Referenzprojekte - Effiziente Energiesysteme

Nutzungsdauer für 700 MSR-Anlagen um 10 Jahre verlängert

Die Charité als Medizinische Fakultät der Humboldt-Universität zu Berlin erfuhr mit der Modernisierung bestehender Gebäudeteile und dem Neubau u.a. des weithin sichtbaren Hochhauses zu Beginn der achtziger Jahre baulich eine ihrem international bekannten wissenschaftlichen Stand adäquate bauliche Aufwertung.

s&r entwickelte Kundenwunsch - Leittechnik für Berliner Charité

Dezentrale Automation bereits seit Beginn der Achtziger

Auch in der Gebäudeautomation setzte man das beste ein, was in der damaligen DDR verfügbar bzw. entwickelbar war. Das GRW Teltow hatte Ende der siebziger mit ersten Entwicklungen für ein Gebäudeautomationssystem auf der Basis des 8-bit-Prozessors U880 (Nachentwicklung des Z80 von Zilog) begonnen. Entwickelt wurden damit Unterstationen, die bis zu 64 digitale bzw. analoge Anlagendatenpunkte umfassen konnten, sowie ein Leitrechner, der ebenfalls auf dem U880 basierte. Das neu entwickelte System erhielt den Namen GAA5000 und wurde in den achtziger Jahren dann auch in etwa einem Dutzend weiterer Neubauvorhaben und modernisierter Gebäude im Ostteil Berlins eingesetzt – so auch in der Staatsoper Unter den Linden. Letztendlich blieb die Charité jedoch hinsichtlich Umfang und Bearbeitungszeitraum das größte Projekt, hier wurden zwischen 1981 und 1990 knapp 200 Unterstationen mit ca. 800 Anlagen in Betrieb genommen.

Spezialitäten der damaligen Hard- und Software

Der Leitrechner des GAA5000-Systems basierte ebenfalls auf dem U880 und enthielt eine umfangreiche Peripherie zur Kommunikation mit den Unterstationen, zu Aus- und Eingabegeräten sowie zu einem optionalen weiteren Leitrechner.

Nach Untersuchung verschiedener Kommunikationsvarianten entschieden sich die Entwickler des GRW Teltow für eine serielle Kopplung der Unterstationen mit dem Leitrechner über eine 60 Volt-Stromschleifenschnittstelle, da Entfernungen bis zu einigen Kilometern ohne Repeater zu überbrücken waren. Am Leitrechner konnten bis zu 16 derartiger Linien mit bis zu 16 Unterstationen angeschlossen werden – insgesamt also 256 Unterstationen mit entsprechend großer Datenpunktzahl. Andererseits standen dem Leitrechner nur 64 Kilobyte Adressraum zur Verfügung – davon lediglich 16 KB als RAM für 800 Anlagen. Weiterhin gab es keinerlei Massenspeicher - Programme und Daten waren auf EPROM gebrannt, aktuelle Ausgaben und Trendlogs erschienen auf dm Bildschirm bzw. wurden sofort ausgedruckt. Kein Wunder, dass bei dieser permanenten Speicherknappheit alle nur möglichen Daten und Programmteile auf die Unterstationen ausgelagert wurden, die ja jede für sich 64 Kilobyte adressieren konnten. So entstand ein frühes Bespiel konsequent dezentraler Automation. Aber auch im Bereich der logischen Strukturierung leistete man Pionierarbeit – es wurden 127 strukturierte Datenpunkttypen ermöglicht, die jeweils eine logische Einheit von Soll- und Istwerten eines Anlagenteils repräsentieren. Als Beispiel sei Datenpunkttyp 2 „zweistufiger Lüfter mit Hilfsluftkontrolle“ genannt. Er vereinigt zweistufige Ansteuerung des Lüfters, Erfassen Reparaturschalter, Rückmeldungen zu Stufe 1 und 2 sowie mechanische und Hilfsluftfehler mit der zugehörigen Generierung von Störungsmeldungen an den Leitrechner.

Als dritte wesentliche Besonderheit des GAA5000-Systems ist der gewerkeübergreifende Ansatz zu sehen, der erst Mitte der neunziger Jahre von modernen herstellerneutralen Systemen wie LON® großflächig in Projekte eingebracht wurde. Das GAA5000-System lässt die logische Strukturierung in bis zu 16 Gewerke zu. Im Projekt Charité wurden die Gewerke Aufzug, Brandschutz, Elektro, Telekommunikation, HKL, Sanitär, Wasseraufbereitung und technische Gase eingebunden.

Jungbrunnen für immer noch leistungsfähiges System

Mit der quasi-Auflösung der ostdeutschen Industrie Anfang der neunziger Jahre entstand für die Betreiber von GAA5000-Systemen eine schwierige Situation, da Ersatzteile nur noch aus Altbeständen verfügbar waren und keine Weiterentwicklung dieser Technik mehr erfolgte. Die meisten Betreiber ersetzten die GAA5000 durch nun am Markt verfügbare Technik. In der Charité zeigte sich schnell, dass das komplette Ersetzen der etwa zehn Jahre alten Technik einen nicht tragbaren Kostenaufwand bedeuten würde – immerhin wären etwa 800 Anlagen mit Sensorik und Aktorik zu ersetzen gewesen. So setzte man an den Hardware-Schwachpunkten der GAA5000-Technik an und erhöhte durch Bestückung der Unterstationen mit modernen Speicherchips die Zuverlässigkeit enorm. Außerdem übertrug man in einigen wenigen Bereichen – wie z.B. Notnetzumschaltung - die Funktionen auf neue Systeme. Es verblieb das im Betrieb befindliche GAA5000-System für etwa 750 Anlagen als Insellösung in der Charité mit dem in der Zwischenzeit fast nicht modifizierten Leitrechner – d. h. ohne Schnittstellen zu handelsüblicher IT, ohne Backupmedium, ohne Filesystem, ohne neue Ersatzteile. Einige mit anderen Automatisationsvorhaben an der Charité beauftragte Firmen versprachen kurzfristig einen Austausch des GAA5000-Leitrechners durch ihr marktgängiges Leitsystem – leider ohne Erfolg.

So beauftragte letztendlich der Berliner Senat das Ingenieurbüro c.a.e.s.a.r. Ingenieure mit der Planung und Ausschreibung eines

modernen Leitrechnersystems als Kopfstation des GAA5000-Netzwerkes und seiner Unterstationen. Entsprechend den heutigen Anforderungen wurden ein Client-Server-basiertes System sowie eine OPC-Server-Schnittstelle vorgegeben. Mit Ausnahme der physischen Schnittstellenwandler zu den 60 Volt-Stromschleifen war eine Lösung mit am Markt verfügbaren Standardkomponenten gefordert. Anfang 2003 erhielt die Berliner Firma s&r Schalt- und Regeltechnik GmbH den Zuschlag, weil sie bereits in der Vergangenheit Dienstleistungen für Sonderlösungen im Bereich Gebäudeautomation erfolgreich meisterte und dabei sehr preisgünstig agieren konnte.

Mit Auftragserteilung wurden nach innerhalb weniger Wochen leistungsfähige Analysewerkzeuge wie Stromschleifenkoppler, LowLevel-Monitor und Protokollinterpreter erstellt. Diese Werkzeuge erwiesen sich auch als äußerst notwendig und hilfreich, weil Teile der ursprünglichen Herstellerdokumentation unvollständig, widersprüchlich oder gar nicht an den Betreiber übergeben worden waren.

Nach Abschluss der wesentlichen Analyseteile wurde ein Pflichtenheft erstellt und mit dem Betreiber abgestimmt. Für die Erstellung des neuen Systems verbot sich das Nachempfinden der kaum dokumentierten U880-Assemblerprogramme aus den Achtzigern wegen der geforderten flexiblen Client-Server-basierten Lösung und dem engen Zeitrahmen. Stattdessen wurde in kürzester Zeit auf der Basis moderner objektorientierter Softwaretechnologien und unter effektiver Nutzung bereits im Hause s&r existierender Softwarebausteine die geforderte Leitstandssoftware entwickelt, parallel dazu die spezifischen Schnittstellenkoppler für sechzehn Kommunikationslinien. Das System wurde von Juli bis September 2003 ausgiebig getestet, so dass Anfang Oktober mit gutem Gewissen auf die neue Technik - s&r GAA5003 - umgeschaltet werden konnte. Es gab seit dieser Zeit keine schwerwiegenden Ausfälle. Derzeit wird der ebenfalls von s&r gelieferte OPC-Server getestet, um ausgewählte Daten auch auf übergeordneter Leittechnik verwenden zu können.

Hervorzuheben ist, dass die Firma s&r während der gesamten Tätigkeit stets ausgezeichnete Unterstützung durch die verantwortlichen Mitarbeiter der Charité und das Planungsbüro c.a.e.s.a.r. Ingenieure erhielt.

Zukunftsfähige Lösung von s&r

Das s&r GAA5003 System besteht aus den Bestandteilen

  • Zwei 8-Kanal-Linienkoppler Stromschleife/RS232, eingebaut im 19“-Serverschrank
  • Serverhardware (Intel-basierend) , eingebaut im 19“-Serverschrank, mit redundanter Technik und USV für Server und Linienkoppler
  • GAA5003-Serverbetriebssystem als automatisch startender Dienst
  • GAA5003-Clients als bedarfsweise zu startende Programme auf verschiedenen Bedienstationen im Campus-Netzwerk des Betreibers
Bild der Client-Server Struktur

Herzstück des Systems ist der GAA5003-Server. Er wurde so konzipiert, dass - entkoppelt von Bedienereingriffen an den Clients - auf dem Server alle wichtigen Funktionen und Daten gehalten werden. Dies sind u.a.

  • Halten der gesamten statischen und dynamischen Datenbank
  • Ständige Ereignisabfrage der Feldebene und Meldungsverarbeitung mit Protokollierung auf Drucker und Dateien, Kommunikatonsüberwachung
  • Realisierung sämtlicher automatischer GLT-Funktionen wie ereignisorientierte unterstationsübergreifende Kommunikation, Ausführung von Zeitschaltbefehlen, Schreiben von Trendlogs etc.
  • Datenserver zur Bedienung der Clientanfragen
  • Verwaltungsprogramm zur grundlegenden Einstellung der Servereigenschaften

Derzeit sind vier GAA5003-Clientprogramme verfügbar :

  • GAA5003-Konsole - für die textbasierte Bedienung des GAA-Systems ähnlich der Bedienoberfläche der bisherigen Kopfstation
  • GAA5003-Eigenschaftseditor – zum komfortablen Zugriff auf den Datenbankinhalt des Servers (Editieren von Datenstrukturen sowie sämtlicher automatischer Leitzentralenfunktionen, von Klartexten, Export- und Import-Schnittstelle)
  • GAA5003-OPC-Server zur Kopplung an übergeordnete Systeme (Data Access Version 3 und Alarms and Events Version 1)
  • GAA5003-Batch-Client

Vorteile für den Betreiber

Neben der enormen Erhöhung der Zuverlässigkeit der Kopfstation und damit des Gesamtsystems ergeben sich für den Betreiber folgende weitere Vorteile :

  • Nutzungsmöglichkeit der vorhandenen Unterstations- und Anlagentechnik für geschätzt weitere zehn Jahre
  • Einsatz standardmäßiger Hardware (Ausnahme Linientreiber als separate Baugruppe), damit Lösung des Ersatzteilproblems
  • Ausschließliche Voraussetzung von gängigen Standard-Betriebssystemen (Microsoft Windows®2000 Workstation bzw. Server)
  • Variabilität in der Positionierung und Nutzung der Bedienstationen
  • Entkopplung von Bedienerumgebung und hoch priorisierten Systemaufgaben
  • Umfangreiche statische Export-/Import-Schnittstelle zur Generierung oder Weiterverarbeitung von Prozess- und Anlagendaten mit Office-Anwendungen
  • Dynamische Schnittstelle gemäß OPC-Spezifikation zum Austausch von Prozessdaten mit übergeordneten Leitsystemen oder weiteren Spezialapplikationen (z. B. spezielle Trendlogger oder Ereignistriggern zum Auffinden von Anlagenfehlern)
  • Nutzerverwaltung eingebettet in das strukturierte EDV-Konzept des Betreibers, dadurch flexibel anpassbar
  • Universelle Parametrierbarkeit der Datenbanken für Anlagen- und Unterstationsstruktur, Klartexte, Zeitpläne, Trendlogs und Leitzentralenmaßnahmen

Ausblick

Als Ergänzung der bereits bestehenden Gruppenbefehle des GAA5003-Systems ist eine Script-Engine als weiteres Clientprogramm in Arbeit. Damit sollen dem Bediener des GAA5003-Systems zeitraubende Bedienaktionen nach umfangreichen Systemeingriffen (wie z.B. Test Notnetzbetrieb) abgenommen werden. Mit dem Einpflegen dieser Script-Engine wird das Projekt Erneuerung Kopfstation Charité abgeschlossen und steht damit in einer umfangreichen Reihe von Spezialdienstleistungen, die die Fa. s&r zur Zufriedenheit ihrer Kunden ausführen konnte. Dazu zählen u.a. Arbeiten in der Analyse und Umstrukturierung vorhander Anlagen – wie für die Deutsche Bahn AG am Berliner Ostbahnhof und Bahnhof Friedrichstr. In jedem Fall sind dabei zuverlässig funktionierende Anlagen und zufriedene Kunden oberstes Ziel der Tätigkeit von s&r. Neben klassischen MSR-Anlagen sind weitere Geschäftsfelder der Firma s&r

  • Soft- und Hardware zur Steuerung und Analyse von dezentralen Energieanlagen
  • Entwicklung, Projektierung und Inbetriebnahme von Energieerzeugern auf der Basis PEM-Brennstoffzellen
  • LonWorks®-Systemspezialist mit Messtechnik und Multivendorwand, je nach Projektanforderung mit LNS®-Tool oder Netzwerkmanagement ohne Lizenzgebühren, Spezialgebiet Rekonstruktion von Netzwerkdatenbanken

Vielleicht wollen auch Sie nutzbringend die Erfahrungen von s&r auf diesen Gebieten einsetzen.

Veröffentlichung :

Vogt, O. :
Neue Leittechnik für Berliner Charité "Nutzungsdauer für 700 MSR-Anlagen um 10 Jahre verlängert" BUS SYSTEME Berlin, 11.Jg./2004, Heft 2, S. 112-113