Der Haussteuerungscomputer
Der folgende Text ist ein Auszug aus der (noch in Arbeit befindlichen) Gesamtdokumentation
Das Gesamtprojekt „HausSteuerungsComputer“ HSC entstand in seinen Grundzügen
1993, als klar war, dass das Eigenheim-Bauvorhaben Wirklichkeit wird. Es basiert fast ausschließlich auf eigenen Ideen. Das gilt sowohl für die prinzipielle Funktionsweise und
auch bis in die Details der Schaltungen und Programme hinein. Ausnahmen sind z. B. einige Arithmetikroutinen in den Assembler-Programmen, die aus Veröffentlichungen
stammen und in den Listings entsprechend gekennzeichnet sind.
Daraus ergibt sich die Tatsache, dass niemand, außer dem Verfasser selbst, die Anlage
kennt. Sie demzufolge nicht bedienen oder gar reparieren kann. Andererseits hängen einige wesentliche Funktionen des Hauses (mindestens die Heizungs- und die
Rollladensteuerung) von der korrekten Tätigkeit des HSC ab. Um Anderen einen Einblick in die Technik des HSC zu vermitteln, ist eine Dokumentation entstanden; sie soll gleichzeitig
die fast zehnjährige Entwicklungszeit dokumentieren. Zugehörige Dokumente
In das Projekt HSC sind Unmengen von Hardwarekomponenten, Programme und Informationen
eingeflossen, deren Dokumentationen oder sogar sie selbst möglichst vollständig in die Anlage aufgenommen wurden. Hardwareseitig betrifft das alle Bauelemente, die eine über das allgemein Bekannte
hinaus gehende Spezifikation haben. Natürlich auch alle selbst geschriebenen Programme, aber auch die Entwicklungsumgebungen. Dazu kommen Erkenntnisse, die beim Test der einzelnen Bestandteile des
Projektes gewonnen wurden, wie Messreihen, Versuchsauswertungen oder Kalibrierungsergebnisse. Sie liegen meist als EXCEL- Dateien vor. Es ist daher notwendig, sowohl die Daten selbst auf Datenträgern
und Papier, als auch die Programme, mit denen die Daten verarbeitet werden können, dieser Dokumentation beizulegen. Das Problem dabei ist allerdings die schnelle Wandlung der PC-Hardware und
der darauf installierten Programmumgebungen. Genaugenommen müsste man die Hardware, mit deren Hilfe das Projekt bearbeitet wurde, sowie alle darauf laufende System- und sonstige Software und die
passenden Datenträger aufbewahren. Wer weiß, ob in ein paar Jahren noch Geräte üblich sind, die 1,44MByte-Disketten, ZIP’s oder CD-ROMs lesen können. Ganz zu schweigen davon, dass die heutigen
Anwendungsprogramme auf künftigen Rechnern nicht unbedingt mehr lauffähig sind. Allgemeines, Zweck und Ziel des Projektes Zwei Gedanken standen beim urspünglichen Entwurf im Vordergrund (und hatten beide mit dem zu erwartenden Energieverbrauch des Hauses zu tun):
- Erstens die wünschenswerte Verwendung einer Fußbodenheizung steuerungstechnisch so betreiben, dass die Trägheit des Heizungssystems möglichst nicht störend in Erscheinung tritt.
- Zweitens der Einbau von Rollläden an Fenstern und Außentüren, die zusätzliche Wärmedämmung bringen sollen und gleichzeitig Sicherheitsfunktion haben. Diese Rollläden sollten von Vornherein in
Abhängigkeit von der Außenhelligkeit, der Zeit, evtl. auch von Regen oder Wärme optimal geöffnet und geschlossen werden.
Nach einigen Jahren des Betriebes zeigt sich allerdings, dass alle Elektronik die Mängel in Wärmedämmung und Heizungsausführung nicht ausgleichen kann. Obwohl es keine konkret bekannten
Baumängel in dieser Hinsicht gibt, liegen die mittlerweile bekannten Verbrauchsdaten der Heizung über den Erwartungen, wodurch indirekt auf Fehler geschlossen werden kann.
Z. B. beträgt der Mittelwert der aufgewendeten Heizenergie zwischen Oktober 1994 und Oktober 1999 bei 176 kWh/a/m², wobei nur die ständig beheizte Fläche (nicht die gesamte Wohnfläche) zu Grunde gelegt
wurde (s. a. Datei HEIZDAT.XLS, hier unter HEIZDAT.ZIP
downloadbar). Ein Niedrigenergiehaus (wie vom Architekten prophezeit) ist das nicht, denn dafür müsste der Wert unter der Grenze von 100 kWh/a/m²
liegen. Zum Vergleich mit anderen Verbrauchsdaten sind die jährlichen Außentemperaturdaten als ATEMP.ZIP
verfügbar. Die Daten beziehen sich auf den Ort Annaberg-Buchholz, ca. 575 m über NN.
Im Laufe der Entwurfszeit des Haussteuerungscomputers und seiner Komponenten, kamen eine ganze Reihe von Aufgaben hinzu. So dient die kontinuierliche Datenaufzeichnung des HSC, z. B. der
Temperaturen in den Wohnräumen und außen, (im weiteren als Datenlogging bezeichnet) dazu, im Vergleich mit den manuell erfassten Verbrauchswerten der Heizung deren optimale Fahrweise zu ermitteln.
Leider ist es recht schwierig, die Einflüsse der Witterung von den Auswirkungen des variierten Heizungsbetriebes zu trennen. Erst im Jahresvergleich sieht man das sehr schön (s. Dateien
HEIZJAHR*.XLS und weitere; hier ist ein Auszug aus Heizj7.xls als HEIZJ7.ZIP zum Download verfügbar). Zusammengefasst scheint sich der Aufwand aber doch gelohnt zu haben.
Hardware- Funktionsbeschreibung des Gesamtsystems und seiner Komponenten Wie oben beschrieben, ist eine der zuerst vorgesehenen Aufgaben des HSC die
Heizkreissteuerung, die die ohnehin vorhandene witterungsgeführte Steuerung des Heizkessels (Trimatik- MC/B am Kessel
Viessmann Rexola- biferral- RN) ergänzen soll. Hierbei geht es nur um Steuerung der fußbodenbeheizten Räume, also
- im Keller Kinderzimmer und Dusche/WC
- im Erdgeschoss Arbeitszimmer, Küche, Wohnzimmer und Bad
Das Bad im Obergeschoss hat ebenfalls eine Fußbodenheizung. Diese wird aber aus dem Heizkreis „ohne Mischer“ betrieben,
d.h. dem Heizkreis, der normalerweise die Heizkörper versorgt. Die Temperaturregelung übernimmt ein dezentral angeordnetes Thermostatventil.
In den Heizkreisverteilern angeordnete elektrothermische Steuerventile (Typ EMO T 24V, stromlos offen,
Fa. Heimeier) geben den jeweiligen Heizkreis frei oder sperren ihn je nach Festlegung im HSC.
Innerhalb der am Heizkessel festgelegten Heizzeiten des Heizkreises mit Mischer (später auch abgekürzt einfach Heizkreis m. M. bezeichnet) soll die HSC- Steuerung
die einzelnen Heizkreise nach Erfahrungswerten ein- und ausschalten. Die Daten sind in mehreren Tabellen festgelegt, welche in der EXCEL- Datei HSC_TAB.xls verwaltet
werden. Weitere Abhängigkeiten der Heizkreissteuerung bestehen zum Öffnungszustand von Fenstern und Außentüren (wenn offen, dann Heizung aus), zum
Frostschutzzustand der Heizung (bei Außentemperaturen < 1°C laufen die Heizkreispumpen ständig. Das ist bei der Fußbodenheizung nicht nötig, daher werden
sie zwangsausgeschaltet) und zur Zimmertemperatur (Pumpen- Zwangsaus wird aufgehoben, wenn die Zimmertemperatur zu niedrig zu werden droht).
Weitere Grundaufgabe des HSC ist die dezentrale
Steuerung aller Rollläden (In weiteren Beschreibungen, in
verschiedenen Dateien, in Abkürzungen und im Quelltext der Software ist häufig von Jalousien die Rede. Obwohl genaugenommen Jalousie und Rollladen nicht das gleiche ist, werden die Begriffe synonym gebraucht) des Hauses (außer
der im Obergeschoss, diese werden ausschließlich von Hand bedient). Dafür sind im Haus sogenannte HSC- Stationen erforderlich (zurzeit 25 Stück), die einzeln
adressierbar sind und diese Steuerungsfunktion übernehmen. Gleichzeitig wird hierüber die Handbedienung der Rollläden unterstützt (HSC erkannt die Betätigung der
Rollladentaster innerhalb einiger zehn Millisekunden und öffnet bzw. schließt den Rollladen vollständig, wenn der Taster länger als eine Sekunde gedrückt wird).
Neben den genannten Grundaufgaben erledigen die HSC- Stationen noch einige sich anbietende Funktionen, wenn ohnehin „vor Ort“ Elektronik notwendig ist. Die Stationen
sind nicht nur einzeln adressierbar, sondern können auch bis zu acht Befehle ausführen. Das sind zusätzlich zur Erfassung der von Hand bewirkten bzw. der automatisch initiierten Rollladenbewegung
- die Erfassung des Schließzustandes des Fensters bzw. der Tür
- die Erfassung des Schließzustandes des Rollladens
- die Erfassung der Raumtemperatur über einen NTC- Widerstand
Weiterhin sind noch einige Komponenten des HSC erforderlich, um die der Steuerung zu Grunde liegenden Messwerte zu ermitteln. Dazu dient einerseits die so genannte Außeneinheit
, die folgende Daten erfasst:
- Außentemperatur an der Südseite des Hause
Wird häufig einfach als Atemp bezeichnet. Da es lange Zeit die einzige
Außentemperaturmessmöglichkeit war, brauchte man keine begriffliche Unterscheidungsmöglichkeit. Mittlerweile gibt es noch die Außentemperaturmessung an der
Hausnordseite, die mit Hilfe der sogenannten Staefa- Sensoreinheit durchgeführt und daher als Staefa- Atemp bezeichnet wird.
Außenhelligkeit nach Süden bzw. Westen
Teilweise sind Programmteile bzw. Teile der HSC- Unterlagen vor dem Bau des Hauses
entstanden. Dabei ist häufig der Begriff Süd- Osten (SO) und Süd- Westen (SW) für die später doch ziemlich genau aus Richtung Süden und Westen gewonnenen Messwerte verwendet worden.
Schlagregenerfassung
Auch dieser Sensor war lange Zeit der Einzige, welcher sich mit Feuchtigkeit befasst hat. Er heißt daher in älteren
Unterlagen auch einfach AFEU (für Außenfeuchtigkeit), obwohl er nur einen Wasserfilm auf seinem Kontaktsensor erkennen kann. Später kam – ebenfalls mit der Staefa- Sensoreinheit – die echte Messung der relativen
Luftfeuchtigkeit hinzu.
Zum anderen gibt es einen DCF- 77- Empfänger, der den Empfang des
gleichnamigen Zeitzeichensenders bewerkstelligt. Er befindet sich auf dem Dachboden. Die Decodierung dessen Empfangssignale und die Initiierung/ Auswertung der Außeneinheit- Messungen erfolgen im sogenannten
Uhrprozessor Z86E08. Letzterer arbeitet der Kernkomponente des HSC- Systems zu, dem Mainprozessor
Z86C96 20VSC. Dieser wiederum ist Bestandteil des sogenannten HSC- Mainboards, auf dem der größte Teil der zentralen Bauelemente einschließlich eines
LC-Displays und einer Tastatur untergebracht sind. Das HSC- Mainboard ist zusammen mit der LED- Großanzeige und der Rangierebene in der Zentralstation
angeordnet, ein in die Flurwand des Erdgeschosses eingebauter, mit transparentem Deckel versehener Verteilerkasten von etwa 230x175 mm² Größe. Die LED-Großanzeige erlaubt es mit einen Blick zu
erkennen, wie es um den Schließzustand von Fenstern, Türen und Rollläden im ganzen Haus bestellt ist. Außerdem wird hier der Heizzustand der einzelnen Räume angezeigt,
sowie einige Statusinformationen des HSC. Das beleuchtete LCD zeigt im Normalzustand die Außentemperatur (nach Norden und Süden) sowie die
Außenfeuchtigkeit an. Mit Hilfe der Tastatur ändert man häufig erforderliche Einstellungen (z. B. kann hier veranlasst werden, dass das Gästezimmer von der
Rollladenautomatik verschont bleibt), außerdem können weitere Statusinformationen abgefragt werden, ohne dass erst der Bedien- PC (s. u.) angeworfen werden muss.
Weitere Komponenten des HSC- Systems sind die beiden Staefa- Sensoreinheiten (benannt nach dem ursprünglichem Hersteller, jetzt Fa. Staefa-
Landis). Sie sind einmal an der Nordseite des Hauses (sonnen- und regengeschützt) sowie zum zweiten in der Werkstatt untergebracht. Sie erlauben
über einen Philips-Polymersensor die Messung der relativen Luftfeuchte und per Si- Halbleiterwiderstand die Messung der Temperatur (also in der Werkstatt und
Außen). Beide Staefa- Einheiten werden über den Analog-Digital-Konverter des HSC- Mainboards in des HSC- System eingebunden.
In der Heizung befindet sich zudem die Pumpensteuerungseinheit, die einerseits den
Betriebszustand des Heizkreises m. M. feststellen und andererseits dessen Heizkreispumpe unabhängig von der Vorgabe durch die Heizungssteuerung ausschalten kann.
Zur Betriebsprogrammierung, zum Auslesen der gesammelten Daten und zur externen Bedienung des HSC- Systems wird ein Bedien- PC benutzt. Per serieller Schnittstelle kann die
Arbeitsweise des HSC im Detail beeinflusst werden. Nachdem jahrelang ein Turbo-Pascal-Programm die Bedienoberfläche bereitstellte, ist es jetzt eine mit VBA programmierte Anwendung, die unter EXCEL läuft.
An sich sind nur 23 Befehle definiert, die das HSC-System interpretieren kann. Da sich darunter aber auch Schreib-/Lesebefehle auf den internen und externen RAM/EEPROM des Mainprozessors befinden, ist die
Funktion des HSC in weiten Grenzen vom PC aus beeinflussbar.
Ergänzt wird das HSC- System durch die Telekommunikations-(Telefon)anlage und die Klingelanlage
. Beide nutzen das HSC- Kabelsystem mit, letztere auch die Stromversorgung. Die TK- Anlage ist ebenfalls hier dokumentiert; sie bedient nicht
nur das Amt und die fünf Nebenstellen, sondern kann die Haustür per anwählbarem Türkontakt öffnen und kommuniziert mit der Außensprechstelle an der Pforte.
Die Klingelanlage enthält Innen- , Außen- und Pfortenklingeltaster, entsprechende Glocken, Sabotagekontakte an den Außenstellen, sowie Reserveleitungen zur Pfortenöffnung und Lichtsteuerung.
Indirekt zum HSC gehört noch (weil Netz und Stromversorgung mit genutzt werden) die Videoüberwachungsanlage mit Außenkamera und Monitor neben der HSC- Zentralstation. Noch indirekter wird das HSC- System durch
EMR- Uhr und Radio/NF- Verstärkeranlage verwendet. Beide
existieren schon länger (ca. 1989 bzw. 1984) unabhängig von der HSC- Technik und nutzen lediglich einige Adern des HSC- Kabelsystems. Die EMR (E
inchipmikrorechner)- Uhr bekommt zusätzlich die Ausgangssignale des DCF- 77- Empfängers und dient der Zeitanzeige in Wohn- und Schlafzimmer.
Zusätzlich enthält sie den Standard-Wecker zum zeitgesteuerten Einschalten des Radios und NF- Verstärker mit Lautsprecher in Schlafzimmer und Bad. Alle HSC- Bestandteile sind über ein Verkabelungssystem
, in der Hauptsache aus Kabel JY(St)Y 16x2x0,6 bestehend, verbunden. HSC- Mainboard und die HSC- Stationen kommunizieren dabei über ein spezielles Subsystem, dem HSC- Bus..
Schließlich wird das gesamte System über ein in der Nähe der Zentralstation installiertes Netzteil mit
Strom versorgt. Es stellt fünf Spannungsebenen bereit:
- +5V für die meisten Logikbausteine auf dem Mainboard und den Stationen
- +15V für die Außeneinheit, Staefa- Einheiten und Videoüberwachung
- +24V für die Relais auf Mainboard und den Stationen
- 8V~ für die Klingelanlage
- 24V~ für die elektrothermischen Stellventile
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