ΚΤΙΡΙΑΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ – BUILDING MANAGEMENT SYSTEMS (BMS)

22:52 - 23/04/2021

ΚΤΙΡΙΑΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ – BUILDING MANAGEMENT SYSTEMS (BMS)

πηγή: Εργοληπτικόν Βήμα Νο_123 της ΠΕΣΕΔΕ

Με την έννοια Κτιριακός Αυτοματισμός αναφερόμαστε στον αυτοματισμό της ηλεκτρικής εγκατάστασης ενός κτιρίου, με σκοπό την εύρυθμη λειτουργία, εποπτεία και διαχείρισή του.

Τα συστήματα αυτοματισμού σχεδιάζονται και κατασκευάζονται ώστε να χειρίζονται όλες τις λειτουργίες που απαιτούνται σε ένα κτίριο, μικρό ή μεγάλο, με σκοπό να περιορίσουν τα μειονεκτήματα της συμβατικής ηλεκτρικής εγκατάστασης καθώς και να περιορίσουν τον χρόνο συντήρησης και ανίχνευσης βλαβών. Εκτός από την ευκολία στην διαχείριση του, μας προσφέρουν και μεγάλη εξοικονόμηση ενέργειας κατά την χρήση του κτιρίου, κάτι που γίνεται επιτακτικότερο στην εποχή μας.

Επιγραμματικά ένα σύστημα αυτοματισμού κτιρίου μπορεί να μας προσφέρει:

Έλεγχο φωτισμού
Έλεγχο Ηλεκτρικών κινητήρων για σκίαση (ρολά, περσίδες, τέντες)
Έλεγχο Κλιματισμού, θέρμανσης, εξαερισμού.
Διαχείριση Ηλεκτρικών Φορτίων
Κεντρικές ενδείξεις, σημάνσεις, παρακολούθηση και χειρισμό των διαφόρων ηλεκτρικών καταναλώσεων.

Η ιστορική αναδρομή του θα μπορούσε να φτάσει στην αρχαία εποχή, πριν καν ανακαλυφθεί ο ηλεκτρισμός, με το αυτόματο άνοιγμα θυρών ναού κατά την ώρα της θυσίας, από τον Ήρωνα τον Αλεξανδρεύς, δεν αναφέρω χρονολογία, γιατί ακόμα οι ιστορικοί δεν έχουν ξεκάθαρη γνώμη για το πότε ακριβώς έζησε. Για να μην ξεχνάμε πόσο σπουδαίοι ήταν οι αρχαίοι μας πρόγονοι και παραδειγματιστούμε από αυτούς.

Πηγή:https://www.archaiologia.gr/blog/2018/10/09/%CE%BC

Πολύ αργότερα, πριν την ανακάλυψη των μικροεπεξεργαστών, οι αυτοματισμοί των ηλεκτρικών εγκαταστάσεων βασίστηκαν στην ευφυΐα και μεθοδικότητα του εκάστοτε κατασκευαστή (μηχανικού ή τεχνίτη) με την αποτελεσματικότητα και λειτουργικότητα να περιορίζεται σε πολύ προσωπική υπόθεση, χωρίς πάντα τα επιθυμητά αποτελέσματα

Με δύσχρηστους και ογκώδης ηλεκτρικούς πίνακες διανομής, με άπειρους βοηθητικούς τηλεχειριζόμενους διακόπτες αέρος ( τα γνωστά μας βοηθητικά ρελέ) χρονικά, απαριθμητές κλπ.

Η τεχνολογία των επεξεργαστών έλυσε τα τεράστια προβλήματα όγκου, ταχύτητας και μηχανικής αντοχής των πρώτων ηλεκτρολογικών αυτοματισμών του πρώιμου επιπέδου. Η αρχική τους χρήση ήταν στην βιομηχανία, αυτοματοποιώντας γραμμές παραγωγής και αυξάνοντας κατακόρυφα την παραγωγικότητα της εκάστοτε βιομηχανίας.

Στην βιομηχανία, επικράτησε ο όρος PLC (Programmable Logic Controller), για να περιγράψουμε τον κεντρικό ελεγκτή που χρησιμοποιούμε στα διάφορα συστήματα αυτοματισμού.

Πολύ αργότερα οι ελεγκτές μπήκαν και στα κτίρια, ελέγχοντας καταρχήν τα συστήματα θέρμανσης –ψύξης – αερισμού και αργότερα επεκτάθηκαν στο φωτισμό και σε άλλα υποσυστήματα (σκίασης, ασφάλειας).

Έτσι δημιουργήθηκαν τα πρώτα BMS (Building Management Systems) που σκοπό είχαν:

την ολοκληρωμένη εποπτεία και χρήση της ηλεκτρο-μηχανολογικής εγκατάστασης
μείωση του κόστους λειτουργίας και συντήρησης του κτιρίου
δημιουργία ιδανικών – επιθυμητών συνθηκών μέσα στο κτίριο
Αποτελεσματικό έλεγχο των λειτουργιών ενός κτιρίου

Στα συστήματα PLC και BMS υπάρχει πάντα ένας (τουλάχιστον) κεντρικός ελεγκτής (γι’ αυτό τα συστήματα αυτά λέγονται κεντροποιημένα ή κεντρικά, σε αντίθεση με τα αποκεντρωμένα) και ποικίλος αριθμός εισόδων και εξόδων καθώς και ένα υποσύστημα οπτικοποίησης και τηλεμετρίας σε κάποια οθόνη υπολογιστή ή σε τοπικές οθόνες χειρισμών με πολλά και διαφορετικά ονόματα.

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition ,

HMI (Human Machine Interface)

GUI (Graphical User Interface )

Πηγή: https://en.wikipedia.org/wiki/Building_automation

Εμείς θα αφήσουμε τελείως τον βιομηχανικό αυτοματισμό (PLC) και θα ασχοληθούμε με το BMS.

Όπως είπαμε και πιο πάνω, μιλάμε για ένα κεντρικό σύστημα όπου όλες οι διεργασίες, και κατά συνέπεια και ο προγραμματισμός, γίνονται στον κεντρικό ελεγκτή.

Οι είσοδοι είναι συσκευές μέσα από τις οποίες εισάγουμε πληροφορίες στο κεντρικό μας ελεγκτή, δηλαδή μεταφέρουμε την κατάσταση των διαφόρων αισθητηρίων, που βρίσκονται σε σημεία του κτιρίου, μέσω ηλεκτρικής τάσης. Μπορούμε να διαβάσουμε θερμοκρασίες από διαφορετικούς θερμοστάτες ή θερμοστοιχεία, καταστάσεις από τερματικούς διακόπτες (αν για παράδειγμα ένα παράθυρο είναι ανοικτό ή κλειστό).

Οι έξοδοι είναι συσκευές μέσα από τις οποίες ενεργεί ο ελεγκτής μας. Μπορεί, για παράδειγμα, αφού έχει «αποφασίσει» ο ελεγκτής, πως κάποιος συγκεκριμένος χώρος έχει χαμηλό επίπεδο φωτισμού να ανάψει τον φωτισμό σε εκείνο τον χώρο.

Επίσης υπάρχουν και ομάδες συσκευών που επικοινωνούν με άλλα συστήματα, και όχι μεμονωμένα αισθητήρια, τα λεγόμενα «interface», διεπαφή στα ελληνικά, αλλά δεν θα αναφερθώ περαιτέρω σε αυτά γιατί είναι πιο εξειδικευμένα «υλικά» και δεν θέλω να μπερδέψω τους μη ειδικούς αναγνώστες του άρθρου αυτού. Θα αναφέρω, μόνο σαν παράδειγμα, πως μπορούν να επικοινωνήσουνε με ένα UPS και να διαβάσουν ένα πλήθος από τα στοιχεία του π.χ. τάση εισόδου, τάση εξόδου, επίπεδο φόρτισης των μπαταριών, βλάβες και πολλά άλλα.

Το τελευταίο υποσύστημα ενός BMS είναι το κομμάτι επικοινωνίας με τον χειριστή του. Συνήθως είναι κάποιος ηλεκτρονικός υπολογιστής στου οποίου την οθόνη “οπτικοποιούμε” το σύστημα. Δηλαδή, μέσα από γραφικά μπορούμε να βλέπουμε θερμοκρασίες χώρων, καταστάσεις (αν κάποιος κυκλοφορητής λειτουργεί ή όχι) και να δίνουμε εντολές, π.χ. να ανοίξουμε την κεντρική γκαραζόπορτα του κτιρίου.

Ολοκληρώνοντας την συνοπτική παρουσίαση ενός BMS θα αντιπαραθέσω, πολύ συνοπτικά, τα θετικά και τα αρνητικά ενός τέτοιου συστήματος.

Τα θετικά του BMS

Ελεύθερα προγραμματιζόμενος κεντρικός ελεγκτής με τεράστιες δυνατότητες προγραμματισμού και ελέγχου. Συνήθως στα μεγάλα συστήματα έχουμε μόνο δύο περιορισμούς, το κόστος του συστήματος και την ικανότητα του προγραμματιστή, ας με συγχωρέσουν οι συνάδελφοι προγραμματιστές. Στην κυριολεξία μπορούμε να κάνουμε ότι φανταστεί ο τελικός χρήστης του συστήματος, αφού ΦΥΣΙΚΑ έχουμε αγοράσει τον κατάλληλο εξοπλισμό.

Αρνητικά του BMS

Κάθε μία εταιρεία που παράγει το δικό της σύστημα έχει το δικό της πρόγραμμα (software) για να προγραμματιστεί ο κεντρικός ελεγκτής και για την οπτικοποίησή του. Αυτό σημαίνει πως γίνονται αναγκαστικά συνδιαχειριστές ο προμηθευτής του συστήματος και ο τελικός ιδιοκτήτης του. Αυτό δεν είναι απαραίτητα κακό είναι όμως ένας μεγάλος περιορισμός στην μετά την εγκατάσταση του συστήματος εποχή. Οποιαδήποτε επέκταση, τροποποίηση, αντικατάσταση στοιχείων του συστήματος πρέπει αυστηρά να είναι της ίδιας αρχικής εταιρείας. Γι’ αυτό και η επιλογή του υλικού που θα εγκατασταθεί σε ένα έργο είναι πάρα πολύ σημαντική, πολλές φορές πιο σημαντική από το συνολικό αρχικό κόστος τοποθέτησης του.

Ένα πιο σύγχρονο σύστημα κτιριακού αυτοματισμού είναι το σύστημα KNX

Αρχικά εμφανίστηκε στην Ευρώπη στις αρχές της δεκαετίας του 1990 από 15 κατασκευαστές ηλεκτρολογικού υλικού οι οποίοι δημιούργησαν την ΕΙΒΑ (European Installation Bus Association) ως ένα σύστημα αυτοματισμού με κύρια χαρακτηριστικά:

Κοινό πρωτόκολλο επικοινωνίας των υλικών
Αποκεντρωμένο σύστημα
Σύστημα «Bus» (ελληνική ελεύθερη μετάφραση «δίαυλος» επικοινωνίας)

Τι σημαίνουν τα παραπάνω:

Όπως αναφέραμε και πιο πάνω κάθε μια εταιρεία έβγαζε και βγάζει το δικό της σύστημα αυτοματισμού. Το όραμα της EIBA (μετέπειτα KNX), ήταν ένα κοινό πρωτόκολλο επικοινωνίας όπου όλες οι εταιρείες θα έβγαζαν τα δικά τους υλικά αλλά θα ήταν συμβατά μεταξύ τους. Δηλαδή θα προγραμματιζόταν με το ίδιο πρόγραμμα και θα μπορούσαν να επικοινωνούν μεταξύ τους χωρίς καμία επιπλέον βοήθεια. Κάτι αντίστοιχο με το κοινό πρωτόκολλο επικοινωνίας TCP/IP των ηλεκτρονικών υπολογιστών.

Ο προσεκτικός αναγνώστης θα συνδυάσει το κεντρικό (κεντροποιημένο) σύστημα που αναφέρθηκε πιο πάνω με το “νέο” αποκεντρωμένο σύστημα που πρότεινε η ΕΙΒΑ. Στο σύστημα αυτό δεν υπάρχει κάποιος κεντρικός ελεγκτής ο οποίος εποπτεύει ολόκληρη την εγκατάσταση, αλλά όλα τα στοιχεία του συστήματος έχουν την δυνατότητα επικοινωνίας με όλα τα υπόλοιπα στοιχεία. Έτσι αν «χαλάσει» κάποιο υλικό του συστήματος δεν «κρεμάει» ολόκληρο το σύστημα αλλά μόνο συγκεκριμένο τμήμα του.

Επίσης ένα ακόμη διαφορετικό στοιχείο του συστήματος είναι η Bus Τεχνική του.

Πηγή:https://www.knx.org/wAssets/docs/downloads/Marketing/Presentations/KNX-city/KNX-city

Μέσα από ένα δισύρματο καλώδιο μεταφέρετε και η επικοινωνία και η τροφοδοσία των επιμέρους στοιχείων του συστήματος. Η επικοινωνία γίνεται με τηλεγραφήματα και διευθύνσεις. Όλοι οι «συνδρομητές» ακούνε όλους τους άλλους και «απαντάει» μόνο ο συγκεκριμένος που έχει την μοναδική «διεύθυνση» στον οποίο απευθύνεται το «τηλεγράφημα».

Δεν θα μπω σε περισσότερες τεχνικές λεπτομέρειες γιατί η λογική του συγκεκριμένου άρθρου είναι μία γενική πληροφόρηση για το θέμα του κτιριακού αυτοματισμού. Ίσως σε επόμενο άρθρο να μπούμε σε περισσότερες τεχνικές λεπτομέρειες.

Η αρχική σύλληψη της ΕΙΒΑ ήταν κάτι εξαιρετικά πρωτοποριακό για την εποχή του και τελικά πέτυχε. Σήμερα η ΕΙΒΑ έχει μετονομαστεί σε ΚΝΧ και συμμετέχουν 500 εταιρείες (κατασκευαστές) παγκοσμίως με πάνω από 8.000 υλικά , που καθημερινά αυξάνονται

Πηγή: https://www.knx.org/knx-en/for-professionals/index.php

Στο σύστημα ΚΝΧ, όπως αναφέρθηκε δεν υπάρχει κεντρικός ελεγκτής αλλά όλα τα υλικά έχουν την δυνατότητα επικοινωνίας με τα υπόλοιπα. Υπάρχει, φυσικά, τουλάχιστον ένα τροφοδοτικό, που δίνει στο σύστημα την απαιτούμενη τάση λειτουργείας (24 V DC), αλλά αυτό δεν προγραμματίζεται, είναι παθητικό υλικό του συστήματος.

Όλα τα υλικά του συστήματος παίρνουν, μέσω προγραμματισμού, μία μοναδική διεύθυνση (φυσική διεύθυνση), που τους βοηθάει να επικοινωνούν με τα υπόλοιπα.

Υπάρχουν 2 κατηγορίες υλικών :

Οι αισθητήρες (sensors), που δίνουν τις εντολές στο σύστημα, π.χ. μπουτόν, διακόπτες, αισθητήρια κίνησης, αισθητήρια φωτεινότητας και πολλά άλλα. Θα μπορούσαμε να τους παραβάλουμε με τις εισόδους που αναφέραμε στο BMS αλλά δεν είναι ακριβώς το ίδιο.
Οι ενεργοποιητές – δέκτες (actuators), οι οποίοι «ακούνε», δέχονται τις εντολές των αισθητήρων και «ενεργούνε». Θα μπορούσαμε να τους αναφέρουμε και σαν εξόδους. Τα υλικά αυτά ενεργοποιούν τις καταναλώσεις που ελέγχονται από το σύστημα.

Για κάθε μία λειτουργία που θέλουμε να κάνουμε μέσω του συστήματος ΚΝΧ, θα πρέπει να συνδέσουμε, μέσω προγράμματος, κάποιον αισθητήρα με κάποιον ενεργοποιητή.

Αρχικά το σύστημα ΚΝΧ αναφέρθηκε στην Ελλάδα σαν «έξυπνο σπίτι» υποβαθμίζοντας τις δυνατότητες του συστήματος και περιορίζοντας το σε μικρότερες εγκαταστάσεις. Όμως σήμερα, τα συστήματα ΚΝΧ δεν έχουν κανένα περιορισμό τόσο από πλευράς επεκτασιμότητας και διασύνδεσης με άλλα συστήματα όσο και με την οπτικοποίηση τους .

Τα θετικά του σημεία είναι:

Απίστευτα μεγάλος αριθμός συμβατών εταιριών και υλικών. Όπως προαναφέρθηκε, όλα τα ΚΝX υλικά προγραμματίζονται με το ίδιο πρόγραμμα, ETS 5 και μπορούν να δουλέψουν πολλών διαφορετικών εταιρειών υλικά σε μία εγκατάσταση. Το κοινό πρωτόκολλο δούλεψε και έγινε ένα από τα δυνατότερα σημεία του.

Απλοποιημένη εγκατάσταση. Όλα τα σημεία ελέγχου (μπουτόν, διακόπτες, αισθητήρια) χρειάζονται ΜΟΝΟ αυτό το δισύρματο καλώδιο για τροφοδοσία και επικοινωνία. Στην πραγματικότητα το καλώδιο που χρησιμοποιούμε είναι ένα JY(St)Y 2X2X0,8, μονόκλωνο, συνεστραμμένο, μπλενταρισμένο, του οποίου το δεύτερο ζεύγος είναι εφεδρεία.

Πηγή:http://knxtoday.com/2013/11/2594/best-practice-cable-installation-tips-and-techniques.html

Αρνητικά σημεία:

Περιορισμένη δυνατότητα ελεύθερου προγραμματισμού των υλικών. Τα περισσότερα υλικά έχουν ένα μεγάλο αριθμό παραμέτρων που πρέπει να χρησιμοποιήσεις για να λειτουργήσουν σωστά, αλλά δεν μπορείς να γράψεις κώδικα, όπως γίνεται στα BMS. Υπάρχουν όμως πιο εξειδικευμένα υλικά που μπορείς να προγραμματίσεις με σχετική ελευθερία.
Μικρότερη ταχύτητα των επεξεργαστών του συστήματος σε σχέση με την ταχύτητα αντίστοιχου κεντρικού επεξεργαστή ενός BMS. Θα μπορούσα να γράφω σελίδες ολόκληρες για αυτό το θέμα, απλώς επιγραμματικά θα αναφέρω πως η ταχύτητα του ΚΝΧ είναι σχετικά μικρότερη αλλά σε καμιά περίπτωση δεν μπορείς να το χαρακτηρίσεις αργό σαν σύστημα λόγο της κατασκευής του και της τοπολογίας που χρησιμοποιεί.

Ελπίζω το παραπάνω άρθρο να σας έδωσε κάποιες βασικές πληροφορίες για τα συστήματα κτιριακών αυτοματισμών που υπάρχουν αυτή τη στιγμή στην ελληνική και παγκόσμια αγορά για μικρά και μεγάλα κτίρια.

Το μέλλον μας επιφυλάσσει μεγάλες εξελίξεις καθώς, εταιρείες υπολογιστών και πληροφορικής μπαίνουν δυναμικά στην αγορά διεκδικώντας μερίδιο από τις πωλήσεις κτιριακού αυτοματισμού. Το ΙοΤ (Internet of Things – Διαδίκτυο των πραγμάτων) μας χτυπάει την πόρτα και μας υπόσχεται τεράστιες δυνατότητες διασύνδεσης πληθώρας διαφορετικών συσκευών μέσω κοινής πλατφόρμας επικοινωνίας. Η πραγματικότητα είναι αρκετά πιο δύσκολη και είναι πολύ πιο εύκολο να σχεδιάσεις ένα σύστημα από το να το θέσεις σε απρόσκοπτη λειτουργία. Όμως η πληθώρα των εταιρειών καθώς και ο τεράστιος προϋπολογισμός των τμημάτων έρευνας και ανάπτυξης τους, μας εμπνέει αισιοδοξία για όσα θα ακολουθήσουν στο άμεσο μέλλον του κτιριακού αυτοματισμού. Θα είμαστε στις επάλξεις και θα παρακολουθούμε τις εξελίξεις στον τομέα αυτό.