i zarządzania wszystkimi urządzeniami i systemami znajdującymi się w budynku i jego otoczeniu. Gromadzi informacje płynące z całego budynku w jednym miejscu i pozwala na reagowanie w czasie rzeczywistym na zmiany warunków zewnętrznych i wewnętrznych w celu uzyskania optymalnego zużycia energii, mediów, poprawy funkcjonalności, bezpieczeństwa oraz komfortu użytkowników.

System zarządzania budynkiem funkcjonuje na czterech poziomach. Na pierwszym – najniższym, każdy system obecny w budynku działa niezależnie od innych systemów, z którymi może komunikować się jedynie za pomocą połączeń fizycznych. Na drugim poziomie zintegrowane ze sobą podsystem komunikują się za pomocą łącza szeregowego z wykorzystaniem kontrolerów. Poziom trzeci umożliwia dostęp do informacji przesyłanej między systemami za pomocą sieci LAN. Najwyższy poziom – czwarty, otrzymuje się przez połączenie wszystkich urządzeń i systemów za pomocą wspólnej magistrali systemowej.

Do podstawowych funkcji systemu BMS należą funkcje: alarmowa, informacyjna oraz automatycznej regulacji. Zaletą funkcji informacyjnej jest możliwość stałej kontroli urządzeń znajdujących się w systemie. Pozwala to na określenie parametrów pracy tych urządzeń, jak np. czas pracy, pobór mocy, wydajność, awaryjność, aktualny stan (włączony/wyłączony). Uzyskane informacje wykorzystuje funkcja automatycznej regulacji, która dzięki nim może regulować i kontrolować pracę urządzeń, dostosowując ją do wymagań użytkownika.

Do zadań funkcji alarmowej należy nadzorowanie elementów systemu i ostrzeganie przed niebezpieczeństwem. Dzięki niej możliwe jest zintegrowanie systemu monitoringu (kamer, sygnalizacji pożarowej, czujników reagujących na zmiany stężenia gazów, sygnalizacji włamania i napadu ) z systemem alarmowym i siecią teleinformatyczną, poprzez które informacja z budynku zostanie natychmiast przesłana do odpowiednich służb (ochrona, policja, straż pożarna).

 

Integracja i wymiana danych

System zarządzania budynkiem pozwala zintegrować elementy wykonane w różnych standardach w jeden układ, dzięki czemu można stworzyć system, który najlepiej odpowiada oczekiwaniom użytkowników. Z kolei modułowa budowa BMS umożliwia dowolną rozbudowę instalacji, wyłączanie niektórych jego elementów czy ograniczanie szkody wywołanej awarią jednego segmentu. Jednocześnie poszczególne systemy automatyki budynku integrowane przez BMS powinny cechować się autonomią, tak aby awaria któregokolwiek z nich lub systemu centralnego nie oznaczała przerwy pracy pozostałych. Sprawia to, że cały system jest bardzo elastyczny. BMS łączy ze sobą wiele systemów, a ich wzajemna współpraca m.in. optymalizuje warunki panujące wewnątrz budynku. Przykładowo wzajemny wpływ układu klimatyzatorów na system grzewczy i wentylacyjny pozwala ustawić na idealnym poziomie temperaturę i wilgotność w poszczególnych pomieszczeniach i tym samym uzyskać wymierne oszczędności energii.

Połączenie instalacji oświetleniowej wewnątrz i na zewnątrz budynku w oparciu o zdefiniowane ustawienia, pomiary natężenia światła, czujniki czasowe czy ruchu umożliwia dostosowanie poziomu emitowanego światła elektrycznego do zmian poziomu światła dziennego, aby na płaszczyźnie roboczej utrzymać stały, zadany poziom natężenia oświetlenia. Pozwala także na automatyczne wyłączanie oświetlenia elektrycznego, gdy przez określony czas nikt nie przebywa w pomieszczeniu i włączanie lamp w momencie, gdy ktoś wchodzi do środka. Kontrola oświetlenia to kolejny element systemu umożliwiający oszczędność energii i kosztów użytkowania budynku.

Bardzo ważnym elementem BMS są systemy dbające o bezpieczeństwo, czyli system przeciwpożarowy i oddymiający, system nagłośnienia alarmowego, SSWiN (system sygnalizacji włamania i napadu), system kamer (CCTV) czy systemy kontroli dostępu. Wymieniając między sobą informacje, wszystkie te systemy dysponują pełnym obrazem tego, co dzieje się w budynku, a to sprawia, że w sytuacji kryzysowej BMS może podjąć działania mające na celu ochronę życia użytkowników lub zminimalizowanie strat.

Aby uzyskać integrację pomiędzy poszczególnymi urządzeniami i czujnikami, systemy inteligentnego budynku muszą się z nimi komunikować. Jako medium służą do tego zarówno rozległe sieci kablowe, które są najczęściej wykorzystywane w dużych budynkach komercyjnych czy przemysłowych, jak i bezprzewodowe systemy, a niektóre rozwiązania wykorzystują do komunikacji instalację elektryczną budynku. Przesyłanie informacji oparte jest zwykle na komunikacji szeregowej wykorzystującej własne protokoły lub standardowe, takie jak np. MODBUS. To jak sprawnie poszczególne urządzenia systemu będą się komunikować pomiędzy sobą i w efekcie wpływać na ochronę budynku, w dużym stopniu zależy od rodzaju zastosowanych systemów, które odpowiadają za bezpieczeństwo technologiczne i użytkowe.

System bezprzewodowy musi gwarantować zarówno wielozakresową transmisję poleceń, jak i bezpieczny klucz szyfrujący, odpowiedni zasięg, a także komunikację dwukierunkową w czasie rzeczywistym. W przypadku wykorzystania sieci elektrycznej jako medium transmisyjnego trzeba wziąć pod uwagę zakłócenia wnoszone przez inne odbiorniki, ponieważ mogą one zaburzać poprawną pracę całego systemu.

Aby BMS zapewniał bezpieczne i pewne sterowanie układami automatyki, powinien nie tylko wysyłać zlecenie wykonania określonego zadania dla konkretnego urządzenia, lecz musi również zwrotnie sprawdzić, czy zostało ono zrealizowane. Nowoczesne systemy zarządzania budynkiem są wyposażone w funkcjonalność zdalnej kontroli w trybie on-line, także przy wykorzystaniu urządzeń mobilnych, takich jak smartfon, tablet czy komputer przenośny.

Produkcja w dobie czwartej rewolucji przemysłowej

Obecnie większość nowo powstających budynków jest w większym lub mniejszym stopniu zautomatyzowana i tym samym „inteligentna”. Szeroko rozpowszechniona automatyzacja sfery produkcyjnej sprawia, że firmy przemysłowe dążą również do zwiększenia automatyzacji budynków, w których przebiegają procesy produkcyjne. Poza tym inteligentne hale produkcyjne są jednym z elementów składowych czwartej rewolucji przemysłowej, która zakłada, że dzięki nowoczesnym technologiom konsumenci będą otrzymywać produkty odpowiadające ich indywidualnym oczekiwaniom, bez drastycznego wzrostu kosztów wytwarzania. Inteligencja nowoczesnych fabryk ma polegać na odpowiedniej organizacji procesów produkcyjnych i reakcji na zmiany zapotrzebowania rynku na konkretny produkt o określonych parametrach. Idea ta ma być realizowana m.in. poprzez komunikację między maszynami i produktami (Internet Rzeczy), stałe podpięcie do globalnej sieci, wykorzystanie chmury obliczeniowej do składowania i obróbki danych, robotyzację produkcji, automatyczny transport wewnętrzny materiałów oraz stały monitoring i uzupełnianie stanów magazynowych.

Inteligentna hala produkcyjna jest od posadzki po dach scyfryzowana. Komputery i systemy automatyki wyszły z biur i wkroczyły bezpośrednio do budynku produkcyjnego, nie tylko jako scentralizowane urządzenia sterujące, ale jako budulec infrastruktury wytwórczej. Fizyczna materia została zespolona mikroprocesorowo z systemami informatycznymi, które znajdują się – niemal dosłownie – w każdej cegle i każdej klamce. Podłoga wypełniona czujnikami stanowi powierzchnię orientacyjną i sterującą dla robotów czy środków transportowych. Czujniki i skanery umieszczone w fabrycznych śluzach, na rampach i w magazynach rejestrują ruch produktów i surowców, gwarantując optymalne utrzymanie ich stanów (just-in-time). Taki system musi być automatycznie sprzężony z bazą danych ERP, a jego całość komunikuje się sieciowo z klientami i dostawcami (evernet). Z kolei rozwiązania z zakresu zdalnej wizualizacji i monitoringu przebiegu produkcji (MES) umożliwiają dopasowanie produkcji do zmieniających się potrzeb produkcyjnych. Taka fabryka z pewnością wykorzystywać musi możliwości chmury danych, a więc struktur obliczeniowych i dysków sieciowych pozwalających na zarządzanie danymi w każdym miejscu i o każdej porze.

Linie przemysłowe inteligentnej fabryki wyposażone są w inteligentne czujniki, tworzące wielkie, bezprzewodowe sieci, zintegrowane z maszynami i transferujące dane, a także systemy cyber-fizyczne, wspierające utrzymanie ruchu i mobilne interfejsy. Do transportu elementów wewnątrz zakładu służą autonomiczne pojazdy. Roboty stanowią elastyczne, zrobotyzowane gniazda produkcyjne kooperujące z ludźmi i wykazujące się rozszerzoną inteligencją. Cała ta elektronika, układy automatyzacji produkcji i systemy danych funkcjonują w inteligentnych obiektach wyposażonych w zaawansowane systemy zarządzania budynkiem BMS i optymalizują warunki pracy maszyn i ludzi (temperatura, wilgotność, oświetlenie), kontrolują zużycie energii i wody potrzebnej do bezproblemowego funkcjonowania produkcji oraz dbają o bezpieczeństwo inteligentnej materii nieożywionej i pracowników zakładu produkcyjnego.