Embedded-Systeme Skalierbare Schaltzentrale für die vernetzte Gebäudeautomation

Von Zeljko Loncaric *

Das spanische Elektronikunternehmen Matrix hat die kompakte und skalierbare Schaltzentrale MTX-StarBMS für die Gebäudeautomation entwickelt: Die Hardware ist ein Computer-on-Module von Congatec, die Software das Niagara-Framework von Tridium.

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Bild 1: Das spanische Unternehmen Matrix mit Hauptsitz in Madrid gehört zur Flexitron Group und hat sich unter anderem in der Gebäudeautomation international einen Namen gemacht.
Bild 1: Das spanische Unternehmen Matrix mit Hauptsitz in Madrid gehört zur Flexitron Group und hat sich unter anderem in der Gebäudeautomation international einen Namen gemacht.
(Bild: Matrix)

Eine Gebäudeautomation gibt es zwar in vielen Großbauten wie Krankenhäusern, Bahnhöfen, Bürogebäuden oder Wohnkomplexen, doch noch arbeiten gebäudetechnische Systeme oft im Stand-alone-Modus. Ein IoT-basierendes (Internet of Things) Management mit übergeordneter Erfassung und Analyse der Daten ist eher selten. Dabei werden die Aufgaben des Gebäudemanagements immer vielschichtiger – längst soll es nicht nur Systeme steuern und regeln, sondern auch deren Funktionen überwachen, vernetzen und verbessern, um den Komfort zu steigern und den CO2 Fußabdruck nachhaltig zu verringern. So zum Beispiel lässt sich über vernetzte Energieanlagen das Zusammenspiel aus selbsterzeugter Solarenergie und eigenem Stromverbrauch optimieren. IoT-basierende HVAC-Systeme (heating, ventilation, and air conditioning) finden die richtige Balance zwischen Heizen, Lüften und Luftfeuchtigkeit, um für ein angenehmes Raumklima zu sorgen – unabhängig von Jahreszeiten und egal, ob es regnet oder die Sonne scheint.

Datenanalyse am Edge sorgt für mehr Sicherheit

Dort, wo eine vernetzte Gebäudeautomation realisiert ist, werden zunehmend oft externe Clouds als Leitstand und Management-Instanz installiert, die mit den gebäudetechnischen Systemen vor Ort vernetzt sind. Über Tablet, Smartphone oder Computer ist es so möglich, die gebäudetechnischen Installationen einzustellen und zu regeln. Beim allgemeinen Management und der Kontrolle von HVAC-Anlagen ist der Weg über die Cloud einfach und extrem komfortabel, da von dort aus alles umgesetzt und jeder beliebigen Instanz Zugriff auf ganz spezifische Daten gewährt werden kann. Dies auch von jedem Ort der Welt. Es reicht jedoch nicht aus, einen Ethernetanschluss an bestehende Systeme anzuflanschen. Es ist vielfach auch ein neuer Edge-Layer dazwischen zu ziehen, der vor Ort ganz spezifische Aufgaben erfüllt.

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Es gibt beispielsweise Situationen, die von schnellen Entscheidungen abhängig sind – vor allem wenn es um sicherheitsrelevante Systeme geht. Cloudbasierte Leitstände sind stets mit einer gewissen Latenzzeit behaftet und können bei Netzproblemen sogar ganz ausfallen – deshalb gewinnt die Datenanalyse und die gewerkeübergreifende Entscheidungsfindung am Edge immer mehr an Bedeutung. Lokale Hutschienen-PCs verarbeiten nicht nur Messdaten in Echtzeit, sondern können bei Hochwasser, Hagelschlag oder Feuer sofort Schutzmaßnahmen einleiten und über Alarmanlagen Bewohner oder Feuerwehr automatisch informieren. Gerade der Sommer 2021 hat gezeigt, dass Unwetter innerhalb kürzester Zeit nicht nur große Schäden in Kellern, auf Dächern oder an der Gebäudetechnik anrichten können, sondern auch Menschenleben gefährden. Frühwarnsysteme erkennen anhand von aktuellen Wetterdaten herannahende Gewitter innerhalb kürzester Zeit und können Objekte in einen sturmsicheren Zustand versetzen: Markisen und Jalousien einfahren, Fenster und Garagentore schließen, Stromversorgungen abschalten, Alarmanlagen aktivieren und Bewohner warnen.

Ein Hutschienen-PC für die Gebäudeautomation

Edge-Computer mit Softwareintegration zum Gebäudemanagement entwickelt und vertreibt die spanische Elektronikfirma Matrix beispielsweise in Form von flachen Hutschienen-PCs, die in jeden gängigen Schaltschrank passen. Die Bautiefe ist nämlich kleiner als 70 mm. Das Unternehmen mit Hauptsitz in Madrid gehört zur Flexitron Group und hat sich unter anderem in der Gebäudeautomation international einen Namen gemacht. Die jüngste Innovation aus dem Hause trägt den Namen MTX-StarBMS (Building Management System) und ist ein kompakter Hutschienen-PC, der sich als Schaltzentrale für ein umfassendes BMS eignet. MTX-StarBMS ist in der Lage, mit Cloud-Leitständen und anderen zentralen Managementinstanzen zu kommunizieren und ermöglicht es, jedwede Systeme vor Ort über seine zahlreichen Schnittstellen zu integrieren. Die Matrix-Lösung verfügt über eine modulare Prozessorarchitektur und kann individuell programmiert werden.

Das auf offenen Standards basierende Embedded-Computing-System vereint Gateway-Funktionen und I/O-Schnittstellen und kommuniziert mit Clouds vor allem über den 4G-Mobilfunkstandard oder Ethernet. Es stellt sechs universelle, sechs digitale und acht analoge Eingänge, vier digitale Ausgänge sowie USB bereit, um Messdaten von Anlagen direkt am Edge zu erfassen und auszuwerten. Die vorkonfigurierte Matrix-Lösung vereinfacht die Installation und lässt sich aufgrund der kompakten Form auch oft in die Schaltschränke von Brandmeldezentralen oder Heizungs-, Klima-und Lüftungs­systemen (HKL) einbauen.

MTX-StarBMS hat die Lizenz für Niagara

Das programmierbare Herzstück von MTX-StarBMS ist das Niagara-Framework des US-amerikanischen IT-Unternehmens Tridium, das eigens für den Einsatz in der Gebäudeautomation entwickelt wurde. Es stellt die kritische und cybersichere Gerätekonnektivität sowie Funktionen für die Datennormalisierung in Richtung Cloud bereit. Zudem ermöglicht es Nutzern, nicht nur Datenflüsse zu erfassen und zu überwachen, sondern auch verschiedene Prozessketten zu erstellen sowie Benutzeroberflächen für Anwender bereitzustellen. Werte und Zustände der Sensoren, Aktoren und Systeme können so in Echtzeit automatisiert vor Ort verarbeitet und auch visualisiert werden.

Die Benutzeroberfläche ist webbasierend. Dank HTML5-Standard lässt sie sich auf unterschiedlichen Endgeräten darstellen – also auch aus der Ferne und über eine Cloud. Benutzeroberflächen lassen sich dabei leicht individuell anpassen denn standardisierte Libraries mit Funktionen können per Drag and Drop in die objektorientierte Programmierumgebung übernommen werden. Grundsätzlich eignet sich das offene und auf JAVA-basierte UX-Framework (User Experience) für alle Aufgaben rund um Automa­tisierung sowie Monitoring, Management und Maintenance von Gebäudefunktionen. Hersteller von gebäudetechnischen Anwendungen können ihre Systeme zudem per Treiberbausteinen in die offene Plattform integrieren, was die Entwicklung von neuen Applikationen und die Vernetzung mit bestehenden BMS beschleunigt. Zudem ist Niagara komplett skalierbar, was bedeutet, dass das Framework auf unterschiedlichen Hardwareplattformen betrieben werden kann – von großen Unternehmensservern bis hin zu Embedded-Computing-Systemen.

Das Prozessor-Herz schlägt in einem COM

Bei der Wahl seiner Hardware hat Matrix zum einen auf die eigene Entwicklungskompetenz und zum anderen auf im Markt etablierte Embedded-Systeme gesetzt: So besteht MTX-StarBMS aus einem selbstentwickelten Carrier-Board sowie einem Computer-on-Module (COM) nach dem Qseven-Standard, der von der SGeT (Standardization Group for Embedded Technologies) herstellerunabhängig gepflegt und weiterentwickelt wird. Der Hersteller des Moduls ist das im bayerischen Deggendorf beheimatete Unternehmen Congatec, ein Anbieter von Embedded- und Edge-Computing-Technologien. Entschieden hat sich Matrix unter anderem für das Qseven COM, weil es auf einem NXP-iMX6-Prozessor basiert und sich dediziert für Low-Power-Anwendungen im Gebäudemanagement eignet und in unterschiedlichen Versionen und Konfigurationen erhältlich ist. Zudem lassen sich die Module bei Bedarf ohne großen Aufwand mit aktuellen und zukünftigen COMs wie Qseven mit der 14nm-Prozessorserie i.MX 8M Plus mit ARM-Prozessoren 4-Core Cortex-A53 / M7 sowie eine integrierte Neural Processing Unit (NPU) für Künstliche Intelligenz aufrüsten. Dies ermöglicht nicht nur Hutschienen-PCs mit hoher Flexibilität, sondern auch eine Garantie für eine lange Verfügbarkeit mit Upgrade-Optionen für zukünftige BMS-Anforderungen wie die Integration von Lösungen mit Künstlicher Intelligenz (KI).

Die erste Variante des Systems bietet bis zu vier ARM-Cortex A9 Cores und benötigt eine Leistung zwischen zwei bis vier Watt. Dank des erweiterten Temperaturbereichs von –40 bis 85 °C ist es für den weltweiten Einsatz vieler BMS-Szenarien geeignet – von der Sahara bis in die Antarktis. Da der Formfaktor hinsichtlich Stückzahlen einer der beiden weltweit führenden ist, eignet sich der Qseven-Formfaktor für eine langfristige Nutzung. Er wird, wie auch der SMARC-COM-Standard, von der SGeT herstellerunabhängig gehostet. Er ist für die Gebäudeautomation prädestiniert, da die Lebensdauer von Gebäuden meist auf Jahrzehnte ausgelegt ist.

Gut gerüstet für die Zukunft der Gebäudeautomation

Mit dem Duo aus Niagara-Framework und Qseven COM hat Matrix das MTX-StarBMS zu einem kompakten Hutschienen-PC entwickelt, um sich nachhaltig im Markt der Cloud-angebundenen BMS-Lösungen zu positionieren. Bei dem rasanten Tempo, mit dem sich IoT-basierte Sensoren, Aktoren und Bedienelemente weiterentwickeln, sind derart skalierbare Lösungen unabdingbar. Das COM ist durch nachfolgende Generationen ersetzbar und die offene Integrationsplattform Niagara-Framework ist zukunftssicher. Und Module mit NXPs Prozessor i.MX 8M Plus mit integrierter NPU (Neural Processing Unit) ermöglichen Hutschienen-PCs, die auch KI-Anwendungen mit Deep Learning und Maschinellem Lernen unterstützen. Beste Voraussetzung also für Lösungen auf Basis von Predictive Maintenance sowie lokale Entscheidungen auf Basis des Big Data Lakes, den jedes automatisierte Gebäude tagtäglich mit unzähligen Werten füllt.

* Zeljko Loncaric ... ist Marketing Engineer bei der Congatec GmbH in Regensburg.

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