Jak skutecznie zaprojektować i wdrożyć system sterowania HVAC w obiektach przemysłowych? Odpowiedź na to pytanie wymaga kompleksowego podejścia, które uwzględnia analizę potrzeb, dobór technologii, implementację oraz optymalizację systemu. Poniżej przedstawiamy kluczowe etapy projektowania systemów sterowania HVAC, aby były one wydajne, funkcjonalne i przyjazne dla użytkownika, z naciskiem na dostosowanie do specyfiki przemysłu.
Analiza wymagań i celów systemu sterowania HVAC
Na początku drogi nie możemy zatrzymać się na stwierdzeniu: „Chcemy mieć system sterowania HVAC!” Musimy zadać sobie wiele pytań związanych z celowością wdrożenia systemu, spodziewanymi efektami, czy samą funkcjonalnością.
Ale zacznijmy od początku – co powinniśmy określić w pierwszej kolejności?
- To przede wszystkim określenie wymagań użytkownika – czyli nas lub naszych pracowników, Klientów… (np. kontrola temperatury, wilgotności, jakości powietrza).
- Jeśli znamy już profil użytkownika kolejnym krokiem jest identyfikacja specyfiki obiektu (np. hale produkcyjne, magazyny, laboratoria).
- W dalszej kolejności kryteria, które pozwolą dobrać nam właściwe komponenty – normy i regulacje (np. ISO 50001, ASHRAE, PN-EN 16798 – to znaczy, czy jest wdrożony System Zarzadzania Energią, czy znamy i potrafimy spełnić obowiązujące w danym obszarze normy)
- I wreszcie – oszacowanie zużycia energii i kosztów eksploatacyjnych (już na początku drogi należy zadać sobie pytanie ile nas będzie kosztować nie tylko wykonanie i wdrożenie, ale także późniejsza eksploatacja)
Architektura systemu sterowania HVAC
Kolejnym krokiem jest wybór struktury systemu. Z jakich elementów powinien się składać?
- SCADA/BMS (System zarządzania budynkiem) do centralnego nadzoru.
- PLC/DCS (Sterowniki programowalne lub systemy rozproszone) – w zależności od wielkości i pożądanej struktury systemu.
- Sterowniki HVAC (lokalne sterowniki dedykowane do urządzeń, np. dla central wentylacyjnych).
- IoT i systemy chmurowe dla zaawansowanej analityki.
- Urządzenia sieciowe i same sieci komunikacyjne – dobór z uwzględnieniem warunków cyber security.
Dobór komponentów sterowania
Wybór odpowiednich urządzeń jest kluczowy dla niezawodności systemu HVAC. Na co zwrócić uwagę?
- Czujniki i detektory (temperatury, wilgotności, CO₂, przepływu powietrza).
- Siłowniki i zawory (dla regulacji przepływu powietrza i czynnika chłodzącego/grzewczego)
- Falowniki i regulatory obrotów (dla wentylatorów, pomp).
- Interfejsy HMI (panel operatorski, aplikacje mobilne)
Projektowanie układu sterowania
Proces ten wymaga od projektanta wiedzy interdyscyplinarnej, zwłaszcza w zakresie energooszczędności i cyberbezpieczeństwa. Co obejmuje?
- Opracowanie schematów elektrycznych i sterowania.
- Definicja algorytmów sterowania (PID, logika rozmyta, AI do predykcji).
- Integracja z systemami nadrzędnymi (sieci komunikacyjne, protokoły komunikacji)
Planowanie redundancji i zabezpieczeń (np. UPS – gwarancja ciągłości zasilania, komunikacja awaryjna – redundowane sieci komunikacyjne i porty w urządzeniach sieciowych, integracja, z systemami bezpieczeństwa – p.poż., oddymianie, a także SKD, CCTV – jeśli chodzi o optymalizację zużycia energii)
Implementacja i uruchomienie systemu HVAC
- Montaż urządzeń i okablowanie (z zachowaniem norm EMC).
- Prefabrykacja i montaż szaf sterowniczych – lokalizacja, wyposażenie, bezpieczeństwo i komfort użytkowania.
- Programowanie sterowników i konfiguracja sieci komunikacyjnej.
- Testy FAT (Factory Acceptance Test) i SAT (Site Acceptance Test).
- Regulacja i kalibracja systemu w warunkach rzeczywistych – wdrożenie systemu nie kończy się na fazie testów – optymalizacja działania następuje dopiero w fazie pracy – szczególnie kiedy na halach produkcyjnych pojawiają się maszyny, często emitujące duże ilości ciepła, czy też powodujące zapylenie
Optymalizacja i konserwacja
- Monitorowanie efektywności energetycznej (analiza trendów) i właściwe „doregulowanie” parametrów pracy
- Integracja z AI i Machine Learning do predykcyjnej konserwacji – coraz więcej systemów posiada taką możliwość i coraz więcej świadomych użytkowników z niej korzysta.
- Automatyczna regulacja pracy HVAC w oparciu o obciążenie budynku – to już standard w systemach HVAC za wyjątkiem bardzo prostych aplikacji dla małych obiektów, gdzie doświadczony użytkownik sam poradzi sobie z procesem optymalizacji.
- Szkolenie operatorów i wdrożenie procedur utrzymania ruchu – od świadomości operatorów, użytkowników i służb UR zależy w dużej mierze bezawaryjność i sprawność systemów i urządzeń.
W powyższych punktach podsumowaliśmy najistotniejsze czynniki związane z procesem doboru i wdrożenia systemów sterowania HVAC. Przeanalizowaliśmy parametry jakie musimy wziąć pod uwagę przy wyborze systemu i co jest istotne na etapie eksploatacji.
W dalszej części artykułu postaramy się przybliżyć i szerzej rozwinąć techniczne aspekty systemów, także tych dostępnych na naszym rynku. Omówimy też szerzej szczegóły cyberbezpieczeństwa i procesu optymalizacji.
Architektura i Skalowalność
– Modularność – możliwość rozbudowy systemu o nowe urządzenia i funkcje – ważne aby system dało się rozwijać w miarę potrzeb
– Obsługa rozproszonej architektury – możliwość zarządzania wieloma obiektami z jednego miejsca – budowa kolejnych obiektów lub dołączenie istniejących do systemu bez zmiany systemu
– Praca w czasie rzeczywistym – szybka reakcja na zmiany parametrów systemu HVAC
Integracja i Kompatybilność
Obsługa standardowych protokołów:
- Modbus (RTU, TCP/IP,) – sterowniki HVAC, liczniki energii.
- BACnet – systemy budynkowe (HVAC, oświetlenie).
- KNX – automatyka budynkowa.
- OPC UA – integracja z innymi systemami SCADA/BMS.
- Kompatybilność z urządzeniami różnych producentów – zapewnienie interoperacyjności.
- Integracja z systemami ERP i MES – wymiana danych dla optymalizacji procesów produkcyjnych.
Funkcjonalność monitorowania i sterowania
To przede wszystkim cechy bezpośrednio związane z przejrzystością obsługi systemu i fakt, czy posiada wszystkie użyteczne opcje.
- Wizualizacja danych – intuicyjny interfejs HMI, schematy, wykresy, alarmy.
- Zaawansowane algorytmy sterowania – PID, logika rozmyta, AI dla predykcyjnej regulacji HVAC.
- Zdalne sterowanie i monitoring – dostęp przez przeglądarkę internetową, aplikacje mobilne.
- Historia i archiwizacja danych – długoterminowe przechowywanie informacji o temperaturze, wilgotności, zużyciu energii.
Cyberbezpieczeństwo i redundancja
- Autoryzacja użytkowników – przypisane szczegółowe role i uprawnienia dla administratorów i operatorów.
- Szyfrowana komunikacja – VPN, TLS, zabezpieczenia przed cyberatakami, rejestracja ruchu sieciowego i zdarzeń niebezpiecznych.
- Redundancja serwerów i baz danych – zapobieganie awariom i niepożądanym przerwom w pracy systemu.
- Automatyczne kopie zapasowe – odzyskiwanie danych w przypadku awarii.
Efektywność Energetyczna i Optymalizacja
- Analiza zużycia energii – monitoring parametrów HVAC, raporty o oszczędnościach.
- Integracja z systemami IoT – czujniki predykcyjnej konserwacji, analiza AI.
- Dynamiczne sterowanie HVAC – dostosowanie pracy systemu do warunków atmosferycznych i obciążenia budynku.
- Automatyzacja harmonogramów pracy – oszczędność energii w czasie mniejszych obciążeń.
Podsumowując – systemy SCADA/BMS powinny zapewniać pełną kontrolę i monitoring instalacji HVAC, oferować otwartą i skalowalną architekturę, gwarantować bezpieczeństwo i niezawodność oraz umożliwiać zaawansowaną analizę i optymalizację zużycia energii.
Najpopularniejsze systemy SCADA/BMS dla HVAC
- SCADA – Systemy nadzoru i sterowania – obecne we wszystkich gałęziach przemysłu, dające duże możliwości jeśli chodzi o sterowanie i nadzór nad procesami technologicznymi, ale także bardzo użyteczne w nadzorze nad instalacjami HVAC.
- Siemens WinCC (TIA Portal, PCS7)
Integracja z PLC (S7-1200, S7-1500), wsparcie dla Modbus, OPC UA.
Zaawansowana wizualizacja i analityka danych.
Wsparcie dla redundantnych architektur (wysoka dostępność). - AVEVA System Platform (Wonderware InTouch)
Elastyczny interfejs HMI, raportowanie danych w czasie rzeczywistym.
Obsługa różnych protokołów komunikacyjnych (Modbus, BACnet, OPC).
Zaawansowane skrypty i możliwości analityczne. - iFIX
Stabilność i szeroka kompatybilność z urządzeniami HVAC.
Możliwość integracji z chmurą i predykcyjną konserwacją.
Zastosowanie w wymagających środowiskach przemysł - Schneider Electric EcoStruxure
Kompleksowa platforma dla automatyki budynkowej i przemysł
Integracja BMS, SCADA, IoT oraz systemów zarządzania energią.
Otwarta architektura, zgodność z BACnet, Modbus, OPC UA.
Jaki system będzie odpowiedni? Mamy dwie możliwości – system SCADA lub SCADA+BMS.
- SCADA (WinCC, Wonderware, iFix, EcoStruxure) – dla rozbudowanych systemów HVAC, które wymagają zaawansowanego monitoringu i sterowania przemysłowego.
- SCADA + BMS – w dużych obiektach przemysłowych, gdzie HVAC wymaga zarówno precyzyjnej regulacji procesowej, jak i integracji z systemami budynkowymi.
Którekolwiek z rozwiązań byśmy przyjęli najbardziej istotny pozostaje fakt, że możliwości regulacyjne i diagnostyczne wzrastają znacząco już od momentu pojawienia się spójnych danych z rozproszonych elementów struktury – central wentylacyjnych, falowników, czujników ciśnienia, podciśnienia, czy temperatury, nie wspominając o danych trafiających z pozostałych systemów budynkowych.
