Seit der Einführung von Mikroprozessoren in die Gebäudetechnik werden 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 mit einem bestimmten Systemtakt, der durch das Programm vorgegeben ist, und regelt alle durch eine Datenleitung miteinander verknüpften Systemkomponenten. Im Arbeitsspeicher werden die Daten und Programme vorübergehend gespeichert.
Im Normalfall kommen DDC-Regler (DDC = Direct Digital Control) zur Anwendung. Eine DDC ist eine frei programmierbare, modular aufgebaute Einheit, die mithilfe eines Programms und eines Mikroprozessors Schaltaufgaben digital umsetzt. Im Gegensatz zu analogen Reglern, die über Widerstands-Messbrücken arbeiten und entsprechend abgeglichen sind. DDCs können autonom arbeiten, d. h. sie benötigen zu ihrer Funktion kein übergeordnetes Rechnersystem. Über Datenleitungen können sie allerdings miteinander kommunizieren und Messwerte untereinander austauschen.
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. Die Gebäudeleittechnik (GLT) umfasst sowohl das gesamte automatisierungstechnische Instrumentarium einer technischen Gebäudeausrüstung als auch die Software, mit der Gebäude überwacht und gesteuert werden. Häufig kommen hierfür herstellereigene Entwicklungen zum Einsatz, die nur untereinander kommunizieren können. Moderne Systeme sind aber auch in der Lage, die gesamte Haustechnik mit in das Gebäude- und Energiemanagement einzubinden und unterschiedliche technische Anlagen zu steuern.
Einbindung durch herstellereigene Protokolle
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 Wege eine übergeordnete GLT Einfluss auf einzelne Systeme innerhalb der Gebäudeautomation nehmen kann? Zentraler Punkt ist das reibungslose Zusammenspiel von aufeinander abgestimmten Komponenten, um einen optimalen Energieeinsatz, einen hohen Bedienkomfort sowie die maximale Betriebssicherheit zu gewährleisten.
Moderne Systeme sind in der Lage, die gesamte Haustechnik in das Gebäude- und Energiemanagement einzubinden und unterschiedliche technische Anlagen wie die Steuerung der Jalousien und Beleuchtung, das automatische Schließen und Öffnen von Fenstern und Türen oder das Hoch- und Runterfahren der Klimaanlage vernetzt miteinander zu steuern. Welche Messwerte von welchem System dabei jeweils Priorität besitzen, also sozusagen eine Masterfunktion übernehmen, hängt von vielen Faktoren ab.
Ein Lösungsmodell, bei dem die gesamte Anlagenregelung einheitlich, d. h. basierend auf einem einheitlichen Standard gesteuert wird, stellt zum Beispiel 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 Ratinger Unternehmens untereinander kommunizieren. Diese geschlossene Systemsoftware kann durch ein optionales Interface gesteuert und eine GLT aufgeschaltet werden. Über einen M-Net-Datenbus ist zudem auch das Einbinden von Geräten aus Fremdgewerken möglich“, erklärt Karl Hamer, Manager Control Group bei Mitsubishi Electric.
Offene Protokolle unterstützen Systemlösungen
Die systemeigene Regelung stellt anhand der Informationen, beispielsweise Betriebszuständen oder ermittelter Messwerte, die vorgegebene Einstellung für die Anlage zur Verfügung. Darüber hinaus steht für alle Produktlinien Steuerungszubehör als Interfaces/Schnittstellen, zum Beispiel für KNX-BUS, BACnet, LON oder Modbus, zur Verfügung“, so Hamer weiter. Durch die Interfaces wird sichergestellt, dass in externen Kommunikationssystemen reibungslos kommuniziert werden kann. Der Unterschied dieser verschiedenen Kommunikationsprotokolle besteht in der Sprache, in der diese miteinander kommunizieren, sowie im Informationsgehalt, der transportiert werden kann.
Systembedingt eignen sich die verschiedenen Protokolle für unterschiedliche Anwendungen und Einsatzgebiete. Beim Installationsstandard KNX-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“, so Hamer. 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 BACnet-Protokoll eignet sich gut für komplexere Anwendungen, da es sich um einen definierten Standard handelt, der frei gelesen und an alle kompatiblen Hersteller abgegeben werden kann.
Interface schützt vor Ausfällen
Für unterschiedliche Komponenten eine gemeinschaftliche Schnittstelle zu einer übergeordneten GLT bereitzustellen, hat den Vorteil, dass zusammengehörende Systeme vor für den Betrieb irrelevanten bzw. für den Betriebsablauf ineffektiven Informationen geschützt werden können. Dabei entsteht eine Art Firewall, durch die nur diejenigen Informationen weitergegeben werden, die für die jeweilige Aufgabenstellung und das Funktionieren des Systems erforderlich sind. Dies berücksichtigt vorwiegend die Bedürfnisse der Anwender, die nur ein geringes Interesse daran haben, in der Innenkommunikation zwischen einzelnen Anlagenkomponenten wie den Klimainnen- und -außengeräten zusätzliche Komponenten einzusetzen, wenn die Regelungstechnik bereits herstellerseits integriert ist und die Kommunikation einwandfrei läuft“, so Hamer.
Bei größeren Systemen ist es deshalb generell sinnvoll, einen zentralen Übergabepunkt (Schnittstelle) vorzusehen. Ein entscheidendes Kriterium hierfür ist, dass im Falle eines Ausfalls einer übergeordneten GLT, ein System auch autark weiterlaufen können sollte. In einem solchen Fall würde sich eine zentrale Schnittstelle automatisch von der 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.
Gewissermaßen eine Ideallösung ist die Nutzung von externen Signalen und die vollständige Einbindung von anderen Gewerken in das Steuerungssystem, sodass Betriebs- und Störungsanzeigen an externe Steuerungssysteme weitergegeben oder zu weiteren Verwaltungszwecken verarbeitet werden können. Der Hersteller Mitsubishi Electric geht mit der Zentralfernbedienung AE-200E/EW-50E und den Expansion-Controllern den Weg, zwischen den einzelnen Elementen ein normales LAN-Protokoll zu verwenden. Auf diese Weise können die erforderliche Verdrahtung minimiert und über das Internetprotokoll Anlagenzustände über extrem große Entfernungen visualisiert werden.
Fazit
Digitale Regelungs- und Steuertechnologien für Klima- und Lüftungsanlagen in Gebäuden sind seit vielen Jahren Standard. Für große oder weitverzweigte Gebäude bieten sich Zentralfernsteuerungen an, die von einem zentralen Punkt über ein lokales Netzwerk die Überwachung und Bedienung komplexer Anlagen übernehmen. Dabei besteht die Möglichkeit, alle relevanten Systemkomponenten und einzelnen Geräte direkt über die GLT-Software zu steuern. Das führt jedoch bei komplexen Anlagen/Gebäuden zu einem hohen Verkabelungsaufwand sowie zur Überlappung unterschiedlicher Steuerungsstrategien.
Einfacher und vorteilhafter ist es, jeder Anlagenteil verfügt über eine bereits integrierte Software, die Regelungsaufgaben übernimmt und gegebenenfalls den Anlagenbetrieb unabhängig weiterführen kann. Zur Integration in eine GLT können herstellereigene Softwarelösungen wie beispielsweise der M-Net-Datenbus mit entsprechendem Zubehör genutzt werden, um sich auf ein standardisiertes Datenprotokoll aufschalten zu lassen, Fremdgewerke einzubinden, über das Internet verwaltet oder in eine übergeordnete GLT anderer Anbieter eingebunden zu werden.
