Digitale Gebäudeautomation

Die Gebäudeautomation (GA) ist heute nicht mehr denkbar ohne die digitale Regelungs- und Steuerungstechnik (DDC, SPS). Sie umschließt sowohl Steuerung und Regelung in der Feldebene als auch das übergeordnete Gebäudemanagement.

Unter „Steuerung“ versteht man einen Vorgang, bei dem eine oder mehrere Eingangsgrößen die Ausgangsgröße beeinflussen . Kennzeichen des Steuerns ist der offene Wirkungsablauf („Steuerkette“), d. h., es ist keine Rückwirkung des Ausgangs auf die Eingangsgrößen vorhanden. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Steuerung des Vorlauftemperatursollwertes einer Heizungsanlage durch die Außentemperatur.

In der Mess-, Regelungs- und Steuerungstechnik werden heute anstelle analoger Rechenelemente digitale Automationsstationen eingesetzt, deren wesentlicher Vorteil in der freien Programmierbarkeit liegt. Die Reihenfolge und die Artder vom Computer auszuführenden Anweisungen werden in wiederbeschreibbaren Speichern abgelegt und brauchen nicht fest verdrahtet zu sein. Bei gleicher Hardware (Bauteilen) können je nach gespeichertem Programm (Software) völlig unterschiedliche Aufgaben ausgeführt werden.

Zwischen dem Digitalrechner und dem Prozess werden sowohl einzelne Binärsignale als auch Digitalsignale übertragen. Binärsignale können nur zwei Zustände annehmen. Ein Binärwert kann als Grenzfall eines Digitalwerts auffasst werden, dessen Wertebereich nur durch eine einzige Stufe unterteilt ist. Oberhalb der Stufe ist der Binärwert gleich 1, unterhalb gleich 0. Binäre Daten werden häufig direkt am Prozess durch Schwellwert-oder Grenzwertschalter erzeugt. Sie können aber auch aus analogen Messsignalen gebildet werden oder im Rechner softwaremäßig aus Digitalwerten durch logische Vergleiche mit Zahlenwerten gewonnen werden. Binäre Rechnerausgangssignale werden an den Prozess durch binäre Stellgeräte (z. B. Magnetventile) übertragen (Bild 4-1).

Ein Regelkreis [1] entsprechend Bild 5-1 ist in konventioneller Technik so ausgeführt, dass ein Messfühler die Regelgröße x erfasst und der Regeleinrichtung zuführt, welche die Regelalgorithmen und Parameter wie P-Bereich, Nachstellzeit und PI-Regelung, Sollwert etc. beinhaltet. Die sich ergebende Stellgröße y steht als Ausgangsgröße bei elektronischen Reglern z. B. in Form eines Signals 0 – 10 V oder bei pneumatischen Reglern als Einheitssignal 0,2 – 1 bar zur Verfügung. Dieses Signal wird dann an den Stellantrieb angeschlossen und verstellt damit die Regelgröße im Sinne einer Anpassung an die Stellgröße, wie die DIN 19226 [2] es vorschreibt. Ersetzt man den konventionellen Regler durch einen Rechner, so sind jedoch weitere Geräte bzw. Module erforderlich, wie imfolgenden Abschnitt gezeigt wird.

Um wichtige Funktionen innerhalb von Gebäuden zentral steuern, beeinflussen und überwachen zu können sind bei einem umfassenden Gebäudemanagement möglichst alle Gebäudesysterne miteinander zu verbinden. Über diese Verbindungen werden digitale Informationen verschickt, wobei die Verbindung eine Art Sammelschiene fürDaten darstellt und BUS (binary unit system) genannt wird. Dieser Austausch von Informationen bzw. diese Kommunikation kann zwischen zwei Teilnehmern oder innerhalb eines Netzwerkes mit sehr vielen Teilnehmern erfolgen. Der Datenaustausch findet nach festen Regeln statt, die in jeweils systemspezifischen Kommunikationsprotokollen festgelegt sind. Die Protokolle stellen die gemeinsame Sprache zwischen Sender und Empfänger dar. Für Systeme, in denen viele Teilnehmer miteinander kommunizieren, wurde mit dem OSI-Modell eine Architektur zur Entwicklung von Netzwerkprotokollen geschaffen. Der internationale Standard ist dabei das OSI 7-Schichtenmodell. Am Beispiel der verschiedenen Protokolle des Internet kann das 7-Schichtenmodell vertieft werden. Darüber hinaus nimmt auch inder Versorgungstechnik die Bedeutung des Internet kontinuierlich zu. Die nachfolgend beschriebenen Systemen EIB, LON, und BACnet nutzen ebenfalls die Vereinbarungen des 7-Schichtenmodells.

Durch die Einführung der offenen Bussysteme und der intelligenten Busteilnehmer ist es möglich, die bisher im Schaltschrank zusammengefasste Regelung und Steuerung von Anlagen zu dezentralisieren . Nach der Behandlung des Aufbaus und der Programmierung von Automationsstationen werden die Möglichkeiten der Dezentralisierung mit offenen Bussystemen wie EIB (Europäischer Installationsbus) und LON (Local Operating Network) am Beispiel der Klimatechnik vorgestellt. Hier werden der Aufbau und die Installation eines Netzwerkes beschrieben einschließlich der Erstellung intelligenter programmierbarer Netzwerkknoten.

Die Komponenten der Gebäudeautomation dürfen sich nicht gegenseitig stören, dürfen andere Geräte nicht stören und müssen gegen vorhandene äußere Störungen unempfindlich sein. Die Fähigkeit eines Gerätes „in seiner Umgebung zufriedenstellend zu arbeiten, ohne untragbare Störungen in die Umwelt oder andere Geräte hinein zu tragen“ (IEC-Definition), nennt man Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Bei der Entwicklung, Planung und Inbetriebnahme und Wartung der Gebäudeautomation sind mögliche Störmechanismen zu berücksichtigen, um Maßnahmen zur ihrer Vermeidung zu treffen bzw. um sie schnell zu beseitigen und somit Kosten zu sparen.

Der Umfang und die Komplexität der techni schen Systeme im Gebäude nimmt immer weiter zu. Dies gilt insbesond ere für den Bereich der Bürogebäude, Krankenhäuser, Rechenzentren, Banken und der großen öffentlichen Einrichtungen (z. B. Flughäfen). Der Funktionsumfang in den zentralen Automationseinrichtungen ist dabei erheblich gewachsen, weil die Anforderungen an die Flexibilität des Betriebs der versorgungstechnischen Anlagen — beispielsweise Anlagen für die Raumklimatisierung, Beleuchtung und Beschattung — aufgrund der sehr unterschiedlichen Nutzungssituation von Gebäuden gestiegen sind. Zum anderen erfordert der wirtschaftliche und umweltschonende Betrieb solcher Anlagen eine zentrale Bedienung und Beobachtung und damit die zentrale Erfassung und Weiterverarbeitung der wesentlichen Anlageninformationen

Bei Klimaanlagen mit Umluftbeimischung oder Wärme- bzw. Enthalpierückgewinnung ist die energetisch optimale Beimischung nicht ohne Betrachtung der Abläufe im h.x-Diagramm möglich. Bei der Umluftbeimischung wird nicht nur eine Veränderung der Lufttemperatur sondern auch der Feuchte erreicht. So mussz. B. bei der Forderungnach einer höheren Temperatur aber geringeren Feuchte in der Zuluft gegenüber der AuÜenluft entschieden werden, ob es energetisch günstiger ist, den Umluftanteil zu erhöhen oder zu erniedrigen. Diese Problematik soll in diesem Abschnitt behandelt werden.