Senkung der BMS-Verkabelungskosten mit LoRaWAN und dem Robustel R1520-LG:
Wie Robustel & Voytech Systems die Implementierung moderner Gebäudemanagementsysteme vereinfachen, indem sie Kabel durch drahtlose LoRaWAN®-Geräte ersetzen
Fallstudie – Wissenswertes auf einen Blick
Endkunde
Voytech Systems – https://www.voytech-systems.co.uk/
Voytech Systems ist ein in Großbritannien ansässiger Spezialist für Gebäudeautomation, der 2014 von Dr. Richard Fargus gegründet wurde, um Gebäudemanagementsysteme rund um Cloud- und IoT-Technologien neu zu konzipieren. Das Team kombiniert umfassende Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung von BMS-Produkten mit Beratungs- und F&E-Dienstleistungen für Drittanbieter. Die Kernplattform Sitelink unterstützt mehrere Automatisierungsprotokolle, darunter BACnet, Modbus und LoRaWAN, und kann somit zwischen herkömmlichen BMS-Steuerungen und modernen drahtlosen Feldgeräten eingesetzt werden. Auf diese Weise kann Voytech Lösungen anbieten, die von der IoT-Integration in bestehende BMS-Infrastrukturen bis hin zur eigenständigen Überwachung und Steuerung von Heizung, Klimaanlage und Lüftung in verschiedenen Gebäudesektoren reichen.
Herausforderungen
Bei herkömmlichen BMS-Projekten wird oft ein großer Teil des Budgets für die Verkabelung verteilter Sensoren aufgewendet, insbesondere bei Nachrüstungen und komplexen Gebäuden. Frühere drahtlose Optionen wie Zigbee, proprietäre Sub-GHz-Systeme oder Wi-Fi hatten Probleme mit der Reichweite, der Durchdringung innerhalb von Gebäuden, der Reife des Ökosystems und der Integration in gängige BMS-Steuerungen. Voytech benötigte eine drahtlose Technologie, die tief in Technikräume und genutzte Räume vordringen, leicht über mehrere Etagen skalieren und dennoch Daten als vertraute BACnet-Objekte an das BMS übermitteln konnte, mit denen die Inbetriebnahmeingenieure arbeiten konnten.
Ergebnisse
Durch die Standardisierung auf LoRaWAN für Sensoren, R1520-LG LoRaWAN-Gateways für Backhaul und einen Sitelink-Controller, der lokale LoRaWAN-Netzwerk- und Anwendungsserver hostet, lieferte Voytech eine drahtlose BMS-Architektur, die sich wie ein natives BACnet-System verhält. Praxisversuche haben gezeigt, dass LoRa-Verbindungen bis zu 14 Stockwerke umfassen und mehr als 200 Sensoren zuverlässig verbinden können, selbst wenn die Geräte in einem separaten, 100 Meter entfernten Gebäude untergebracht waren. Elektroinstallateure können vorkonfigurierte LoRaWAN-Geräte ohne spezielle Funkkenntnisse installieren, wodurch die Installationskosten gesenkt werden und gleichzeitig eine detailliertere Steuerung von Heizung und Klimaanlage zur Reduzierung des Energieverbrauchs ermöglicht wird.
Praktische Umsetzung eines drahtlosen BMS mit LoRaWAN und BACnet
Voytech Systems wurde gegründet, um das Gebäudemanagement rund um Cloud Computing und IoT-Technologien neu zu überdenken, anstatt nur schrittweise Upgrades für ältere Steuerungsfelder durchzuführen. Die Sitelink-Plattform des Unternehmens befindet sich zwischen herkömmlichen BMS-Steuerungen und modernen Feldgeräten und kommuniziert mit Protokollen wie BACnet, Modbus und LoRaWAN, sodass Integratoren bestehende Anlagen mit neuen Sensor- und Steuerungsfunktionen kombinieren können. In dieser Vision wird die Drahtlostechnik zu einer Möglichkeit, Sensoren und Aktoren genau dort zu platzieren, wo sie benötigt werden, ohne durch bestehende Verkabelungswege oder Sanierungspläne eingeschränkt zu sein.
LoRaWAN erwies sich als die beste Lösung, da es eine Kombination aus Funk mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch mit einem schnell wachsenden Ökosystem aus Sensoren und Aktoren bietet, das speziell auf Gebäudeanwendungen ausgerichtet ist. In einem Proof-of-Concept in London demonstrierte Voytech LoRa-Verbindungen, die problemlos 14 Stockwerke eines Geschäftsgebäudes überspannten, und bei späteren Implementierungen erreichten mehr als 200 Sensoren in einem dreistöckigen Büro zuverlässig die in Technikräumen installierten Gateways – selbst wenn diese Sensoren vorübergehend in einem 100 Meter entfernten separaten Gebäude gelagert waren. Mit dieser Art der Ausbreitung und einer Architektur, die für eine einfache Verdichtung der Gateways ausgelegt ist, konnte sich Voytech auf die Integration und Inbetriebnahme konzentrieren, anstatt sich mit grundlegenden HF-Einschränkungen auseinanderzusetzen.
Geschäftliche Herausforderungen
1. Hohe Verkabelungskosten und Störungen bei Neu- und Nachrüstungsprojekten
Ob bei einem Neubau oder einer Sanierung – die Installation von Sensoren in einem Gebäude ist in der Regel mit erheblichem Verkabelungsaufwand verbunden: Kabel müssen zu Technikräumen verlegt, Wände aufgebrochen, bestehende Versorgungsleitungen und Brandschutzwände umgangen und die Arbeiten mit anderen Gewerken koordiniert werden. Jeder zusätzliche Punkt verursacht zusätzliche Kosten, die schnell die Anzahl der Mess- und Regelstellen begrenzen können, die ein Projekt rechtfertigt. In älteren Gebäuden können die Störungen und ästhetischen Auswirkungen der Verlegung neuer Kabel eine Aufrüstung der Sensorik oder die Hinzufügung von Raumregelungen nahezu unmöglich machen, selbst wenn die Vorteile in Bezug auf Energieverbrauch oder Komfort offensichtlich sind.
Diese Einschränkung zwingt zu Kompromissen: Integratoren instrumentieren große Flächen unzureichend, Gebäudeeigentümer verschieben Modernisierungen und Designer entscheiden sich standardmäßig für eine „ausreichende“ Abdeckung anstelle einer optimalen Steuerung. Mit der Zeit führt dies zu einer weniger reaktionsschnellen Klimaanlage, einer schlechten Sichtbarkeit der tatsächlichen Bedingungen in belegten Räumen und höheren Energiekosten als nötig. Voytech suchte nach einer Möglichkeit, die Anzahl der Sensoren von der Menge der Verkabelung zu entkoppeln, um reichhaltigere Daten und eine detailliertere Steuerung ohne den herkömmlichen Arbeitsaufwand zu ermöglichen.
2. Einschränkungen und Fragmentierung früherer drahtloser Technologien
Vor LoRaWAN hatten BMS-Integratoren mit Zigbee, proprietären 433/458/868-MHz-Systemen, Bluetooth Low Energy und sogar Wi-Fi experimentiert, um drahtlose Geräte zu verbinden. Jedes dieser Systeme hatte Nachteile: begrenzte Reichweite in Gebäuden bei 2,4 GHz, geschlossene Ökosysteme, die an einzelne Anbieter gebunden waren, kleine Sensorportfolios oder Schwierigkeiten bei der Integration mit BMS-Controllern von Drittanbietern. In vielen Fällen erforderte das Schließen von Versorgungslücken eine komplexe Funkplanung oder die Installation proprietärer Repeater, wodurch eine weitere Ebene von Geräten hinzukam, die verwaltet werden mussten.
Diese technischen Probleme wirkten sich direkt auf das kommerzielle Risiko aus. Wenn ein drahtloses System eine spezielle Inbetriebnahme, eine maßgeschneiderte Integration oder umfangreiche Standortuntersuchungen erforderte, schmolzen die versprochenen Kosteneinsparungen gegenüber einer Verkabelung schnell dahin. Schlimmer noch: Wenn ein System eine lückenhafte Abdeckung lieferte oder unter Störungen litt, standen Integratoren möglicherweise vor nicht funktionierenden drahtlosen Installationen und hatten kaum Möglichkeiten, dagegen vorzugehen. Diese Erfahrungen machten viele BMS-Fachleute vorsichtig gegenüber drahtlosen Systemen, und jeder neue Ansatz musste überzeugend zeigen, dass er die gleichen Fallstricke vermied und gleichzeitig ein reichhaltigeres Ökosystem von Geräten bot.
3. Überbrückung von cloudorientiertem LoRaWAN mit standortlokaler BMS-Architektur
LoRaWAN ist von Natur aus cloudfreundlich: Viele Implementierungen gehen davon aus, dass Gateways den Datenverkehr an einen Netzwerkserver und einen Anwendungsserver weiterleiten, die außerhalb des Standorts gehostet werden. Für die Gebäudesteuerung bringt dieses Modell Latenz- und Zuverlässigkeitsprobleme mit sich, da Steuerungsentscheidungen auch bei schlechter Internetverbindung von schnellen, deterministischen Antworten abhängen können. Darüber hinaus arbeiten BMS-Steuerungen in der Regel mit BACnet-Objekten – Temperaturen, Sollwerten, binären Status – und nicht mit Rohdaten, die aus drahtlosen Frames decodiert werden. Ohne eine Brücke sind LoRaWAN-Daten für herkömmliche BMS-Geräte nicht direkt nutzbar.
Die Inbetriebnahme ist ein weiterer Druckpunkt. Wenn für die Integration von LoRaWAN spezialisierte Funk- oder Cloud-Ingenieure vor Ort sein müssen, steigen die Gesamtkosten des Projekts und die Komplexität der Zeitplanung. Damit die Vision von Voytech funktionieren konnte, benötigten die Elektro- und Steuerungsunternehmen eine Plug-and-Play-Lösung: vorkonfigurierte Geräte installieren, einschalten und im BMS als bekannte Punkte anzeigen lassen. Das bedeutete, nicht nur die technische Übersetzung zwischen LoRaWAN und BACnet zu lösen, sondern auch die Arbeitsabläufe zu vereinfachen, damit die bestehenden Fachkräfte die Installation ohne neue Kenntnisse oder Werkzeuge durchführen konnten.
Lösungsübersicht
Die Architektur von Voytech basiert auf batteriebetriebenen LoRaWAN-Sensoren und Aktoren – wie beispielsweise den intelligenten Heizkörperventilen Vicki von MClimate–, die in Räumen und Anlagenbereichen eines Gebäudes installiert werden. Diese Geräte senden Daten über LoRa-Funk an einen oder mehrere Robustel R1520-LG LoRaWAN-Gateways, die eine 8-Kanal-LoRaWAN-Schnittstelle in einem robusten Industriegehäuse bieten. Die Gateways leiten verschlüsselte LoRaWAN-Nutzdaten über IP unter Verwendung von Ethernet oder Mobilfunk-Backhaul je nach Bedarf an den vor Ort installierten Sitelink-Controller von Voytech weiter. Die Sitelink-Einheit hostet sowohl den LoRaWAN-Netzwerkserver (LNS) als auch den Anwendungsserver lokal und stellt so sicher, dass die Überwachungs- und Steuerungsfunktionen nicht von einer externen Cloud abhängig sind.
Innerhalb von Sitelink werden LoRaWAN-Nachrichten entschlüsselt, decodiert und in BACnet-Objekte umgewandelt, die individuelle Temperaturen, Ventilpositionen, binäre Status und Sollwerte widerspiegeln. Aus Sicht des Haupt-Gebäudemanagementsystems erscheinen diese als Standard-BACnet-Punkte, sodass zentrale HLK-Steuerungen den Bedarf ablesen, Raumziele anpassen, Zeitpläne erstellen und Alarme mit vertrauten Tools überwachen können. Da die LoRaWAN-Infrastruktur lokal ist, kann der Regelkreis auch dann zuverlässig funktionieren, wenn die Internetverbindung des Gebäudes unterbrochen ist. Wenn die Abdeckung erweitert werden muss, fügen Integratoren einfach zusätzliche R1520-LG-Gateways an geeigneten Stellen hinzu. LoRaWAN behandelt diese als Teil einer einzigen „verteilten Antenne“, wodurch die Verdichtung des Netzwerks unkompliziert ist.
Der Einsatz vor Ort unterstreicht die Praxistauglichkeit dieses Designs. In einem Projekt installierte Voytech mehr als 200 LoRaWAN-Sensoren in einem dreistöckigen Bürogebäude, die alle mit Gateways in Technikräumen kommunizieren konnten – selbst wenn sie vor der Installation außerhalb des Standorts gelagert wurden. Bei einer anderen Installation wurden etwa 60 intelligente Vicki-Heizkörperventile über Sitelink integriert, wodurch eine zentrale Anlagen- und dezentrale Raumheizungssteuerung ohne neue Verkabelung außerhalb des Technikraums ermöglicht wurde. Die Geräte werden vorkonfiguriert an den Standort geliefert, sodass sie von normalen Elektroinstallateuren ohne spezielle LoRaWAN-Kenntnisse montiert werden können, was die Arbeitskosten niedrig hält und gleichzeitig die Reichweite des Gebäudemanagementsystems erweitert.
Warum Voytech sich für den R1520-LG entschieden hat:
- Starke LoRaWAN-Fähigkeit in kompakter Bauweise: Das Gateway bietet eine achtkanalige LoRaWAN-Schnittstelle mit robuster HF-Leistung, die sich gut für dichte Innenrauminstallationen in Büros, öffentlichen Gebäuden und Werksbereichen eignet.
- Industriedesign und großer Temperaturbereich: Dank seines robusten Gehäuses, industrietauglicher Anschlüsse und eines großen Betriebstemperaturbereichs eignet sich das Gerät für Technikräume und anspruchsvolle Gebäudeumgebungen und verringert das Risiko von Ausfällen vor Ort.
- Kostenlose Cloud-Management-Plattform: Ein integrierter Cloud-Management-Dienst ermöglicht bei Bedarf die Fernüberwachung und -konfiguration von Gateways, ergänzt den Sitelink-Controller vor Ort und vereinfacht den Flottenbetrieb über mehrere Gebäude hinweg.
- Smart Roaming für die SIM-Verwaltung: Integrierte Smart Roaming-Funktionen helfen bei der Verwaltung von Roaming-SIM-Karten in Bereitstellungen, die Mobilfunk-Backhaul verwenden, und verbessern die Ausfallsicherheit, wenn feste Verbindungen nicht verfügbar oder zu kostspielig sind.
Wichtigste Ergebnisse
Für Gebäudeeigentümer und -betreiber macht der kombinierte Ansatz von Voytech und LoRaWAN drahtlose Gebäudemanagementsysteme von einem riskanten Experiment zu einer praktischen Option. Anstatt durch bestehende Verkabelungen oder Sanierungsbudgets eingeschränkt zu sein, können sie Sensoren und Steuerungen dort hinzufügen, wo sie den größten Nutzen bringen – in Räumen, Zonen und Anlagenbereichen, die zuvor schwer zu erreichen waren. Inbetriebnahme-Teams installieren vorkonfigurierte Geräte und sehen diese im BMS als Standard-BACnet-Punkte, ohne die Interna von LoRaWAN verstehen zu müssen. Im Laufe der Zeit unterstützen diese reichhaltigeren Daten und die detailliertere Steuerung Energieeffizienzprojekte, Komfortverbesserungen und bessere Wartungsstrategien.
„Ich bin überzeugt, dass LoRaWAN endlich die Herausforderung der Integration von drahtlosen Überwachungs- und Steuerungskomponenten in herkömmliche BMS-Anwendungen löst. LoRaWAN überwindet alle Einschränkungen anderer Funktechnologien, die BMS-Integratoren dazu veranlasst haben, drahtlose Technologien mit großer Vorsicht zu behandeln. Insbesondere die spektakuläre Reichweite von LoRa ermöglicht den Einsatz drahtloser Geräte, ohne dass detaillierte Standortpläne oder die Installation zahlreicher Repeater erforderlich sind. Für kleine Gebäude ist in der Regel nur ein einziges Gateway erforderlich; für größere Gebäude können einfache Faustregeln angewendet werden, um einige Gateways rund um ein Gebäude zu positionieren und so eine ausreichende Abdeckung zu gewährleisten. Das Angebot an drahtlosen Sensoren und Aktoren wächst rasant, sodass viele verschiedene Funktionen einfach zu einem Gebäudesteuerungssystem hinzugefügt (oder nachgerüstet) werden können, darunter Messungen, Luftqualitätsmessungen und Fehlerüberwachung.“ – Dr. Richard Fargus – Geschäftsführer von Voytech Systems.
- Geringere Installations- und Nachrüstungskosten: Dank drahtloser Sensoren und Ventile ist keine neue Verkabelung außerhalb des Technikraums erforderlich, was sowohl bei Neubau- als auch bei Nachrüstungsprojekten Arbeitszeit und Störungen reduziert.
- Zuverlässige Abdeckung in komplexen Gebäuden: Die starke Ausbreitung von LoRaWAN in Gebäuden und die Möglichkeit, zusätzliche Gateways als „verteilte Antennen“ hinzuzufügen, sorgen für eine zuverlässige Konnektivität in Büros, mehrstöckigen Gebäuden und Technikräumen.
- Vereinfachte Inbetriebnahme-Workflows: Vorgefertigte Geräte, die von Standard-Elektroinstallateuren installiert werden, kombiniert mit einer BACnet-nativen Darstellung im Gebäudemanagementsystem, reduzieren den Bedarf an spezialisierten Funk- oder Cloud-Technikern vor Ort.
- Feinere Steuerung und Energieeinsparungen: Raumfühler und intelligente Heizkörperventile ermöglichen eine intelligente Steuerung der genutzten Räume, wodurch der Komfort verbessert und gleichzeitig der Energieverbrauch für Heizung und Klimatisierung gesenkt wird.
- Lokale Ausfallsicherheit für kritische Regelkreise: Durch das Hosting des LoRaWAN-Netzwerks und der Anwendungsserver auf dem Sitelink-Controller bleiben Überwachungs- und Steuerungsfunktionen auch dann funktionsfähig, wenn die externe Internetverbindung unterbrochen ist.
- Zukunftsfähiges Sensor-Ökosystem: Der Zugang zu einem breiten und wachsenden LoRaWAN-Sensor- und Aktuator-Ökosystem erleichtert das Hinzufügen neuer Überwachungspunkte – wie Luftqualität, Messung oder Fehlererkennung – ohne Neugestaltung der Kernarchitektur.
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