Weshalb vernetzte Mikrocontroller bei der Gebäudeautomation entscheidend sind

Autor / Redakteur: Punya Prakash und Casey O’Grady* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wer ein Gebäude automatisieren will, sollte auf ein skalierbares und kostengünstiges System setzen. Wichtig: standardisierte und offene Kommunikationsprotokolle müssen unterstützt werden. SimpleLink bietet sich für die Gebäudeleittechnik an.

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Neue oder bestehende Gebäude vernetzen: Mit der Familie SimpleLink von Texas Instruments lassen sich standardisierte und offene Kommunikationsprotokolle verbinden.
Neue oder bestehende Gebäude vernetzen: Mit der Familie SimpleLink von Texas Instruments lassen sich standardisierte und offene Kommunikationsprotokolle verbinden.
(Bild: pixabay / CC0 )

Mehr als 30 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs entfallen auf kommerzielle Gebäude [1]. Zu den Verbrauchern in Gebäuden gehören unter anderem die Überwachung, Steuerung und Instandhaltung von Beleuchtungen, die Temperaturregelung und die Wasserheizsysteme.

In den USA entfallen auf private und gewerbliche Gebäude 41 Prozent des gesamten Energieverbrauchs, der von 1980 bis 2011 um 51 Prozent zunahm [2].

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Das Stromnetz ist anfällig gegenüber Stromausfällen. Deshalb investieren Gebäudeeigentümer in die Automatisierung ihrer Gebäudesysteme, um so ihre Energiekosten zu senken. Solche Systeme sind zunehmend autark und verbessern die allgemeine betriebliche Effizienz. Während die Automatisierung eindeutig eine Aufwertung für das Energiemanagement bedeutet, handelt es sich hierbei doch grundsätzlich um eine komplexe Implementierung, die die Unterstützung von bestehenden leitungsgebundenen Kommunikations-Lösungen sowie fortschrittlichen (und auch schnelleren) leitungsgebundenen und drahtlosen Kommunikationssysteme erfordert.

Geringe Leistungsaufnahme und sichere Umgebung

Die Mikrocontroller-Plattform SimpleLink von Texas Instruments bietet verschiedene Optionen, um neue oder bestehende Gebäudeautomations-Systeme unabhängig von ihrer Größe durch leitungsgebundene und drahtlose Lösungen zu ergänzen. Die Mikrocontroller von SimpleLink benötigen wenig Enerige, wodurch sie sich mit Batterien betreiben lassen. Außerdem stellen sie eine chipinterne, nur dem Kunden vorbehaltene, Umgebung zur Verfügung. Mit einem einheitlichen Software Development Kit (DSK) können Designer ihre Entwicklung auf einer MCU beginnen und die entwickelte Software anschließend auf andere leitungsgebundene und drahtlose SimpleLink-Bausteine übertragen.

Ein System für die Gebäudeautomation besteht aus einer Kommunikations-Infrastruktur, um die verschiedenen Funktionen eines Gebäudes zu verwalten. Ein effektives Gebäudeautomation-System muss sowohl mit neuer und alter Gebäudeautomations-Technik zurechtkommt und für kleine wie große kommerzielle Einrichtungen geeignet sein. Zudem müssen in das System leitungsgebundene und drahtlose Kommunikations-Protokolle eingebunden werden.

Heizungs-, Lüftungs- und Klimasystem
Brandmelde- und
Alarmsystem
Beleuchtungssteuerung
Umgebungssteuerung Technischer Vor-Ort-Service
Asset Location Service für
Innenraumluft-Qualität
Integration von
Unternehmenssystemen
Energieversorgung und
Lastmanagement
Einbruchsmelder und
digitale Videosysteme
Wasser-Management
Sicherheits- und
Zugangskontrollsysteme
Mechanische
Instandhaltung und Nachrüstung
Energieinformations-
Management

Das Gebäudemanagement ist ein wiederkehrender Kostenfaktor. Automatisierte Systeme können die normalen Gebäude-Services überwachen, jedoch lassen sie sich auch so konzipieren, dass sie Ausfälle frühzeitig detektieren und eine elementare Fehlerdiagnose vornehmen. Diese Früherkennung im Verbund mit sorgfältig aufgezeichneten Systemdaten können zur Verbesserung der betrieblichen Leistungsfähigkeit beitragen. Abgesehen davon sind die mithilfe vernetzter Systeme aufgezeichneten Daten geeignet, die Lebensqualität der Bewohner zu verbessern, indem eine umweltfreundliche, komfortable und sichere Arbeits- und Lebensumgebung geschaffen wird.

Ein komplexes Netz von Geräten kümmert sich um den Komfort und die Sicherheit der Menschen im Gebäude. Diese Geräte stellen bedarfsorientierte Dienste zur Verfügung, die grundlegende Annehmlichkeiten wie etwa die Klima- und Beleuchtungssteuerung bieten. Die Endanwender wiederum erwarten eine Möglichkeit, über drahtlose und cloudbasierte Applikationen auf diese Geräte zuzugreifen.

Die verwendete Topologie

Ein Netzwerk verschiedener Geräte für die Gebäudeautomation umfasst in der Regel einen primären und einen sekundären Bus. Beide sind mit verschiedenen Systemknoten verbunden:

  • Komponenten des Gebäudeautomations-Systems,
  • Gebäudeleittechnik und
  • Zonen-Controller und Endknoten.

Die Komponenten des Gebäudeautomations-Systems dienen als Host für die Applikations- und Daten-Server und sind zusätzlich mit einer Benutzeroberfläche für die Datenüberwachung und -kontrolle ausgestattet. Das Bild (Galerie) zeigt, wie die Gebäudeleittechnik über den primären Bus mit dem Gebäudeautomations-System verbunden ist. Die nachgeordneten Steuerungssysteme bilden ein zentralisiertes, miteinander verflochtenes Netz aus Geräten, um die Umgebung zu überwachen und zu steuern. Solche Steuerungen sind eigens für die Gebäudeautomation ausgelegt und können eines oder mehrere Netzwerke und Kommunikationsprotokolle unterstützen.

Der primäre und der sekundäre Bus können beispielsweise an folgende Geräte angeschlossen sein:

  • Systemnahe Controller,
  • einfache Ein- und Ausgabegeräte und
  • Endanwender-Applikationen wie Raumthermostate oder Alarmanlagen.

Der primäre und der sekundäre Bus können über RS-485, Ethernet, Controller Area Network (CAN) oder ein drahtloses Netzwerk angeschlossen sein. Zu den potenziellen Applikationen im Endknoten-Netzwerk eines Gebäudeautomations-Systems gehören eine Sicherheits-Überwachungseinheit, eine Brandmeldeanlage oder eine Alarmanlage, die die Aktivierungs- und Deaktivierungsinformation an die Gebäudemanagement-Einheiten weitergibt. Ein Indoor- und Outdoor-Zonencontroller kann zur Überwachung und Steuerung von Systemen dienen, die je nach Bedarf gekühlte oder erwärmte Luft anfordern. Drahtlose Verbindungen zurück zur Gebäudeleittechnik entwickeln sich zu beliebten Nachrüst-Systemen für bestehende Anlagen und stehen bei neuen Anlagen von vornherein im Pflichtenheft.

Die Gebäudeleittechnik

Die Installation digitaler Steuerungen in Gebäuden gab den Startschuss zum Trend zu vollständig automatisierten Systemen. Da es jedoch keinen Kommunikationsstandard gab, investierten die einzelnen Hersteller in die Entwicklung von Systemen mit proprietären Kommunikationsprotokollen. Somit waren die traditionellen Gebäudeautomations-Systeme zwar automatisiert, aber es bestand keine Interoperabilität zwischen den Systemen der verschiedenen Hersteller. Angesichts der Vielzahl kundenspezifischer Lösungen waren die Gebäudesysteme eng an den jeweiligen Hersteller gebunden. Die Notwendigkeit eines einheitlichen Kommunikationsstandards aber führte zur Schaffung offener Kommunikationsprotokolle, die inzwischen weltweit Akzeptanz gefunden haben.

Steuerungssysteme überwachen dezentrale Geräte in einem Gebäudeautomations-System. Sie verwalten die Prioritätsstruktur des Netzwerks und geben Rückmeldungen an andere Steuerungen. Die zentrale Funktionalität der Steuerung sorgt im Zusammenwirken mit zusätzlichen Features für Alleinstellungsmerkmale und steigert den Nutzen der Systemlösung. Gebäudeleittechnik mit adaptiver Regelung bewirkt eine fortlaufende Feinabstimmung der Netzwerkelemente und liefert Echtzeitdaten über den Status der verschiedenen Knoten. Dies wiederum ebnet den Weg für Instandhaltung und Diagnose, um Ausfälle erkennen und vermeiden zu können. Eine Umgebung mit einer flexiblen und skalierbaren Architektur schafft die Voraussetzungen für kundenspezifische Applikationen. Mit vorprogrammierten Lösungen lassen sich außerdem die Installations- und Entwicklungszeiten verkürzen.

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