La automatización de edificios, o tecnología de edificios inteligentes, es un mercado en rápido crecimiento. ABB ostenta una sólida posición en la automatización de edificios con, por ejemplo, productos basados en KNX [1], la primera norma abierta del mundo para el control de edificios inteligentes industriales, comerciales o residenciales. ABB también destaca en la electrificación de edificios, lo que le permite ofrecer soluciones de automatización y suministro de alimentación eléctrica en un único paquete integrado. En el futuro, otros ámbitos, como la interacción con la red, la generación local de energía y la movilidad eléctrica, se conectarán más estrechamente con el edificio y lo tratarán como el agregador central de información y soluciones digitales.
Sin embargo, edificios comerciales como oficinas, hoteles o centros educativos, que a menudo cuentan con miles de dispositivos de automatización, no suelen presentar muchos elementos comunes en cuanto a la funcionalidad y electrificación de los edificios. Esta individualidad conlleva una complejidad que encarece la planificación, ingeniería, construcción, puesta en servicio, funcionamiento y mantenimiento del edificio. La integración de múltiples tecnologías y proveedores, habitual en los edificios comerciales, aumenta aún más la complejidad→1,2.
Asimismo, a lo largo de la vida útil de un edificio intervienen más roles que el propietario o el ocupante del mismo; por ejemplo, consultores de ingeniería, integradores de sistemas, instaladores mecánicos y eléctricos y administradores de instalaciones. A menudo, estos participantes son clientes de ABB y también deben adaptarse a la creciente complejidad, así como afrontar la presión del tiempo, la ineficacia de las herramientas, las exigencias de los clientes en materia de ecosistemas abiertos o los nuevos requisitos normativos.
Estas problemáticas plantean la siguiente pregunta: ¿Qué flujos de trabajo, herramientas y tecnologías pueden utilizarse en la automatización de edificios para hacer frente a todos estos desafíos y apoyar soluciones eficientes en cuanto al tiempo y más integradas e interfaces abiertas?
Frustraciones y alegrías
Para responder a esta pregunta, ABB llevó a cabo un proyecto de investigación que se centró en las primeras fases de la vida útil de la automatización de edificios comerciales, es decir: planificación, ingeniería y puesta en servicio→3. Este alcance aborda los desafíos mencionados y, en consecuencia, muchas de las frustraciones de los clientes de ABB. Numerosos aspectos del trabajo también pueden aplicarse a los hogares inteligentes.
Las principales peticiones de los clientes en esta fase de la automatización de edificios son:
- Seguir la tendencia de la especificación basada en la función.
- Compatibilidad con proyectos de múltiples tecnologías y proveedores.
- Asegurar la continuidad de los flujos de trabajo, desde el diseño hasta las operaciones, sin pérdida de información ni necesidad de trabajo manual.
- Avanzar hacia ecosistemas abiertos, pero funcionalmente integrados.
Especificación basada en la función significa que, durante la fase de planificación, la funcionalidad de la automatización del edificio se especifica independientemente de la tecnología, proveedores, dispositivos, etc. Esta especificación suele basarse, por ejemplo, en la norma VDI 3813 [2] para las funciones de automatización de salas.
La mayoría de los propietarios de edificios y, por lo tanto, consultores e integradores de ingeniería, quieren combinar soluciones inmejorables para lograr la funcionalidad de automatización que desean. Por lo tanto, pueden elegirse diferentes tecnologías, por ejemplo: KNX para automatización de salas, BACnet para calefacción central y ventilación y ZigBee para trabajos de readaptación o lugares de instalación donde el cableado puede resultar costoso. Además de toda esta variación, pueden elegirse diferentes proveedores para diversos tipos de dispositivos.
La continuidad de los flujos de trabajo presenta varios aspectos:
- Actualmente, se utilizan diversas herramientas desde la planificación hasta las operaciones. Estas herramientas no suelen incluir interfaces bien definidas.
- El traspaso entre roles suele realizarse a través de documentos impresos o en formato PDF. Esta transferencia no puede tramitarse de forma automática.
- La capacidad de uso plantea en ocasiones un problema, especialmente si resulta necesario integrar varias tecnologías y dispositivos de distintos proveedores, en la mayoría de los casos a través de diferentes herramientas.
Un ecosistema abierto permite la continuidad de los flujos de trabajo, ya que garantiza la interoperabilidad al tiempo que ofrece suficiente flexibilidad y capacidad de ampliación para nuevas tecnologías o alianzas tecnológicas. Las ventajas para el cliente de la solución propuesta por ABB que surgieron del proyecto de investigación son:
- Especificaciones funcionales basadas en normas
- Mejora de la eficiencia en el uso del tiempo mediante la automatización del mayor número posible de pasos.
- Una cadena de herramientas continua y un modelo de información unificado para evitar trabajo manual propenso a errores.
- Un concepto de paquete de dispositivos que ofrece una forma normalizada de integrar dispositivos con diferentes tecnologías y proveedores.
- Una plataforma de software modular con interfaces bien definidas para integrarse con las herramientas existentes, por ejemplo, ETS para KNX o servicios en la nube.
Descripción general de la solución propuesta
El elemento clave para todas las fases de la vida útil que se describen a continuación es el modelo de información unificado (UIM) de ABB. UIM es un modelo de dominio que describe y estructura toda la información necesaria durante la vida útil del sistema de automatización de edificios. Además, ofrece varios puntos de entrada y métodos de implementación. Los puntos de entrada son, por ejemplo, la estructura del edificio, las funciones de automatización o los dispositivos instalados. Para el prototipo, ABB decidió implementar una única instancia del UIM para todas las fases de la vida útil con OPC UA (Arquitectura Unificada OPC) [3], al tiempo que proporcionaba interfaces adicionales.
En primer lugar, se definieron claramente los pasos reales del flujo de trabajo desde el diseño del edificio hasta las operaciones, que eran comunes en todos los dominios y regiones geográficas→4. Durante la fase de planificación, las tareas habituales consisten en definir la estructura del edificio, la funcionalidad de la automatización y, por último, elaborar un documento de licitación. La planificación es completamente independiente de tecnologías y proveedores, ya que aún no se tienen en cuenta los dispositivos reales.
Durante la fase de ingeniería, las principales tareas consisten en seleccionar los dispositivos reales de automatización del edificio que cumplen las especificaciones indicadas y realizar una primera configuración de alto nivel, por ejemplo, los niveles de atenuación de los interruptores de luz o los valores de consigna de temperatura predeterminados para los actuadores de la calefacción. En función de la región, el proyecto y el cliente, el integrador de sistemas puede elegir dispositivos de su propio catálogo de proveedores preferentes u obtener una lista de dispositivos ya instalados de los instaladores mecánicos y eléctricos. Esto significa que la solución propuesta debe adaptarse a diferentes implementaciones del flujo de trabajo general. En este paso ya están involucrados los dispositivos reales, por lo que se requieren conceptos de integración de múltiples tecnologías y proveedores. El elemento principal de la solución de ABB en este paso es el nuevo concepto de paquete de dispositivos, que permite establecer, de una manera normalizada, una correspondencia desde los dispositivos reales y sus detalles tecnológicos hasta la abstracción funcional de la fase de planificación.
Durante la puesta en servicio, una de las tareas habituales es la configuración detallada de los parámetros específicos de la tecnología, así como la detección de los dispositivos de automatización y el proceso de descarga de la configuración a los mismos. Algunas tecnologías incorporan herramientas de puesta en servicio obligatorias, como KNX con su herramienta ETS. En la solución de ABB, las herramientas existentes se integran directamente en el flujo de trabajo. Con los sistemas que incorporan múltiples tecnologías, también se requiere un dispositivo, el "centro de automatización", que pueda comprender los distintos segmentos tecnológicos, traducir entre ellos y, potencialmente, ejecutar también funciones avanzadas. El centro de automatización forma parte de la fase de operaciones, aunque también puede utilizarse para la puesta en servicio de tecnologías como ZigBee, que no requieren una herramienta de puesta en servicio independiente.
Elementos clave de la solución propuesta
Los elementos clave de la solución son prototipos de herramientas, plataformas de software, elementos tecnológicos como el UIM y paquetes de dispositivos, así como herramientas existentes como, por ejemplo, ETS.
Herramienta de planificación e ingeniería
Este prototipo de herramienta→5 se basa en HTML5 y puede empaquetarse como una herramienta web o una versión de escritorio independiente. La herramienta cubre la mayoría de los aspectos de la planificación, ingeniería y puesta en servicio. Permite que los usuarios puedan crear una estructura de edificio y una especificación funcional de forma ágil, por ejemplo, ofreciendo una biblioteca de bloques de funciones VDI 3813, macros personalizadas, funciones de búsqueda y filtrado, validación automática e importación BIM (modelado de información de construcción) de la estructura del edificio. Es posible crear un documento de licitación, o bien guardar el proyecto y enviarlo a un integrador de sistemas. Para la fase de ingeniería, los dispositivos pueden seleccionarse de un catálogo mediante la función arrastrar y soltar. Además, pueden configurarse los canales básicos y los parámetros semánticos. El uso eficiente del tiempo y la facilidad de uso se garantizan mediante la búsqueda y el filtrado de dispositivos (por ejemplo, por tecnología o proveedor), la preselección de dispositivos válidos para bloques de funciones específicos, la importación de catálogos de dispositivos personalizados, las sugerencias de herramientas o la definición de plantillas. Finalmente, se ofrece la exportación de archivos a ETS, así como la detección de dispositivos ZigBee y la descarga de información en los mismos.
Paquete de dispositivos
Con el propósito de facilitar o automatizar la selección de dispositivos para una especificación funcional, este recurso describe la funcionalidad de un dispositivo y una asignación de parámetros específicos de la tecnología a los parámetros semánticos. El concepto de ABB ofrece una alternativa normalizada, basada en esquemas XML, para crear estas descripciones de dispositivos. Asimismo, se permite reutilizar e integrar la información existente, como los archivos KNXprod, que simplemente tienen que ampliarse con la información de la asignación semántica. El enfoque es aplicable a diversas tecnologías.
Generador de configuraciones
Este elemento forma parte de la herramienta de planificación e ingeniería y automatiza completamente la tarea de configuración específica de la tecnología. Es decir, se implementan reglas y heurística para generar automáticamente una configuración completa, válida y funcional, por ejemplo, para la parte KNX de un sistema de automatización de edificios.
Aplicación de importación de ETS
Este prototipo de herramienta obtiene la exportación específica de KNX de la herramienta de planificación e ingeniería creada por el generador de configuraciones e importa y traduce la información completa al modelo de datos de la herramienta de puesta en servicio ETS, que es obligatoria para los dispositivos KNX. La decisión de diseño consiste en reutilizar las herramientas disponibles, pero también en permitir que un usuario adapte la configuración generada automáticamente antes de la descarga, si es necesario.
UIM
Este elemento proporciona un modelo estructural de toda la información necesaria y garantiza la inteligibilidad y portabilidad de la información gracias a la correcta definición de su estructura, puntos de entrada y semántica. El UIM utiliza como base normas como el modelo OPC UA DI (integración de dispositivos) [4] y define un pequeño modelo central con puntos de extensión para la semántica, así como tecnologías en la parte superior→6. Por lo tanto, es modular y fácil de mantener a la vez que abierto y extensible; y admite el uso de varias semánticas y tecnologías en paralelo. ABB implementó el UIM en un servidor OPC UA y lo utiliza durante toda la vida útil de un edificio.
Centro de automatización
Este prototipo de herramienta es una plataforma de software modular y flexible con el UIM como módulo central. El centro de automatización envuelve el servidor OPC UA con varias interfaces, como REST u oBIX, para facilitar la integración, por ejemplo, en servicios en la nube. Puede empaquetarse con módulos adicionales para servicios avanzados como una plataforma completa para la fase de operaciones y puede ejecutarse, por ejemplo, en una Raspberry Pi Model B+. También puede empaquetarse como un módulo único junto con la herramienta de planificación e ingeniería, y almacenar y proporcionar de forma transparente toda la información necesaria sin que el usuario conozca su ubicación.
Estudio de viabilidad y racks de demostración
Todos los conceptos y elementos clave mencionados se han aplicado e integrado en un rack de demostración para validar la viabilidad y permitir el debate con las partes interesadas en el proyecto. El rack representa una sala de reuniones en un edificio de oficinas que está equipada con funciones avanzadas de automatización, como control de luz constante, calefacción y ventilación, detección de presencia y sensores de ventana. Los dispositivos instalados proceden de diversos proveedores y utilizan KNX (iluminación, interfaz de usuario, detección de presencia), BACnet (control de la calefacción y ventilación, interfaz de usuario) y ZigBee (sensor de ventana) como tecnologías diferentes para garantizar la relevancia y la heterogeneidad. Todas las actividades de planificación e ingeniería se realizaron con los prototipos descritos anteriormente. En el caso de KNX, se utilizó la configuración automática. Para BACnet y ZigBee, se utilizó la función de detección y descarga del prototipo de herramienta de ABB, lo que significa que solo se utilizaron los perfiles y objetos estándar de esas tecnologías. Cabe mencionar que los prototipos siguen aplicando algunas simplificaciones y no están completamente equipados, sino que se centran en las características clave más complejas.
Las primeras sesiones de demostración y retroalimentación con los clientes confirman que los conceptos propuestos y los estudios de viabilidad abordan los desafíos reales de los clientes y que estos aprecian valiosos beneficios en estos conceptos para desempeñar su trabajo diario y dominar la transición a la era de la digitalización. Los futuros trabajos de investigación abordarán temas que no se incluyen en el alcance del presente proyecto, como la integración con la electrificación, la gestión del ciclo de vida de los modelos o la incorporación de características requeridas por tecnologías, segmentos de mercado o roles de usuario específicos.
Reconocimientos
Este artículo no habría sido posible sin las ideas, el trabajo y la dedicación de todo el equipo y las partes interesadas del proyecto. Agradecimiento especial a Roland Braun, Florian Kantz, Somayeh Malakuti, Johannes Schmitt, Katharina Stark, Michael Vach, Retus Cathomen, Jens Czudai, Dirk John y Christian Lehnert.
Referencias [1] KNX Association. Disponible: http://www.knx.org[2] VDI, “VDI 3813: Building automation and control systems (BACS), Room control”, mayo 2011.[3] IEC, “IEC TR 62541-1 OPC unified architecture - Part 1: Overview and concepts”, oct. 2016.[4] IEC, “IEC TR 62541-100 OPC unified architecture - Part 100: Device Interface”, marzo 2015.
Autor: Thomas Gamer, Investigación Corporativa de ABB, Ladenburg, Alemania, thomas.gamer@de.abb.com
