Sistemas de gestión y automatización de Edificios

1.-Principios de automatización
Para satisfacer exigencias de mayor seguridad, confort y ahorro energético en viviendas i edificios, se instalan sistemas de para tareas de mando y control. Con ello aumenta la complejidad del sistema, aumentando también el número de conductores, debido al cableado independiente de sensores y actuadores, hacia los centros de control y regulación, aumentando con ello los costes de la instalación y la disminución de la seguridad y fiabilidad del sistema.
En general, el sistema y la tecnología empleada por un fabricante es distinta e incompatible con la del otro. Cada sistema suele depender de una unidad central que lo gobierna y que, en caso de avería, inutiliza la totalidad del sistema. Por ello, para la transmisión de los datos de control de la instalación en un edificio, se buscan sistemas que superen muchas de las soluciones aisladas actuales, que descentralicen las funciones de regulación, mando i vigilancia i que posibiliten proyectos más sencillos i flexibles, así como una instalación más racional. Por ello, la tendencia actual es hacia los sistemas basados en tecnologías que usan el bus como medio para la transmisión de la información,
La continua evolución de la tecnología electrónica y, por consiguiente, de los sistemas en microprocesadores ha facilitado la evolución de los sistemas de control y gestión de edificios con cierta capacidad de toma de decisiones. Esto ha permitido introducir el concepto de vivienda o edificio inteligente, aunque en términos más correctos se debería hablar de sistemas de gestión técnica de los edificios, lo que engloba tanto la domótica (sector doméstico i residencial) como la inmótica (sector terciario)
1.2.-Características generales
Las características básicas que debe de ofrecer un sistema de la gestión técnica de un edificio son:
a) Flexibilidad:
Debe posibilitar la adaptación de la instalación a las necesidades futuras.
Sistemas con posibilidades de ampliación o modificaciones futuras de la instalación no conlleve problemas ni costes excepcionales.
Contrasta con los sistemas convencionales de tenían mucho coste en el cableado para la interconexión de elementos de control (interruptores, conmutadores, etc) donde la modificación del sistema implica la modificación de gran parte de este cableado.
b) Modular:
Para evitar que el mal funcionamiento de una parte de la instalación afecte a toda ella, es necesario una concepción del sistema modular. Esto, además, facilita la flexibilidad del sistema, ya que permite incorporar (o eliminar) aplicaciones sin reestructurar el sistema.
c) Facilidad de utilización:
Para que sea aceptado por el usuario es de vital importancia que la interfaz usuario sea fácil e intuitiva de utilizar. Se supone que un sistema domótico debe proporcionar confort, no añadir dificultades al usuario, en definitiva, el sistema debe ser sencillo.
La comunicación con el usuario se puede realizar con interruptores, pulsadores, mandos a distancia o paneles de comunicación.

d) Integral:
Debe de ser capaz de implicar a diferentes componentes o equipos pertenecientes a diferentes áreas de la gestión del edificio, permitiendo el intercambio de información tanto entre ellos y con el usuario.
Además, estos sistemas deben aprovechar el estado actual de la tecnología y facilitar la interconexión con redes exteriores de comunicación i servicios
1.1.2.-Sistemas cableados y sistemas procesados
Hay que tomar una decisión cuando se diseña una instalación y es la utilización de una tecnología determinada. Existen dos grandes grupos en cuanto a tecnologías de automatización:
a) Cableada.
Se hace con uniones físicas de los diferentes componentes que forman el sistema ( puertas lógicas, relés temporizados, etc), los elementos pueden ser electromecánicos, eléctricos, electrónicos, neumáticos o hidráulicos. Aunque los elementos básicos son los relés o contactores. Cada tarea estará formada por un sistema y aislada de otro automatismo.
Se realiza mediante relación de determinados componentes y módulos específicos (interruptores horarios, telemandos, detectores, etc) que realizan una función determinada, el tiempo de respuesta de estos automatismos es rápida, pero tiene limitaciones técnicas en instalaciones complejas con alto grado de automatización.
Los principales inconvenientes de la tecnología cableada respecto a la programada son:
1.Poca flexibilidad frente a las modificaciones.
2.La identificación y reparo de las averías es compleja
3.Las funciones de control complejas son difíciles de implementar.
4.El espacio ocupado es grande.

b) Programados
El corazón del sistema siempre es un elemento con capacidad de procesamiento, ya sea un microprocesador o un microconntrolador. Los principales sistemas programados son el autómata programable (PLC) y el ordenador. El control se realiza mediante programa almacenado en la memoria de estos equipos.
La utilización de un sistema programado respecto a un sistema cableado presenta las siguientes ventajas.
1.Menor tiempo en la elaboración de proyectos nuevos y en su puesta en funcionamiento.
2.Posibilidad de realizar modificaciones de forma sencilla.
3.El espacio ocupado en mínimo.
4.El coste de la mano de obra de la ejecución y el mantenimiento de la instalación disminuye considerablemente.
1.1.3.-Sistema de control
Son dos las formas de realizar el control de un proceso automático: lazo abierto y lazo cerrado.

a) Control en lazo abierto
Realiza las funciones de salida en función de las consignas de entrada, sin tener en cuenta la evolución de la salida. Las señales de mando son independientes de la salida y el sistema es incapaz de reconocer si las ordenes ha sido ejecutadas correctamente, no es capaz de corregir las perturbaciones externas que afectan al sistema.

b) Control en lazo cerrado
En el control a lazo cerrado, las señales de mando que recibe el sistema son función de las consignas de entrada como de la evolución de las salidas. Se recoge información de las salidas i se compara con las consignas de entrada, el controlador compara estas señales i genera ordenes para corregir el estado del sistema. Así, el controlador es capaz de corregir perturbaciones externas.
1.1.4.-Tipos de señales
Según las señales a tratar las podemos clasificar en digitales y analógicas

a) Digitales
Pueden tomar valor de 0 y 1, siendo generalmente (en función de la tecnología utilizada) 0 cero voltios y 1 cinco voltios cuando estamos en la lógica positiva. Solo se pueden representar valores discretos.
b) Analógicas
Pueden tomar cualquier valor entre un margen determinado. Son señales continuas que pueden representar cualquier valor dentro de un rango determinado.
1.1.5.-Convertidores de señal.
En las instalaciones automatizadas encontramos tanto señales analógicas como digitales. En general los sistemas procesan la información en formato digital, así aparece la necesidad de los convertidores analógico-digital (A/D). Una vez procesada la información, es posible que las ordenes al sistema se deban enviar en formato analógico, así pues, tenemos los convertidores digital-analógico (D/A). Existen convertidores de 8, 12, 16 bits, etc.

1.1.6.-Sensores y actuadores
Los sensores son elementos que son capaces de transformar la naturaleza de una magnitud, en otra que es más fácilmente medida por nuestro sistema de control, generalmente corriente o tensión eléctrica.
El sensor más simple es un pulsador.
De la misma forma, en todo sistema de control lo que se desea es actuar con el exterior para modificar el estado actual del sistema (encender una luz, abrir una puerta, etc). Estas acciones de salida se realizan a través de actuadores, los actuadores pueden considerarse también como transductores, ya que se encargan de transformar la naturaleza de las señales de salida.
1.1.7.-Memorias
Estos sistemas de control necesitan elementos que sean capaces de almacenar tanto las instrucciones del programa que realiza el control como los datos temporales que nos indican el estado actual de la instalación, esta función la realizan las memorias.
Las memorias están organizadas en bloques unitarios que definen la longitud de la información almacenada. La unidad básica de información que se puede almacenar es el bit.
Estos bits se agrupan para utilizar unidades de información mayores, generalmente 8 bits (byte) o 16 bits ( word)
Para poder acceder a una palabra de la memoria necesitamos una línea de dirección que nos indica la posición de la palabra de la memoria que queremos leer o escribir. Para direccionar todas las posiciones de memoria es necesario tener un número de líneas m que depende de la cantidad de palabras que pueda almacenar. En general, con m líneas de direcciones podemos direccionar 2^m posiciones de memoria. Lógicamente la memoria debe de disponer de una línea de datos que depende del número de bits que almacena cada posición n, además para un correcto funcionamiento de la memoria necesitamos unas líneas de control que nos permiten controlar la memoria y que, en general, nos permita realizar procesos de escritura o lectura.
La capacidad de la memoria viene determinada por el número de palabras que es posible almacenar. En general podemos comparar memorias de diferentes longitudes de palabra expresando la capacidad de la memoria como el numero total de bits que puede almacenar, así si una memoria de n bits que tiene 2^m posiciones de memoria la capacidad total (N) de la memoria en bits es:

N= n 2^m

Tipos de memorias
En función del tipo de acceso a los datos podemos clasificar las memorias en:
ØAcceso aleatorio o acceso secuencial
Las memorias de acceso aleatorio permiten la siguiente clasificación.

1.ROM: (Read Only Memory ). Memoria de sólo lectura. Solo se pueden grabar una sola vez. Es una memoria no volátil.
2.RAM (Read Acces Memory) es posible almacenar y leer los datos tantas veces como se desee. Se utiliza para datos temporales de una aplicación. Es volátil, la informacón se pierde si la memoria no esta alimentada.
3.EPROM (Electronically Erasable Progammable Read Only Memory) igual que la ROM, pero permite el borrado y la escritura de la memoria.
1.1.8.-SAI
Los problemas en el suministro de energía eléctrica pueden ocasionar la pérdida de la información en los sistemas programados que utilizan memoria para almacenar el programa de control y los datos temporales de la aplicación.
El SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida) es un dispositivo cuya principal función es la de suministrar corriente eléctrica cuando se produce algún fallo en el suministro de la energía eléctrica. No se consideran dispositivos de alimentación autónoma alternativos a la red eléctrica, ya que su capacidad de almacenamiento es limitada. Así, hay que diferenciar entre una SAI i un sistema autónomo de alimentación (Grupo electrógeno).
2.-Sistemas técnicos de gestión
Las principales áreas de gestión de un edificio en las que podemos introducir sistemas de control son:
ØGestión de la energía.
ØGestión de la seguridad
ØGestión del confort
ØGestión de las comunicaciones.

Es posible la clasificación de los sistemas, aunque muchos de ellos están relacionados entre sí y son interdependientes. Así, el encendido y apagado automático de la iluminación de una estancia nos proporciona confort pero, al mismo tiempo, supone un ahorro energético al apagar la luz cuando no hay presencia de personas en una estancia.
2.1-Sistemas de gestión de energía
Son los encargados de relacionar y controlar el consumo energético en función de diferentes criterios, como pueden ser:

1.Desconexión selectiva de cargas en caso de superar la potencia máxima controlada, estableciendo preferencias previamente seleccionados y desconectando aquellos equipos menos prioritarios.
2.Puesta en marcha de los diferentes equipos para el aprovechamiento de la distintas tarifas.
3.Zonificación de las zonas de calefacción: puesta en marcha en función horaria, temperatura, detección de presencia o cualquier otro criterio previamente programado.
4.Activación/desactivación de luces exteriores y/o interiores en función del grado de luminosidad, detección de presencia.

2.2.-Sistemas de Gestión de la seguridad
Se encargan de la seguridad patrimonial y de las personas y comprenden sistemas teles como:
1.Sistemas antiintrusión
2.Detectores de fuego y de humo.
3.Detectores de fugas de gas y agua, que se encargarán de cerrar las válvulas de paso en caso de activación
4.Alarmas de salud.
2.3.-Sistemas de Gestión del confort:
Engloban aquellas acciones que en general producen mayor satisfacción al usuario de una instalación.

1.Accionamiento de persianas y toldos.
2.Sistemas de riego.
3.Control automático de la iluminación interior y exterior.
4.Climatización
5.Creación de escenarios
6.etc
2.4.-Sistemas de Gestión de las comunicaciones.
Permiten el intercambio de información entre las personas y entre las personas y los equipos, ya estén éstos dentro o fuera del edificio (o sistema)

1.Uso de las centralitas de telefonía: intercomunicación con el portero electrónico, intercomunicación con los diferentes teléfonos del edificio o la vivienda, etc.
2.Control remoto del sistema del edificio desde el interior (apertura de puerta principal desde el teléfono, etc) y desde el exterior ( a través de la línea telefónica, Internet, etc.)
3.Comunicación de alarmas (técnicas i de intrusión).

3.-Topologías de red
El principal problema de los sistemas automatizados de los edificios es el alto grado de cableado necesario parra la instalación de la red de datos para tareas de control y vigilancia, debido sobretodo al cableado independiente de sensores y actuadores, hacia los módulos de control y regulación. La forma de interconexión de todos los componentes que forman una instalación permite definir las diferentes topologías de red.
La topología de la red de un sistema se define según la interconexión de los elementos que la componen. Principalmente existen las siguientes topologías de red:

ØEstrella
ØBus
ØAnillo
ØÁrbol
3.1.-Topología en estrella:
Todos los componentes que forman el sistema están unidos entre sí a un controlador principal, que es el que realiza las funciones de control y supervisión.

Ventajas:

1.Es muy fácil de añadir nuevos elementos a la red, ya que sólo hay que conectarlos al controlador principal.
2.Un fallo en un elemento de la instalación no afecta al resto (Siempre que no sea el controlador principal).

Inconvenientes:

1.Un fallo en el controlador principal provoca un fallo general en toda la instalación.
2.El cableado de la instalación es muy extenso, ya que todos los elementos se unen al controlador principal.
3.2.-Topología en Bus
La línea de comunicaciones compartida por todos los componentes del sistema. Todos los componentes transmiten y reciben señales a través del bus, aunque tradicionalmente sólo pueden comunicarse entre sí dos componentes en un momento determinado. Para poder identificarse, cada componente debe tener una dirección asociada para saber en cada momento si la información presente en el bus va dirigida a él. Deben existir mecanismos de control para asegurarse de que dos componentes no intenten acceder al bus en el mismo momento.
Ventajas:

1.Es muy fácil la instalación y reconfiguración de un sistema de bus, es decir, es muy fácil insertar y eliminar componentes.
2.No es necesario (aunque algunos sistemas lo tienen) un sistema de control, ya que en general, los propios componentes del sistema pueden realizar el control de acceso al bus.
3.El funcionamiento defectuoso de un componente no afecta al resto del sistema.
4.La velocidad de transmisión es elevada.
5.La longitud del cable a instalar se minimiza.

Desventajas:

1.Es necesario que los nodos tengan cierto grado de inteligencia (Si es un sistema de bus descentralizado)
2.Es necesario asegurar mecanismos de control para evitar que dos elementos intenten acceder al bus en el mismo instante

3.3.-Topología en Anillo
Todos los elementos del sistema se interconexionan formando un anillo, es decir, los componentes de la red se instalan en serie formando una camino cerrado donde los extremos del cable se cierran. La información que se transmite pasa por todos los componentes, desde el emisor que envía la información hasta el receptor que la recibe. Este sistema es el menos utilizado en sistemas automatizados de edificios, ya que su principal inconveniente es el mal funcionamiento de toda la instalación en el momento en que un componente del sistema deja de funcionar.
La línea de transmisión es unidireccional, ya que los datos que se realizan a la red van viajando de nodo a nodo en un único sentido, esta topología presenta la ventaja de que el control del sistema es sencillo, pero presenta los siguientes inconvenientes.

1.Es un topología muy vulnerable a fallos.
2.Es necesaria la utilización de un cable de longitud mayor que la topología de bus
3.Añadir nodos en más complicado ya que hay que interrumpir el funcionamiento de la red.

3.4.-Topología en Árbol
Se puede considerar como una topología híbrida de todos los anteriores sobre todo de la de bus y estrella. Por tanto, las ventajas y desventajas dependen de la configuración final establecida.
4.-Protocolos de comunicación
Los sistemas automatizados están formados por un conjunto de componentes que intercambian información entre sí, para que la comunicación sea factible y todos los componentes sean capaces de iniciar y terminar una comunicación, se deben de establecer normas y convenciones que definen entre otros:

ØEl medio de transmisión a utilizar.
ØEl tipo de código que se usará para establecer la comunicación.
ØModo de acceso a los componentes cuando intentan mandar una información.
ØDiferentes soluciones para evitar y corregir los errores de comunicación.

El conjunto de estas normas es lo que se conoce como protocolo de comunicaciones

La definición de un protocolo estandarizado permite que los diferentes fabricantes que lo adopten fabriquen componentes que sean compatibles entre sí. Por el contrario, existen muchos fabricantes que utilizan protocolos propios que obligan, adoptar un sistema de automatización, a utilizar componentes específicos comercializados para este sistema, no siendo posible utilizar componentes de otros fabricantes.

5.-Sistemas de automatización de edificios.
Los principales sistemas de automatización adoptan alguna de las tipologías estudiadas anteriormente. Además, los sistemas diferentes que adoptan la misma topología se diferencian entre otros por el protocolo utilizado por lo que en general, los sistemas son incompatibles entre sí.
5.1.-Sistema modular centralizado
Los componentes que forman el sistema están interconectados al controlador principal (unidad de control) mediante módulos de entrada y salidas. Estos módulos pueden estar físicamente junto al controlador o bien distribuidos por la instalación junto a los elementos que controlan. En este último caso podemos hablar de un sistema modular descentralizado
5.2.-Sistema de bus centralizado
La principal diferencia entre el Bus centralizado y no centralizado (respecto al anterior) es que los componentes no procesan información, además el controlador principal se encarga de gestionar y controlar la información. La principal ventaja de estos sistemas es la disminución de la complejidad del cableado, lo que facilita la instalación y el mantenimiento del sistema.

6.-Principales sistemas comerciales de automatización de edificios.
6.1.-Sistemas cableados
Están concebidos como módulos independientes que permiten la gestión y automatización de tareas concretas, por lo que son ideales para soluciones especificas (Podríamos llamarlo pre-domótica). El principal problema de estos sistemas es que a medida que aumenta el número de módulos utilizados aumenta de forma considerable la complejidad del sistema debido a la complejidad del cableado.
6.2.-Sistemas basados en autómatas programables
El autómata programable o PLC está diseñando para las tareas de control secuencial que sustituye a los automatismos cableados, permitiendo a su vez la realización de funciones complejas de control. En un autómata en función del estado y evolución de los elementos de entrada, se produce un cambio del estado de la evolución de las salidas
6.3-Sistema SIMON VIS
Es un sistema propietario ( sistema propio de una empresa y que no está sujeto a ninguna norma de estandarización), desarrollado como sistema de control para instalaciones de tamaño medio y pequeño, para el control de iluminación y climatización, vigilancia, seguridad, gestión energética y control vía telefónica de todos los componentes instalados.
La estructura es una red en tipo estrella según el cableado entre el módulo de control y los módulos de entrada salida. Si bien podemos hablar de una instalación centralizada o descentralizada.
La programación del sistema se realiza mediante PC a través del software de programación TERMVIS.
6.4.-Sistema SIMON VIT@
Es un sistema propietario de la empresa Simon que sustituye al sistema VIS. A diferencia de este, el VIT@ tiene una estructura en bus basado en el protocolo LonWorks. Permite tanto la automatización de instalaciones pequeñas como de grandes edificios.
6.5.-istema bus a dos hilos. Sistema EIB / Konnex
El estándar EIB (European Instalation Bus), nace de la necesidad de crear un estándar de automatización de edificios en la unión europea en el que están implicados los principales fabricantes de material eléctrico, permitiendo la estandarización de los sistemas domóticos y de todos los productos de los diferentes fabricantes asociados.
Debido a las características del sistema, el campo de aplicación de sistema EIB se extiende a cualquier tipo y tamaño del edificio, desde una vivienda unifamiliar a un gran edificio administrativo.
La principal característica del sistema es la de su configuración modular y descentralizada en la que todos los componentes se conectan a un solo cable que recorre todo el edificio. Esto permite un importante ahorro en el cableado de control y alimentación frente a una instalación convencional.
El bus EIB puede adoptar todas la topologías de bus vistas anteriormente excepto el anillo
La programación del sistema se realiza mediante PC a través del software de programación ETS que distribuye la asociación EIBA.

6.6.-Sistemas por corrientes portadoras.
Utilizan la red de distribución de energía eléctrica para la interconexión de los componentes. Cada componente tiene su propio programa de control y una interfaz para adaptarse a la línea. Como tal se puede considerar como sistema de control distribuido, ya que no es necesario utilizar un controlador específico para el control de la instalación.
La principal ventaja es su fácil instalación y ampliación y además, no necesitan fuente de alimentación, ya que están conectados a la red.
Existen bastantes fabricantes que adoptan sistemas propios, la tendencia actual es la estandarización del sistema, centrándonos en esta obra el estudio del sistema X10.
Los componentes básicos están unidos por emisores de corrientes portadoras que son los encargados de enviar superpuesta a la señal eléctrica de baja tensión, 230V CA, un mensaje de información que será recogido por los componentes receptores. Cada componente receptor tiene su propio código identificativo, de forma que cada componente de la instalación sabe para quién es el mensaje que se está distribuyendo por la red eléctrica.