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Die Entwicklung der Datenanbindung in der Gebäudeautomation
Gebäude entwickeln sich schnell weiter, da Entwickler versuchen, ihre Rendite zu maximieren, sich die Erwartungen der Nutzer ändern und der Klimaschutz immer dringlicher wird. Gebäudeautomationssysteme werden daher auf den neuesten Stand gebracht, um diesen Anforderungen gerecht zu werden.
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Die traditionellen Steuerungen für Heizung, Lüftung und Klimaanlagen (HLK), die seit Jahrzehnten im Einsatz sind, weichen einer ausgefeilteren Technik, die durch eine Vielzahl von Datenanbindungsoptionen möglich wird und wie das zentrale Nervensystem eines Gebäudes wirkt. Auch wenn ein sauberer Ansatz bei der Umsetzung dieser Systeme seine Reize hat, minimieren viele Entwickler ihr Risiko, indem sie mehrere Datenanbindungsoptionen und Kommunikationsprotokolle integrieren, um heterogene intelligente Gebäudesysteme aus bewährten Subsystemen zu erstellen.
Veränderte Erwartungen an Gebäude
Warum ein Übergang auf intelligente Gebäude? Die hohen Investitionen bei einem Neubauprojekt bedeuten, dass die entstehenden Flächen während ihrer Betriebslebensdauer so gut wie möglich genutzt werden müssen, um die Rentabilität zu maximieren. Angesichts der sich schnell verändernden Natur von Arbeit, Freizeit, Fertigung, Logistik, Einzelhandel und Pflege müssen Gebäude in der Lage sein, sich an neue Gegebenheiten anzupassen. Das Coworking-Unternehmen WeWork hat es vorgemacht, indem es alte Gebäude in der Innenstadt in flexible Büroräume umwandelt. Nun hat uns die Pandemie gelehrt, dass Messehallen im Extremfall zu Krankenhäusern werden können, Fitnessstudios zu Impfzentren und unsere Wohnungen zu unseren Arbeitsplätzen.
Technologie im Detail
Martin Keenan
Director of Technical Development, Avnet Abacus
intelligente Gebäudeinfrastruktur verfügen, die schnell umkonfiguriert werden kann, um den erforderlichen Strom, die Beleuchtung, HLK, IT- und Datennetze überall dort bereitzustellen, wo sie benötigt werden, egal wie das Gebäude konfiguriert ist. Gebäude müssen auch dahingehend überdacht werden, dass sie ihren CO2-Fußabdruck minimieren. Ein Teil davon lässt sich durch strengere Bauvorschriften, innovative Materialien und neue Ansätze erreichen: zum Beispiel durch Funkanbindung anstelle strukturierter Verkabelung, um Rohstoffe wie Kupfer einzusparen. Intelligente Gebäudestrategien können auch eine der größten Klimaauswirkungen von Gebäuden mindern: die Art und Weise, wie sie genutzt werden. Die Kombination von Anwesenheitserkennung mit raumweiser HLK- und Beleuchtungssteuerung verhindert zum Beispiel, dass Büroräume beheizt, gekühlt oder beleuchtet werden, wenn sie gar nicht besetzt sind. Intelligente Gebäude werden auch mit umfassenden Überwachungs- und Sicherheitsmaßnahmen ausgestattet, um sie vor einer Vielzahl von Bedrohungen zu schützen. Diese Maßnahmen können IP-basierte Sicherheitskameras, Präsenzmelder und seit der Pandemie auch Wärmebildkameras an Gebäudeeingängen sein, um Personen mit erhöhter Körpertemperatur zu erkennen. Auch Fußgängerzählsysteme werden eingeführt, die auf Infrarotsensoren basieren. Damit wird festgestellt, wie viele Personen sich gleichzeitig in einem Raum aufhalten.
Diese Fortschritte in der technischen Infrastruktur können intelligenten Gebäudemanagementsystemen helfen, die HLK-Einstellungen an die Belegungsdichte anzupassen. Sie können auch die Rohdaten liefern, die benötigt werden, um die Dynamik der Belegung eines Gebäudes zu verstehen – nützlich, um z.B. Verbrauchertrends im Einzelhandel zu verfolgen oder den Personaleinsatz in vielen anderen Bereichen zu optimieren. 5
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Die Pandemie hat uns auch gelehrt, dass Gebäude einen wichtigen Einfluss auf unsere Gesundheit haben können. HLK-Systeme werden so aufgerüstet, dass sie die Luftqualität überwachen und verbessern können. Dabei kommen Sensoren zum Einsatz, um Wärme und Feuchtigkeit sowie die Konzentration von Gasen wie Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid zu erfassen.
Die Beleuchtung ist ein weiterer wichtiger Aspekt intelligenter Gebäudestrategien. Richtig konzipierte Beleuchtung kann Verbraucher dazu anregen, mehr in Geschäften zu kaufen; Angestellten ermöglichen, sich länger an ihrem Schreibtisch zu konzentrieren; und Menschen helfen, ihre Zeit in Gemeinschaftsräumen zu genießen. Eine Möglichkeit, diese hochfunktionale Beleuchtung bereitzustellen, sind intelligente Beleuchtungssysteme, die ferngesteuert werden, um eine Vielzahl von Effekten zu erzielen und sich schnell an größere Veränderungen wie die Neukonfiguration von Räumen anzupassen.
Es gibt mindestens zwei Ansätze, solche intelligenten Beleuchtungsnetze umzusetzen: Der eine versorgt die Leuchten autark mit Strom und verbindet sie dann über ein Bluetooth-Mesh-Netzwerk mit dem Gebäudemanagementsystem; der andere verwendet Power over Ethernet (PoE), um sowohl Energie als auch Steuerdaten für jede Leuchte bereitzustellen. Ein weiteres Beispiel, wie sehr die Wahl der Datenanbindung mit dem Betrieb von Gebäuden gekoppelt ist, zeigt sich darin, dass Entwickler in Erwägung ziehen, intelligente Beleuchtungssysteme zu nutzen, um neben der eigentlichen Beleuchtung auch Datenverbindungen herzustellen.
Li-Fi, das durch die Modulation der Beleuchtungs-LEDs mit ausreichend hohen Frequenzen ermöglicht wird, um wertvolle Datenmengen zu übertragen, ohne ein wahrnehmbares Flackern zu verursachen, wird von einigen als Alternative zu Wi-Fi angesehen. Einige behaupten auch, dass Li-Fi in einigen Anwendungsfällen sicherer ist als Wi-Fi.
Kabelgebundene Datenanbindung
Da von intelligenten Gebäuden erwartet wird, dass sie viele verschiedene Funktionen integrieren, kommen oft heterogene Datenanbindungen zum Einsatz, die aus anderen Disziplinen übernommen wurden. Viele traditionelle Gebäudemanagementsysteme verwenden eine hierarchische Datenanbindung, wobei ein primärer Bus übergeordnete Gebäudesteuerungen miteinander verbindet und dann sekundäre Busse Verbindungen zu untergeordneten Steuerungen, Schnittstellen und Benutzerschnittstellen bereitstellen.
Die Geräte kommunizieren untereinander über offene Protokolle wie BACnet oder LonTalk, und die physische Anbindung wird auf verschiedene Weise bereitgestellt, einschließlich Glasfaser, Feldbus oder herkömmliche EthernetVerbindungen, serielle RS232- und RS485-Verbindungen oder spezielle Funknetze mit geringem Stromverbrauch und geringer Bandbreite. Moderne Gebäudemanagementsysteme gehen dazu über, IP als einheitliches Protokoll für die gesamte Kommunikation zu verwenden. Die Datenanbindung wird dann auf verschiedene Arten bereitgestellt, darunter Glasfaser für Gebäude-Backbones, traditionelles Ethernet mit Power-over-EthernetOptionen und funkbasierte Netze wie WiFi, Li-Fi, Bluetooth, Zigbee und sogar 5G.
Eine aufkommende Option für die Datenanbindung ist Single Pair Ethernet (SPE), eine abgespeckte Version des traditionellen Ethernets, die ein einzelnes verdrilltes Kabelpaar (Twisted-Pair) für die Datenübertragung verwendet und miniaturisierte Anschlüsse bietet. SPE bietet eine kompakte, schnelle, einfach installierbare und kostengünstigere kabelgebundene Alternative als herkömmliches Ethernet. SPE ist in der Änderung des IEEE-Standards 802.3cg-2019 definiert und spezifiziert eine 10-MBit/s-Übertragung über Entfernungen von bis zu 1000 m (10Base-T1L). Signale nach diesem Standard müssen umgewandelt werden, um eine Verbindung zu 10/100/1000Base-T-Netzwerken herzustellen. Der SPE-Standard wird durch neue SPE-Kabel, -Stecker und -Kanal-Leistungsspezifikationen unterstützt. Der neue SPE-Stecker nach IEC 63171-1 sieht aus wie der LC-Stecker für Glasfaser und wird daher als „KupferLC“ bezeichnet. Es wird auch möglich sein, bis zu 50 W Leistung über SPE bereitzustellen, obwohl der verwendete Ansatz nicht mit der aktuellen Powerover-Ethernet-Infrastruktur kompatibel ist. Darüber hinaus wird daran gearbeitet, wie SPE in strukturierten Verkabelungsinstallationen eingesetzt werden soll, um in Zukunft eine größere Rolle in der intelligenten Gebäudeinfrastruktur spielen zu können.
Funkanbindung
Viele verschiedene Protokolle werden in Dienste integriert, um die Funkanbindung in intelligenten Gebäuden zu ermöglichen. Die Mesh-NetworkingFähigkeiten von BLE (Bluetooth Low Energy) machen es z.B. einfach, funkbasierte Ad-hoc-Netzwerke zwischen kostengünstigen Sensoren zu erstellen, die in einem intelligenten Gebäude installiert sind. Die BeaconFunktion von Bluetooth kann auch verwendet werden, um Gebäudenutzer mit lokalisierten Datendiensten zu versorgen. Mehrere stromsparende (LP/Low-Power-) WLAN-Techniken, wie z.B. Zigbee, können ebenfalls verwendet werden, um Smart-Building-Funktionen zu ermöglichen. Wie bei der kabelgebundenen Anbindung wäre es zwar hilfreich, sich an einen einzigen Standard zu halten, aber in der Praxis müssen intelligente Gebäude wahrscheinlich mehrere LPWAN-Standards bieten, um eine Vielzahl von Funktionen wie Sensoren, Beleuchtung und lokale Steuerungen zu unterstützen. Ein wesentlicher Standard für die Funkanbindung in intelligenten Gebäuden ist IEEE 802.11ax, bekannt als Wi-Fi 6. Dieser verwendet die gleichen Frequenzen und die gleiche Kanalstruktur wie frühere Wi-Fi-Standards, jedoch ausgefeiltere Modulationsschemata, um höhere Datenraten über dem gleichen Funkspektrum zu ermöglichen. Wi-Fi 6 verwendet eine MehrwegeTechnik, die als MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) bekannt ist, damit jeder Access Point acht gleichzeitige Benutzer bedienen kann – doppelt so viele wie bei Wi-Fi 5. Beamforming-Techniken erweitern dabei die Reichweite jedes Routers. Durch „Target Wake Time“ können Wi-Fi-6-Router den Geräten mitzuteilen, wann sie in den Aktiv- und wann sie in den StandbyBetrieb übergehen sollen, damit sich der Stromverbrauch minimiert. Als Nebeneffekt werden Funkstörungen reduziert, sobald weniger Geräte den Router abfragen. Dies erhöht den Gesamtdurchsatz.
Diese Kombination von Funktionen erleichtert es Planern von intelligenten Gebäuden, an stark frequentierten Standorten mit weniger Routern eine Verbindung mit hoher Bandbreite für eine Vielzahl von Nutzern bereitzustellen. Die Funkanbindung wird damit auch zu einer leistungsfähigeren Datenanbindung für semipermanente Infrastrukturen wie z.B. Sicherheitskameras.
Technologie im Detail
An der Spitze der funkbasierten Anbindung steht, was die Leistungsfähigkeit und Komplexität angeht, der Mobilfunkstandard 5G. Dieser breit angelegte Standard bietet eine höhere Bandbreite, geringere Latenz und unterstützt mehr Geräte pro versorgter Flächeneinheit als frühere Mobilfunkstandards. Der Standard umfasst auch zwei stromsparende Kommunikationsprotokolle mit niedriger Datenrate, die IoT-Einrichtungen unterstützen. Das Versprechen von 5G ist, dass viele Anforderungen bei der Datenanbindung intelligenter mit Systemen gelöst werden, die nach einem einzigen Dachstandard arbeiten. Die Umsetzung von 5G in Gebäuden erfordert die Installation mehrerer 5G-Signalverstärker oder eines verteilten Antennensystems, das eine Verbindung zu einer zentralen 5G-Basisstation herstellt. Die Nutzer müssen sich auch entscheiden, ob sie ein privates 5G-Netz implementieren oder einfach das Netz eines externen Anbieters ins Haus holen möchten. Aufgrund von Ausbreitungsproblemen, insbesondere bei den Millimeterwellenbändern, die in Ländern wie den USA für 5G lizenziert sind, ist es auch erforderlich, eine ordnungsgemäße Funkplanung durchzuführen, um Störungen zwischen kopositionierten Funknetzen zu minimieren und gleichzeitig den Service für jeden Benutzer zu maximieren. Die Prämisse intelligenter Gebäude ist, dass sich Gebäude mit der richtigen Kommunikations-, Sensor- und Steuerungsinfrastruktur von nützlichen Orten zum Schutz vor Wettereinflüssen zu fortschrittlichen „Maschinen zum Leben“ entwickeln. Diese idealisierte Vision würde über durchgängige Spitzentechnik und ein einziges, heterogenes Datenanbindungs-Backbone ermöglicht. In Wirklichkeit haben sich die intelligenten Gebäude von heute aus den nicht so intelligenten Gebäuden von gestern entwickelt, und ihre Funktion und Datenanbindung wird mit einem Mix aus bestehenden und neuen Techniken umgesetzt. Bei der Planung der Datenanbindung geht es daher viel mehr darum, eine friedliche Koexistenz zwischen mehreren Standards zu gewährleisten, als darum, den richtigen Ansatz für eine saubere Lösung zu wählen.
Fazit
Hirose hat sich in der Branche einen Namen für innovative, hochwertige Steckverbinder gemacht. Das Unternehmen hat die Nachfrage nach robusten, vertikal montierten FPC-Steckverbindern erkannt und die Serie FH40 eingeführt. Das Gehäuse verfügt über eine robuste Verriegelung, die über einzigartige Kontakte unterstützt wird. Diese bilden einen zuverlässigen Scharnierpunkt für den Drehbetätiger, anstatt sich auf die Gehäusewände zu verlassen. Dies bedeutet, dass der Betätiger über die gesamte Länge des Steckverbinders vollständig unterstützt wird, was eine hervorragende Leistungsfähigkeit und eine zuverlässige Verbindung garantiert. Der Betätiger wurde innovativ gestaltet, um einen unter Druck stehenden Oberflächenwinkel zu bilden, was ein versehentliches Lösen der Verriegelung durch Vibration verhindert. Der Betätiger hat einen starken, dicken Aufbau, um rauen Umgebungsbedingen standzuhalten und ermöglicht eine hohe FPC-Haltekraft von mindestens 26 N (Newton). Spezielle Vertiefungen auf jeder Steckerseite werden als „Seitenfänger“ bezeichnet. Diese halten einen FPC mit Laschen in Position, was eine vorübergehende Halteeinrichtung für einfaches und genau geführtes Positionieren ermöglicht. Das Einstecken des FPC ist durch den breiten Führungsbereich am Steckverbinder sehr leichtgängig. Es kann ein Standard-FPC mit 0,3 mm Dicke und Laschen verwendet werden, was auch für die bewährte rechtwinklige Version der Serie FH28 gilt und somit die Auswahl flexibel gestaltet.
LEISTUNGSMERKMALE
• Kontaktpositionen: 10, 20, 24, 30, 40, 45, 50, 60, 64, 80 • Höhe: 5,8 mm • Raster: 0,5 mm • Nennstrom: 0,5 A • Nennspannung: 50 V • Robuster Aufbau • Steckzyklen: 20 • Betriebstemperaturbereich: -40 bis +105 °C
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