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Lösungen für CAN-Bus und BACnet: Einbindung von Pumpen in die Gebäudeautomation

Die Integration elektronisch geregelter Pumpen in die Gebäudeautomation zahlt sich durch eine Erhöhung des Nutzerkomforts sowie Betriebskostensenkungen aus. Mit den neuen Interface-(IF-)Modulen lassen sich die elektronisch geregelten Pumpen des Herstellers Wilo SE jetzt auch unmittelbar via BACnet anbinden. Dies ermöglicht eine durchgehende Kommunikation bis auf die Feldebene, dabei ist neben einer wirtschaftlichen und bedarfsgerechten Realisierung der benötigten Übertragungswege auch eine flexible nachträgliche Erweiterung möglich.
Die wichtigsten Funktionen der Gebäudeautomation (GA) sind die Steuerung, Regelung und Überwachung verschiedener Bereiche wie Haustechnik, Zugangskontrolle und Brandschutz sowie die Bereitstellung von Daten für das Facility Management. Vorteile des ‚intelligenten Gebäudes‘ sind vor allem eine Erhöhung des Nutzerkomforts sowie Betriebskostensenkungen, wobei Kostenentlastungen von 10 bis 30% gegenüber Gebäuden ohne Leitsysteme realistisch sind. Dazu kann auch die vorhandene Pumpentechnik z.B. in Heizung und Klimatisierung ihren Beitrag leisten. Nach Berechnungen des Europump Hydraulik Institutes belaufen sich die reinen Anschaffungskosten einer Pumpe, bezogen auf die Lebenszykluskosten, auf nur 6%. Der größte Anteil setzt sich aus Energie- und Wartungskosten zusammen. Deshalb amortisieren sich die Mehrkosten für die Installation von energiesparenden Pumpen und deren Einbindung in die Gebäudeautomation schon nach kurzer Zeit.

Pumpenvernetzung auf der Feldebene

Bei der Gebäudeautomation können drei Ebenen unterschieden werden. Alle Daten laufen auf der Managementebene zusammen, über die die Anlage überwacht und gesteuert wird. Hier werden Betriebszustände visualisiert und relevante Daten zur statistischen Auswertung gespeichert. Auf der Feldebene befinden sich Sensoren z.B. zur Messung von Druck oder Temperatur sowie Aktoren wie Motoren, Ventile oder Pumpen. Die Automationsebene liegt als mittlere Ebene zwischen der Feldebene und der Managementebene. Sie dient dem Datenaustausch zwischen den einzelnen Anlagenkomponenten und leitet gleichzeitig Daten an übergeordnete Geräte wie Bedienstationen und Datenserver weiter. Vor diesem Hintergrund hat das Dortmunder Unternehmen Wilo SE vor einigen Jahren ein flexibles, zukunftsorientiertes Konzept entwickelt, mit dem die Elektronikpumpen des Herstellers in die unterschiedlichen Gebäudeautomationssys­teme integriert werden können. Um den Anschluss an die Gebäudeautomation stets optimal zu realisieren, werden für fast alle elektronisch geregelten Pumpen Interface-(IF-)Module zum Einstecken in die Pumpe angeboten. Die Pumpen können damit direkt, d.h. ohne separate Gateways oder Schnittstellen zu ggf. proprietären Bussystemen, in das vor Ort vorhandene System eingebunden werden. Hieraus ergibt sich eine einfache, durchgängige Installation. Bei Auf- und Umrüstungen der Gebäudeautomation genügt ein Wechsel der IF-Module, der mit wenigen Handgriffen erledigt ist.

Modulare Integration in die GA

Dabei ist die Pumpe als intelligenter Aktor und Sensor auf der Feldebene angeordnet. Sie erfasst alle elektrischen und hydraulischen Betriebsdaten. Die darüber liegende Automationsebene kann die Prozessdaten der Feldebene auswerten, danach steuern oder regeln oder bestimmte Daten an die oberste Managementebene weiterleiten. Grundsätzlich können die Elektronikpumpen von Wilo elektrische, mechanische, thermische und hydraulische Pumpendaten über Datenprotokolle an die Gebäudeautomation übertragen. Beispiele sind Druck, Durchflussmenge und Leistungsaufnahme, Stromaufnahme und Betriebsstundenzahl, aber auch unterschiedliche Stör- und Fehlerzustände. Ebenso lassen sich auf diesem Weg Steuer- und Regelbefehle an die Pumpen leiten. Nachdem bereits seit einiger Zeit IF-Module für die Pumpenanbindung per PLR und LON zur Verfügung stehen, hat das Unternehmen aktuell zwei wichtige Meilensteine realisiert, durch die eine noch bedarfsgerechtere, zukunftsorientierte Vernetzung der Pumpen innerhalb der Gebäudeautomation möglich ist. Denn in den vergangenen Jahren wurden vor allem die Datenübertragungsrate gesteigert. Zudem wurden die Systeme so perfektioniert, dass immer mehr ‚Intelligenz‘ auf die sogenannte Feldebene, auf der beispielsweise Pumpen und Sensoren angesiedelt sind, verlagert wurde.

‚Yes, we can CAN!‘

Vor diesem Hintergrund wurde mit dem Wilo-CAN-Highspeed-Bus ein neuer Standard zur Einbindung von elektronisch geregelten Pumpen in die Gebäudeautomation definiert und damit den in der Industrieautomation und im Automobilbereich bewährten Standard CAN (Controller Area Network) an die Anforderungen der Gebäudeautomation angepasst. Die Pumpen können damit nunmehr ereignisgesteuert kommunizieren, d.h. wenn sich etwas in der Pumpe ändert, wird dies aktiv und verzögerungsfrei über den Bus an alle Teilnehmer gemeldet. Dabei können mehrere Pumpen über einen Bus kommunizieren. Wilo-CAN entspricht dem Industriestandard CANopen und ist damit ein offenes System, das auch die Pumpeneinbindung z.B. in industrielle Steuerungssysteme erlaubt. IF-Module für den Bus sind aktuell für die Hocheffizienzpumpen der Stratos-Baureihe verfügbar, im Jahr 2010 sollen sie für weitere elektronisch geregelten Pumpen aus dem Wilo-Sortiment eingeführt werden. Sie bieten eine Übertragungsgeschwindigkeit von 125kBit/s, der CAN-Bus ist damit bis zu 100-mal schneller als herkömmliche Systeme. Daraus ergibt sich eine sichere Datenübertragung auch bei schnellen Signaländerungen sowie eine erhebliche Verbesserung von Funktionalität und Leistungsumfang. Durch den schnellen Ein- und Ausbau des Moduls beschleunigt sich nicht nur die Installation von Neuanlagen, auch die kostengünstige Nachrüstung von Bestandsanlagen ist möglich. In diesem Fall muss nicht die komplette Pumpe ausgetauscht werden, sondern es wird nur das entsprechende IF-Modul eingesteckt. Anschließend kann die Pumpe in die Gebäudeautomation integriert werden. Eine besondere Herausforderung für die Realisierung einer Gebäudeautomation ist darüber hinaus, dass hier verschiedene Datenübertragungssysteme zum Einsatz kommen, die oftmals unterschiedliche ‚Sprachen‘ verwenden. Vor diesem Hintergrund sind in größeren Anlagen meist etliche GA-Komponenten zu integrieren, die verschiedenen Standards entsprechen. Dies erhöht den Planungs- und Installationsaufwand auf allen Ebenen der Gebäudeautomation mitunter erheblich.

Die Welt spricht BACnet

Als Lösung dieses Problems und zukunftsorientierter Standard für die Gebäudeautomation setzt sich vor diesem Hintergrund zunehmend das Datenprotokoll BACnet durch. Die Bezeichnung BACnet steht für ‚Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks‘ (Kommunikations-Protokoll für Datennetze der Gebäudeautomation und Gebäuderegelung). Als Kommunikationsstandard DIN EN ISO16484-5 weltweit genormt, ermöglicht BACnet die Realisierung leistungsfähiger, herstellerübergreifender Gesamtsysteme, die zudem offen für neue Funktionen und einfach zu erweitern sind. Es handelt sich dabei um die derzeit umfangreichste Protokoll-Spezifikation für die Gebäudeautomation, die von immer mehr Herstellern unterstützt wird. BACnet ermöglicht eine einfache, gewerkeübergreifende Integration verschiedener Funktionsbereiche in die Gebäudeautomation und wird sowohl für die Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik als auch für Lichtsteuerung, Sicherheits- und Brandmeldetechnik angewendet. Als Neuheit bietet Wilo jetzt IF-Module BACnet für seine Stratos-Hocheffizienz­pumpen an. Per MS/TP Medium RS485 lassen sich so verschiedene Feldgeräte mit BACnet vernetzen, d.h. neben Pumpen beispielsweise auch Klappenantriebe, Frequenzumformer oder auch Raumbediengeräte. Wilo unterstützt dabei die höchste spezifizierte Datenrate von 76.800 Baud. Für den Übergang auf andere Medien wie z.B. BACnet/IP oder BACnet Ethernet nach ISO8802-3 können Router eingesetzt werden. Hierdurch müssen lediglich Netzwerkparameter eingestellt werden, während die Datenpunkte selbst unverändert weitergegeben werden. Diese Protokolltransparenz vereinfacht das Engineering einer GA-Lösung erheblich, auch Änderungen oder Erweiterungen wirken sich auf die mit BACnet realisierten Funktionen der Gebäudeautomation nicht aus.

Zukunftssicherer Weltstandard

Immer mehr Eigentümer und Investoren, Planungsingenieure und Berater setzen auf die offenen Gestaltungsmöglichkeiten des weltweiten Standards BACnet. Er ermöglicht den Aufbau herstellerübergreifender, ganzheitlicher Lösungen unabhängig von Systemebenen. Das bringt Kosteneinsparungen, Investitionssicherheit und flexiblere Möglichkeiten bei Installation, Erweiterung und Betrieb. Die Anbindung der Pumpen via BACnet ist beispielsweise deutlich einfacher zu realisieren, da keine separate Hardware wie Gateways für die 0 bis 10V-Schnittstelle mehr erforderlich sind. Ist ansonsten eine Pumpenabfrage von der Managementebene zur Feldebene der Gebäudeautomation nur mithilfe mehrerer Vernetzungskomponenten z.B. für LON oder Ethernet möglich, wird die Pumpe mit BACnet nur einmal angemeldet, anschließend werden die benötigten Daten und Werte über die verschiedenen Ebenen durchgehend transportiert. In der Summe ist ein Gesamtsystem damit vor allem bei mehreren Pumpen nicht zuletzt auch wirtschaftlicher zu realisieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass mit einem Anschluss bereits alle Kommunikationsmöglichkeiten zwischen Gebäudeautomation und Pumpe zur Verfügung stehen. Selbst wenn sie zunächst nicht komplett realisiert werden sollen, ist eine spätere Erweiterung der Datenkommunikation mit den Pumpen problemlos möglich. Die Offenheit des Protokolls ermöglicht aber auch die Integration zukünftiger Medien und Übertragungswege. Das BACnet-Protokoll ist so ausgelegt, dass es jederzeit erweitert werden kann. Andere Protokolle wie LON und EIB/KNX können in BACnet-Systeme eingebunden werden. Vor diesem Hintergrund ist BACnet zukunftssicher und geeignet, sich auf lange Sicht als Standard in der Gebäudeautomation zu etablieren.

Anbindung an Industriestandard Modbus möglich

Darüber hinaus hat Wilo sein Sortiment bei IF-Modulen um eine Ausführung für Modbus ergänzt. Als Standard für einfache Kommunikationsszenarien ist Modbus nicht auf den Bereich der Gebäudeautomation beschränkt, sondern ist zudem ein weltweit bewährter Industriestandard. Die Protokollstruktur ist ebenso einfach wie verbreitet. Es kommt die RS485-Technik mit dem RTU-Protokoll zum Einsatz. Die Datenpunkte der neuen IF-Module sind weitgehend kompatibel zu denen, die über den bereits seit einiger Zeit verfügbaren Wilo-Schnittstellenkonverter DigiCon-Modbus zur Verfügung stehen. Somit ist in vorhandenen Anlagen ein einfacher Umstieg auf die modulbasierte Architektur möglich. Bei der Neuinstallation ermöglichen die neuen IF-Module eine direkte und damit kostengünstigere Pumpenanbindung im Vergleich zur Lösung mit DigiCon.

Fazit

Wie alle Bereiche der Informationstechnologie unterliegt auch die Gebäudeautomation einem raschen Fortschritt. Maximaler Nutzen – auch und gerade unter Komfort- und Wirtschaftlichkeitsaspekten lässt sich nur erzielen, wenn auch auf der Feldebene die bestmögliche Technologie zum Einsatz kommt. Mit den neuen IF-Modulen für CAN-Bus und BACnet sind die elektronisch geregelten Pumpen der Wilo SE damit gerüstet, bedarfsgerecht und wirtschaftlich in heutige Systeme integriert zu werden. Zugleich bietet das modulare Konzept der GA-Schnittstellen Flexibilität und Zukunftssicherheit.

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