Эволюция BMS: умные здания становятся ещё умнее

Статья рассказывает о направлениях эволюции современных систем управления зданиями, характерными чертами которых являются развитые интуитивно понятные графические интерфейсы, возможность обработки больших объёмов данных, распределённая модель управления. В качестве иллюстрации приводится описание проекта автоматизации гостиницы, выполненного на базе SCADA-системы GENESIS64 компании ICONICS.

Бусаров Андрей, Киселёва Ольга, Широков Юрий

152
В ЗАКЛАДКИ
В развитии комплексных систем управления зданиями, или Building Management System (BMS), как их называют сегодня, заинтересовано множество серьёзных игроков рынка, среди которых IT-компании, компании, управляющие недвижимостью, строительные и девелоперские фирмы. Кроме того, в свете тенденций последних лет, связанных с энергосбережением и охраной окружающей среды, в «зелёном» направлении развития систем BMS проявляется заинтересованность и на государственном уровне.

Идея BMS не нова. Однако в начале пути по-настоящему комплексный подход к управлению зданием во многом ограничивался отсутствием единых стандартов, так же как отсутствие соглашений по напряжению и частоте электрического тока сдерживало в своё время развитие электротехники. С принятием концепции DDC (Direct Digital Control – прямое цифровое управление) стало казаться, что все препятствия преодолены. Но на самом деле это была лишь иллюзия. Очень быстро пользователи осознали, что каждый производитель оборудования и ПО, как и прежде, стремится применять собственные, не совместимые с продукцией конкурентов стандарты управления. Это не вызывало особых проблем в локальной автоматизации, но в серьёзных проектах было совершенно недопустимо. Назревающее недовольство потребителей принудило законодателей рынка автоматизации к действиям, и в конце 1980-х годов производители стали кооперироваться с целью выработки единых стандартов. В их среде начались активные обсуждения и сравнения преимуществ и недостатков проприетарных решений. В результате этой работы родилась концепция высокоуровневых протоколов. Их популярным представителем является, например, BACnet, интегрирующий многие протоколы более низкого уровня в области автоматизации зданий и дающий возможность единообразно управлять огромным количеством самых разнообразных устройств. BACnet не лишён недостатков, однако он широко распространён, и в настоящее время уже около 90 процентов производителей обеспечивают для своих продуктов шлюзы в него. Успехи в стандартизации принципов управления сделали, наконец, возможными системы BMS в современном понимании. Но для их полноценной реализации необходим ещё один важный компонент, располагающийся на самом верхнем уровне, – интеллектуальная система управления. И этот компонент, как правило, весьма недёшев. Получается, что внедрение передовых концепций автоматизации ведёт к удорожанию решений. В чём же тогда выигрыш конечного потребителя? А он в том, что, несмотря на относительную затратность используемых технологий на этапе внедрения, благодаря оптимизации стоимости владения в долгосрочной перспективе собственник получит ощутимую выгоду. По некоторым оценкам, на протяжении 40-летнего жизненного цикла здания на содержание его конструктива тратится порядка 11%, на модернизацию – около 25%, на оплату ресурсов – 14%, и целых 50% уходит на его обслуживание. Это немалая часть расходов, за снижение которых имеется возможность побороться.

Направления развития

Перспективные пути развития систем BMS так или иначе связаны со следующими технологическими тенденциями:
  • внедрение интеллектуальных предиктивных алгоритмов управления на основе анализа данных и методы работы с Big Data;
  • использование удалённого доступа к данным и их обработки, включая облачные технологии и IoT;
  • удешевление и упрощение имплементации микропроцессорных технологий и соответствующего ПО, рост производительности встраиваемых систем, как следствие, активное внедрение технологий M2M/IoT/IoE;
  • внедрение платформ на базе PoE – энергоэффективных датчиков и исполнительных устройств;
  • массовый переход на беспроводные технологии.
На первых двух пунктах как наиболее значимых стоит остановиться немного подробнее.

Big Data

Одна из ключевых тенденций развития BMS – Big Data. Источников данных становится всё больше и больше. Данные порождаются теперь даже на уровне элементарных устройств типа выключателя освещения. Источниками данных для систем BMS могут быть как устройства, так и сами люди – энергозатраты по зданиям, данные от служб коммунального хозяйства, системы контроля доступа, видеоаналитика с камер и т.д. На сегодняшний день серьёзную проблему представляет как хранение, так и обработка сверхбольших объёмов данных, особенно в проектах единых диспетчерских центров управления территориально распределёнными комплексами зданий. Но практика показывает, что только такие системы помогают всесторонне анализировать информацию, проводить грамотный энергоменеджмент и достигать максимального экономического эффекта совместно с BMS. Такие комплексные решения сложны, и далеко не каждый системный интегратор способен качественно их реализовать, что является препятствием для их распространения. Существуют в настоящее время и нетехнологические преграды: хранение и обработка данных пока ещё весьма дороги, а многие клиенты довольствуются имеющимися функциональностью и аналитикой, и не готовы принять полностью интегрированную концепцию Big Data. Поэтому на практике для небольших комплексов BMS стали всё чаще использовать методы Big Data для эффективной и быстрой обработки информации, но эти системы не всегда связаны с обработкой именно больших объёмов данных. Производители некоторых SCADA-систем (например, GENESIS64 компании ICONICS) интегрируют инструменты работы с Big Data в express-лицензии с ограниченной функциональностью. Ограничения касаются в основном количества обрабатываемых сигналов и «горячего» резервирования серверов, но при этом заказчик получает доступ к методам работы с такими данными, не переплачивая за ненужную функциональность.

Интернет вещей и облачные сервисы

Это ещё одна перспективная концепция, которая связана с капитальными затратами на развёртывание ИТ-инфраструктуры BMS. Принимая во внимание достаточно длительный срок окупаемости, не каждый собственник или инвестор решится потратить большое количество денежных средств на комплексную систему автоматизации и ИТ-проект. Оптимизировать расходы на капитальные затраты в этом случае можно, арендуя мощности у облачного провайдера (российского или западного) или готового IoT-сервиса по BMS.
В развитии IoT задействованы индустрия производства вычислительной техники, сети и системы связи и коммуникаций, центры хранения и обработки данных. Сама же концепция IoT развивается в рамках следующих принципов.
  1. «Облачность», то есть нацеленность на использование облачных вычислительных сервисов, которые могут находиться где угодно – локально или удалённо.
  2. Мобильность – доступ к данным и управлению объектами из любой точки с мобильного устройства (планшета, мобильного телефона, ноутбука
  3. и т.п.)
  4. Интеллектуальность благодаря новым самообучающимся алгоритмам анализа и принятия решений на основе накопленных данных.
  5. Безопасность – обеспечение надёжной передачи и защиты данных пользователей и высокое качество предоставляемых облачных сервисов.
Несмотря на все трудности роста рынок решений IoT и Big Data неуклонно растёт и по прогнозам достигнет 7 млрд долларов к 2020 году.

Почему GENESIS64?

Итак, ключевые тенденции мы определили. Логично ожидать, что SCADA-система – инструмент для реализации верхнего уровня BMS – будет отвечать им в полной мере. Рассмотрим хорошо зарекомендовавший себя во всём мире продукт компании ICONICS – ПО GENESIS64. Не будем детально расписывать его обширные возможности, а лишь в свете сказанного назовём критерии соответствия этой системы современным требованиям BMS.
  • Поддержка технологии тонкого клиента на основе Web-браузера, совместимой с HTML5 и WinRT. Специальный компонент MobileHMI™ в составе SCADA обеспечивает отображение пользовательского интерфейса на любом мобильном устройстве, от планшета до телефона.
  • Наличие мощной и быстрой 3D-визуализации, реализованной на базе технологии Microsoft .NET Framework.
  • Поддержка масштабируемых облачных IoT-решений на базе виртуальных машин позволяет пользователям создавать распределённые, легко масштабируемые приложения в соответствии с текущими потребностями. Технология гарантирует быстрый доступ к данным и управлению, обеспечивая надёжную защиту пользовательских данных.
  • Высокоэффективный механизм сохранения данных на основе Hyper Historian™ позволяет регистрировать более 1 млн тегов данных со скоростью 150 тысяч изменений в секунду. Сохранённые данные можно быстро извлекать и анализировать по мере необходимости. Стоимость лицензии зависит от объёма обрабатываемых этим сервисом данных. Лицензия express с ограниченной функциональностью входит в пакет GENESIS64 бесплатно.
  • «Зелёная» ориентированность. Система может агрегировать и анализировать данные об энергопотреблении и отображать их в удобном и информативном интерфейсе на любом мобильном устройстве. Анализ данных в реальном времени позволяет предотвращать нежелательные и аварийные ситуации. Дополнительное сбережение энергии при этом может достигать 15–20%.
  • GENESIS64 поддерживает практически все перспективные стандарты и протоколы автоматизации, включая упоминавшийся BACnet, OPC UA/DA/HDA/AE, имеет встроенную функциональность по работе с базами данных, Web-сервисами, SNMP, OData и многое другое. Это делает его универсальным решением, объединяющим многие платформы автоматизации в рамках единой концепции на верхнем уровне.
Упомянем также о тесной интеграции средств разработки GENESIS64 с перспективной концепцией BIM (Building Information Modeling – информационное моделирование зданий), трактующей проектирование здания как единый сквозной процесс, одной из взаимосвязанных частей которого является комплексная автоматизация.

По сути, GENESIS64 является сегодня одной из наиболее подготовленных к переходу на Big Data, IoT и облачные технологии систем.

Поскольку мы ведём рассказ о системах BMS, далее остановимся на компонентах GENESIS64, непосредственно связанных с созданием эффективных BMS-решений: Energy AnalytiX и Facility AnalytiX, а затем покажем, как они работают в реальном проекте.

Facility AnalytiX – палочка-выручалочка для службы эксплуатации

Этот компонент является инструментальным конструктором (рис. 1), предназначенным для создания алгоритмов предиктивной диагностики состояния инженерных систем на этапе их ввода в эксплуатацию и дальнейшей работы.

Для реализации систем BMS ICONICS предлагает лицензию с уже встроенными шаблонами по основным классам оборудования. На основе встроенных в лицензию алгоритмов, накопленной базы знаний локальных специалистов и экспертной матрицы, статистики поведения системы и анализа отказов компонент в состоянии предсказывать аварийные ситуации и таким образом значительно снижать риск их возникновения.

Рекомендации Facility AnalytiX помогают составлять оптимальные графики обслуживания и ремонта оборудования, что позволяет эффективно бороться с его простоем.

Energy AnalytiX: ни ватта на ветер

Энергия становится всё более дорогим и дефицитным ресурсом. Именно поэтому энергоэффективность – девиз и одна из главнейших целей современной автоматизации. Если рассматривать более или менее простой объект, например систему освещения, задача энергосбережения формализуется и решается достаточно просто.

Всё становится гораздо сложнее, когда мы управляем комплексным объектом – целым зданием, буквально напичканным различными инженерными системами. Интуитивно понятно, что максимальной экономии ресурсов можно добиться, рассматривая и оптимизируя процесс комплексно. Но для этого требуется возможность увидеть картину энергопотребления в целом, выделить контрольные параметры, которые позволят оценить целесообразность и эффективность тех или иных управляющих воздействий. Именно таким инструментом и является Energy AnalytiX.

Его основные возможности включают встроенные расчёты по затратам энергии и выбросам вредных веществ, мониторинг целей и бюджета, богатые средства визуализации, Web-ориентированную платформу. С помощью этого инструмента вы можете настроить свои порталы с отображением текущих и исторических значений по электричеству, газу, пару и другим ресурсам с настраиваемыми шаблонами для менеджеров, инженеров-строителей и обслуживающего персонала управляющих компаний.

Умная гостиница

Представляем вам пример использования возможностей ПО ICONICS – комплексное решение по автоматизации гостиницы. Задачей данного проекта было создание типовой системы автоматизации гостиницы, обеспечивающей комфортные условия для гостей, оптимизацию расходования энергоресурсов, проактивное обслуживание инженерной инфраструктуры и управление отказами оборудования, единое решение для управления и аналитики инженерии объекта.

В соответствии с этой концепцией структура решения включает в себя четыре основные составляющие (рис. 2).

Для каждой из названных систем предусмотрены соответствующие функциональные рабочие места (АРМ).

Уровень гостиничного номера

Автоматика в номере (рис. 3) позволяет создать максимально комфортные условия для проживания гостя, экономически оптимальные для гостиницы.

В каждом номере предусмотрена автоматизация следующих функций:
  • управление освещением;
  • климат-контроль;
  • тёплый пол;
  • контроль занятости номера;
  • вызов персонала;
  • управление жалюзи;
  • управление телефоном, доступ в Интернет;
  • контроль сигнализации;
  • видеонаблюдение;
  • контроль доступа.
Номерная автоматика позволяет обеспечить заданный и экономически оптимальный режим работы климатических систем и освещения. В алгоритмы номерной автоматики включены функции защит и блокировок, направленные на оптимизацию затрат на потребление ресурсов.

Управление и задание режимов работы всех систем номера производится с гостевой панели управления.

Панель управления (рис. 4) может быть стационарно установлена в номере либо доступна на мобильном устройстве гостя. В частности, панель предоставляет возможность управления освещением и климатом номера, предусматривает информирование о нештатных ситуациях и возможных блокировках (рис. 5).


Уровень администратора гостиницы

Автоматика номеров работает с учётом статуса номера: «свободен», «забронирован», «заселён», что позволяет автоматически сократить потребление ресурсов, сохраняя максимальный уровень комфорта для гостя.

Администратору доступна информация о текущем статусе номеров, событиях аварийного характера, а также функциональность управления всеми системами номера. Администратор обладает информацией о возникновении неисправностей или о нештатных ситуациях в номере. Это позволяет сократить скорость реакции при обслуживании.

Функциональность панели администратора позволяет не только видеть состояние номеров в реальном времени, но и запустить, например, сценарий перевода освободившегося номера в режим энергосбережения.

Администратору доступна информация о присутствии/отсутствии постояльцев в номере, а также о критических событиях. Например, на рис. 6 показано, каким образом на панели администратора отображается информация о протечке воды в номере.

Администратор также имеет возможность удалённо помочь гостю с управлением автоматикой его номера, так как ему доступна вся функциональность панели гостя.
Администратор может управлять различными видами блокировок в целях оптимизации расхода энергии. Например, можно сделать настройку, при которой гость не сможет включить систему кондиционирования при открытых окнах. При этом на панель управления гостя будет выведено соответствующее сообщение.

Уровень службы эксплуатации гостиницы

Главной целью этого уровня системы является предоставление полного контроля над всеми инженерными системами здания в реальном времени.
В задачи службы эксплуатации входит:
  • диспетчеризация – полный контроль событий, возникающих на инженерном оборудовании объекта;
  • регулирование и контроль технологических параметров даёт возможность централизованного задания режимов для работы инженерного оборудования объекта, например, включение сезонных режимов для систем отопления, вентиляции и кондиционирования или управление расписанием фасадного освещения;
  • автоматическая оптимизация расхода достигается за счёт интеграции режимов работы различного оборудования и задания блокировок, например, отключение калориферов вентиляционных систем при останове вентиляторов;
  • проактивное обслуживание инженерной инфраструктуры и управление отказами оборудования – это обслуживание не по графику, а по необходимости, например, выход набора параметров устройства за установленные нормы или снижение производительности работы устройства будет воспринято как событие, которое требует внимания. Соответственно, своевременная реакция позволит предупредить отказ, сократить затраты на обслуживание и повысить отказоустойчивость системы в целом.
Для решения этих задач система BMS реализует автоматизацию систем жизнеобеспечения здания (рис. 7, 8).



Отопление, вентиляция и кондиционирование
Задача автоматики – поддержание оптимального климата, отработка режимов смены времени года, управление производительностью насосного оборудования, а также защита от неэффективного расхода ресурсов.

Электроснабжение
Контроль качества получаемой электроэнергии, учёт её расхода, предупреждение и контроль аварийных отключений.

Освещение
Автоматика занимается управлением светом по занятости помещений, по дневному освещению, обеспечивает интегрированное с устройствами затенения управление.
Она также управляет фасадным и рекламным освещением.

Прочие системы
Обогрев водостоков, управление положением окон, контроль концентрации газов на стоянке и учёт количества свободных машиномест.

Служба эксплуатации в режиме онлайн получает информацию о возникших неисправностях, как в номерном фонде, так и в инженерном оборудовании объекта. Система позволяет мгновенно локализовать неисправность и оповестить службу эксплуатации различными способами: через АРМ, мобильное устройство, SMS, e-mail, SNMP trap.

Система предусматривает детальную визуализацию каждой инженерной системы, а также предоставляет интерфейс управления любым оборудованием объекта в необходимом и достаточном объёме (рис. 9).

Модуль контроля расхода энергоресурсов
Инструмент энергоучёта предусматривает контроль расхода ресурсов в заданных точках учёта (рис. 10, 11).


Данная информация позволяет строить прогнозы энергопотребления, а также отслеживать изменения в энергопотреблении единиц оборудования, связанные с износом устройств или некорректным режимом их работы.

Как вариант может быть доступна следующая информация:
  • общее энергопотребление в гостинице;
  • потребление арендаторами;
  • потребление по системам;
  • потребление по номерам;
  • потребление на уровне единиц оборудования с указанием стоимости ресурсов.
Модуль аналитики и диагностики неисправностей
Модуль диагностики неисправностей является отдельным инструментом системы, который позволяет проводить автоматическую диагностику события с выявлением конкретных причин, а также оценить стоимость данного события. Модуль отслеживает как отклонения параметров от нормы, так и снижение эффективности работы инженерных устройств и систем.

Такая система позволяет перейти на сервисное обслуживание по мере необходимости – проактивное обслуживание по индивидуальному оптимальному графику для каждой инженерной системы, что одновременно снижает затраты на обслуживание и вероятность выхода из строя в результате поломки.

В модуле диагностики для каждого типового устройства описываются правила обнаружения неисправностей и отклонений, например, контролируем уровень эффективности работы чиллера (рис. 12): статус, потребление, расход.

Для каждого устройства прикладывается диагностическая карта с указанием причин возникновения неисправностей и отклонений (рис. 13).

Эта карта включает в свой состав перечень симптомов и возможных причин. Данные карты могут быть предоставлены как производителем оборудования, так и сервисной компанией, занимающейся обслуживанием инженерной системы.

В результате изменения параметров, участвующих в алгоритме, взводится подготовленное событие (Fault). Модуль диагностики визуализирует Fault, указывает максимально подхо-дящую причину возникновения из диагностической карты и стоимость данного события. Таким образом, ещё до фактического отказа устройства служба эксплуатации имеет возможность оценить вероятность аварийной ситуации и принять соответствующее решение.

Накопленная в системе информация позволяет выгрузить отчёты о расходе энергоресурсов, аварийных событиях, технологических параметрах, а также о работе службы эксплуатации. В зависимости от уровня заполненности отеля меняется потребление электроэнергии гостиницей.

Контроль расхода энергии на номера и на инженерные системы отеля позволяет выгрузить отчёт, показывающий себестоимость ресурсов для одного номера за выбранный период с учётом заполненности отеля.

Данная информация может быть использована для формирования более точного расчёта себестоимости номера и, как следствие, для формирования конкурентных предложений для гостей (рис. 14).

Заключение

Внедрение описанных в статье технологий позволяет заказчику выйти на самый современный уровень развития BMS и получить самые эффективные инструменты для грамотного энергоменеджмента и снижения расходов на обслуживание объекта.

Концептуальный подход примера умной гостиницы показывает, как обеспечить дополнительный комфорт для постояльцев гостиницы, следствием чего можно ожидать положительный экономический эффект по количеству гостей и повышению рейтинга (звёздности) гостиницы.

Увеличение эффективности внутренних бизнес-процессов и снижение операционных расходов, а также обеспечение дополнительных доходов от платных услуг и сервисов окажут благотворное влияние на рентабельность бизнеса.

Описанный пример умной гостиницы, выполненный на базе программных модулей ICONICS, вы можете протестировать со своего компьютера или мобильного телефона. Для получения Web-доступа к этому примеру достаточно отправить заявку на адрес электронной почты авторов, указанный в конце статьи. В ответ вы получите доступные временны́е слоты для подключения к демо-проекту. ●

Авторы – сотрудники компании «Энвижн Груп» и фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: iconics@prosoft.ru


ПОДПИСАТЬСЯ НА НОВОСТИ

Будьте всегда в курсе самых свежих новостей
и узнавайте первыми о содержании нового номера

Подписка на новости

РЕКОМЕНДУЕМ