DE102009056213A1

DE102009056213A1 - Ethernet-Koppelgerät für die Gebäudeautomation

Info

Publication number: DE102009056213A1
Application number: DE102009056213A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Trauth
Original assignee: Gsp Trauth & Gerstenhoefer Gmb; Gsp Trauth & Gerstenhofer GmbH
Current assignee: Gsp Trauth & Gerstenhoefer Gmb; Gsp Trauth & Gerstenhofer GmbH
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-11-28
Publication date: 2010-07-22
Also published as: DE202009000673U1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ethernet-Koppelgerät für die Gebäudeautomation, bei dem Eingänge für Temperatursensoren vorhanden sind oder Temperatursensoren eingebaut sind, und bei dem Eingänge vorhanden sind, an die Taster oder Schalter angeschlossen werden können, und das eine Ethernet-Schnittstelle aufweist, und dass es eine elektronische Einrichtung enthält, welche die Zustände der angeschlossenen Taster oder Schalter sowie die gemessenen Temperaturen detektiert, in digitale Daten umwandelt und diese Daten über die Ethernetschnittstelle zu anderen Teilnehmern an einem Ethernet-Netzwerk übertragen kann, und dass es sich für den Einbau in standardisierte Rundgehäuse, sogenannte Unterputzdosen, eignet, wie sie in der Gebäudetechnik für den Einbau in Mauerwerk oder zur Hohlwandmontage verwendet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ethernet-Koppelgerät für die Gebäudeautomation.
Sowohl bei der Elektroinstallation von Gebäuden als auch auf dem Gebiet der Gebäudeautomation sind Daten-Bussysteme von großem Interesse. Weit verbreitet ist beispielsweise der European Installation Bus (KNX/EIB). Die Vorteile eines solchen Bussystems sind bekannt und müssen hier nicht weiter erläutert werden.
Nachteilig an den existierenden, speziell für die Gebäudetechnik entwickelten Bussystemen ist unter anderem, dass zu ihrer Inbetriebnahme und für Modifikationen stets spezielle Hard- und Software benötigt wird, da sie weder direkt an eine der üblichen Schnittstellen eines Büro- oder Heimcomputers (PC) angeschlossen werden können, noch ein auf Büro- oder Heimcomputern übliches Datenprotokoll eingesetzt wird.
Wünschenswert wäre daher der Einsatz eines in der Datenverarbeitung weit verbreiteten Netzwerkstandards, wie es der Ethernet-Standard ist, welcher in IEEE 802, insbesondere in IEEE 802.3, beschrieben ist.
Dies bietet den zusätzlichen Vorteil, dass, geeignete Steuerungssoftware vorausgesetzt, jeder handelsübliche PC einen zentralen Steuerungsrechner des gebäudetechnischen Ethernet-Netzwerks im Bedarfsfall ersetzen kann. Wegen der hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit gebäudetechnischer Systeme ist das sehr nützlich. Ein weiterer Vorteil ist die Verfügbarkeit preisgünstiger, kompakter Steuerungsmodule mit Ethernet-Anschluß (z. B. sogenannte Hutschienen-PCs).
Falls ein Gebäude mit Leitungen für die Datenübertragung ausgerüstet werden soll, ist es wünschenswert nur ein einziges System zu verwenden. Da Ethernet für die Verbindung datenverarbeitender Systeme oder multimedialer Einrichtungen das bevorzugte System ist und zunehmend auch für Telekommunikationsanlagen verwendet wird, wäre es günstig, wenn die Steuerungstechnik im Gebäude ebenfalls ausschließlich das Ethernet-Netzwerk verwenden könnte.
Neben dem Daten-Netzwerk und einem Steuerungssystem benötigt eine Gebäudeautomationslösung noch Messgeräte sowie Ein-Ausgabe-Einheiten. Messgeräte und Ein-Ausgabe-Einheiten für Ethernet sind zwar Stand der Technik, doch sind diese nicht für gebäudetechnische Belange konzipiert, sondern finden ihre Anwendung bevorzugt in der industriellen Automationstechnik oder in industrieartigen Installationen, wo sie als Module in Schaltschränke oder Verteilerkästen eingebaut werden. Für den Einsatz in der Gebäudetechnik, insbesondere im privaten Wohnungsbau, sind sie in den meisten Fällen nicht gut geeignet. In solchen kleineren Gebäuden müssen typischerweise die Zustände einer größeren Anzahl Lichtschalter oder -taster erfasst werden. Diese sind in den Räumen verteilt angeordnet, es wäre daher sehr ungünstig, sie mit einem zentralen Schaltschrank verbinden zu müssen. Moderne, verbrauchsoptimierte Heizkörperansteuerungen sind ein weiteres Beispiel für die stark verteilten Ein- und Ausgangskreise in einer Gebäudeautomation: Schaltkontakte werden zur Detektion geöffneter Fenster verwendet, und die Ansteuerung von Heizkörperventilen erfolgt individuell. Vorteilhaft wäre also ein Gerät, das solche verteilten Ein- und Ausgangskreise mit einem Ethernet-Netzwerk verbindet und in einer Weise montiert werden kann, die im privaten Wohnungsbau üblich ist.
Zusätzlich sollte eine Temperaturmessung via Ethernet möglich sein, da die Temperatur eine wesentliche Messgröße in Gebäuden ist.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Ehternetkoppelgerät mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Das erfindungsgemäße Ethernetkoppelgerät ermöglicht auf einfache Weise die Nutzung eines Ethernet-Netzwerks zur Erfassung der für einen Raum wesentlichsten Messgrößen beziehungsweise Signale. Das sind vor allem die Raumtemperatur und die Schaltzustände der Befehlsgeräte (Taster und Schalter). Die verwendete Anschluss- und Montagetechnik ist typisch für die Gebäudetechnik, insbesondere in privaten Wohngebäuden, und verlangt daher vom Elektroinstallateur nur wenig Spezialkenntnisse. Das erfindungsgemäße Gerät wird im Folgenden Koppelgerät genannt. Eine Ethernetverbindung wird nur zwischen Steuerungssystem und Koppelgerät(en), beziehungsweise zwischen mehreren Koppelgeräten benötigt. Temperatursensoren und Befehlsgeräte, wie Lichtschalter oder Taster, werden mit üblichen Leitungen wie in einer Verteilerdose angeschlossen.
Das Koppelgerät ist für versenkten Einbau in eine Wand konzipiert. Vorzugsweise findet es in Einbaudosen für elektrische Geräte und Verbindungen Platz, deren Maße in DIN 49073 spezifiziert sind. Diese Einbaudosen werden häufig als Unterputzdosen bezeichnet.
Eine detaillierte Beschreibung der Elektronikkomponenten in dem beschriebenen Koppelgerät erübrigt sich, da die erfindungsgemäßen Funktionalitäten durch dem Stand der Technik entsprechende elektronische Schaltungen realisiert werden können. Vorteilhaft ist der Einsatz eines Microcontrollers zusammen mit für Ethernet-Kommunikation spezialisierten Elektronikkomponenten oder die Verwendung eines Microcontrollers, der bereits integrierte Schaltkreise zur Ethernet-Kommunikation aufweist.
Vorteilhafte Optionen des erfindungsgemäßen Koppelgeräts sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Unteranspruch 2 beschreibt eine Ausstattung mit zusätzlichen Messeingängen. Beispielsweise kann es sinnvoll sein die Kohlendioxidkonzentration in einem Raum zu messen um Klimaanlagen zu steuern. Auch die Messung der Raumhelligkeit zur Steuerung der Beleuchtung oder von Rollläden ist eine interessante Anwendung. Schließlich sei noch die Erfassung analoger Sollwerte erwähnt, beispielsweise Raumtemperatur-Sollwerte.
Unteranspruch 3 beschreibt die mögliche Ausstattung des Koppelgeräts mit Ausgängen. Wegen des typischen Einsatzzweckes als in der Wand versenktes Gerät sollen keine großen Leistungen geschaltet werden, sondern die Ausgänge dienen der Sollwertvorgabe für angeschlossene Geräte (beispielsweise motorisch regelbare Heizkörperventile) oder stellen potentialfreie Schaltausgänge zur Ansteuerung angeschlossener Geräte dar, wobei diese Geräte auch Schaltelemente zur Schaltung größerer Leistungen sein können.
Unteranspruch 4 beschreibt die Möglichkeit, das Koppelgerät mit mehr als einer Ethernetschnittstelle auszustatten und mit entsprechender, im Koppelgerät integrierter Elektronik die Funktionalität von dem Stand der Technik entsprechenden Geräten zur Verteilung von Datenströmen über Ethernet-Netzwerke (so genannte Hubs oder Switches) zur Verfügung zu stellen. Dadurch können bei der inzwischen bei Ethernet-Netzwerken üblichen, bipolaren Übertragung mehrere Koppelgeräte hintereinander geschaltet werden.
Unteranspruch 5 beschreibt die Möglichkeit, die Stromversorgung des Koppelgeräts über das Ethernet-Kabel zu betreiben, womit eine separate Stromversorgungsleitung überflüssig wird. Dieses Verfahren ist als Power-over-Ethernet bekannt und in IEEE 802.3af beschrieben.
Die Unteransprüche 6 und 7 beschreiben die Möglichkeit, Eingangssignale auf drahtlosem Wege zuzuführen, wobei bei Unteranspruch 6 die benötigte Empfängerschaltung in das Koppelgerät integriert ist, während sie bei Unteranspruch 7 als separates Gerät ausgeführt ist, das über geeignete elektrische Verbindungen mit dem Koppelgerät verbunden ist. Vorteilhaft ist dabei ein Signaltransfer von Empfangsschaltung zu Koppelgerät in Form eines seriellen Datenstroms. Die elektrische Verbindung zwischen Empfänger und Koppelgerät kann auch zur Leistungsversorgung des Empfängers verwendet werden.
Eine vorteilhafte Anwendung des Koppelgeräts nach Ansprüchen 6 oder 7 ist sein Zusammenwirken mit Tastern, welche, den piezoelektrischen Effekt nutzend, ohne Leistungsversorgung und ohne jegliche elektrische Anschlüsse betrieben werden können. Sie senden bei Betätigung für kurze Zeit elektromagnetische Wellen aus, die in einer Empfängerschaltung decodiert werden und für verschiedene Schaltvorgänge genutzt werden können.
Unteranspruch 8 spezifiziert einen häufig verwendeten Typ der beschriebenen Unterputz- und Hohlwandgehäuse nach DIN 49073.
Unteranspruch 9 beschreibt eine Ausführung, bei der das Koppelgerät als Elektronikmodul fest in die Unterputz- oder Hohlwanddose eingebaut ist, so dass diese ein Teil des Geräts wird. Das kann beispielsweise durch Vergießen oder durch andere Befestigungsmethoden geschehen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der 1 bis 5 erläutert.
1 ist eine Draufsicht auf das Koppelgerät mit Schnittlinie A (siehe 2).
2 zeigt Schnitt A.
In den 1 und 2 ist ein vorteilhafter Aufbau in zwei Ebenen, bzw. mit zwei Leiterplatten 3 und 4 gezeigt. Auf der oberen Ebene 3 sind alle Anschlussteile angebracht. Im gezeigten Beispiel werden die Ein- und Ausgänge an die Klemmenblöcke 1 angeschlossen. Die beiden Anschlüsse 2 dienen dem Anschluß von Ethernet-Leitungen. In diesem Beispiel ist es also eine Weiterleitung der Ethernet-Datenströme möglich. Es können sowohl die weit verbreiteten, 8-poligen RJ45-Verbindungselemente (Buchsen am Koppelgerät) als auch Klemmen für Einzeladern verwendet werden. Neben den Anschlussklemmen sind keine empfindlichen elektronischen Bauteile plaziert, die bei den Installationsarbeiten beschädigt werden könnten. Die untere Leiterplatte und nach Bedarf die Unterseite der oberen Leiterplatte tragen die elektronischen Komponenten 6. Die beiden Leiterplatten sind mit Pfosten 5 verbunden, die sowohl als Abstandshalter dienen, als auch elektrische Verbindungen darstellen können.
3 zeigt das dazu passende Wandgehäuse in Draufsicht mit Schnittlinie B (siehe 4). Die Form des Koppelgeräts muß den Platzbedarf der Befestigungselemente 10 berücksichtigen.
4 zeigt den Schnitt B durch das Wandgehäuse. Zur Wand hin (auf der Abbildung unten) ist das Gehäuse weitgehend geschlossen, auf der gegenüberliegenden Seite kann es durch einen Deckel verschlossen werden (nicht eingezeichnet). Öffnungen im Gehäuse erlauben das Einführen der anzuschließenden Kabel, das üblicherweise von der Seite her (Pfeile X) oder von der Wand her (Pfeile Y) erfolgt.
5 zeigt in Draufsicht die Plazierung des Koppelgeräts im Wandgehäuse. In den Freiräumen 11 seitlich vom Koppelgerät können Kabel oder einzelne Adern zu den Anschlußklemmen geführt werden.
Das Koppelgerät kann in Kunststoff vergossen oder in einem eigenen, passend geformten, Gehäuse untergebracht werden.
Die Unterputzdose kann zum Raum hin durch einen Deckel verschlossen sein. Sie kann weitere elektrische oder elektronische Module enthalten. Ein vorteilhafter Aufbau ist beispielsweise die Anordnung des Koppelgeräts hinter einem Lichtschalter in einer entsprechend tiefen Dose. Ebenfalls vorteilhaft ist der Einbau eines Sensors für die Raumtemperatur in den Deckel der Dose, weil er dann guten Wärmekontakt zur Zimmerluft hat.

1: Klemmenblock
2: Anschluss
3: obere Leiterplatte
4: untere Leiterplatte
5: Pfosten
6: elektronische Komponente
10: Befestigungselement
11: Freiraum
X: Befestigung von der Seite
Y: Befestigung von der Wand her

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN 49073 [0010]
- DIN 49073 [0019]

Claims

Ethernet-Koppelgerät für die Gebäudeautomation dadurch gekennzeichnet, dass Eingänge für Temperatursensoren vorhanden sind oder Temperatursensoren eingebaut sind, und dass Eingänge vorhanden sind, an die Taster oder Schalter angeschlossen werden können, und dass es eine Ethernet-Schnittstelle aufweist, und dass es eine elektronische Einrichtung enthält, welche die Zustände der angeschlossenen Taster oder Schalter sowie die gemessenen Temperaturen detektiert, in digitale Daten umwandelt und diese Daten über die Ethernetschnittstelle zu anderen Teilnehmern an einem Ethernet-Netzwerk übertragen kann, und dass es sich für den Einbau in standardisierte Rundgehäuse, sogenannte Unterputzdosen, eignet, wie sie in der Gebäudetechnik für den Einbau in Mauerwerk oder zur Hohlwandmontage verwendet werden.
Koppelgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Eingänge für Sensoren weiterer physikalischer Größen zur Verfügung stehen.
Koppelgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich potentialfreie Schaltausgänge oder Ausgänge für einstellbare elektrische Ströme oder Ausgänge für einstellbare elektrische Spannungen vorhanden sind, deren Schaltzustände oder Werte durch Daten beeinflussbar sind, welche über die Ethernetschnittstelle empfangen oder durch ein in das Koppelgerät integriertes datenverarbeitendes System erzeugt werden.
Koppelgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere zusätzliche Ethernetschnittstellen vorhanden sind, welche ein Weiterführen des Datenstroms innerhalb eines Ethernet-Netzwerks ermöglichen, wobei das Koppelgerät eine elektronische Schaltung aufweist, welche mindestens die Funktionalität eines Ethernet-Hubs hat.
Koppelgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung über das Ethernet-Datenkabel erfolgt, wie es beispielsweise in IEEE 802.3af beschrieben ist.
Koppelgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Empfängerschaltung enthält, die geeignet ist einige oder alle Eingangssignale als elektromagnetische Wellen zu empfangen.
Koppelgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einige oder alle Eingänge für den Anschluss von Empfangsgeräten oder kombinierten Sende-Empfangsgeräten ausgelegt sind, welche einige oder alle Eingangssignale als elektromagnetische Wellen empfangen.
Koppelgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die standardisierten Rundgehäuse (Unterputzdosen) für den Einbau in Wandbohrungen mit 68 mm oder 74 mm Bohrungsdurchmesser konzipiert sind.
Koppelgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das beschriebene Rundgehäuse integraler Bestandteil des Koppelgeräts ist und somit das Gerätegehäuse darstellt.