Sonderausgabe zur light + building

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1 Ausgabe S1/2010 Das Fachmagazin für den Elektro-Profi A42373 Sonderausgabe zur light + building Energieeffiziente Gebäudetechnik

2 Energieeffiziente Gebäudesystemtechnik PC-basierte Automation für energieeffiziente Gebäude Georg Schemmann Durchgängige, skalierbare Lösung für alle Gewerke Dem Gebäudetechniker steht mit dem Beckhoff-IOSystem ein umfangreiches Angebot an Busklemmen zur Anbindung der gesamten Sensorik und Aktorik im Die Anforderungen an die Intelligenz eines Gebäudes 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 Steuerungstechnologie bietet, wird die Vorstellung nachhaltigen, energieeffizienten Bauens und Wohnens, im Sinne des Green Building, zur Realität. Die Kombination von PC-Technologie und Busklemmenportfolie stellt die Plattform zur nahtlosen Integration der Energie- und Verbrauchsdatenerfassung in Gebäuden dar. Heft S1/2010 Über die Busklemmen kann auch eine Multimeterfunktion realisiert werden 1

3 Energieeffiziente Gebäudesystemtechnik Von der Busklemme direkt ins SAP-System Die offenen Schnittstellen der PC-basierten Steuerungstechnik ermöglichen eine durchgängige Kommunikation von der Feld- bis zur Managementebene. Office Transport Produktion Netzwerk Firewall Gateway Gateway Netzwerk Internet VPN WLAN Internet VPN WLAN Die Sicherheit zwischen den Endpunkten wird durch Authentifizierung und Verschlüsselung sichergestellt 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 erhält die Informationen von der Busklemme, per Twincat 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 Gebäudebetreiber den Vorteil, dass er beispielsweise die Verbrauchsdaten der einzelnen Gewerke erfassen und entsprechenden Kostenstellen zuordnen kann. Darüber hinaus wird die Engineering-Zeit durch die Integration des Servers reduziert. Gebäude zur Verfügung. Das gibt ihm die Freiheit, sich, wie aus einem Baukasten, die für seine Applikation notwendigen Module zusammenzustellen. Die feine Granularität der Klemmen erlaubt darüber hinaus einen exakten Zuschnitt der IO-Ebene auf den tatsächlichen Bedarf; das heißt, es muss nur das gekauft werden, was auch tatsächlich benötigt wird. Kern der intelligenten Gebäudesteuerung ist der Industrie-PC mit der Automatisierungssoftware Twincat. Für alle Anwendungsbereiche, von der Kleinststeuerung zur Automation eines einzelnen Raums oder einer bestimmten Gebäudezone, bis zum Hochleistungs- Rechner zur Steuerung einer großen HLK-Zentrale, liefert Beckhoff ein bezüglich Preis und Leistung fein skaliertes Produktportfolio, aus dem der Gebäudetechniker auswählen kann. Dabei ist die freie Programmierbarkeit der Steuerung bei der Realisierung komplexer 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 Basistechnologie zur Energiedatenerfassung. Die Signalerfassung 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 Verbrauchsdatenerfassung aller Gewerke in das Automatisierungssystem ergeben sich Einsparpotenziale und Synergieeffekte sowohl bei der Anlagenerrichtung als auch beim weiteren Betrieb des Gebäudes. Die gewonnenen Daten werden über offene Schnittstellen an die zentrale Leitstelle übertragen und vom Gebäudemanagementsystem ausgewertet. Auf Basis umfangreicher Statistik- und Auswertefunktionen kann der Gebäudebetreiber Schwachstellen erkennen und gezielt Verbesserungsmaßnahmen einleiten. Die vorhandene Datenbasis lässt außerdem eine exakte Bilanzierung und Abrechnung der Verbräuche zu. Energieverbrauchsmessung via Busklemmen Das Busklemmensystem bietet neben den Standardklemmen auch zahlreiche IO für messtechnische Anwendungen, wie: Die Druckmessung ermöglicht das Erkennen von Leckagen in der Drucklufterzeugung 2 Heft S1/2010

4 Microsoft und Beckhoff präsentieren Green-IT-Lösung Weil die Bedeutung der Nachhaltigkeit an Boden gewinnt, führen Microsoft und Beckhoff vor, wie man zum Beispiel Stromverbrauch und Temperatur kontrollieren 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 betriebener Embedded-PC CX9010 von Beckhoff mit Microsoft Windows Embedded CE6.0R3 als Betriebssystem 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 verringern. Diese schrittweise Verringerung der CPU-Geschwindigkeit führt zu einem geringeren Stromverbrauch. Auf Einsparungen ausgerichtete IT-Lösungen von Microsoft verringern den Energieverbrauch von IT und senken die CO 2 -Emissionen. Sie verwalten die Energieeffizienz sowie ihren ökologischen Footprint und führen zum Überdenken der Geschäftspraktiken, mit dem Ziel, die Auswirkungen auf die Umwelt positiv zu beeinflussen. die Erfassung des Stromverbrauchs über die Energiemessklemme (KL3403) und/oder die Digital-Multimeter-Klemme (KL3681), die Erfassung von Wasser-, Gas- und Wärmeverbrauch über M-Bus (serielle Kommunikationsklemmen mit Pegelwandler KL6001/KL6021), die Temperaturmessung, zum Beispiel über die Acht- Kanal-Widerstandsmessklemme KL3228, und die Druckmessung bzw. das Erkennen von Leckagen in der Drucklufterzeugung (KM3702). Mit Twincat werden die gemessenen Daten weiterverarbeitet und eventuell sofort Schalt- und Regelhandlungen ausgeführt; alternativ wird die Kommunikation zur Leitebene hergestellt. Die Werte können zwischengespeichert oder direkt in Datenbanken geschrieben werden. Georg Schemmann ist Branchenmanager Building Automation bei der Beckhoff Automation GmbH in Verl. Die Software hilft dem Anwender, die gemessenen Verbrauchsdaten in der SPS weiter zu verarbeiten. Durch die präzise Steuerung und Regelung lassen sich die Energiekosten senken. Über definierte Softwareschnittstellen werden die Ener- Heft S1/2010 3

5 Energieeffiziente Gebäudesystemtechnik Vier Fragen an Georg Schemmann von Beckhoff Automation 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 gewerkeübergreifende Steuerung. Dies zieht eine Reihe von Vorteilen nach sich: Sensorik und Aktorik kann eingespart werden, da zum Beispiel nur eine Wetterstation pro Gebäude oder Campus benötigt wird. Gewerke können untereinander verknüpft werden: So kann das Lichtmanagement den Sonneneinfall berücksichtigen. Die Fassadensteuerung wird ins Lüftungskonzept integriert. Die integrierte Messtechnik ermöglicht eine vorrausschauende Gebäudeautomation; als Beispiel will ich die automatische Steuerungsperiodenumschaltung nennen: Die Vorlauftemperatur wird nach zwei warmen Tagen abgesenkt. Frühzeitig lässt sich erkennen, welche Stellgrößen verändert werden müssen. Mit unserem PC- Control-Angebot mit Twincat und den Busklemmen realisieren wir Green Building Automation und erreichen bereits heute die Energieeffizienz-Klasse A nach DIN EN Diese Effizienzklasse A entspricht einem sehr hohen technischen Standard und Automationsgrad des Gebäudes und kann mit unseren Hard- und Softwarekomponenten problemlos umgesetzt werden. Das Thema Energieeffizienz spielt auch im Rechenzentrum eine große Rolle. Welche Lösung bietet Beckhoff für diesen Bereich? G. Schemmann: Ein Rechenzentrum bietet viel Potenzial zur Energieeinsparung. Um dieses zu nutzen, stellt Beckhoff eine feinmodulare Energiedatenerfassung 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 Regelungstechnik sichergestellt. So wird die Energieverschwendung durch zu niedrige Temperaturen im Rechenzentrum vermieden. Darüber hinaus hat die Beckhoff-Steuerung einen geringen Eigenverbrauch und die Langzeitverfügbarkeit der Steuerungstechnik sorgt für Nachhaltigkeit. Warum ist die Energie- und Verbrauchsdatenerfassung im Gebäudebereich so wichtig? G. Schemmann: Die Erfassung der Daten bildet die Basis für das Energiemanagement und die Auswertung. Nur wenn man weiß, wo Energie verbraucht wird, kann man Maßnahmen zur Reduzierung ergreifen. Häufig schafft schon eine Verbrauchsdatenzuweisung 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 Twincat-System-Manager integriert. Somit bieten wir auch die Bacnet-Unterstützung für diese offene Steuerungstechnik. Bacnet/IP ist somit bis auf die Embedded-PC-Ebene verfügbar. Unser neuer Room Controller deckt preissensitive, einfache Standardapplikationen ab. Funktionen, die vorher mit modularen Busklemmen realisiert wurden, sind jetzt in einem kompakten Modul integriert. Dieses Modul übernimmt die Steuerung eines kompletten Raums mit der Temperaturerfassung, der Überwachung des Fensterkontakts, der CO 2 - Messung und der Lüfterstufensteuerung. Es stehen verschiedene Ausführungen als Ethernet-Controller, Ethernet-Buskoppler und KM-Modul mit K-Bus- Interface für die Erweiterung mit Standard-Busklemmen zur Verfügung. Damit bleibt die Flexibilität eines Baukastens erhalten. Die integrierte Software ist flexibel 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. 4 Heft S1/2010

6 giedaten der übergeordneten Energiemanagementsoftware 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 Verbräuche 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 Wasser-, Gas- und Wärmeverbrauchs erfolgt über den M- Bus (Metering Bus). Der M-Bus ist ein Feldbus zur Erfassung von Verbrauchsdaten, zum Beispiel über Wasser-, Elektrizitäts-, Gas-, Wärme- und Kältezähler. Die Daten werden von einem Messgerät über einen Pegelwandler 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 ermöglicht, in Verbindung mit Stromwandlern, die Messung aller relevanten elektrischen Daten und stellt dem Gebäudeautomationssystem eine umfangreiche Netzanalyse zur Verfügung. Mithilfe eines Funktionsbausteins aus der HLK-Softwarebibliothek werden die Effektivwerte von Strom und Spannung, Wirk-, Scheinund Blindleistung sowie der Leistungsfaktor erfasst. Oftmals stellen Energiezähler die Informationen als Impulssignal zur Verfügung. Auch hier bietet das Busklemmenportfolio eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Erfassung. Entscheidend für die Auswahl der richtigen Busklemme ist die Art und Dauer des Impulses: Die Busklemme 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 Eingangsfilter von 0,2 ms. Für die Strommessung ohne Wandler steht die Digital-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 können zeitliche Verläufe bis zur μs-auflösung grafisch dargestellt werden. Eine komfortable Bedienung vereinfacht die Konfigurierung. Schnittstellen für SPS-Programmierer erlauben die Bedienung des Scope Servers aus dem SPS-Programm heraus. Der modulare Aufbau des Scopes gibt dem Anwender die Möglichkeit, einzelne Komponenten in eigenen Visualisierungen zu verwenden. Dadurch lassen sich Kosten und Aufwand im Bereich der Prozessüberwachung und -dokumentation sparen. Heft S1/2010 5