Comunicación presentada al II Congreso Ciudades Inteligentes:
Autores
- Rafael David Rodríguez Cantalejo, Responsable Automatización de edificios-Profesor Asociado DEA, Unidad Técnica-Área de Ingeniería de Sistemas y Automática, Universidad de Córdoba
- Antonio Luis Prieto Sánchez, Director Unidad Técnica, Universidad de Córdoba
- Antonio J. Cubero Atienza, Catedrático de Escuelas Universitarias-Vicerrector de Coordinación Institucional e Infraestructuras, Universidad de Córdoba
- Francisco Javier Vázquez Serrano, Profesor Titular de Universidad, Área de Ingeniería de Sistemas y Automática, Universidad de Córdoba
Resumen
El presente trabajo pretende mostrar la importante mejora obtenida en la gestión técnica de las infraestructuras del Campus Universitario de Rabanales perteneciente a la Universidad de Córdoba. Un espacio universitario agroalimentario científico y técnico ubicado a las afueras de la localidad cordobesa que alberga una población activa de entorno a nueve mil habitantes que desarrollan su actividad en edificios de uso docente, administrativo, investigador, residencial y comercial así como los entornos agrícolas y naves ganaderas destinadas a labores de investigación. La supervisión de los principales suministros de todo el campus, junto a los sistemas individuales de gestión técnica de cada edificio en un sistema integrado de supervisión basado en estándares abiertos y con estructura flexible, hace que se potencie una eficiente administración de las infraestructuras con el apoyo de toda la comunidad universitaria.
Introducción
Entendemos por Ciudad inteligente aquella que adopta un modelo de ciudad con visión a largo plazo y el compromiso de ser más eficiente, productiva, sostenible y habitable (Serrano, 2105). Ante la inmediata necesidad de un consumo racional de la energía, una administración transparente y eficaz de los recursos públicos aplicados tanto en el ámbito de nuevos entornos urbanos pero sobre todo en entornos existentes, se ve necesario el empleo e implantación de sistemas inmóticos globales. Estos sistemas, nos permiten obtener una constante realimentación de información, con el objetivo de analizar el comportamiento funcional y energético de los edificios e instalaciones comunes de entornos de administración única. Es por ello que la Universidad de Córdoba lleva desarrollando en los últimos años una importante inversión material y humana en las infraestructuras existentes en sus Campus Universitarios.
En el seno de la Universidad de Córdoba, la Unidad Técnica, dependiendo del Vicerrectorado de Coordinación Institucional e Infraestructuras y de la Coordinación General de Campus, es el servicio cuya responsabilidad se centra en ejecutar la política de la universidad en materia de instalaciones, obras y comunicaciones, así como la gestión técnica de mantenimiento, dando satisfacción a las necesidades presentes y futuras de la comunidad universitaria. Se divide en dos grandes áreas, la de Infraestructura y Proyectos y la de Comunicaciones y Tecnologías.
Es por tanto, el servicio responsable de entender cómo las nuevas tecnologías presentan la solución a los problemas de gestión técnica de infraestructuras de sus tres campus universitarios.
El presente trabajo se centra en el Campus Universitario de Rabanales, situado en la finca Rabanales a tres kilómetros de la ciudad de Córdoba, carretera nacional IV km 396.
Un entorno docente de naturaleza agroalimentaria, científica y técnica que engloba edificios y espacios de uso docente, administrativo, investigador, residencial, comercial, deportivo así como los entornos agrícolas y naves ganaderas destinadas a labores de investigación. El grueso de la infraestructura presenta su última modificación relevante a nivel arquitectónico y de instalaciones en el periodo comprendido entre los años 1994 y 2003.
El campus dispone de contratos de suministro de gas natural, electricidad (alta tensión) y agua, siendo estos dos últimos facturados respectivamente en base a un único equipo de medida de su compañía suministradora, por lo que implica a la propia Universidad de Córdoba, establecer y mantener su propia red de distribución de agua potable y estación de bombeo y su propia de red de alta tensión, centros de transformación y red de baja tensión a cada edificio y servicio.
Con respecto al factor humano, la comunidad universitaria del campus, alberga una población activa de entorno a nueve mil usuarios de distintos perfiles y necesidades, como personal docente e investigador, personal de administración y servicios, alumnos y personal externo habitual (contratas de mantenimiento, reprografía, cafeterías, bancos, empresas de base tecnológica, etc) ofreciendo cada colectivo objetivos comunes y particulares en el uso de las instalaciones.
La diversidad de espacios existentes, donde la infraestructura investigadora juega un papel protagonista, hace que el mantenimiento y vigilancia del comportamiento de las instalaciones y control de suministros presenten actualmente una importancia vital y crítica.
La escasa existencia de elementos de control que gestionen las instalaciones, tal como programación de encendidos y apagados, registros de consumos (electricidad, agua, etc), supervisión remota, aviso inmediato de averías o estados inadecuados y, sobre todo, la integración de las distintas instalaciones que coexisten en los edificios del campus, hacen que la Unidad Técnica plantee unos objetivos básicos o requerimientos necesarios a corto-medio plazo para la correcta gestión técnica de sus edificios, que repercuta en un ahorro económico de su gestión así como un incremento en la satisfacción de los miembros de la comunidad universitaria y de la productividad de las instalaciones.
Descripción de la solución y metodología
Para satisfacer los objetivos propuestos, la Unidad Técnica desde hace varios años, viene planteando como infraestructura base, el empleo de un sistema de control y automatización flexible, regido por protocolos de comunicación abiertos y estandarizados de forma que, tanto a nivel software como hardware, pueda integrar en una única plataforma, los sistemas presentes y futuros independientemente del fabricante. De esta manera, se evita un sistema cerrado que obligue a estar sujeto a un único fabricante de por vida o la incapacidad de integración, hecho que la universidad ha venido sufriendo en diversas instalaciones existentes en su campus universitario.
El sistema propuesto, consiste en utilizar la potente intranet local que comunica todos los edificios y servicios en fibra óptica, gestionada por nuestro servicio de informática, como troncal que comunica los distintos sistema inmóticos basados en buses de campo con control distribuido.
La principal plataforma empleada es LonWorks, en adelante LON (Local Operating NetWork), basado en la utilización del protocolo Lontalk (ANSI/EIA 709) para redes de control, que implementa las siete capas del modelo OSI (Open System Interconnection) (Vázquez et. Al, 2010). LON es la base para un sistema abierto e interoperable en el que los productos y soluciones de empresas líderes del mundo se reúnen en una implementación simple y sencilla que integra varios componentes del sistema en una solución completa.
La premisa básica es la de facilitar la necesidad de integrar múltiples componentes del sistema con una arquitectura de sistemas e infraestructuras comunes, que, en esencia, es un conjunto de cables a través de la cual todos los componentes están unidos y pueden compartir información común. Los datos pueden viajar desde cualquier punto de la red a cualquier otro punto sin ningún fallo, incorporando altos niveles de seguridad y permitiendo la interoperabilidad de componentes completos de forma usuario a usuario.
Como plataforma secundaria, pero integrada con la primera se plantea el protocolo Modbus TCP/IP, fundamentalmente para cubrir la comunicación con centrales de medida eléctrica y controladores aislados, ya que la mayoría de fabricantes de equipos lo incorporan de serie sin coste económico adicional. Modbus es un protocolo de comunicaciones situado en el nivel 7 del modelo OSI, basado en la arquitectura maestro/esclavo o cliente/servidor, diseñado en 1979 por Modicon para su gama de controladores lógicos programables (PLCs). Convertido en un protocolo de comunicaciones estándar de facto en la industria, es el que goza de mayor disponibilidad para la conexión de dispositivos electrónicos industriales porque es público, su implementación es fácil y requiere poco desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones, permitiendo el control de una red de dispositivos.
En una capa superior de comunicación se emplea la plataforma Ethernet, aprovechando la amplia infraestructura, como hemos comentado anteriormente, de cableado estructurado par trenzado, wifi y fibra óptica disponible en los edificios y entre ellos comportándose como una gran red local.
La instalación de control realizada presenta a cada edificio y servicio como una isla dentro del campus en cuanto a control y supervisión con tecnología abierta y flexible, dotándolo de autonomía propia. Las instalaciones controladas son diversas y no uniformes en cada edificio y servicio ya que gracias a su flexibilidad y capacidad de ampliación se han ido particularizando en función de las necesidades inmediatas y los recursos económicos disponibles. Entre las instalaciones controladas podemos destacar la iluminación de zonas comunes (on/off de luminarias, programación horaria de encendidos, etc) gestión de la energía mediante analizadores de red eléctrica (visualización y registro de principales parámetros eléctricos), estación de bombeo de agua potable (estado e bombas y variadores de frecuencia, nivel de aljibe, mantener presión constante en función de demanda, caudal instantáneo y acumulado) y red general de distribución (presión y caudal), climatización (on/off, visualización y registro de temperatura de zonas), calefacción (on/off, visualización y registro de temperatura de zonas), estación de aire comprimido para laboratorios (estado de compresores, ventilación de sala, presión y caudal suministrado) y gestión administrativa (comunicación de incidencias, avisos de revisiones periódicas, etc). Uno de los aspectos más destacados consiste en la supervisión de las cámaras y equipos frigoríficos, un tipo de instalación crítica tanto por su número (contando con más de cien instalaciones) como por su nivel de seguridad, ya que en muchos casos albergan actividades experimentales.
Por cada edificio se instala dos buses de campo abiertos, LON (LPT-10 y FTT-10A) y Modbus TCP/IP, con topología bus, estableciendo una instalación multimarca, como se puede ver en figura 2 y 3. Con la existencia de los dos protocolos se cubren las necesidades de automatización mediante el empleo de controladores, módulos de entrada/salida y sensores inteligentes, dotando la instalación de un carácter distribuido dentro del edificio. Los buses terminan en un equipo con servidor web que dota a la instalación de un sistema SCADA (Rodríguez, 2007) multiusuario accesible desde cualquier navegador de internet vía Ethernet para supervisión como usuario o para labores de programación de equipos o aplicación como administrador o ingeniería. En el SCADA se presentan las pantallas gráficas de instalaciones, control de usuarios, gestión de alarmas con envío de correos electrónicos, registros de variables y curvas de tendencia. Los datos registrados pueden ser proporcionados en ficheros con formato CSV facilitando la posibilidad de ser visualizados y tratados por sistemas externos.
Cada edificio o RTU (Remote Terminal Unit) (Rodríguez, 2007) es interconectado mediante protocolo Ethernet a través de una aplicación software de nivel superior realizando las labores de unidad central de control o MTU (Master Terminal Unit). Esta aplicación se ejecuta en un servidor redundante ubicado en el centro de procesamiento de datos del Campus de Rabanales, dotando el hardware de máxima seguridad de mantenimiento con copias de seguridad cíclicas, control de temperatura y humedad de sala, control de acceso y vigilancia 24 horas todo el año. Desde la aplicación se gestionan las redes de buses de los diferentes edificios y presenta un SCADA de carácter general para supervisar el total de los edificios y servicios registrando alarmas generales, variables de interés de forma redundante para la generación de curvas o informes de comportamiento de edificio, pantallas gráficas por naturaleza de instalaciones, gestión de usuarios, etc. El esquema general de control en el campus se puede apreciar en la figura 3.
Resultados obtenidos y discusión
Con el sistema implementado se consigue una notable mejora en la administración y gestión técnica de las infraestructuras, a destacar los siguientes campos de interés:
Arquitectónico. Se satisfacen las necesidades presentes y futuras de las instalaciones y usuarios al presentar un sistema con una estructura flexible que mejora la funcionalidad del campus. Ofrece un control distribuido modular que garantiza un mayor confort y seguridad de usuarios con el control de las variables de funcionamiento. El aviso y planificación de las tareas de mantenimiento ofrece la no interrupción de trabajos de terceros en los cambios y modificaciones.
Tecnológicos. Se dispone de medios técnicos basados en sistemas abiertos con la posibilidad de plantear la instalación presente y futura con diferentes fabricantes de producto que soporten los estándares contemplados. Se automatizan el funcionamiento habitual de las instalaciones evitando el factor humano para tareas rutinarias (encendidos y apagados diarios, programación de días festivos, vigilancia de situaciones anómalas, etc). Se integran distintas instalaciones comunes de los edificios y servicios bajo una misma plataforma de forma que puedan intercambiar información entre ellos. Se garantiza la comunicación a los distintos responsables de estados no deseados y averías. La aportación de datos de registro en formato abierto CSV hace que la solución propuesta se comporte como una arquitectura Open Data aportando datos a terceros como el caso de Empresas de Servicios Energéticos (ESEs).
Ambientales. Se favorece el ahorro energético gracias a la gestión y análisis permanente de los principales parámetros eléctricos y comportamiento de instalaciones. La reducción de emisiones de CO2 se consigue al reducir los tiempos innecesarios de funcionamiento de equipos e instalaciones así como la detección de comportamientos anómalos que implique un consumo o calidad de suministro inadecuado.
Económico/social. Se reducen los costes de operación y mantenimientos al contabilizar automáticamente horas de funcionamiento de equipos y aviso de estados anómalos de operación, repercutiendo a su vez en un incremento de la vida útil de los servicios. La satisfacción del usuario aumenta al ver como las instalaciones se adaptan a sus necesidades disponiendo además, la propia Administración Pública, de una herramienta útil para sensibilizar a todos los miembros de la comunidad universitaria en materia de sostenibilidad mediante la posibilidad de habilitar vía web de manera abierta los principales datos energéticos y consumos. Cabe destacar, que la imagen corporativa de la universidad, como entidad pública, se ve reforzada al mostrar un especial interés en dotar a su infraestructura de un sistema encaminado en mejorar la eficiencia energética y la sostenibilidad.
Conclusiones
El uso de las nuevas tecnologías de automatización y comunicaciones en una plataforma integral de gestión técnica aplicada a nuestro complejo público universitario, se confirma como una herramienta esencial para evaluar el estado de sus infraestructuras actuales y futuras. Aporta un grado de transparencia y compromiso sostenible permitiendo una Administración Pública más vinculada y cercana a las preocupaciones e intereses de la sociedad.
El proyecto base permite la posibilidad de plantear las siguientes líneas futuras de trabajo:
- Obtención de modelos de edificios y servicios mediante redes neuronales en base a registros históricos de parámetros técnicos (consumos, temperaturas, alarmas, etc) en función de usos (periodos lectivos, periodo de exámenes, vacaciones, eventos, etc).
- Aplicación móvil pública para miembros de la comunidad universitaria y cartelería digital en puntos de información que refleje parámetros de interés generados tras desarrollo de encuestas. Open Goverment (Enerlis et. Al, 2012).
- Análisis de históricos para el desarrollo de redes de calor y frío.
- Difusión de la tecnología empleada en asignaturas de titulaciones con contenidos relacionados con las ciudades inteligentes, control de edificios, automatización, eficiencia energética y sostenibilidad.
- Dar soporte con nuestra plataforma a grupos de investigación de la UCO con líneas relacionadas con Ciudades Inteligentes, Control de Edificios, Sostenibilidad, Eficiencia, etc.
Agradecimientos
Se agradece el apoyo e interés prestado a la Universidad de Córdoba a través del Vicerrectorado de Coordinación institucional e Infraestructuras, Coordinación General de Campus y Administración de Campus Universitario de Rabanales.
Referencias
- Enerlis, Ernst and Young, Ferrovial & Madrid Network, 2012, Libro Blanco Smart Cities.
- Rodríguez, A, 2007, Sistemas SCADA, Marcombo Ediciones Técnicas.
- Serrano, M, 2015, I Congreso de Ciudades Inteligentes, Madrid.
- Vázquez, F, Romero, C, & De Castro, C, 2010, Domótica e Inmótica Viviendas y Edificios Inteligentes, Rama Editorial.