Comunicación presentada al I Congreso Edificios Inteligentes:
Autores
- Rafael David Rodríguez Cantalejo, Universidad de Córdoba – Unidad Técnica/ Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
- Antonio Luis Prieto Sánchez, Universidad de Córdoba – Unidad Técnica
- Francisco Javier Vázquez Serrano, Universidad de Córdoba – Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Resumen
El presente trabajo pretende mostrar la importante mejora obtenida en la gestión técnica de once edificios existentes en el Campus Universitario de Rabanales, perteneciente a la Universidad de Córdoba, mediante el empleo de la Inmótica. El Campus, de naturaleza científica-docente alberga edificios con usos varios incluyendo aulas, despachos y oficinas además de existir una gran cantidad de laboratorios de investigación que hacen que el mantenimiento y vigilancia del comportamiento de las instalaciones de los mismos presenten una complejidad e importancia crucial. El empleo de sistemas abiertos y flexibles de control hacen que los datos registrados de energía y de estado de las instalaciones puedan ser accesibles desde un navegador de internet por cualquier miembro de la comunidad universitaria dotando a esta administración pública de total transparencia en su funcionalidad y haciendo partícipes a sus miembros en la mejora de la eficiencia energética y sostenibilidad.
Introducción
La evolución tecnológica de diferentes disciplinas, como la informática, la microelectrónica, las telecomunicaciones, la arquitectura y la automática, ha posibilitado una interacción de las mismas creando el concepto de “Integración de Sistemas”. Este hecho, unido a la gran necesidad de un consumo racional de la energía; la importancia de contar con una comunicación efectiva, clara y rápida; la seguridad, comodidad y confort de los trabajadores; la modularidad de los espacios y equipos, y la posibilidad de dar un mayor ciclo de vida a un edificio, han dado lugar al concepto de «Edificios Inteligentes».
La realidad actual de este tipo de instalaciones se ha visto apoyada desde las administraciones públicas y organismos de estandarización con la creación de normas y reglamentos que velan por el buen hacer y la seguridad de las mismas. Podemos destacar la Instrucción Técnica Complementaria 051 “Instalaciones de sistemas de automatización, gestión técnica de la energía y seguridad para viviendas y edificios” del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, la tipificación de instalador de Instalaciones Eléctricas Automatizadas en Edificios y Viviendas, la norma EN 50090 relacionada con los sistemas Electrónicos en viviendas y Edificios (HBES) y la norma UNE-EN 16484 con título “Sistemas de automatización y control de edificios (BACS)”. Así mismo, cabe destacar el Anexo V “ Hogar Digital” del Reglamento Regulador de las ICT.
El paradigma de los edificios inteligentes ha experimentado un crecimiento importante en los últimos años. Esta evolución ha fraguado definiciones difíciles de asimilar que han suscitado largas discusiones y sobre las que, parece, se ha llegado a cierto consenso. Claro ejemplo de ello son los términos Domótica, Inmótica, Hogar Digital, Urbótica, Edificio Ecológico, etc (Vázquez et. Al, 2010).
En el contexto de edificio no residencial, objeto del presente trabajo, se hará uso del concepto de “inmótica” que según el CEDOM (Asociación Española de Domótica) se define como “la incorporación al equipamiento de edificios singulares o privilegiados, comprendidos en el mercado terciario e industrial, de sistemas de gestión técnica automatizada de las instalaciones”. Es un término que se refiere a la gestión técnica de edificios (GTE) y por tanto está orientado a grandes edificios tipo hoteles, oficinas, centros educativos, administración pública, centros comerciales, museos, bancos, etc. A diferencia de la domótica, orientada a viviendas, la inmótica abarca edificios de mayor tamaño con distintos fines específicos y orientados no sólo a calidad de vida, sino a la calidad en el trabajo, buscando fundamentalmente la seguridad del edificio y gestión eficiente de la energía.
Ante la inmediata necesidad de un consumo racional de la energía, tanto en nueva construcción pero sobre todo en edificios existentes, resulta necesario la implantación de sistemas inmóticos y las TICs (Tecnologías de la Información y la Comunicación) (CENTAC, 2013) con el objetivo de poder analiza el comportamiento tanto funcional como energético de las instalaciones y elementos constructivos de los edificios de una manera permanente con constante realimentación de resultados. Por este motivo, la Universidad de Córdoba lleva desarrollando en los últimos años una importante inversión material y humana en los edificios existentes en el Campus Universitario de Rabanales.
En el seno de la Universidad de Córdoba, la Unidad Técnica, dependiente del Vicerrectorado de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones y Campus, es la entidad cuya responsabilidad se centra en ejecutar la política de la universidad en materia de instalaciones, obras y comunicaciones así como su mantenimiento, dando satisfacción a las necesidades presentes y futuras de la comunidad universitaria. Se divide en dos grandes áreas, por un lado la de Infraestructura y Proyectos y por otro la de Comunicaciones y Tecnologías.
Es por tanto la responsable de entender como la inmótica presenta la solución a los problemas de gestión técnica de edificios de sus tres campus universitarios.
Situación Actual
La instalación objeto de estudio se ubica en el Campus Universitario de Rabanales situado en la finca Rabanales a tres kilómetros de la ciudad de Córdoba, carretera nacional IV km 396. El plano urbanístico del campus se puede observar en la figura 1.
Los edificios afectados por la instalación son los siguientes: Charles Darwin (ref. D-11.507,50 m2), Albert Einstein (ref. A-8.682,00 m2), Marie Curie (ref. G-14.819,00 m2), Celestino Mutis (ref. C-10.902,13 m2), Gregor Mendel (ref. E-9.168,00 m2), Severo Ochoa (ref. K-10.051,50 m2), Sanidad Animal (ref. J-7.390,00 m2), Producción Animal (ref. H-4.625,00 m2), Ramón y Cajal (ref. I-1.290,71 m2), Leonardo Da Vinci (ref. 18-22.783,00 m2) y Gobierno (ref. 3-6.999,00 m2).
La naturaleza agroalimentaria, científica, técnica y docente del campus, alberga edificios con usos varios incluyendo aulas docentes, despachos y oficinas de administración y servicios así como una gran cantidad de laboratorios de investigación y docencia que hacen que el mantenimiento y vigilancia del comportamiento de las instalaciones de los mismos presenten una máxima trascendencia. Con respecto al factor humano, la diversidad de usuarios existentes implica a personal docente e investigador, personal de administración y servicios, alumnos y personal externo (contratas de mantenimiento, reprografía, cafeterías, bancos, empresas de base tecnológica, etc) ofreciendo cada colectivo objetivos comunes y particulares en el uso de las instalaciones. Los edificios presentan su última modificación relevante a nivel arquitectónico y de instalaciones en el periodo comprendido entre los años 1994 y 2003.
La práctica inexistencia de elementos de control que gestionaran las instalaciones como programación de encendidos y apagados, registros de consumos (electricidad, agua, etc), supervisión remota, aviso inmediato de averías o estados inadecuados y sobre todo la integración de las distintas instalaciones que coexisten en los edificios, hacen que la Unidad Técnica plantee unos objetivos básicos o requerimientos necesarios a corto-medio plazo para la correcta gestión técnica de sus edificios que repercuta en un ahorro económico de su gestión así como un incremento en la satisfacción de los miembro de la comunidad universitaria y de la productividad de los edificios.
Descripción de la solución y metodología
Para satisfacer los objetivos propuestos, la Unidad Técnica desde hace varios años, viene planteando como infraestructura base el empleo de un sistema de control y automatización abierto regido por un protocolo de comunicación abierto y estandarizado de forma que tanto a nivel software como hardware pueda ser planteado por diferentes productos de multitud de fabricantes. De esta manera se evita un sistema cerrado que obligue a estar sujeto a un único fabricante de por vida, hecho que la universidad ha venido sufriendo en diversas instalaciones existentes en sus edificios.
El sistema propuesto principal a nivel de campo es la plataforma de red LonWorks, en adelante LON (Local Operating NetWork), basado en la utilización del protocolo Lontalk (ANSI/EIA 709) para redes de control, que implementa las siete capas del modelo OSI (Open System Interconnection) (Vázquez et. Al, 2010).
LON es la base para un sistema abierto e interoperable en el que los productos y soluciones de empresas líderes del mundo se reúnen en una implementación simple y sencilla que integra varios componentes del sistema en una solución completa.
La premisa básica es la de facilitar la necesidad de integrar múltiples componentes del sistema con una arquitectura de sistemas e infraestructuras comunes, que en esencia es un conjunto de cables a través de la cual todos los componentes están unidos y pueden compartir información común. Los datos pueden viajar desde cualquier punto de la red a cualquier otro punto sin ningún fallo, incorporando altos niveles de seguridad y permitiendo la interoperabilidad de componentes completos de forma usuario a usuario.
Como plataforma secundaria, pero integrada con la primera se plantea el protocolo Modbus, fundamentalmente para cubrir la comunicación con centrales de medida eléctrica y variadores de frecuencia ya que la mayoría de fabricantes de estos equipos lo incorporan de serie sin coste económico adicional. Modbus es un protocolo de comunicaciones situado en el nivel 7 del modelo OSI, basado en la arquitectura maestro/esclavo o cliente/servidor, diseñado en 1979 por Modicon para su gama de controladores lógicos programables (PLCs). Convertido en un protocolo de comunicaciones estándar de facto en la industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexión de dispositivos electrónicos industriales porque es público, su implementación es fácil y requiere poco desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones permitiendo el control de una red de dispositivos.
En una capa superior de comunicación se emplea la plataforma Ethernet, aprovechando la amplia infraestructura de cableado estructurado de par trenzado y fibra óptica disponible en los edificios y entre ellos comportándose como una gran red local.
La instalación de control realizada presenta a cada edificio como una isla dentro del campus en cuanto a control y supervisión con tecnología abierta y flexible dotándolo de autonomía propia. Las instalaciones controladas son diversas y no uniformes en cada edificio ya que gracias a su flexibilidad y capacidad de ampliación se han ido particularizando en función de las necesidades inmediatas y los recursos económicos disponibles. Entre las instalaciones controladas podemos destacar la iluminación de zonas comunes (on/off de luminarias, programación horaria de encendidos, etc) gestión de la energía mediante analizadores de red eléctrica (visualización y registro de principales parámetros eléctricos), estación de bombeo de agua potable (estado e bombas y variadores de frecuencia, nivel de aljibe, mantener presión constante en función de demanda, caudal instantáneo y acumulado) y red general de distribución (presión y caudal), climatización (on/off, visualización y registro de temperatura de zonas), calefacción (on/off, visualización y registro de temperatura de zonas), estación de aire comprimido para laboratorios (estado de compresores, ventilación de sala, presión y caudal suministrado) y gestión administrativa (comunicación de incidencias, avisos de revisiones periódicas, etc). Uno de los aspectos más destacados consiste en la supervisión de las cámaras y equipos frigoríficos, un tipo de instalación crítica tanto por su número (contando con más de cien instalaciones) como por su nivel de seguridad, ya que en muchos casos albergan actividades experimentales.
Por cada edificio se instala dos buses de campo abiertos, LON (LPT-10 y FTT-10A) y Modbus, con topología bus estableciendo una instalación multimarca, como se puede ver en figura 2. Con la existencia de los dos protocolos se cubren las necesidades de automatización mediante el empleo de controladores, módulos de entrada/salida y sensores inteligentes dotando la instalación de un carácter distribuido dentro del edificio. Los buses terminan en un equipo con servidor web que dota a la instalación de un sistema SCADA (Rodríguez, 2007) multiusuario accesible desde cualquier navegador de internet vía Ethernet para supervisión como usuario o para labores de programación de equipos o aplicación como administrador o ingeniería. En el SCADA se presentan las pantallas gráficas de instalaciones, control de usuarios, gestión de alarmas con envío de correos electrónicos, registros de variables y curvas de tendencia. Los datos registrados pueden ser proporcionados en ficheros con formato CSV facilitando la posibilidad de ser visualizados y tratados por sistemas externos.
Cada edificio o RTU (Remote Terminal Unit) (Rodríguez, 2007) es interconectado mediante protocolo Ethernet a través de una aplicación software de nivel superior realizando las labores de unidad central de control o MTU (Master Terminal Unit). Esta aplicación se ejecuta en un servidor ubicado en el centro de procesamiento de datos del Campus de Rabanales dotando el hardware de máxima seguridad de mantenimiento con copias de seguridad cíclicas, control de temperatura y humedad de sala, control de acceso y vigilancia 24 horas todo el año. Desde la aplicación se gestionan las redes de buses de los diferentes edificios y presenta un SCADA de carácter general para supervisar el total de los edificios registrando alarmas generales, variables de interés de forma redundante para la generación de curvas o informes de comportamiento de edificio, pantallas gráficas por naturaleza de instalaciones, gestión de usuarios, etc. El esquema general de control en el campus se puede apreciar en la figura 3.
Resultados obtenidos
Con el sistema inmótico implementado se consigue una notable mejora en la gestión técnica de los edificios a destacar en los siguientes campos:
Arquitectónico. Se satisfacen las necesidades presentes y futuras de las instalaciones y usuarios al presentar un sistema con una estructura flexible que mejora la funcionalidad del edificio. Ofrece un control distribuido modular que garantiza un mayor confort y seguridad de usuarios con el control de las variables de funcionamiento. El aviso y planificación de las tareas de mantenimiento ofrece la no interrupción de trabajos de terceros en los cambios y modificaciones.
Tecnológicos. Se dispone de medios técnicos basados en sistemas abiertos con la posibilidad de plantear la instalación presente y futura con diferentes fabricantes de producto que soporten los estándares contemplados. Se automatizan el funcionamiento habitual de las instalaciones evitando el factor humano para tareas rutinarias (encendidos y apagados diarios, programación de días festivos, vigilancia de situaciones anómalas, etc). Se integran las distintas instalaciones de los edificios bajo un mismo protocolo de forman que puedan intercambiar información entre ellos. Se garantiza la comunicación a los distintos responsables de estados no deseados y averías. La aportación de datos de registro en formato abierto CSV hace que la solución propuesta se comporte como una arquitectura Open Data aportando datos a terceros como el caso de Empresas de Servicios Energéticos (ESEs).
Ambientales. Se favorece el ahorro energético gracias a la gestión y análisis permanente de los principales parámetros eléctricos y comportamiento de instalaciones. La reducción de emisiones de CO2 se consigue al reducir los tiempos innecesarios de funcionamiento de equipos e instalaciones así como la detección de comportamientos anómalos que implique un consumo inadecuado.
Económico/social. Se reducen los costes de operación y mantenimientos al contabilizar automáticamente horas de funcionamiento de equipos y aviso de estados anómalos de funcionamiento repercutiendo a su vez en un incremento de la vida útil del edificio. La satisfacción del usuario aumenta al ver como las instalaciones se adaptan a sus necesidades disponiendo además la propia Administración Pública de una herramienta para sensibilizar a los miembros de la comunidad universitaria en materia de sostenibilidad al disponer de manera abierta de los datos energéticos. Cabe destacar que la imagen corporativa de la universidad se ve reforzada al mostrar su interés en dotar su infraestructura de un sistema que encaminado en mejorar la eficiencia energética y la sostenibilidad.
Conclusiones
La gestión técnica aplicada a edificios públicos existentes, se confirma como una herramienta esencial para evaluar el estado de sus infraestructuras actuales y futuras. Aporta un grado de transparencia y compromiso sostenible permitiendo una Administración Pública más vinculada y cercana a las preocupaciones e intereses de la sociedad.
Agradecimientos
Se agradece el apoyo e interés prestado a la Universidad de Córdoba a través de la Gerencia, el Vicerrectorado de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones y Campus así como a la Coordinación del Campus Universitario de Rabanales.
Referencias
- CENTAC, 2013, Eficiencia y ahorro con la aplicación de tecnologías accesibles en las administraciones públicas, CENTAC.
- Rodríguez, A, 2007, Sistemas SCADA, Marcombo Ediciones Técnicas.
- Vázquez, F, Romero, C, & De Castro, C, 2010, Domótica e Inmótica Viviendas y Edificios Inteligentes, Rama Editorial.