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Intelligente
Gebäudeautomation
Komfortable Steuerung der
Gebäudetechnik über Touchpanel

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der sogenannten Aktoren (das können z.B. Ventile oder
Stellklappen sein) und...
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Vereinfachte Darstellung der Gebäudeleittechnik
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Einzelraumreglung mit Modbus

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Intelligente Gebäudeautomation - Herbert Magazin 2013

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Gebäudeautomation verbindet Gewerke zu einem integrierten System. Als oberste Instanz hier die Gebäudeleittechnik, die alle Subsysteme überwacht. - Intelligente Gebäudeautomation.

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Intelligente Gebäudeautomation - Herbert Magazin 2013

  1. 1. 50 Lean Automation Intelligente Gebäudeautomation Komfortable Steuerung der Gebäudetechnik über Touchpanel Die Gebäudetechnik eines Gebäudes stellt ein komplexes Gesamtsystem dar. Die einzelnen Gewerke erfüllen dabei unterschiedliche Funktionen. Gleichsam wie bei einem menschlichen Organismus funktioniert die Lüf­ tungstechnik wie die Lunge. Heiztechnik und Kühlung sorgen für eine bedarfsgerechte Temperierung; dem entspräche die Aufrechterhaltung der Körpertemperatur über die Energieumwandlung in den Zellen. Die Versor­ gung mit Wasser und Energie gleicht der Nahrungsauf­ nahme. Außerdem verfügt ein Gebäude über komplexe Verteilungssysteme, über die z.B. Strom, Gas, Wärme, Wasser und Luft bereitgestellt werden, ähnlich wie beim Blutkreislauf. Und das benutzte Wasser wird über ein Abwassersystem in die Kanalisation ,ausgeschieden‘. Zwischen Gebäuden mit Gebäudetechnik und einem Organismus gibt es viele Analogien. Der Vergleich legt auch nahe, dass Gebäudetechnik mehr als die Summe der Gewerke ist. Ähnlich wie Gehirn und Nervensystem die einzelnen Körperfunktionen steuern und aufein­ ander abstimmen, verfügen heute auch Gebäude über hochkomplexe elektronische Systeme zur Gebäudeau­ tomation, die die Prozesse aller technischen Anlagen in­ telligent vernetzen, steuern und aufeinander abstimmen. Gebäudeautomation verbindet die Gewerke zu einem integrierten System. Als oberste Instanz (Gehirn) fungiert hier die Gebäudeleittechnik; das ist meist ein PC oder Server, der alle Subsysteme überwacht. Hier werden alle Systemdaten gesammelt und über eine Bedienoberfläche dargestellt. Das technische Gebäudemanagement kann darüber Parameter einstellen oder das Anlagenverhalten analysieren, um zum Beispiel den Anlagenbetrieb zu op­ timieren, Störungen zu diagnostizieren oder Wartungs­ arbeiten zu planen. Systeme mit verteilter Intelligenz Die einzelnen Gewerke sind mit eigener Intelligenz aus­ gestattet. Das heißt, in der Regel übernimmt eine frei programmierbare Steuerung (DDC) die Ansteuerung
  2. 2. Q = mc*ΔT — GebäudeSystemtechnik realisiert. der sogenannten Aktoren (das können z.B. Ventile oder Stellklappen sein) und überwacht mit geeigneter Sen­ sorik die für die Regelungen relevanten Ist-Werte und vergleicht diese mit Sollwerten, die entweder statisch vorgegeben sind oder bedarfsgerecht angepasst werden. Über Aktoren werden Prozessparameter verändert. Die Sensoren sind, gleichsam wie unsere Sinnes­ organe, die Schnittstellen der Gebäudeautomation zur Prozesswirklichkeit. In der Gebäudetechnik spielen folgende Größen häufig eine Rolle: Temperatur, Feuch­ tigkeit, Druck, Volumenstrom, Luftqualität über CO₂Anteil oder Lichtstärke. In die Aktoren sind heute häufig schon intelligente Regler integriert, die z.B. den Öffnungsgrad eines elek­ tronischen Ventils selbstständig einstellen, die Drehzahl eines Verdichters in der Kälteanlage regeln oder dreh­ zahlgeregelte Lüfter ansteuern. Wie im menschlichen Körper auch werden so bestimmte Funktionen dezentral und relativ unabhängig geregelt, vergleichbar Organen, die als Einheiten spezialisierter Zellen eine organische Teilfunktion verwirklichen. 51 Hierfür haben sich in der Gebäudeautomation einige Bussysteme etabliert, die die Kommunikation zwischen Leitrechner, Steuerungen, Reglern, Sensoren und Akto­ ren ermöglichen. Die Schwierigkeit bei der intelligenten Vernetzung aller Gewerke besteht darin, dass nicht auf allen Bussysstemen und allen Ebenen der Gebäudeauto­ mation dieselbe Sprache gesprochen wird. Viele Steue­ rungen unterstützen heute verschiedene Schnittstellen und fungieren so gleichzeitig als Gateways, die die Infor­ ­ mationen übersetzen. Ein solches Anwendungsprotokoll ist z.B. Modbus, das eine besonders einfache Vernetzung von Geräten unterschiedlicher Hersteller erlaubt (siehe S. 52). Es wurde bei der Gebäudeautomation für das La­ borgebäude von Atotech genutzt, um die Sensoren und Aktoren an die Einzelraumregler anzubinden. Auf der Ebene der Gebäudeleittechnik werden alle Daten aus den Steuerungen der einzelnen Gewerke zu­ sammengeführt. Erst dadurch wird es möglich, auf Ge­ werke als Teile eines komplexen Gesamtsystems gezielt Einfluss zu nehmen. Das Atotech-Projekt wurde mit einer herstellerunabhängigen Gebäudeleittechnik realisiert, was ohne Modbus kaum möglich gewesen wäre. Komplexe Kommunikations-Infrastruktur Unsichtbar, aber spürbar Damit ein Organismus als Ganzes ,funktioniert‘, kommt es ganz entscheidend auf den Austausch von Informa­ tionen zwischen einzelnen Körperfunktionen an. Soll beispielsweise bei Belastung mehr Wärme an die Umwelt abgeführt werden, muss die Haut für genügend Trans­ piration sorgen, um den Körper zu kühlen. So werden die Körperfunktionen im Idealfall immer bedarfsgerecht und mit geringstmöglichem Energieeinsatz aufeinander abgestimmt. Hierbei kommt es ganz entscheidend auf den schnellen Informationsaustausch über das Nerven­ system an. Ganz ähnliche Ziele verfolgt auch die Gebäudeauto­ mation, indem sie eine durchgängige KommunikationsInfrastruktur zwischen alle Systemkomponenten aufbaut. Als normaler Nutzer des Gebäudes kommt man mit der Gebäudeautomation am ehesten an Raumbediengeräten in Berührung. Sie sind die Schnittstellen für Nutzerein­ gaben, also z.B. die Einstellung der gewünschten Tem­ peratur. Ein Großteil der Gebäudeautomation spielt sich völlig unbemerkt ,hinter den Wänden‘ ab, sorgt aber dafür, dass wir überhaupt komplexe Gebäude mit kom­ fortablen und sicheren Lebens- und Arbeitsbedingungen nutzen können. Darüber hinaus sind integrierte Lösungen für die Gebäudeleittechnik eine Grundvoraussetzung für eine effiziente Nutzung von Energie und Ressourcen, denn durch sie wird es möglich, alle Gewerke ganzheitlich zu koordinieren und zu kontrollieren. —
  3. 3. 52 Vereinfachte Darstellung der Gebäudeleittechnik und Gebäudeautomation des Labor-Gebäudes von Atotech ISP02 Lüftung 10˝ Display PCD3 Switch 24V 230V Labor R201, R202, R203, R207 4x PCD1.M2120 6x WPF04PS-ModBus 2x WPF04PS-Standard ISP 200 ext. Meldung BSK Labor R201, R202, R203, R207 4x Volumenstromregler ISP01 Heizung 10˝ Display PCD3 Switch 24V 230V Büro R206, R210, R211 3x WPF04PS-ModBus Wärmepumpe ISP 220 ext. Meldung BSK Büro R206, R210, R211 3x Umluftkühlgeräte Kältemaschine 1. OG ISP 100 ext. Meldung BSK Büro R108, R113, R114, R115, R116, R117, R122 7x WPF04PS-ModBus Büro R108, R113, R114, R115, R116, R117, R122 7x Umluftkühlgeräte Labor R101, R102, R103, R104, R105, R109, R110, R119 8x PCD1.M2120 8x WPF04PS-Standard Labor R121, R123, R124, R125, R127, R130, R133 7x PCD1.M2120 7x WPF04PS-Standard Labor R101, R102, R103, R104, R105, R109, R110, R119 11x Volumenstromregler Labor R121, R123, R124, R125, R127, R130, R133 7x Volumenstromregler EG ISP003 24VDC 230VAC PCD1 Switch ISP004 24VDC 230VAC PCD1 Switch Labor R006, R010, R013, R015, R016, R017, R018, R021, R024, R026 10x PCD1.M2120 10x WPF04PS-Standard Labor R006, R010, R013, R015, R016, R017, R018, R021, R024, R026 10x Volumenstromregler Büro RZ001, RZ002, RZ003 3x WPF04PS-ModBus Büro RZ001, RZ002, RZ003 3x Umluftkühlgeräte ISP 029 ext. Meldung BSK
  4. 4. Q = mc*ΔT — GebäudeSystemtechnik realisiert. 53 Flexibel und schnell integriert Einzelraumreglung mit Modbus Modbus ist ein Anwendungsprotokoll, das auf einer Master-/Slave- bzw. Client-/Server- Architektur ba­ siert. Master kann zum Beispiel ein übergeordneter PC oder eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) sein, Slave zum Beispiel ein Regelungsgerät, das einen Volumenstrom oder die Temperatur regelt. Modbus ist ein De-facto-Standard in der industriellen Automati­ sierung. Es handelt sich um ein offenes, herstellerun­ abhängiges und robustes Anwendungsprotokoll. Viele Hersteller und Geräte unterstützen Modbus direkt über entsprechende Schnittstellen oder indirekt über Gate­ ways. Modbus bietet eine Client-/Server-Kommunikation zwischen diversen Geräten, die über verschiedene Netzwerke verbunden sind. In vielen Fällen ist ein Mod­­ bus-System der gemeinsame Nenner, um Daten zwischen unterschiedlichen Geräten und Systemen auszutauschen. Zur Vernetzung können verschiedene Kommunikationsmedien genutzt werden. Modbus-TCP/ IP steht für die ethernet-basierte Kommunikation zur Verfügung, Modbus-RTU für die serielle Datenübertra­ gung. Modbus in der Gebäudeautomation Wie hat man sich die Kommunikation via Modbus vorzu­ stellen und welche Vorteile bringt das in der Gebäude­ automation? Jeder Busteilnehmer hat eine eindeutige Adresse und darf Nachrichten über den Bus senden. In der Regel geschieht dies jedoch auf Initiative des Masters, der zum Beispiel Sollwerte vorgibt, und der ,angespro­ chene‘ Slave antwortet. In einem Bussegment können bis zu 32 Teilnehmer eingebunden werden, das sich aber auf 63 erweitern lässt. Modbus macht Gebäudeautomation so flexibel und individuell, wie sie sein sollte. Der Kunde ist völlig frei bei der Wahl der sonstigen Regelungstechnik und Gebäu­ deleittechnik (SPS, GLT), denn das herstellerunabhängige Protokoll schränkt ihn hier nicht ein, was bei proprie­ tären Lösungen häufig der Fall ist. Gebäudeautomation mit Modbus richtet sich kompromisslos nach den indi­ i­ uellen Anforderungen des Kunden und erlaubt vd einen hohen Integrationsgrad aller gebäudetechnischen Subsysteme. Bei dem Projekt für Atotech wurden die einzelnen Raumbediengeräte zur Temperaturerfassung und ma­ nuellen Bedienung von Heizung, Lüftung und Klima per Modbus in das Regelungssystem integriert. Das universelle Raumbediengerät verfügt über eine ModbusSchnittstelle (RS-485), über die die Funktionen der Be­ ientasten abgefragt bzw. angesteuert werden können. d Sämtliche Sensoren und Aktoren wurden über Modbus an den Einzelraumregler angebunden, z.B. auch die Vo­ lumenstromregler. Dies erlaubt einen einfachen Abgleich der Luftmengen und ermöglicht so eine bedarfsabhängige Regelung der Volumenströme. Durch den offenen Austausch von Prozessdaten sind jederzeit Rückschlüsse auf die Gesamtfunktion der An­ lage möglich. Falls gewünscht, können beispielsweise die einzelnen Volumenströme dokumentiert und ausge­ wertet werden. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für Komfort, Energieeffizienz und Sicherheit einer kom­ plexen gebäudetechnischen Anlage. Der Verkabelungs­ aufwand für ein Modbus-Netzwerk ist im Vergleich mit analogen und digitalen Ein- und Ausgangssystemen er­ heblich geringer, was die Inbetriebnahme beschleunigt. Die Modbus-Topologie erlaubt es, Netzwerke sukzessive aufzubauen. Beim Projekt Atotech konnten die Einzel­ raumreglungen komfortabel nacheinander in Betrieb ge­ nommen und auf die übergeordnete Gebäudeleittechnik ,aufgeschaltet‘ werden. —

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