Typische Anwendungen der LonWorks-Steuerungsnetzwerktechnologie in der Gebäudeautomation

Zusammenfassung: LonWorks ist eine Steuerungsnetzwerktechnologie der nächsten Generation. Dank ihrer Offenheit und Flexibilität eignet sie sich optimal für Gebäudeautomationssysteme. Dieser Artikel veranschaulicht anhand des BAS-K3000-Systems, das im Gebäudeautomationssystemprojekt des Guangfa-Gebäudes der Guangdong Development Bank, Niederlassung Foshan, eingesetzt wird, die typische Anwendung der LonWorks-Steuerungsnetzwerktechnologie in Gebäudeautomationssystemen und einige Aspekte, die im Planungsprozess berücksichtigt werden sollten.

Seit Anfang der 1990er-Jahre, als die Echelon Corporation in den USA den ersten Neuron-Chip entwickelte, hat sich die LonWorks-Steuerungsnetzwerktechnologie in allen Bereichen der Steuerungstechnik etabliert. Sie ist Vorreiter beim Übergang von proprietären Steuerungssystemen und zentralisierten Systemen. Als revolutionäres Steuerungssystem hat die LonWorks-Steuerungsnetzwerktechnologie dank ihrer Offenheit, Flexibilität, geringen Kosten und rasanten Entwicklung bemerkenswerte Erfolge in der Gebäude-, Industrie- und Hausautomation erzielt. International renommierte Automatisierungsunternehmen haben bereits Produkte auf Basis der LonWorks-Steuerungsnetzwerktechnologie auf den Markt gebracht oder bereiten deren Markteinführung vor. Kanglian Intelligent Automation Engineering Co., Ltd., eines der ersten Unternehmen in China, das die LonWorks-Steuerungsnetzwerktechnologie einsetzte, entwickelte das Gebäudeautomationssystem BAS K3000 auf Grundlage seiner erfolgreichen Erfahrungen in diesem Bereich. Dieses System ist ein typisches Beispiel für die Anwendung der LonWorks-Steuerungsnetzwerktechnologie in der Gebäudeautomation.

I. Warum die LonWorks-Steuerungsnetzwerktechnologie einsetzen?

In herkömmlichen zentralisierten Steuerungssystemen liefern entfernte Sensoren Rückmeldesignale an die zentrale Steuerung. Jedes System verfügt über eigene Ein-/Ausgabe- und Verarbeitungsprozesse, was zu komplexer Entwicklung, Installation und Fehlersuche, hohen Kosten und geringer Skalierbarkeit führt. Systementwickler verbringen viel Zeit mit Übertragungsleitungen und Kommunikation.

Die LonWorks-Steuerungsnetzwerktechnologie bietet viele Vorteile, die sich vor allem in Folgendem widerspiegeln:

1. Das System ist offen und interoperabel.

Das LonWorks-Netzwerk besteht aus Knoten (intelligenten Steuerungen), die über das LONTALK-Netzwerkkommunikationsprotokoll, welches dem OSI-7-Schichten-Referenzmodell entspricht, miteinander verbunden sind und ein Peer-to-Peer-Netzwerk bilden. Entwickler können sich somit voll und ganz auf die Systemanwendungsentwicklung konzentrieren, ohne Übertragungsleitungen und Kommunikationssysteme implementieren und testen zu müssen.

2. Verteilte, dezentrale Steuerung.

Netzwerkknoten befinden sich in unmittelbarer Nähe von Feldsensoren und Aktoren. Jeder Knoten kann Steuerungs- und Kommunikationsfunktionen ausführen, und der Ausfall einzelner Knoten führt nicht zu einem Systemausfall. Bis zu neun Überwachungsstationen können an beliebiger Stelle im Netzwerk installiert und ihre Standorte jederzeit geändert werden. Die Überwachungsstationen sind funktional gleichwertig und können auf verschiedenen Ebenen definiert werden. Diese Eigenschaften sind von großer Bedeutung für die Fehlersuche, Wartung und Stabilität des Systems.

3. Das System bietet flexible Konfigurationsmöglichkeiten, einen kurzen Entwicklungszyklus und eine breite Palette an anwendbaren Medien.

Durch den Einsatz verschiedener Transceiver-Typen kann das System Signale über diverse Medien wie Twisted-Pair-Kabel, Glasfaser, Koaxialkabel, Stromleitung, drahtlos und Infrarot übertragen. Je nach den spezifischen Anforderungen an Übertragungsdistanz, Übertragungsgeschwindigkeit und Feldgeräte lässt es sich in einer freien Topologie oder Busstruktur konfigurieren, was Systemdesign, Wartung, Erweiterung und Transformation erheblich vereinfacht.

II. Überblick über die Systemzusammensetzung des BAS K3000

Das Gebäudeautomationssystem BAS-K3000 ist vollständig kompatibel mit dem LonWorks-Steuerungsnetzwerkstandard-Kommunikationsprotokoll LONTALK und nutzt somit die Steuerungs- und Kommunikationsfunktionen der LonWorks-Technologie vollumfänglich. Seine Netzwerkstruktur umfasst:

Intelligente Knoten

Netzwerkschnittstellen und Verbindungsgeräte

Fernkommunikationsgeräte

Bedienstation für Mensch-Maschine-Schnittstelle

1. Intelligenter Knoten

Intelligente Knoten sind Steuergeräte, die sich in unmittelbarer Nähe der Feldgeräte befinden. Sie können Sensoren und Aktoren verbinden und über digitale und analoge Ein-/Ausgänge Befehle erfassen, empfangen und senden. Die von Echelon angebotenen Transceiver umfassen die Modelle TP/XF-78 und TP/XF-1250 (Twisted-Pair-Bustyp), TP/FTT-10A (Twisted-Pair-Typ mit freier Topologie) sowie PLC-10 (Stromleitungstyp), mit denen sich entsprechende Netzwerktopologien bilden lassen.

Zu den Überwachungsfunktionen des intelligenten Knotens gehören digitaler Eingang, digitaler Ausgang, analoger Eingang, analoger Ausgang und ein Standard-Systemtakt.

Die dem System zugrunde liegende Anwendung ist im Speicher des Knotens gespeichert. Jeder Knoten kann nicht nur selbstständig Daten erfassen und Steuerbefehle ausführen, sondern auch Peer-to-Peer-Netzwerkkommunikation mit anderen Knoten durchführen.

2. Netzwerkschnittstellen und Verbindungsgeräte

Ein Netzwerkadapter (NIC) dient der Kommunikation zwischen Arbeitsplatzrechner und Netzwerk und nutzt das LONTALK-Protokoll. Der PCLTA (PC LonTalk Adapter) ist eine ISA-Karte, die nach dem Einstecken in einen PC die Kommunikation mit dem LonWorks-Netzwerk ermöglicht. Der SLTA/2 und der SLTA-10A (Serial LonTalk Adapter) sind serielle EIA-232-Adapter, die Daten über eine Standard-Seriellschnittstelle mit dem Netzwerk austauschen.

Netzwerkverbindungsgeräte sind hauptsächlich Router, die Subnetze oder Kanäle mit unterschiedlichen Topologien oder Kommunikationsmedien verbinden. LonWorks-Router bestehen aus zwei Modulen, die jeweils mit einem Kommunikationskanal verbunden sind. Mit LonWorks-Routern lassen sich Tausende von Knoten im Netzwerk installieren.

3. Fernkommunikationsgeräte

Das System ermöglicht die Fernüberwachung über Telefonleitungen, drahtlose Spreizspektrumübertragung oder das Internet und dehnt so das Kontrollnetzwerk auf alle Teile der Welt aus.

4. Bedienstation mit Mensch-Maschine-Schnittstelle

Anders als bei herkömmlichen zentralen Steuerungssystemen ist diese Bedienerstation nicht das Zentrum des Netzwerkdatenaustauschs, sondern eine Schnittstelle für die Bediener zur Überwachung und Steuerung des Netzwerks. Sie übernimmt primär Systemüberwachungs- und Netzwerkmanagementfunktionen. Zu den Netzwerkmanagementfunktionen gehören die Festlegung von Systemparametern, die Auswahl von Überwachungsmethoden sowie die Definition und der Austausch von Knoten. Die Überwachungsfunktionen umfassen die Überwachung des Systembetriebszustands, die Überwachung von Systemfehlermeldungen und die Steuerung des Starts/Stopps von Anlagen oder des Ventilöffnungsgrades.

III. Überwachungsobjekte und -funktionen des Gebäudeautomationssystems BAS-K3000

Das Gebäudeautomationssystem BAS-K3000 ermöglicht die umfassende, flexible und zuverlässige Überwachung moderner Gebäude. Zu seinen Hauptfunktionen gehören die Überwachung von zentralen Klimaanlagen, Kühllastmesssystemen, Heizkesseln/Wärmetauschern, Wasserversorgungs- und Abwassersystemen, Stromverteilungssystemen, Beleuchtungssystemen, Aufzugsanlagen und Sicherheitssystemen. Jedes Teilsystem kann unabhängig betrieben oder einheitlich und koordiniert verwaltet werden, wodurch der effiziente, sichere und zuverlässige Betrieb aller elektromechanischen Anlagen im Gebäude gewährleistet wird.

1. Zentrale Klimaanlage

* Überwachen Sie den Betriebszustand der Kältemaschine.

* Fern-/automatische Steuerung des Ein- und Ausschaltens des Geräts gemäß der vorgegebenen Reihenfolge.

Die Anfahrsequenz ist wie folgt: Kühlturmventil – Kühlwasser-Absperrklappe – Kühlwasserpumpe – Kaltwasser-Absperrklappe – Kaltwasserpumpe – Kältemaschine (der Kühlturmlüfter passt sich der Temperatur an). Die Abschaltsequenz ist umgekehrt.

* Steuerung des Öffnens und Schließens von elektrischen Absperrklappen in Kälteanlagen sowie Anzeige des Ventilstellungsstatus.

* Start-/Stopp-Steuerung und Störungsalarm für die Kaltwasserpumpe.

* Erfassung und Aufzeichnung von Parametern wie Ein- und Auslassdurchflussrate, Temperatur und Druck des Kühlwassers.

* Passen Sie die Anzahl der in Betrieb befindlichen Kältemaschinen an und nutzen Sie die variable Frequenzdrehzahlregelung für die Kaltwasserpumpen in Echtzeit entsprechend der tatsächlichen Kühllast, um Energie zu sparen.

* Frischluftzufuhr und Überwachung von Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit.

* Steuert den Start/Stopp von Frischluftanlagen, Lüftungsanlagen und Zu-/Abluftventilatoren; steuert die Öffnung von Proportionalregelventilen; und zeigt den Ventilstellungsstatus an.

* In Verbindung mit der Brandschutzanlage werden im Brandfall die Zu- und Abluftventilatoren aktiviert.

* Die oben genannten Geräte können automatisch nach einem voreingestellten Zeitplan gestartet und gestoppt werden.

* Der Lüfter des Kühlturms wird in Echtzeit basierend auf der Austrittswassertemperatur des Kühlturms gestartet und gestoppt.

2. Abrechnungssystem für Kühllast

* Die kumulierte Öffnungszeit des Magnetventils der Gebläsekonvektoreinheit aufzeichnen.

* Erfassen Sie den kumulativen Durchfluss von Kaltwasser durch das Proportionalregelventil der Lüftungsanlage.

* Rechnungen für die Kühlleistung der zentralen Klimaanlage erstellen und ausdrucken.

3. Heizkessel/Wärmetauschersystem

* Überwachung von Dampftemperatur und -druck im Kessel.

* Überwachung der Dampftemperatur und des Dampfdrucks im Kessel nach der Druckreduzierung.

* Überwachung des Betriebszustands von Wärmetauschern.

* Überwachung der Vorlauf- und Rücklauftemperatur, des Durchflusses und des Drucks des Wärmetauschers.

* Steuerung des Starts/Stopps und der Statusüberwachung der Warmwasserpumpe.

4. Stromverteilungssystem

Temperaturüberwachung und Alarmierung des Transformators.

* Überwachungs- und Alarmfunktionen für Spannung, Strom, Wirkleistung, Blindleistung, Leistungsfaktor usw. innerhalb des Verteilerschranks.

* Überwachung des Zustands der Schalter und des Relaisschutzes in jedem Zweig der Schaltanlage.

* Überwachung des Betriebszustands des Stromaggregats, Alarm bei Übertemperatur des Öls usw.

5. Wasserversorgungs- und Abwassersystem

* Automatischer Anlauf der Rotation, Statusüberwachung und Fehleralarm für Wasserversorgungspumpen.

* Überwachung von Systemdruck, Flüssigkeitsstand und Durchflussrate.

6. Beleuchtungssystem

* Die Zonenbeleuchtungsschalter und die Beleuchtungsstärkensteuerung werden entsprechend den unterschiedlichen funktionalen Anforderungen implementiert.

* Steuern Sie die Beleuchtung so, dass sie gemäß dem vorab gebuchten Zeitplan für jede Zone gestartet und gestoppt wird.

Passen Sie die Beleuchtungsstärke des Beleuchtungssystems an die Umgebungsbeleuchtungsstärke an.

7. Aufzugsystem

* Überwachen Sie den Betriebszustand des Aufzugs.

* Überwachen Sie die Etage, auf der sich der Aufzug befindet.

* Verbindung mit der Brandschutzanlage zur zwangsgesteuerten Steuerung des Starts und Stopps des Aufzugs.

8. Diebstahlschutz- und Sicherheitssystem

* Verbindung mit anderen Subsystemen über Netzwerkschnittstellen.

* Alarmsignale mithilfe elektronischer Karten schnell lokalisieren.

BAS-K3000 System-Benutzerschnittstellensoftware

Basierend auf dem Betriebssystem Microsoft Windows 3.X/9X ist diese vollständig chinesische dynamische grafische Benutzeroberfläche äußerst benutzerfreundlich. Dank der chinesischen Anweisungen auf der Oberfläche lassen sich die meisten Vorgänge nahezu ohne Schulungsaufwand durchführen. Zu den Hauptfunktionen gehören:

1. Führen Sie eine umfassende Überwachung und Steuerung aller Teilsystemgeräte durch.

Die Systemanwendung und die grundlegenden Parameter werden im Speicher des intelligenten Knotens gespeichert und bleiben auch bei ausgeschaltetem Knoten erhalten. Der intelligente Knoten kann Datenerfassung und Gerätesteuerung selbstständig durchführen. Über die Benutzeroberfläche können Bediener das Gerät direkt steuern.

1) Sie können über die grafische Benutzeroberfläche auf die Schnittstellen der einzelnen Teilsysteme zugreifen.

2) Die grafische Benutzeroberfläche zeigt den Betriebszustand und die Systemparameter der Anlage (einschließlich Vor- und Rücklauftemperatur, Druck, Durchflussrate, Ventilöffnungsgrad, Kohlenmonoxidgehalt usw.) dynamisch und in Echtzeit an. Insbesondere die Benutzeroberfläche des Kühlquellensystems der zentralen Klimaanlage zeigt alle relevanten Geräte gleichzeitig auf einem Bildschirm an. Dies ermöglicht dem Bediener einen umfassenden Überblick, beugt Fehlbedienungen vor und erspart häufiges Wechseln zwischen Menüs.

3) Steuern Sie das Gerät mithilfe grafischer Schaltflächen.

4) Gerätefehlfunktionen sind mithilfe grafischer und akustischer Alarme zu melden.

2. Systeminitialisierung und Parametereinstellungen: Initialisieren Sie das System bei der ersten Verwendung.

1) Operatoren hinzufügen oder entfernen und Passwörter ändern.

2) Bedienerberechtigungen definieren und den Umfang der Operationen für Bediener auf der entsprechenden Ebene einschränken.

3) Systemfunktionsmodule hinzufügen oder entfernen.

4) Legen Sie den Start- und Abschaltplan für die Geräte fest.

5) Einstellbereich für die Kühlturmtemperatur festlegen.

6) Stellen Sie die Drehzahlregelungsparameter des Frequenzumrichters ein.

7) Im Abrechnungssystem für die Kühllast können unterschiedliche Tarife für verschiedene Zeiträume festgelegt werden.

3. Abfrage historischer Datensätze, Statistiken und Analyse

1) Zeitgesteuerte automatische Datenerfassung und -aufzeichnung

- Werte für Vorlauf- und Rücklaufwassertemperatur, Durchflussrate und Druck.

- Temperatur, Durchflussrate und Druck des Kühlwasserzulaufs/-rücklaufs.

- Frischluft-/Zuluft-/Ablufttemperatur.

- Dampftemperatur- und Druckwerte des Kessels/Wärmetauschers.

- Spannung, Stromstärke, Wirkleistung, Blindleistung, Leistungsfaktor usw. von Stromverteilungssystemen.

- Druck, Durchflussrate, Flüssigkeitsstand usw. von Wasserversorgungs- und Abwassersystemen.

2) Automatische Aufzeichnung von Fehlermeldungen

Störungen in Kältemaschinen, Kühlwasserpumpen usw.

- Alarm bei Übertemperatur und Überdruck für gekühltes Wasser.

Alarm bei verstopften Filtern in Frischluftanlagen, Lüftungsanlagen usw.

Alarm bei Übertemperatur und Überdruck des Kesseldampfes.

Überlast- und Übertemperaturalarme für das Stromverteilungssystem.

Aufzugsstörungsalarm.

- Alarm für Wasserzufuhr und Abwasserpegel.

- Sicherheitsalarm durch Diebstahl ausgelöst.

Die oben genannten Alarminformationen können detailliert aufgezeichnet werden, einschließlich der Art des Fehlers, des Zeitpunkts des Auftretens und des Zeitpunkts der Behebung.

3) Bedingte Abfrage, Statistik und Berichtsdruck von historischen Datensätzen.

- Verwenden Sie Text, Diagramme und andere Methoden, um den Nutzern das Durchsuchen zu erleichtern.

- Ersetzt die mühsame Arbeit des manuellen Aufzeichnens und Suchens.

- Aufgezeichnete Berichte können bei Bedarf in einer Datei ausgedruckt werden.

IV. Beispiele aus dem Ingenieurwesen

Gebäudeautomationssystem für das Guangfa-Gebäude, Foshan-Niederlassung der Guangdong Development Bank:

Das Guangfa-Gebäude ist ein 22-stöckiges Gebäude mit einer Nutzfläche von ca. 30.000 Quadratmetern, unterteilt in Technikgeschosse, Parkhäuser, Bankfilialen und öffentliche Büroräume. Als intelligentes Gebäude konzipiert, verfügt es über fortschrittliche integrierte Verkabelung und Gebäudeautomationssysteme. Das Gebäudeautomationssystem nutzt das von Foshan Kanglian Intelligent Automation Engineering Co., Ltd. entwickelte BAS-K3000-System auf Basis der LonWorks-Steuerungsnetzwerktechnologie. Das System verfügt über 370 Überwachungspunkte. Die Systemüberwachungszentrale befindet sich im zweiten Stock, während die intelligenten Knotenpunkte in der Nähe der Feldgeräte verteilt sind. Da das System ohne zentrale Steuerung arbeitet, kann der Standort der Zentrale jederzeit geändert werden.

Die Systemsoftware läuft unter Windows 95 (chinesische Version) und verfügt über eine intuitive, realistische und benutzerfreundliche grafische Oberfläche. Die Grafiken stellen den Betriebszustand der Geräte dynamisch dar; beispielsweise bedeutet Grau, dass das Gerät ausgeschaltet ist, und Lila, dass es eingeschaltet ist. Die Farbe des Wasserdurchflusses ändert sich entsprechend, sobald der Durchflussschalter des Kaltwassersatzes aktiviert wird. Das System besteht aus zwei Hauptkomponenten: der Überwachung der zentralen Klimaanlage und der Abrechnung der Kühlleistung. Die Bediener können den Betriebszustand und eventuelle Störungen der zentralen Klimaanlage auf jedem Stockwerk überwachen. Für detailliertere Informationen gelangen Sie durch Klicken auf das grafische Symbol des jeweiligen Geräts zur nächsten Menüebene mit detaillierteren Überwachungseinstellungen.

Das System erfasst stündlich Daten, darunter den gesamten Rücklaufstrom des Kaltwassers in der Klimaanlage, die Vor- und Rücklauftemperatur des Kaltwassers sowie die Vor- und Rücklauftemperatur des Kühlwassers. Die historischen Daten dieser Parameter können jederzeit über die Bedienoberfläche abgerufen werden, und die Entwicklungstrends der einzelnen Größen werden in Diagrammen dargestellt.

Das Modul zur Alarmierung von Systemausfällen kann automatisch die Art des Alarms, den Zeitpunkt des Auftretens und die Behebungszeit protokollieren. Bediener können jederzeit alle aufgetretenen, aber noch nicht bearbeiteten Alarme oder alle bereits bearbeiteten Alarme abrufen.

Das System wurde fehlerfrei getestet und im Mai 1998 abgenommen und läuft seither einwandfrei.

V. Einige Aspekte, die beim Entwurf eines Gebäudeautomationssystems auf Basis der LonWorks-Technologie zu berücksichtigen sind

1. Die tatsächlich verteilte Natur der LonWorks-Netzwerktechnologie sollte voll ausgeschöpft werden, und die Knoten sollten so nah wie möglich an den Feldgeräten angeordnet werden, um den Verkabelungsaufwand zu reduzieren und die Übertragungssicherheit zu verbessern.

2. Aus Sicht des Software-Designs auf niedriger Ebene sollten der Steuerungspunkt eines Geräts und der zugehörige Datenerfassungspunkt idealerweise auf demselben Knoten liegen. Dies dient dazu, die Anzahl der über das Netzwerk übertragenen Variablen zu reduzieren, unnötige Informationsverluste zu minimieren, die Übertragungssicherheit zu verbessern und das Programmdesign zu vereinfachen. Wenn beispielsweise die An- und Abschaltsteuerung eines Kühlturms durch die Temperatur des austretenden Wassers bestimmt wird, sollten der Temperaturerfassungspunkt und der An- und Abschaltsteuerungspunkt des Kühlturms nach Möglichkeit auf demselben Knoten liegen.

3. Die intelligenten Knoten des Gesamtsystems sollten möglichst zentral mit Strom versorgt werden. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit von Inkonsistenzen in den Systemparametern aufgrund von Stromausfällen einzelner Knoten verringert.

4. Verwenden Sie möglichst die neuesten Netzwerkprodukte und vermeiden Sie veraltete Produkte. Achten Sie außerdem auf die Kompatibilität der Produkte. Beispielsweise werden die Lonworks-Module TP/XF78K und TP/XF125K kaum noch hergestellt; sie wurden durch das Modul FTT-10A ersetzt, dessen Netzwerkschnittstelle von SLTA/2 auf SLTA-10 aktualisiert wurde.

5. Der Installationsqualität der Primärkomponenten sollte besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden, da diese oft vernachlässigt wird, aber häufig eine Hauptursache für Systemfehler darstellt. Beispielsweise benötigen Durchflussmesser eine bestimmte Länge gerader Rohrleitungen vor und nach dem Gerät. Kann dies nicht gewährleistet werden, ist die gemessene Durchflussrate wahrscheinlich ungenau. Ein weiteres Beispiel ist der Durchflussschalter: Der Durchmesser der Gewindehülse muss ausreichend groß sein, um einen ausreichenden freien Schwenkwinkel der Schalterflügel für den Kontakt sicherzustellen.

VI. Schlussfolgerung

Wir freuen uns sehr darüber, dass sich die LonWorks-Steuerungsnetzwerktechnologie, die von Regierungsbehörden wie dem Bauministerium intensiv gefördert wird, in China in beispiellosem Tempo weiterentwickelt. Fortschrittliche Technologien finden stets Anklang, und wir sind überzeugt, dass Chinas Gebäudeautomation dadurch schon bald zu den weltweit führenden Technologien aufsteigen wird.