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SPS-basierte Hausautomatisierung

Zeichnung vom Haus Foto vom Hausmodell

Dokumentation des Techniker-Abschlussprojekts
von Komi Agbopletou, T. O., Philipp Schöne und L. V.

Berufskolleg am Haspel Wuppertal, Klasse FT10A0

Hinweis: Aus Datenschutz- und Urheberrechtsgründen entspricht die hier angezeigte Version nicht der Dokumentation, die bewertet wurde.

Vorwort

Im Rahmen der Ausbildung zum staatlich geprüften Elektrotechniker am Berufskolleg am Haspel in Wuppertal wurde ein Techniker-Abschlussprojekt angefertigt. Das Thema des Projekts war frei wühlbar. Diese Dokumentation erläutert das Projekt-Thema.

SPS-basierte Hausautomatisierung

Die hier vorliegende Dokumentation beschreibt die Projektarbeit, beginnend bei Themenfindung über die am Projekt Beteiligten und die Organisation bis hin zur detaillierten Umsetzung.

Zum Abschlussprojekt gehört ein physisches Gebäudemodell und diese Dokumentation inkl. aller dort genannten Anlagen. Das Projekt wird im Rahmen einer Präsentation vorgestellt.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort
Inhaltsverzeichnis
Projektidee
Projektgruppe
Inhalt des Projekts und Projekt-Organisation
Lastenheft
Heizungsregelung
Außenraffstores
Beleuchtung
Energiedatenerfassung
Modell, Antriebe, Programmierung
Prüsentation
Pflichtenheft
Gebäudemodell
Gestell
Gebäudeautomation/ Software/ Programmierung
Die Visualisierung
Präsentation
Projektorganisation
Modellbau
Gestell
Steuerung (SPS)
Programmierung der Visualisierung in C#
Entwurf von zwei Steuerungsplatinen
Sonstiges
Zeitplanung
Detailbeschreibung der Projektumsetzung
Beschreibung des Gebäudemodells
Raffstores (Außenjalousien)
Beleuchtungstechnik, Umsetzung der Beleuchtung am Modell
Gestell
Tastsensoren
SPS Hardware
SPS Software Beschreibung allgemein
Aufbau der SPS im Projekt
Beschreibung des Raffstore-Programms
Beschreibung des Allgemeinbeleuchtungsprogramms
Im Projekt verwendete BUS-Systeme DMX und M-BUS
Temperaturerfassung
Windsensor (Simulation)
Software
Die Softwareschnittstelle
Der visuelle Aufbau
Datenbank
Kalkulation der Projektkosten
Zusammenfassung
Anlagen
Screenshots Raffstore-Programm/ Allgemeinbeleuchtung/ DMX
Protokolle
Quellenverzeichnis

Projektidee

Einer der Projektbeteiligten plant derzeit den Bau eines Einfamilienhauses und möchte die Elektroinstallation in Teilbereichen steuerbar selbst gestalten und ausführen. Nach Recherchen zu den am Markt erhültlichen Systemen und durch den zusatzlichen Erwerb von Kenntnissen in der Steuerungs- und Regelungstechnik in der Techniker-Ausbildung bietet es sich an, die Gebäudesteuerung selbst zu programmieren und umzusetzen. Dieses Techniker-Projekt stellt somit eine Möglichkeit dar, dieses Modellprojekt, welches im Wesentlichen auf dem Original-Gebäudeentwurf basiert, später in der Realität in folgenden Bereichen umzusetzen:

Steuerung des außen liegenden Sonnenschutzes mittels:

Inhaltsverzeichnis

Diese Projekt-Idee hat Herr T. O. zunächst Herrn Philipp Schöne vorgeschlagen. Somit war der Grundstein für das Techniker-Abschlussprojekt am Berufskolleg am Haspel in Wuppertal gelegt.

Projektgruppe

Nachdem die ersten Projektbeteiligten somit feststanden, wurden bei der ersten Gesamtprojektbesprechung mit Schülern und Lehrern Richtlinien und Vorgaben festgelegt, u.a. dass eine Projektgruppe mindestens aus drei und maximal aus vier Teilnehmern bestehen sollte. Durch diese Vorgabe erweiterte sich die Projektgruppe um zwei Mitglieder, Herrn L. V. und Herrn Komi Agbopletou.

Inhaltsverzeichnis

Inhalt des Projekts und Projekt-Organisation

Auf dem Markt werden zur Automatisierung EIB-KNX, LCN und weitere Systeme angeboten. Diese sind aber relativ kostenintensiv. Da wir beruflich SPS programmieren, wollen wir anhand dessen eine Alternative aufzeigen, die mit den Erfahrungen, die wir von unseren Berufswegen mitbringen bzw. in der Techniker-Ausbildung erlernt haben, programmiert werden kann.

Die Themen Einzelraumregelung der Flächenheizung, d.h. in unserem Falle die Fussbodenheizung, Energieverbrauchsmessung, Außenraffstores- und Beleuchtungssteuerung sollen anhand eines Modells, welches annähernd dem Entwurfs eines Einfamilienwohnhauses entspricht, dargestellt werden. Die Regelung der Heizung soll als Einzelraumregelung mit Raumfühlern und Fensterkontakten erstellt werden.

Die Steuerung der Außenraffstores wird am Modell mittels elektromotorischen Antriebs als Einzel-, Gruppen- oder Gesamtfassadensteuerung dargestellt inkl. der Zustände „geöffnet“, „geschlossen“ und Lamellenneigung. Die Lichtregulation soll ebenfalls berücksichtigt werden.

Zur Steuerung der Beleuchtung sollen intelligente Lichtszenen aufgerufen werden können, wie das Dimmen und Mischen von Lichtfarben, die mittels LED-RGB-Technik am Modell gezeigt werden können.

für das Gebäude soll eine Energieverbrauchsmessung eingerichtet werden, wobei die Erfassung mit einem BUS erfolgt und die Daten in die SPS eingebunden werden.

Die Steuerung der Außenraffstores und der Beleuchtung soll dezentral per Taster und zentral über eine Visualisierung bedienbar sein. Die SPS wird auf den einzelnen Etagen dezentral platziert. Die Kommunikation erfolgt über Ethernet.

Optional kann das Projekt erweitert werden, indem die Komponenten über LAN/Internet steuerbar sind.

Inhaltsverzeichnis

Lastenheft

für ein Einfamilienhaus, dessen Entwurfspläne uns vorliegen, soll eine Automatisierung realisiert werden. Da das Haus noch nicht komplett realisiert wurde, soll die Funktionsdarstellung an einem zu bauenden Modell durchgeführt werden. Der Hintergrund ist die Absicht, diese visualisierte Modellfunktion aus gegebenem Anlass einmal in ähnlicher Form in die Realität umzusetzen, mit dem Ziel, nicht auf fertig am Markt erhältliche, meist teure Software- und Hardware-Systeme zurückgreifen zu müssen.

Heizungsregelung

Die Heizungseinzelraumregelung soll beispielhaft an einem Raum mit Temperaturfühler und Fensterkontakten erstellt werden.

Außenraffstores

Die Steuerung der Außenraffstores wird am Modell mittels elektromotorischen Antriebs als Einzel-, Gruppen- oder Gesamtfassadensteuerung dargestellt inkl. der Zustände „geöffnet“, „geschlossen“ und Lamellenneigung. Die Lichtregulation soll ebenfalls berücksichtigt werden.

Beleuchtung

Zur Steuerung der Beleuchtung sollen neben der Allgemeinbeleuchtung intelligente Lichtszenen aufgerufen werden können wie Dimmen und Mischen von Lichtfarben, die mittels LED-RGB-Technik am Modell gezeigt werden können.

Energiedatenerfassung

für das Gebäude soll eine Energieverbrauchsmessung eingerichtet werden, wobei die Erfassung mit einem Daten-Bus erfolgen soll und die Daten in eine Datenbank eingebunden werden.

Modell, Antriebe, Programmierung

Die Steuerung der Außenraffstores und der Beleuchtung soll dezentral per Taster und zentral über eine Visualisierung bedienbar sein. Die Eingabe und Ausgabebaugruppen der SPS wird auf den einzelnen Etagen dezentral platziert. Die Kommunikation soll über Ethernet erfolgen. Die Darstellung der Funktionen der Einzelkomponenten  aus vorgenannter Aufgabenstellung soll an einem nahezu maßstäblichen Modell gezeigt werden können. Es sind geeignete Antriebe für die Raffstores zu finden. Die Raffstores sollen manuell über Taster oder über eine Visualisierungs-Oberfläche bedient werden können. Die Funktionen sollen das Hoch- und Herunterfahren sowie das Kippen der Lamellen umfassen. Die Einzelraumregelung der Heizung soll mittels LED am Modell visualisiert werden.
Es soll ein intelligentes Beleuchtungskonzept entwickelt werden, bestehend aus Allgemeinbeleuchtung und Lichtszenen, die gespeichert, abrufbar und veränderbar sein sollen. Die Beleuchtung soll aus zu programmierenden RGB-Lichtszenen auswählbar sein. Die Energieverbrauchserfassung soll für einzelne Verbraucher visualisiert werden.

Präsentation

Die Projektergebnisse in Form von visualisierten Funktionen sind anhand eines Gebäudemodells und mittels einer Präsentation vorzustellen. Als weiterführende Beschreibung und Erläuterung der Umsetzung des Projekts dient eine Dokumentation.

Inhaltsverzeichnis

Pflichtenheft

Gebäudemodell

Es ist ein Gebäudemodell zu erstellen, welches auf den Entwurfsplänen für ein modernes Einfamilienhaus basiert. Dazu werden Bosch-Systembauprofile verwendet, welche die Konturen des Gebäudes abbilden sollen. Alle in der Aufgabenstellung genannten Funktionen werden in dem Modell veranschaulicht.

Dies erfolgt bei der Steuerung des außen liegenden Sonnenschutzes (Raffstores) über selbst hergestellte Lammelen-Raffstores mit Seilführung und motorischen Antrieben.

Die Beleuchtungstechnik wird am Modell für die Allgemeinbeleuchtung mit je einer Glühlampe pro Raum gezeigt. Darüber hinaus erfolgt die Darstellung von voreingestellten oder individuell programmierbaren Lichtszenen mit RGB-LED-Streifen. Aus Kostengründen werden diese RGB-Streifen nur partiell in ausgewählten Räumen in das Modell integriert.

Am Modell wird ein PT-100-Temperaturfühler angebaut. Dessen Werte werden über eine Elektronik-Karte am Gestell in ein analoges Eingangssignal gewandelt und der SPS zugeführt. Durch änderung der Temperatur am Fühler über eine Wärme- oder Kältequelle z.B. Eisspray oder Feuerzeug wird diese Temperaturänderung an einem RGB-LED-Streifen zur optischen Darstellung der Zimmertemperatur (kalt=blau, rot=warm) als eine Art Fussbodenheizung im Modell dargestellt.

Gestell

für das Gestell wird ein Lochblech in der Größe von ca. 60x80 cm für die Befestigung der einzelnen Steuerungs- und Regelungskomponenten benutzt. Darauf werden im Wesentlichen folgende Komponenten befestigt:

2 Netzteile
16Koppelrelais
 SPS Hardware
2ommunikationsklemmen M-BUS u. DMX-BUS
3Elektronik-Steckkarten
2Verbrauchszähler (M-Bus-Schnittstelle)
1Hand-Automatik-Relais
46fach-Taster 24 Volt
4Schnittstellenklemmen zum Modell
2Steckdosen (Verbrauchsmessung)
1Fassung für 100 Watt Glühlampe (Verbrauchsmessung)
 Verkabelung der Komponenten

Die detaillierte Beschreibung einzelner wesentlicher Komponenten erfolgt gesondert in dieser Dokumentation.

Gebäudeautomation/ Software/ Programmierung

Die Gebäudeautomation wird mittels einer SPS umgesetzt. Es wird der Hersteller Beckhoff gewählt mit der Software TwinCAT. In der SPS befinden sich verschiedene Funktionsbausteine, sogenannte FBs, unter anderem das Programm für die Bedienung der Raffstores und der Beleuchtungstechnik. Darüber hinaus enthält die SPS Kommunikationsbausteine bzw. Kommunikationskarten. Hierfür werden zwei Bus-Systeme angebunden. Einerseits der M-Bus für die Energie- und Verbrauchszählung über TwinCAT und andererseits der DMX-Bus. Dieser „Digital Multiplexing“ (DMX) - Bus dient im Allgemeinen der Ansteuerung von Geräten der professionellen Bühnen- und Veranstaltungstechnik und wird in unserem Falle für die dynamische Beleuchtung und die RBG-Lichtszenarien und Lichteffekte verwendet. Die Allgemeinbeleuchtung des Modells erfolgt über Glühlampen. für die Einzelraum-Heizungsregelung wird ein Temperaturfühler eingesetzt, dessen Daten mittels einer Analogkarte in einem Funktionsbaustein „Analog-Programm“ der SPS ausgelesen werden. Die Einzelraumregelung erfolgt darüber.

Die Visualisierung

Die Visualisierung erfolgt hier über C#, da wir dieses Programm im Rahmen der Techniker-Ausbildung angewendet haben. Die Visualisierungs-Oberfläche zeigt zunächst ein Icon (Haussymbol). Über die Reiterkarten aus dem Grundbild werden folgende Visualisierungen gezeigt:

Präsentation

Die Präsentation erfolgt am Gebäudemodell und wird durch einen Vortrag mittels einer PowerPoint Präsentation unterlegt. Zur Beschreibung des Gesamtprojektes und dessen Durchführung wird eine Dokumentationsunterlage in Papierform als Dokumentation des Techniker-Abschlussprojekts erstellt.

Inhaltsverzeichnis

Projektorganisation

Als Aufgabenbereiche standen an:

Modellbau

Gestell

Steuerung (SPS)

Programmierung der Visualisierung in C#

Entwurf von zwei Steuerungsplatinen:

Sonstiges

Die Aufgabenverteilung wurde wie folgt organisiert:
Herr Komi Agbopletou hatte als Aufgaben Teile des Modellbaus, Umbau der Antriebsmotoren von Servo- auf DC-Motoren und die Entwicklung einer Platine als Windsensor sowie die Spannungsversorgungsplatine für die Raffstore-Motoren.
Herr T. O. hat schwerpunktmäßig am Modellbau und Verdrahtung des Gestells, an der Raffstore-Mechanik und am Antrieb der Raffstores sowie der SPS-Programmierung inklusive der Auswahl der hierfür verwendeten Komponenten gearbeitet. Des Weiteren war Herr Okon mit der Erstellung der Präsentation und Dokumentation befasst.
Herr Philipp Schöne war schwerpunktmäßig an der Visualisierung mit C#, an der Datenbankerstellung mittels MySQL, an den Kommunikationsschnittstellen zur SPS (M-Bus, DMX-Bus), an der SPS-Programmierung und auch am Modellbau sowie der Dokumentation tätig.
Herr L. V. hatte als Haupt-Aufgabengebiet die Erstellung einer Steuerungsplatine als A/D-Wandler für den PT 100 Fühler und der Elektro-Schaltpläne, die Verdrahtung des Gestells sowie die Spannungsversorgungsplatine für die Raffstore-Motoren.

Zeitplanung

Inhaltsverzeichnis

Detailbeschreibung der Projektumsetzung

Beschreibung des Gebäudemodells

Grundlagen
Als Grundlage des Modells wurde der Gebäudeentwurf in Form von Planunterlagen als Grundrisse, Schnitte und Ansichten im Wesentlichen als Vorlage verwendet.

Rahmen
Der Rahmen, der die Gebäudeumrisse und die Geschosse annähernd maßstäblich darstellt, wurde aus Bosch-Aluminiumprofilen gebaut.

Raffstores (Außenjalousien)

Raffstores (Außenjalousien) dienen dem außen liegenden Sonnenschutz vor Fensteröffnungen von Gebäuden. Dadurch kann die Sonneneinstrahlung teilsweise bereits vor der Gebäudehülle abgefangen werden, sodass bei richtiger Dimensionierung und Anordnung der Raffstores der sommerliche Wärmeschutz begünstigt wird.

Sie bestehen im Original aus dünnen gelochten Aluminiumblechstreifen von ca. 60-100 mm Breite. Die einzelnen Aluminiumstreifen gibt es in verschiedenen Varianten, so z.B. als Flachlamelle für maximalen Lichteinfall, randgebördelte Lamellen für höhere Stabilität und auch als Abdunklungslamelle für komplette Verdunklung und Verschattung von Räumen. Die einzelnen Aluminiumlamellen liegen auf Leiterband, einer Nylon-Kordel, auf und erhalten an den Enden jeweils eine Spannseilführung aus polyamidummantelter Stahldrahtlitze oder je eine stranggepresste Aluminium-Schienenführung. Das Aufzugsband ermöglicht die Bewegung der Lamellen nach oben oder nach unten. Das Leiterband dient als Abstandhalter und ermöglicht die Schrägstellung der Lamellen.

Der Antrieb befindet sich hinter einer oberen Aluminiumblende bzw. in einem bauseitigen Raffstorekasten, den es je nach Aufbau der Fassade in verschiedenen Ausführungen gibt. Die Unterschiene als Abschluss der Raffstores besteht ebenfalls aus einem Aluminiumprofil.

Übersetzung der Raffstores in das Modell

Ziel war die annähernd realistische optische Nachbildung solcher Raffstores im Modell, somit in kleinerem Maßstab unter dem Aspekt, das alle Funktionen des Originals tatsächlich gegeben sein sollten. Die Schwierigkeit bestand hierbei darin, die Seilkonstruktion nachzubauen. Es wurde versucht, mit einzelnen verschiedenen Sorten Schnüren (z.B. Drähte, Garne, Nylon-Schnur) die Seilkonstruktion und das Leiterband nachzubauen. Nach mehreren Versuchen wurde diese Vorgehensweise verworfen und in einem Spezialhandel für Jalousien Original-Leiterband in der kleinsten erhältlichen Breite zugekauft. Daraufhin mussten jedoch die Lamellen aus dreifach laminierten Papierstreifen von den ursprünglich maßstäblich genauen 10 mm Breite auf 15 mm Breite vergrößert und erneut zugeschnitten werden. Die Lösung für die Herstellung der Mechanik für die Auf- und Abwärtsbewegung sowie für die Kippfunktion der einzelnen Lamellen war somit gegeben.

Aus Platzgründen wurde im Modellbausektor nach Antriebsmotoren gesucht, um ungefähr im Maßstab des Modells arbeiten zu können. Im Modellbau z.B. für Modellschiffe findet man überwiegend Servomotoren mit mechanischer Begrenzung und Ansteuerung über PWM. für den Raffstore-Antrieb sind jedoch keine Servomotoren mit mechanischem Anschlag geeignet, sodass wir die Servomotoren auf Gleichstrommotoren umgebaut haben. Der Vorteil der Servomotoren liegt darin, dass sie ein Getriebe besitzen und bei Stromausfall die Position halten. Genau diese Funktion bietet sich bei dem Raffstore-Antrieb an. Der Umbau erfolgte zuerst mittels Auseinanderbauen des Getriebes. Der Anschlag-Pin des Zahnrads auf der Motorwelle wurde abgeschnitten. Danach wurde die Servo-Elektronik ausgebaut und der Poti mit seinem mechanischen Anschlag entfernt. Zuletzt erfolgte der Zusammenbau der Komponenten und das Gehäuse wurde wieder geschlossen. Der DC-Motor erlaubt nun Drehungen von 360 Grad. für jeden Raffstore wurden jeweils zwei solcher Motoren verbaut. Ein stäkerer für die Auf- und Abwärtsbewegung und ein schwacher für die Kippfunktion der Lamellen. Bei dem stärkeren Motor wurde ein Initiator angebaut, der für eine Impulszählung verantwortlich ist. Über diese Impulszählung kann die Raffstore-öffnungshöhe bzw. der IST-Zustand in der Visualisierung (C#) angezeigt werden. Am Modell befinden sich vier Raffstores, die die Original-Funktionen abbilden können.

Aufgrund der geringen Spannung bauen wir einen Spannungsregler ein. Die Raffstores werden mit acht Motoren betrieben. Vier Motoren (pro Motor/120mA zulässiger Strom) sind zuständig für die Auf-/Ab-Bewegung und die anderen vier Motoren (pro Motor/50mA zulässiger Strom), sind für die Neigung der Lamellen zuständig. Die Spannungsregler wurden mit dem LM7815 für die Vorstabilisierung von 24V auf 15V realisiert. (Der LM7815 ist ein positiver Regulator mit 15V Ausgangsspannung im TO-220-Gehäuse. Seine Ausgangsspannung ist 15 Volt und kann bis 1 Ampere belastet werden). Nachdem wir die Spannung auf 15V reguliert haben benötigen wir den Spannungsregler LM 317-T (TO- 220) um die Ausgangsspannung von 1,2- 12 V DC zu regeln. Damit die Motoren gesteuert werden können. Die Spannungen betragen jetzt 2V für die Neigung der Lamellen und 3V für die Auf- und Ab-Bewegung der Raffstoren. Wir haben 2V Ausgangsspannung für die vier Motoren die für die Neigung der Jalousien zuständig sind. Insgesamt kommen die vier Motoren auf 200mA. (24-2) V * 0,2A = 4,4W. Wir haben 3V Ausgangsspannung für die vier Motoren, die für die hoch-und runter Bewegung der Jalousien zuständig sind. Insgesamt kommen die vier Motoren auf 480mA. (24-3) V * 0,48A= 10,08W Die gesamte Leistung für alle acht Motoren beträgt: 4,4W+10,08W= 14,48W

Beleuchtungstechnik, Umsetzung der Beleuchtung am Modell

Jeder Raum wurde am Modell mit einer Allgemeinbeleuchtung von je einer 2 Watt Glühlampe ausgestattet. Für die Lichtszenen-Gestaltung RGB-DMX wurden vier elektronische Konstantspannungs-3-Kanal-DMX-Dimmer des Fabrikats Osram Optotronic verbaut, wobei einer davon für die Darstellung mit RGB-LED-Streifen der Heizung am Modell fungiert. Die Adressierung der einzelnen DMX-Slaves erfolgt hardwareseitig über Drehschalter. Die drei DMX-Slaves besitzen je drei Kanäle für die drei Lichtfarben rot, grün, blau.

Gestell

lfd. Nr. Anzahl Komponente Kurzbeschreibung und Funktionsweise
1 12 Stück Sicherungen Eine Hauptsicherung, 2 Sicherungen für M-Bus, 3 Sicherungen für Elektronik-Steckkarten, 6 Sicherungen für SPS sowie für CPU und Ein-und Ausgänge
2 2 Stück Netzteil Für die Spannungsversorgung (24V) ist ein Netzteil eingebaut worden, welches über Feinsicherungen die einzelnen Komponenten z.B. Platinen (Analog / Festspannungsregler für die Motoren), Befehlslichttaster, Relais und die SPS mit 24V versorgt.
3 16 Stück Koppelrelais Es werden Finder-Koppelrelais eingesetzt zur Ansteuerung und Polaritätsänderung (Drehrichtung) der Raffstore-Motoren. Pro Fenster wurden 4 Relais verwendet, in Summe 16 Stück für 4 Fenster. Sie steuern die Neigung der Lamellen und die Auf- und Abwärtsbewegung der Jalousien.
4 1 Stück SPS Hardware Es wird eine CPU des Herstellers Beckhoff Typ CX 5020 verwendet. Als Unterstationen werden Beckhoff Ethernet-Koppler eingebaut, des Weiteren diverse Ein- und Ausgangskarten und weitere Kommunikations-Schnittstellenkarten.
5 2 Stück Elektronik-Steckkarten Für die Spannungsversorgung der Motoren wird eine Platine selbst entworfen mit einem Festspannungsregler für die DC-Motoren. Die zweite Platine beinhaltet die physikalische Temperaturabfrage des Fühlers und wandelt diese in ein elektrisches Signal um (0-10 Volt). Die dritte Platine dient der Erfassung des PC-Lüfters, hier als Windsensor, für das Hochfahren der Raffstores.
6 2 Stück Verbrauchszähler Der verwendete Verbrauchszähler von der Firma NZR Typ DHZ ist ein digitaler Wechselstromzähler und funktioniert über die M-Bus-Schnittstelle.
7 1 Stück Hand-Automatik-Relais Das Hand-Automatik-Relais (Fabrikat Finder, Typ Auto-Off-On Relais 19.21.0.024.0000) ermöglicht die Umstellung des Automatikbetriebs über die SPS auf den Handbetrieb und damit das Einschalten/Ausschalten der Verbraucher im Falle des Ausfalls der SPS.
8 4 Stück 6-fach-24 Volt-Taster Es wurde hier der Gira 24 Volt Schaltsensor gewählt. Mit diesem besteht die grundlegende Möglichkeit 6 einfache Schaltbefehle zu generieren.
9 2 Stück Kommunikationsklemmen Die M-Bus-Masterklemme KL6781 von Beckhoff ermöglicht den direkten Anschluss von M-Bus-Geräten. Die DMX-Masterklemme EL6851-0000 von Beckhoff dient der Ansteuerung von Geräten der Lichtsteuerung bzw. Lichtszenarien.
10 4 Stück Schnittstellenklemmen 24 polige SUB-D Stecker dienen der Verbindung zwischen dem Gestell und dem Gebäudemodell.
11 2 Stück Steckdosen Im M-Bus-System sind 2 Steckdosen integriert und erfassen den Verbrauchswert der angeschlossenen Verbraucher. In unserem Falle waren dies jeweils 2 Laptops.
12 1 Stück Fassung Die Fassung dient der Aufnahme einer 100 Watt Glühlampe und als 3. M-Bus-Teilnehmer zur Visualisierung des Stromverbrauchs.
13 6 Stück Kippschalter Zusätzliche Befehlsgeber wie Kippschalter wurden mit Sonderfunktionen ausgestattet (Alarm Kontakt Fenster oder Gesamt-Licht-AUS Funktion).

Tastsensoren

Besonders gut geeignet sind die Taster, um bei einem hohen Installationsgrad im Gebäude Schalteranzahlen zu minimieren. Es wurde hier der Gira 24 Volt Schaltsensor gewählt. Mit diesem besteht die Möglichkeit, sechs einfache Schaltbefehle zu generieren. über die SPS sind maximal 18 Schaltbefehle, je nach Druckdauer erzielbar. Ein 24 Volt- Taster besteht aus einem Tragring und sechs Tastfeldern mit Eingängen für sechs LEDs, einer Hauptplatine und eine Adapterplatine für zwei Klemmblöcke. Dadurch wird gleichzeitig eine Ordnung der Anschlüsse erreicht, sodass sich eine logische nebeneinander liegende Reihenfolge der LEDs und Tasterfelder ergibt. Die LEDs der Hintergrundbeleuchtung der Tasterfelder sind mit drei 4,7 Ohm Vorwiderständen ausgestattet für 24 Volt Spannungsversorgung. Durch weitere integrierte Widerstände erhält man weitere Schaltungs-Kombinationen ausser der Reihenschaltung der Hintergrundbeleuchtung. Der Verpolungsschutz ist über ein kleines Sichtfenster mit Darstellung eines positiven oder negativen Smilies gewährleistet.
Technische Daten

Nennspannung: 24 Volt
Temperaturbereich: -5 bis + 45 Grad Celsius
Anschluss: 2 x 9-poliger Klemmblock, 0,4 bis 0,8 mm eindrahtig

SPS Hardware

Der Aufbau der Hardware der SPS orientiert sich am Modell.
Die CPU befindet sich auf der untersten Ebene (Keller). Die nächste Unterstation mit den Ein- und Ausgängen bzw. Systemklemmen ist auf der mittleren Ebene(Erdgeschoss) angeordnet. Auf der oberen Ebene (Obergeschoss) ist die letzte Unterstation der SPS platziert. Alle Stationen sind mit der CPU über Ethernet-Schnittstellen verbunden. Somit werden lange Leitungswege gespart, so beispielsweise für die Anbindung der Sensoren (Lichttaster, Raumfühler, Fensterkontakte, etc.). Im Erdgeschoss und im Obergeschoss befinden sich Raffstores, welche über die Ausgänge der jeweiligen Unterstationen der SPS angesteuert werden. Die Drehrichtung der Motoren wird über jeweils ein Relais pro Richtung gesteuert. Für die Ab- und Aufwärtsbewegung der Raffstore-Lamellen wurde eine Wendeschaltung integriert, über welche die Motoren in ihrer Polarität vertauscht werden.

SPS Software Beschreibung allgemein

Für das Techniker-Projekt wurde die Software TwinCAT vom Automatisierungstechnik-Hersteller Beckhoff eingesetzt. Es handelt sich hierbei um eine PC-basierte Steuerungstechnik mit Echtzeitsteuerung in Verbindung mit dem Windows Betriebssystem. Der Hersteller Beckhoff bietet Systemlösungen und Einzelkomponenten für die PC-basierte Steuerungstechnik in den Bereichen Industrie-PC, embedded PC, Feldbuskomponenten (BUS-Klemmen), Antriebstechnik und Automatisierungssoftware. Als zentrales Konfigurationswerkzeug verwendet man den TwinCAT System Manager. Dabei werden die logischen Ein- und Ausgänge der Software Tasks und die physikalischen Ein- und Ausgänge der angeschlossenen Feldbusse verwaltet. Die Visualisierung von Online Daten kann mit dem System Manager angezeigt werden. Als Entwicklungsumgebung für die Steuerung dient TwinCAT PLC Control auf Basis der IEC 61131-3. Die Bausteine

werden durch die TwinCAT PLC unterstützt.

Aufbau der SPS im Projekt

Die SPS Struktur in unserem Projekt gliedert sich wie folgt:
In der MAIN als Programmbasis, ähnlich der Siemens S7 OB1, werden folgende Funktionsbausteine, sogenannte FBs angelegt, welche für unser Projekt relevant sind:

In den vorgenannten FBs werden die speziell logischen Verknüpfungen zu den Funktionsprogrammen gebildet. Diese werden in der MAIN in unserem Projekt den einzelnen spezifischen Funktionen (Ein- und Ausgänge) pro Raum zugewiesen. Somit kann der hier allgemein gültige FB immer wieder verwendet werden. Dies ist effizient und dient der Übersichtlichkeit, insbesondere bei umfangreichen Systemen.

Beschreibung des Raffstore-Programms

Über den 24 Volt Taster oder über den Befehl aus der Visualisierung mit C# wird ein Impuls erzeugt, der die Anweisung „Raffstore „ab“ bzw. „auf“ gibt. Über die jeweiligen Endlagenschalter und Verriegelungen werden die Raffstores in ihrer Fahrtrichtung gestoppt. Stoppen der Fahrrichtung geschieht über den jeweiligen anderen Fahrtrichtungtaster. Hier wird die entgegen gesetzte Fahrtrichtung nicht direkt geschaltet. Ein wichtiger Parameter in den Raffstore-Aktoren ist die so genannte Umkehrzeit. Sie gibt an, wie lange der Antrieb steht, wenn er während des Fahrens in eine Richtung ein Telegramm zum Fahren in die andere Richtung bekommt. Nach Vorgaben der Raffstore-Hersteller muss eine Wartezeit von mindestens 1,5 Sekunden erfolgen, bevor die jeweilige andere Fahrtrichtung starten kann. Ab einer vordefinierten "Windstärke" (als Analogeingangssignal) fahren alle Raffstores zum Schutz vor Beschädigung nach oben.
Der Befehl der Lamellenneigung erfolgt nur durch einzelne Tastimpulse. Die IST-Positionen der Raffstores können vom Visualisierungsprogramm, hier C#, an einem Schiebeelement angezeigt werden. Dabei entsprechen 100% Anzeigewert annähernd dem geschlossenen (verschatteten) Zustand. Dies wird am Modell über ein Fadenkreuz mit vier Muttern auf der Achse der Auf- und Abwärtsbewegung der Raffstores realisiert, wobei die Impulse am Endschalter gezählt werden. Durch einen Vorwärts- / Rückwärts-Zähler werden die Impulse in der Auf- und Abwärtsbewegung der Raffstores gezählt.   Verweis: Programm-Screenshot im Anhang

Beschreibung des Allgemeinbeleuchtungsprogramms

Durch einen Tastbefehl oder über den C#-Befehl wird eine positive Flanke erzeugt. Der Ausgang steigt von 0 auf 1 und somit ist die XOR-Bedingung erfüllt. Bei erneutem Tastendruck ist die XOR-Bedingung nicht erfüllt, da der Ausgang der XOR-Verknüpfung als Eingang am XOR-Glied ansteht. Der Ausgang geht von 1 auf 0. Über den gleichen Tastimpuls wird die Lampe somit wieder ausgeschaltet. Die Funktion dieser Schaltung beschreibt im Allgemeinen die Funktion eines Stromstoßrelais. Verweis: Programm-Screenshot im Anhang

Im Projekt verwendete BUS-Systeme DMX und M-BUS

DMX bedeutet Digital Multiplexing und ist ein digitales Steuerprotokoll. Es findet Anwendung in der Veranstaltungs- und Bühnenbeleuchtung sowie Effekt-Beleuchtung z.B. in Verkaufsräumen und bei Fassaden-Beleuchtungen. Es besteht hierbei die Möglichkeit große Mengen verschiedener Geräte anzusteuern (bis zu 512 Adressen). Die Bedienung erfolgt über Mischpulte und Software.

Beim DMX Protokoll werden Informationen paketweise übertragen. Darin befinden sich ein Synchronisierungssignal und Gerätedaten. Es beginnt mit einer Stop-Sequenz, welche von der Identifikations-Sequenz gefolgt wird, sowie einem Startbit. Im Anschluss an die Sequenzen werden die Gerätedaten übermittelt.

Jeder Kanal nutzt innerhalb des Netzwerks ein einziges Byte. In unserem Falle belegt ein Byte einen Farbkanal (Rot, Grün, Blau). Die Startadresse des Slave Nr. 1 ist hardwareseitig „1“. Somit liest das Gerät den 1., 2. und 3. Kanal und erhält über den DMX-Master die einzelnen Bytes (0-255) zu den jeweiligen Kanälen.

Der Meter-Bus (M-Bus) dient der Erfassung, Auswertung und Steuerung von Energiedaten als ein genormtes System. Von den angeschlossenen Messgeräten erfolgt die Übertragung zum Master. Die Stromversorgung der Slaves erfolgt über die Daten-Bus-Leitung. Hierbei können bis zu 250 Slaves angekoppelt werden. Die Datenübertragung erfolgt seriell, wobei die einzelnen Slaves über einen Spannungspegel abgefragt werden, entspricht eine logisch „1“ = 36 Volt ist. Eine logisch „0“ entspricht 24 Volt. Somit ist die Stromversorgung der Slaves über die Busleitung möglich. Der Slave antwortet über die Modulation des Stromverbrauchs, dabei entspricht 1,5 mA logisch „1“ und logisch „0“ = 11-20 mA. Die Baudrate ist von 300-9.600 Baud möglich.

Temperaturerfassung

Um ggf. eine Temperaturregelung in die SPS einzubringen, haben wir mit Hilfe von Operationsverstärkern und eines temperaturabhängigen Widerstands (PT100), eine Schaltung zur Temperaturerfassung entwickelt. Diese Schaltung hat die Aufgabe, die aktuelle Temperatur, in einen bestimmten Wert an die SPS weiter zugeben. Funktion der einzelnen Stufen:

1. Stufe Konstantstromquelle
Hier wird mit einem Spannungsregler (LM317*) und dem Widerstand R8 ein Strom erzeugt, der den Messfühler konstant mit 1 mA versorgt. Zur genaueren Einstellung, wurde von uns in der Praxis der Widerstand R8, gegen ein Trimmpotentiometer ersetzt. Der Strom fließt durch den PT 100. Bei steigender Temperatur, steigt der Widerstand des Fühlers. Durch den konstanten Strom und dem erhöhten Widerstand im Fühler steigt die Spannung. Dies ist das Messsignal unseres Messfühlers.

2. Stufe Offseteinstellung
Da nun bei 0 °C das Messsignal eine Größe von 100 mV hat, muss dieses Signal der Temperatur angepasst werden. Dieser Offset wird mit folgender Schaltung behoben: über den Spannungsteiler R1/R2 wird aus der Betriebsspannung von 24 Volt eine Spannung von 100 mV erzeugt und über einen Operationsverstärker OP1 abgekoppelt. Der OP2 stellt eine Subtrahierschaltung dar. Hier wird das Messsignal von der Spannung, des abgekoppelten Spannungsteilers subtrahiert. Dadurch, dass die Widerstände R4-R6 gleich groß sind, gilt:

Somit wird das Eingangssignal von 100 mV bis 195,91 mV, dass bei einem Messbereich von 0°C – 200°C anliegt, durch die Subtraktion von 100 mV in ein Ausgangssignal von 0 Volt bis 95,91 Millivolt gewandelt.

3. Stufe Verstärkung
Da der AD-Wandler der SPS einen Eingangsspannungsbereich von 0 – 10 Volt hat, muss das Messsignal verstärkt werden. Dafür wird die Nicht-Inventierende Verstärkerschaltung OP3 genutzt. Mit dem OP3 wird das Messsignal auf die zu benötigte Spannung verstärkt.
Auch hier wurde für den Widerstand R9, ein Trimmpotentiometer zum Feinabgleich eingesetzt.
(Ua = 0 – 10V)

Nach den Feinjustierungen lieferte die Schaltung im ersten Versuchsaufbau nur einen Ausgangsmesswert von 0 – 5V. Um diesen Messwert an die Analogeingangskarte der SPS anzupassen, musste diese in der Verstärkerschaltung auf das Normsignal 0 – 10 Volt zugeschnitten werden. In weiteren Testläufen lief die Schaltung auf Anhieb stabil und lieferte am Ausgang einen Wert von 0 – 10V. Mit wenigen Bauteilen und geringem Aufwand ließ sich somit unser “Messwandler“ fertig stellen. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung sind die geringen Kosten der benötigten Bauteile.

Windsensor (Simulation)

Das Projekt der Gebäudeautomatisierung basiert auf der SPS und wird mit 24V betrieben. Die Steuerung der Raffstores wird mit Hilfe des elektronischen Antriebs als Einzel-, Gruppen- oder Gesamt- FassadenSteuerung ausgelegt. Der Wind wird durch einen Kühlventilator erzeugt. Die Schaltung stellt für die SPS eine simulierte Windsensorspannung von 0 … 10 Volt zur Verfügung, die proportional zur Windstärke ist. Dies wurde durch ein Potentiometer ermöglicht. Der Spannungsregler wurde mit dem LM7815 für die Vorstabilisierung von 24V auf 15V realisiert1. Nachdem wir die Spannung auf 15V reguliert haben, benötigen wir den Spannungsregler LM 317-T (TO- 220), um die Ausgangsspannung von 1,2- 12 Volt DC zu regeln .

Inhaltsverzeichnis

Software

Von Anfang an war uns bewusst, dass die Hausautomatisierung auch eine Visualisierung braucht. Ein Steuerpult mit Druckschaltern und -knöpfen ist einfach nicht bedienerfreundlich. Nachdem feststand, dass wir mit der SPS der Firma Beckhoff arbeiten, haben wir uns informiert, was diese SPS unterstützt. Bei der Suche half uns auch die Hilfeseite der Fa. Beckhoff2. Wir setzen die SPS „CX5020-0121/1GB“ des Herstellers Beckhoff ein. Diese Modellreihe verfügt über eine Softwareschnittstelle zum Microsoft .NET-Framework. C#-Programm
Durch die Softwareschnittstelle zu .NET-Framework haben wir uns für C# entschieden, weil wir zum einen einige Kenntnisse durch den Unterricht erlangt haben und uns mit dem Projekt und auch tiefgehender mit C# beschäftigen wollten. Auch ist es mit C# möglich, umfangreiche Anwendungen zu erstellen. Man ist nicht auf die Funktionen einer Software eines Automatisierungsgeräteherstellers angewiesen, welche im Funktionsumfang oft beschränkt ist.

Die Softwareschnittstelle

Die Firma Beckhoff installiert mit der Konfigurations- und Programmierumgebung auch Bibliotheken. Darunter eine „TwinCAT.Ads.dll“. Zur Erklärung: TwinCAT ist die Programmierumgebung, mit der man die Beckhoff SPS programmieren kann.3 Ads heißt ausgeschrieben Automation Device Specification. Ads ist eine Geräte- und Feldbusunabhängige Softwareschnittstelle, die von der Fa. Beckhoff spezifiziert, offengelegt und dokumentiert ist. Somit könnten rein theoretisch alle Hersteller die Schnittstelle nutzen. Allerdings ist uns kein anderer Hersteller bekannt, der das Protokoll benutzt. Zu Identifizierung werden zwei Informationen benötigt: die Net-ID und der Port.
Die Net-ID ähnelt auf den ersten Blick einer IP-Adresse eines Computers. Bei genauerem Hinsehen fällt auf, dass zwei Byte zusätzlich benutzt werden. (Beispiel: IP-Adresse: 192.168.0.10 und Net ID: 192.168.0.10.1.1). Net-IDs sind von der IP-Adresse des Geräts unabhängig. In Projekten mit mehreren Automatisierungsstationen empfiehlt es sich, die Net-ID aus der IP-Adresse zu benutzen und am Ende „.1.1“ anzuhängen, wie obige Beispiel zeigt. Auf diese Weise kann es nicht zu Verwechslungen kommen. Der Port ist gleichbedeutend mit dem Port von den TCP/IP-Netzwerken. Einigen Ports ist eine Funktion zugeordnet. Wir haben beim Projekt den Port 801 benutzt. Das bedeutet, wir greifen auf das „LaufzeitSystem 1“ zu. Das ist das Standardsystem, welches man in jeder SPS benutzt. In der nachfolgenden Tabelle findet sich eine Übersicht über die möglichen Port bei Beckhoff SPS:

ADS-PortBeschreibung ADS-Gerät
100Logger (nur NT-Logbuch)
110Eventlogger
300IO
301zusätzliche Task 1
302zusätzliche Task 2
500
801SPS LaufzeitSystem 1
811SPS LaufzeitSystem 2
821SPS LaufzeitSystem 3
831SPS LaufzeitSystem 4
900Nockenschaltwerk
10000System Service
14000Scope

Verbindung mit ADS-Protokoll
Auf der bereits erwähnten Hilfeseite der Fa. Beckhoff ist ein Beispiel aufgeführt, wie man einen Merker in der SPS liest bzw. schreibt. Zuerst haben wir anhand der Informationen ausprobiert, ob dies so funktioniert wie im Beckhoff-Beispiel angegeben. Alles ist auf einer Klasse aufgebaut. Diese wird zuerst instanziert. Wir haben das einmalig durchgeführt und arbeiten im folgenden Projekt immer mit dem resultierenden Objekt.

TcAdsClient tcAds = new TcAdsClient();
tcAds.Connect(SPS_Net_ID, port);
public int lese_int_aus_sps(int merkerbyte)
 
Adsstream ds = new Adsstream(2);// instanziert eine neue Kommunikation
BinaryReader br = new BinaryReader(ds);
tcAds.Read(0x4020, merkerbyte, ds);     //4020 = Merker in der SPS
return (br.ReadInt16());

Der Code ist etwas zusammengefasst, um exemplarisch zu zeigen, wie die Kommunikation mit dem Protokoll funktioniert. Es handelt sich um die Funktion „lese_int_aus_sps“. Diese wurde ausgewählt, da sich hier deutlich die Vorgehensweise der Kommunikation zeigt. Zuerst wird ein Kommunikationsobjekt vom Typ Adsstream. – dieses gehört zum Ads-Protokoll - deklariert. Dabei bedeutet die „(2)“, dass man ein Datenwort (zwei Bytes) liest. Die Zahl „(1)“ würde entsprechend ein Datenbyte lesen und die „(4)“ ein Datendoppelwort (Gleitkomma). Anschließend wird der „BinaryReader“ instanziert. Dieser gehört zur Standardausstattung von C#. „tcAds.Read“ schließlich liest die Daten von der SPS. Dabei bedeutet der erste Parameter, dass es sich um einen Merker handelt. Der zweite Parameter ist lediglich das Merkerbyte, welches gelesen wird. Der dritte und letzte Parameter ist der Datenstrom vom Ads. In der letzten Zeile werden die Daten in einen Integer umgewandelt. Dieses Beispiel zeigt eine Funktion, die im Programm benutzt wird, um einen Wert von der SPS nach C# zu übertragen. Im Projekt werden damit die Zählwerte der Raffstores übertragen, damit diese in C# angezeigt werden können.

Der visuelle Aufbau

Wir haben uns für ein Formular mit Registern entschieden, da auf einem einfachen Formular nicht genug Platz ist. Ein bildschirmfüllendes Formular scheidet aus, da es verschiedene Auflösungen und Bildschirmformate gibt und die Software ausserdem auf verschiedenen Geräten laufen soll. Die Alternative, mit vielen Einzelformularen zu arbeiten, ist bei Windows nicht üblich. Unerfahrene Anwender kennen die Einzelformulare nicht und dieser Umstand bereitet ihnen Schwierigkeiten. Register teilen die Oberfläche in logische Einheiten. Wir haben die Blöcke Jalousiesteuerung, Heizung, Lichtsteuerung für einfache Beleuchtung, RGB-Lichtsteuerung und Stromverbrauch gewählt. Wie bei herkömmlichen Windowsanwendungen üblich, gibt es oben unter der Titelleiste eine Menüleiste. Hier finden sich Funktionen, die Auswirkungen auf die gesamte Anwendung haben. Dazu gehören im Menü „Datei“ „Programm beenden“ und „SPS verbinden“ u. ä. Unter Optionen finden sich Einstellungen, die sich in einem extra Fenster öffnen lassen. Hier kann man Sicherheitsabfragen ein- oder ausschalten, genauso wie das automatische Verbinden mit der SPS oder der MySQL-Datenbank. Auch lässt sich hier die Anzahl der letzten Zählerwerte einstellen, die im entsprechenden Register angezeigt werden. Die Statusleiste unten zeigt dem Anwender ständig an, ob die Verbindungen zur SPS und zur Datenbank bestehen. Hier haben wir Signalfarben gewählt, damit auf dem ersten Blick erkennbar ist, wie der aktuelle Status ist.

In Abbildung 21: Verbindungsdaten sieht man Formularfelder, in denen man die Verbindungsdaten zur SPS und zur MySQL-Datenbank eingeben kann. Die Daten werden über die C#-Settings im Windows-Benutzerprofil gespeichert. So braucht man die Daten nicht jedes Mal neu eingeben. über den jeweiligen Button kann man einzeln die Verbindungen aufbauen oder trennen. Wenn eine Verbindung besteht, sind die Eingabefelder gesperrt, weil eine bestehende Verbindung erst getrennt werden muss, damit man die Daten ändern und die Verbindung neu aufbauen kann. Unten in der Statusleiste hat man eine Übersicht über den Zustand der Verbindungen.

Auf der zweiten Registerkarte Abbildung 23: Raffstores/Jalousie ist die Steuerung der Raffstores. Hier hat man eine Übersicht über die vier Raffstores im Haus. Die Anordnung ist logisch nach der Frontansicht des Hausmodells gestaltet. Oben ist das Obergeschoss und unten das Erdgeschoss. Auf dieser Registerkarte kann man jeden Raffstore hoch- und herunterfahren. Die Buttons setzen beim Mouse_Down-Ereignis ein Bit in der SPS und setzen es beim Mouse_Up-Ereignis wieder zurück. Das ist zwar etwas umständlicher zu programmieren, aber damit erreicht man eine Funktion eines Hardware-Tasters, der - per Hand bedient - auch nur solange ein „1“-Signal liefert, wie man den Taster drückt. Dies haben wir über eine Funktion gelöst, die zwei Parameter übergeben bekommt: erstens das Merkerbyte, und zweitens das Byte, welches den Schaltbefehlt beinhaltet, der gesendet werden soll. Ebenso kann man auch den Status der Raffstores sehen anhand von Labels, bei denen sich der Hintergrund grün färbt, wenn die entsprechende Endlage erreicht ist. Genauso werden die Betriebsmeldungen der Motoren angezeigt. Die Zwischenstellungen werden per Impulsgeber in der SPS hoch- und herunter gezählt. Diese werden vom C#-Programm gelesen und mittels der Trackbar angezeigt. Somit kann der Anwender auch dann die Zwischenstellungen sehen, wenn die Person nicht im Raum ist. Rechts befinden sich Buttons, die wahlweise die Raffstores einer oder aller Etagen hoch oder herunterfahren. Dies erleichtert das Verdunkeln oder öffnen der Raffstores beim Verlassen oder Betreten des Hauses. Zum Schutz der Jalousie wird mit einem Windsensor die Windgeschwindigkeit überwacht. Wenn der Wind zu kräftig ist, dann werden die Raffstores hochgefahren. Über C# wird die Windgeschwindigkeit mit einer Trackbar angezeigt. Darunter befindet sich ein Schieber, der den Grenzwert verändert.

Auf dem Reiter für die Heizung (Abbildung 24: Heizung) gibt es eine Progressbar für die Anzeige der Temperatur, die mittels PT100 gemessen wird. Die Temperatur wird farbig auf dem DMX-Kanal im Modell angezeigt. Dabei lässt sich mit dem Schieberegler unter der Progressbar die Grenze zwischen dem blauen (unter Sollwert) und roten Bereich (über Sollwert) verschieben. Der weiterer Registerreiter (Abbildung 25: Lichtsteuerung) ist für die konventionellen Deckenlampen und die Treppenbeleuchtung zuständig. Hier wird auch der Button als Taster benutzt. Die Logik dazu erledigt die SPS, die ähnlich wie ein Stromstoßrelais arbeitet. Die Buttons sind entsprechend den Zimmergrundrissen angeordnet und erleichtern so das Zurechtfinden. Auch hier wurde mit Signalfarben gearbeitet. So kann man sich auf dem Bildschirm aufgrund von Farbe und Position einen Überblick machen. Dabei sind wieder die Buttons für das Obergeschoss in Formular oben und für das Erdgeschoss unten angeordnet. Die Buttons „100 Watt-Lampe“ und „Hintergrundbeleuchtung“ (für die 6fach-Taster) sind nicht für Funktionen im Modellhaus vorgesehen und sind deswegen gesondert angebracht. Damit beim Verlassen des Hauses schnell das Licht gelöscht werden kann, gibt es einen Zentral-Aus-Schalter, durch welchen alle Lampen und auch alle DMX-Kanäle abgeschaltet werden. Im Reiter „Licht(DMX)“ (Abbildung 26: DMX) kann man auf den vier DMX-Kanälen die Lichtfarbe mischen. Farbiges Licht besteht aus drei Grundfarben: Rot, Grün und Blau. Wir haben jeweils einen Button, der die jeweilige Grundfarbe einzeln auf volle Helligkeit stellt (Bytewert 255). Daneben befindet sich ein Button, der die Windows-Farbpalette darstellt. Somit hat der Anwender theoretisch die Wahl aus unendlich vielen Farben. Nun gibt es aber Farben, die sich nicht gut darstellen lassen, wie Braun. Ausserdem hängt es von den Leuchtmitteln ab, wie gut diese Farben umgesetzt werden können. Beim Programmieren hat man die Wahl, ob man den Benutzer „bevormundet“ und nur bestimmte Farben wählbar macht oder ob man die Visual Studio Mittel nutzt und die Windows-Farbpalette anbietet. Wir haben uns für eine offenere Lösung entschieden, weil uns Praxiserfahrungen in einem realen Wohnhaus fehlen. Unter dem Farbwahl-Button befindet sich ein Aus-Button, der auf alle drei Kanäle Nullwerte schreibt. Mit diesem Aus-Button wird das Licht ausgeschaltet. Bei DMX ist ein herkömmliches stromlos schalten, wie bei einem Lichtschalter, nicht vorgesehen. Darunter ist ein Dropdown-Feld., mit dem man eine der drei vorprogrammierten Lichtszenen jeweils einem Leuchtmittel zuordnen kann.

Die Programmierung der Lichtszenen ist direkt rechts daneben im Formular.
(→ Abbildung 27: DMX-Programmierung) Hier kann man mit Schiebereglern jeweils die Intensität der drei Grundfarben einstellen und unter einem der drei möglichen Szenen abspeichern. Dazu wird nach Einstellen der Lichtfarben Rot, Grün und Blau mit den Schiebereglern die gewünschte Lichtszene in der Dropdownliste ausgewählt und anschließend mit dem Button „Speichern“ abgespeichert. Nun kann das Profil, wie oben erwähnt, benutzt werden. Weiter unten kann man mit der Checkbox eine „Party-Beleuchtung“ in der SPS aktivieren. Diese steuert in den LED-Streifen zeitlich gesteuerte Farbwechsel an. Mit dem Schieberegler ist die Geschwindigkeit der Farbwechsel einstellbar. Unter dem Reiter „Stromverbrauch“ siehe Abbildung 28: Stromverbrauch ergibt sich ein Überblick über die Messwerte der zwei Stromzähler, die per M-Bus angebunden sind. Hier werden jeweils die aktuellen Zählerwerte übertragen. Das sind die Werte, die die SPS per M-Bus übergeben bekommt. Darunter kann verglichen werden, wie sich der Verbrauch zu den jeweils voran gegangenen Tagen bzw. Monaten verhält. Auf diese Weise können Störungen, z.B. beim Kühlschrank, der defekt ist, gefunden werden. Diese Werte werden aus einer MySQL-Datenbank ausgelesen. Durch die Struktur der Datenbank sind viele weitere Arten der Abfragen möglich.

Datenbank

Wahl der Datenablage
Von Beginn an stand fest, dass wir überlegen sollten, wie wir Daten abspeichern wollen. Da wir eine zukunftsfähige Anwendung entwickeln wollten, lag die Benutzung einer Datenbank nahe, durch die auch nachträglich viele Auswertungsmöglichkeiten realisiert werden können. Da wir mit dem Microsoft Visual Studio programmiert haben, wäre die Benutzung einer Microsoft Access oder MS SQL-Datenbank folgerichtig gewesen. Diese wäre auch relativ einfach einzubinden gewesen, da ja alles aus dem Hause Microsoft erhältlich ist. Entgegen diesen Vorteilen haben wir uns aber für die MySQL-Datenbank entschieden, da wir erstens schon Vorkenntnisse bei der Benutzung des Datenbanksystems hatten und zweitens sich MySQL leichter in Webseiten einbinden lässt. Somit halten wir eine Möglichkeit offen die Visualisierung über das HTTP-Protokoll weiterzuentwickeln.

MySQL
MySQL ist ein relationales Datenbankverwaltungssystem. Das System wurde 1994 von MySQL AB erfunden und 2008 von der Sun Microsystems übernommen. Sun wurde wiederum 2010 von Oracle gekauft. Man schätzt, dass es ca. 50 Millionen Installation von MySQL gibt. Damit ist es das meistverwendete Open-Source Datenbankverwaltungssystem. Es wird häufig mit Apache und PHP bei Webservern eingesetzt. Von MySQL gibt es eine freie und eine kommerzielle Version. Die Anbindung von MySQL ist über eine Bibliothek von der Firma Oracle m�glich. Dies ist eine Dll, die man in Visual Studio einbindet. Dann kann die Verbindung relativ einfach, wie es bei PHP auch von Hause aus ist, hergestellt werden:

string mysqlverbindungsstring = "SERVER=" + mysql_ipadresse + ";DATABASE=" + 
    mysql_datenbank_datenaustausch + ";UID=" + mysql_benutzer + ";PASSWORD=" + 
    mysql_passwort + ";"; // Verbindungsdaten zu einem String zusammenf�gen
mysqlverbindung.ConnectionString = mysqlverbindungsstring;
mysqlverbindung.Open(); // Verbindung aufbauen
mysql_befehl.Connection = mysqlverbindung; // Zugangsdaten senden und DB wählen
mysql_log("verbinde MySQL"); // Statusmeldung in DB schreiben
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Kalkulation der Projektkosten

Die vorgenannten Materiallkosten sind nur in geringem Umfang für unser Projekt angefallen, da ein Großteil der Komponenten Wiederverwendung in dem oben genannten realen Hausbauprojekt findet. Die dargestellten Personalkosten fielen nicht an, da im Rahmen der Techniker-Ausbildung keine Vergütung erfolgt.

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Zusammenfassung

Das Projekt wurde fristgerecht abgeschlossen und die Grundidee ist, wie gewünscht, umgesetzt worden.Es wurde bewusst darauf geachtet, dass in der Zukunft Erweiterungen im Bereich der Steuerung als auch in der Art der Bedienung und Auswertung der Daten möglich sind. Die einzelnen Steuerungsaufgaben konnten gelöst werden. Mit dieser Arbeit liegt eine funktionale Haussteuerung vor, die im Wesentlichen unmittelbar in die Realität umgesetzt wird und auf diese Weise ihre praktische Anwendung findet.

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Anlagen

Screenshots Raffstore-Programm/ Allgemeinbeleuchtung/ DMX

Nachfolgend sehen Sie einen Programmauszug des SPS-Raffstore-Programms. Alle weiteren SPS-Dokumentationen befinden sich auf der beigefügten CD.

Protokolle

Vom 28.09.2013

Vom: 03.10.2013

Vom 13.10.2013

Vom: 19.10.2013

Vom: 26.10.2013

Vom: 02.11.2013

Vom: 09.11.2013

Vom: 16.11.2013

Vom: 30.11.2013

Datum: 07.12.2013

Datum: 14.12.2013

Datum: 15.12.2013

Datum: 28.12.2013

Datum: 30.12.2013

Datum: 05.01.2013

Anlagen

Die folgenden Unterlagen befinden sich auf der CD zur Dokumentation: Inhaltsverzeichnis

Quellenverzeichnis