Smart Buildings - Gebäudeautomatisierung

Industriesteuerung im Spezialeinsatz

Ein Einfamilienhaus – so weit, so normal. Auf dem Dach (bald) Solarthermie – auch ganz normal. Digitale Haussteuerung – wird langsam normal. Aber eine Industriesteuerung der modernsten Generation im Schaltschrank? So etwas sieht man in privaten Häusern in der Regel nicht. Im Haus eines technischen Enthusiasten ist die Steuerung aber doch im Einsatz. Es ist unsere sysWORXX CTR-700.

„Wenn ich ein Haus baue, dann soll es auch eine komplette Hausautomation bekommen. Das hatte ich immer so im Hinterkopf.“ Björn Unger, 41, Informatiker, arbeitet bei einer Leasing-Gesellschaft. Vor fünf Jahren begannen er und seine Familie ihren Traum vom eigenen Haus in die Realität umzusetzen. Von Anfang an war die Hausautomation Teil des Gesamtprojekts. Heute ziehen sich zahlreiche zusätzliche Leitungen durchs Haus, etliche Relais – insgesamt 70 an der Zahl – schalten Steckdosen und Geräte. Temperatursensoren gibt es in jedem Raum. Die Jalousien können ebenfalls automatisiert gesteuert werden. Dazu kommen noch ein digitaler Elektrozähler sowie Regen- und Feuchtigkeitssensoren.

Effizient heizen, Kosten sparen

Vor allem aber will der Familienvater die Heizanlage automatisieren: „Mir ging es eigentlich darum möglichst effizient zu heizen.“ Man vergesse ja immer mal wieder eine Heizung abzudrehen oder die Temperatur stimme nicht und dann drehe man einfach die Heizung auf. Das treibe natürlich die Heizkosten in die Höhe und sei immer wieder ein Ärgernis, erklärt Unger: „Ich wollte mich eigentlich um das ganze Thema Heizung gar nicht mehr kümmern.“ Das soll die Hausautomation erledigen.

Darum hat die Heizungsanlage Anschluss an die Haussteuerung gefunden: „Jetzt bin ich in der Lage, die Heizung abzufragen und auch dynamisch zu steuern – je nach Bedarf der Wärme im Haus.“

Der Weg hin zum selbstvernetzten Haus war allerdings nicht einfach. Anfangs nutzte der Informatiker Kleinst-Computer auf Raspberry-Pi-Basis. Björn Unger experimentierte – durchaus auch erfolgreich – mit verschiedenen Derivaten dieser Einplatinenrechner. Er nutzte beispielsweise den Odroid XU4, der viel Rechenleistung verspricht: „Das war auch alles für mich in Ordnung – wenn es denn gelaufen ist.“ Das war der Knackpunkt. Unger zählte mindestens zwei Totalausfälle bei den verwendeten Speicherkarten. Die Systeme stürzten ständig ab. Der Karteninhalt aber ließ sich noch vollständig auf eine neue Karte kopieren. Anschließend lief der Platinenrechner auch wieder – wenn auch nur bis zum nächsten Absturz. Björn Unger kam nicht weiter. Ob es an den Karten an sich lag oder ob die genutzten Systeme den Karten geschadet haben, kann er nicht nachvollziehen: „Das hat mich dann dazu veranlasst, nach anderen Lösungen zu schauen. Es ist natürlich schon sehr kritisch, wenn die Heizung ausfällt.“

Gelegenheit schafft Partnerschaft

Dann kommt dem Häusle-Bauer der Zufall zu Hilfe. Er klagt einem guten Freund sein Leid, beschreibt Probleme, Symptome und Ziele seiner Hausautomationslösung. Da der Freund bei uns als Entwicklungsleiter arbeitet, war die Lösung schnell gefunden: Wir bieten einen Controller für das Internet der Dinge an – den sysWORXX CTR-700. Dieser ist ein Kommunikationsspezialist für industrielle Anwendungen und professionelles Gebäudemanagement, den Smart Buildings. Obwohl die Steuerung nicht für das Szenario „Smart Home“ und eher für Gewerbetreibende und die Industrie konzipiert wurde, kann sie auch dem Eigenheimbesitzer gute Dienste leisten.

Der Entwicklungsleiter findet die Pläne von Björn Unger so spannend, dass er ihm ein Vorseriengerät als Teststellung überlässt. Es ist die perfekte Gelegenheit für die sysWORXX CTR-700, sich in einem nicht kritischen Szenario zu beweisen, welches Szenarien in Smart Building-Anwendungen sehr nahe kommt. Dieser Early Adopter-Test zeigt im Kleinen, was die Steuerung in professionellen Smart Buildings zu leisten vermag.

Controller-Gatway sysWORXX CTR-700

Die sysWORXX CTR-700 ist eine freiprogrammierbare Steuerung mit eigenem Rechenkern und direkter Cloud-Anbindung. Messung, Steuerung und Regelung können bei der sysWORXX CTR-700 im Gegensatz zu vielen anderen Lösungen lokal ausgeführt werden und müssen nicht zwingend ausgelagert werden. Diese Vorverarbeitung ermöglicht die Wandlung verschiedenster Protokolle und Bus-Arten auf kleinstem Raum. Darüberhinaus bietet die Steuerung sysWORXX CTR-700 eine große Vielfalt an Schnittstellen und dank NXP i.MX 7 Doppelkernprozessor mit „Dual Cortex-A7“-Rechenkern eine sehr gute Performance. Das Control-Gateway kann in allen gängigen Sprachen programmiert werden, eine Mono-Library für die Programmierung in C# ist vorinstalliert, genauso wie die Möglichkeit, Docker-Container in das System zu integrieren. Zudem versteht sich die sysWORXX CTR-700 auch auf moderne Verfahren wie das Kommunikationsprotokoll MQTT für die Intermaschinen-Kommunikation und das grafische IoT-Entwicklungswerkzeug NodeRED. Für industrielle Anwendungen steht zudem OPC UA zur Verfügung, den SYS TEC electronic mit einem eigenen Stack unterstützt.

Die sysWORXX CTR-700 unterstützt neben klassischen Schnittstellen der Maschinensteuerung wie bspw. die Feldbusse CANopen und Modbus auch in diesem Bereich noch neue Möglichkeiten wie die drahtlose Vernetzung via Bluetooth. Das beeindruckt Björn Unger, auch wenn er diese Schnittstellen in seinem Projekt (noch) nicht nutzt. Viel wichtiger sind ihm die integrierten acht Gigabyte eMMC-Speicher. Dieser fest verbaute nichtflüchtige Speicher ist optimal aufs Gerät abgestimmt und so hofft Unger, dass das System so stabiler läuft und Abstürze und Ausfälle ausbleiben.

Perfekte Integration dank Schnittstellenvielfalt

Die neue sysWORXX CTR-700 in den Händen macht sich Björn Unger an die Integration des Controller-Gateways in sein Hausnetzwerk. Die Herausforderung ist, das Gerät sinnvoll in das bestehende System einzubinden.

Der Großteil der Sensoren und Geräte sind über einen Port Expander und den digitalen seriellen Bus I²C angebunden. Kritische Komponenten finden über KNX Anschluss. Als Steuerkomponente dient ein spezielles Hausautomationssystem namens Loxone, das bereits fertige Funktionsbausteine mitbringt, die der Nutzer im Grunde nur noch verbinden muss. Björn Unger erklärt: „Das heißt, man muss sich mit der fachlichen Logik nicht mehr auseinandersetzen, sondern konfiguriert das System im Grunde nur noch.“

In dieser heterogenen Umgebung fühlt sich nun die sysWORXX CTR-700 wohl. Über NodeRED kommuniziert das Controller-Gateway mit dem Hausautomationssystem und sammelt alles an Daten, was Haus und Steuerung hergeben. Denn das kann Loxone laut Björn Unger nicht gut. Außerdem übernimmt die sysWORXX CTR-700 jetzt die Steuerung der Heizanlage. Unger misst Vorlauftemperatur, Warmwassertemperatur, die aktuelle Abgastemperatur und die Außentemperaturen, die die Heizung selbst ermittelt hat: „Die Daten, die in der Heizung anfallen, die werden von der sysWORXX CTR-700 erfasst. Alle anderen Daten, die so anfallen, die transformiere ich mit Hilfe der sysWORXX CTR-700 und leite sie dann weiter.“ Geplant hat Björn Unger, die Daten in einer Influx-Datenbank abzulegen und anschließend grafisch auszuwerten.

Die Sonne ins System bringen

In Kürze soll noch eine Solarthermie-Anlage zur Warmwasser-Produktion dazukommen. Die Vorbereitungen laufen. Im Pufferspeicher der Heizanlage, der die Wärme speichert, sind bereits Temperatursensoren eingebaut. Die Kommunikation erfolgt über einen 1wire-Bus. Wenn die Anlage dann installiert ist, werden über sysWORXX CTR-700 Magnetventile angesteuert. Unger will künftig regeln, in welchen Fällen die Solarwärme aus dem Pufferspeicher genutzt werden soll, um das Haus zu heizen. Dazu will er die Heizungssteuerung so erweitern, dass er steuern kann, ob der Brenner laufen soll oder nicht: „Ich möchte gern erreichen, dass die Heizung in Abhängigkeit vom Wetterbericht mit Prognosen arbeitet.“ Björn Unger geht ins Detail: „Wenn der Wetterbericht sagt: ‚Okay, in der nächsten Stunde ist mit einer Wahrscheinlichkeit von 80 Prozent mit Sonne zu rechnen.‘ dann möchte ich erreichen, dass erstmal nicht geheizt wird. Da warte ich auf die Sonne und nutze deren Wärme für die Heizung.“

Noch ist das ein Zukunftszenario. Der Informatiker muss sich noch mit der Datenverarbeitung beschäftigen, denn die Daten aus externen Systemen wie den Wetterservices müssen verarbeitet und interpretiert werden: „Das große Ziel wäre, das man sozusagen eine Plattform hat, die wirklich Rohdaten aufbereitet und dann nutzbar macht.“ Mit der sysWORXX CTR-700, ist sich Björn Unger sicher, hat er die notwendige Hardware und Basissoftware bereits im Haus.

Industrielle Anwendung

Mit der sysWORXX CTR-700 erreichte Björn Unger die Stabilität, die er mit vorherigen Systemen vergeblich zu erreichen versuchte. Auf industrielle Szenarien wie der Steuerung smarter Gebäude übertragen, zeigt sich das Potential der sysWORXX CTR-700 in Sachen Zeitersparnis und Ausweitung der Möglichkeiten gegenüber anderen Lösungen. Für die perfekte Integration der sysWORXX CTR-700 in industrielle Anwendungen arbeiten wir zudem mit professionellen Partnern wie dem IoT-Softwarehersteller Bacsoft oder dem Fraunhofer Institut zusammen.

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