Tecnologías inalámbricas para el control en edificios

Escrito por: Editorial  Especiales, Sectores de la industria

La automatización de edificios, un movimiento global de la rama de la construcción civil que desarrolla proyectos con el objetivo no solamente de reducir el impacto ambiental generado por la construcción, sino de garantizar el confort de sus ocupantes.

Con dispositivos de control para sistemas HVAC, se ahorra energía, incrementa la confiabilidad de sistema y mejora la calidad de estancia de los ocupantes.

Vicente Pérez.

El concepto de automatización de edificios (Building Automation Systems) es amplio y abarca demasiadas especialidades. Por ello, conocer los detalles de mayor relevancia es un aspecto importante. Como dato introductorio, es preciso mencionar que los sistemas controladores en la actualidad ya no requieren de cuotas anuales; con esto, el usuario no tiene la necesidad de casarse con una sola plataforma.

Una recomendación al iniciar el planteamiento en la automatización es buscar tecnologías abiertas que permitan compartir información y redes. Más adelante, se explicarán las funciones de estos estándares, drivers y sistemas.

Las especificaciones de edificios e instalaciones se van modificando para adaptarse a las necesidades de sus usuarios; un buen sistema de automatización debe de tomar en cuenta estos requerimientos. A la vez, cada seis meses existen opciones nuevas en el mercado que ayudan a mejorar el desempeño de los diferentes sistemas que componen la automatización y servicios de nuestra infraestructura. Es muy importante que la tecnología a utilizar tenga la capacidad para tomar estas ventajas.

Primero, el software y las redes empleadas deben abrirse y estar libres de candados, debido a tres razones específicas:

Socialmente responsable. Cuidar los recursos naturales es prioritario en nuestra sociedad. La contaminación y consumo insensato de los recursos energéticos ha sido tema de educación en diversos países de primer mundo y la tecnología en BAS es el canal para lograrlo. Probablemente, el punto más notorio es el consumo de energía eléctrica que en la mayoría de los casos es el mayor costo en la operación de un edificio. Este costo es repartido entre los usuarios. Por esta razón, se trata de un punto que a todos nos interesa.

Seguridad. La integridad de los usuarios de las instalaciones, así como de los activos, es prioridad para los propios usuarios, las autoridades y los departamentos de seguridad, pues el terrorismo y crimen organizado se han convertido en un tema diario en nuestra sociedad. BAS es la principal herramienta para ayudarnos en este importante tema.

Comodidad. Desde que el ser humano se convirtió en sedentario, empezó a diseñar su infraestructura para tener un mejor nivel de vida. Actualmente, la tecnología le ha permitido contar con edificios que conocen a sus visitantes y, de manera automática, les brindan servicios de confort de acuerdo con preferencias preestablecidas o experiencias pasadas.

Es necesario detallar las diferentes especialidades involucradas en el tema, pues son variadas y se dirigen hacia un mismo fin: ahorro económico y seguridad. Dentro de un edificio, existe un número muy amplio de sistemas en operación. Algunos de ellos son HVAC, iluminación, video vigilancia, subestaciones eléctricas, sistemas de control de acceso, alarmas contra incendio, estacionamientos, sistemas de riego y control de redes e internet, entre otros.

El objetivo de la automatización es lograr la centralización de todos ellos en uno sólo para que compartan información y se logre un ahorro considerable de energía, incrementando el confort y la seguridad de los habitantes. La centralización también contribuirá a la obtención de datos, lo que mejorará el proceso de toma de decisiones en el área administrativa.

Lo que podría denominarse como el cerebro y ojos de un edificio inteligente consta de diversas secciones que cumplen funciones específicas:

Sistema central de control. Se trata de una PC que típicamente utiliza Windows y un sistema SCADA (software para monitoreo y control de todos los sistemas anteriormente mencionados). Este software debe tener capacidades de gráficos, tendencias, alarmas y protocolos de comunicación abiertos. Es primordial evitar sistemas que requieran cuotas mensuales o anuales para su operación. Los sistemas nuevos ofrecen este beneficio y otros de gran utilidad. Con internet Explorer (de preferencia) como explorador (la compatibilidad de otros varía), es posible tener esta misma visualización desde cualquier punto remoto; claro está, con los respectivos passwords y medios de seguridad. Estos equipos también deben de estar listos para la integración con PLCs y demás equipos de medición e instrumentos en general.

Sistemas de redes inteligentes. La red como tal puede ser el sistema más grande de un edificio, ya que permite la conexión entre todos los sistemas mencionados anteriormente y es la herramienta para que los usuarios locales y remotos realicen sus labores diarias. Es necesario que el instalador conozca de redes y sistemas de seguridad contra virus y hackers.

Sistemas de I/O flexibles, inteligentes y con múltiples protocolos. En instalaciones destinadas para hospitales, hoteles, universidades, centros comerciales, entre otros, las entradas y salidas (I/O, por sus siglas en inglés) están dispersas en un área muy amplia, a la vez que son de todo tipo. Una parte crítica para la confiabilidad y viabilidad de estos sistemas es contar con módulos de I/O capaces de integrar todas esas opciones.

Interfaces operador. Estos equipos, como su nombre lo indica, son la interface para que los usuarios interactúen con los diferentes sistemas del edificio: aire acondicionado, iluminación, solicitud de servicios, salas de juntas y más. Típicamente, son pantallas o monitores conectados en red al sistema SCADA. Adicionalmente, su diseño estético es importante para cuidar el impacto visual de nuestras instalaciones.

Sistemas de administración de energía. Permiten la conexión y administración de los diferentes equipos de medición de energía. En esta área, la información es guardada para que posteriormente se elaboren reportes detallados de los consumos de energía.

Termostatos inteligentes. Aparatos que interactúan con los sistemas HVAC. Pueden incluir protocolos de comunicación vía cable o inalámbrico, sensores de presencia y funciones avanzadas de control.

Software para la implementación de un sistema de video vigilancia inteligente. Sirve para ver y para tomar decisiones.

Controles de acceso. Como su nombre lo indica, estos equipos nos permiten el acceso de personal a diferentes áreas en nuestras instalaciones. Pueden comunicarse y utilizar redes existentes, incluyendo las redes inalámbricas.

Automatización para aplicaciones pequeñas de muy bajo costo. Soluciones que atienden a las necesidades de casas.

Aplicación y función 

Los edificios inteligentes pueden personalizar sus servicios de acuerdo con las demandas de sus usuarios. El mayor costo lo ocasiona la energía eléctrica, debido a dos factores primordiales: HVAC e iluminación. Para estos dos aspectos, desde hace varios años, se han desarrollado sistemas de control que los vuelven más eficientes al incluir controles avanzados y sensores para detectar usuarios y preferencias. Las redes principales que los utilizan son BACnet y Lonworks (en la página www.bacnet.org es posible obtener información más detallada). Estas redes permiten llevar la información de los sistemas a una central de control conocida como PC, que debe contar con SCADA para que el administrador visualice la comunicación e interoperabilidad de ambos.

Por su parte, el sistema SCADA permite recaudar la información de los equipos que estén conectados a los diferentes tipos de redes; BACnet es una de las más confiables. Existen opciones de redes que se adaptan al sistema en cuestión:

• Interfaces operador: Wi-Fi, Ethernet cableado y Zigbee

• Termostatos inteligentes: BACnet, Lonworks, Ethernet, Zigbee, Modbus

• Sistemas de riego: Wi-Fi, Ethernet, ModBus

• Sistemas de video vigilancia: Ethernet, Wi-Fi

• Subestaciones eléctricas: ModBus, Ethernet

• Control de acceso: Ethernet, Wi-Fi

El sistema corre en plataforma Windows, lo que ayuda a la conectividad con prácticamente cualquier tipo de hardware. A esto se le conoce como OPC estándar de conectividad entre el hardware y software de manera bidireccional, confiable y altamente robusta, incluyendo redundancia (consultar www.opcfoundation.org). Una vez seleccionadas las redes de comunicación, es importante contar con el OPC correspondiente para la conexión al SCADA. Cuando la información llega al SCADA, el software brinda herramientas valiosas para su visualización. Lo primero en presentarse son los gráficos, ya que esto significa la capacidad de animar lo que está sucediendo en realidad; punto que sirve para que el operador se familiarice con la actividad:

• Iluminación encendida

• Sistema de riego operando

• Puerta abierta

• Extractor funcionando

Otra herramienta de los SCADA son las alarmas, las cuales otorgan un mensaje específico de los eventos que el usuario ha configurado. Con esta opción se localizan problemas primordiales:

• Temperatura fuera de rango permitido

• Flujo de aire bajo

• Consumo de kW/h elevado

Un tercer instrumento del sistema son las tendencias que proporciona el software, muy útiles para visualizar información importante (existen todo tipo de tendencias que actualmente se realizan a mano o en Excel con datos adquiridos previamente). Al tomar la información directamente del sistema, se garantizan datos uniformes y sin “maquillaje”:

• Tendencia del consumo de kW/h

• Tendencia de ocupación de personas por hora dentro de un edificio

• m³ de agua consumidos por día

Adicionalmente, el SCADA permite la generación de reportes sobre la información de los demás sistemas del edificio, lo que implica uniformidad y mejores datos. Esta información se genera de manera automática y, al requerirla, el administrador puede echar mano de ella.

Otro de los aspectos importantes en la automatización de edificios son las interfaces, principalmente la del operador. Estas interfaces son PC llamadas clientes. Corren con Windows y mediante un explorador despliegan pantallas e información que se requiere en las diferentes áreas. Pueden ser para el control de acceso o para solicitar servicios: comida del menú del restaurante desde un cuarto de hotel, encender y apagar luces y proyector en una sala de juntas. Utilizar un SCADA, donde el número de pantallas y de clientes es ilimitado, facilita mucho el desarrollo clientes/pantallas.

Un concepto importante en los sistemas SCADA de última generación es su capacidad de generar un web server; esto permite a un número muy amplio de usuarios visualizar al mismo tiempo la información que requieren, sin necesidad de instalar algún software adicional en sus computadoras.

Los sistemas SCADA también permiten la generación de reportes de manera automática. De esta manera, la información de consumos y estado de nuestros edificios siempre le llegará a la persona adecuada.

Redes inteligentes y seguridad

En el área de automatización de edificios el diseño de la red es crítico. Cables, fibras, switches, comunicación inalámbrica, conectividad remota y seguridad representan los elementos más importantes para usuarios y huéspedes en las instalaciones.

Dependiendo del tipo de instalación, se realiza la planeación de la(s) red(es). El objetivo es que los usuarios en estas instalaciones tengan la conectividad que esperan en todos sus dispositivos. Algunos ejemplos típicos son los siguientes:

• Hoteles. En estas instalaciones, es importante contar con redes inalámbricas inteligentes para conectividad de huéspedes. El 80 por ciento son clientes hospedados por necesidades de trabajo. Por esta razón, la conectividad a internet es prioridad. En cada habitación hay equipo que es necesario conectar a nuestro sistema central, como termostatos, interfaces operador y demás. Contar con redes confiables, así como con sistemas de seguridad antivirus, antihackers y hotspots con pantallas de bienvenida, es importante. Por otro lado, se requiere de soporte remoto de personal de IT.

• Centros comerciales. En este tipo de edificios, los diferentes tipos de sistemas y el flujo de usuarios es muy variado. HVAC y sistemas de iluminación serán los sistemas de más alto consumo y son los primeros que debemos considerar para tenerlos en red y poder controlarlos. Desde el punto de vista usuarios, los equipos a conectar son teléfonos móviles, tablets, computadoras y cámaras, entre otros.

• Áreas residenciales. Las redes en este tipo de usuarios deben de considerar la conexión de los diferentes sistemas en cada casa/departamento, como energía eléctrica, agua, controles de acceso o gas; de esta manera, a cada usuario se le asignará su propia facturación dependiendo de su consumo. Adicionalmente, también hay que considerar que los usuarios requieren internet para su uso propio y éste puede ser un servicio adicional que la administración puede ofrecer. En las computadoras residenciales existe información personal importante que hay que proteger contra intrusos; éste es un factor importante a considerar.

Control de demanda

Una opción para lograr ahorros significativos en el costo de los productos es el control de la demanda eléctrica. Este costo representa, en ocasiones, dos tercios de la factura total. Si se analiza partida por partida una factura del servicio eléctrico, se encontrarán dos costos principales. El primero es el consumo eléctrico de HVAC y el siguiente son los costos de iluminación. Es importante el monitoreo y control de estos equipos.

El cobro es proporcional a lo que se consume. Dentro de las distintas tarifas horarias, existen tres periodos durante un día cotidiano: base, intermedia y punta. Habrá, entonces, un cobro por consumo en cada uno de los distintos periodos. Por ello, se debe buscar el aprovechamiento de la electricidad en los horarios más baratos.

En oficinas, áreas residenciales, sólo por mencionar algunos lugares, es importante saber el consumo por residencia u oficina, y con tecnologías actuales es muy sencillo poder tener esta información de manera automática; inclusive, enviar estos datos a cada usuario vía correo electrónico.

Estos reportes son también de mucha utilidad para comparar consumos y eficiencias de sistemas entre diferentes edificios. Algunos ejemplos de esto son los costos por kW/m3 en diferentes partes de nuestras instalaciones o, incluso, en diferentes instalaciones, y poder aprender de estas diferencias.

Controles de temperatura inteligentes

Típicamente en oficinas, áreas residenciales, habitaciones y demás, encontramos los controles de HVAC con los que seleccionamos la temperatura deseada. Este tipo de controles ofrece opciones muy interesantes, con las cuales podemos ayudar a nuestros edificios a cuidar recursos y a tener un mejor control para el confort de nuestros usuarios. Los termostatos inteligentes incorporan varias funciones con un gran valor agregado:

• Interconexión de estos controles de temperatura (termostatos) vía redes inteligentes, ya sea cableados o inalámbricos. La opción inalámbrica es de gran ayuda en instalaciones ya existentes. Esta conectividad entre controladores es importante porque se pueden programar de manera central en caso de que se desee regular temperaturas máximas y mínimas, así como el monitoreo de nuestros sistemas de manera automática. Adicionalmente, estos controladores nos brindan información sobre los equipos HVAC

• Entradas y salidas en el mismo controlador, y con la función de tener estos controladores en red, ayudan a agregar los sistemas de iluminación, así como de control de acceso a nuestro sistema central de SCADA

• Los sensores de presencia dentro de estos controladores de temperatura nos ayudan a utilizar de manera más eficiente nuestros equipos HVAC. Asimismo, indican al sistema central si hay usuarios presentes en las diferentes áreas de las instalaciones. Estos controladores también permiten colocar los settings de los termostatos, de acuerdo con el estatus de presencia o ausencia de usuarios en sus zonas

En cuanto a la red inalámbrica, consiste en una red mesh. Esta red permite a los equipos conectados utilizarse entre sí para asegurar una red confiable. Los equipos, de manera automática, se utilizan unos a otros como puentes para llegar al punto maestro, en donde la información se centraliza (SCADA). Esta funcionalidad es excelente para aplicaciones en automatización de edificios.

Software de videovigilancia

Algo de suma importancia es la seguridad (software de videovigilancia). La percepción de tener cámaras a lo largo de la infraestructura y vigilantes que las monitoreen está muy arraigada. La nueva tecnología permite que sea un software el que realice dicha labor y alerte sobre sucesos no habituales para que no se salgan de control. Al utilizar cámaras IP, el video está digitalizado; permite su análisis, a la vez que es posible ligarlo con los otros sistemas. Este software ahora puede contactarse con la policía en caso de un robo o con el departamento de seguridad si alguien está en una zona no permitida. Además, si el equipo es digital, podremos comunicarlo directamente al SCADA. Gracias a la conectividad vía OPC, los sistemas de control pueden manipular directamente las cámaras de video para monitorear o inclusive documentar eventos. En estacionamientos, es posible, a la vez, llevar el registro de placas y fotografías de choferes de manera automática. Esto brinda seguridad y facilita la expedición de permisos de accesos de manera automática.

Otro aspecto significativo entre las funciones de estos sistemas es que, en caso de registrarse emergencias, generan grabaciones para ayudar al cuerpo de rescate, policía y bomberos. El software también puede contar personas en las diferentes áreas y dar cifras comparativas por día.

Otra característica importante es que es posible detectar cuándo una cámara ha sido desconectada o alterada, y el software es capaz de enviar una alarma vía mensajes de texto o correo electrónico, entre otros, para alertar al departamento de seguridad. También, en caso de que el disco duro primario se sature o falle, se disparara una alarma y se empezará a almacenar el video en algún disco duro previamente seleccionado como respaldo que esté en la red.

Una función muy útil es que, al utilizar celulares inteligentes, es posible ver el video en tiempo real utilizando la conexión a internet. También es posible encender y apagar equipos con esta herramienta.

Reducción de costos

Poder identificar el consumo de energía, agua y gas se ha vuelto primordial. Con los módulos especiales de I/O con control, servidores web browser y capacidades inalámbricas, es posible, ya que reportan los consumos, logrando una asignación más equitativa. Las cifras del gasto promedio pueden ser monitoreadas diariamente si el usuario lo requiere; además, puede configurar alarmas para un mejor control.

El manejo de las alarmas de todos los sistemas de control es clave en la automatización de un edificio, ya que puede notificar sobre eventos que se salen de lo normal y que generarían problemáticas. Además, al contar con estas alarmas, las asignaciones del personal administrativo serán mejor definidas. Por ejemplo: si un elevador deja de funcionar, se notificará a mantenimiento; si una persona que no tiene autorización permanece en un área, seguridad recibirá un aviso. La alerta puede ser enviada por medio de un simple correo electrónico o un mensaje de texto al celular.

Después de que los diferentes tipos de alarmas han sido designados a las personas correspondientes, es esencial reconocer el medio de transmisión. Esto significa que el sistema proporciona un medio de retroalimentación al sistema para notificar quién reconoció y tomó la alarma, ya que se documentará y deberá dar seguimiento. Este sistema, simultáneamente, otorga un reporte para que los usuarios vean cuántas alarmas se accionan y puedan identificar cuáles son las áreas de mayor incidencia; así podrán designar recursos para resolver los problemas. De esta forma, las instalaciones se vuelven amigables y seguras.

Es importante en estos proyectos contar con un proveedor que entienda las tecnologías en su conjunto. Debe de haber una planeación al realizar este tipo de proyectos. Proveedores y clientes deben de trabajar en conjunto para definir las tecnologías adecuadas, así como su implementación. Muchos edificios no se automatizan al ciento por ciento en su inicio, pero es importante que se planeen las diversas soluciones para su integración futura. Un proveedor confiable es aquél que puede ayudar a identificar las soluciones a corto y largo plazo, así como organizar al equipo de trabajo que satisfaga al cliente.

La tecnología ha permitido un nivel de eficiencia y seguridad alto, el cual representa ahorros energéticos y otorga comodidad al usuario. Existen un sinfín de empresas que generan ideas en todo el mundo, utilizando sistemas compatibles entre sí; esto amplia las opciones en el mercado. Nuestros edificios son el reflejo de las personas que los utilizan y, al final, esto es como la democracia en un país: el edificio tiene que responder como la gente espera.