DE19944584A1 - System zur Steuerung von räumlich verteilten elektrischen Verbrauchern in Gebäuden - Google Patents

Abstract

Für ein System zur Steuerung von räumlich verteilten elektrischen Verbrauchern über gleichfalls räumlich verteilte Sensoren wird vorgeschlagen, eine zentrale Steuereinrichtung eingangsseitig mit den Sensoren und ausgangsseitig mit den Verbrauchern zu verbinden, wobei typischerweise Steuereinrichtung und Verbraucher durch potentialtrennende Aktoren, insbesondere bistabile Schaltelemente, separiert sind. Die zentrale Steuereinrichtung ist vorteilhafterweise als speicherprogrammierbare Steuerung mit einem angeschlossenen Bediengerät mit einer Anzeige und Bedienelementen ausgeführt. Das Steuersystem ist besonders flexibel und dabei kostengünstig und weitgehend mit herkömmlichen Installationstechniken und zusätzlicher zentraler Programmierung realisierbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung von räumlich verteilten elektri­ schen Verbrauchern in Gebäuden.

Bei herkömmlichen Systemen wird typischerweise eine Versorgungsleitung über einen Schalter zu einem räumlich davon getrennten Verbraucher, bei­ spielsweise einem Beleuchtungselement geführt, welches durch Handbetäti­ gung des Schalters ein- und ausschaltbar ist. Insbesondere in Fällen, in wel­ chen ein Verbraucher von mehreren Schaltern aus betätigbar ist und/oder wenn eine Zusatzfunktion wie beispielsweise eine Zeitsteuerung eines Treppenlichts vorgesehen ist, werden Versorgungsleitungen von einem oder mehreren Schaltern, welche dann vorzugsweise als Taster ausgeführt sind, zu einem zentralen Schaltelement wie beispielsweise einem Zeitschaltrelais zurückge­ führt, von dem aus eine weitere Versorgungsleitung zu dem Verbraucher führt.

Solche herkömmlichen Systeme sind in den Steuermöglichkeiten stark einge­ schränkt und werden mit zunehmender Komplexität von Steuerfunktionen auf­ wendig und unübersichtlich. Änderungen sind häufig mit erheblichem Installati­ onsaufwand verbunden. Neuere Steuerungssysteme weisen BUS-Leitungen auf, wobei den einzelnen Schaltern und/oder Verbrauchern digitale Adressen zugewiesen sind, über welche eine eindeutige Zuordnung der über die gemein­ samen BUS-Leitungen übertragenen Steuersignale von den Schaltern zu den Verbrauchern möglich ist. Solche Systeme sind zwar hinsichtlich der Steuerlei­ tungsverdrahtung durch die BUS-Leitungen einfach aufgebaut, sind aber gleichfalls in der Komplexität der Steuerfunktionen eingeschränkt. Änderungen an bestehenden Steuerungszuordnungen erfordern im Regelfall den Austausch von teuren Einzelmodulen und sind nur durch auf solche Systeme gesondert geschultes Personal zuverlässig möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System der eingangs genannten Art anzugeben, welches kostengünstig und flexibel, insbesondere auch hin­ sichtlich Änderungen bestehender Zuordnungen ist.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die zentrale programmierbare Steuereinrichtung, welche vorzugsweise in Form einer sogenannten speicherprogrammierbaren Steuerung SPS ausgeführt ist und als wesentliches Element wenigstens einen frei programmierbaren Mikro­ prozessor enthält, erlaubt weitgehend beliebige Kriterien in den Zuordnungs­ vorschriften und ermöglicht auf besonders einfache Weise, Änderungen in den programmierten Zuordnungsvorschriften zwischen Sensorsignalen als Ein­ gangssignale und Betätigungssignale für die Aktoren als Ausgangssignale vor­ zunehmen. Hierfür ist die zentrale Steuereinrichtung vorteilhafterweise mit einer Anzeigeanordnung verbunden, auf welcher die aktuell programmierten Zuord­ nungsvorschriften anzeigbar sind. Diese können über Bedienelemente, insbe­ sondere Tasten oder drehbare Einstellelemente veränderbar sein, wobei vor­ zugsweise eine Menüsteuerung mit einer Auswahlvorgabe auf einer flächigen Anzeigeanordnung vorgesehen sein kann, so daß auch der Benutzer selbst ohne tiefergehende Programmierkenntnisse Einstellungen vornehmen und ver­ ändern kann.

Sensoren können beispielsweise gebräuchliche Schalter sein, wobei vorzugs­ weise Taster zum Einsatz kommen. Die freie Programmierbarkeit erlaubt aber in besonders vorteilhafter Weise auch die einfache Einbindung weiterer Sen­ sorsignale wie Temperaturfühler, Positionsgeber, Windmesser usw. in die Zu­ ordnungsvorschriften, wobei hierzu Signalwandler wie Schwellwertkomparato­ ren, Analog-Digitalwandler, usw. vor die Eingänge der Steuereinrichtung ge­ schaltet sein können.

Als Aktoren sind primär Schaltelemente von Bedeutung, welche vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Steuereinrichtung in die Versorgungsleitungen ein­ gefügt sind. Diese können vorteilhafterweise ein bistabiles Schaltverhalten zei­ gen, so daß zur Umschaltung ein Schaltimpuls als Ausgangssignal der Steuer­ einrichtung ausreicht, oder in anderer Ausführung als selbst rückfallende mo­ nostabile Schaltelemente ausgebildet sind, welche während der aktiven Schalt­ phase dauerhaft mit einer Steuerspannung von der Steuereinrichtung beauf­ schlagt sind. Als solche Schaltelemente können sowohl elektromagnetisch be­ tätigte, mechanische Relais als auch elektronische Schaltelemente oder Kom­ binationen davon zum Einsatz kommen. Die Schaltelemente können mit aus herkömmlicher Technik bekannten Elementen wie Leitungsschutzschaltern, Zeitrelais etc. kombiniert sein.

Die Aktoren beeinflussen typischerweise Versorgungsspannungen, welche we­ sentlich höher liegen als die Betätigungsspannung für die Aktoren. Letztere kann insbesondere eine Gleichspannung sein, wogegen erste typischerweise eine Wechselspannung, insbesondere die gebräuchliche Netzspannung im Be­ reich von 230 V ist. Die Betätigungsspannung für die Aktoren kann gleich der Ausgangsspannung der Steuereinrichtung sein und beispielsweise eine 24 V- Gleichspannung sein. Es kann aber auch eine Zwischenspannung als Betäti­ gungsspannung aus einer separaten Spannungsquelle vorgesehen sein.

Ausgänge der Steuereinrichtung können darüberhinaus aber auch andere Si­ gnalformen umfassen bzw. in solche umgewandelt werden, insbesondere in Form von Impulsfolgen oder über Digital-Analog-Wandler auch Analogsignale.

Ein besonderer Vorteil der zentralen programmierbaren Steuerung ist, daß die Leitungsverlegung weitgehend nach herkömmlicher Art erfolgen und die Instal­ lation daher mit Ausnahme der Programmierung auf den Kenntnissen und Er­ fahrungen des Fachpersonals im Elektrohandwerk ohne weitere Spezialkennt­ nisse oder nach geringem Schulungsaufwand aufbauen kann. Mit Einschrän­ kungen hinsichtlich der Funktionsvielfalt können auch bestehende Installatio­ nen in das System eingebunden werden, indem beispielsweise ein auf Versor­ gungsspannung von einem Taster zurückfließendes Signal in ein Eingangs­ signal auf für die Steuereinrichtung geeignetem Spannungspegel umgesetzt wird, wobei auch eine Potentialtrennung erfolgen kann, so daß im Einzelfall auch ohne Neuverlegung von Steuerleitungen ausgekommen werden kann.

Die Steuereinrichtung kann für eine Fernabfrage, Fernbedienung, Fernwartung und Fernprogrammierung über Telekommunikationseinrichtungen sowohl durch ein betreuendes Unternehmen als auch durch den Benutzer selbst vorbereitet sein. Beispielsweise kann der Benutzer über Telefon, auch GSM, vorsorglich einen Steuerbefehl zum Abschalten aller Verbraucher oder zum Start eines Abwesenheitsprogramms übermitteln oder vor Rückkehr nach längerer Abwe­ senheit Funktionen wie z. B. Heizung vorbereitend einschalten.

Neben der Erkennung und Auswertung von Pegeln oder Pegelveränderungen, insbesondere Schaltvorgängen in den Sensorsignalen an den Eingängen der Steuereinrichtung, kann vorteilhafterweise auch eine Auswertung des Zeitver­ laufs eines oder mehrerer Eingangssignale in der Steuereinrichtung vorgese­ hen sein. Zum einen kann dies als eine Form einer Fehlüberwachung dienen, zum andern ist insbesondere eine weitere Funktionsdifferenzierung in den pro­ grammierten Zuordnungsvorschriften in Abhängigkeit von dem festgestellten Zeitverlauf eines Eingangssignals möglich.

Besonders vorteilhaft ist beispielsweise die Auswertung des Zeitabstands zwi­ schen zwei gegenläufigen Schaltflanken eines pegelschaltbaren Eingangs­ signals oder des Zeitabstands zwischen zwei Schaltpulsen usw., wobei mehre­ re Zeitbereiche unterscheidbar seien und jeweils verschiedene Funktionen auslösen, beispielsweise kleiner als 1 Sekunde für einfaches Ein- oder Aus­ schalten, zwischen 1 Sekunde und 4 Sekunden für Ausschalten aller Lichter des Hauses und zwischen 4 Sekunden und 10 Sekunden zum Start eines Ab­ wesenheitsprogramms. Durch die freie Programmierbarkeit der zentralen Steu­ ereinrichtung können solche Einstellungen leicht auch nachträglich eingerichtet und geändert werden.

Die programmierbare zentrale Steuereinrichtung ermöglicht ferner einen zeit­ gesteuerten Ablauf der Abgabe von Ausgangssignalen, beispielsweise eine Benutzeranwesenheit vortäuschende programmierte oder zufällige Licht­ steuerung zur Abschreckung von Einbrechern während längerer Abwesenheit, das Ein- oder Ausschalten bestimmter Verbraucher zu vorgebbaren Zeiten usw. Die Steuereinrichtung enthält hierfür eine Zeitgebereinheit, deren Taktzeit auch aus dem Systemtakt der Steuereinrichtung abgeleitet sein kann. Die Zeitge­ bereinheit kann auch als separates Modul mit der Steuereinrichtung verbunden sein. Vorteilhaft ist auch eine Anbindung einer Zeitgebereinheit an ein Zeitnor­ mal wie das Funkzeitsignal DCF77, welches günstigerweise eine ständige Ak­ tualisierung gewährleistet und auch Angaben über Datum und Wochentag be­ inhaltet. Unter Ausnutzung von Zeit und/oder Datumsinformationen können auch komplexere Einstellungen von programmierten Funktionen mit Unter­ scheidung zwischen verschiedenen Tageszeiten und/oder verschiedenen Wo­ chentagen vorgenommen werden.

Für größere Anlagen können auch mehrere räumlich beabstandete Steuerein­ richtungen untereinander zum Datenaustausch vernetzt sein, wobei auf gängi­ ge Netzstrukturen und Protokolle zurückgegriffen werden kann. Die Vernetzung erlaubt beispielsweise auch eine Verknüpfung von Gebäudesteuerung, Ma­ schinen, Anlagen, Fördertechnik, Überwachungssystemen etc. Das erfindungs­ gemäße Steuerungssystem kann auch mit BUS-Steuerungssystemen kombi­ niert werden oder solche als Untergruppen enthalten.

Ein besonders vorteilhafter Einsatzfall ist das Energiemanagement in einem Gebäude unter Berücksichtigung auch einer Vielzahl von Parametern von Au­ ßentemperatur, Sonneneinstrahlung auf Kollektoren und/oder Wintergarten, Zentralheizung, Kachelofen, Abluftwärme, Zeitverhalten einzelner Größen, usw., wobei weitgehend beliebige Verknüpfungen möglich und nach Erfahrun­ gen modifizierbar sind.

Zum Anschluß der Steuerleitungen und/oder der zu den Verbrauchern führen­ den Versorgungsleitungen sind vorteilhafterweise Steck-, Schneid- oder Schraubklemmen in an sich bekannter Bauweise vorgesehen, so daß der An­ schluß der Leitungen in herkömmlicher Installationstechnik erfolgen kann. Die Klemmen können mit der Steuereinrichtung auf einem gemeinsamen Schal­ tungsträger oder, insbesondere die mit Versorgungsspannung beaufschlagten Klemmen, auf einer separaten Platine angeordnet sein. Die Aktoren sind im letztgenannten Fall vorteilhafterweise auf der die zugeordneten Klemmen ent­ haltenden Platine vorgesehen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt

Fig. 1 einen schematischen Systemaufbau.

Fig. 2 Einzelheiten der zentralen Steuereinrichtung.

Bei dem in Fig. 1 skizzierten Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems ist ne­ ben einer Systemzentrale mit einer zentralen programmierbaren Steuerein­ richtung ST, einer Notplatine NP und einer Systemplatine SP eine Gruppe von räumlich in einem Gebäude weit verteilten Sensoren sowie eine Gruppe von gleichfalls räumlich weit verteilten Verbrauchern angedeutet. Die Notplatine und die Systemplatine sind in unmittelbarer Nähe der Steuereinrichtung angeordnet.

Die Systemplatine trägt insbesondere Anschlußklemmen für die zu den Ver­ brauchern führenden Versorgungsleitungen VL und Aktoren, insbesondere in Form monostabiler oder bistabiler Umschalter, welche über die Ausgangslei­ tungen AL der Steuereinrichtung von dieser steuerbar sind. Die Versorgungs­ leitungen können vorteilhafterweise vom üblichen Installationsleitungstyp wie z. B. NYM sein.

Die Notplatine bildet für einen Teil der Steuerleitungen im Falle eines Be­ triebsausfalls der Steuereinrichtung ST einen Leitungsumweg mit direkter An­ steuerung von Schaltelementen der Systemplatine durch die Sensorsignale von beispielsweise Tastern aus der Gruppe der Sensoren. Die Notplatine kann hierzu auch eigene elektronische Schaltelemente und/oder Signalwandler ent­ halten. Hierdurch kann beispielsweise auch bei Ausfall der Steuereinrichtung ein einfacher Betrieb der Beleuchtung aufrechterhalten werden.

In der Gruppe der Sensoren sind insbesondere Taster TA als Bedienelemente von Vorteil, welche vorzugsweise mit einer Niederspannung beaufschlagt sind. In der Steuereinrichtung werden vorteilhafterweise Signalflanken bei Pegel­ wechseln der Signale auf den von solchen Tasten kommenden Steuerleitungen SL ausgewertet, wobei auch der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender gleich­ gerichteter und/oder entgegengesetzter Signalflanken als Zeitverlauf des Steu­ ersignals auswertbar ist. Die Steuerleitungen sind vorzugsweise von der Span­ nungsfestigkeit und der Strombelastung wesentlich schwächer ausgelegt als die Versorgungsleitungen und beanspruchen dabei, z. B. in Form von mehrad­ rigen sogenannten Klingeldrahtleitungen weniger Installationsplatz und sind preisgünstig.

Als weitere insbesondere für das Energiemanagement eines Gebäudes be­ deutende Sensoren können Temperaturfühler TF, beispielsweise für Außen­ temperatur, Raumtemperatur, Brauchwassertemperatur, Heizungs-, Vor-/Rücklauf usw. vorhanden sein.

Für die Vorgabe von Sollwerten, beispielsweise für Raum- oder Brauchwas­ sertemperaturen, für Ein- oder Ausschaltzeiten etc. können Sollwertgeber SG vorgesehen sein, über welche der Benutzer einzelne Zielparameter nach Wunsch einstellen kann.

Über Zustandsmelder ME können aktuelle veränderbare Betriebsparameter wie Stellungen von Rolläden, Lüftungsklappen oder Ventilen, Betriebszustände von Pumpen oder Ventilatoren, Bewegungsmelder, Sicherheitseinrichtungen etc. bei Bedarf abgefragt oder regelmäßig oder bei Veränderungen automatisch an die zentrale Steuereinrichtung gemeldet werden.

Zur Verarbeitung von Steuersignalen zu kontinuierlich oder quasi kontinuierlich veränderlichen Signalen von Sensoren in der digital arbeitenden Steuerein­ richtung ST können Signalwandler wie Analog/Digital-Wandler A/D, Schwell­ wertdetektoren, spannungsgesteuerte Oszillatoren etc. vorgesehen sein, wel­ che sowohl am Ort des jeweiligen Sensors als auch bei der zentralen Steuer­ einrichtung angeordnet sein können. Die Übertragung digitaler Werte über Steuerleitungen von einem Sensor zu der Steuereinrichtung erfolgt vorzugswei­ se seriell.

Als von der zentralen Steuereinrichtung steuerbare Verbraucher sind in dem schematischen Aufbau der Fig. 1 beispielsweise Beleuchtung BE, Heizung HZ, Rolläden RO und eine Solarthermieanlage SO eingezeichnet, ohne daß die Gruppe der ansteuerbaren Verbraucher in irgendeiner Weise hierauf festgelegt oder eingeschränkt sein soll. Die Verbraucher wurden hauptsächlich durch Be­ aufschlagung mit einer Versorgungsspannung über die Versorgungsleitungen mittels von der Steuereinrichtung ST angesteuerten Schaltelementen auf der Systemplatine gesteuert. Hierbei kommt im wesentlichen herkömmliche Instal­ lationstechnik zum Einsatz. Für die Steuerung veränderlicher Größen wie z. B. Stellung eines Rolladens oder Heizungsvorlauftemperatur kann durch die Rückmeldung von Ist-Signalen über die Sensoren eine quasi-kontinuierliche Steuerung oder Regelung durchgeführt werden. Es ist aber prinzipiell auch möglich, im Einzelfall ein Ausgangssignal der Steuereinrichtung als digitales Signal über eine Versorgungsleitung oder eine sonstige Ausgangsleitung zu einem Verbraucher zu übertragen und dort beispielsweise einen Sollwert für einen lokalen Regelkreis einzustellen.

Die zentrale Steuereinrichtung enthält wie in Fig. 2 angedeutet vorteilhafterwei­ se einen programmierbaren Prozessor, insbesondere in Form einer an sich be­ kannten speicherprogrammierbaren Steuerung SPS. Programmierung, Abfra­ ge, Eingabe, Wartung etc. können dabei z. B. über einen Programmiereingang PR durch ein anschließbares Datenverarbeitungsgerät und/oder über eine Be­ dieneinrichtung BD und/oder über eine Telekommunikations-Schnittstelle TK durch einen entfernten Bediener in an sich dem Fachmann bekannter Weise erfolgen. Die Bedieneinrichtung BD enthält insbesondere ein Feld mit Be­ dienelementen EL sowie eine Anzeigeeinrichtung AZ. Die Bedienung über die Bedieneinrichtung BD erfolgt vorzugsweise menügesteuert mit Auswahlvorga­ ben für veränderbare Einstellungen. Die Eingriffsberechtigung in den Pro­ grammspeicher kann für die Bedienung über die Bedieneinrichtung BD einge­ schränkt sein, so daß der nicht hinreichend programmiererfahrene Benutzer nicht versehentlich Veränderungen vornehmen kann, welche Schaden an dem Steuerungssystem oder dem gesteuerten Gebäude verursachen könnten.

Die Anzeigeeinrichtung und/oder die Bedieneinrichtung können entfallen, wenn eine Programmierung mit bei der Steuereinrichtung vorhandenen Einrichtungen unerwünscht oder nicht erforderlich ist und beispielsweise grundsätzlich auf anschließbare Programmier- und Wartungseinrichtungen und/oder Fernwartung beschränkt ist.

Die vorstehend und in den Ansprüchen angegebenen Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedenen Kombinationen vorteilhaft realisierbar.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandel­ bar. Insbesondere sind eine Vielzahl anderer Sensoren und Verbraucher vor­ stellbar.

Claims (13)

1. System zur Steuerung von räumlich verteilten elektrischen Verbrauchern in Gebäuden, mit Sensoren, programmierbaren elektronischen Einrichtungen, Steuerleitungen, Versorgungsleitungen zu den Verbrauchern und elektro­ nisch steuerbaren Aktoren im Zug der Versorgungsleitungen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sensoren über die Steuerleitungen mit Eingängen ei­ ner zentralen programmierbaren Steuereinrichtung verbunden sind und daß die Steuereinrichtung nach Maßgabe von veränderlich programmierbaren Zuordnungsvorschriften in Abhängigkeit der Sensorsignale Ausgangssignale zur Betätigung der Aktoren abgibt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrich­ tung eine speicherprogrammierbare Steuerung enthält.

3. System nach Artspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer­ einrichtung über Telekommunikationsverbindungen fernabfragbar und/oder fernwartbar und/oder fernprogrammierbar ist.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung über Bedienelemente programmierbar und mit einer Anzeigeanordnung verbunden ist.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in unmittelbarer Nähe der Steuereinrichtung ein Schaltungsträger mit elektro­ nisch steuerbaren Aktoren vorgesehen ist.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Um­ schalter als Aktoren.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Ausgangssignale der Steuereinrichtung wesentlich niedri­ ger ist als die Spannung auf den Versorgungsleitungen.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Sensorsignale über Überbrückungsleitungen unter Umgehung der Steuerein­ richtung Aktoren zuführbar sind.

9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Taster als Sensoren.

10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuereinrichtung der Zeitverlauf der Sensorsignale auswertbar ist.

11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuereinrichtung der Zeitabstand von Schaltflanken der Sensorsi­ gnale auswertbar ist.

12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Echtzeitgeber enthält oder mit einem solchen verbunden ist und die Zuordnungsvorschriften in Abhängigkeit von Uhrzeit und/oder Kalenderdaten vorgebbar sind.

13. System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Steuereinrichtungen untereinander zum Datenaustausch vernetzt sind.