Durchgängiges und modellbasiertes Engineering vonGebäudeautomationssystemen

Consistent and modellbased Engineering of Building Automation Systems

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-32138
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Automatisierungstechnik
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.10.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Gebäudeleittechnik
Freie Schlagwörter (Deutsch): modellbasiertes Engineering , gewerkeübergreifend
Freie Schlagwörter (Englisch): Buildingautomation
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

In der heutigen Zeit werden der Bau von neuen Gebäuden und die Sanierung alter Gebäude stets komplexer und unübersichtlicher. Nutzer, Bauherren und Investoren haben immer vielfältigere Ansprüche, bei denen es schon lange nicht mehr nur auf rein architektonische und gestalterische Gesichtspunkte ankommt, sondern auch technische, organisatorische, ökonomische, ökologische und soziale Aspekte fordern einen hohen Grad an komplexen Funktionalitäten im Gebäude. Der Erwartungshaltung bezüglich funktionaler Unterstützung und Komfort als auch Energieeinsparungen kann durch den richtigen Einsatz von Gebäudeautomation (GA) entsprochen werden. Die GA umfasst alle Aufgaben und Funktionalitäten einer gewerkeübergreifenden Automation, wie beispielsweise Heizen, Kühlen, Verschatten oder Beleuchtung. Dabei ist die Komplexität eine besondere Herausforderung für die Realisierung eines GA-Systems, da die umfangreichen und vielfältigen Funktionen miteinander zu einem GA-System verbunden, aufeinander abgestimmt und für das Gesamtsystem optimal ausgelegt werden müssen. Hinzu kommt, dass sich die große Bandbreite an Funktionsmöglichkeiten nicht mehr in die einzelnen Gewerke der Technischen Gebäudeausrüstung trennen lassen. In der Praxis planen und installieren die Gewerke jedoch zurzeit einzeln und unabhängig voneinander. Die möglichen Folgen sind dabei schwerwiegende Planungsfehler, wie beispielsweise fehlende Verbindungen zwischen Funktionen oder mehrfache Auslegungen von Funktionen. Diese Planungsfehler führen zu teuren Nachbesserungen und Umplanungen oder Einschränkungen in der Funktionalität oder der Effizienz eines GA-Systems. Um diesen Herausforderungen zu begegnen stellt das durchgängige und modellbasierte Engineering eine Methode dar, welche das gesamte GA-System mit seinen Informationen über die Funktions-, Produktstrukturen und die zugehörigen Infrastrukturdaten in einem übergreifenden Modell abbildet. Dazu werden zunächst die digitalen Infrastrukturdaten automatisiert in eine Ortsstruktur gebracht, mit den GA-Funktionen verbunden und damit zu einem Engineering-Modell des GA-Systems vereint. Durch Hinzufügen der Produktstruktur, welche nach der gewerkegetrennten Feinausplanung vorliegt, enthält das GA-System-Modell alle benötigten Informationen über das auszurüstende GA-System. Da die Ausführung im heutigen Bauprozess in den Gewerken getrennt erfolgt, wird gezeugt, wie Teilmodelle aus dem Gesamtmodell erzeugt werden können, um beispielsweise Funktionslisten für die einzelnen Gewerke zu erstellen. Des Weiteren kann die Teilmodellerstellung zur Betrachtung fokussierter Bereiche des GA-Systems verwendet werden, beispielsweise im Rahmen der Fehlersuche im laufenden Betrieb. Das GA-System-Modell kann dann weiter, ähnlich wie bei einer „Virtuellen Inbetriebnahme“, in einer Simulation auf Planungs- und Auslegungsfehler untersucht und entsprechend nachgebessert werden. Nach einer erfolgreichen Planung und Simulation kann eine automatische Parametrierung die Realisierung des GA-Systems unterstützen. Die Arbeit zeigt, dass durch die Methode des durchgängigen und modellbasierten Engineerings bei der Planung, Installation und dem Betrieb von GA-Systemen auf Basis der RA-Funktionen Zeit und Kosten eingespart werden können und dass weniger Planungsfehler entstehen bzw. Fehler frühzeitig entdeckt werden. Auch im Rahmen der Schnittstellenabsprache zwischen den ausführenden Gewerken ist die Methode durch ihre grundsätzliche Ausrichtung auf den konventionellen Bauprozess mit einem gewerkegetrennten GA-Planungsprozess geeignet, die gewerkegetrennte Ausführung zu unterstützen und trotzdem die GA übergreifend zu betrachten.

Kurzfassung auf Englisch:

Building construction of new buildings and retrofit of old buildings in this time and age will always be more complex and confuse. Users, house builders and investors have manifold demands that are not solely focused on architectural and design aspects but technical, organizational, economical, ecological and social aspects claim as well a high degree of complex functionalities within a building. The expectations concerning functional support, comfort and energy efficiency could be fulfilled by the right application of building automation (BA). BA includes all duties and functions of the automation across all trades like heating, cooling, shadowing or lighting. And yet the complexity is a particular challenge for the realization of a BA-System because extensive and manifold functions not only need to be compiled into a BA-System but need to be harmonized to each other in an optimal way and have to fit the overall system. In addition the wide range of functionalities which is impossible to isolate into the separate trades of technical building layout hampers the compilation. However current praxis shows nowadays every single trade with separate planning and installation and independent of each other. As a possible consequence serious planning mistakes like missing connections between functions or multiple planning of functions might occur. Those planning mistakes might lead to expensive re-planning and rework, restrictions of functionality or in-efficiency of the BA-System. In order to face those challenges integrated and model-based engineering presents a method to picture the complete BA-System including its information about function and product structures and their associated infrastructure data within a comprehensive model. To this end the digital infrastructure data will initially be transferred automatically into a structure of local elements and with their BA-Functions compiled into an engineering model of the BA-System. After adding the product structure which exists after trade-separated detail planning, the BA-System contains all necessary data about the BA-System to be equipped. Because of today’s trade-separated building construction it is shown how part-models could be produced from the overall model in order to generate e.g. lists of functionalities for the separate trades. Furthermore this production of part-models could be used to focus on certain parts of BA-System, e.g. the troubleshooting while in service. In addition the BA-System-Model could be explored like a “virtual go into service” by simulation for planning and installation errors and corrected accordingly. After successful planning and simulation the realization of the BA-System could be supported by automated parametrization. This exposition shows the possibility via the method of integrated and model-based engineering to reduce time and costs during planning, installation and operation of BA-Systems on the basis of room automation functions (RA-Functions) in order to create less planning mistakes or identifying errors respectively. Due to the method’s fundamental orientation onto the conventional building process with its trade-separated BA planning process, the proposed method is not only suitable within the framework of the interface agreement in between the executing trades, but is also able to support trade-separated execution and to comprehensively consider the overall BA.

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