Delta-SPS-Netzwerkanwendung basierend auf LONWORKS Gebäudeautomation

Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt die Anwendung von Delta-SPSen in LONWORKS-Gebäudeautomationssystemen vor und erörtert die technischen Merkmale und Anwendungsperspektiven von LONWORKS.

Einführung

Mit der gesellschaftlichen Entwicklung steigen auch die Ansprüche an Wohn- und Arbeitsbedingungen, wodurch die Gebäudeautomation und die Überwachung von Wohngebieten zu einem aktuellen Entwicklungstrend werden. Traditionelle industrielle Steuerungssysteme gewinnen aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit und Stabilität zunehmend auch im zivilen Bereich an Bedeutung. Das Internet ist aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken, und die Vernetzungsmöglichkeiten industrieller Steuerungssysteme finden immer breitere Anwendung in der Gebäudeautomation. Dieser Artikel beschreibt den Einsatz von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), die üblicherweise in traditionellen industriellen Steuerungssystemen verwendet werden, in der Gebäudeautomation.
1991 entwickelte die Echelon Corporation aus den USA LonWorks (Local Operating Networks), kurz LON, und läutete damit eine neue Ära in der Netzwerktechnik für Steuerungssysteme ein. LonWorks ist eine umfassende, vollständig offene, interoperable, ausgereifte und kostengünstige Technologie für verteilte Steuerungssysteme. Zahlreiche Hersteller und Anwender haben LonWorks in ihre Lösungen integriert. Weltweit nutzen heute über 2.500 Unternehmen LonWorks zur Herstellung vielfältiger Produkte, die den Anforderungen moderner Gebäude, Fabriken, Verkehrssysteme, städtischer Infrastruktur (Wasser, Strom, Gas etc.) und Hausautomationssysteme gerecht werden. 1995 wurden LonWorks-Steuerungssysteme in den USA in den Standard für Gebäudeautomationssysteme aufgenommen. Weltweit führende Unternehmen der Gebäudetechnik wie Honeywell, Andevol, Siby, Johnson Controls, Langiell und Sachswell setzen LonWorks zur Modernisierung ihrer Produkte ein und prägen damit einen globalen Technologietrend. Die frühe Marktentwicklung von LonWorks-Produkten konzentrierte sich stark auf den Wettbewerb mit herkömmlichen SPS/IPC-Feldbussen. In industriellen Umgebungen, die von Profibus-, Interbus- und CAN-Bussen dominiert wurden, mangelte es LonWorks jedoch deutlich an Wettbewerbsfähigkeit. Daher erzielte es bedeutende Erfolge in Gebäuden und isolierten Industrieanlagen (z. B. Färbemaschinen). Zahlreiche Anwendungsbeispiele aus der Praxis belegen, dass ein Gebäude durch sorgfältige Planung mit nur einem einzigen LonWorks-Netzwerk ausgestattet werden kann, das die Interoperabilität von Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HLK), elektrischer Beleuchtung, Sonnenschutz und Sicherheitsfunktionen sowie offenen Steuergeräten im Netzwerk ermöglicht.


Abbildung 1. Netzwerkdiagramm von LONWORKS
Umgekehrt wurden die Anwendungsmöglichkeiten von LONWORKS im industriellen Umfeld bisher nicht ausreichend gewürdigt, und es traten zahlreiche Schwierigkeiten auf. Dies ist auf die mangelnde Akzeptanz der Prinzipien der verteilten intelligenten Steuerung zurückzuführen. LONWORKS übertrifft jedoch mit seiner hervorragenden Stabilität und der flexiblen, topologiefreien Verkabelungstechnologie herkömmliche RS485-basierte Feldkommunikationstechnologien. LONWORKS kann spezifische Anforderungen intelligent und wirtschaftlich erfüllen und bietet Entwicklern mit Funktionstabellen eine Grundlage für ihre Lösungen. Funktionstabellen sind für eine Vielzahl von Geräten wie Motoren, Pumpen, Frequenzumrichter, SPSen, Ventile und Sensoren verfügbar.

Da sich LONWORKS in industriellen Umgebungen nicht flächendeckend durchgesetzt hat, konnte es stattdessen in der Gebäudeautomation ein signifikantes Wachstum verzeichnen. Allerdings bietet LONWORKS bei der Steuerung elektromechanischer Anlagen in Gebäudeautomationssystemen keinen entscheidenden Vorteil; hier dominieren traditionelle SPS/IPCs. Dank ihrer Vielseitigkeit, Zuverlässigkeit und geringen Kosten behaupten sich SPS/IPCs fest in der Steuerung traditioneller Industriemaschinen und -anlagen. Aus diesem Grund konnte LONWORKS trotz jahrelangen Wettbewerbs mit SPS/IPCs in industriellen Umgebungen kein signifikantes Wachstum erzielen. Dennoch ist LONWORKS mit seinem Peer-to-Peer-Design und intelligenten verteilten Feldgeräten technologisch den heutigen industriellen Automatisierungssystemen (SPS/IPC-Feldbussen) eine Generation voraus. Mit der Weiterentwicklung der industriellen Automatisierung und Netzwerktechnologie steigen die Netzwerkanforderungen an traditionelle SPSen, was zur Entstehung des neuen Begriffs „Industrial Ethernet“ geführt hat, der den Trend zur Ablösung von Feldbussen verdeutlicht.
Es gibt zwar viele Methoden zum Aufbau von Steuerungsnetzwerken, doch eine flache Peer-to-Peer-Architektur (P2P) eignet sich am besten für die Automatisierungssteuerung. Im Vergleich zu hierarchischen Architekturen eliminiert die P2P-Architektur den in hierarchischen Architekturen inhärenten Single Point of Failure. In traditionellen Architekturen müssen Informationen von einem Gerät zunächst an ein zentrales Gerät oder Gateway übertragen werden, bevor sie an ein Zielgerät weitergeleitet werden können. Daher erfordert die Kommunikation zwischen zwei nicht-zentralen Geräten einen zusätzlichen Schritt und erhöht die Fehlerwahrscheinlichkeit. Die P2P-Architektur hingegen ermöglicht die direkte Kommunikation zwischen zwei Geräten, wodurch ein Ausfall der zentralen Steuerung vermieden und Engpässe beseitigt werden. Darüber hinaus betrifft ein Geräteausfall in einem P2P-Design mit höherer Wahrscheinlichkeit nur ein Gerät, im Gegensatz zu den potenziellen Auswirkungen auf viele Geräte in einer nicht-flachen, nicht-Peer-to-Peer-Architektur. Abbildung 2 veranschaulicht die Vor- und Nachteile eines traditionellen Master-Slave-Kommunikationsnetzwerks im Vergleich zu einem P2P-Kommunikationsnetzwerk anhand von Überwachungsdaten.

Abbildung 2. Vergleichsdiagramm der Netzwerkorganisation

Die Kommunikation zwischen Geräten in einem LonWorks-Netzwerk erfolgt über die Netzwerkstandardsprache LonTalk. Das LonTalk-Protokoll besteht aus verschiedenen Basisprotokollen, die eine intelligente Kommunikation zwischen den Geräten im Netzwerk ermöglichen. Die vom LonTalk-Protokoll bereitgestellten Kommunikationsdienste erlauben es Anwendungen auf Geräten, Nachrichten mit anderen Geräten im Netzwerk zu senden und zu empfangen, ohne die Netzwerktopologie, den Netzwerknamen, die Adresse oder die Fähigkeiten anderer Geräte kennen zu müssen. Das LonWorks-Protokoll kann selektiv End-to-End-Nachrichtenbestätigungen und priorisierte Übertragungen bereitstellen, um eine begrenzte Anzahl von Transaktionen zu ermöglichen. Die Unterstützung von Netzwerkmanagementdiensten ermöglicht es Remote-Netzwerkmanagement-Tools, mit anderen Geräten im Netzwerk zu interagieren, einschließlich der Neukonfiguration von Netzwerkadressen und -parametern, dem Herunterladen von Anwendungen, dem Melden von Netzwerkproblemen und dem Starten, Stoppen oder Zurücksetzen von Geräteanwendungen. LonTalk – also das LonWorks-System – kann über jedes physikalische Medium kommunizieren, einschließlich Stromleitungen, verdrillten Adernpaaren, drahtloser Kommunikation (RF), Infrarot (IR), Koaxialkabel und Glasfaser.

Interoperabilität bedeutet, dass jedes Gerät in einem Netzwerk die benötigten Informationen in digitale serielle Daten umwandeln und direkt über das Netzwerk an andere Geräte übertragen kann. Die Datenübertragung erfolgt typischerweise über einen Sender und einen oder mehrere Empfänger. Für die Datenübertragung in einer Reihe von Ein-/Aus-Zuständen ist eine Verbindung zwischen Sender und Empfänger erforderlich. Alle an einen bestimmten Kanal angeschlossenen Geräte müssen über kompatible Transceiver verfügen, die mit derselben Datenrate arbeiten, um Interoperabilität zu gewährleisten. Interoperable Netzwerke sind jedoch mit herkömmlichen Master-Slave-Kommunikationsnetzwerken (Punkt-zu-Punkt-Verbindungen) nicht realisierbar. Die Übertragung serieller Daten zwischen Netzwerkgeräten erfordert ein Kommunikationsprotokoll, das üblicherweise in der Software oder Firmware jedes Netzwerkgeräts eingebettet ist. Das Gerät, das diesen Protokollcode und eine Art Betriebsintelligenz enthält, wird als Netzwerkknoten bezeichnet. Es umfasst einen Neuron-Chip, Sensor- und Steuergeräte, einen Transceiver (zur Herstellung der physischen Verbindung zwischen dem Neuron-Chip und der Übertragung) sowie eine Stromversorgung.

Das LonTalk-Kommunikationsprotokoll bildet den Kern der LONWORKS-Technologie. Es stellt Kommunikationsdienste bereit, die es Anwendungen auf einem Gerät ermöglichen, Nachrichten an andere Geräte im Netzwerk zu senden und zu empfangen, ohne die Netzwerktopologie, Namen, Adressen oder die Funktionalität anderer Geräte kennen zu müssen. LonTalk bietet selektiv Ende-zu-Ende-Nachrichtenbestätigung, Nachrichtenbestätigung und priorisierten Versand zur Festlegung von Transaktionsverarbeitungszeiten. Es handelt sich um ein geschichtetes, paketbasiertes Peer-to-Peer-Kommunikationsprotokoll, ähnlich wie Ethernet und Internetprotokolle. LonTalk ist jedoch speziell für die Anforderungen von Steuerungssystemen und nicht für Datenverarbeitungssysteme konzipiert. Jedes Datenpaket besteht aus einer variablen Anzahl von Bytes, ist von unbestimmter Länge und enthält Anwendungsschichtinformationen sowie Adress- und weitere Informationen. Jedes Gerät im Kanal überwacht jedes übertragene Datenpaket, um festzustellen, ob es ein Empfänger ist. Ist dies der Fall, verarbeitet es die Daten, um zu ermitteln, ob sie Informationen für die Anwendung seines Knotens enthalten oder ob es sich um ein Netzwerkmanagementpaket handelt. Das LonTalk-Protokoll ist ein direkt objektorientiertes Netzwerkprotokoll, das Verbindungen zwischen Netzwerkknoten über Netzwerkvariablen herstellt. Ändert sich eine als Ausgabe definierte Netzwerkvariable, wird ihr Wert automatisch gesendet. Dadurch wird sichergestellt, dass alle Knoten, für die diese Variable als Eingabe definiert ist, die Änderung empfangen und die entsprechende Verarbeitung auslösen (ereignisgesteuert). Standardisierte Netzwerkvariablen ermöglichen es Produkten verschiedener Hersteller, einheitliche Datenübertragungsmuster zu etablieren, Daten korrekt zu übersetzen und zu übertragen. Dies erleichtert die Austauschbarkeit und Interoperabilität der Geräte. Aufgrund der begrenzten Länge von Netzwerkvariablen (maximal 31 Byte) stehen vier Nachrichtendienste zur Verfügung: Bestätigung, Anfrage/Antwort, erneute Übertragung ohne Bestätigung und keine Bestätigung.
Zur Vereinfachung der Netzwerkkonfiguration und -verwaltung können Knoten logische Adressen zugewiesen werden. Eine logische Adresse ermöglicht es Benutzern, einem physischen Gerät auf einem Knoten einen Namen zuzuordnen. Logische Adressen in einem LONTALK-Steuerungsnetzwerk werden während der Netzwerkkonfiguration definiert. Jede logische Adresse besteht aus zwei Teilen: Der erste Teil ist die ID einer bestimmten Domäne, einer Gruppe von Knoten, die miteinander interagieren können. Der zweite Teil der logischen Adresse spezifiziert einen einzelnen Knoten innerhalb dieser Domäne mithilfe einer eindeutigen 15-Bit-Knotenadresse.

Damit eine SPS in das LONWORKS-Netzwerk integriert werden kann und eine Echtzeitüberwachung der SPS-Daten/des SPS-Status erreicht werden kann, muss die SPS von der Anwendung auf dem Gateway-Knoten betrieben werden.
Dieser Artikel verwendet das LONWORKS-System von Delta PLC im intelligenten Gebäudeleitsystem eines großen Einkaufszentrums in Shanghai als Beispiel, um die Netzwerkvariablen und Befehlsformate für die Kommunikationskonfiguration zwischen Gateway-Knoten und SPS zu erläutern. In diesem System handelt es sich bei der elektromechanischen Anlage um eine zentrale Klimaanlage. Die SPS passt die Öffnung des Frischluftventils mittels PID-Regelung an die Rücklufttemperatur an, um die Raum- bzw. Gerätetemperatur zu regeln. Abbildung 3 zeigt das Netzwerkschema der Klimaanlage.

Abbildung 3. Schematische Darstellung des Lüftungsanlagennetzes
1. Netzwerkvariablen
nviConfig konfiguriert Netzwerkvariablen
nvoDR[0～7] Nur lesbares analoges Signal (AI)
nvoXR[0～7] Nur lesbarer digitaler Wert (DI)
nviMW[0～12] Schreibgeschützte numerische Werte (DO)
nviDW[0～31] Schreibt nur analoge Signale (AO)
2. Netzwerkvariablen konfigurieren
nviConfig-Eingabeformat: X X X X XXXXXXXX
Befehlsoperationsnummer: Wert setzen (i) Befehl: R Sollwert lesen, W Sollwert setzen;
(ii) Vorgangsnummer: 00 Einstellung des Kommunikationsformats
01~08 nvoDR[0～7] Verbindungseinstellungen
09~16 nvoXR [0～7] Verbindungseinstellungen
17~29 nvoMW[0～12] Verbindungseinstellungen
30~61 nvoDW [0～31] Verbindungseinstellungen

(iii) Einstellung: Kommunikationsformat BBBBB_TT (BBBBB Baudrate, z. B. 09600, _ Leerzeichen, TT Kommunikationsintervall in Sekunden, z. B. 01)
(iv) Verbindungseinstellungen: SSIIAAAA (SS Gerätenummer wie z. B. 01, II Befehl wie z. B. 02, AAAA Adresse wie z. B. 1AFF)
3. Anzahl der Verbindungen
Lesebare analoge und digitale Werte werden automatisch im Sekundentakt vom Gerät ausgelesen und aktualisiert. Schreibbare digitale und analoge Werte werden automatisch an das Gerät gesendet, sobald sie Netzwerkvariablen zugewiesen werden.
Da das LONTALK-Protokoll vorschreibt, dass die logische Adresse des Gateway-Knotens bereits in der Anwendung des Gateway-Knotens enthalten ist und als Name innerhalb der Anwendung existiert, muss die Kommunikation zwischen dem Gateway-Knoten und der SPS die Kommunikationsadresse der SPS nicht berücksichtigen; die Standardadresse der SPS kann direkt verwendet werden.
In Abbildung 4 sind die Variablen als schreibgeschützt definiert. Im Delta-SPS-Kommunikationsprotokoll entspricht die Adresse von D0 der Adresse H1000, die von D100 der Adresse H1064 usw. Da die Gateway-Adresse des LONTALK-Protokolls bereits in der Anwendung des Gateway-Knotens festgelegt wurde, erfolgt die Kommunikation zwischen Gateway-Knoten und SPS standardisiert und einheitlich. Es muss lediglich die Standard-Kommunikationsadresse der SPS verwendet werden, wie in den Abbildungen 4, 5 und 6 dargestellt, wo diese einheitlich auf 1 gesetzt ist.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, erfolgt die Vor-Ort-Überwachung über ein TP04G-Textdisplay, während die Fernüberwachung über einen LONWORKS-Gateway-Knoten realisiert wird. Dadurch entsteht ein verteiltes intelligentes Steuerungssystem. Der entfernte Host-Rechner tauscht Daten mit dem LON-Gateway aus. Der Gateway-Knoten prüft, ob das empfangene Datenpaket für sein Gateway geeignet ist. Ist dies der Fall, sendet die Anwendung des Gateway-Knotens die Daten an die SPS und schließt so die Fernüberwachung ab.
Obwohl das verteilte intelligente Steuerungssystem LON keine Adresszuweisung durch die Terminal-SPS benötigt, erleichtert die Adressierungsfunktion des Textdisplays und der SPS die Arbeit von Programmierern und Technikern bei der Fehlersuche vor Ort erheblich. Im Folgenden wird die Verwendung dieser Funktion kurz erläutert: Der TP04G stellt einen DELTA Mx-Treiber bereit, der für Mehradressenanwendungen von DELTA-SPSen geeignet ist. Bekanntermaßen benötigen wir bei der Fertigung von Standardgeräten standardisierte Programme, um die Fehlersuche vor Ort zu vereinfachen und die Programmdateiverwaltung zu erleichtern. Daher ist es bei der Vernetzung von Standardgeräten unumgänglich, die SPS-Adresse zu ändern, um die Netzwerksteuerung zu realisieren. Würde dies durch eine herkömmliche Änderung des SPS-Programms erreicht, hätte jedes Standardgerät sein eigenes Programm, was die Programmverwaltung sehr umständlich macht. Mit der DELTA Mx-Funktion des Textdisplays muss lediglich die Kommunikationsadresse im Systemmenü des Textdisplays geändert werden, und der SPS-Anschluss D1121 muss auf die entsprechende Adresse im Textdisplay-Programm eingestellt werden.
Die im Textdisplay integrierte Kalenderfunktion ermöglicht die zeitgesteuerte Ein- und Ausschaltung der Klimaanlage. Die SPS kann den zeitgesteuerten Betrieb der Lüfter mithilfe des Kalenders steuern. Die Netzwerkfunktionalität bietet den Verantwortlichen für die elektromechanische Gebäudeausrüstung hohen Komfort. Sie können Befehle an elektromechanische Geräte im gesamten Gebäude über das Netzwerk senden und deren Betriebszustand jederzeit an jedem Standort über das LON-Netzwerk einsehen. Dies ermöglicht eine intelligente Gebäudesteuerung.

Die LonWorks-Technologie hat sich nach und nach zu einem Basisstandard für intelligente Gebäude- und Infrastruktursysteme entwickelt. LonWorks-Netzwerke lassen sich problemlos mit anderen Netzwerken, wie beispielsweise dem Internet, verbinden und ermöglichen so Fernsteuerung und -betrieb. Die offenen, interoperablen, ausgereiften und kostengünstigen Eigenschaften von LonWorks haben viele Hersteller und Anwender dazu bewogen, die Technologie in ihre Steuerungsnetzwerklösungen zu integrieren. Darüber hinaus profitieren Endanwender von deutlich reduzierten Anfangsinvestitionen, einer vereinfachten Systemverwaltung und der unkomplizierten Integration neuer Funktionen. Daher ist zu erwarten, dass die LonWorks-Steuerungsnetzwerktechnologie zunehmend an Bedeutung gewinnen und sich weiter verbreiten wird. Als universell einsetzbare und zuverlässige Industriesteuerung finden speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) weiterhin breite Anwendung in industriellen Umgebungen. Angesichts der steigenden Netzwerkanforderungen im zivilen Markt werden die immer leistungsfähigeren Netzwerkfähigkeiten von SPS zweifellos zunehmend in den Alltag integriert.
Abschluss
SPS-Steuerungen (Speicherprogrammierbare Steuerungen) ermöglichen dank ihrer hohen Zuverlässigkeit, Vielseitigkeit und leistungsstarken Netzwerkkommunikation die effektive Integration von Industrieanlagen in zivile Systeme. Integrierte Gebäudeüberwachungssysteme zeigen den Betriebszustand der Industrieanlagen in Echtzeit an. Bediener können den Status jeder Anlage im Gebäude jederzeit einsehen und jedes Gerät steuern. Dies reduziert die Verwaltungskosten erheblich und erhöht den Automatisierungsgrad, wodurch sich eine vielversprechende Anwendung ergibt.