Gebäudesystemtechnik
EnOcean - batterielose Funksensorik
ep10/2007, 3 Seiten
Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 10 Technische Basis Bei der Betrachtung der technischen Basis der EnOcean-Technik wird - aus der Sicht der praktischen Anwendung - vor allem auf den Aspekt der Energiegewinnung aus der Umwelt verwiesen. Auf der Homepage www.enocean.de werden zwei Aspekte dieser innovativen Schlüsseltechnologie hervorgehoben: 1. Energieerzeugung, die scheinbar aus dem Nichts schöpft. 2. Extrem effektive Übertragungsverfahren - winzige Energiemengen werden genutzt, um einen Sensor zu betreiben und seine Messergebnisse zu übertragen. Diese Aufzählung und ein Blick auf die für die Praxis offenkundigen Vorteile dieser Technik (Tafel ) stellen die Energiegewinnung in den Mittelpunkt. Betrachtet man EnOcean genauer, wird man mit einer Fülle recht verschiedener Lösungsansätze konfrontiert. Zum Verständnis der technischphysikalischen Zusammenhänge scheint es sinnvoll, zunächst die Signalübertragung und dann die Energiegewinnung und Sensorik zu betrachten (Bild ). Ultrakurze Datentelegramme Bei EnOcean kommt ein hocheffektives Übertragungsverfahren zum Einsatz, dass bereits mit einer Energiemenge von 50 µWs (50 · 10-6 Ws) pro Telegramm auskommt - einer geradezu unvorstellbar kleinen Energiemenge. Um mit dieser Energiemenge größere Entfernungen (bis 300 m im Freien) überbrücken zu können, wird diese Energiemenge in möglichst kurzer Zeit abgestrahlt. Der Zusam-EnOcean - batterielose Funksensorik Die Chance, auf aufwändige Verkabelungen verzichten zu können, hat in den letzten Jahren zu einer Fülle von Funklösungen im Bereich der Gebäudeautomatisierung geführt. Mit der Bereitstellung lizenzfrei nutzbarer Frequenzbänder haben die Gesetzgeber in vielen Ländern diese Entwicklung ausdrücklich unterstützt. Das unter dem Markennamen EnOcean bekannte batterielose Funksystem gehört zu den absoluten Hightech-Erzeugnissen dieses Segmentes. MEISTERWISSEN Tafel Vorzüge der EnOcean-Technologie Quelle: www.enocean.de Flexibilität der Endapplikation: keine Verkabelung, einfache Montage und Demontage (z. B. durch Kleben) Zeiteinsparung: schnell integriert, montiert und konfiguriert Qualitätsverbesserung: wartungsfrei, keine Batterie ökologische Verträglichkeit: Nutzung vorhandener minimaler Energiemengen, batterielos, Reduktion von Kabelmaterialien (Kupfer, Ummantelung, usw.), Reduktion von Brandlast und Induktionsfeldern Kostenvorteile: in der Integration, der Installation und im Betrieb EnOcean-Technik ultrakurze Datentelegramme autarke Energiegewinnung Sensoren + + EnOcean-Technologie - in der Kombination liegt die Stärke 887 EP1007-878-889 20.09.2007 8:10 Uhr Seite 887 menhang zwischen Sendeleistung, Zeitdauer und Energiemenge wird aus Bild deutlich. Setzt man eine konstante Energiemenge voraus, verhalten sich die Größen Sendeleistung und Zeitdauer zueinander umgekehrt proportional. Gelingt es die Zeitdauer für das Senden des Datentelegramms auf ein Zehntel zu reduzieren, steigt die Sendeleistung auf das 10fache. Dieser einfache Grundzusammenhang liegt letztlich der EnOcean-Technologie zugrunde. Das verwendete Modulationsverfahren, hohe Taktraten und eine optimierte Struktur des Datentelegramms (wenig Overhead) machen es möglich, die Sendedauer auf Bruchteile einer Sekunde zu beschränken und daher mit geringen Energiemengen praktisch nutzbare Sendeleistungen zu erreichen. Diese ultrakurzen Datentelegramme haben aber nicht nur den Vorzug, mit geringen Energiemengen auszukommen, sondern die Kürze der Sendezeit reduziert zudem die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen. Auch in dieser Hinsicht hat diese Technologie gegenüber anderen Funklösungen Vorteile (Bild ). Autarke Energiegewinnung Die zum Betrieb der Sensorik und des Senders benötigte Energie wird unmittelbar am Einbauort des Sensormoduls gewonnen. Dabei werden je nach Verfügbarkeit verschiedene Energieformen wie · Bewegungsenergie (auch Druck) · Wärmeenergie (auch Temperaturunterschiede) oder · Lichtenergie genutzt. Zur Umwandlung dieser Umgebungsenergien in verwertbare elektrische Energie werden die verschiedensten physikalische Effekte genutzt, wie magnetische Induktion, Piezo-Effekt, Peltier-Effekt, Seebeck-Effekt u. v. a. m. Elektrische Energie wird auch mittels Solarzellen gewonnen, die dann in den Modulen gespeichert wird und einen Betrieb bei längerer Dunkelheit gestattet. Sensoren Bei der Sensorik geht es ebenfalls darum, mit der verfügbaren, der Umwelt entnommen Energie, auszukommen. Aktive Sensoren werden daher bevorzugt. Werden passive Sensoren eingesetzt, muss deren benötigte Energie am Einbauort gewonnen werden. Module Die EnOcean-Technik wurde wegen ihrer Vorzüge (Tafel ) Basis diverser Fabrikate. Die dabei eingesetzten Module lassen sich aber bezüglich ihres prinzipiellen Aufbaues und ihrer Funktion recht gut systematisieren. Diese Systematik hilft auch beim Verständnis der fabrikatstypischen Begriffe. Sendemodule Die Sendemodule, auch Sensormodule genannt, sind eigentlich Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 10 888 1 5 10 verfügbare Energie = const. Sendedauer als bezogene Größe Sendeleistung als bezogene Größe Energiemenge und Stärke des Signals typischer Funksensor EnOcean 100,0 99,9 Übertragungswahrscheinlichkeit 1 10 100 1000 Anzahl der Sender, die einmal pro Minute senden EnOcean hat eine deutlich höhere Übertragungszuverlässigkeit Quelle: www.enocean.de Sensorik Energiewandler Signalcodierung und Sender Energie aus der Umwelt oder dem beobachteten Prozess 230 V Netzspannung Leistungsstufe Empfänger und Signaldecodierung Verbraucher: Beleuchtung, Antriebe etc. Sender/Empfänger und Signalcodierung und Decodierung Gebäudebussystem SPS oder DDC Empfängermodul oder Transceiver a) Sendemodul b) Empfangsmodul c) Transceivermodul d) Gateways Prinzipieller Aufbau der Module (teilweise in Anlehnung an www.wut.de) BETRIEBSFÜHRUNG S A S - Sensor auf EnOcean-Basis A - Aktor auf EnOcean-Basis S A T - Transceiver auf EnOcean-Basis zentrale Bedienung Gebäudebussystem SPS oder DDC Typische Anordnungen a) Sensor-Aktor b) Sensor-Transceiver-Aktor c) Anbindung von EnOcean-Sensoren und Aktoren d) EnOcean-Sensoren als Subsystem Tafel Wesentliche Merkmale Quelle: www.enocean.de minimale Energieanforderungen Unterstützung von Hunderten von Sendern in nächster Nachbarschaft maximale Übertragungszuverlässigkeit große Übertragungsreichweite leichte Erweiterbarkeit geeignet für uni- und bidirektionale Kommunikation Flexibilität bei der Anpassung an unterschiedliche Datenstrukturen und Datenmengen Option der Datenverschlüsselung EP1007-878-889 20.09.2007 8:10 Uhr Seite 888 Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 10 die typischen EnOcean-Module. Diese Module (Bild a) enthalten die Sensorik zur Erfassung der jeweiligen physikalischen Größe, einen Energiewandler zur Gewinnung von Elektroenergie aus der Umgebung und eine Baugruppe zur Signalcodierung und zum Senden. Empfangsmodule Wo gesendet wird, muss auch empfangen werden. Die Empfangsmodule, auch Aktormodule (Bild b) genannt, sind das Gegenstück der Sendemodule. Diese bestehen aus einer Baugruppe zum Empfang und zur Signal-Decodierung sowie einer Leistungsstufe zur Steuerung des angeschlossenen Verbrauchers. Das Problem der Energiegewinnung aus der Umwelt besteht bei diesen Modulen nicht, da ohnehin eine Versorgung der Verbraucher mit Netzspannung erfolgt. Transceivermodule Die Kombination von Sende- und Empfangsmodul wird Transceiver (Bild c) genannt. Derartige Module werden als Repeater zur Signalauffrischung dort eingesetzt, wo größere Entfernungen überbrückt werden sollen oder wegen baulicher Gegebenheiten (z. B. bewehrte Geschossdecken) Schwächungen des Funksignals auftreten. Diese Module werden üblicherweise über 230-V-Netzspannung versorgt. Gateways Eine Sonderform der Empfangs-bzw. Transceivermodule sind die Gateways. Diese dienen der Einbindung von EnOcean-Komponenten in ein übergeordnetes Gebäudebussystem. Typischen Anordnungen Betrachtet man die auf der Basis der EnOcean-Technik angebotenen Lösungen, so findet man in der Gebäudeautomation - bei allen Unterschieden und Spezifika der einzelnen Fabrikate - einige ganz typische Anordnungen. Sensor-Aktor Auf der Basis von Sensor- und Aktormodulen (Bild a) werden Produkte zur Gebäudesteuerung auf EnOcean-Basis angeboten. Die Zuordnung von Sensoren zu Aktoren erfolgt dabei über das „Einlernen“ der Module. Eine Programmierung im eigentlichen Sinne ist hier nicht erforderlich. Sensor-Transceiver-Aktor Durch den Einsatz von Transceivern als Repeater (Bild b) können größere Entfernungen überbrückt werden. Bei Bedarf ist eine Kaskadierung zweier Repeater möglich. Eine andere Form des Einsatzes von Transceivern dient der bidirektionalen Anbindung eines aus Aktoren und Sensoren auf EnOcean-Basis bestehenden Systems (Bild c) an ein Gebäudebussystem bzw. eine SPS oder ein DDC. In diesem Fall wird der Transceiver zu einem Gateway. Eine solche Anordnung ist auch zur Realisierung von Visualisierungen nötig oder wenn zentrale Bedienfunktionen über Touchpanels erfolgen sollen. Subsystem Sollen lediglich EnOcean-Sensoren in ein übergeordnetes Gebäudebussystem eingebunden werden, welches die Steuerung der Verbraucher übernimmt, wird ein Empfangsmodul zu einem Gateway erweitert. In diesem Fall wird EnOcean dann zu einem sensorseitigen Subsystem (Bild d). Diese Anordnung hat durchaus Ähnlichkeiten mit aktorseitig praktizierten Subsytemen, wie DALI [1], SMI [2] oder dem MP-Bus [3]. Fazit EnOcean ist eine Technik, deren Potential gegenwärtig erst Schritt für Schritt erschlossen wird. Im Bereich der Gebäudetechnik hat EnOcean sowohl als reine Funklösung vor allem für Nachrüstungen, als auch in Kombination mit anderen Systemen als Subsystem gute Chancen auf wachsende Marktanteile. Literatur [1] Möbus, H.: Lichtsteuerung mit DALI. Elektropraktiker Berlin 60(2006)11, S. 920-922. [2] Möbus, H.: Antriebssteuerung mit SMI. Elektropraktiker Berlin 61(2007)1, S. 35-36. [3] Möbus, H.: MP-Bus - Antriebe steuern, Temperaturen messen. Elektropraktiker Berlin 61(2007)9, S. 776-778. H. Möbus EP1007-878-889 20.09.2007 8:10 Uhr Seite 889
Autor
- H. Möbus
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