Cílem článku je shrnout zásady a technická řešení pro instalace a propojování bezpečnostních systémů využitelných v „inteligentních“ budovách a posoudit jejich vhodnost pro konkrétní použití. Jsou uvedena základní možná řešení, a to především ve vztahu k poplachovým, zabezpečovacím a tísňovým systémům (PZTS) a elektrické požární signalizaci (EPS), včetně vazby na aktuálně platné normy a legislativní předpisy. Autor poukazuje na některé rozpory dané technickou praxí a platnou normou a navrhuje směr, jak tento rozpor eliminovat.
This article aims to summarize the principles and technical solutions for the installation of security and networking systems for use in „intelligent“ buildings and assess their suitability for a particular deployment. They define the basic possible solutions, especially in relation to security systems (I&HAS) and fire protection systems (FPS), including links to the currently applicable standards and regulations. Author points out some inconsistencies of the engineering practice and applicable design standards, including direction as to eliminate this discrepancy.
Úvod
V současné době je již zcela běžné, že v rámci objektu jsou paralelně instalovány informační systémy (počítačové sítě, telefonní sítě, rozvody zvuku a obrazu), bezpečnostní systémy (poplachové systémy, kamerové systémy, přístupové systémy, protipožární systémy, systémy ochrany proti výbuchu, systémy proti zaplavení atd.) i rozsáhlé technické systémy (klimatizace, větrání, topení, výtahy, technologické linky). Následkem toho je ze strany uživatele objektu vyvíjen stále větší tlak na centralizaci správy instalovaných systémů, jejich propojování a v konečné instanci i jejich vzájemné ovlivňování a možnost optimalizace provozu a autodiagnostiky.
Tento trend se projevuje již desítky let, výsledky však nejsou nijak výrazné. Integrace mnoha vnitřních systémů je sice často technicky možná, ohledně spolehlivosti, bezpečnosti i z pohledu platných norem však značně problematická. Vzhledem k tomu je tedy nejdříve nezbytné stanovit parametry systémů využívaných v různých typech objektů a následně posoudit jejich vhodnost pro případnou integraci. Teprve poté je možné určit způsoby integrace, a to s ohledem na zachování nezbytných provozních, technologických a především bezpečnostních podmínek.
Historie a vývoj
První „inteligentní dům“ byl v 60. letech 20. století prezentován v Japonsku [3]. Tak, jak bylo v té době moderní, veškeré funkce technických zařízení budovy řídila centrální jednotka – dnes by byla označena jako řídicí počítač. Tyto úvodní praktické pokusy se však nesetkaly s velkým zájmem techniků ani stavebníků, a nebyly tedy výrazněji uplatněny v praxi.
Zhruba o deset let později, počátkem 70. let minulého století, způsobily energetická krize a prudký nárůst cen ropy opětovné vzkříšení zájmu o tento projekt. Především proto, že tato myšlenka mohla vést k výraznému a celosvětovému snížení spotřeby elektrické energie při vytápění budov, osvětlení a používání klimatizace, a to při celkovém zlepšení uživatelského pohodlí. Poměrně rychle bylo dosaženo prvních úspěchů – mnoho, především německých výrobců začalo nabízet nejenom kvalitnější otopné a další systémy, ale obzvláště nově koncipované, navzájem spolupracující elektrické instalace. Za počátek zrodu jednotné koncepce inteligentní elektroinstalační techniky lze považovat rok 1987, v němž založily firmy Berker, Gira, Merten a Siemens společnost Instabus Gemeinschaft. Jejich cílem bylo vyvinout systém pro měření, řízení, regulaci a sledování provozních stavů v budovách [3], [4].
Následně začaly vznikat nástroje a protokoly umožňující jednotlivé systémy propojovat. Je však pravda, že v současné době stále není jednoznačně řečeno, co to vlastně „inteligentní dům“ je. V tomto článku bude učiněn pokus definovat pojem inteligentní budovy alespoň s ohledem na provázanost s vnitřními bezpečnostními systémy.
V dnešní době je již celkem přesně legislativně stanovena činnost a funkce zabezpečovacích systémů (dříve označovaných jako elektronické zabezpečovací systémy – EZS, nyní poplachové zabezpečovací a tísňové systémy – PTZS) [7] i protipožárních a hasicích systémů (elektrická požární signalizace – EPS a stabilní hasicí zařízení – SHZ). Bouřlivým vývojem a normalizací v současnosti prochází oblast kamerových systémů (především IP kamer, ale i uzavřených televizních okruhů – CCTV). Jednotliví výrobci i specializované společnosti se pokoušejí o jistý stupeň propojování systémů, narážejí však na významné technické, technologické, a především legislativní (a také komerční) problémy. Tyto problémy budou popsány v následujících odstavcích, neboť jsou klíčové pro korektní a smysluplnou integraci bezpečnostních systémů do řídicích systémů budov.
Charakteristika současného stavu
Přesná a obecná definice pojmu inteligentní budova neexistuje. Je však možné vymezit různá hlediska, podle kterých lze tento pojem parciálně definovat. Pro základní potřeby tohoto pojednání postačí, když bude problematika inteligentní budovy zjednodušena z hlediska architektonického, automatizačního a komunikačního.
Z architektonického hlediska jde o budovu, která svým řešením zajišťuje maximální energetickou úspornost. Je mnoho způsobů, jak tohoto dosáhnout. Od základního umístění budovy, přes její orientaci, použité materiály, zvolené stavební technologie až po svědomité a precizní provedení práce. Definice inteligentní budovy z architektonického hlediska není pro problematiku řídicích a komunikačních systémů relevantní. Pouze lze konstatovat, že při vypracovávání návrhu konstrukce architektonicky inteligentní budovy je zpravidla nutná spolupráce architekta s projektanty vnitřních systémů budovy.
Z pohledu automatizačního a komunikačního je termín „inteligentní budova“ vyhrazen pro takový objekt, kde je soubor všech (nebo většiny) instalovaných vnitřních systémů (PZTS, CCTV, EPS, klimatizace, vytápění, stínicí technika, multimédia, počítačové a komunikační systémy) propojen do jednoho ovládacího prvku. Z hlediska uživatele lze takovou integrací nejen ušetřit určité náklady na samostatnou instalaci jednotlivých systémů, ale také výrazně eliminovat redundantní ovládací prvky [9], značně zjednodušit ovládání a zpravidla výrazně zlepšit komfort ve vnitřních prostorách objektu.
To však nejsou jediné důvody pro integraci vnitřních systémů budovy. Pro budoucího majitele objektu je důležitá úspora energií. Například inteligentní termostaty mohou regulovat teplotu podle potřeby (osvit sluncem, přítomnost osob, vliv dalších zdrojů tepla) v konkrétních, právě využívaných místnostech. U soukromých objektů je zajímavé, lze-li ohřívat teplou užitkovou vodu pouze tehdy, když je někdo doma, nebo je možné odpojit vyhřívání radiátorů v místnostech, kde je otevřené okno (propojení topení s bezpečnostním systémem). Integrované instalace jsou nejen stále častěji využívány k řízení osvětlení, žaluzií, vytápění, klimatizace, ventilace a podobných funkcí budov, ale spolupracují s celým spektrem dalších zařízení, např. se slunečními kolektory nebo střešními fotovoltaickými elektrárnami. Kooperují také se systémy PZTS a EPS, přičemž tyto funkce mohou zajišťovat bez nutnosti používat nezávislé bezpečnostní systémy. Stále běžnější je spolupráce i s moderními audio- a videopřehrávači. Budoucností integrovaných instalací je zvládnutí všech funkcí, které jsou vytvořeny pro komplexní provoz technických zařízení budovy a jejího okolí. Současné představy zacházejí dokonce do situací, kdy takto pojatá instalace bude samostatně rozhodovat – bude bezprostředně reagovat na chování, jednání a pocity uživatelů objektu. Teprve tehdy bude skutečně pravdivý doposud neoprávněně používaný termín „inteligentní instalace“. První pokusy v této oblasti již existují – za připomenutí stojí např. systém STAY-D kanadské firmy Paradox Ltd. V tomto systému se v závislosti na chování uživatele objektu upravuje nastavení chování bezpečnostního systému. Takový systém není nutné obvyklým způsobem zapínat a vypínat, protože (do jisté míry) předpovídá požadavky na zabezpečení objektu podle pohybu (chování) osob v objektu.
Principiálně existují dva způsoby řízení systému inteligentní budovy. Historicky starší a stále nejvíce používaný je systém s centrální jednotkou. Tento způsob má své výhody především v jednoduchosti implementace informačního systému – lze použít obvyklé nástroje pro informační systémy s centrální správou. Objevují se zde však obtíže při rozšiřování systému, jeho modernizaci a integraci nových modulů. Problémem je však také spolehlivost centrálního systému. Je to v podstatě podobné, jako by byl např. internet založen na jediném centrálním řídicím uzlu (serveru).
Modernější a nepochybně koncepčnější způsob řízení systému inteligentní budovy je založen na distribuovaném systému řízení, tedy bez centrální jednotky, popř. s centrální jednotkou jednotlivých modulů komunikujících na inteligentní sběrnici mezi sebou. K přesunu informací mezi moduly je potom využíván specializovaný protokol. Tento způsob má mnoho výhod především z hlediska perspektivy rozvoje – lze bez problémů doplňovat nové moduly (se standardizovanou sběrnicí) a ani projektant, a následně ani uživatel objektu nejsou vázáni na dané řešení konkrétního výrobce. Je také možné poměrně snadno charakterizovat úzká místa systému. Základní nevýhodou je nutnost důsledné předběžné analýzy informačního systému daného objektu, kvalitně navržená a realizovaná instalace a dobře zaškolená obsluha. Také cena tohoto řešení bývá výrazně vyšší než při využití centrálního modelu řízení technických zařízení budovy.
Centralizovaný systém tedy obsahuje centrální řídicí jednotku, která je propojena pomocí sběrnice s ostatními prvky. Informace ze snímačů jsou posílány do centrální jednotky, kde jsou zpracovány, a výsledné informace jsou posílány do akčních členů. Výhodou jsou levné snímače a akční členy, nevýhodami složitější funkce centrální jednotky, nutnost propojení centrální jednotky se všemi ostatními prvky systému a celková menší spolehlivost systému, nepříznivě ovlivněná spolehlivostí centrální jednotky a nezálohovanou architekturou.
Decentralizovaný systém obsahuje jednotlivé prvky propojené komunikační sběrnicí, po které si navzájem posílají informace. Není zde žádný centrální prvek, tzn. že všechny prvky jsou si rovnocenné. Výhodami jsou jednodušší a levnější propojení mezi prvky, variabilita systému a velká odolnost celého systému proti poruše jednotlivého prvku. Nevýhodou je vyšší cena prvků, které musí obsahovat řídicí a komunikační modul.
Při rozhodování o volbě konkrétního způsobu integrace systémů je rovněž třeba zvážit míru vybavení budovy, úroveň technických zařízení a možnost jejich integrace (obr. 2). Z obrázku je zřejmé, že z pohledu integrace systémů inteligentních budov nyní nastala etapa, kdy jsou jednotlivé moduly integrovány především prostřednictvím komunikačních systémů známých z kancelářské výpočetní techniky. Tento postup je výhodný z hlediska ceny a snadné integrace systému, je však zcela tragický z pohledu integrace bezpečnostních systémů. Je-li za základ vzat převažující typ komunikace kancelářských počítačových sítí (protokol TCP/IP v sítích Ethernet) a dále v potaz vzata spolehlivost běžných síťových prvků, lze vyvodit, že předpokládaná spolehlivost takto integrovaných bezpečnostních systémů bude řádově menší, než je spolehlivost existujícího neintegrovaného modulárního systému – viz např. [10], [11]. A to je klíčový problém integrace bezpečnostních systémů do současného modelu projektů inteligentních budov. I když je odhlédnuto od konfliktu s normami (normy neumožňují integraci systémů PZTS a EPS do nadřízených systémů s obousměrnou komunikací), je cesta integrace prostřednictvím TCP/IP a běžných kancelářských serverů, ale částečně i prostřednictvím programovatelných automatů zcela chybná a v dlouhodobé perspektivě se objeví podobné problémy, jako řeší v dnešní době internet s rezervací a řízením datových toků apod., ovšem s tím rozdílem, že v případě bezpečnostních systémů jde již o výrazně více než o načtení webové stránky či e-mailu.
Sběrnice pro inteligentní budovy
Společnosti zabývající se integrací systémů budov jsou si tohoto problému vědomy. Řeší jej zvyšováním spolehlivosti jednotlivých prvků (což zvýší cenu) a optimalizací přenosu (samoopravné kódy a šifrovací algoritmy – což zvětšuje množství přenášených dat, a tedy opět zvyšuje riziko poruchy přenosu). V současnosti již byla stabilizována nabídka základních průmyslových sběrnic využívaných k integraci systémů řízení technických zařízení budov.
KNX/EIB
V Česku je pravděpodobně nejpoužívanější sběrnice KNX/EIB, což je evropská sběrnice pro průmyslový komunikační systém, který se v systémech pro řízení techniky budov používá pro datové spojení snímačů, akčních členů a regulačních, řídicích, obslužných a měřicích zařízení. Implementace KNX/EIB je přizpůsobena elektrotechnické instalaci. V principu jde o decentralizovaný sběrnicový systém. Každý z připojených prvků má jedinečnou fyzickou adresu, jež je určena k jeho identifikaci. Komunikace mezi jednotlivými prvky probíhá prostřednictvím sběrnice, po níž jsou vysílány telegramy obsahující instrukce, jak se má cílový prvek zachovat. V základu se prvky dělí na snímače a akční členy. Každý snímač či akční člen v sobě obsahuje aplikační program, konfigurovatelný pomocí softwarového nástroje ETS. Z toho vyplývá, že prvky je možné jednoduchou změnou aplikačního programu přizpůsobit požadavkům klienta a systému. Ve své podstatě se tedy tento způsob komunikace podobá jednoduché síti peer-to-peer s komunikací řízenou pomocí MAC adres počítačů (např. bývalý systém Lantastic).
KNX/EIB podporuje propojení různými přenosovými médii, od kabelu UTP, přes adaptéry Power Line Communication a bezdrátové sítě (zpravidla 868 MHz) až po rozvody optickým vláknem. Komponenty s touto sběrnicí dodává mnoho výrobců. Základní nevýhodou je malá spolehlivost (dána způsobem přenosu telegramu) a poměrná těžkopádnost při konfiguraci rozsáhlejších systémů.
LonWorks
Ve světě je zřejmě používanější systém LonWorks se svým protokolem LonTalk. V Evropě se tento systém rozšířil právě jako komunikační sběrnice v inteligentních budovách. Jeho použití je však výrazně širší, známé jsou např. projekty, kde je využit pro řízení vlakové dopravy [3], [9].
Základní přednost tohoto systému je v tom, že zařízení, která jsou v systému použita, mají vlastní „inteligenci“ a jsou napojena na běžnou počítačovou síť. Díky tomu je možné, přestože je sběrnice LonWorks striktně liniová (podle standardu EN 14908), využít klasickou počítačovou stromovou strukturu, což výrazně zjednoduší (a zlevní) vlastní instalaci i následné oživení systému. Protože základem této technologie je čip zvaný Neuron, lze použít téměř jakékoliv přenosové médium bez nutnosti určit komunikační protokol mezi komponentami.
BACnet
Označení BACnet (Building Automation and Control Network) má komunikační systém využívaný v automatizaci budov, ve kterém si zařízení i subsystémy mohou vzájemně vyměňovat informace (klasické je tedy jeho použití nad sběrnicí KNX/EIB, lze jej však použít i pro subsítě LonWorks). BACnet se rozšířil po celém světě a od roku 2004 byl normalizován i v ČR jako ČSN EN ISO 16484-5. Celý komunikační systém je založen na objektovém přístupu. Komponenty jsou reprezentovány objekty, které mají své vlastnosti a služby. Výhodou tohoto systému je nezávislost na komunikačním prostředí.
Modbus
Protokol Modbus se nejčastěji využívá k přenosu dat v průmyslových úlohách. Stejně jako BACnet umožňuje komunikaci různých zařízení po různých typech sběrnic. V automatizaci budov nemá takové uplatnění, vyjma případů integrace průmyslových zařízení do automatizace budov.
EnOcean
Velmi zajímavý je systém EnOcean. Jde o čistě bezdrátový systém s distribuovanou inteligencí. Nejčastěji je využíván jako subsystém nadřazeného systému pro řízení budov, lze jej však využít i samostatně. Celý systém se snaží absolutně minimalizovat spotřebu elektrické energie, proto je většinou napájen z alternativních zdrojů, např. při stisknutí tlačítka je energie vynaložená na stisk využita k danému úkolu. Komunikace probíhá na přenosové frekvenci 868 MHz. Signál je kódován, čímž je omezena možnost vzájemného ovlivňování s dalšími přístroji. Dosah v budově je přibližně 30 m, na přímý dohled až 300 m. Základem je řídicí jednotka se vstupními a výstupními moduly, které jsou propojeny pomocí sběrnice [2].
Další sběrnice a protokoly
Méně často používané protokoly jsou např. SNMP a C-bus [6], [8]. Jsou vhodné pro některé speciální úlohy.
Existuje také mnoho dalších moderních sběrnic a protokolů využívaných v domácí automatizaci a využitelných při navrhování inteligentních budov (např. sběrnice CIB používaná společností Teco pro systémy Foxtrot). Jejich masivnímu využití brání nezájem či neznalost projektantů systémů, kteří preferují dva nejvíce používané systémy, KNX/EIB a LonWorks, i přes jejich určité nevýhody.
Závěr
Z pohledu technického řešení je vytvoření tzv. inteligentní a bezpečné domácnosti relativně jednoduché a bezproblémové. V zásadě jakékoliv z probíraných řešení lze bez problémů využít, přičemž rozdíly v použití jednotlivých standardů jsou spíše v obchodní politice velkých společností, které prosazují dané konkrétní řešení (netřeba na tomto místě diskutovat o poněkud těžkopádné koncepci KNX/EIB oproti např. LonWorks a zcela absolutní anarchii okolo protokolů BACnet).
Zcela jiná je však situace, jestliže se o problému uvažuje z hlediska reálného použití a integrace všech systémů budovy z pohledu bezpečnostních systémů. Naprostá většina firem využívajících uvedená technická řešení zcela pomíjí skutečnost, že podle legislativy mohou prvky a celé zabezpečovací systémy instalovat pouze pracovníci a firmy, kteří mají odpovídající koncesi pro instalace zabezpečovacích systémů a certifikát pro daný zabezpečovací systém. A v okamžiku, kdy je bezpečnostní systém připojen prostřednictvím řídicí sběrnice domu (bude tedy provedena integrace), stává se i tato sběrnice podle platného znění normy součástí zabezpečovacího systému, a musí být tedy instalována odpovídající osobou (firmou) s odpovídajícím bezpečnostním ověřením. Ještě vážnější je však problém z pohledu třídy bezpečnosti. Podle normy platí, že bezpečnostní systém má tu třídu bezpečnosti, kterou má prvek systému s nejnižší bezpečnostní certifikací. A po připojení jakéhokoliv prvku bez bezpečnostní certifikace k bezpečnostnímu systému ztrácí celý systém bezpečnostní certifikaci. To je problém především u objektů s předepsanou bezpečností. Pro pojišťovnu je to důvod krátit plnění v případě škodní události.
V dalším, navazujícím článku bude pojednáno o reálných přínosech integrace v různých typech objektů, a především o způsobu, jak řešit problém integrace bezpečnostních systémů.
Literatura:
[1] DUŠEK, B.: Inteligentní budovy a jejich realizace. Prezentace na konferenci Inteligentní budovy 2010.
[2] Netradiční bezdrátový komunikační systém ENOCEAN. Elektrika.cz [online], 2. 7. 2010 [cit. 16. 3. 2011]. Dostupné na <http://elektrika.cz/data/clanky/netradicni-bezdratovy-komunikacni-system-enocean>.
[3] Johnson Controls International: Inteligentní budova (I). TZB info [online], 4. 10. 2002 [cit. 28. 10. 2010]. Dostupné na <www.tzb-info.cz/1143-inteligentni-budova-i>.
[4] Inteligentní budovy. Učební text VOŠ a SPŠ Kutná Hora [online], datum neuvedeno, [cit. 28. 10. 2010]. Dostupné na <www.edumat.cz/texty/Rizeni_budov6.pdf>.
[5] KUNC, J.: KNX/EIB – Inteligentní elektroinstalace. Elektroinstalatér, 2011, roč. 17, č. 1, s. 16–18.
[6] MERZ, H. – HANSEMANN, T. – HÜBNER, Ch.: Automatizované systémy budov. 1. vydání. Grada Publishing, Praha, 2008, ISBN 978-80-247-2377-9.
[7] MIKULA, T.: Konec EZS v Čechách. Orsec [online], 10. 11. 2010 [cit. 2011-03-15]. Dostupné na <www.orsec.cz/cs/informacni-servis/clanky-a-komentare/konec-ezs-v-cechach_38-435/>.
[8] NÝVLT, O.: Přehled protokolů a systémů pro řízení inteligentních budov. Automatizace, 2010, roč. 53, č. 3-4, s. 121–124.
[9] Eurosat: CONCEPT na českém trhu. Stavebnictvi3000 [online], 7/2004 [cit. 1. 4. 2011]. Dostupné na: <www.stavebnictvi3000.cz/clanky/concept-na-ceskem-trhu/>.
[10] MYKISKA, A.: Zabezpečení spolehlivosti technických systémů v období návrhu. Automa, 2001, č. 11, s. 58.
[11] NOVÁK, M.: Obecná hlediska spolehlivosti a bezpečnosti technických systémů. Výzkumná zpráva č. LSS 100/01.
Ing. Zdeněk Votruba
Obr. 1. Příklad integrace systémů inteligentní budovy kancelářského typu (zdroj: [5])
Obr. 2. Konvergence systémů v projektech inteligentních budov (zdroj: [1]; BAS – automatizované systémy určené pro budovy, BMS – systém správy budov, IB I – inteligentní budovy první generace, IB II – inteligentní budovy druhé generace; ostatní zkratky jsou vysvětleny v textu, popř. ve slovníčku zkratek na str. 63