Gdyby dosłownie przetłumaczyć znaczenie skrótu BMS, to otrzymalibyśmy sformułowanie System Zarządzania Budynkiem (BMS to Building Management Systems). Znaczenie takiego tłumaczenia można interpretować na kilka sposobów. I aby takich interpretacji uniknąć skrót BMS prawdopodobnie nie będzie tłumaczony i pozostanie w swojej angielskiej wersji. To właśnie o BMS mówi się coraz więcej i coraz częściej. Istnieją już dedykowane tylko temu zagadnieniu konferencje i spotkania profesjonalistów, portale internetowe oraz publikacje w prasie branżowej.
A cóż to jest ten BMS?
Jest to zintegrowany system zarządzania wszystkimi instalacjami i urządzeniami automatycznego sterowania w budynku i jego otoczeniu. Inne anglojęzyczne skróty używane do opisu takich systemów to BAS - Building Automation Systems lub BMCS - Building Management and Control Systems. Nieraz można spotkać się ze skrótem SCADA - Supervisory, Control and Data Acquisition. Ten ostatni zarezerwowany jest raczej dla środowiska przemysłowego, stosowane są w nim bardziej trwałe komponenty, a czasy reakcji sterowników są dużo krótsze.
Jakie są funkcje systemów BMS?
Podstawowe funkcje takich systemów to automatyczna regulacja instalacji, informowanie o stanie oraz ciągłe monitorowanie w celu ostrzegania przed problemami i awariami. Najczęściej systemy BMS są stosowane do zarządzania instalacjami ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) oraz instalacjami oświetlenia wewnętrznego i zewnętrznego. Systemy BMS budowane są zwykle razem z budynkiem, razem z instalacjami, aby zapewnić ich poprawne funkcjonowanie. Można je spotkać nie tylko w dużych nieruchomościach komercyjnych jak biurowce, centra logistyczne czy galerie handlowe. Optymalne funkcjonowanie instalacji jest również istotne w niewielkich obiektach typu domy jednorodzinne czy nawet mieszkania. Te podstawowe funkcje coraz częściej uzupełniane są dodatkowymi poprzez połączenia z innymi systemami i instalacjami. Szerzej na ten w części Zintegrowany BMS.
A z czego składa się system BMS?
Najczęściej spotykana budowa takiego systemu składa się z trzech warstw:
- Najniższa warstwa to poziom urządzeń końcowych, czyli tych, które są najbliżej instalacji lub wręcz są w te instalacje wbudowane. Są to wszystkie elementy, które zajmują się pomiarem wielkości fizycznych instalacji, czyli czujniki i mierniki mierzące temperaturę, ciśnienie, wilgotność, przepływ, prędkość, napięcie, natężenie, stan, itd. Drugim rodzajem urządzeń z tej warstwy są urządzenia oddziałujące na instalacje, czyli wszelkiego rodzaju zadajniki, siłowniki, zawory, itd. Takich urządzeń może być tylko kilkanaście lub kilkadziesiąt, np. w inteligentnym mieszkaniu lub domku. Może to być również bardzo rozbudowana instalacja w dużym biurowcu, w którym naliczyć można tysiące urządzeń końcowych. Rozwój technologii Internetu Rzeczy (IoT) może doprowadzić do wzrostu liczby tych urządzeń końcowych. Np. zastosowanie etykiet RFID lub NFC pozwoli na dokładne lokalizowanie instalacji oraz odczyty ich danych.
- Środkowa warstwa systemów BMS to warstwa, w której odnajdujemy sterowniki i regulatory. To warstwa automatyki, bo właśnie w sterownikach i regulatorach realizowane są algorytmy sterowania instalacjami. Sygnały i dane pochodzące z najniższej warstwy są tutaj analizowane i przetwarzane na sygnały sterujące instalacjami. W jakiej pozycji powinien być ustawiony zawór doprowadzający ciepłą wodę do centrali wentylacyjnej? Czy instalacja chłodzenia powinna być włączona? Z jaką prędkością powinien kręcić się wentylator? To właśnie sterowniki i regulatory potrafią udzielić odpowiedzi na ty pytania. W zależności od wielkości systemu, takich sterowników i regulatorów będzie od kilku do kilkuset. We współczesnych instalacjach BMS sterowniki i regulatory stanowią rozproszoną inteligencję całego systemu. Są autonomiczne, mogą funkcjonować nawet, gdy centralny program zarządzający przestaje działać. Bardzo często są wyposażone we wbudowane ekrany (Build in Display) oraz uproszczone klawiatury pozwalające lokalnie modyfikować parametry działania. Z najniższą warstwą systemu, czyli z urządzeniami mierzącymi i sterującymi są połączone za pomocą cyfrowych i analogowych wejść i wyjść. Między sobą wszystkie sterowniki i regulatory połączone są poprzez wspólną magistralę systemową opartą zwykle na tzw. Open Protocol typu BACnet, LonWorks, EIB/KNX, ... Taka magistrala pozwala na wymianę informacji pomiędzy sterownikami pochodzącymi od różnych producentów, niekiedy wymaga to jednak dodatkowej konfiguracji.
- Najwyższa warstwa służąca do zarządzania całym systemem to dedykowane oprogramowanie informatyczne, które integruje wszystkie informacje pochodzące z niższych warstw. Pozwala to efektywnie i oszczędnie zarządzać wszystkimi instalacjami w sposób centralny. Ta warstwa może składać się z kilku serwerów (aplikacji, bazy danych, Web, ...) oraz terminali i stacji roboczych umożliwiających monitorowanie informacji oraz zcentralizowane zmiany parametrów funkcjonowania. Na tym poziomie znajdują się również wszystkie terminale do wizualizacji instalacji oraz jej stanów. Są to tradycyjne ekrany i drukarki. Są również ściany wizyjne, np. przy systemach zarządzających różnego rodzaju rozległymi obiektami i sieciami. Wirtualna rzeczywistość (VR) jest w fazie eksperymentalnej, ale jej rozwój może sprawić, że znajdzie ona swoje miejsce również i w BMSach. Między sobą wszystkie te elementy połączone są siecią informatyczną LAN, np. typu Ethernet. Natomiast połączenie ze środkowa warstwą systemu, czyli ze sterownikami i regulatorami, zrealizowane jest za pomocą interfejsu do wspólnej magistrali systemowej.
Zintegrowany BMS – IBMS
Rozbudowa podstawowych funkcji BMS odbywa się poprzez dodawanie dodatkowych instalacji do zarządzania oraz przez połączenia z innymi systemami. Do dodatkowych instalacji można zaliczyć całość instalacji zasilania i sterowania energią elektryczną. Odnajdziemy tutaj nie tylko instalacje oświetlenia wewnętrznego, ale również instalacje i układy zasilania i rozdziału energii elektrycznej wraz z zasilaniem awaryjnym i zapasowym (UPSy, generatory, itp...). Spotykamy również połączenia z instalacjami produkcji energii elektrycznej pochodzącej z odnawialnych źródeł energii. Oświetlenie zewnętrzne oraz oświetlenie awaryjne mają już coraz częściej własne systemy zarządzania, ale połączenie ich z głównym BMSem całego obiektu pozwoli na bardziej efektywne zarządzanie tymi instalacjami. Sterowanie roletami zewnętrznymi poprawi skuteczność systemów klimatyzacyjnych, ale może być również częścią systemów ochrony obiektu. Podobnie jak i systemy zarządzania windami i schodami ruchomymi, które z jednej strony wpływają na zużycie, a nawet na produkcję energii (napędy ze zwrotem energii), ale są również częścią systemu ochrony obiektu. Lista takich dodatkowych instalacji powiązanych z BMS jest właściwie ograniczona tylko liczbą instalacji w obiekcie. Są już nawet rozwiązania, które pozwalają zarządzać urządzeniami grzewczymi i chłodniczymi w kuchniach stołówek i kantyn. Połączenie systemu KES (Kitchen Energy Saver) z BMSem całego obiektu powiększa możliwości oszczędności energii.
Pojawia się więc dodatkowa funkcja BMSu, czyli zarządzanie i optymalizacja zużycia energii i mediów. Odbywa się to poprzez rozbudowę systemu podstawowego oraz połączenie z siecią opomiarowania. Niekiedy stosowana jest specyficzna „nakładka” na system podstawowy, pochodząca od innego producenta, ale cel jest taki sam. Można zauważyć swoiste „rozpychanie się” systemów BMS poprzez przejmowanie funkcji zarezerwowanych dla systemów EMS (Energy Management System) czy Smart Metering. Trudno wyrokować, która z tych metod będzie stosowana w przyszłości, ale warto obserwować te tendencje. Funkcja zarządzania i optymalizacji zużycia energii i mediów będzie niewątpliwie coraz częściej stosowana. Przecież budynki zużywają aż 40% wyprodukowanej energii, a cena tejże wcale nie ma ochoty spadać.
Kolejny kierunek integracji BMS z innymi systemami to systemy związane z ochroną i bezpieczeństwem ludzi i obiektu. Prawdopodobnie BMS nie zastąpi systemu kontroli dostępu (Access Control), ani systemu telewizji dozorowej (Closed-Circuit Television), ale będzie umiał wykorzystać informacje z tych systemów pochodzące. Podobnie jest z systemem sygnalizacji włamania i napadu, wykrywania gazów, czy nawet z systemem rejestracji czasu pracy. Taka integracja może tutaj przebiegać w dwie strony. Nieco inaczej jest z systemami sygnalizacji pożarowej, zabezpieczającymi systemami przeciwpożarowymi, sterowaniem oddymiania czy z dźwiękowymi systemami ostrzegawczymi. Tutaj możliwe jest tylko pobranie informacji z tych specjalistycznych systemów.
Zastosowanie tak zintegrowanych systemów w obiektach pozwala na nazywanie ich inteligentnymi. Możemy mówić wtedy o Smart Building, czy o Smart Home. Ale prawdziwa inteligencja to również zdolność do optymalnej adaptacji do zmian otoczenia.
Inteligentny BMS
Taki system BMS umie wypracować samoczynnie decyzje dotyczące technicznego zarządzania instalacjami, a szerzej całym obiektem, na podstawie zaprogramowanych algorytmów i danych historycznych. Operator systemu jest w ten sposób odciążony od podejmowania decyzji, pozostaje mu jednak możliwość akceptacji.
Odpowiednie przetworzenie bardzo dużej ilości danych pochodzących z wszystkich czujników, mierników i przetworników spływających do systemu w czasie rzeczywistym jest dla operatora zadaniem bardzo trudnym, wręcz niemożliwym. Dane te dotyczą parametrów fizycznych i chemicznych wewnątrz i na zewnątrz obiektu, zużycia mediów, istniejących stanów alarmowych i zagrożeń, obecności osób i pojazdów, .... Są ciągle zapisywane w systemie tworząc podstawy bazy wiedzy. Inteligentny BMS wyposażony w system ekspertowy proponuje właściwą decyzję nie tylko na podstawie zaprogramowanego algorytmu, ale również opierając się na zgromadzonej bazie wiedzy. Dane historyczne uzupełnione są w niej wiedzą ekspertów z odpowiednich dziedzin zapisaną w formie reguł do zastosowania. Taki system ekspertowy potrafi dostarczyć rad i zasugerować decyzje pozwalające opanować problem i zapewnić bezpieczeństwo ludzi i obiektu. W codziennym funkcjonowaniu raczej nie ma zastosowania, ale jego rola staje się nieoceniona w sytuacjach nietypowych (pożar, duża awaria, włamanie, ...) kiedy trzeba szybko podjąć właściwe decyzje.
Innym przykładem inteligentnego BMS są algorytmy samouczące się. Uczenie się w tym przypadku oznacza wykorzystanie zewnętrznych danych w celu wprowadzenia zmian, tak, aby takie samo zadanie wykonać w przyszłości podobnie lub bardziej efektywnie bez ingerencji operatora. Częstym zastosowaniem algorytmów samouczących się są instalacje ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji. Kiedy należy włączyć ogrzewanie lub klimatyzację w pomieszczeniu, tak, aby osiągnęło ono oczekiwaną temperaturę w czasie, gdy pojawią się w nim ludzie? Zbyt wcześnie będzie nieekonomicznie, zbyt późno będzie niekomfortowo. A kiedy wyłączyć ogrzewanie lub klimatyzację, tak, aby utrzymać odpowiednią temperaturę w pomieszczeniu do czasu, kiedy opuszczę go użytkownicy? Taki algorytm nazywa się Optimum Start/Stop i inteligentny BMS uczy się go na podstawie wstępnego algorytmu zaprogramowanego przez inżynierów wdrażających system oraz na podstawie procesu samo dostrajania. Odbywa się to z uwzględnieniem danych o temperaturze i wilgotności wewnątrz i na zewnątrz, o szybkości zmian tych parametrów, o prognozie pogody, o wietrze, o nasłonecznieniu, o opadach, o planowanej zajętości pomieszczenia,.... Przykładowym rezultatem będzie właściwa temperatura i wilgotność powietrza w sali konferencyjnej i odpowiednio ustawione oświetlenie (BMS może zarządzać scenami świetlnymi). A świeża kawa przygotowana przez inteligentny ekspres będzie tylko wisienką na torcie. Nie mówimy jeszcze o Sztucznej Inteligencji (AI), ale kto wiem jak te systemy będą wyglądały w niedalekiej przyszłości.
Bezpieczeństwo w BMS
BMS przetwarza dużą ilość informacji dotyczących funkcjonowania obiektu łącznie z informacjami z obszaru bezpieczeństwa ludzi i mienia. Informacje te przesyłane są pomiędzy różnymi elementami takiego systemu za pomocą sieci i magistral informatycznych przewodowych oraz coraz częściej bezprzewodowych. Wiele z takich informacji musi przejść kilkukrotnie drogę pomiędzy wszystkimi warstwami systemu. Dodatkowym elementem jest możliwość zdalnego dostępu do systemu za pomocą sieci Internet. A szczególnie istotne dla analizy bezpieczeństwa systemu BMS jest fakt, że w większości wszystkich składowych takiego systemu informacje przesyłane są „tekstem jawnym”.
Taka informacja, przesyłana w opisany sposób jest narażona na liczne niebezpieczeństwa:
• Transmisja danych może być przerwana – fizyczne uszkodzenie sieci lub informatyczny atak na sieć
• Dane mogą być przechwycone i podsłuchiwane
• Dane mogą być zmodyfikowane
• Dane mogą być podrobione, ktoś może podszyć się i wprowadzić do sieci podrobione dane
Te niebezpieczeństwa wynikają nie tylko z technicznych aspektów budowy systemu BMS, ale również zależą od zachowania operatorów systemu. Obsługa obiektu, personel zarządzający powinni zdawać sobie sprawę z tego rodzaju niebezpieczeństw, bo próby włamań do systemów BMS to nie tylko scenariusze filmowe.
Poprawa bezpieczeństwa systemów BMS powinna zaczynać się już w fazie koncepcji i być kontynuowana przy budowie. Bezpieczeństwo systemu powinno być sprawdzone przed uruchomieniem i kontrolowane okresowe w trakcie eksploatacji. Zaś personel obsługujący, czy tylko mający dostęp do systemu BMS, powinien być odpowiednio do tego przeszkolony.
Wdrożenie i konfiguracja
Jak każdy system, tak i BMS powinien być prawidłowo wdrożony i skonfigurowany, aby spełnić wszystkie założone funkcje. Oczywiście największa część takiego wdrożenia to faza koncepcji i budowy systemu. Parametry pracy przyszłego obiektu zostają na tym etapie zaprogramowane, a odpowiednie algorytmy wprowadzone do sterowników i regulatorów. Często system taki zostaje oddany do eksploatacji i kolejne firmy obsługujące obiekt przejmują go taki, jaki jest. A przecież to dopiero teraz powinna zacząć się ta część jego życia, kiedy zacznie się uczyć i dopasowywać do obiektu i do potrzeb użytkowników tego obiektu. Jak i przez kogo obiekt jest używany? Jak i przez kogo obiekt jest obsługiwany? Kiedy włączyć, a kiedy wyłączyć poszczególne instalacje (ogrzewanie, klimatyzacja, oświetlenie,...)? Przecież dopiero teraz można zdecydować, które alarmy są ważniejsze, a które mniej ważne. Kiedy automatycznie wygenerować wezwanie odpowiedniego technika, a kiedy tylko przesłać informacje do systemu planowania przeglądów i konserwacji. Zarządcy obiektów oraz firmy świadczące usługi Facility Management będą mogły wykorzystać możliwości, które dają systemy BMS dopiero wtedy, kiedy odpowiednio taki system skonfigurują i dostosują do potrzeb obiektu i jego użytkowników.
Ten artykuł został opublikowany w numerze 1/2018 periodyku Real Estate Manager.
