Ein Blick auf die Anwendung
SPE im Smart Building
Single Pair Ethernet eignet sich als kostengünstige Vernetzungsplattform für Smart Buildings. Einfach bedien- und konfigurierbare smarte Mikroserver von Perinet bilden dabei das Interface zwischen dem SPE-Netzwerk und den Sensoren bzw. Aktoren. Davon profitiert z. B. der Systemintegrator Zentinel.
Unter Smart Building versteht man die Vernetzung und Digitalisierung von Gebäuden mit dem Ziel einer Steigerung von Komfort und Wirtschaftlichkeit, insbesondere der Energieeffizienz. In der Praxis setzt dies eine Vielzahl von Sensoren und Aktoren voraus, die einerseits lokal untereinander und andererseits mit einer zentralen Leitstelle (z.B. in einer Cloud) kommunizieren und interagieren.
Leitstände, traditionelle IT und Cloud sind hierbei schon seit Jahrzehnten mittels Standard-Ethernet und dem Internet-Protokoll (IP) vernetzt. Die in Gebäuden bisher gängigen Feldbusse wie etwa BACnet, Lon oder KNX benötigen hingegen an der Edge aufwändige Gateways und Protokollkonvertierungen, um Daten zu IT und Cloud senden und von dort empfangen zu können. Abhilfe kann hier Single Pair Ethernet schaffen, das auf IP-Ebene zum konventionellen Ethernet kompatibel ist, so dass keine aufwändig zu implementierende und zu wartende Protokollkonvertierung notwendig ist.
Die Vorzüge von Single Pair Ethernet
SPE ist wie das klassische Internet in Cloud und IT in der IEEE 802.3-Normenfamilie spezifiziert, mit diesem kompatibel und über diverse Substandards ebenso zukunftssicher wie skalierbar.
Bei SPE genügt bereits ein einziges Leitungspaar zur Datenübertragung, was den Einsatz von kostengünstigen Kabeln mit geringem Leitungsdurchmesser und kleinen Biegeradien unterstützt, die auch leicht nachgerüstet werden können.
Verwendet man hybrides SPE mit zwei zusätzlichen Adern für die Stromversorgung, so können die Komponenten im Netzwerk ganz einfach mit versorgt und praktisch beliebige Leitungstopologien wie Linie, Baum, Stern und deren Kombinationen realisiert werden. Weitere Vorzüge von hybriden Kabeln gegenüber einer Versorgung über eine reine Zweidrahtleitung (PoDL, Power-over-Data-Line) sind galvanische Trennung der Stromversorgung, höherer Störabstand und einfacherer und damit kostengünstigerer Aufbau der einzelnen Komponenten.
Zudem sind mit SPE meist größere Leitungslängen und deutlich höhere Datenraten als bei den klassischen, im Gebäudebereich üblichen Feldbussen möglich. Im hier gezeigten Beispiel auf Basis von IEEE 802.3bw (100Base-T1) lassen sich in der Praxis Datenraten mit Single Pair Ethernet von bis zu 100Mbit/s bei Leitungslängen von 100 m und mehr erzielen.
Smarte Mikroserver
Die Anbindung von Sensoren und Aktoren kann über smarte Mikroserver von Perinet erfolgen. Diese stellen das Interface dar, das dafür sorgt, dass die analogen oder digitalen Signale von/zu der Sensor- bzw. Aktorseite auf der SPE-Seite gesendet bzw. von dort empfangen werden können. Smart bedeutet hierbei, dass diese Signale vorverarbeitet und bedarfsgerecht direkt, zeit- oder ereignisgesteuert kommuniziert werden können. Dazu werden die Module über das SPE-Interface manuell per https-Browser oder automatisch per REST-API remote konfiguriert („Low Code“). Viele gebrauchsfertig vorintegrierte Standard-Interfaces und-Services wie etwa MQTT, TCP, UDP sowie die patentierte Sicherheitslösung PKI2go sorgen für eine einfache („Zero-Konfig“) Inbetriebnahme ohne aufwändige Programmierung.
Anwendungsbeispiel 1: Fernauslesung Verbrauchsabrechnung (Metering)
Der Systemintegrator Zentinel hat für seine Kunden eine Lösung zur Verbrauchsabrechnung (hier im Beispiel: Stromverbrauch) entwickelt. Damit kann der Gebäudebetreiber den einzelnen Wohnungsmietern einer Liegenschaft tagesgenaue Abrechnungen des Stromverbrauchs liefern. Die Aufgabenstellung hierzu ist:
- Die Anwendung muss universell einsetzbar sein (Strom, Wasser, Gas, etc.) und verschiedenste Zählimpulse der jeweils eingesetzten Zähler bzw. Messuhren auslesen können.
- Das Signal muss außerhalb der jeweiligen plombierten Messkästen manipulationsfrei verschlüsselt und übertragen werden können.
- Die übertragenen Daten müssen zur vorhandenen Auswerte- und Abrechnungssoftware des Systemintegrators kompatibel sein und per MQTT abgefragt werden können.
- Alle Komponenten müssen für Dauereinsatz 24/7/365 in rauer Umgebung geeignet sein.
- Das Softwarekonzept soll mit virtualisierten LINUX-Containern umgesetzt werden.
- Die Systemkomponenten (Firmware, Verschlüsselung. HTTPs, MQTT, etc.) müssen vom Komponentenhersteller gewartet bzw. mit Updates versorgt werden.
Die Realisierung erfolgte mit Perinet Komponenten. Als smarter Mikroserver bzw. Sensor-/Aktor-Interface wurde „ZentNodeMT“ eingesetzt, der eine gelabelte Version des „periNODE GPIO“-Adapters ist. Als EDGE-Computer und lokale Basis für die bereits vorinstallierten und eigenen Software-Container-basierenden Anwendungen des Systemintegrators sowie als Schnittstelle zum 5G -Funk-Interface dient ein modularer periMICA-Computer. Vorteil dieser Lösung ist, dass sie praktisch mit allen kostengünstigen Zählern jeglicher Art und Messgrößen funktioniert, solange diese einen Impulsausgang für die jeweilige Messgröße besitzen. Hier im Beispiel sendet der Stromzähler einen Impuls per verbrauchter Wattstunde.
Der smarte Mikroserver summiert die einzelnen Impulse, speichert sie und rechnet sie dann in die jeweilige Abrechnungseinheit um (hier: Kilowattstunden). Diesen individuellen Abrechnungswert stellt er dann als Publisher einem MQTT Broker zum stündlichen Abruf zur Verfügung. Die Client-Applikation (z.B. das Abrechnungssystem der Gebäudeverwaltung) abonniert dann als Subscriber diese Daten des jeweiligen ZentNodeMT und kann so stundengenaue Abrechnungen für jeden einzelnen Publisher erstellen.
Anwendungsbeispiel 2: Fernschaltung Stromversorgung (Telematik/Fernwirktechnik)
Diese Anwendung ist eine einfache Erweiterung des ersten Beispiels und verwendet denselben ZentNodeMT, nur wird jetzt zusätzlich auch der Ausgang des GPIO-Adapters genutzt.
Dieser steuert mit seinem 24-V-Ausgang direkt den Steuereingang eines Leistungsrelais, das als Hauptschalter der jeweiligen Wohneinheit dient. Je nach Spannung des Ausgangs wird die Stromversorgung für die betroffene Wohnung ein- oder ausgeschaltet und der ZentNodeMT merkt sich den letzten Zustand, so dass dieser jederzeit vom Building Management System (BMS) oder dem jeweiligen Abrechnungssystem per MQTT abgefragt werden kann.
Fazit: Ohne großen Aufwand sicher verbunden
Mit den Perinet-Komponenten konnte der Systemintegrator Zentinel mit geringem Aufwand und innerhalb kürzester Zeit eine Anwendung entwickeln und einsetzen, die vielfältige Abrechnungsmöglichkeiten mit verschiedenen, impulsbasierenden Zählern ermöglicht. Hauptvorteile für den Systemintegrator waren dabei:
- Es sind keine aufwändige Programmierung oder teure SCADA-Lizenzen notwendig.
- Die Nutzung von Industriestandard-Protokollen wie MQTT für Telemetrie erleichtert die Integration in eigene Visualisierungs- und Abrechnungssysteme.
- Zero-Config Plug-and-Play Networking.
- Voll integrierte, transparente 256-bit-Sicherheitslösung..
- Praktisch unbegrenzte Erweiterbarkeit
Weitere Vorteile sind die Pflege der Systemsoftware (Basis-Firmware mit Protokollen und Verschlüsselung) durch den Hersteller Perinet und das einfache Erstellen eigener, „gelabelter“ Produkte. Die Komponenten selbst sind von hoher Industriequalität und für den langjährigen, dauerhaften Einsatz in rauen Umgebungen geeignet. Die großen Vorteile aus dem hohen Maß an Vorintegration und der leichten Bedienbarkeit können Hersteller, Systemintegratoren und Anagenbetreiber gleichermaßen nutzen.
Veranstaltungstipp: Am 22. und 23. Oktober 2024 findet das „Single Pair Ethernet Forum“ statt, eine gemeinsame Fachtagung von Markt&Technik und connect professional. Bei 16 Fachvorträgen und zwei Trainings können Sie sich über die SPE-Technologie, Marktentwicklung und SPE-Anwendungen informieren. Der Autor des Artikel, Dr. Karsten Walther, ist als Referent mit dabei. Weitere Infos zum Event und das Anmeldeformular finden Sie hier. https://events.weka-fachmedien.de/forum-single-pair-ethernet/
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