•  

    Системы автоматизации и диспетчеризации

     

        Автоматизация и диспетчеризация зданий (далее – АСУД) - одно из важнейших направлений в области строительства и управления инженерными системами. Применение системы АСУД позволяет повысить эффективность работы осветительного и обогревательного оборудования, вентиляции и кондиционирования, водоснабжения. Два основных аспекта предопределили рост популярности комплексных решений для обеспечения автоматизированного управления инженерными системами жилых и административных зданий: ужесточение требований к энергетической эффективности зданий, и повышение уровня индивидуального комфорта.
        АСУД, установленная в здании, снижает расход энергетических ресурсов (электричества, различных видов топлива), необходимых для обеспечения отопления и горячего водоснабжения, повышает эффективность работы инженерных систем, своевременно информирует пользователя о возникновении аварийных ситуаций. Это положительно сказывается на безопасности функционирования здания, делает пребывание в нем более комфортным за счет улучшенного контроля за температурой в помещениях, режимом вентиляции и кондиционирования. Совместное взаимодействие и оптимизация работы всех инженерных элементов (систем безопасности, жизнеобеспечения, коммуникации) - вот основное назначение автоматизированных решений для управления зданием. Диспетчеризация инженерных систем является необходимым этапом при построении автоматической системы управления зданием.

    Системы автоматизации и диспетчеризации

        1. Развитие систем АСУД в нашей стране.


        В нашей стране энергетической эффективности и энергосбережению уделяется значительное внимание. В целях реализации этих задач за последние годы руководящими органами были приняты следующие документы:
        - федеральный закон от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»;
        - энергетическая стратегия России на период до 2030 года, утвержденная распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 года № 1715-р;
        - основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года, утвержденные распоряжением Правительства Российской Федерации от 8 января 2009 года № 1-р;
        - постановление Правительства Российской Федерации от 15 апреля 2014 г. № 321 «Об утверждении государственной программы Российской Федерации «Энергоэффективность и развитие энергетики».
        Понятие диспетчеризации включает в себя организацию постоянного наблюдения за работой различных подсистем в режиме реального времени. Посредством диспетчеризации инженерных систем осуществляется удаленный контроль и управление различными процессами, изменение рабочих параметров тех или иных устройств и компонентов, передача данных об их состоянии, ведение протоколов и баз данных со сведениями об их работе.
        Обзор нормативных документов по данной тематике показал актуальность темы на сегодняшний день. Автоматизация и диспетчеризация зданий призвана обеспечить контроль над автономно работающим оборудованием, объединив его в единый инженерный комплекс и предельно минимизировав “человеческий фактор”. Исходя из анализа документов, принятых на уровне правительственных органов, видно, что на сегодняшний день в нашей стране ведется крупномасштабная работа по экономии всех видов энергоресурсов. Постоянный рост цен заставляет искать эффективные методы экономии.
        Большинство производителей инженерного оборудования, стремясь к увеличению конкурентных преимуществ своих товаров, уже в базовой комплектации, используют набор различных алгоритмов функционирования, включают в электронные схемы устройств возможности обмена данных с вышестоящими системами автоматизации и диспетчеризации. Например, элементарный таймер, управляющий системой отопления по графику, позволяет уменьшить энергопотребление административных зданий на десятки процентов. Совместное взаимодействие климатических систем (отопление, вентиляция, кондиционирование) ведет к значительному возрастанию эффекта энергосбережения и комфортных условий в здании.
        Однако АСУД имеет ряд препятствий, влияющих на ее повсеместное распространение:
        - автоматизация, в ряде случаев, приводит к появлению большого количества узлов, а как следствие и увеличение возможных точек отказа и неисправностей;
        - усложнение конструкций требует повышения квалификации персонала;
        - дополнительные финансовые расходы, связанные с внедрением систем автоматизации и диспетчеризации.
        На недостатки в виде дополнительных расходов и усложнения системы следует обращать внимание с некоторыми оговорками. Эти негативные факторы, в основном, возникают на стадии проектирования системы. Как правило, заказчики не любят и не умеют составлять технические задания для проектировщиков. В большинстве случаев в штате инвестора нет многопрофильных специалистов, а те что есть формулируют свое задание в виде фраз «чтобы было тепло и светло». Проектная организация, получив такое задание, закладывает в документацию инженерное оборудование к которому они привыкли. Отсутствие взаимодействия между проектировщиками и невнятное техническое задание ведут к тому, что целостной системы, готовой к внедрению, не получается. Разработчику проекта по АСУД приходится, ко всему прочему, включать в документацию различные «костыли» и «подпорки» в виде конвертеров, адаптеров, преобразователей, усложнять программное обеспечение дополнительными OPC-серверами и проч., что, естественно, ведет к усложнению и удорожанию системы. В практике автора были случаи, когда разные проектировщики использовали оборудование одного производителя, но с разными протоколами передачи данных (в марке оборудования просто две разные последние цифры), что повлекло на «ровном месте» включение в ПО АСУД еще одного OPC-сервера и прокладку дополнительных кабельных линий. Ошибка, при составлении документации, привела к удорожанию системы АСУД на 100 тысяч рублей.
        Безусловно, процесс повсеместного внедрения систем сбережения ресурсов и их диспетчеризации находится в Российской Федерации в самом начале своего пути. Исторически, природные ресурсы, в виде ископаемого топлива, вырабатываемой электрической энергии, в нашей стране стоят относительно недорого, а потому срок окупаемости дополнительных затрат на внедрение АСУД составляет значительный временной интервал (10-20 лет). Многие частные компании, как правило, не планируют свою жизнедеятельность в таких временных горизонтах, а потому и инвестирование в энергетическую эффективность идет по остаточному принципу (в основном в размерах требований законодательства). Альтернативы природным источникам энергии на текущий момент не существует, исчерпание их в текущем технологическом укладе можно рассматривать с высокой степенью вероятности на протяжении следующих 50-100 лет. А потому подойти к этому сроку, а также, по возможности, продлить его путем повсеместного внедрения энергетически эффективных и сберегающих технологий, наша страна должна во всеоружии, с надежными и проверенными решениями для широкого круга пользователей.


        2. Основное оборудование для автоматизации и диспетчеризации инженерных систем.


        В составе системы автоматизации можно выделить три функциональные части. Это периферийное оборудование, контроллеры и исполнительные механизмы (далее – ИМ).
        Периферийное оборудование представляет собой набор датчиков (датчики температуры воздуха, давления воды, температуры воды - любых устройств, получающих информацию об окружающей среде) и исполнительные механизмы (клапаны, приводы, другая механизированная запорно-регулирующая арматура).
        Современные контроллеры, по сути, представляют собой микрокомпьютеры, которые год от года становятся все производительней. Устройства могут иметь модульную структуру, а могут быть реализованы в виде единого моноблока. Моноблочные контроллеры обычно используются для небольших зданий или индивидуальных систем – они позволяют подключить все необходимые датчики, приводы, исполнительные механизмы, но при этом имеют ограничения по информационной емкости. Информационная емкость контроллера определяется количеством входов и выходов. Всего существует четыре типа сигналов – аналоговые входы/выходы и цифровые входы/выходы. Любая система автоматизации представляет собой комбинацию этих четырех типов сигналов. При создании функциональной модели управления в систему также вводятся дополнительные переменные (уставки, настроечные параметры и проч.).
        Третья часть системы АСУД - исполнительные механизмы. ИМ, которые воздействуют на слаботочные клапаны, заслонки и т. п., относятся к периферийному оборудованию. Но помимо слаботочных механизмов необходимо осуществлять управление оборудованием, являющимся мощным потребителем энергии и требующим самостоятельного источника энергии - двигателями вентиляторов, нагревательными элементами и т. д. Управление такими потребителями осуществляется посредством отдельных электрических шкафов. С точки зрения силовой части существует несколько типов компоновки систем. Использование той или иной компоновки определяется на основании исходных данных (технического задания), предоставляемых заказчиком. Если на объекте существуют несколько структурных подразделений службы эксплуатации, то возможна раздельная компоновка шкафов автоматики и силовых электрических шкафов. При использовании комбинированных шкафов автоматики (контроллеры и силовая часть располагаются совместно) контроллеры должны отличаться хорошей помехозащищенностью от воздействия сильных электрических полей. Преимуществом данного подхода является сокращение кабельной продукции и промежуточных соединений, что в конечном итоге повышает надежность системы при снижении стоимости установки.
        Большинство современного инженерного оборудования может работать, как в автономном, так и централизованном режиме управления. С точки зрения автора настоящей статьи – наиболее предпочтительным является смешанный режим работы. Для обеспечения надежности и безопасности необходимо соблюдать «правило целостности системы». В этом случае любая установка, рассматривается как законченная система, которая может функционировать в автономном режиме. Например, рассмотрим автономный тепловой пункт. В этом случае для управления оборудованием и его контроля предусматриваются простейшие и минимально необходимые средства. Устройство самостоятельно отрабатывает программу, заложенную в него изготовителем (с рядом настроечных параметров, внесенных установщиком). Процесс прохождения сигналов от датчиков и дальнейшее принятие решения контроллером о том или ином воздействии на исполнительные механизмы будет происходить с максимальным быстродействием. Вышестоящая система АСУД, в этом случае, используется для:
        - мониторинга состояния теплового пункта;
        - связывания событий и состояний других подсистем с системой теплового пункта. Например, контроллер системы вентиляции понимает, что ему не хватает температуры входящего теплоносителя на калорифер приточного воздуха, сообщает эту информацию вышестоящей системе АСУД, и она отправляет команду на контроллер теплового пункта о повышении температуры теплоносителя, поступающего на калорифер.
        Говоря об АСУД невозможно не затронуть тему протоколов обмена между устройствами инженерного оборудования. Еще до середины 1990-х годов производители устройств автоматизации использовали свои внутренние закрытые протоколы, поэтому, однажды установив, например, в тепловом пункте определенное оборудование, заказчик был вынужден использовать оборудование того же производителя и для автоматизации других систем. На текущий момент эта проблема ушла в прошлое, если говорить о взаимодействии элементов системы АСУД через программное обеспечение. Практически любой контроллер, управляющий оборудованием подсистем, поддерживает, как минимум, один протокол обмена с вышестоящей системой АСУД. Производители программного обеспечения, стремясь охватить как можно больший объем потребителей, объединили в своем ПО большое количество встроенных модулей или OPC-серверов для различных протоколов обмена. Как уже было указано выше – основная проблема АСУД заключается в разработке грамотной проектной документации. Продуманная система позволит исключить ошибок и тупиковых решений, оптимизировать затраты заказчика на ее внедрение и дальнейшую эксплуатацию.


        3. Интеллектуальное здание.


        Функциональное назначение любого здания — быть укрытием от внешней среды, создавать комфортные условия для пребывания человека. Чтобы условия были комфортными, помимо стен и крыши нужно обеспечить должное количество воздуха (вентиляцию) и его качество (отопление, кондиционирование). Также необходимо обеспечить освещение, бесперебойное электроснабжение и т. д. Таким образом, у нас получается современное здание, насыщенное всевозможными инженерными системами. Для управления этими системами было бы необходимо большое количество обслуживающего персонала, если бы не автоматика.
        В настоящее время среди специалистов нет единого мнения, какие здания могут называться «интеллектуальными», и в чем отличие «интеллектуального здания» от высокоавтоматизированного здания с развитой системой АСУД. С другой стороны, зачастую нет реальной необходимости в установке высокоавтоматизированных и тем более «интеллектуальных» систем управления. В результате в настоящее время в нашей стране реализовано небольшое количество объектов, которые можно отнести к «интеллектуальным».
        Наличие единого информационного поля (определенный набор датчиков, сигналов и т. д.) позволяет добиться любого уровня «интеллектуальности» здания. Поведенческая модель системы в этом случае представляет собой объемную матрицу, и вариант выборки действий из этой матрицы может быть сколь угодно велик. Однако даже в высокоавтоматизированном здании часть функций может не использоваться в силу отсутствия в них реальной потребности.
        С точки зрения автоматизации можно выделить несколько вариантов прикладных решений: автоматика для малоэтажных жилых домов («умный дом»), жилых и общественных зданий и сооружений, промышленных зданий. Принципы построения систем автоматизации для этих решений одни и те же. Идеология «умного дома» подразумевает, как правило, коттедж «элитного» класса. Однако зачастую в организации единого информационного поля таких объектов нет необходимости. Для этого сегмента есть готовые решения, которые не требуют дорогостоящего инжиниринга. Например, коттедж фактически можно рассматривать как отдельный тепловой пункт, обслуживающий несколько контуров (контур теплого пола, контуры отопления первого и второго этажей и т. д.), соответственно, есть готовый контроллер, предназначенный для решения этих задач. Такие контроллеры подразумевают фиксированную комбинацию подключаемого периферийного оборудования и требуют простейших пуско-наладочных работ. В рамках одного дома нет необходимости в организации шины данных и т. д., хотя с технической точки зрения это вполне осуществимо. Такое упрощение системы автоматизации позволяет сократить стоимость системы – за небольшие деньги можно автоматизировать коттедж площадью свыше 300 м2.
        Еще один пример, в настоящее время при строительстве новых зданий применяются стеклянные фасады. Применение подобного архитектурного решения привело к опасности перегрева помещений южной ориентации в летнее время. Для предотвращения этой опасности производителями были предложены специализированные контроллеры, сочетающие в себе функции управления фэнкойлами, освещением и жалюзи. При реализации системы автоматизации на базе этих контроллеров оценивается воздействие солнечной радиации, освещенность, температура, наличие людей в помещении, и в результате обработки этой информации осуществляется управление фэнкойлами, осветительными приборами и жалюзи. Набор этих функций позволяет очень гибко осуществлять управление микроклиматом путем подбора различных комбинаций режимов работы устройств, что препятствует перегреву помещений и одновременно снижает нагрузку на систему кондиционирования. Однако вряд ли реализация данной функции в отдельном здании позволяет назвать его «интеллектуальным».
        3.1. Взаимодействие АСУД с системами безопасности.
        Одной из особенностей организации инженерных систем зданий в нашей стране, связанное, главным образом, с менталитетом, является особое положение службы безопасности объекта. Служба безопасности, как правило, уже на уровне технического задания требует ограничения доступа ко всему, что связано с безопасностью, т. е. инженерные системы отделяются от систем контроля доступа, охранного телевидения и т. д. Мировой опыт показывает, что очень выгодно использовать комплексные решения, когда, например, один датчик используется в системе контроля доступа, климатических системах (отопление, вентиляция, кондиционирование), для управления освещением. В настоящее время существующие технологии позволяют гибко реализовать подобную задачу. В частности, один из объектов в нашей стране, на котором такая концепция реализована, - центральный железнодорожный вокзал одного из областных центров России, где была разработана комплексная система высокого уровня, включавшая, помимо устройств автоматизации и диспетчеризации инженерного оборудования систему безопасности в виде охранного телевидения, охранную систему, пожарную сигнализацию. В итоге на одном мониторе можно отслеживать и параметры работы инженерных систем, «картинку» с охранного телевидения и прочую информацию. В случае, например, срабатывании пожарной сигнализации определена последовательность действий по локализации возгорания, что значительно уменьшает влияние «человеческого фактора» в данной экстренной ситуации. Таким образом, с технической точки зрения система безопасности может быть объединена с системой автоматизации поддержания климата. Один аспект подобного объединения – совместное использование датчиков, например, для определения нахождения людей в определенных помещениях.
        Второй аспект – система безопасности, она предъявляет определенные требования, например, поступление сигнала «Пожар» должно привести к отключению систем вентиляции, включению подпора воздуха в задымленную зону, открытие замков на дверях путей эвакуации.
        3.2. Взаимодействие с системой электроснабжения.
        В процессе проектирования АСУД особое внимание следует уделять сопряжению этой системы с системой электроснабжения здания. Техническое задание на систему автоматизации выдается разработчикам систем автоматизации, но достаточно часто не доводится до сведения разработчиков систем электроснабжения, или разработчик систем электроснабжения не учитывает пожелания разработчиков систем автоматизации. В результате, например, управление освещением осуществляется от одного датчика, никак не связанного по шине связи с общей системой управления, и при выходе этого датчика из строя освещение будет гореть постоянно, а данную неисправность будет сложно оперативно локализовать.
        Важным вопросом является качество поставляемой электроэнергии. Производители оборудования автоматизации накладывают определенные ограничения по качеству электроэнергии.
        Если в случае использования автономного источника энергоснабжения требуемое качество электроэнергии обеспечить достаточно просто, то при использовании внешнего источника энергоснабжения возможны проблемы с оборудованием. Для предупреждения подобных проблем необходимо осуществлять мониторинг качества электроснабжения путем установки дополнительных датчиков напряжения, силы тока, частоты и т. д.


        4. Запуск и эксплуатация АСУД.


        Использование современных технологий привело к тому, что сам процесс пусковых, настроечных и проверочных работ становится очень важен и сложен. Просто купив оборудование, с ним ничего нельзя сделать без проведения пуско-наладочных работ.
        Зачастую оборудование поставляется по относительно низким ценам, но затем больших затрат требует процесс его наладки, необходимое программное обеспечение стоит дополнительных денег, и поставляется только производителем оборудования или несколькими уполномоченными компаниями-представителями. Автор настоящей статьи, исходя из своего опыта, рекомендует при всех прочих равных условиях, выбирать производителя не «нагружающего» конечного пользователя подобными издержками. Можно представить себе случай, когда посреди зимы выходит из строя оборудование отопительной системы. За восстановлением придется обращаться в компанию-представитель, зачастую ее филиал находится не в каждом городе. Весь процесс оплаты и получения, вышедших из строя комплектующих, может растянуться на недели, и это зимой, когда время идет на часы. Автор рекомендует использовать оборудование тех производителей, которые не делают из своих поставщиков и установщиков закрытую касту, а предоставляют всю необходимую информацию в открытом доступе, используют в своих изделиях широко распространенные комплектующие.
        Безусловно монтажные и пуско-наладочные должны выполнять специалисты своего дела, изучившие проектную документацию и инструкции на оборудование, но не стоит делать из процесса какой-то фетиш. С точки зрения автора любой специалист, имеющий в дипломе квалификацию «Инженер» обязан справится с этой задачей.
        Важнейшим критерием профпригодности специалистов организации, выполняющей пуско-наладочные работы, является детальное понимание процессов проистекающих в установке на всех режимах ее работы. Например, когда завершен монтаж вентиляционной установки, осуществляется предварительный пуск в ручном режиме - проверяется работа, правильность направления вращения вентиляторов, насосов и т. д., затем механическая обкатка в течение 72 часов на предмет натяжки ремней, после осуществляется подбор и выставление необходимых параметров, регулирование и т. д. Зачастую процесс наладки занимает длительное время, ведь неграмотный подход к этому вопросу может привести к выходу оборудования из строя, а еще хуже – вызвать аварийную ситуацию. Все эти факторы повышают важность проведения пуско-наладочных работ, и одновременно требования к службе эксплуатации, поскольку эксплуатировать оборудование становится все сложнее.
        В идеальном случае даже крупные объекты, могут управляться всего несколькими операторами, как правило, по числу подразделений: подразделения тепло- и холодоснабжения, электроснабжения, системы ОВК, водоснабжение и водоотведение, прочие системы. В этом случае, квалификация этих специалистов должна быть очень высокой.


        5. Заключение.


        Автоматизация и диспетчеризация инженерных систем - быстро развивающаяся, но сравнительно молодая область техники. Внедрение автоматической системы позволит серьезно снизить расходы на содержание здания, снизит риск человеческого фактора, обеспечит комплексную защиту жизни и здоровья людей, поможет в предотвращении серьезных аварий, обеспечит комфортные условия проживания. Обращение в нашу компанию позволит избежать грубых ошибок и тупиковых решений при реализации ваших задач.