Inde i en BMS-controller: kontrolskabe, feltenheder og DDC-loopet

Foto: Åbent kontrolskab med I/O-moduler og klemrækker. Foto af Raymond Sime på Unsplash.

En BMS-controller er den lille industricomputer, der kører et bygningsstyringssystems logik for varme, køling, ventilation eller belysning. Ikke at forveksle med en Battery Management System-controller, der balancerer celler i en batteripakke eller en elbil. Samme forkortelse i den engelsksprogede litteratur, helt forskellige fagområder. Denne artikel handler udelukkende om bygningsautomation.

Den bygger videre på vores opslag om bygningsstyringssystemer, som forklarer BMS som helhed. Her går vi et niveau dybere: hvad controlleren rent faktisk gør, hvad der fysisk sidder i kontrolskabet, hvilke feltenheder der er tilsluttet, og hvor et analyselag som FrostLogic Explore kobler sig på, når styringen allerede kører.

Hvad en BMS-controller gør: DDC-loopet

Enhver BMS-controller arbejder efter samme grundmønster, direct digital control, forkortet DDC. En sensor rapporterer en værdi: tilluftstemperatur, CO2-niveau, kanaltryk. Controllerens logik sammenligner værdien med et setpunkt og beregner en udgangsværdi via en regulering, som oftest er PID (proportional-integral-differential). En aktuator udfører derefter ændringen: en ventil åbner lidt, et spjæld lukker, en ventilator skruer op. Loopet gentages, ofte flere gange i sekundet, så længe anlægget kører.

Det er netop denne læs-vurder-styr-cyklus, der gør reguleringen "direkte": controlleren læser sine egne feltpunkter og styrer sine egne udgange uden at vente på en central server for hver cyklus. En enkelt controller kan køre ét loop (en VAV-boks, der holder en zonetemperatur) eller adskillige dusin (et ventilationsaggregat, der koordinerer opvarmning, køling, blandingsspjæld og ventilatorhastighed). Den slags bygningsautomationscontrollere leveres som dedikeret hardware fra producenter som Siemens, Schneider Electric, Honeywell, Trend og Johnson Controls, i stigende grad også som softwaredefinerede controllere på en Niagara-platform. DDC-princippet er det samme uanset skabet.

DDC-controllere versus overordnede controllere

Ikke alle controllere i et BMS udfører samme opgave. Hierarkiet har normalt to niveauer.

DDC-controllere (felt- eller undercentraler) kører lokale loops tæt på anlægget: en pr. ventilationsaggregat, en pr. etages VAV-bokse, en pr. køleanlæg. De holder setpunkter og tidsplaner, selv hvis netværksforbindelsen falder ud. En DDC-controller uden forbindelse holder stadig zonen på temperatur, den holder blot op med at rapportere tilbage.

Den overordnede controller koordinerer oppefra. Den kører sjældent selv et tæt sensor-til-aktuator-loop, men sender i stedet tidsplaner og globale setpunkter ned til DDC-controllerne, indsamler trend- og alarmdata opad og giver driftspersonalet ét sted at ændre en tidsplan i stedet for fyrre. I en mindre bygning kan den rolle varetages af en enkelt operatør-pc; i en stor portefølje er det en dedikeret server, undertiden et helt netværk af BACnet- eller Niagara-noder.

Den todelte struktur er, hvad man mener, når man taler om "BMS-styring" som et system snarere end en enkelt enhed: feltcontrollerne holder fysikken, det overordnede niveau holder koordineringen, og netværksprotokollen mellem dem, oftest BACnet, nogle gange Modbus, bærer både trenddata opad og setpunktsændringer nedad.

Inde i et BMS-kontrolskab

Controlleren selv er blot én komponent i BMS-kontrolskabet, metalskabet en elektriker monterer i teknikrummet. Åbner man et, finder man typisk:

• Controllerkortet (eller kortene). Den DDC-logik, der er beskrevet ovenfor, ofte med et lille lokalt display eller en idriftsættelsesport.
• I/O-moduler. Ind-/udgangskort, der oversætter feltkablingen til signaler, controlleren kan bruge: analoge indgange til temperatur- og tryksensorer, digitale indgange til statuskontakter, analoge udgange til modulerende aktuatorer, digitale (relæ-) udgange til til/fra-udstyr som pumper og ventilatorer. Rækker den indbyggede I/O-kapacitet ikke, tilføjes udvidelsesmoduler.
• Klemrækker. Nummererede skrueklemmer, hvor hver feltleder lander i henhold til ledningsdiagrammet. Det er her en integrator eller idriftsætter reelt arbejder; et defekt punkt spores til klemmen, ikke til en kodelinje.
• Strømforsyning, sikringer og netværksforbindelse, som oftest er RS-485 eller Ethernet til BACnet, Modbus eller en leverandørspecifik bus op til det overordnede niveau.

Et enkelt kontrolskab kan rumme én controller til en taganlæg, eller flere controllere til et helt teknikrum. Skabet er indpakning og kabling; controlleren indeni er det, der reelt kører logikken.

Feltenheder: hvad controlleren læser og styrer

En controller er kun så god som det, den er tilsluttet. Feltenheder deler sig i to grupper.

Sensorer leverer information ind: temperatur- og fugtighedsfølere, CO2- og luftkvalitetssensorer, differenstryksensorer over filtre eller kanaler, flowmålere, tilstedeværelses- og lysniveaufølere, strømtransformere på motorer og statuskontakter, der melder om udstyret rent faktisk kører. De fleste rapporterer via en 4-20 mA-sløjfe, et 0-10 V analogt signal, eller i stigende grad som et indbygget BACnet- eller Modbus-punkt på intelligente enheder, der helt springer den analoge omregning over.

Aktuatorer udfører controllerens beslutning: modulerende eller til/fra-ventilaktuatorer på varme- og kølebatterier, spjældaktuatorer på ventilationsaggregater og VAV-bokse, frekvensomformere på ventilatorer og pumper samt relæer, der kobler belysningskredse eller starter motorer. En aktuators opgave er snæver: flytte til den position, controlleren beordrer. Det er netop derfor intelligensen sidder i controlleren, ikke i enheden.

Bygningsautomationscontroller og BMS-styresystem: samme teknik, forskellige navne

"BMS-controller", "bygningsautomationscontroller" og "bygningsstyringssystemcontroller" beskriver den samme hardware. Hvilket begreb du støder på, afhænger som regel af, hvilken dokumentation eller hvilket marked du læser: bygningsautomation fremhæver den lokale regulering, bygningsstyringssystem (BMS) hele systemet af controllere, skabe, feltenheder og overordnet niveau tilsammen. "BMS-styresystem" refererer netop til den helhed, ikke en enkelt enhed. Ingen af disse begreber beskriver en komponent i et Battery Management System, og ingen beskriver en analyseplatform. Et BMS-styresystem kører anlægget; det prioriterer eller forudsiger intet af sig selv.

Hvor analyselaget kobler sig på

Intet i hardwaren ovenfor ændrer sig, når et analyselag tilføjes. FrostLogic Explore læser de samme punkter, som DDC-controllerne og det overordnede niveau allerede eksponerer, via BACnet, Modbus, OPC UA eller oBIX, de samme protokoller en integrator brugte til at idriftsætte skabet i første omgang. Explore sidder oven på styringen, ligesom BMS-opslaget beskriver: det læser trenddata, kører detektion og prognose, og gør rå controller-telemetri til en prioriteret liste over, hvad der bør rettes. Se BMS-analyse i FrostLogic Explore for, hvordan det læsende lag fungerer, og integrationshubbet for de leverandørspecifikke forbindelsesveje: Siemens Desigo, Schneider EcoStruxure, Honeywell Niagara, Johnson Controls Metasys og Honeywell Trend blandt dem.

Skriveadgang er et separat, valgfrit lag oven på denne læsevej. Via FrostLogic Edge Agent kan Explore foreslå en ændring af setpunkt eller tidsplan med begrundelse og forventet effekt, og derefter skrive den tilbage til controlleren, enten efter en person har gennemgået og godkendt forslaget, eller automatisk inden for et scope, du udtrykkeligt har givet adgang til. Skriveadgang er slået fra som standard ved enhver installation; intet ændres ved controlleren, før en driftsansvarlig aktiverer et sådant scope. Hvordan den adgangsmodel fungerer, er beskrevet i sin helhed på siden Automation. Det DDC-loop, der er beskrevet øverst i artiklen, er stadig det, der udfører ændringen. Explore foreslår og, hvor der er givet adgang, skriver; controlleren kører stadig fysikken.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad styrer en BMS-controller konkret? En BMS-controller kører et læs-vurder-styr-loop for én anlægsdel eller én zone: den læser en sensor, sammenligner værdien med et setpunkt og styrer en aktuator eller et relæ, så afvigelsen rettes. Et ventilationsaggregat eller en VAV-boks betjenes typisk af én controller, der kører flere af den slags loops samtidig.

Er en BMS-controller det samme som en Battery Management System-controller? Nej. De deler kun forkortelsen BMS i den engelske fagsprog, intet andet. En Battery Management System-controller overvåger og balancerer celler i en batteripakke, for eksempel i en elbil. En BMS-controller i en bygning kører varme, ventilation og anden bygningsteknik. Denne artikel handler om sidstnævnte.

Hvad adskiller en DDC-controller fra det overordnede niveau? En DDC-controller kører et lokalt læs-vurder-styr-loop og fortsætter med at fungere, selv hvis netværksforbindelsen falder ud. Det overordnede niveau sidder over feltlaget, sender tidsplaner og globale setpunkter ned og indsamler trend- og alarmdata til driftspersonalet. De fleste bygninger har flere DDC-controllere, der rapporterer til ét overordnet niveau.

Hvad sidder der i et BMS-kontrolskab? Typisk et controllerkort, I/O-moduler der oversætter feltkablingen til brugbare signaler, klemrækker til feltlederne, en strømforsyning og en netværksforbindelse til det overordnede niveau.

Skal jeg udskifte mine BMS-controllere for at tilføje analyse? Nej. Et analyselag som FrostLogic Explore læser de punkter, dine eksisterende controllere allerede eksponerer via BACnet, Modbus, OPC UA eller oBIX. Det erstatter hverken DDC-logikken eller kontrolskabet, det kører i. Det læser parallelt, og skriveadgang er, hvis den slås til, et separat adgangsstyret lag oven på.

Hvilke producenter fremstiller BMS-controllere? Siemens (Desigo), Schneider Electric (EcoStruxure), Honeywell (også Niagara-baserede platforme), Trend og Johnson Controls (Metasys) er dem, man oftest støder på i erhvervsejendomme. En stor portefølje kører som regel flere af dem side om side, ofte fra forskellige generationer, en grund til at et leverandørneutralt analyselag oven på er nyttigt.

Vil du se, hvad et analyselag finder, når det læser dine eksisterende controllere? Tal med os, eller få din Building Intelligence Score: tolv spørgsmål, gratis, og et klart billede af, hvor bygningen mister værdi.