Проектирование и эксплуатация системы управления интеллектуальным зданием. Теория и практика

Функциональные возможности и архитектура системы управления. Диспетчеризация инженерных систем. Реализация систем энергоснабжения и безопасности. Выбор среды передачи данных. Экономический эффект

Многие компании, работающие на рынке интеллектуальных зданий, часто выдают обычную автоматизацию процессов за элементы интеллектуальной системы.

 

 

Наверное, целесообразно рассмотреть ряд критериев, определяющих здание как интеллектуальное.

Факт возведения интеллектуального здания (от англ. Intelligent Building, ИЗ) характеризует профессиональный уровень компании – системного интегратора, требует от ее специалистов знаний инженерных систем, умения объединять их в единый комплекс. Как и любое современное здание, ИЗ имеет системы энергоснабжения, освещения, вентиляции, кондиционирования, водоснабжения, отопления, канализации, вертикального транспорта, безопасности, связи, компьютерных, телекоммуникационных и телевещательных сетей, мониторинг. Контроль и управление работой этих систем осуществляет единая система диспетчеризации (или в английской терминологии Building Management System, BMS) – система управления зданием.

Сам термин «интеллектуальное здание» – просто красивая и распространенная рекламная уловка. В силу привлекательности он был быстро подхвачен журналистами и системными интеграторами. Американцы, первые сформулировавшие, что такое интеллектуальное здание, и сейчас продолжают оставаться законодателями моды в разработке технологии. Поэтому, наверное, лучше ориентироваться на их определение ИЗ: в интеллектуальном здании необходимо наличие системы управления зданием – упомянутой выше BMS, и это как минимум. Кроме того, должно быть не менее 15 тыс. информационных точек, через которые поступает информация с контролируемых инженерных систем. И только тогда американские специалисты употребляют термин «intelligent building».

Для России, конечно, 15 тыс. – завышенный показатель. Однако, когда присутствует возможность управления посредством 2–3 тыс. точек, думаю, можно такие здания называть интеллектуальными. Хотя, безусловно, и в России есть ИЗ, соответствующие американским требованиям. Например, административное здание ОАО «Российские железные дороги», где мониторинг и управление различными инженерно-техническими системами осуществляется через 32 тыс. точек, так что без системы управления зданием не обойтись. Еще один пример – офисное здание нефтегазовой компании «ТНК-BP», где работает более 30 инженерных систем и задействовано 28 тыс. точек контроля. Московский отель «Courtyard by Marriott» в Вознесенском переулке также можно назвать интеллектуальным зданием, хотя в нем всего около 2 тыс. точек контроля 20 инженерных систем и они управляются единой системой диспетчеризации.

Характеризуя систему как интеллектуальную, надо четко представлять ее отличие от обычной системы автоматизации. При этом очевидно, что от установки, например, интеллектуальных систем безопасности здание таковым не становится. Почему? Даже если есть диспетчерский пульт системы безопасности, и, например, при проходе посетителя через турникет с использованием электронной карточки у оператора на экране появляется его фотография или камеры реагируют на открытие окна – можно утверждать, что элемент системы интеллектуального здания присутствует, а связи его с другими системами здания нет. То же самое касается и отдельно автоматизированных систем кондиционирования, освещения и т.п.

Рассмотрим главу на примере системы диспетчеризации (рис. 1), реализованной в здании отеля «Courtyard by Marriott».

ЩКУЦ - щит контроля и управления централи; ЩАУХЦ - щит автоматизации управления холодильным центром (холодоснабжение); ЩАУВ - щит автоматизации управления вентиляцией; ЩАУВТ - щит автоматизации управления вытяжной вентиляцией; ЩАУТ - щит автоматизации управления индивидуальным тепловым пультом (теплоснабжение, отопление, водоснабжение)

Все требования к данной системе в целом и в частности были определены стандартами, принятыми в сети отелей «Marriott» данного класса. В качестве системы диспетчеризации здания отеля были применены решения на базе ПО METASYS и сетевых процессоров. Это было связано с тем, что METASYS является одной из платформ, которую использует «Courtyard by Marriott» в различных странах мира: аппаратно-программная система управления зданием является ядром интеллекта, позволяет управлять системами жизнеобеспечения и контролировать все инженерные точки здания. Через распределенные сетевые процессоры NCM (Network Control Module) и сети LonWork и BACNet она объединяет все системы жизнеобеспечения интеллектуального здания в единую отказоустойчивую архитектуру. Система METASYS обеспечивает не только централизованный мониторинг, диспетчеризацию и управление оборудованием инженерных систем, но и экономию потребляемой электроэнергии.

В гостинице «Courtyard by Marriott» BMS выполняет следующие функции:

• обеспечивает получение оперативной информации диспетчерами, руководителями эксплуатационных служб отеля о состоянии инженерных систем;
• обрабатывает текущую информацию и управляет инженерными системами здания и их оборудованием в соответствии с заданными режимами работы;
• проводит документирование и регистрацию параметров процессов инженерных систем, а также действий диспетчерских служб;
• осуществляет автоматизированный учет эксплуатационных ресурсов инженерного оборудования и контроль технического обслуживания;
• обеспечивает возможность подключения к системе дополнительного оборудования, увеличение точек контроля и функций управления без нарушения работы системы управления зданием.

Информация о работе любой системы жизнеобеспечения здания поступает на сетевые процессоры от интеграторов типа METASYS и полевых контроллеров, каждый из которых получает данные от контролируемой системы жизнеобеспечения. Интеграторы представляют собой устройства, передающие на процессор BMS информацию о работе систем с локальной автоматикой (в том числе с интегрированных систем безопасности, лифтов, источников бесперебойного питания, холодильных установок). Сигналы от полевых контроллеров и интеграторов поступают на сетевые процессоры BMS системы по сетям LonWork.

В здании установлены сетевые процессоры, имеющие архитектуру с распределенным интеллектом (так, в «Courtyard by Marriott» все инженерные системы и кабели распределены по нескольким этажам) и осуществляющие автоматическое управление всеми системами ИЗ по запрограммированным в них алгоритмам. Такая архитектура существенно повышает надежность работы BMS, и выход из строя любого из процессоров не повлияет на работу контролируемой им системы жизнеобеспечения, поскольку его функции возьмет на себя другой процессор.

Архивирование данных, мониторинг и протоколирование работы систем жизнеобеспечения в интеллектуальном здании осуществляется через сервер с RAID-массивом 5-го уровня и через автоматизированные рабочие места (АРМ) операторов функциональных систем, организованных на базе рабочих станций. Обмен данными между сетевыми процессорами BMS, сервером и рабочими станциями осуществляется по протоколу Ethernet/BACNet, что позволяет организовать мониторинг и дистанционное управление системами ИЗ. Для обработки всей информации, поступающей от любой системы жизнеобеспечения, используется программное обеспечение BMS – METASYS M5 («Johnson Controls»).

Надо заметить, что гостиница «Courtyard by Marriott» в сравнении с таким интеллектуальным зданием, как, например, штаб-квартира «ТНК-BP», – не самое насыщенное инженерными системами здание. Тем не менее для представления масштаба инженерного комплекса отеля достаточно сказать, что на объекте установлено более 20 механических, электрических, электронных и других инженерных систем более 30 производителей.

Автоматизация гостиницы включает в себя обеспечение бесперебойной работы всех инженерных систем с использованием встроенных средств управления и оборудования локальной автоматики и специализированных станций диспетчерского управления компании. В качестве интеллектуальной составляющей средств управления системами использованы 2 сетевых процессора, 10 полевых контроллеров и более 250 контроллеров управления климатом, обеспечивающих совместно с локальной автоматикой полную автоматизацию инженерных систем гостиницы и позволяющих экономично наращивать мощности инженерии в будущем.

Диспетчеризация таких систем гостиницы, как приточно-вытяжная вентиляция и кондиционирование (рис. 2), а также систем холодного и горячего водоснабжения, тепло- и холодоснабжения осуществляется посредством контроллеров автоматики инженерного оборудования (рис. 3). В подсистемах диспетчеризации этих систем предусмотрены такие функции, как контроль работы элементов системы, мониторинг работы приводов, дистанционное управление, измерение температуры, аварийная сигнализация при сбое контролируемых параметров, переключение на резервный двигатель и др.

Рис. 2. Автоматика системы кондиционирования

Рис. 3. Контроллеры системы управления

В системе применено оборудование, совместимое как с физическими интерфейсами, так и информационными протоколами. В качестве физических интерфейсов используются только стандартизованные интерфейсы (EIA/TIA 232, EIA/TIA 485 и т. п.).

Оборудование и ПО локальных систем обеспечивают цифровую передачу в системе диспетчеризации тревожных сообщений о неполадках и нештатных режимах, возникших в данной системе; данных о текущих режимах работы локальной системы, а также возможность отработки аварийных действий по сигналам системы пожарной безопасности.

Для повышения жизнестойкости данные о сигнализации критических ситуаций дублируются на аппаратном уровне при помощи дискретных или стандартных аналоговых сигналов.

Большинство компаний-интеграторов проводит обучение персонала эксплуатирующей компании, но стоит учесть, что количество технического персонала зависит от типа и площади здания. Чем больше здание – тем больше подразделения эксплуатационной службы. В гостинице «Courtyard by Marriott» один пост безопасности и пожарной охраны, одно АРМ для управления инженерными системами гостиницы. В целом обслуживанием всех систем занимается от 10 до 15 человек.

Такая система диспетчеризации имеет средства защиты от операторских ошибок персонала, которые могут привести к авариям объектных инженерных подсистем. Если в работе оборудования появляются сбои, BMS будет своевременно информировать службы эксплуатации, отвечающие за работу данного оборудования, а также главную службу эксплуатации и смежные подразделения. Иными словами, если BMS не видит реакции оператора системы электроснабжения на тревожные сообщения, она отправляет сигнал тревоги главному диспетчеру.

При обнаружении критической ситуации и отсутствии по каким-либо причинам управляющих воздействий со стороны оператора или другого сотрудника, имеющего право управления системой в течение заданного времени, а также запрета на принятие самостоятельных решений, система отрабатывает заранее заложенный алгоритм.

Если все-таки аварийная ситуация возникла, то операторы, осуществляющие контроль работы оборудования, будут иметь полную информацию о каждой системе и рекомендации BMS по выбору оптимального и наиболее безопасного выхода из ситуации. Помимо того, большую часть задач будет решать автоматика здания. Все действия автоматики и операторов систем протоколируются BMS, поэтому вероятность возникновения ситуаций коллективной безответственности за остановку или сбой в работе оборудования близка к нулю.

Расходы на техническое обслуживание оборудования и инженерных систем минимальны, поскольку мониторинг параметров всех систем осуществляется круглосуточно, и при своевременном вызове сервисных бригад случаи серьезного ремонта оборудования исключены.

При создании системы энергоснабжения зданий гостиницы, помимо систем общего электроснабжения и аварийного освещения, была установлена система бесперебойного питания, обеспечивающая оптимальное управление снабжением электроэнергией всех помещений «Courtyard by Marriott». Кроме того, энергосистема предусматривает возможность установки дополнительных компонентов для ее поэтапного наращивания.

Стоит отметить, что все больше российских компаний приходит к необходимости предусматривать установку современных систем электроснабжения уже на этапе строительства. Вообще, инвесторы все чаще обращают внимание на то, что сейчас без аварийных систем электроснабжения им трудно выиграть в конкурентной борьбе. Что уж говорить о гостинице, где комфорт и безопасность гостей – главная задача.

Выбор системы безопасности зависит от функционального назначения здания (гостиницы, бизнес-центры, офисы корпораций, производственные комплексы), площади и сложности планировочных решений здания (различные решения для зданий большой площади, средней и малой), требований заказчика к системе безопасности (требования к организации безопасности здания). Для того чтобы грамотно выбрать систему безопасности, необходимо проанализировать все факторы.

Комплексная система безопасности «Courtyard by Marriott» является самостоятельным компонентом BMS, полностью контролирует все противопожарные системы здания, осуществляет управление системами противопожарной защиты здания при возникновении пожарной ситуации.

Проектирование и оборудование гостиницы системами безопасности производилось с учетом международных норм для отеля «Marriott International».

В состав комплексной системы безопасности этой гостиницы вошли элементы:

• пожарная сигнализация и пожаротушение;
• контроль доступа и охранно-тревожная сигнализация;
• видеонаблюдение и оперативная связь.

В здании установлена одна диспетчерская службы охраны, один пост пожарной охраны.

Полностью интегрированная противопожарная система включает в себя системы пожарной сигнализации, водяного пожаротушения, одну панель пожарной сигнализации с оповещением фирмы Simplex 4100U со встроенным Touch screen сенсорным экраном, на котором отображаются графические планы, и насчитывает более 800 пожарных извещателей, 600 громкоговорителей и 500 огнезадерживающих клапанов. Диспетчер имеет возможность полностью контролировать и управлять системой с использованием дружественного графического интерфейса. Система пожарной безопасности управляет всеми противопожарными системами, контролирует спринклерную систему пожаротушения, полностью реализует алгоритм эвакуации людей. В соответствии со специфическими требованиями для сети отелей «Marriott» в номерах установлены датчики с локальными пищалками, то есть при задымлении датчика появляется локальный сигнал от него. Все переходы и лестничные площадки здания оснащены стробоскопами и системой оповещения для реализации алгоритма эвакуации персонала и жителей гостиницы, включая немобильные группы граждан.

Если говорить о контроле доступа, то «Marriott» – не самый показательный объект, поскольку это гостиница и в ней реализована система гостиничного контроля доступа. То есть после регистрации постояльцу выдается некий электронный ключ, который приписывается определенному владельцу для входа в конкретную комнату. При этом данная система никак не интегрирована с общей системой безопасности. В гостинице также реализовано видеонаблюдение: камеры видеонаблюдения расставлены таким образом, что через них просматриваются все коридоры, холл входной, вход в само здание. При этом войти в здание можно свободно, как и во всех гостиницах.

Цели и назначения информационной системы – передача тех или иных видов информации одними системами, включая инженерные, другим системам и обеспечение работы бизнеса. Стоит сказать, что в основном требования к информационным системам в гостиничной сфере несколько иные, чем к системам офисных зданий, бизнес-центров, банков. Например, в стандартный гостиничный номер, как правило, нет необходимости ставить большое число розеток. В номерах класса люкс уже есть Wi-Fi для клиентов, приезжающих со своим переносным компьютером; есть ТВ по запросу. Кроме того, присутствует возможность сделать запись на персональную Proximity-карту. С ее помощью клиент, перемещаясь по отелю, может открывать двери, разрешенные ему для доступа, пользоваться видеоконференцией или получать и оплачивать по карте различные услуги (телефонные переговоры, доступ в интернет, ТВ-каналы и т. д.).

В емкое понятие «информационная система» можно включить весь комплекс систем, которыми оснащена гостиница. Для инженера информационные системы – состояние вентустановок, положение переключателей и т. д., то есть общий мониторинг работы инженерных систем; для служащего гостиницы это может быть информация программного модульного комплекса, который показывает, какое количество номеров занято, сколько забронировано, общую статистику (например, сколько человек находилось в номере, какими услугами пользовались и т. д.).

В гостинице реализована структурированная кабельная система (СКС) компании ITT Network Systems and Services, поскольку эта система использует не только современные и перспективные протоколы физического уровня (включая 100 Мбит/с TP-PMD, 100 Base-TX, 155 и 622 Мбит/с ATM, IEEE 802.3 Gigabit Ethernet), но и поддерживает работу высокоскоростных протоколов.

Надо отметить, что каких бы то ни было принципиальных отличий в использовании инженерных систем в данной гостинице от применения этих систем в других, «неинтеллектуальных» гостиницах нет. В целом специфика отелей такова, что, кроме создания комфортных условий проживания и обеспечения безопасности, важно иметь хорошо развитые офисы, осуществляющие расчеты с клиентами и т. п., приемные, где регистрируются гости. При регистрации постояльца задача номер один – потратить как можно меньше времени на его заселение, чтобы выполнение этого процесса было для человека максимально удобным, а для персонала – максимально эффективным.

Второй момент – требования к ресурсам. Для финасово-расчетных офисов это, естественно, полное аварийное архивирование (back-up) бухгалтерии, документооборота, для гостиницы – полная поддержка системы жизнеобеспечения гостиницы, в том числе мониторинг.

То есть инфраструктура должна создаваться по классической технологии – наличие сервера и рабочей станции, причем сервер должен иметь и резервное питание, и возможность резервного сохранения рабочих копий, чтобы работа гостиницы не замедлилась, не остановилась и не пострадала в случае каких-либо сбоев в подаче электропитания и т. п. (рис. 4).

Рис. 4. Стойка коммуникационного оборудования

Учитывая тот факт, что доля стоимости систем жизнеобеспечения современного здания в общей стоимости объекта составляет 30–50%, принципиальное и своевременное решение этого вопроса будет отражаться не только на рыночной стоимости объекта в будущем, но и на текущих расходах по обслуживанию и ремонту систем здания, на размерах ежемесячных платежей за коммунальные услуги и степени комфорта работающих в помещениях людей.

Можно сказать, что основными техническими преимуществами внедрения комплексной системы автоматизации и диспетчеризации здания в сравнении с автономными инженерно-техническими системами являются:

• во-первых, возможность «вписаться» в те энергетические ограничения, которые могут предъявлять собственнику муниципальные службы города, и исключить на этапе строительства расходы на дополнительные электрические подстанции. Такая ситуация особенно актуальна, когда здание строится в центральной части крупных городов;
• во-вторых, возможность значительного сокращения расходов на эксплуатацию и ремонт оборудования в течение всего жизненного цикла здания за счет снижения влияния человеческого фактора и возложения контрольных функций на автоматику здания, а также исключение серьезного ремонта или замены вышедшего из строя дорогостоящего оборудования. На ремонт и восстановление работоспособности дорогостоящего оборудования может уходить 10–20% от его первоначальной стоимости;
• в-третьих, за счет применения энергосберегающего оборудования и интеллектуальных систем управления инженерией ежегодные коммунальные платежи снижаются на 15–30%. Так, для здания бизнес-центра площадью около 50 тыс. м2 стоимость ежегодных коммунальных расходов по Москве (электро-, тепло- и водоснабжение, канализация и др.) составляет в среднем около 150 долларов США на 1 м2 общей площади. Нетрудно посчитать среднюю ежегодную экономию на эксплуатации такого бизнес-центра, которая составит 1500 тыс. долларов США.

Российский опыт длительной эксплуатации интеллектуальных зданий пока отсутствует. Тем не менее позитивный эффект от внедрения интеллектуальной системы можно ощутить уже на этапе ее проектирования, когда устанавливаются жесткие энергетические лимиты и планируются коммунальные расходы. В США, согласно статистическим данным, вложения в интеллектуализацию здания возвращаются за пять лет, причем за счет экономии на коммунальных платежах. Таким образом, в последующие годы эксплуатация интеллектуального здания – это безусловная экономия средств

Олег ПУГОВКИН
руководитель проекта «Courtyard by Marriott» компании «АРМО-Инжиниринг»

Источник: Журнал "Строительная инженерия"