Přehled autonomních systémů ve stavebnictví a automatizaci budov

V posledních několika letech se výrazně rozmohla výstavba administrativních budov, které se dnes často označují jako "moderní" nebo "inteligentní". Tento trend se netýká pouze nově postavených, ale i rekonstruovaných budov, kde je hlavním požadavkem využívat moderní systémy a technologie pro správu, řízení a monitorování jejich stavu. Na tomto základě vznikl nový obor nazvaný "automatizace budov", který v současné době prožívá velký rozvoj. V dnešní době již každá moderní budova obsahuje různé technologie, které zajišťují komplexní řízení a správu celé budovy.

Co znamená "inteligentní budova"?

Velice oblíbeným názvoslovím v oblasti automatizace budov se stalo slovo "inteligentní". Je samozřejmě otázkou, jakou budovu je možné pokládat za inteligentní a co vůbec pojmenování "inteligentní budova" znamená. Je možné vyslovit myšlenku, že budova je inteligentní v případě, kdy obsahuje takové technologie a systémy, které si mezi sebou předávají důležitá data. Na základě výměny dat a analýzy je systém (budova) zpětně ovládán a efektivněji řízen. Dochází tedy k postupné optimalizaci navržených řídicích algoritmů tak, aby se dospělo k co nejlepší energetické účinnosti.

Komunikační protokoly v automatizaci budov

Jakým způsobem si jednotlivé systémy mezi sebou předávají data? Tato otázka je zvláště důležitá v případě, kdy má dojít k integraci implementovaných systémů. Všechny systémy totiž mohou (a v praxi to tak bývá) komunikovat po různých komunikačních sběrnicích a taktéž různými protokoly. Pokud uvedeme stručný výčet systémů, může se jednat o následující: vytápění (HVAC), zabezpečení, protipožární ochrana, řízení elektrických rozvodů, řízení osvětlení, sledování přístupu osob a ovládání informačních technologií. Všechny tyto systémy využívají odlišné komunikační protokoly.

Je nutné zmínit, že systémy automatizace budov byly v začátcích přebírány z průmyslové automatizace. V průmyslové automatizaci byla již dříve vytvořena řada standardů, zatímco v systémech automatizace budov byly formovány první komunikační standardy teprve v druhé polovině 80. let. V roce 1990 byl pak na evropské úrovni ustanoven technický výbor, který pro automatizaci budov vybíral sběrnice ze stávajících standardů. Následující sekce popisuje základní technické parametry komunikačních sběrnic a protokolů využívaných v systémech automatizace budov.

Přehled komunikačních sběrnic a protokolů

Sběrnice (anglicky: Bus) je skupina signálových vodičů, kterou lze rozdělit na skupiny řídicích, adresových a datových vodičů v případě paralelní sběrnice nebo sdílení dat a řízení na společném vodiči (nebo vodičích) u sériových sběrnic. Sběrnice má za účel zajistit přenos dat a řídicích povelů mezi dvěma a více elektronickými zařízeními.

Čtěte také: WPC ploty Brno: Recenze a tipy

• EIB/KNX

Evropská instalační sběrnice EIB (European Installation Bus) vznikla z elektroinstalační sběrnice Instabus firmy Siemens. Sběrnice EIB má decentralizovanou strukturu s liniovou, kruhovou nebo větvenou topologií. Maximální délka jedné větve/linky je 1000 m a může k ní být připojeno maximálně 64 zařízení. Důležitým signálům může být přidělena vyšší priorita a tyto jsou pak upřednostňovány. Systém EIB je otevřený pro všechny další obory, avšak primárně je určen pro elektroinstalaci. Pomocí signálových vodičů jsou jednotlivá zařízení propojena a také napájena. Programování jednotlivých účastníků a celého systému EIB se provádí počítačem pomocí programu ETS (EIB Tool Software). Jako základní přenosové médium je použito krouceného páru vodičů (označováno jako EIB-TP).

Jednoduchost zařízení využívající sběrnici EIB zaručuje především bezproblémovou instalaci a uvedení do provozu. Montáž, instalaci a nastavení zařízení tak jednoduše zvládne vyškolený elektroinstalatér. V procesu nastavování parametrů systému se zadáním příslušných adres určí, který snímač má dané akční členy ovládat. Přiřazení snímačů lze jednoduchým přeprogramováním kdykoliv změnit a tedy je možné elektroinstalaci přizpůsobit změnám dispozic bez jakéhokoliv fyzického zásahu do elektrické instalace.

Jako základ pro mezinárodní standard KNX byla zvolena sběrnice EIB pro její technický charakter i úspěch na trhu (bylo již realizováno přes sedmdesát tisíc projektů). Veškeré výrobky a zařízení určené pro sběrnici EIB vyhovují automaticky standardu KNX. Standard KNX má oproti EIB mnohem větší objem funkcí, odpovídající požadovanému cíli: spojení nejrůznějších přístrojů. Možnost využití dalších přenosových médií, integrace různých zařízení (pro vytápění, větrání, klimatizaci a dále domácích spotřebičů), jakož i nové druhy uvádění do provozu (odpovídající rozšířenému spektru použití) umožňují propojení automatizace budov s automatizací domácností do skutečného "inteligentního" domu. Vytvořením standardu KNX se dostalo evropské sběrnici EIB mezinárodního zhodnocení.

• M-Bus

Sběrnice M-Bus (z anglického Meter-Bus) je určena pro aplikace sběru dat z měřičů odběru nejrůznějších médií (například pitné a užitkové vody, plynu, tepla, elektrické energie). Sběrnice musí zajistit propojení relativně velkého počtu zařízení (řádově několika set) na vzdálenost až několika kilometrů. Přenos dat musí být kvalitně zabezpečen proti chybám. Na druhé straně typickou vlastností aplikace je nepříliš časté odečítání naměřených hodnot s nízkými nároky na odezvy v reálném čase.

Data na sběrnici M-bus jsou přenášena asynchronně s délkou 8 bitů a sudou paritou. Přenos dat na sběrnici odpovídá komunikaci Master-Slave. Maximální počet stanic, které mohou komunikovat na sběrnici je 250. Přenosová rychlost je úzce svázána s délkou kabelového segmentu a může se pohybovat v rozsahu 300 - 9600 Bd. Maximální délka kabelového segmentu nesmí překročit 1000 m (350 m pro 9600 Bd). Pro rozsáhlejší systémy je nezbytné přejít ke složitějším konfiguracím, kdy je celý systém rozdělen na tzv. zóny. V praxi se tato sběrnice výlučně používá pro sběr dat z měřičů odběru médií.

Čtěte také: Jednoruční svěrky pro truhláře: Test a srovnání

• LON (Local Operating Network)

Standard LON (Local Operating Network) byl vyvinut počátkem 90. let americkou firmou Echelon jako univerzální a levné komunikační spojení pro všechna možná technická použití na nejnižší automatizační úrovni. Cílem byla výroba čipu s názvem Neuron, obsahujícího všechny potřebné funkce. Použitý protokol se nazývá LonTalk a celá technika se označuje souborně jako LonWorks. Sběrnice LON je otevřený decentralizovaný sběrnicový systém využívající sériového přenosu dat (zpráv). Sestává z uzlů (řídicí systémy, regulátory), které si mezi sebou vyměňují informace. Každý regulátor obsahuje univerzální čip, obsahující neuronový čip a připojení na sběrnici.

Digitální signál sběrnice LON je přenášen sériově ve tvaru zpráv (telegramů) na různých přenosových médiích: kroucené páry vodičů, elektrorozvodná síť, vysokofrekvenční rádiové vlny, infračervené spojení, koaxiální kabel a skleněná vlákna. Přenosová rychlost se pohybuje mezi 600 b/s až 1,25 Mb/s. V systému LON použitý protokol LonTalk je dnes již otevřený (standardizován v EIA-709). V praxi se sběrnice LON s výhodou využívá v aplikacích, kde je kladen nárok na délku sběrnice (nikoliv na rychlost přenosu dat). Základní využití sběrnice je v případě propojování různých systémů (vytápění, CCTV, přístupové systémy, řízení spotřeby energií, apod.).

• BACnet

Komunikační protokol BACnet je především určený pro automatizační a operátorskou úroveň automatizace budov. Podstatou protokolu BACnet je formulace univerzálního popisu všech možných funkcí zařízení. Protokol BACnet je celosvětovou normou, výkonným standardem automatizace budov. Používá se bez licenčních poplatků. Evropské a americké skupiny pracují na možnosti certifikace zařízení BACnet, aby byla zaručena zaměnitelnost produktů různých výrobců.

Prostřednictvím sítě Ethernet (BACnet/IP) je tato komunikace v systémech automatizace budov nejvyužívanější. Přenos dat se na tomto přenosovém médiu pohybuje rychlostí 10MBps a 100MBps. BACnet je také implementován prostřednictvím sítě RS-485, která je sériovou linkou s protokolem Master-Slave/Token-Passing (MS/TP). Vzhledem k výše popsanému, je výhodné použití protokolu BACnet v aplikacích, kde se využívá komunikace po Ethernetu (internetového připojení). Některá zařízení, která mají implementovanou komunikaci po protokolu BACnet, mají integrovaný webserver a je tedy možné k těmto zařízením přistupovat zadáním odpovídající IP adresy.

• Modbus

Modbus je otevřený protokol vhodný pro vzájemnou komunikaci různých zařízení (programovatelné automaty, vstupně/výstupní zařízení), který umožňuje přenášet data po různých sítích a sběrnicích. Tento protokol má hlavní využití v průmyslových aplikacích, nicméně využití v systémech automatizace budov má také již své pevné postavení. Protokol MODBUS definuje strukturu zprávy na úrovni protokolu (PDU - Protocol Data Unit) nezávisle na typu komunikační vrstvy.

Čtěte také: Vytvořte si dokonalou skříň s PAX

Protokol MODBUS definuje dva sériové vysílací režimy, MODBUS RTU a MODBUS ASCII. Každá jednotka musí podporovat režim RTU, režim ASCII je nepovinný. V režimu RTU obsahuje každý 8-bitový byte zprávy dva 4-bitové hexadecimální znaky. Vysílání zprávy musí být souvislé, mezery mezi znaky nesmějí být delší než 1.5 znaku. V režimu ASCII je každý 8-bitový byte posílán jako dvojice ASCII znaků. Oproti režimu RTU je tedy pomalejší, ale umožňuje vysílat znaky s mezerami až 1 s. Jak již bylo zmíněno, používá se tento protokol převážně v průmyslových aplikacích. V systémech automatizace budov se tento protokol využívá spíše pro integrace průmyslových zařízení do centrální stanice systému automatizace budov.

Inteligentní domov a jeho řízení

Návrh automatizace budov nebyl nikdy jednodušší. Vše s jasným a spolehlivým systémem, který lze libovolně škálovat. Systém chytré elektroinstalace, na který je spolehnutí. „Miluji to, jak naše chytrá domácnost zjednodušuje každodenní život - vše ovládáme z jednoho místa, ať už jde o osvětlení, hudbu nebo stínění. I když jsem mimo domov, mám neustále pocit, že mám vše pod kontrolou. Co mě ale opravdu fascinuje, je energetický management - fotovoltaika, elektromobil i samotný dům jsou v dokonalém souladu.“

Všechny důležité technologie - automatizované, propojené. Nejsou to jen žárovky, je to osvětlení, které dokonale vystihne každý okamžik. Žaluzie, které přesně vědí, kdy potřebujete trochu sluníčka a kdy je důležitější vaše soukromí. Zvuk se stane přirozenou součástí vaší budovy. Může vás vítat, směrovat nebo jednoduše hrát nenápadně v pozadí. Světla zhasnou, když v místnosti nikdo není. Topení se ztlumí, jakmile se do oken opře slunce. Je teplo, když má být. A vždy máte čerstvý vzduch. Pusťte návštěvu dovnitř, na dálku zamkněte, nebo se podívejte, kdo právě zvoní - to vše pohodlně z telefonu. Používejte kódy nebo čipy. Dveře jsou zamčené, okna zkontrolovaná a každý pohyb zaznamenaný. Vaše budova zůstává v bezpečí, aniž byste si připadali pod neustálým dohledem. Stále ve střehu. Připraveno zasáhnout. Váš domov se o sebe postará sám. Vše ve vašich prostorech funguje hladce a nenápadně.

Systémy řízení přístupu

Vstupní dveře nejsou jen fyzickou bariérou mezi veřejným a soukromým prostorem. Jsou branou k bezpečí, komfortu a efektivní správě objektu. Správně zvolený přístupový systém je klíčem k modernímu provozu, ať už jde o bytový dům, kanceláře, školu, úřad nebo firemní sídlo. Přístupový systém přináší bezpečnost (kontrolu, kdo, kam a kdy má přístup), komfort (bezklíčový vstup, mobilní aplikace, vzdálené ovládání), správu (přehled o uživatelích, rychlá změna oprávnění) a úsporu nákladů (méně výjezdů techniků, méně ztracených klíčů).

V době, kdy se klasické klíče dají okopírovat na počkání a správa domů je stále složitější, se elektronický přístupový systém stává nezbytností. Elektronický systém naopak umožňuje mít nad přístupem trvalou kontrolu - každý čip, karta nebo mobilní přístup je evidovaný, dohledatelný a kdykoliv deaktivovatelný.

Typologie systémů podle použití:

1. „Krabicová“ řešení: Nejjednodušší přístupové systémy pro minimální nároky na bezpečnost. Nelze je rozšířit a neumožňují propojení s jinými systémy.
2. Neprofesionální a necertifikovaná řešení: Velmi levné systémy s kompromisy v bezpečnosti, spolehlivosti a servisu. Nedoporučují se pro větší objekty.
3. Profesionální řešení pro bytové domy, firmy a úřady: Navrženy pro každodenní provoz více uživatelů, správu více vchodů, integraci s výtahy, kamerami a zvonky. Vyznačují se vysokou spolehlivostí, bezpečností, rozšiřitelností a podporou servisu.
4. Specializované systémy: Určeny pro objekty se specifickými provozními potřebami, jako jsou penziony, hotely, školy, úřady nebo firmy s docházkovým režimem. Umožňují vysokou míru automatizace a integrace s dalšími systémy.

Autonomní vs. síťová řešení

Autonomní řešení: Jednoduché, samostatně fungující systémy bez propojení do sítě. Vhodné pro menší objekty s nízkou fluktuací uživatelů. Snadná instalace a základní správa bez nutnosti serveru. Nižší pořizovací náklady, ale omezená rozšiřitelnost a bez vzdálené správy.

Síťová řešení: Vhodná pro větší SVJ, správce více objektů, firmy a instituce. Nabízejí vzdálenou správu, rozšiřitelnost a integraci s dalšími systémy. Vyšší pořizovací náklady a složitější instalace, ale ideální pro objekty s více vstupy a vyššími nároky na správu a konfiguraci.

Dnešní přístupový systém už ale není jen o tom, jak se dveře otevřou - čipem, kódem nebo mobilem. To nejdůležitější se odehrává v softwaru, který celý systém řídí. Právě ten určuje, jak snadno lze přidávat a odebírat uživatele, jak přehledně se spravují přístupová práva, zda je možné systém rozšiřovat o další dveře nebo funkce, a jak rychle lze reagovat na změny v domě. Důležitým faktorem je i možnost kombinace vlastní správy a vzdálené podpory od dodavatele.

Pro lepší orientaci přikládáme přehledné srovnání:

Autonomní stavební stroje

Autonomní technologie mohou zásadním způsobem ovlivnit stavební průmysl. Autonomní (nebo také samostatné či chytré) stavební stroje zvyšují bezpečnost, efektivitu i produktivitu na staveništích. Význam slova „autonomní“ můžeme v českém jazyce chápat jako „samostatný“. Autonomní stroje jsou vybaveny pokročilými senzory, GPS modulem, kamerami, radary, lidary a dalšími měřícími technologiemi. Všechny tyto prvky neustále sbírají data o okolí - například o poloze, překážkách nebo terénních podmínkách. Získaná data jsou následně zpracována algoritmy umělé inteligence a strojového učení. Autonomní stavební technika zahrnuje širokou škálu strojů, které se liší podle typu práce, míry automatizace a způsobu řízení.

Princip fungování autonomních stavebních strojů spočívá v propojení pokročilých senzorů, navigačních technologií a umělé inteligence. Moderní chytré stroje jsou připojeny k satelitnímu navigačnímu systému (GPS) a neustále sbírají podrobné údaje o své poloze, okolním terénu a případných překážkách. Získaná data zpracovává výkonný řídicí software, který pomocí algoritmů strojového učení optimalizuje trasu pohybu a řídí jednotlivé pracovní úkony, například polohu lžíce bagru nebo trajektorii buldozeru.

Výhody automatizace a robotizace ve stavebnictví

Rozvoj chytrých stavebních strojů přináší firmám i operátorům celou řadu praktických výhod, které se pozitivně odrážejí v rychlosti, bezpečnosti a nákladovosti stavebních projektů:

• Zvýšená efektivita: Automatizované stroje pracují rychleji, přesněji a bez přestávek. Mohou pracovat nepřetržitě bez nutnosti neustálého dozoru člověka.
• Bezpečnost: Robotické systémy mohou pracovat v nebezpečných podmínkách, čímž chrání lidské zdraví. Lidé mohou být přesunuti mimo rizikové zóny.
• Přesnost a kvalita: Autonomní stavební technika dodržuje přesně zadané parametry a provádí jednotlivé úkony vždy se stejnou přesností.
• Nepřetržitý provoz: Na rozdíl od lidské obsluhy, která vyžaduje směny a odpočinek, mohou autonomní stavební stroje pracovat prakticky nepřetržitě.
• Úspora nákladů a ekologický dopad: Autonomní stroje dokážou úsporněji hospodařit s energií a materiálem - suroviny dávkují přesně, optimalizují svůj pohyb a vyhýbají se zbytečným přejezdům. Výsledkem je nižší spotřeba paliva, méně emisí CO₂ a celkové snížení provozních nákladů.

Příklady autonomních stavebních systémů a technologií

• Liebherr Autonomous Operations: Autonomní systém pro kolové nakladače, který byl oceněn v soutěži Innovationspreis v kategorii „Digitalizace“. Simuluje plně autonomní provoz kolového nakladače, který bezobslužně provádí rutinní úkony, jako je nabírání materiálu, převoz a vysypání. Systém podporuje produktivitu, zaručuje stabilní výkon, pomáhá čelit nedostatku kvalifikované pracovní síly a zvyšuje bezpečnost.
• DEVELON (dříve Doosan) Concept-X: Vize autonomních stavebních strojů, která si klade za cíl zvýšit produktivitu a snížit náklady. Využívá drony, bezpilotní řízení a dálkové ovládání založené na 5G komunikaci k automatizaci úkolů a monitorování procesů. Klíčem je řídicí systém X-Center, který umožňuje vzdálenou kontrolu strojů.
• Caterpillar (CAT) MineStar Command: Zajišťuje autonomní provoz nákladních vozidel (damprů), dozérů nebo zemních válců s minimálním dohledem obsluhy. Každý „chytrý“ stroj Caterpillar je vybaven kamerami, GPS, pokročilým bezdrátovým komunikačním systémem a technologiemi pro detekci překážek pomocí radaru a laseru.
• Komatsu Smart Construction: Propojuje stroje s centrálním řídicím systémem a využívá drony pro vytváření přesných 3D modelů terénu.
• Volvo Construction Equipment (Volvo CE): Rozvíjí koncepty jako autonomní kolový nakladač Volvo LX03 a plně autonomní, elektrický kloubový sklápěč Volvo TA15.
• Tatra Trucks TATRA FORCE: Unikátní autonomní náklaďák, který zvládne jet zcela bez řidiče, je vybavený samostatnou navigací a řízením, přičemž operátor jej ovládá pomocí dálkového ovládání.

Autonomní monitoring Basetime Locator One

Monitorovací senzor Locator One je autonomní přesné měřicí GNSS zařízení určené pro stavební společnosti, geodetické a geofyzikální inženýry a správce majetku, kteří řeší složité úlohy monitorování pohybu terénu, budov nebo mostů. Využívá GNSS systém a RADAR ke sledování jak vertikálního pohybu terénu, tak úrovně a tloušťky přidaných vrstev materiálu. Systém je navržen tak, aby samostatně monitoroval staveniště. Umístěním skupiny zařízení na usazovací tyče lze měřit deformace a posuny rozsáhlého území nebo velkých objektů.

Basetime stojí na čtyřech pilířích: autonomní sběr dat, průběžné cloudové zpracování, možnost nastavit alerty a schopnost propojit monitoring s reálným provozem projektu. Největší přínos nepřináší „víc měření“, ale lepší rozhodování. Systém převádí monitoring z reaktivního reportingu na průběžné řízení rizika. A právě v tom je jeho největší obchodní i technická hodnota: méně domněnek, víc validovaných dat a rychlejší rozhodování v místech, kde chyba stojí čas, peníze i reputaci. Podle aktuální oficiální produktové stránky Basetime dosahuje Locator One horizontální přesnosti 2 mm + 0,5 ppm, vertikální 4 mm + 0,5 ppm, dlouhodobé detekce trendu pod 1 mm a radarového měření vzdálenosti s rozlišením 1 mm.

Locator Two, oficiálně uvedený v roce 2026, je řešením pro dlouhodobý autonomní monitoring založený na kombinaci GNSS a 3osého senzoru náklonu. Tím přirozeně rozšiřuje logiku od projektového monitoringu směrem k dlouhodobé, datově řízené správě infrastruktury.

Robotické stavební technologie a 3D tisk

Výzkumný tým Atelieru DEK ve spolupráci s kolegy z Katedry technologie staveb ČVUT v Praze úspěšně završil první fázi vývoje nové technologie výstavby svislých konstrukcí hrubé stavby. Cílem technologie je konstruovat stěny přímo v místě staveb automaticky s důrazem na implementaci BIM a efektivní využití stavebních materiálů. Hmatatelným výsledkem první fáze jsou stěny hrubé stavby jednopodlažního domu, přičemž polovinu půdorysu robot přímo na staveništi vyzdil z dutinových cihel spojovaných polyuretanovým lepidlem a symetrickou druhou polovinu vytvořil technologií 3D tisku z cementové malty. Jedná se tak o první in situ roboticky vyzděnou, resp. 3D tištěnou hrubou stavbu.

Pro účely vývoje materiálu pro 3D tisk se výzkumníci zaměřili na průběh tuhnutí, čerpatelnost a výslednou pevnost v tlaku. Po dosažení dílčího úspěchu a ověření optimálního míchacího principu se přešlo na čistě jednokomponentní suchou směs, která k dosažení vlastností umožňující 3D tisk stačí ve správném poměru smíchat s vodou. Principem této směsi není rychlý náběh tuhnutí, ale její vysoká tixotropie, díky které je malta dobře čerpatelná a zároveň po opuštění trysky drží svůj tvar a je schopna nést následné vrstvy bez rizika kolapsu.

Kromě materiálu určeného pro tisk je neméně důležitá i trajektorie pohybu trysky, resp. vnitřní geometrie tištěných struktur. Její hlavní funkcí je zajistit stabilitu konstrukce během procesu tisku a pevnost a tuhost výsledné konstrukce. Pro účely vyhodnocení optimálního tvaru pro zajištění stability během tisku byly tištěny vzorky stěny shodných vnějších rozměrů o tloušťce 250 mm. Pevnost materiálu v tlaku po 28 dnech odpovídá pevnostní třídě betonu C35/45.

V rámci tohoto projektu byl vytvořen software, který je schopen na základě IFC souboru exportovaného z BIM modelu budovy analyzovat svislou konstrukci hrubé stavby a detekovat definované konstrukční detaily. Na stejném principu funguje tento program i pro další modul systému Dekmatic, kterým je robotické zdění. Je proto možné pouze na základě IFC exportu vygenerovat kladečský plán cihel včetně doplňkového sortimentu opět ve formátu zdrojového kódu.

Stěny vyrobené touto technologií přináší od základů nový princip výstavby. Už ve stadiu realizace pilotního objektu prokázal systém nesporné výhody své vysoké míry automatizace, díky které je pro výstavbu potřeba mnohem méně pracovníků. Zároveň umožňuje stavební proces výrazně urychlit a zkvalitnit. Díky na míru vyvinutému konvertoru je eliminována potřeba programátora pro každou realizaci a celý proces tak zvládnou zajistit pracovníci se standardní stavařskou kvalifikací. Touto realizací se potvrdilo, že automatizace výstavby má smysl.

tags: #autonomni #system #staveb #prehled

Oblíbené příspěvky:

• Průvodce aplikací tmelů do dilatačních spár
• Jak vybrat ochranné lišty na VW Golf VII Variant
• Prkna šířky 20 cm Hradec Králové
• Význam certifikace dřeva
• Význam ohýbané armatury v betonu