Komponenty automatyki przemysłowej

Podstawowe elementy sprzętowe automatyki domowej

Typowy system automatyki domowej składa się z kilku grup różnych typów elementów. W zależności od rozmiaru i stopnia zaawansowania systemu dana grupa może być reprezentowana przez jeden lub więcej modułów. Sterownik systemu (BMS) – jest zazwyczaj centralnym elementem, który zarządza pracą wszystkich komponentów i realizuje komunikację z użytkownikiem np. przez panel. Do niego przewodowo lub bezprzewodowo dołączone są czujniki oraz urządzenia wejściowe. Na podstawie wskazań czujników oraz otrzymanych danych wejściowych system zarządza pracą elementów wykonawczych, takich jak np. ogrzewanie czy oświetlenie. Kolejny element to magazyn danych, np. historii wskazań czujników czy zapisu z kamer. Do tego wykorzystuje się głównie rozwiązania serwerowe. Do tego wszystkiego niezbędne jest zasilanie z reguły z instalacji elektrycznej ze wsparciem akumulatorowym. Czujniki mogą być zasilane z lokalnej baterii lub przez sieć komputerową w ramach SPE albo klasycznej wersji okablowania z opcją PoE.

Najważniejsze cechy brane pod uwagę przy kupnie komponentów do automatyki budynkowej

 

W przypadku komponentów automatyki budynkowej za najważniejszy aspekt uznano jakość i niezawodność produktów oraz zaawansowane parametry techniczne pozwalające na osiągnięcie wysokiej funkcjonalności. Istotna jest też kompatybilność i zgodność ze standardami, a także łatwość użycia i instalacji. Niska cena jest dopiero na 8. pozycji od góry i jest to zapewne rekord naszych zestawień. Cena zawsze była istotna, często najważniejsza, ale nigdy nie zdarzyło się, aby to kryterium oceniono aż tak nieznacząco. Z zestawienia wynika, że produkty są postrzegane bardzo utylitarnie, tj. liczy się to, że działają zgodnie z oczekiwaniami i nie sprawiają problemów. Można też wnioskować, że klienci nie są zainteresowani mozolnym konfigurowaniem ani złożoną instalacją. Automatyka ma być typu plug & play także dlatego, że często jest instalowana w warunkach niesprzyjających, tj. pod presją czasu, w niewygodnym miejscu dla człowieka, słabym oświetleniu itd.

Wiele różnorodnych komponentów

Podstawą systemu automatyki budynkowej i domowej są czujniki oraz elementy wykonawcze. W tej pierwszej grupie mieszczą się sensory temperatury i wilgotności (do sterowania HVAC), detektory gazów oraz dymu (do systemu ppoż, wentylacji mechanicznej), oświetlenia (do sterowania lampami). Uzupełniają je czujniki otwarcia okien/ drzwi, wstrząsów będące elementem systemu alarmowego. Są też czujniki poboru mocy, czyli watomierze dostarczające informacji na temat zużycia energii.

Typowe elementy wykonawcze obejmują przekaźniki załączające zasilanie w różnej formie: dopasowanej do oświetlenia LED, z gniazdem pozwalającym na włożenie wtyczki sieciowej lub do instalacji w szafie rozdzielczej na szynie DIN.

Najważniejsze trendy techniczne rynku komponentów do automatyki budynkowej

 

W zestawieniu najbardziej istotnych trendów zmieniających rynek automatyki budynkowej dwa kryteria wybijają się wyraźnie ponad resztę: prostota instalacji i zgodność ze standardami oraz możliwość obsługi z użyciem urządzeń mobilnych, czyli w praktyce ze smartfona. Inaczej mówiąc, liczy się funkcjonalność i łatwość użycia z wykorzystaniem aplikacji. Rola smartfonów w systemach automatyki jest duża i z pewnością będzie jeszcze się zwiększać, bo mają one duże możliwości (obliczeniowe, komunikacyjne) i zawsze mamy je przy sobie.

Poza komponentami z tego zakresu podstawowego w instalacjach automatyki pojawiają się kamery monitoringu będące elementem systemu monitoringu i ochrony obiektu oraz jako elementy czujnikowe (alarmowe), gdyż większość nowoczesnych kamer ma rozbudowaną funkcjonalność związaną z analizą obrazu i wykrywaniem osób. Liczba czujników i ich typów stosowanych w układach automatyki stale się zwiększa, przyspieszenie rozwoju przyniosą technologie AL/ML.

Wystarczy przejrzeć dowolną ofertę, aby uzmysłowić sobie, że katalog dostępnych komponentów jest bardzo szeroki, co ma zalety i wady.

Kablem dwużyłowo lub bezprzewodowo

Bezprzewodowość jest kluczowym czynnikiem przewagi rynkowej produktów do automatyki budynkowej, bo ułatwia instalację i obniża koszty. Często nie da się wykonać okablowania w sposób nieuciążliwy w obiekcie. Nawet jeśli rozwiązania przewodowe bazują na pojedynczej skrętce przewodów wykorzystywanych do zasilania i komunikacji jak SPE, dla wielu potencjalnych użytkowników jest to nie do przyjęcia z powodu estetyki. To z reguły jest domena dużych budynków użyteczności publicznej, biur i innych miejsc, gdzie instalację przewodów można przewidzieć na etapie budowy lub tam, gdzie są wydzielone kanały techniczne na instalacje. Często łączy się komunikację przewodową i bezprzewodową w ramach jednej instalacji, co daje elastyczność.

Popularne rozwiązania bezprzewodowe to ZigBee i Z-Wave, doskonale znane od lat, pod kątem właśnie takich zastosowań opracowane i wreszcie zdobywające rynek. Rosnąca popularność rozwiązań IoT promuje też w omawianym obszarze Bluetooth LE, bo interfejs ten jest sprzętowo zaszyty w większości platform sprzętowych do takich zastosowań i dostaje się go praktycznie gratis.

Główne czynniki sprzyjające rozwojowi rynku

 

Aktualnie głównym i najważniejszym czynnikiem sprzyjającym rozwojowi rynku komponentów automatyki budynkowej są szybko rosnące koszty związane z mediami (energią elektryczną, ogrzewaniem). Konieczność oszczędności spowodowała, że komfort i wygoda życia spadły na drugą pozycję i tym samym z systemów takich została zdjęta etykieta ekstrawagancji. Za istotne czynniki uznano ponadto coraz większą kompatybilność i interoperacyjność produktów pozwalających na mieszanie w instalacji różnych rozwiązań i marek, a także coraz większy rynek, który zaczyna osiągać potencjał przyspieszający rozwój przez analogię do kuli śnieżnej toczącej się z góry.

Wartość dodana

Główne korzyści, jakie przynosi automatyka budynkowa, to przede wszystkim większy komfort osób, który w takim budynku codziennie przebywają lub nim zarządzają. Ponadto pozwala poczynić znaczne oszczędności finansowe dzięki np. optymalizacji zużycia prądu, wyłączaniu zbędnych odbiorników oraz regulacji ogrzewania, co prowadzi do niższych kosztów eksploatacji. Teoria ta brzmi bardzo zachęcająco, ale trzeba przyznać, że opisane powyżej korzyści i realizowane funkcje nie są żadną nowością. Opis, czym jest automatyka budynkowa został wypracowany wiele lat temu i cały czas jest aktualny. Zmienia się tylko rozłożenie akcentów. Dawniej wynoszony na piedestał był głównie komfort, w ramach którego pojawiało się sterowanie roletami w oknach i wyłączanie oświetlenia w nieużytkowanych pomieszczeniach. Potem doszły zagadnienia związane z komunikacją, integracją komponentów automatyki w system połączony siecią komputerową i integracja z oprogramowaniem zapewniającym dostęp z dowolnego miejsca za pomocą urządzeń mobilnych i Internetu. Gdzieś po drodze pojawiło się bezpieczeństwo (kontrola dostępu, monitoring, alarmy).

Dzisiaj nacisk kładzie się na funkcjonalność oprogramowania, w tym tworzenie scenariuszy sterowania pod kątem minimalizacji zużycia energii elektrycznej i innych mediów. Powodem jest oczywiście gwałtowny wzrost cen, który skierował uwagę firm i zarządców budynków na to, aby w jakiś sposób ograniczyć koszty. Komfort zdecydowanie ustąpił miejsca ekonomii i paradoksalnie jest to dobra wiadomość dla rynku, gdyż nic tak dobrze nie przemawia do wyobraźni jak mniejszy rachunek. Poprawę komfortu trudno także opisać w czytelny sposób za pomocą wskaźników. Zdefiniowanie poprawy komfortu w odniesieniu do wydatku nie jest czytelne, natomiast to, co jest napisane w polu "do zapłaty", na pewno tak.

Czego najbardziej brakuje na rynku?

 

Zestawienie opinii wyrażonych w naszych ankietach jednoznacznie przekonuje, że na rynku automatyki budynkowej najwięcej problemów jest z brakiem wiedzy klientów na temat możliwości/ograniczeń technicznych produktów oraz tego, co można osiągnąć z ich wykorzystaniem. Drugim problemem jest kompatybilność programowa i razem te czynniki mogą być zniechęcające. Systemy automatyki budynkowej są wybierane nie tylko przez ludzi ze świata techniki. Często mają duże możliwości w zakresie platformy sprzętowej i systemowej, ale wykorzystanie ogranicza słabe oprogramowanie. Efektem bywa rozczarowanie kupujących, którzy myślą, że "kupują mercedesa, a dostają fiata".

Wsparcie techniczne zawsze jest potrzebne i cenne

Skomplikowanie materii technicznej związanej z automatyką budynkową eksponuje rolę wsparcia technicznego producenta. Wiadomo, że teoretycznie wszystko powinno działać i ze sobą współpracować, ale praktyka wskazuje, że mimo to problemy się pojawiają. Wówczas wsparcie producenta staje się cenną wartością dodaną do produktu. W naturalny sposób lokalny wytwórca ma w tym zakresie przewagę, gdyż nie tylko jest w stanie kompetentnie i szybko zareagować, ale również w ramach odpowiedzialności za rynek i produkt może pomóc bardziej, niż tylko świadcząc konsultację, np. modyfikując oprogramowanie, badając zachowanie urządzenia podczas pracy w skrajnych warunkach lub testując jego współdziałanie z innym (nietypowym) produktem.

Wsparcie techniczne oferowane przez producentów i integratorów systemów ma w obszarze automatyki budynkowej i przy dużych projektach znaczenie pierwszorzędne i jest ważnym czynnikiem przewagi nad firmami z Dalekiego Wschodu oraz rozwiązaniami (płytkami) DIY (open source i zrób-to-sam).

Zwiększająca się rola oprogramowania

Oprogramowanie systemów automatyki budynkowej pełni ogromnie ważną rolę w definiowaniu ich możliwości i funkcjonalności. Można pokusić się o stwierdzenie, że jest ono dzisiaj bardziej istotną częścią systemu automatyki niż warstwa hardware, gdyż decyduje o wartości dodanej tj. korzyści z posiadania.

Wiele rozwiązań sprzętowych czujników, przekaźników, siłowników i układów pomiarowych wchodzących w skład instalacji opiera się na relatywnie prostej realizacji układowej. Funkcjonalność elementu, komunikację (protokół i bezpieczeństwo) definiuje oprogramowanie firmware. Podobnie jest w warstwie wyższej instalacji, a więc w obszarze kontrolera zarządzającego pracą budynku – BMS (Building Management System), który monitoruje parametry pracy poszczególnych urządzeń, informuje o problemach i awariach. System taki udostępnia zazwyczaj interfejs graficzny, który w czytelny sposób pozwala na podgląd parametrów pracy oraz zmianę wartości nastawionych. Możliwości takiego rozwiązania też w znacznej części określa software.

Kolejne istotne części to dostęp zdalny z poziomu aplikacji na smartfonie lub z użyciem strony web urządzenia, a więc responsywny interfejs webowy, aplikacja na Androida i iOS. Pozwala to na kontrolowanie instalacji z dowolnego miejsca i na pewno ułatwia znacząco korzystanie i ustawianie dzięki możliwości zapamiętywania konfiguracji, ale nie wyczerpuje potrzeb klientów. W kolejnym kroku niezbędne jest więc zapisywanie danych o stanie obiektu w bazie danych (najlepiej umieszczonej w chmurze). Ułatwia to wizualizację (np. zużycia energii, alarmów, powiadomień), przeglądanie aktywności różnych procesów, takich jak ogrzewanie wody za pomocą energii słonecznej oraz oczywiście oszczędności.

Inne funkcje na tym poziomie to tworzenie raportów i wykresów, dostęp do danych historycznych pozwalający na porównywanie odczytów bieżących z historycznymi. Oprogramowanie analityczne nie jest potrzebne cały czas, stąd funkcje mogą być oddzielone od systemu. Analityka może być na żądanie, kupowana jako usługa itd.

Oddzielenie bazy danych z zapisem chwilowego staniu obiektu oraz funkcji analityczno-raportujących ułatwia wykonywanie kopii zapasowych, aktualizowanie i rozbudowę funkcjonalności takiego oprogramowania oraz możliwość użycia narzędzi od innego producenta/dostawcy itd. Jest to cenna możliwość, gdyż zapewnia większą elastyczność.

Analityka danych, a więc analiza chwilowego stanu obiektu po to, aby tworzyć i dopasowywać scenariusze użycia poszczególnych urządzeń, a następnie planować ich użycie/dezaktywację, jest zapewne najtrudniejszym zadaniem, które stoi przed inwestorem. Wykresy zużycia energii, plany zajętości pomieszczeń i inne informacje o stanie obiektu trzeba powiązać z taryfami za prąd, a dalej opracować schematy regulacji, co nie jest proste.

Niemniej jest to idealne zadanie dla systemów uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji (AI). Pojawienie się oprogramowania tego typu przeznaczonego do systemów automatyki budynkowej jest tylko kwestią czasu.

Detekcja obecności, a nie ruchu

Ważną funkcją systemu automatyki jest ustalenie, czy w pomieszczeniu ktoś jest. Dla oświetlenia, systemu alarmowego, ogrzewania i klimatyzacji informacja o przebywającej osobie jest kluczowa z punktu widzenia poprawności regulacji, stąd czujnik obecności można uznać za komponent kluczowy w omawianym obszarze. Ustalenie obecności człowieka nie jest wcale proste i przez lata odbywało się za pomocą detektorów ruchu w postaci czujek PIR, wspomaganych informacjami nt. otwieranych drzwi, z systemów kontroli dostępu z użyciem kart RFID, barier optycznych i podobnych. Dokonując fuzji danych z takich sensorów, można było wypracować stan obiektu (zajętość), ale faktem jest, że działanie czujek PIR nie jest w tym zadaniu najlepsze, bo co do zasady wykrywają one ruch. Nieruchomo siedząca osoba dla takiego detektora przestaje istnieć i może się okazać, że aby światło nie zgasło w pokoju, trzeba co jakiś czas machać rękami.

Rozwiązaniem przynoszącym nową jakość i podejście będą wchodzące właśnie na rynek radary mikrofalowe. Są to czujniki dopplerowskie działające na częstotliwości 24‒60 GHz. W tym zakresie radar jest w stanie wykrywać mimowolne (niedostrzegalne okiem) drżenie ciała lub oddychanie i pozwala na zbudowanie czujnika obecności obejmującego całe pomieszczenie, w tym na wykrywanie obecności człowieka znajdującego się za przeszkodą (np. meblem) dzięki odbiciu fal od ścian.

Domowa automatyka, czyli DIY

Mówiąc o komponentach automatyki budynkowej i domowej, nie sposób pominąć konstrukcji hobbystycznych i półprofesjonalnych bazujących na gotowych platformach z mikrokontrolerami (DIY, Do It Yourself). Popularność takich rozwiązań jest największa w systemach o niewielkiej skali działania, stąd raczej ograniczonych do domu niż budynku i zastosowań amatorskich, a nie profesjonalnych. Siłą napędową jest tutaj darmowe oprogramowanie open source o relatywnie dużych możliwościach i uniwersalności. Dzięki temu nakład pracy i potrzebne umiejętności nie są wcale duże. W ramach systemów open source są też dostępne darmowe aplikacje i duże systemy kontrolne pełniące funkcję BMS. Przykładem może być Domoticz lub Pi Home Assistant.

Najważniejsze czynniki negatywne dla rynku

 

Najważniejszym czynnikiem negatywnym dla rynku komponentów automatyki jest brak wiedzy, prawdopodobnie wywołany bardzo dużą liczbą rozwiązań, produktów, systemów, marek, stowarzyszeń i dostawców. Przez wiele lat automatyka domowa i budynkowa była obszarem techniki, na którym wiele firm chciało zaistnieć, a najlepiej zdobyć dominującą pozycję. Co kilka miesięcy pojawiały się nowe pomysły, zawsze określane jako rewolucyjne i tak samo szybko odchodzące w niepamięć. Nie pomagała też polityka dużych koncernów, które mamiły rynek swoim zainteresowaniem tematyką i zaangażowaniem po to, aby za dwa, trzy lata wycofać się z segmentu na skutek braku efektów. Skutki tego to m.in. słaba orientacja w aktualnych możliwościach, przeszkadzająca w rozwoju.

Open source czy system własnościowy?

Rozwiązania dostępne na rynku automatyki budynkowej nie są dla wielu osób zrozumiałe w sensie możliwości, konfiguracji, zdolności współpracy w ramach systemu oraz możliwości użycia produktów od innych producentów. Kryteria doboru też nie są proste. Jest wiele sposobów i dróg budowy systemu, także własnego z użyciem komputerów i oprogramowania open source i setek różnych modułów, znajdujących się w handlu.

Wielu producentów tworzy własne systemy, hermetyczne, a więc z założenia zamknięte. Jest to po części efekt braku wiodącego standardu, który mógłby scalić produkty pod wspólnym "parasolem", a po części kwestia podejścia do biznesu, w którym standard dla wielu firm oznacza "moje rozwiązanie". Kompatybilność jest pojęciem mało znanym w branży, przez co potencjalny inwestor lub użytkownik tak naprawdę nie wybiera produktu, ale decyduje się na wizję inteligentnego domu danego producenta. Ma to swoje dobre i złe strony, np. takie, że produkty wchodzące w skład całości zostały przetestowane pod kątem bezproblemowej współpracy, są obsługiwane przez spójne oprogramowanie itp. Minusem jest to, że potrzeby użytkownika muszą być zaspokojone w ramach dostępnego asortymentu, tak samo możliwości rozbudowy.

Z reguły systemy takie są tworzone jako instalacje długo działające, zatem pozycja danego producenta na rynku w perspektywie kilku lat oraz stopień zaangażowania mają znaczenie.

Rozwój i przyszłość

Podstawowymi wymogami stawianymi obecnie systemom automatyki budynkowej są skalowalność i kompleksowość. Zastosowany system powinien obejmować wszystkie występujące w budynku podsystemy monitorujące i nadzorujące pracę poszczególnych elementów. Chodzi o rozwiązania obejmujące: systemy przeciwpożarowe, kontroli dostępu, klimatyzacji, telewizji dozorowej i sieci komputerowej. Alians nowoczesnej automatyki z IT daje możliwości stworzenia zaawansowanej struktury o dużej autonomii.

Obserwując rynek można stwierdzić, że systemy automatyki budynkowej rozwijane są i będą głównie w kierunku możliwości integracji niezależnych systemów, takich jak systemy sygnalizacji pożaru, dźwiękowego systemu ostrzegania, itp. Ważnym elementem jest również zdolność wykorzystywania przez systemy automatyki budynkowej wspólnej platformy okablowania strukturalnego i komunikacji poprzez Ethernet, w tym ten perspektywiczny jednoparowy.

Potrzeba chwili związana z drożejącą energią powoduje, że coraz większe znaczenie ma oprogramowanie wysokiego poziomu, a więc to realizujące funkcje analityki danych oraz optymalizujące koszty. Do niedawna użytkownicy zadowalali się tym, że mogli zdalnie wyłączyć odbiornik, taki jak na przykład drukarka lub oświetlenie w korytarzu. Dzisiaj chcą mniej więcej tego samego, tylko w odwróconej kolejności – a więc włączyć oświetlenie tylko wówczas, gdy ktoś będzie go potrzebował. Ta zmiana akcentów może wydawać się drobna, niemniej definiuje na nowo systemy automatyki i rynek.