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Sonderausgabe zur light + building

Energieeffiziente Gebäudetechnik

1 • Heft S1/2010

Energieeffiziente Gebäudesystemtechnik

Die Anforderungen an die Intelligenz eines Gebäu-des sind in den letzten Jahren stetig gestiegen, wobei das Thema Energieeffizienz sowie ein guter „Return of Investment“ im Vordergrund stehen. Mit intelligenter, gewerkeübergreifender Gebäudeautomation, wie sie Beckhoff mit seiner PC-basierten Steuerungstechnolo-gie bietet, wird die Vorstellung nachhaltigen, energie-effizienten Bauens und Wohnens, im Sinne des „Green Building“, zur Realität. Die Kombination von PC-Tech-nologie und Busklemmenportfolie stellt die Plattform zur nahtlosen Integration der Energie- und Verbrauchs-datenerfassung in Gebäuden dar.

Durchgängige, skalierbare Lösung für alle Gewerke

Dem Gebäudetechniker steht mit dem Beckhoff-IO-System ein umfangreiches Angebot an Busklemmen zur Anbindung der gesamten Sensorik und Aktorik im

PC-basierte Automationfür energieeffiziente GebäudeGeorg Schemmann

Über die Busklemmen kann auch eine Multimeterfunktion realisiert werden

2 Heft S1/2010 • 

Energieeffiziente Gebäudesystemtechnik

Gebäude zur Verfügung. Das gibt ihm die Freiheit, sich, wie aus einem Baukasten, die für seine Applikati-on notwendigen Module zusammenzustellen. Die fei-ne Granularität der Klemmen erlaubt darüber hinaus einen exakten Zuschnitt der IO-Ebene auf den tat-sächlichen Bedarf; das heißt, es muss nur das gekauft werden, was auch tatsächlich benötigt wird.

Kern der intelligenten Gebäudesteuerung ist der In-dustrie-PC mit der Automatisierungssoftware Twincat. Für alle Anwendungsbereiche, von der Kleinststeue-

rung zur Automation eines einzelnen Raums oder einer bestimmten Gebäudezone, bis zum Hochleistungs-Rechner zur Steuerung einer großen HLK-Zentrale, lie-fert Beckhoff ein – bezüglich Preis und Leistung – fein skaliertes Produktportfolio, aus dem der Gebäude-techniker auswählen kann. Dabei ist die freie Program-mierbarkeit der Steuerung bei der Realisierung kom-plexer Aufgaben hilfreich und gibt dem Anwender ein hohes Maß an Flexibilität.

PC-basiertes Energiedaten- Monitoring erzeugt Einsparpotenziale

Die PC-basierte Steuerungstechnik bietet neben den Gebäudeautomationsfunktionen auch die Basis-technologie zur Energiedatenerfassung. Die Signaler-fassung erfolgt dezentral über das Busklemmen-IO-System. Via Ethernet oder auch andere Bussysteme werden die Daten übertragen. Die Auswertung findet im Industrie-PC über die Automatisierungssoftware Twincat statt und zur Übergabe der Energiedaten an übergeordnete Systeme der Gebäudeleittechnik und des Datenmanagements dienen standardisierte Schnittstellen, zum Beispiel OPC.

Aus der nahtlosen Integration der Energie- und Ver-brauchsdatenerfassung aller Gewerke in das Automa-tisierungssystem ergeben sich Einsparpotenziale und Synergieeffekte sowohl bei der Anlagenerrichtung als auch beim weiteren Betrieb des Gebäudes. Die ge-wonnenen Daten werden über offene Schnittstellen an die zentrale Leitstelle übertragen und vom Gebäu-demanagementsystem ausgewertet. Auf Basis um-fangreicher Statistik- und Auswertefunktionen kann der Gebäudebetreiber Schwachstellen erkennen und ge-zielt Verbesserungsmaßnahmen einleiten. Die vorhan-dene Datenbasis lässt außerdem eine exakte Bilanzie-rung und Abrechnung der Verbräuche zu.

Energieverbrauchsmessung via Busklemmen

Das Busklemmensystem bietet neben den Standard-klemmen auch zahlreiche IO für messtechnische An-wendungen, wie:

Die Druckmessung ermöglicht das Erkennen von Lecka-gen in der Drucklufterzeugung

Die offenen Schnittstellen der PC-basierten Steue-rungstechnik ermöglichen eine durchgängige Kom-munikation von der Feld- bis zur Managementebene.

Der Twincat OPC UA Server, der standardmäßig auf Windows-XP-Betriebssystemen lauffähig ist, stellt die direkte Verbindung mit dem SAP-System her. Sein Einsatz ist unkompliziert, da die OPC-Konfiguration in Netzwerken nahezu entfällt: Der OPC UA Server er-hält die Informationen von der Busklemme, per Twin-cat IO, oder per Twincat PLC. So lassen sich auf Basis des standardisierten IEC-Netzwerkprotokolls Daten aus der SPS in Datenbanken oder an das SAP-System übertragen und dort auswerten. Das hat für den Ge-bäudebetreiber den Vorteil, dass er beispielsweise die Verbrauchsdaten der einzelnen Gewerke erfassen und entsprechenden Kostenstellen zuordnen kann. Darü-ber hinaus wird die Engineering-Zeit durch die Integ-ration des Servers reduziert.

Von der Busklemme direkt ins SAP-System

Die Sicherheit zwischen den Endpunkten wird durch Authentifizierung und Verschlüsselung sichergestellt

Office

Transport

Produktion

Netzwerk172.16.5×255.255.255.0

Netzwerk192.168.3×255.255.255.0

Firewall

Gateway

Gateway

InternetVPN

WLAN

InternetVPN

WLAN

3 • Heft S1/2010

• die Erfassung des Stromverbrauchs über die Energie-messklemme (KL3403) und/oder die Digital-Multime-ter-Klemme (KL3681),

• die Erfassung von Wasser-, Gas- und Wärmever-brauch über M-Bus (serielle Kommunikationsklem-men mit Pegelwandler KL6001/KL6021),

• die Temperaturmessung, zum Beispiel über die Acht-Kanal-Widerstandsmessklemme KL3228, und

• die Druckmessung bzw. das Er-kennen von Leckagen in der Drucklufterzeugung (KM3702).

Mit Twincat werden die gemes-senen Daten weiterverarbeitet und eventuell sofort Schalt- und Regelhandlungen ausgeführt; alternativ wird die Kommunika-tion zur Leitebene hergestellt. Die Werte können zwischenge-speichert oder direkt in Daten-banken geschrieben werden. Die Software hilft dem Anwen-der, die gemessenen Ver-brauchsdaten in der SPS weiter zu verarbeiten. Durch die präzi-se Steuerung und Regelung las-sen sich die Energiekosten sen-ken.

Über definierte Software-schnittstellen werden die Ener-

Weil die Bedeutung der Nachhaltigkeit an Boden gewinnt, führen Microsoft und Beckhoff vor, wie man zum Beispiel Stromverbrauch und Temperatur kont-rollieren und messen kann. Diese Vorführung findet im Microsoft Technology Center in München statt und wurde auch auf dem Microsoft-Stand der Cebit 2010 vorgestellt.

Jedes elektrische Gerät kann über eine Steckdose mit dem Kiosk verbunden werden. Ein „headless“ be-triebener Embedded-PC CX9010 von Beckhoff mit Mi-crosoft Windows Embedded CE6.0R3 als Betriebssys-tem und einer Ethercat-IO-Klemme EL3681 misst den Stromverbrauch dieses Geräts. Ein Beckhoff-Ethernet-Panel mit Windows Embedded Standard 7 und einer WPF-Anwendung ist über OPC-UA mit dem CX9010 verbunden. In der dargestellten Ausführung zeigt die GUI WPF den Verbrauch eines Windows-7-PC – die GUI ermöglicht zudem die Geschwindigkeit der Windows-7-CPU schrittweise über einen TCP/IP-Befehl zu ver-ringern. Diese schrittweise Verringerung der CPU-Ge-schwindigkeit führt zu einem geringeren Stromver-brauch.

Auf Einsparungen ausgerichtete IT-Lösungen von Microsoft verringern den Energieverbrauch von IT und senken die CO2-Emissionen. Sie verwalten die Ener-gieeffizienz sowie ihren ökologischen Footprint und führen zum Überdenken der Geschäftspraktiken, mit dem Ziel, die Auswirkungen auf die Umwelt positiv zu beeinflussen.

Microsoft und Beckhoff präsentieren Green-IT-Lösung

Georg Schemmann ist Branchenmana­ger Building Auto­mation bei der Beckhoff Automa­tion GmbH in Verl.

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Energieeffiziente Gebäudesystemtechnik

Wie nutzen Sie die PC-basierte Steuerungstechnik für energieeffiziente Gebäude?

G. Schemmann: Gebäudeautomation gibt es schon länger. Doch bisher war es üblich, dass jedes Gewerk über eine eigene Steuerung verfügt hat. Mit PC-Control ermöglichen wir nun die gewerkeüber-greifende Steuerung. Dies zieht eine Reihe von Vor-teilen nach sich: Sensorik und Aktorik kann einge-spart werden, da zum Beispiel nur eine Wetterstation pro Gebäude oder Campus benötigt wird. Gewerke können untereinander verknüpft werden: So kann das Lichtmanagement den Sonneneinfall berück-sichtigen. Die Fassadensteu-erung wird ins Lüftungskon-zept integriert. Die integrier-te Messtechnik ermöglicht eine vorrausschauende Ge-bäudeautomation; als Bei-spiel will ich die automati-sche Steuerungsperioden-umschaltung nennen: Die Vorlauftemperatur wird nach zwei warmen Tagen abgesenkt. Frühzeitig lässt sich erkennen, welche Stell-größen verändert werden müssen. Mit unserem PC-Control-Angebot mit Twin-cat und den Busklemmen realisieren wir Green Building Automation und erreichen bereits heute die Energieeffi-zienz-Klasse A nach DIN EN 15232. Diese Effizienzklasse A entspricht einem sehr hohen technischen Standard und Automationsgrad des Ge-bäudes und kann mit unse-ren Hard- und Softwarekom-ponenten problemlos um-gesetzt werden.

Das Thema Energieeffizienz spielt auch im Rechen-zentrum eine große Rolle. Welche Lösung bietet Beckhoff für diesen Bereich?

G. Schemmann: Ein Rechenzentrum bietet viel Potenzial zur Energieeinsparung. Um dieses zu nut-zen, stellt Beckhoff eine feinmodulare Energiedaten-erfassung zur Verfügung, die eine Auswertung bis auf den einzelnen Server oder PC erlaubt. Die effiziente Klimatisierung des gesamten Rechenzentrums oder einzelner Serverschränke wird durch schnelle Rege-lungstechnik sichergestellt. So wird die Energiever-schwendung durch zu niedrige Temperaturen im Rechenzentrum vermieden. Darüber hinaus hat die Beckhoff-Steuerung einen geringen Eigenverbrauch und die Langzeitverfügbarkeit der Steuerungstech-nik sorgt für Nachhaltigkeit.

Warum ist die Energie- und Verbrauchsdatenerfas-sung im Gebäudebereich so wichtig?

G. Schemmann: Die Erfassung der Daten bildet die Basis für das Energiemanagement und die Auswer-tung. Nur wenn man weiß, wo Energie verbraucht wird, kann man Maßnahmen zur Reduzierung ergrei-fen. Häufig schafft schon eine Verbrauchsdatenzu-weisung auf Kostenstellen bei den Mitarbeitern das nötige Bewusstsein zum Energiesparen.

Welche Neuheiten stellen Sie noch auf der Light + Building 2010 aus?

G. Schemmann: Auf der Light + Building stellen wir zahlreiche Neuheiten und Produktergänzungen vor. Bacnet/IP wird als reine Softwarelösung im Twin-cat-System-Manager inte-griert. Somit bieten wir auch die Bacnet-Unter-stützung für diese offene Steuerungstechnik. Bac-net/IP ist somit bis auf die Embedded-PC-Ebene verfügbar.

Unser neuer Room Con-troller deckt preissensitive, einfache Standardappli-kationen ab. Funktionen, die vorher mit modularen Busklemmen realisiert wur-den, sind jetzt in einem kompakten Modul integ-riert. Dieses Modul über-nimmt die Steuerung ei-nes kompletten Raums mit der Temperaturerfassung, der Überwachung des Fensterkontakts, der CO2-Messung und der Lüfter-stufensteuerung. Es ste-

hen verschiedene Ausführungen als Ethernet-Cont-roller, Ethernet-Buskoppler und KM-Modul mit K-Bus-Interface für die Erweiterung mit Standard-Busklem-men zur Verfügung. Damit bleibt die Flexibilität eines Baukastens erhalten. Die integrierte Software ist fle-xibel programmierbar.

Darüber hinaus zeigen wir die Embedded-PC der Serie CX8000 und zahlreiche neue Busklemmen, zum Beispiel für messtechnische Anwendungen ohne Wandler, einen Enocean-Master, einen DMX-Master sowie eine DC-24-V-Ausgangsklemme mit Encoder-Auswertung für innenliegende Jalousien mit exakter Positionierung.

Die Twincat-Software-Bibliothek wurde um einen Fias-Server für Hotelmanagementsysteme, Module für die HKL-Technik und den M-Bus erweitert.

Vier Fragen an Georg Schemmann von Beckhoff Automation

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giedaten der übergeordneten Energiemanagement-software oder der Gebäudeleittechnik zur Verfügung gestellt, wo sie ausgewertet bzw. analysiert werden. Auf Basis mathematischer Modelle ist das Erstellen von Prognosen und die Ermittlung voraussichtlicher Ver-bräuche und Lastspitzen möglich. Die gemessenen Daten lassen sich, zum Beispiel über die Anbindung an ein ERP-System, außerdem bestimmten Kostenstellen zuordnen.

Erfassung von Wasser-, Gas- und Wärmeverbrauch

Die Anbindung von Sensoren zur Messung des Was-ser-, Gas- und Wärmeverbrauchs erfolgt über den M-Bus (Metering Bus). Der M-Bus ist ein Feldbus zur Erfas-sung von Verbrauchsdaten, zum Beispiel über Wasser-, Elektrizitäts-, Gas-, Wärme- und Kältezähler. Die Daten werden von einem Messgerät über einen Pegelwand-ler an die Twincat-Steuerung gesendet. Der M-Bus-Pegelwandler wird über die seriellen Busklemmen KL6001, KL6021 oder den CX-Com-Port angebunden. Die Software-Bibliothek Twincat PLC M-Bus wertet die Daten aus und stellt sie übergeordneten Systemen zur Verfügung.

Die Drei-Phasen-Leistungsmessklemme KL3403 er-möglicht, in Verbindung mit Stromwandlern, die Mes-sung aller relevanten elektrischen Daten und stellt dem Gebäudeautomationssystem eine umfangreiche Netzanalyse zur Verfügung. Mithilfe eines Funktions-bausteins aus der HLK-Softwarebibliothek werden die Effektivwerte von Strom und Spannung, Wirk-, Schein- und Blindleistung sowie der Leistungsfaktor erfasst. Oft-mals stellen Energiezähler die Informationen als Impuls-signal zur Verfügung. Auch hier bietet das Busklem-menportfolio eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Erfas-sung. Entscheidend für die Auswahl der richtigen Bus-klemme ist die Art und Dauer des Impulses: Die Bus-klemme KL140x hat einen Eingangsfilter von 3 ms, die Klemme KL1232 verlängert kurze Impulse auf 100 ms, der Eingangsfilter beträgt 0,2 ms, und die Klemme KL1512 ist ein Vor-/Rückwärtszähler mit einem Ein-gangsfilter von 0,2 ms.

Für die Strommessung ohne Wandler steht die Digi-tal-Multimeter-Klemme KL3681 zur Verfügung. Hohe Genauigkeit und einfache, hochohmige Messung von 300 mV bis 300 V erlauben es, die Klemmen wie ein digitales Multimeter zu verwenden.

Visuelle Erfassung über Software-Oszilloskop

Mit dem Software-Oszilloskop Twincat Scope 2 kön-nen zeitliche Verläufe bis zur μs-Auflösung grafisch dargestellt werden. Eine komfortable Bedienung ver-einfacht die Konfigurierung. Schnittstellen für SPS-Pro-grammierer erlauben die Bedienung des Scope Ser-vers aus dem SPS-Programm heraus. Der modulare Aufbau des Scopes gibt dem Anwender die Möglich-keit, einzelne Komponenten in eigenen Visualisierun-gen zu verwenden. Dadurch lassen sich Kosten und Aufwand im Bereich der Prozessüberwachung und -dokumentation sparen.

www.beckhoff.de/building n