Das Desigo-Steuerkonzept ist ein Regelwerk, das die grundsätzlichen Gesetzmässigkeiten für alle Steuer-, Melde- und Überwachungsvorgänge sowie Schalteingriffe im Desigo-System allgemein gültig festlegt. Das gilt sowohl für die Baustein-interne Steuerung (Prioritätsmatrix) als auch für die funktionalen Zusammenhänge zwischen den beteiligten Bausteinen.
Im Einzelnen geht es dabei um:
- Struktur und Aufbau einer Steuerung aus Funktionsbausteinen
- Die hierarchische Ordnung für die Funktionsbausteine untereinander
- Die Funktionshierarchie innerhalb der Steuerkette der Funktionsbausteine
- Die Verarbeitung der Meldungen von Betrieb und Störung
- Eingriffe der Überwachungsfunktionen
- Die Wirkung von Notschaltungen
Das Steuerkonzept beruht auf dem Austausch von vordefinierten Signalen zwischen den Funktionseinheiten. Jede Funktionseinheit ist ein Abbild eines realen Anlagenelements, z. B. einer Lüftungsanlage oder einer Kesselanlage.
Steuerfunktionen
Die für ein Element erforderlichen Steuerfunktionen sind lokal in der Funktionseinheit integriert, z. B. zeitverzögertes Hochschalten der Drehzahl bei einem mehrstufigen Ventilator oder dem bedarfsgeführten Einschalten eines Kessels. In jeder Funktionseinheit werden verschiedene mögliche Anforderungen priorisiert und ausgewertet. Die resultierende Betriebsart wird anschliessend an die Elemente oder untergeordneten Funktionseinheiten weitergegeben. Die erforderlichen I/Os für die physikalischen Datenpunkte sind bereits in der Funktionseinheit enthalten.
Strukturierung der Steuerfunktionen
Auf diese Weise werden komplexe Steuer- und Überwachungsfunktionen einer Anlage strukturiert und Steuerungsaufgaben logisch unterteilt, sodass sie eindeutig der Funktionseinheit bzw. dem realen Element der Anlage zugeordnet werden können. Die übergeordnete Steuerung konzentriert sich dann auf die Steuerung und Überwachung der Gesamtanlage, während die untergeordneten Funktionseinheiten die interne Steuerung und Überwachung der jeweiligen Elemente einer Funktionseinheit selbst übernehmen.
Standardisierung der Steuerfunktionen
Darüber hinaus werden Sicherheit und Verfügbarkeit der Anlage durch standardisierte Steuer- und Überwachungsfunktionen erhöht, was konventionell mit einem erheblichen Aufwand verbunden wäre.
Standardisierte Steuer- und Überwachungsfunktionen:
- Eindeutige Auswahl der Betriebsart
- Einheitliche Störabschaltung
- Umfangreiche Zustandsüberwachung
- Schaltfolge bei Lüftungsanlagen
- Leistungsstufenregelung bei Wärmeerzeugungsanlagen
- Meldung von lokalen Eingriffen
- Vermeidung unnötiger Schaltversuche
- Verhinderung unzulässiger Schaltvorgänge
- Anlagenschutz durch Ein- oder Ausschaltverhinderung
Steuerkonzeptgebundene Bausteine
Funktion | Baustein | Aufgabe im Steuerkonzept |
|---|---|---|
Priorisierung der Einflussgrössen | ENSEL_BO ENSEL_MS | Sammelt die Informationen für die Auswahl des resultierenden Be-triebsmodus der Anlage. Hier werden alle übergeordneten Informationen priorisiert verarbeitet, welche zu einem Ein- oder Ausschalten der gesamten Anlage führen, z. B. Entrauchungsschalter, Frostmeldung, Zeitschaltprogramm. Die Bausteine werden überwiegend auf der Hierarchieebene Anlage/Teilanlage eingesetzt, können aber auch z. B. in Aggregaten sinnvoll eingesetzt werden. |
Befehlssteuerung | CMD_CTL | Übergeordneter Steuerbaustein für Sequenzsteuerungen. Der Baustein stellt sicher, dass die einzelnen Aggregate einer Anlage in einer bestimmten Reihenfolge sequenziell hintereinander ein- oder ausgeschaltet werden. Der Baustein überwacht die Aggregate und kann Alarme absetzen. Er ist optimiert für die Steuerung von Luftbehandlungsanlagen, kann aber auch für andere Anwendungen eingesetzt werden. Der Baustein wird auf der Hierarchieebene Anlage/Teilanlage eingesetzt. |
Leistungssteuerung | PWR_CTL | Übergeordneter Steuerbaustein für Stufensteuerungen. Der Baustein dient zur Steuerung und Überwachung von mehreren Energieerzeugern (Mehrkesselanlagen, Kältemaschinen). Je nach verlangtem Leistungsbedarf werden einzelne Energieerzeuger stufenweise zu- oder weggeschaltet. PWR_CTL ist optimiert für die Steuerung von Heizungs- und Kälteanlagen. Der Baustein wird auf der Hierarchieebene Anlage/Teilanlage eingesetzt. |
I/O-Bausteine mit Steuerfunktionalität | BO MO AO | Ausgangsbausteine, welche gemäss BACnet-Norm implementiert wurden und somit über einen Prioritätsmechanismus (Prioritätsmatrix) verfügen, der sich sehr gut für Steuerungsaufgaben einsetzen lässt. Die Prioritätsmatrix [PrioArr] kann durch Datenfluss-Verschaltung und durch BACnet-Kommandierung genutzt werden. Des Weiteren haben die Bausteine folgende Steuerfunktionalität integriert: - Motorsteuerung (Pumpe, Brenner usw.), ein- bis vier-stufig [BO, MO] - Ventilatorsteuerung, ein- bis vier-stufig [BO, MO] |
Wertbausteine mit Steuerfunktionalität | BVAL MVAL AVAL | Value-Objekte oder Wertbausteine sind gemäss BACnet-Norm implementiert und verfügen daher wie die Ausgangsbausteine auch über den Prioritätsmechanismus. Diese Bausteine sind sogenannte virtuelle Datenpunkte, welche nur via BACnet innerhalb des Systems mit den I/O-Modulen kommunizieren können. Diese Bausteine werden überwiegend als Kommunikationsschnittstelle zwischen der übergeordneten Steuerung [CMD_CTL, PWR_CTL] und den Aggregaten eingesetzt. |
Rotationsbaustein | ROT_8 | Der Baustein steuert max. acht Funktionseinheiten ein und aus, gemäss einer gewählten Rotationsart (Reihenfolge oder Betriebszeit). Das Schalten erfolgt nach gefordertem Bedarf, nach der Betriebszeit, bei auftretender Störung oder durch Eingriff (zwangsweise). Der Baustein wird eingesetzt, um Funktionseinheiten (z. B. Aggregate oder Komponenten) laufzeitabhängig oder störabhängig weiterzuschalten. Angewendet wird dieser Baustein z. B. für Doppelpumpen, die laufzeitabhängig umgeschaltet werden müssen. |
Steuerhierarchie
Die Steuerhierarchie ist das Abbild der funktionellen Zuordnung und der Verknüpfungen jener Funktionsbausteine, die ins Steuerkonzept einer Anlage einbezogen sind. Der Aufbau der Steuerhierarchie ist bestimmten Regeln unterworfen. Unterschieden wird in übergeordnete Anlagensteuerung und lokale Steuerung der Funktionseinheiten.
Übergeordnete Steuerung
Die übergeordnete Steuerung ist typischerweise in der Hierarchieebene Teilanlage angesiedelt. Alle Einflussgrössen, welche Auswirkungen auf die gesamte Anlage haben, werden hier gewichtet und zu einer resultierenden Anlagenbetriebsart zusammengefasst. Für die einzelnen möglichen Anlagenbetriebsarten der Anlage kann eine Steuerstrategie für jedes unterliegende Funktionselement definiert werden. Somit können einzelne Anlagen-Szenarien entwickelt werden, z. B. Brandfallsteuerung, Entrauchung, Frostfallsteuerung, Ein- und Ausschaltsteuerung.
Lokale Steuerung
Die lokale Steuerung der Funktionselemente ist typischerweise in der Hierarchieebene Aggregat angesiedelt. Die wichtigste Aufgabe der lokalen Steuerung ist die Störreaktion. Die Funktionseinheit entscheidet selber, wie die Ausgänge im Fall einer Störung gestellt werden müssen. Auch Verriegelungen zwischen Funktionseinheiten (z. B. Klappe/Ventilator) müssen lokal erfolgen. Mit der lokalen Steuerung wird sichergestellt, dass eine Falschparametrierung in der Befehlssteuerung zu keinem Anlagenschaden führen kann.
Die Steuerhierarchie in der folgenden Abbildung berücksichtigt nur beispielhaft den Anwendungsbereich Lüftung.
Funktion und Schnittstellen der I/O-Bausteine
Die I/O-Bausteine sind im Desigo-System die wichtigsten Bausteine. Neben der Ansteuerung der Hardware übernehmen sie noch zahlreiche Steuer- und Überwachungsfunktionen. Somit können ansonsten komplexe Aufgaben bereits mit wenigen Bausteinen gelöst werden.
Hauptfunktionen und Schnittstellen von I/O-Bausteinen
Funktion | Eingänge | Beschreibung | AI | AVAL | AO | BI | BVAL | BO | MI | MVAL | MO |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Weitergabe Eingangssignal unterbrechen | OoServ | Ausser Betrieb | • | • | • | • | • | • | • | • | • |
Prioritäts-mechanismus | DefVal | Vorgabewert |
| • | • |
| • | • |
| • | • |
| PrioArr | Prioritätsmatrix |
| • | • |
| • | • |
| • | • |
Lokale Vorrang-bedienung | Ovrr | Übersteuerung |
| • | • |
| • | • |
| • | • |
OvrrVal | Übersteuerungs-wert |
| • | • |
| • | • |
| • | • | |
Alarmwert-überwachung - Grenzwerte - Referenzwerte - Überwachungs-zeiten | EnAlm | Freigabe des Alarms | • | • | • | • | • | • | • | • | • |
HiLm | Grenze oben | • | • | • |
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LoLm | Grenze unten | • | • | • |
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Nz | Neutrale Zone | • | • | • |
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RefVal(s) | Referenzwert | • |
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| • | • |
| • | • |
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TiMonOn | Einschalt-Überwachung |
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| • | • | • | • | • |
| |
TiMonOff | Ausschalt-Überwachung |
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| • | • | • | • | • |
| |
TiMonDvn | Abweichung-Überwachung | • | • | • | • | • | • | • | • | • | |
Schalt-verzögerungen | DlyOn | Einschalt-verzögerung |
|
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| • | • |
| • | • |
DlyOff | Ausschalt-verzögerung |
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| • | • |
| • | • | |
TbTiDly | Zeit-verzögerungs-tabelle |
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| • |
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| • | • | |
Schaltverhalten Normal (Motor) Freigabebefehl Auslösung (Trigger) Schalter Schalter mit Verzögerung | SwiKind | Schaltart |
| • | • |
| • | • |
| • | • |
Funktion | Ausgänge | Beschreibung | AI | AVAL | AO | BI | BVAL | BO | MI | MVAL | MO |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Rückmelde-überwachung | PrVal | Aktueller Wert | • | • | • | • | • | • | • | • | • |
FbVal | Rückmeldungs-wert |
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| • |
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| • |
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| • | |
Zuverlässigkeits-überwachung | Rlb | Zuverlässigkeit | • | • | • | • | • | • | • | • | • |
Stör-überwachung | Dstb | Störung | • | • | • | • | • | • | • | • | • |
Zustands-überwachung | TraSta | Übergangs-zustand |
| • | • |
| • | • |
| • | • |
Prioritäts-überwachung | SftyActv | Sicherheits-Priorität aktiv |
| • | • |
| • | • |
| • | • |
CritActv | Kritische Priorität aktiv |
| • | • |
| • | • |
| • | • | |
PgmActv | Programm-Priorität aktiv |
| • | • |
| • | • |
| • | • | |
PrPrio | Aktuelle Priorität |
| • | • |
| • | • |
| • | • |
Funktion | Eingänge | Beschreibung | AI_RED | AO_RED | BI_RED | BO_RED | MI_RED | MO_RED |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Weitergabe Eingangssignal unterbrechen | OoServ | Ausser Betrieb |
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DefVal | Vorgabewert |
| • |
| • |
| • | |
Prioritäts-mechanismus | PrioArr | Prioritätsmatrix |
| • |
| • |
| • |
Lokale Vorrang-bedienung | Ovrr | Übersteuerung |
| • |
| • |
| • |
OvrrVal | Übersteuerungs-wert |
| • |
| • |
| • | |
Alarmwert-überwachung - Grenzwerte - Referenzwerte - Überwachungs-zeiten | EnAlm | Freigabe des Alarms |
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HiLm | Grenze oben |
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LoLm | Grenze unten |
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Nz | Neutrale Zone |
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RefVal(s) | Referenzwert |
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TiMonOn | Einschalt-Überwachung |
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TiMonOff | Ausschalt-Überwachung |
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TiMonDvn | Abweichungs-Überwachung |
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Schalt-verzögerungen | DlyOn | Einschalt-verzögerung |
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DlyOff | Ausschalt-verzögerung |
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TbTiDly | Zeitverzögerungs-tabelle |
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Schaltverhalten - Normal - Freigabebefehl - Auslösung (Trigger) | SwiKind | Schaltart |
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| • |
| • |
Funktion | Ausgänge | Beschreibung | AI_RED | AO_RED | BI_RED | BO_RED | MI_RED | MO_RED |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Rückmelde-überwachung | PrVal | Aktueller Wert | • | • | • | • | • | • |
FbVal | Rückmeldungs-wert |
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| |
Zuverlässigkeits-überwachung | Rlb | Zuverlässigkeit | • | • | • | • | • | • |
Störüberwachung | Dstb | Störung | • | • | • | • | • | • |
Zustands-überwachung | TraSta | Übergangs-zustand |
| • |
| • |
| • |
Prioritäts-überwachung | SftyActv | Sicherheits-Priorität aktiv |
| • |
| • |
| • |
CritActv | Kritische Priorität aktiv |
| • |
| • |
| • | |
PgmActv | Programm-Priorität aktiv |
| • |
| • |
| • | |
PrPrio | Aktuelle Priorität |
| • |
| • |
| • |
Prioritätsmechanismus
Im Desigo-PX-System werden bei den I/O-Ausgangsbausteinen und in den Wertbausteinen die Prioritätsmechanismen von BACnet verwendet. Dieser Prioritätsmechanismus sieht verschiedene priorisierte Eingriffsebenen vor, welche für die Steueraufgaben innerhalb von HLK-Anlagen und deren Komponenten angewendet werden.
Folgende Prioritätsebenen stehen an den Bausteinen AO, BO, MO (ebenfalls an den Bausteinen AO_RED, BO_RED, MO_RED) sowie AVAL, BVAL und MVAL zur Verfügung.
Ebene | Anwendung | Beschreibung |
|---|---|---|
Sicherheitsebene | Personensicherheit | Die Sicherheitsebene hat die höchste Priorität und wird verwendet, wenn es darum geht, Personen oder die Anlage zu schützen. Hier werden lokale Wartungsschalter und Not-Aus-Taster verschaltet oder übergeordnet kommandiert, wie z. B. eine Entrauchungssteuerung oder Frostfallsteuerung. |
Anlagensicherheit | ||
Bedienebene | Lokaler Handeingriff | In der Bedienebene werden Handeingriffe auf Komponenten realisiert. Hier greift das Bediengerät ein, wenn der Ausgang eines I/O-Funktionsbausteins forciert wird. Alle darunterliegenden Prioritäten werden damit übersteuert. |
Übergeordneter Handeingriff | ||
Automatikebene | Lokale Steuerung/Regelung | Die Automatikebene wird für die lokalen Regel- und Steuerfunktionen sowie für die übergeordnete BACnet-Kommandierung verwendet. |
Allgemeine BACnet-Kommandierung |
Prioritätsmatrix
Die folgende Abbildung zeigt die Struktur der [PrioArr] und den Einfluss der lokalen und übergeordneten Steuerung.
Lokale Vorrangbedienung
Der Vorrangschalter übersteuert den Schaltwert des Bausteins und bestimmt so den Schaltwert für das Feldgerät. Die lokale Vorrangbedienung hat Vorrang vor einem gleichzeitig aktiven Handbetrieb, d.h. Vorrang vor der lokalen Vorrangbedienung.
Zustandsüberwachung
[AO, BO, MO, AVAL, BVAL, MVAL]
Der Prozess wird anhand der Rückmeldung und bei schaltenden Bausteinen zusätzlich anhand der parametrierten Anfahr- bzw. Austrudelzeit [TbTiDly] überwacht. Der Prozess befindet sich in einem Übergangszustand solange der Rückmeldewert von [PrVal] abweicht und [TbTiDly] noch nicht abgelaufen ist. Die Zustandsüberwachung zeigt den Status am Ausgang Übergangszustand [TraSta] an. Dieser Ausgang lässt sich z. B. für das Einschalten von nachfolgenden Komponenten nutzen.
Rückmeldeüberwachung
[BO, MO]
Die Überwachung der Rückmeldung kann auf der Überwachung eines Datenpunktes basieren oder rein Baustein-intern anhand der Rückmelde-Zeitparameter.
- Rückmelde-Datenpunkt vorhanden [FbAddr:] = Adresse
- Die Überwachung erfolgt anhand des Rückmeldesignals. Mit den Zeitparametern für das Einschalten [TiMonOn], Ausschalten [TiMonOff] oder Unterbruch [TiMonDvn] lassen sich Verzögerungen definieren. Weicht der Rückmeldewert [FbVal] vom Aktuellen Wert [PrVal] ab, so wird bei eingeschalteter Alarmfunktion ein OFFNORMAL-Alarm ausgelöst.
- Kein Rückmelde-Datenpunkt vorhanden [FbAddr:] = leer
- Anhand der Rückmelde-Zeitparameter [TiMonOn/TiMonOff] folgt der Ausgang [FbVal] dem [PrVal] zeitversetzt. Der Ausgang [TraSta] signalisiert den Übergangszustand.
Alarmwertüberwachung
[AI, AO, AVAL, BI, BVAL, MI, MVAL]
Die Alarmwertüberwachung ist optional und kann mit [EnAlm] aktiviert werden. Je nach Bausteintyp können analoge Grenz- oder Schaltwerte überwacht werden. Die Toleranzzeit [TiMonDvn] bis zur Auslösung eines Prozessalarms lässt sich einstellen. Bei schaltenden Bausteinen können Abweichungen bei Ein- oder Ausschaltvorgängen unterschieden werden.
Die Alarmwertüberwachung kann prozessabhängig oder auch zeitabhängig aktiviert werden. Somit lässt sich z. B. eine Frostschutzüberwachung im Sommer ausschalten.
Zuverlässigkeits-Überwachung
[AI, AI_RED, AO, AO_RED, AVAL, BI, BI_RED, BO, BO_RED, BVAL, MI, MI_RED, MO, MO_RED, MVAL]
Die Bausteine überwachen die Zuverlässigkeit der Eingangs- und Ausgangsquellen sowie Konfigurationsfehler. Lässt sich beispielsweise eine Quelle nicht mehr ansprechen, so wird ein Systemalarm generiert und die Ursache am Ausgang [Rlb] angezeigt. Der Störausgang [Dstb] wechselt auf Ja. Für die lokale Störreaktion lässt sich dieser Ausgang z. B. auf den Baustein zurückführen, um mit einer hohen Priorität eine sichere Position einzunehmen. Die Zuverlässigkeitsüberwachung lässt sich mit [OoServ] ausschalten, was bei defekter oder fehlender Hardware sinnvoll sein kann.
Bei den RED-Bausteinen ist die Zuverlässigkeitsüberwachung immer aktiv, da kein [OaServ] vorhanden ist. Die übergeordnete Steuerung unterscheidet diesen Zustand jedoch nicht und die Anlagensicherheit ist unter Umständen nicht gegeben.
Minimale Schaltzeiten
[BO, BVAL, MO, MVAL]
Zur Reduktion der Schalthäufigkeit lässt sich sowohl die minimale Einschaltzeit [TiOnMin] als auch die minimale Ausschaltzeit [TiOffMin] definieren. Bei einem Ein- oder Ausschaltbefehl wird dieser mit Priorität 6 in die [PrioArr] geschrieben und während der definierten Schaltzeit dort gehalten. Für diese Zeitspanne kann keine tiefere Priorität den Schaltwert ändern.
Ein- und Ausschaltverzögerung
[BO, BVAL, MO, MVAL]
Zum verzögerten Ein- bzw. Ausschalten von Elementen [DlyOn/DlyOff]. Zum Beispiel zur Realisierung eines Pumpennachlaufs, um Restwärme abzuführen. Bei einem Ein- oder Ausschaltbefehl wird der entsprechende Schaltwert mit Priorität 6 in die [PrioArr] geschrieben und für die definierte Verzögerungszeit dort gehalten. Für diese Zeitspanne kann keine tiefere Priorität den Schaltwert ändern.
Anfahr-/Austrudelzeit
Laufzeiten für Hoch- und Runterschalten
[BO, BVAL, MO, MVAL]
Für die Anzeige oder Auswertung eines Übergangszustandes [TraSta] lässt sich die Laufzeit einer Klappe oder Austrudelzeit eines mehrstufigen Motors in der Tabelle [TbTiDly] definieren. In Abhängigkeit der verwendeten Schaltart [SwiKind] können die Zeitparameter auch das Schaltverhalten beeinflussen.
Anlagenstörung
Die Bausteine erkennen selbstständig Fehler und melden diese an definierte Alarmklassen [AlmCl], die wiederum für das Verteilen der Alarme auf Alarmempfänger zuständig sind. Je nach der im Baustein eingestellten Alarmfunktion [AlmFnct] ist das Quittieren des Alarms und nach Fehlerbehebung das Rücksetzen des Alarms notwendig.
Erst wenn diese Benutzeraktionen durchgeführt wurden, wird an den gestörten Bausteinen der Ausgang [Dstb] zurückgesetzt. Da sowohl die lokale Steuerung, die in der Regel mit diesem Ausgang im Störungsfall blockiert wird, als auch die übergeordnete Steuerung eine Anlagenstörung ausgelöst hat, wird die Anlage erst nach einem Alarm-Reset wieder anlaufen können.
Der Alarm-Reset kann auf unterschiedliche Weise ausgelöst werden:
- Auslösen des Sammel-Resets im Sammelalarm-Baustein CMN_ALM
- Über einen Alarm-Client