Das Wetter von Morgen schon heute im BACnet Netzwerk der Gebäudeautomation

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1 Das Wetter von Morgen schon heute im BACnet Netzwerk der Gebäudeautomation Die Wetterprognose-Station Kompakt der Firma HKW-Elektronik GmbH empfängt per Langwelle 2- bzw. 4-Tages Wetterprognosen eines professionellen Wetterdienstes. Empfangen werden die Wetterprognosen von einem der drei Langwellensender in Mitteleuropa. Die Wetterprognosen werden 4 Mal täglich neu errechnet und über die Sender ausgestrahlt. Für den Datenaustausch mit einer übergeordneten Steuerung ist eine 2-Draht Schnittstelle nach RS-485 mit dem Kommunikationsprotokoll Modbus RTU vorhanden. Die Wetterprognose-Station fungiert dabei als Modbus Slave. Die zur Verfügung stehenden Wetterprognosen sowie einige Statusmeldungen liegen in 382 Modbus-Registern zur Abfrage bereit. Die Register werden ständig mit den neusten Wetterprognosen gefüllt. Ein Modbus Master kann die Daten zyklisch über die Schnittstelle abfragen. Die hier beschriebene Umsetzung der per Modbus RTU übergebenen Daten auf eine BACnet/IP Schnittstelle für die Gebäudeautomation (GA) verwendet modernste BACnet Mechanismen. Die Interoperabilität wird durch das BTL Zertifikat der BACnet/IP Schnittstelle bescheinigt. Der Modbus Standard sieht es nicht vor, dass man Slaves browsen kann und somit zu einer Übersicht gelangt, welche Daten ein Gerät tatsächlich zur Verfügung stellt. Stattdessen benötigt man zur Integration von Modbus-Geräten stets die vollständige Dokumentation des Herstellers mit genauen Angaben über Register-Adressen, Datentypen und Datenformatierungen. Dieser Prozess kostet Zeit und ist fehlerbehaftet. Daher werden wichtige Daten meist nur einmal zentral integriert, anstatt diese dezentral allen zur Verfügung zu stellen. WETTERPROGNOSEN IM BACNET DOCX SEITE 1

2 Anders sieht das im BACnet Standard aus. Hier existieren Dienste zum Browsen von Teilnehmern im Netzwerk, die eine vollständige Beschreibung aller Objekte eines Gerätes zurückliefern. Als Ergebnis erhält man nicht nur die Geräte Identifikation, sondern auch noch eine detaillierte Auflistung aller Objekte eines Gerätes und deren Eigenschaften. BACnet Analog Value Object Objectname: Niederschlagsmenge_01_01 Objectdescription: Morgen Vormittag Present Value: 2,5 EngineeringUnit: l/m2 Min Value: 0 l/m2" Max Value: 60 l/m2 BACnet Multi-state Value Object Objectname: Windrichtung_01_02 Objectdescription: Morgen Nachmittag Present Value: 7 State_1 = Nord State_2 = Nordost State_3 = Ost State_4 = Südost State_5 = Süd State_6 = Südwest State_7 = West State_8 = Nordwest No States: 8 Change of Value Increment: 0.1 Change of Value Increment: 1 BACnet Analog Value Object Present Value: 27 BACnet Binary Value Object Objectname: Maximal_Temperatur_02_02 Objectdescription: Übermorgen Nachmittag EngineeringUnit: C Objectname: Empfangsqualität der letzten 6 Stunden Objectdescription: Datensatz für Standort Min Value: -30 C Present Value: 1 Max Value: 50 C Active Test: 1 = complete Change of Value Increment: 1 Inactive Text: 0 = incomplete BACnet Gateway Um nun die Vorteile beider Welten das kompakte Modbus Datenformat für eine schnelle Punkt-zu- Punkt Datenübertragung und die selbstbeschreibenden BACnet Objekte zur Integration in die GA miteinander zu verbinden, benötigt man ein entsprechendes Modbus-BACnet/IP Gateway. WETTERPROGNOSEN IM BACNET DOCX SEITE 2

3 Die Abbildung aller 382 Modbus Register der Wetterprognose-Station auf die dazu passenden BACnet Objekte ist im erstellten Gateway bereits vorkonfiguriert und erfordert bis auf die eventuell projektspezifischen Objektnamen keine weiteren Anpassungen. Bei der Wandlung in BACnet Objekte werden je nach Modbus-Datenpunkt bereits unterschiedliche BACnet Objekttypen ( Analog Value, Binary Value und Multi-State Value ) verwendet. Dadurch wird die Integration der Wetterprognose-Daten in die GA weiter vereinfacht, da die Datentypen nicht mehr in den Reglern einzeln konvertiert werden müssen. Temperaturen werden beispielsweise in einem Analog Value Objekt einschließlich physikalischer Einheit und Auflösung übertragen, während kritische Wetterzustände in einem Multi-State Value Objekt kodiert werden. Alle Multi-State Value Objekte sind bereits mit entsprechenden State Texten passend zur Wetterprognose-Station konfiguriert. Das spart Zeit bei der Auswertung bzw. Anzeige von Wetterzuständen. Die obligatorischen BACnet Reliability-Status Flags signalisieren die Gültigkeit der Wetterprognose-Daten für den Fall, dass die Modbus Kommunikationsstecke zwischen Gateway und Wetterprognose-Station Kompakt einmal unterbrochen sein sollte. Zusätzlich liefert ein BACnet Alarm Server (BACnet Notification Class) Informationen zu kritischen Wettersituationen wie extreme Kälte, extreme Hitze oder Starkregen. Jedes BACnet Server Objekt verfügt neben dem projektspezifischen Objektnamen auch über eine detailliert Objektbeschreibung. Damit beschreibt sich jedes BACnet Objekt quasi von selbst und macht eine zusätzliche Dokumentation, wie es bei einer direkten Modbus Integration notwendig ist, überflüssig. Die Modbus RTU Implementierung in der Wetterprognose-Station als Modbus slave liefert die Daten im Rohformat. Um sie für eine Weiterverarbeitung z.b. in einem Regler für die energie-effiziente Regelung der Heizungs- oder der Lüftungsanlage interpretieren zu können, benötigt der Programmierer detaillierte Informationen über den Modbus Registertyp, über das Datenformat und über eine mögliche Skalierung des Wertes zur Konvertierung dieser Rohwerte in das Datenformat der verwendeten Programmiersprache des Reglers.!!! Die hier beschriebene Umsetzung der Modbus RTU Schnittstelle der Wetterprognose-Station in eine BACnet/IP Schnittstelle macht genau dies!!! Nur mit dem Unterschied, dass die Wetterdaten nicht nur einem einzelnen Regler mit Modbus Schnittstelle in der Feldebene zugänglich gemacht werden, sondern diese nun für verschiedenste Aufgaben im gesamten Gebäude als BACnet Server Objekte in der Automationsebene zur Verfügung stehen. BACnet, als der in der GA am weitesten verbreitete Kommunikationsstandard, bietet die notwendigen Objekte mit den entsprechenden Eigenschaften ( Properties ), um die Modbus Register mit den Angaben des Herstellers bzgl. Datenformat, Auflösung und Wertebereich zu ergänzen und somit in der GA allgemein verfügbar zu machen. Im Gegensatz zu einer direkten Modbus RTU Integration über eine 2-Draht Leitung und dem damit verbundenen Aufwand in nur einem Regler, stehen hier die Wetterprognose-Daten allen BACnet/IP WETTERPROGNOSEN IM BACNET DOCX SEITE 3

4 Teilenehmern im Netzwerk der GA zur Verfügung. Jeder BACnet/IP Client kann die Wetterprognose- Daten vom BACnet/IP Gateway entweder bei Wertänderung abonnieren ( COV unsolicited-b ) oder aber auch zyklisch abfragen und die Werte zur Optimierung seiner eigenen Regelstrategien nach Bedarf verwenden. Anwendungen Durch die komfortable Bereitstellung aller Register der Wetterprognose-Station Kompakt auf BACnet Ebene können verschiedenste Anwendungen mit einem minimierten Aufwand der Integration in die GA erstellt werden, welche helfen, ungeahnte Möglichkeiten zur Energieeinsparung und der Komfortverbesserung zu eröffnen. Neben der GA könnten zum Beispiel auch Bewässerungssysteme für den Außenbereich, Solaranlagen für Schwimmbäder oder Systeme zur Warmwasserbereitung die Daten nutzen. In den Regler zur Raumautomation beispielsweise lassen sich spezielle Optimum-Start/Stop Algorithmen programmieren, die dafür sorgen, dass die Zeitprogramme für das kostenintensive Komfort- Energieniveau pro Raum variabel gestaltet werden können und zwar in Abhängigkeit von der prognostizierten Außentemperatur, der momentanen Last im Raum und dem thermischen Speichervermögen der Gebäudehülle. Moderne Raumautomationssysteme nach VDI 3813 verwenden feste Sollwerte für die drei Energieniveaus Comfort, Pre-Comfort, Economie im regulären Betrieb und zusätzlich das Protection Niveau für den Gebäudeschutz (Frostschutz, Überhitzung). Der Nutzer kann darüber hinaus den jeweils aktuellen Sollwert in vorgegeben Grenzen relativ verschieben (+/- 3K), um seine individuelle Wunschtemperatur im Raum einzustellen. Eine mögliche Optimierung der VDI-Funktion Sollwertermittlung modifiziert beispielsweise den jeweils aktuellen Raumtemperatursollwert derart, dass der Benutzer am lokalen Bediengerät keine Anpassung mehr vornehmen muss, da die Daten der Wetterprognose-Station diese Verschiebung nach energetisch optimalen Gesichtspunkten bereits im Regler bewirkt haben. Eine Einbeziehung der vorhergesagten Globalstrahlung erlaubt eine differenzierte Anpassung der Räume mit unterschiedlicher Fassadenausrichtung. Setpoint Calculation for individual room control Actual HVAC Control Mode: Effective Occupancy Mode: HVAC_HEAT OC_OCCUPIED Relative Setpoint Adjustment on Wall module +1.3 K Weather Forecast Correction -0.5 K Outside Air Temperature Compensation +0.2 K Solar Gain -0.4 Freeze Protection: 8 C if Windows open Limits: -3.0 K +3.0 K Heating Cooling Comfort 21 C 23 C Effective Setpoint Pre-Comfort 19 C 25 C C Economy 16 C 28 C WETTERPROGNOSEN IM BACNET DOCX SEITE 4

5 Fazit Durch die netzwerkweite Verfügbarkeit aller relevanten Daten in einem für die GA verständlichen Format, können in einem durchgängig kommunikativen GA System die Wetterprognose-Daten an allen Stellen genutzt werden, an denen das Wetter einen signifikanten Einfluss auf den Energieverbrauch einer Anlage hat. Das heißt, nicht nur die Anlagenregler für Energiebereitstellung und Verteilung nutzen die Wetterprognose-Daten, indem sie das thermische Speicherverhalten des Gebäudes in Relation zur prognostizierten Außentemperatur setzen und damit nur die benötigte Menge an Energie bereitstellen, sondern auch die vorrausschauenden Regler-Algorithmen für die Raumautomation können nun die Wetterprognosen für eine optimierte Energieabnahme gleichermaßen nutzen. Das reduziert Benutzereingriffe und ermöglicht eine zusätzliche Energieeinsparung von bis zu 30 %. WETTERPROGNOSEN IM BACNET DOCX SEITE 5