Schnelle Kommunikation für grenzenlose Datenerfassung und optimales Energiemanagement

Moderne Nichtwohngebäude stellen in vielerlei Hinsicht hohe Anforderungen an die Gebäudeautomation. Energieeffizienter und nachhaltiger Gebäudebetrieb, umfassendes Energiemanagement bis hin zur Ladeinfrastruktur für die Elektromobilität sowie neue gesetzliche Vorgaben zur Erfassung der Energie- und Verbrauchsdaten sind nur einige Beispiele dafür. Optimal umsetzen lässt sich dies mit der EtherCAT-basierten Steuerungstechnik, die durch die ultraschnelle Datenkommunikation eine effiziente zentrale Automatisierungsarchitektur ermöglicht. Zudem sind bedarfsgerecht unterschiedlichste Netzwerktopologien realisierbar, in die hochflexibel auch alle etablierten Subbussysteme integriert werden können.

Im Jahr 2023 feierte EtherCAT sein 20-jähriges Jubiläum und bestätigte damit den Erfolg als hochleistungsfähiges Echtzeit-Ethernet-System und offener IEC-Standard für vielfältigste Anwendungen. Dazu zählen unterschiedlichste Einsatzfelder in Industrie- und Zweckbauten, wie z. B. Raumklimatisierung, Beleuchtung und Beschattung, Technikzentralen für versorgungstechnische Anlagen, Veranstaltungstechnik sowie Messtechnik in Energieverteilungen.

Eine schnelle, durchgängige und zuverlässige Datenerfassung gewinnt hierbei zunehmend an Bedeutung. So fordert der Gesetzgeber inzwischen für Nichtwohngebäude eine Erfassung der Energie- und Verbrauchsdaten, was sich nur mit einer leistungsfähigen Kommunikationstechnik effizient und kostengünstig realisieren lässt. Die Wichtigkeit einer hohen Datenübertragungsrate bestätigt zudem die Richtlinie VDI 3814, Blatt 1 (Gebäudeautomation – Grundlagen). Sie weist darauf hin, dass die Reaktionszeiten von Gebäudeautomationssystemen erheblichen Einfluss auf deren Nutzbarkeit haben, denn eine uneingeschränkte Flexibilität einer Raumautomation setze eine schnelle Kommunikation zwischen allen Segmenten, Räumen und Bereichen voraus.

Philosophie der zentralen Automation

Optimal umsetzen lassen sich die entsprechenden Anforderungen mit der auf EtherCAT basierenden Philosophie der zentralen Automation. Dahinter steckt eine zentralisierte, d. h. je nach Bedarf auf eine oder mehrere Industrie-PCs verteilte Steuerungstechnik. Diese wird über dezentral verteilte I/Os und die schnelle EtherCAT-Kommunikation mit den notwendigen Daten versorgt. Auf diese Weise lässt sich eine kostenoptimierte Struktur aufbauen, mit möglichst wenigen Steuerungen und ausreichend vielen I/O-Komponenten – alternativ zu den aufwändigeren konventionellen Ansätzen mit vielen Steuerungen und jeweils nur wenigen I/Os.

Unterstützt wird diese zentrale Philosophie durch die Systemoffenheit der EtherCAT-basierten Lösung: EtherCAT bietet die technologische Basis, um alle Feldbussysteme der Gebäudeautomation zu integrieren und so den bei der konventionellen Datenübertragung häufig auftretenden „Flaschenhals Subsystem“ zu vermeiden. Nahtlos einbinden lassen sich über die entsprechenden EtherCAT-Klemmen und Busklemmen beispielsweise BACnet, DALI, DMX, EIB/KNX, EnOcean, LON, Modbus, M-Bus, MP-Bus und SMI. Mit diesem Ansatz sind hocheffiziente Lösungen möglich, bei denen ein Steuerungsprozessor das gesamte Prozessabbild aller Datenpunkte und Subsysteme innerhalb weniger Mikrosekunden erhält. Damit entfallen sonst übliche Latenzzeiten; Subsysteme können in nahezu unbegrenzter Anzahl und an beliebigen Stellen des System eingebunden werden.

Vorteile der EtherCAT-Technologie

Die Telegramm-Verarbeitung im Durchlauf bildet die Grundlage für die hohe Leistungsfähigkeit der EtherCAT-Kommunikation. Neben der damit verbundenen hohen Übertragungsgeschwindigkeit profitiert der Anwender aber auch von umfassenden Online-Diagnose- und -Konfigurationsmöglichkeiten sowie einer automatischen Erkennung der Netzwerkteilnehmer, durch die eine aufwändige Vergabe von Teilnehmeradressen entfällt. Die Realisierung der Automatisierungsstruktur wird durch die flexible Topologiewahl (Linien-, Ring- oder Baumstruktur) sowie die nahezu unbeschränkte Netzwerkausdehnung bzw. Leitungslänge deutlich vereinfacht. Unterstützt wird die Umsetzung zusätzlich durch das breite Spektrum an EtherCAT-Komponenten in Schutzart IP20 oder IP65, und z. B. bei Wartungsarbeiten durch den einfachen Klemmenaustausch per Hot-Swap-Funktion.

Die hohe EtherCAT-Performance verdeutlichen folgende Kennzahlen:

• 10 Byte/ms Datendurchsatz, verteilt auf 1,500 Teilnehmer,
• 200 Analog-I/Os (16 Bit) in 50 µs (20-kHz-Samplingrate),
• 100 Servoachsen in 100 µs,
• 256 Digital-I/Os in 12,5 µs,
• 1.000 Digital-I/Os in 30 µs.

Den Betrieb und die Wartung der Gebäudetechnik erleichtern zahlreiche Diagnosefunktionen, wie z. B. Bruchstellenerkennung, kontinuierliche „Quality-of-Line“-Messung zur exakten Lokalisierung von Übertragungsstörungen sowie die Möglichkeit zur Bildung logischer Diagnose-Segmente.

Ganzheitliche Automatisierungskonzepte

Hinsichtlich Effizienz und Nachhaltigkeit im Betrieb der meist komplexen Nichtwohngebäude sollte der Blick auf möglichst ganzheitliche Automatisierungsstrukturen gelegt werden. Denn nur diese stellen eine durchgängige Datenerfassung über alle Gewerke und Nutzungsbereiche hinweg sicher – die Grundvoraussetzung für das Erschließen aller Optimierungspotenziale. Hierbei sind nahezu keine Grenzen gesetzt, sodass auch ein abgestimmtes Betreiben von Gebäude- und Produktionstechnik sowie die Einbindung einer Energieinfrastruktur z. B. für die Elektromobilität möglich werden.

Für letzteres Beispiel steht mit der EtherCAT-Klemme EL6761 in Kombination mit der Software TwinCAT 3 IoT OCPP eine Komplettlösung zur Kommunikation mit der Ladeinfrastruktur und zu Elektrofahrzeugen bereit. Diese lässt sich nahtlos in die Gebäudeautomation integrieren. Das Open Charge Point Protocol (OCPP) standardisiert die Kommunikation zwischen Ladestationen für Elektrofahrzeuge und den zugehörigen zentralen Managementsystemen. Die EtherCAT-Klemme EL6761 dient dabei als Kommunikations-Interface entsprechend IEC 61851 und ISO 15118.

Zunehmend wichtig ist für den Gebäudebetrieb ein leistungsfähiges Energiemanagement zur optimalen Versorgung innerhalb der Liegenschaft. Grundlage ist dafür eine präzise Leistungsmessung, wie sie nur EtherCAT mit seiner Schnelligkeit und exakten Synchronisation ermöglicht. Eine Besonderheit ist das Konzept der verteilten Leistungsmessung, mit der sich effizient und kostengünstig auch in komplexeren Systemen exakte Leistungsmessdaten erzielt lassen. Zentrales Element ist die 6-Kanal-Strom-Eingangsklemme EL3446 für bis zu 1 A AC/DC-Messstrom. Mit ihr können selbst bei räumlich getrennter Spannungs- und Strommessung genaue Werte ermittelt werden. Entscheidend ist dabei, dass sich mit der EL3446 als reiner Strommessklemme alle relevanten elektrischen Daten des Versorgungsnetzes inklusive echter Leistungsmesswerte bestimmen lassen. Die für die Berechnung der Leistungsdaten erforderlichen Spannungswerte werden ihr über EtherCAT von einer nur einmal pro Netzwerk zu installierenden 3-Phasen-Leistungsmessklemme EL3443 übermittelt, und zwar über die verteilten Uhren (Distributed Clocks) von EtherCAT zeitlich exakt synchronisiert. In den EL3446 werden dann Wirkleistung und Energieverbrauch für jede der jeweils bis zu sechs anschließbaren Phasen berechnet. Die Effektivwerte von Spannung und Strom sowie Wirk-, Schein-, Blindleistung bzw. Frequenz, Phasenverschiebungswinkel und Oberschwingung stehen somit zur Verfügung und ermöglichen eine umfangreiche Netzanalyse bis hin zum Energiemanagement. Dieses Konzept der verteilten Leistungsmessung – mit nur einer EL3443 und beliebig vielen EL3446 – minimiert deutlich den Hardware- und Installationsaufwand.

Die steigenden Anforderungen an Effizienz und Nachhaltigkeit des Gebäudebetriebs lassen sich zunehmend nur noch basierend auf einem ultraschnellen Kommunikationssystem wie EtherCAT erfüllen. Erkannt werden die spezifischen EtherCAT-Vorteile aber bereits seit vielen Jahren, wie die folgende kleine Auswahl an Applikationsbeispielen aus dem Beckhoff Kundenmagazin PC Control (Veröffentlichung s. Jahreszahl) belegt.