Comunicación presentada al II Congreso Edificios Inteligentes:
Autor
- Abigail Rocasolano Lláser, Director Técnico Región Iberia, Building Efficiency Johnson Controls S.L.
Resumen
Se pretende explicar la importancia de las integraciones de los diferentes sistemas dentro del sistema GTC, a su vez integrado con el Sistema de Gestión Energética para una mejor explotación del Edificio. Las nuevas tecnologías nos empujan a la innovación en Soluciones Software que permitan operar desde plataformas Smart, de forma intuitiva sin necesidad de ser “Expertos en todo”, que muestren las incidencias de las áreas de confort y permitan anticiparse. Estos sistemas deben además complementarse con Sistemas de Gestión de Alarmas y de Análisis. Veremos ejemplos concretos de soluciones de integración, combinados con elementos externos como el reloj astronómico, el cálculo del ángulo solar o la predicción de temperaturas.
Introducción
Edificio inteligente es aquel que desde su diseño integra tecnología con procesos para crear una instalación más segura, más confortable y productiva para sus ocupantes, y operativamente más eficiente para sus propietarios. La tecnología avanzada, combinada con procesos mejorados de diseño, construcción y operaciones, consiguen un entorno de trabajo óptimo que mejora el confort de los ocupantes y la productividad a la vez que reduce el consumo energético y los costes de administración y mantenimiento del edificio.
Como punto de partida el edificio inteligente debe incluir un sistema de control automatizado y una arquitectura de dispositivos, buses, equipos y supervisores convenientemente programados y que interrelacionen los diferentes sistemas del edificio: climatización, sistemas eléctricos, telecomunicaciones, seguridad e incendios. El mantenimiento eficaz a bajo coste debe estar garantizado durante la larga vida del edificio, adaptándose a las nuevas necesidades de ocupación que puedan surgir.
De la interrelación de los sistemas surge la necesidad de integración, y con la llegada de las nuevas tecnologías Smart y el concepto del Internet of Things- el Internet de las Cosas- que ha empezado a cambiar nuestras vidas, las integraciones alcanzan una dimensión mayor. Algunos ejemplos de esta nueva dimensión serán los que veremos durante esta exposición.
Antecedentes
Las razones por las que los propietarios de Edificios han invertido en los Sistemas de Control en las últimas tres décadas son:
- Gestionar el confort de los ocupantes
- Alertar a los operadores de los posibles problemas
- Proteger la inversión y los sistemas de daños irreparables
- Permitir la interactuación con el sistema en remoto
Automatizando la operación de los sistemas de climatización y de iluminación, se detectan problemas antes de que aparezcan y es posible crear estrategias para reducir los costes e integrar otras funciones como la seguridad y los sistemas de incendios. Así surge la necesidad de la intercomunicación e interoperabilidad, la integración de los sistemas en uno solo que además tome de forma automática decisiones antes de lo que lo haría el ser humano, dejándonos a nosotros al mando de lo realmente importante.
El resultado de combinar Sistemas Automatizados y más diversidad de Integraciones es, que los sistemas son cada vez más complejos y difíciles de manejar. Surge la necesidad de aplicativos con tecnología Smart que gestionen las grandes cantidades de información que llegan a almacenarse en dichos Sistemas.
Arquitectura del sistema de control
Es necesario hacer un inciso para explicar la arquitectura de todo sistema de control. Tal y como muestra la Figura 1, son tres los niveles en las que podemos dividir todo Sistema de Control:
- Equipos- En la capa más inferior se encuentran los equipos de campo, inteligentes y autónomos, conectados a las partes mecánicas y eléctricas del sistema a través de actuadores, relés y sensores. Recogen las señales físicas y las convierten en señales digitales, las procesan y las incorporan al control local. Esta capa permite a la instalación funcionar de forma autónoma.
- Instalación- Los centralizadores de información y supervisores se comunican con los controladores a través de los buses de comunicación. Estos equipos suelen ser servidores Web con funciones variadas como la gestión de horarios, la operación manual sobre el sistema, la gestión de alarmas, así como el almacenamiento local de históricos de datos o programaciones conjuntas que hagan interaccionar equipos de distintos sistemas. Esta capa se complementa a menudo con grandes servidores de datos, con más recursos hardware y software y mecanismos propios de seguridad y réplica más relacionados con el mundo IT (servidores redundantes).
- Empresa- Es la capa que ofrece la visualización y análisis del conjunto. Esta es la capa en la que residirían aplicaciones empresariales de explotación de los datos de la instalación.
Estos niveles trabajaban de forma bien diferenciada. Pero están apareciendo nuevas formas de integración que no habían sido exploradas hasta ahora. De integraciones únicamente horizontales hemos pasado a integraciones verticales y en algunos casos diagonales como veremos más adelante.
Nuevas dimensiones, integraciones horizontales, verticales y diagonales
Ya no es suficiente con que los sistemas funcionen de forma autónoma, ahora deben integrarse con los sistemas de Información, financieros, o incluso aprovechando el avance de las tecnologías crear sinergias con otros sistemas que aparentemente y hace años era impensable que formarán parte del sistema de gestión.
Integración horizontal- la más común
Los sistemas se integran dentro de la misma capa de Equipos. Para ser factible, la integración horizontal de sistemas debe apoyarse en estándares de comunicación. De ahí la importancia de los protocolos KNX, Bacnet, Lonworks, Modbus, y las organizaciones que los promueven, como la ASHRAE o Echelon. Estos protocolos permiten la intercomunicación y la interoperabilidad entre fabricantes, y la normalización de la información, minimizando los costes. Sin estandarización los costes se elevan y es vital que los fabricantes estemos de acuerdo en la importancia de la estandarización. A nivel horizontal también hay posibilidades para nuevas integraciones.
- Ejemplo 1- Los controladores integran de forma natural un reloj para poder contener horarios. Integrando adicionalmente un reloj astronómico conseguimos más. El reloj astronómico nos permite conocer la hora del amanecer y del ocaso en función de la localización geográfica exacta. La integración del reloj astronómico dentro del control permite gestionar de forma automática e independiente los horarios de arranque y parada de la instalación, optimizando los horarios de arranque del alumbrado, la seguridad y la climatización. En proyectos multiedificio y multiubicación, el control local actuará en función de la hora local exacta de amanecer y ocaso. Ya no es necesario manejar multitud de horarios según la ubicación y el operador del sistema únicamente tiene decisión sobre un posible retardo parametrizable. Combinado con sensores de presencia e iluminación, se optimiza el uso de energía mediante el mayor aprovechamiento de la luz natural.
- Ejemplo 2- La integración del sistema de iluminación con regulación en lazo cerrado con el sistema de persianas de un edificio de oficinas nos va a permitir optimizar el sistema de alumbrado y su consumo energético.
Inicialmente la iluminación se regula en función de la luminosidad (sensores de iluminación), sensores de presencia, y pulsadores en pared que gradúan la intensidad de la luz. La regulación por dimming nos permite ajustar de acuerdo a una consigna en luxes determinada. En el mismo edificio existen persianas de lamas cuya elevación y orientación se controla mediante un sistema de control de persianas.
El objetivo de integrar ambos sistemas es minimizar el consumo energético en iluminación porque la eficiencia energética es máxima si conseguimos aportar el máximo de luz exterior regulando la elevación de las cortinas así como el ángulo de inclinación de apertura de las lamas de las persianas.
Mediante el cálculo del ángulo solar sobre la fachada del edificio, las lamas se posicionan permitiendo la mayor entrada de luz natural pero a la vez impidiendo que los rayos del sol incidan en los ojos del inquilino que trabaja en el interior del edificio. La regulación en iluminación trabajará de forma automática pero siempre aprovechará el máximo de aportación de luz natural del exterior.
Para calcular el ángulo solar se tiene en cuenta la ubicación, la orientación de la fachada, la altura sobre el nivel del mar, la hora del día y la fecha del año. Entender y calcular los ángulos de incidencia es vital para esta integración, como puede verse en la figura 3.
Se combina esta información con la proveniente de un sensor de luz que hay en la fachada exterior del edificio, y esto resulta en una consigna sobre la orientación de las lamas de las cortinas. Con la aportación de luz natural, el lazo de regulación en el interior determinará la consigna en función de la distancia a la ventana y las necesidades puntuales de cada zona, combinación de la señal de presencia, sensor de iluminación y la demanda del pulsador. Por supuesto el algoritmo se deshabilita automáticamente en las horas o condiciones de menos luz.
Integración vertical
Existen hoy posibilidades nuevas de integración que hasta ahora habían sido menos exploradas. Aplicaciones de visualización de información como las que nos sirven datos de predicción de temperatura y humedad en nuestros móviles (estaciones meteorológicas) pueden ser integradas en la capa de control.
Ejemplo- La predicción de temperatura y humedad se lee vía html de cualquiera de las páginas abiertas en Internet, pública o no, para ello. Los datos de predicciones se almacenan dentro del sistema de gestión y se envían a los controladores.
Una aplicación posible de estos datos es adelantar el arranque de los sistemas de producción evitando la congelación de las tuberías de agua en días de heladas en climas extremos. También permiten adelantar el arranque sobrescribiendo la consigna de arranque.
Integración diagonal
El siguiente caso muestra cómo los Sistemas de Control de Accesos se pueden integrar con Sistemas de Seguridad en edificios emblemáticos de alta seguridad, como pueden ser las salas IT que contienen los racks en los Centros de Procesamiento de Datos.
El personal que trabaja en las salas IT debe pasar por una exclusa formada por dos puertas y una báscula. Usando cada trabajador una tarjeta personal e intransferible, ésta se pasa por el lector dando acceso de la puerta 1 a la báscula, la cual envía el peso de la persona al Sistema de Seguridad previo paso por el Sistema de Control, el cual queda guardado para un posterior uso. Tras pasar la tarjeta de acceso de la puerta 2, el personal accede a la sala. Cuando a la salida esa persona vuelve a pasar por la puerta 2 y queda sobre la báscula, ésta envía de nuevo el peso al sistema de control, quien lo compara, y si éste es considerablemente mayor que cuando entró la primera vez, la persona no podrá abrir la puerta 1 para salir. Se evita así que el personal pueda sustraer cualquier equipo informático de la sala.
Nuevos Interfaces que combinan visibilidad e Inteligencia
Es muy importante que los interfaces sean visibles desde plataformas de PC, MACs, dispositivos móviles como Tablets, IPads, Iphones, adaptándose además a la visualización que el usuario final espera. Ya no se trata solo de crear un interfaz nuevo, sino de crear una experiencia innovadora para el usuario, una herramienta que interprete la información y ayude a diagnosticar errores antes que el Sistema de Control convencional.
En primer lugar se toma conciencia de los diferentes espacios de utilización del edificio, sean éstos habitaciones, despachos, salas o zonas de trabajo. Además es necesario entender que cada espacio es servido por un equipo. A modo de ejemplo (figura 5), un despacho es un espacio servido por un cuadro de luz y una caja de aire de volumen variable que a su vez depende de un climatizador que depende de una caldera y una enfriadora. Detrás de estos sistemas se encuentran una serie de controladores y buses de comunicación del Sistema de Control, una arquitectura a menudo difícil de entender.
El nuevo Interfaz ofrecería para cada espacio una serie de Widgets seleccionables que aportan la siguiente información:
- Equipos que sirven ese espacio: Resumen de variables decisivas para el correcto funcionamiento de cada uno de los equipos que dan confort a ese espacio. En el ejemplo encontraríamos 4 equipos, caja de aire, climatizador, enfriadora y cuadro de luz
- Área de problemas: Alarmas de cualquiera de esos equipos que afecten al confort de ese espacio
- Árbol de relación de equipos: Muestra de forma rápida las relaciones entre los equipos
- Actividad de los equipos: Acciones y eventos que han sucedido y que pueden haber afectado al confort de ese espacio
Para cualquier variable es posible visualizar la tendencia, el estado, la alarma y comandar de forma manual y temporal. Con este interfaz nos olvidamos de la arquitectura para centrarnos en la funcionalidad y operación. Ya no es necesario entender los sistemas, la aplicación tiene la inteligencia y nos diagnostica el problema. Esta aplicación es vital para mantenedores y propiedad en cualquier edificio inteligente.
Tratamiento de Múltiple Información – El salto hacia el análisis energético y análisis de alarmas
Al crecer los sistemas también crecen los datos a manejar, la información y la necesidad de que los Sistemas de Control adquieran una dimensión de trabajo mayor, la del análisis y la toma de decisiones y la búsqueda de la optimización de recursos y costes, manteniendo y mejorando el confort. Como ejemplo de la gran cantidad de datos a manejar decir que, en un edificio de 35 plantas donde se gestiona el control de la climatización, la iluminación y persianas, los sistemas eléctricos y otros, se alcanzan casi el medio millón de señales a monitorizar. En otro proyecto de sucursales donde se controlan 325 pequeñas instalaciones y donde se han creado históricos sobre las principales señales de presencia, temperaturas, iluminación y climatización, se obtienen cerca de 1.250.000 datos diariamente. Pero solo los datos de un sistema en sí no son información y volúmenes tan grandes de información se convierten en algo inmanejable.
Gestión energética
¿Qué podría conseguirse si el sistema de control avanzado que ya combina el control de accesos, la climatización y la iluminación, añadiese el factor ocupación o incorporase los datos de consumo eléctrico instantáneo para tomar acciones inmediatas, como ajustar las consignas?
Gestión de alarmas
Lo mismo podría ocurrir si el sistema de gestión de alarmas añadiese de forma natural la información financiera relativa a los costes asociados a las averías de los sistemas mecánicos y eléctricos. Se podrían tomar decisiones en base a datos financieros sobre las actuaciones de mantenimiento, reemplazo o reparación de equipos antiguos. Se podrían tomar decisiones sobre la prioridad en las actuaciones de los sistemas del edificio en base a razones financieras de peso.
Conclusión
Es necesario cruzar barreras aparentemente infranqueables. Las aplicaciones tienen que utilizar los sistemas de inteligencia para crear inteligencia. El control, la tecnología, los algoritmos de control y de interacción de sistemas permitirán la optimización global.
Las nuevas tecnologías nos empujan hacia sistemas, equipos y dispositivos SMART, sistemas que se adaptan (control adaptativo), se autodiagnostican (identifican la raíz del problema antes de que se produzca y buscan soluciones “online”, sistemas Proactivos frente a los sistemas convencionales Reactivos), y comunican y se comunican, son fuente de información útil para y por la explotación del edificio.
“No dejemos de cruzar barreras porque otros las cruzarán por nosotros.”
Agradecimientos
A mis colaboradores Clay Nesler VP, Corporate Sustainability, Beth Ray- Product Manager, User Experience, Richard L. Hein- Director, Global Market and Customer Intelligence y a todo el equipo de I+D de Johnson Controls Europa e Iberia, por sus aportaciones para esta Comunicación, sus ideas innovadoras y sus contínuas ganas de mejorar de forma constante el producto que ofrecemos a los clientes, fuente de nuestra inspiración.