Gebäudetechnik im Einklang Anlagenvernetzung über geeignete Schnittstellen

Seit der Einführung von Mikroprozessoren in die Gebäudetechnik zu Beginn der 1980er-Jahre werden in der Regel Computer zur Überwachung, Steuerung und Regelung von technischen Anlagen in Gebäuden eingesetzt. Das Herzstück eines Reglers als zentrale Verarbeitungseinheit ist ein Mikroprozessor (auch als CPU bekannt). Er verarbeitet Befehle, die durch das Programm vorgegeben sind und steuert alle durch eine Datenleitung miteinander verknüpften Systemkomponenten. Die Mikroprozessoren übernehmen je nach Programmierung eine Fülle von Aufgaben: minutengenaues Schalten der Tages-, Wochen- und Jahresprogramme, durchführen von Lernprozessen, Anzeigen von Messwerten und Betriebszuständen sowie die Ermittlung von Gebäude- und Anlageparametern. Sie sind ein wichtiger Baustein zur digitalen Steuerung einer technischen Gebäudeausstattung.

DDC-Regler

Als Vorstufe kommen oft DDC-Regler (DDC = Direct Digital Control) zur Anwendung. Eine DDC ist eine frei programmierbare, modular aufgebaute Reglereinheit, die mith­ilfe eines Programms und eines Mikroprozessors Regelaufgaben digital umsetzt, im Gegensatz zu analogen Reglern, die in der Regel über Widerstands-Messbrücken arbeiten und entsprechend abgeglichen sind. Die eigentliche Steuerung der Gebäudetechnik erfolgt durch die im Gebäude verteilten DDC-Unterstationen, die direkt die Steuerungs- und Regelungsaufgaben im Bereich der Heizungs-, Lüftungs-, Klima oder Lichtsteuerungen übernehmen. DDC-Regler können autonom arbeiten, d.h. sie benötigen zu ihrer Funktion im Normalbetrieb kein übergeordnetes Rechnersystem. Über Datenleitungen können sie allerdings miteinander verbunden werden und Messwerte untereinander austauschen, wie z.B. die Außentemperatur. Werden mehrere DDC-Regler auf der Grundlage eines Bus-Protokolls miteinander verbunden und an einen Zentralrechner angeschlossen, der die eingehenden Daten verarbeitet, spricht man von einem Gebäudeleitsystem.

Einbindung durch herstellereigene Protokolle
Die Gebäudeleittechnik (GLT) umfasst sowohl das gesamte automatisierungstechnische Instrumentarium einer technischen Gebäudeausrüstung als auch die Software, mit der Gebäude überwacht und gesteuert werden. Die Software wird auf einem Server installiert und vom Hersteller der Gebäudeautomatisierungstechnik zur Verfügung gestellt. Dabei kommen oft hersteller­eigene Entwicklungen zum Einsatz, die dann nur untereinander kommunizieren können. Dies gilt für alle technischen Komponenten eines Gebäudes wie Heizungs-, Lüftungs-, Klimaanlagen oder auch die Lichtsteuerung und Schließsysteme.

Für den Anschluss einzelner Anlagenteile mit einem Gebäude-Management-System stehen verschiedene Schnittstellen zur Verfügung.

Wird in anbieterspezifischen Produkten oder Produktlinien eine eigene Software genutzt, ergeben sich im Hinblick auf die Kommunikation innerhalb eines technischen Systems sowie auf die Einbindung in die GLT wichtige Fragestellungen. Zum einen wie und ob die unterschiedlichen Produktserien eines Herstellers reibungslos untereinander kommunizieren können? Und zum anderen, auf welchem Weg eine übergeordnete GLT Einfluss auf einzelne Systeme innerhalb der Gebäudeautomation nehmen kann? Denn erst das reibungslose Zusammenspiel von aufeinander abgestimmten Komponenten gewährleistet einen optimalen Energieeinsatz, einen hohen Bedienkomfort sowie die maximale Betriebssicherheit.

Die Zugriffmöglichkeiten auf eine Klimaanlage, wie hier z. B. von Mitsubishi Electric, können sehr vielfältig sein und sind nahezu frei wählbar.

Ein Lösungsmodell, bei dem die gesamte Anlagenregelung einheitlich, d.h. basierend auf einem einheitlichen Standard gesteuert wird, stellt z.B. die „Mitsubishi-Net-Kommunikation“, die auch als „M-Net-Kommunikation“ bezeichnet wird, dar. Hierbei kommt ein autarkes 2-Draht-Bus-System zum Einsatz, über das alle Produktserien des Herstellers untereinander kommunizieren können. Diese zunächst geschlossene System-Software kann optional durch ein Interface geöffnet und so auf eine GLT aufgeschaltet werden. „Die systemeigene Regelung stellt dann anhand der Informationen, wie beispielsweise Betriebszustände oder ermittelte Messwerte, die vorgegebene Einstellung für die Anlage zur Verfügung“, erklärt Karl Hamer, Supervisor Control Group bei Mitsubishi Electric.

Offene Protokolle unterstützen Systemlösungen

„Darüber hinaus stehen alle unsere Produktlinien herstellerunabhängigen GLT-Systemen, z.B. EIB-BUS, BAC-Net, LON, oder MOD-BUS, zur Verfügung. Durch diese wird sichergestellt, dass in externen Kommunikationssystemen immer über eine entsprechende Schnittstelle kommuniziert werden kann. Der Unterschied dieser verschiedenen Kommunikationsprotokolle besteht in der Sprache, in der diese miteinander kommunizieren, sowie im Informationsgehalt, der transportiert werden kann“, so Hamer weiter. Systembedingt eignen sich die unterschiedlichen Protokolle für unterschiedliche Anwendungen und Einsatzgebebiete. Beim Installationsstandard EIB-BUS beispielsweise muss man berücksichtigen, dass dies ein System zur Steuerung von Installationen in kleineren bis mittleren Gebäuden ist. Diese Art der Steuerung ist ein relativ einfaches System.

Sollen durch das Kommunikationsprotokoll jedoch mehr Informationen vermittelt werden, um der Gebäudeleittechnik die Möglichkeit zu geben, umfangreicher zu agieren, muss man auf einen anderen Standard zurückgreifen. Das BAC-Net-Protokoll eignet sich wie andere Protokolle gut dafür, da es sich um einen definierten Standard handelt, der wertneutral an alle kompatiblen Hersteller abgegeben werden kann. Was hier an Informationen zur Verfügung gestellt wird, kann von jedem, der dieses Protokoll unterstützt, frei gelesen werden. Moderne Systeme sind dabei in der Lage, die gesamte Haustechnik mit in das Gebäude- und Energiemanagement einzubinden und unterschiedliche technische Anlagen vernetzt miteinander zu steuern, wie z.B. die Steuerung der Jalousien und Beleuchtung, das automatische Schließen und Öffnen von Fenstern und Türen oder das Hoch- und Runterfahren der Klimaanlage. Welche Messwerte von welchem System dabei jeweils Priorität besitzen, also sozusagen eine Masterfunktion übernehmen, kann von vielen Faktoren abhängen.

Direkter Zugriff oder Interface
Die Philosophie, für verschiedene Produktgruppen grundsätzlich eine gemeinschaftliche Schnittstelle zu einer übergeordneten GLT auf der Managementebene bereitzustellen, hat den Vorteil, dass zusammengehörende Systeme vor ungewollter Kommunikation und für den Betrieb irrelevanten bzw. für den Betriebsablauf ineffektiven Informationen von außen geschützt werden. Dabei entsteht eine Art Firewall, wodurch nur diejenigen Informationen weitergegeben werden, die für die jeweilige Aufgabenstellung und das Funktionieren des Systems im Gebäude erforderlich sind. „Dies berücksichtigt vorwiegend die Bedürfnisse der Anwender, die nur ein geringes Interesse daran haben, in der Innenkommunikation zwischen einzelnen Anlagenkomponenten zusätzliche Komponenten einzusetzen, wenn die Regelungstechnik bereits herstellerseits integriert ist und die Kommunikation einwandfrei läuft, wie z.B. in der Klimatechnik zwischen Innen- und Außengeräten“, so Hamer.

Durch die Öffnung herstellereigener Regelungssoftware können unterschiedliche Anlagen miteinander verknüpft werden.

Eine vollkommen andere Lösung sieht einen direkten Zugriff durch die Gebäudeleittechnik auf jede einzelne Komponente der technischen Gebäudeausrüstung vor, beispielsweise auf die Innengeräte einer Klimaanlage. Dies macht immer dann Sinn, wenn eine Anlage nur aus wenigen Geräten besteht. Bei größeren Systemen ist es zudem meist sinnvoll, einen zentralen Übergabepunkt vorzusehen. Ein entscheidendes Kriterium hierfür ist, dass im Falle eines Ausfalls einer übergeordneten GLT, ein solches System auch autark weiterlaufen könnte. In einem solchen Fall würde sich eine zentrale Schnittstelle automatisch von einer zentralen Gebäudeautomation abkoppeln und im Zweifel auf der Grundlage der zuletzt erhaltenen Informationen weiterlaufen. Dies ist von Bedeutung, wenn beispielsweise eine durchgehende Kühlung von Serverräumen notwendig ist. In einem solchen Fall sollte immer sichergestellt sein, dass die Klimageräte auch ohne zusätzliche Steuerbefehle bis zur Behebung der Störung in Betrieb bleiben. Ein weiterer Gesichtspunkt ist, dass der Direktzugriff einer GLT auf einzelne Anlagenteile häufig mit einem erhöhten Verkabelungs- und Installationsaufwand verbunden ist.

Über ein LAN-Protokoll werden Anlagen heutzutage weltweit überwacht und gesteuert.

Optimal ist es, wenn durch die Nutzung von externen Signalen und die vollständige Einbindung von anderen Gewerken in das Steuerungssystem Betriebs- und Störungsanzeigen an externe Steuerungssysteme weitergegeben werden oder zu weiteren Verwaltungszwecken verarbeitet werden können. „Mitsubishi Electric geht beispielsweise den Weg mit der System-Fernbedienung AG 150 und den Expansion Controllern zwischen den einzelnen Elementen ein normales LAN-Protokoll zu verwenden, um die erforderliche Verdrahtung zu minimieren und über das Internet-Protokoll Anlagenzustände über große Entfernungen visualisieren zu können“, so Hamer. 

Fazit
Digitale Regelungs- und Steuertechnik zur energieeffizienten und sicheren Verwaltung von Gebäuden ist seit vielen Jahren Standard. Hierfür stehen unterschiedliche Systemvarianten zur Verfügung, um mehrere gebäudetechnische Systeme über eine GLT miteinander zu koppeln, sodass deren Messgrößen und Betriebszustände einander beeinflussen können. Ziel dieser Funktionalitäten ist die Reduzierung des Energieverbrauchs und dadurch die Minimierung der Betriebskosten, die Erhöhung der Betriebssicherheit und des Bedienkomforts.

Der Visualisierung der Gebäudetechnik sind im Rahmen der Gebäudeleittechnik heute kaum Grenzen gesetzt. So können z.B. Anlagenbetriebszustände auf Bildschirmen dargestellt werden.

Dabei besteht die Möglichkeit, alle relevanten Systemkomponenten und einzelnen Geräte direkt über die GLT-Software zu regeln. Das führt jedoch bei komplexeren Anlagen/Gebäuden zu einem enorm hohen Verkabelungsaufwand sowie häufig zur Überlappung unterschiedlicher Regelstrategien. Einfacher und vorteilhafter ist es, jeder Anlagenteil verfügt über eine bereits integrierte Software, die Regelungsaufgaben übernimmt und gegebenenfalls unabhängig den Anlagenbetrieb weiterführen kann. Zur Integration in eine GLT müssen sich diese aber auf ein standardisiertes Datenprotokoll aufschalten lassen, um ihre Informationen in den Dienst einer übergeordneten Gebäudemanagementstrategie stellen zu können.

Bilder: Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen

www.mitsubishi-electric.de