Sistemas híbridos e integrados de IoT+BMS para edificios: Más fiabilidad, flexibilidad a mejor coste de implantación

Comunicación presentada al V Congreso Edificios Inteligentes

Autores

• Jofre Ayala Mayorga, Director Ejecutivo, WiseUp Building Analytics

Resumen

La mayor parte de los usuarios de edificios no conocen las tecnologías que soportan sus instalaciones. Pero, cada vez más las empresas necesitan controlar los costes energéticos y de operación. Los sistemas de BMS han tenido la función de proveer los datos necesarios para gestionar la operación de las instalaciones, pero estos sistemas fueron concebidos para automatizar y controlar sistemas electromecánicos. Su estructura de captación de datos y su lógica de programación no tienen la agilidad necesaria para convertirse en herramientas de gestión. Utilizando plataformas IoT integradas al BMS, se extraen sólo los datos necesarios y a la vez se recogen datos de otros sistemas satélite al edifico, ofreciendo un interfaz de gestión tal como necesita el usuario.

Palabras clave

Ventajas de Utilizar Tecnología IoT en Edificios

Procedencia y concurrencia de la tecnología Internet de las Cosas (IoT) y los sistemas de gestión de edificios (BMS)

Si empezamos por la tecnología más madura deberíamos de remontarnos a la invención de la automatización que para edificios se remonta a finales del siglo XIX y principios del XX, el Sr. Albert Butz inventa un regulador para hornos de carbón controlado por un termostato eléctrico, o posteriormente el Sr. Mark Honeywell incorpora un reloj que ajusta automáticamente la temperatura para la mañana siguiente, inventando el termostato programable.

Desde aquellos inicios la tecnología de automatizar las maniobras electromecánicas y el control de la temperatura demandada han evolucionado gracias a la inversión en I+D de los fabricantes de automatización y control en conjunción con los fabricantes de máquinas y finalmente la evolución de la informática les ofreció un entorno mucho más favorable para el control centralizado de las instalaciones mediante el BMS (Building Management System) o software de gestión que centralizada las señales de la automatización y control del edificio.

Pero para contextualizar en el tiempo, ya en el 2009, Kevin Ashton, profesor del MIT, definió el término de internet de las cosas (IoT) en su artículo en el RFID journal. Y la industria, en general, se ha apresurado a competir en esta batalla con la mayor aceleración posible. ¿Y en qué consiste esa batalla? Pues es sencilla y el propio nombre lo dice, comunicarse a las cosas directamente, sin necesidad de tarjetas electrónicas extras (hard) en el sitio donde están las cosas, recoger los datos de los equipos y enviarlos por internet a servidores desde donde se puede gestionar la información (la nube).

Y digo industria en general porque se dan diferentes maneras de afrontar este fenómeno y me atrevo a decir que las diferentes estrategias de cada fabricante son transversales respecto al tipo de equipos que producen e independiente de los mercados verticales donde se encuentran. En general hay dos estrategias diferentes, una un poco más humilde que sería desarrollar la capacidad de comunicar con sus equipos mediante internet normalmente mediante protocolos estándares, pero sin planificar la intercomunicación con terceros, esta estrategia se denomina, device management. Y otra estrategia mucho más holística que planea otro tipo de pretensiones como utilizar múltiples estrategias de comunicación mediante diferentes protocolos estandarizados y abiertos con la pretensión de conectarse a cualquier cosa de la manera más sencilla y segura. En esta segunda carrera, desde el 2010 llevan compitiendo en desarrollos e invirtiendo una serie de plataformas IoT como Amazon Web Service, Ayla Networks, Cisco- Jaeper, Exosite, GE, IBM, LogMenIn, Microsoft, PTC, SAP y más recientemente Oracle. Para tener una referencia IBM invirtió 3 Billones de $ en 2015 para crear su plataforma.

Se diferencian claramente dos ligas, la de la auto protección que lleva al aislamiento porque no habilita conexión con otros protocolos estándar, aunque mejoren las estructuras de comunicación utilizando equipos webserver conectados a la nube. Y otra liga que tiene la visión de un mundo donde la industria está conectada a las necesidades de demanda y donde la conectividad de los datos sirve para mejorar los servicios, prever fallos y ahorrar en desperdicios, en definitiva, crear ciudades inteligentes.

En qué invierten las nuevas plataformas IOT
Creo que es importante acotar tecnológicamente las pretensiones de estas nuevas mencionadas plataformas IoT. Sabiendo en qué invierten sabremos qué resultados finales buscan. Sus prioridades son:

1. Conectar: crear y manejar la unión directa entre el equipo e internet. Redes inalámbricas locales conectadas directamente a IoT, tecnologías de radio como Zig-Bee o Z-Wave, áreas de comunicación inalámbrica con más rango de conexión, fiables, de coste bajo y poco consumo de batería, y compatible con la red WI-FI y Bluetooth. Y conectarse a protocolos especializados, como M-Bus para contadores u otros como XMPP, CoAP o MQTT más eficientes que HTTP.
2. Proteger: Proteger los dispositivos, los datos y la identidad de IoT de la intrusión. Los profesionales de seguridad se apresuran a citar numerosas amenazas a sus negocios debido a la mayor superficie de ataque que crea IoT.  Los dispositivos IoT generan información confidencial sobre las operaciones y los clientes de la empresa y transmiten esos datos mediante protocolos especializados a puertas de enlace locales y, a continuación, a través de Internet. Además, los dispositivos conectados en sí son vulnerables a los ataques que pueden filtrar información, dañar el equipo o incluso causar lesiones personales. Las plataformas de software de IoT incorporan componentes de seguridad para garantizar la atestación de dispositivos, conectividad de red, actualizaciones de software, autenticación, administración de identidades y accesos y prevención de pérdida de datos. Estas capacidades están integradas en sistemas de detección de intrusiones y características de administración de acceso, como listas de control de acceso (ACL) y una entidad emisora de certificados.
3. Administrar: controlar el aprovisionamiento, el mantenimiento y el funcionamiento de los dispositivos IoT. Los escenarios de IoT a menudo implican miles o decenas de miles de dispositivos conectados para medir la información de estado como presión, temperatura o vibración. Las plataformas de software de IoT permiten al personal de administración de tecnología simplificar el proceso de configuración, aprovisionamiento e inicio de operaciones de activos y productos conectados. Una vez en producción, las plataformas de IoT ofrecen una amplia gama de capacidades para admitir la monitorización, las pruebas, la actualización de software y la solución de problemas de dispositivos conectados. Los registros operativos y los informes que documentan el estado de las actualizaciones también se incluyen en algunas soluciones de plataforma.
4. Analizar: transformar los datos en información y acción oportunas y relevantes. Muchos sensores capturan y generan datos de series de tiempo por minuto o en tiempo real, mientras que los sensores de audio y vídeo ofrecen información de medios enriquecidos. La mayoría de los analistas empresariales carecen de las herramientas para evaluar datos de sensores capturados para obtener información útil. Las funciones de análisis de IoT son una categoría emergente de funcionalidades, incluidos el filtrado de datos y el análisis de streaming para monitorizar datos en tiempo real y análisis avanzados para extraer los patrones ocultos y las perspectivas de la información capturada. Algunas plataformas, como IBM Watson IoT Platform y SAP HCP IoT Services, también ofrecen análisis predictivos, que pueden analizar datos de vibración de maquinaria rotativa y predecir fallas pendientes con suficiente precisión para permitir el mantenimiento preventivo.
5. Compilar: crear aplicaciones e integrarlas con sistemas empresariales. La diversa variedad de casos de uso de IoT requiere integración de software y API para admitir procesos y aplicaciones empresariales convencionales. Las plataformas de IoT permiten a los desarrolladores crear fácilmente código, reglas de negocio y capacidades de administración de datos integradas con funcionalidades específicas de conectividad, seguridad y capacidad de gestión de IoT. Herramientas de desarrollo, herramientas de scripting, enlaces de APIa y herramientas de administración de API con aplicaciones empresariales, incluidas las de IBM, Microsoft, Oracle y SAP. Las plataformas de IoT también ayudan a transformar los datos y modelos de datos específicos de la industria o la tecnología en un formato utilizable al proporcionar a los desarrolladores una gama de API, kits de desarrollo de software (SDK) y herramientas de desarrollo.

Tecnologías choque o complementarias

Habiendo resumido de donde proceden y la pretensión de ambas tecnologías, podemos sacar mejores conclusiones.

En primer lugar, estamos comparando cómo ambas tecnologías recogen los datos de los equipos del edificio, para ser analizados remotamente y mejorar la operación y gestión de las instalaciones. Pero ambas tecnologías tienen por separado otras responsabilidades, por lo que estamos analizando donde podrían ser alternativas sus funciones. Pero en ningún caso son tecnologías substitutivas. Sería arriesgado querer realizar la automatización y el control de las instalaciones directamente desde una plataforma IoT. Estas plataformas no tienen la pretensión de actuar sobre los equipos y sistemas del edificio y no mantienen la lógica de programación que hace que los sistemas funcionen de manera relacionada. Por otro lado, sería un trabajo arduo y poco productivo querer recoger datos de sistema fuera de las instalaciones electromecánicas del edificio a través del bus de control y del sistema de gestión del edificio (BMS).

Muchos fabricantes de equipamiento para edificios y algunos de automatización y control, aunque sigan una estrategia de Device Management donde sólo invierten en conectarse a sus equipos con la mejor tecnología, con sistemas webserver y software en la nube, sin pretender implementar las facilidades para comunicar con otros lenguajes a todos los niveles, tal como explicaba en el punto “Conectar : crear y manejar la unión directa entre el equipo y internet”, tienen claro su cota de contribución generando la facilidad y atractividad para proveer los datos necesarios a entornos de gestión y análisis de datos (Big Data).

La ventaja competitiva en rapidez, flexibilidad y seguridad de las plataformas IoT mejora ostensiblemente la captación de datos de equipos que no forman parte de los equipos conectados al sistema de automatización y control, normalmente que controlan la calefacción, el aire acondicionado y la ventilación del edificio y las maniobras eléctricas. Hoy en día la conexión a un contador de compañía eléctrica o de gas incluso de suministro de agua no requiere de hard intermedio entre la nube y el medidor. Los sensores y la telemetría inteligentes actuales pueden enviar datos de temperatura, humedad, calidad de aire, nivel de depósitos de suministros a la nube de manera segura y a un coste no comparable con sistemas que necesitas hard.

Como conclusión, vemos claramente que la actuación sobre equipos debe quedar en manos de sistemas de Automatización y Control y cuanto más cercanos a los equipos mejor. Controles distribuidos con CPUs que mantienen la lógica de funcionamiento entre equipos en las salas técnicas. Pero si queremos tener datos de nuestros activos y poder relacionarlos con datos externos con pretensión de gestionar el edificio de manera global debemos contar con plataformas IoT.

La mejor solución es utilizar sistemas híbridos que integran IoT Y BMS

En WiseUp Building Analytics, hemos apostado por las ventajas que ofrecen ambas tecnologías y utilizamos las dos sobre la misma red internet del edificio y comparten los equipos de comunicación y datos, lo que hemos llamado sistemas híbridos. Estos sistemas mantienen unos controladores de campo que actúan sobre los equipos y que disponen de un software de control de las instalaciones, BMS. Pero a la vez WiseUp utiliza la tecnología de una plataforma IoT que gestiona los datos del BMS y otros externos. Ofrece cuadros de mando para gestión de los activos, reportes de costes de operación, transformación y uso de la energía, impacto ambiental de las operaciones, información de los suministros, datos críticos de riesgo para la seguridad como el confort de los espacios, la calidad del aire o el control de la legionela.

El usuario dispone de un primer cuadro de mandos donde a simple vista monitoriza a aquellas variables clave para su actividad, este primer nivel lo denominamos “Asset Advisor” (Asesor del activo).

Nuestros clientes nos suelen solicitar:

• Monitorización de confort: temperatura, humedad y calidad de aire.
• Monitorización de cumplimientos básicos: niveles de depósitos, caudales de suministros.
•  Supervisión de consumos de electricidad, agua, gas o gasóleo.
• Monitorización y estado de parámetros en sistemas de HVAC: temperatura agua aire acondicionado, temperatura aire climatizadores, temperatura de cuadros eléctricos para poner algunos ejemplos.

Asset Advisor puede ser muy útil para clientes que gestionan múltiples sitios, porque muchas veces los parámetros a monitorizar de cada lugar son pocos, y se requiere de un cuadro de mando multi puesto.

Para clientes aventajados que destinan recursos continuados en mejorar y conseguir ahorro de las operaciones de sus edificios les ofrecemos un cuadro de mando superior, que llamamos “Operation advisor” (Asesor de operaciones) donde ascendemos un nivel de gestión y podemos:

• Monitorizar parámetros de funcionamiento nominal de máquinas
• Monitorizar parámetros de funcionamiento de rango de sistemas, según proyecto instalaciones
• Monitorizar consumos sobre cálculos de baselines
• Seguimiento de proyectos de ahorro o mejora ambiental

De manera simultánea o posteriormente también podemos interrelacionarnos con sistemas externos y relacionar datos. De manera sencilla relacionar ocupación y carga térmica o valores que a priori no aparentan relación directa y resulta que el cliente descubre que sí la tienen como tendencias de consumo en función de condiciones ambientales. Este tercer módulo lo llamamos “Maintenance & supply advisor (Asesor de mantenimiento y suministros), lo más habitual ha sido:

• Monitorizar que las condiciones de suministro de energía térmica sean correctas en un contrato de Servicios energéticos
• Monitorizar los correctos tratamientos contra legionela
• Monitorizar el correcto cumplimiento de tareas de mantenimiento o suministros
• Detección predictiva mediante algoritmos programados que un valor tiende hacia condiciones fuera de rango y posible fallo

Estos tres niveles de gestión se ofrecen con un soporte de alarmas automáticas vía email y en la propia plataforma, y con dos niveles de acompañamiento un primer nivel obligatorio que es el servicio de seguimiento de datos, detección de fallos en comunicaciones, sensores o anomalías de funcionamiento. Y otro segundo nivel opcional donde al cliente lo acompañan ingenieros expertos en conducción de instalaciones para realizar proyectos de mejora, colaboraciones con terceros con el objetivo de aumentar el valor del activo y bajar el coste operativo.

Se automatiza también unas plantillas de reporte que el cliente pueda utilizar internamente para comunicar el estado de sus instalaciones, sus consumos y todo lo comentado. Estos reportes son dinámicos y son adaptables al periodo del tiempo que el cliente seleccione.

¿Y la actuación si hay un problema en la instalación?

Tal como he comentado anteriormente, una vez detectamos vía la monitorización una anomalía y queremos actuar, cambiar un set point (valor de control), un horario, parar o poner en marcha un equipo o anular una parte de la instalación, debemos, únicamente poderlo hacer desde el propio sistema BMS. La solución híbrida mantiene en el mismo interfaz los dos entornos de trabajo, y ofrecer la garantía de datos correctos por un lado y la garantía de actuaciones seguras por otro.

Y finalmente nos podemos preguntar, existe mejora económica en la utilización de IoT+BMS respecto otros sistemas de comunicación o realizando todo a través del BMS. En general cada edificio es un mundo diferente que tiene una evolución y vida independiente al de sus vecinos por lo que deben realizarse estudios personalizados, si bien como pista y por comparación el hecho de la disminución en la necesidad de hard de campo utilizando sensores o telemetría inteligente para recoger los datos hacia internet, puede representar un ahorro del 30% de la instalación completa.  Si bien debemos comprender que existe un coste nuevo, el de mantenimiento de datos, es un coste ínfimamente inferior al de inversión, pero es el que nos garantiza la continuidad del servicio y el éxito de la operación.

Referencias

• PTC- White Paper: Cloud Security: Prioritzing data protection
• The Forrester WaveTM: IoT Sotware Platforms, Q4 2016. The 11 Providers That Matter Most And How They Stack Up
• Smart Cities World- Infrastructure intelligence in one place- IoT platforms power smart city success- PTC