Architektur
Das TwinCAT Building Automation Framework besteht im Wesentlichen aus zwei Bestandteilen: dem TwinCAT Building Automation Manager und einer SPS-Bibliothek, in der das Applikationsprogramm enthalten ist. Der TwinCAT Building Automation Manager dient dazu, das Applikationsprogramm zu parametrieren und das E/A-Mapping zu generieren. Für das Generieren des E/A-Mappings erzeugt der TwinCAT Building Automation Manager für jeden Controller eine Projektdatei für den TwinCAT System Manager (*.tsm-Datei) und aktiviert diese.
Während der TwinCAT Building Automation Manager nur zur Inbetriebnahme benötigt wird, enthält die SPS-Bibliothek mit dem Applikationsprogramm alle notwendigen Funktionsbausteine, die zur Laufzeit notwendig sind. Im Gegensatz zu den meisten anderen SPS-Bibliotheken enthält die SPS-Bibliothek vom Building Automation Framework nicht einzelne Funktionsblöcke, die erst noch von einem Programmierer zu einem lauffähigen Programm zusammengestellt werden müssen, sondern ein vollständiges und lauffähiges SPS-Programm. Nach dem Einfügen der SPS-Bibliothek ist es nur noch notwendig, die Einstiegsroutinen aufzurufen. Alles Weitere läuft eigenständig in der SPS-Bibliothek. Damit dieses möglich ist, werden mit der SPS-Bibliothek alle notwendigen globalen Variablen mitgeliefert. Diese dienen dazu, die Parameter vom TwinCAT Building Automation Manager aufzunehmen. Des Weiteren werden die globalen Variablen für die interne Kommunikation der einzelnen Objekte benutzt. Durch die globalen Variablen wird auch die Zuordnung der Objekte untereinander definiert, ohne dass das SPS-Programm neu kompiliert werden muss.
Für die spätere Anwendung des TwinCAT Building Automation Framework ist es von Vorteil, die Zusammenhänge der einzelnen Objekte (digitale Signale, Lampen, Zeitschaltuhr, Gruppen, ...) untereinander zu verstehen. Alle Objekte haben eine klar definierte Aufgabe und kommunizieren über fest definierte Schnittstellen untereinander. Die Zuordnung der Objekte untereinander geschieht über mehrere Schichten. Jede Schicht hat eine eindeutige Aufgabe und kommuniziert mit den anderen Schichten ebenfalls über definierte Schnittstellen.
E/A-Prozessabbild
Auf der untersten Ebene ist das Prozessabbild, über welches das Applikationsprogramm mit der Hardware kommuniziert. Die Verbindung zwischen dem Applikationsprogramm und dem Prozessabbild wird über das E/A-Mapping definiert. Der Anwender legt fest, welcher Aktor, Sensor oder welches Subsystem (DALI-Linie, EnOcean-Linie, ...) welcher Feldbusklemme zugeordnet wird. Bei der Aktivierung der Konfiguration erzeugt der TwinCAT Building Automation Manager automatisch das E/A-Mapping. Grundsätzlich können nur Sensoren, Aktoren oder Subsysteme mit dem Prozessabbild verknüpft werden.
Aktoren, Sensoren und Subsysteme
Informationen, die über Eingangsklemmen eingelesen werden, müssen in der Regel aufbereitet werden. Dazu gehören Funktionen wie z.B. Skalierung, Filterung, Negierung, Ersatzwertgenerierung, Flankenauswertung oder Verzögerung. Allen darüber liegenden Objekten stehen somit 'saubere' Eingangssignale zur Verfügung. Auf der Sensorebene können Schwellwertschalter definiert werden. Bei Über- oder Unterschreitung des Istwertes ist es somit möglich, Szenen zu aktivieren.
Ein Aktorobjekt repräsentiert eine Lampe, Jalousieantrieb, Ventil-Stellantrieb oder einen Fensterantrieb. Das Aktorobjekt nimmt Schaltbefehle entgegen, bereitet diese auf und generiert die Prozessdaten. Über die Parameter des Aktorobjektes kann das Verhalten des Aktors festgelegt werden. Stellgrößenbegrenzung einer Lampe oder die Fahrdauer eines Jalousieantriebes sind hier nur einige Beispiele.
Nicht jedes Sensorobjekt oder Aktorobjekt ist direkt mit einer Feldbusklemme verbunden. In einigen Fällen erfolgt die Verknüpfung indirekt über einen weiteren Feldbus wie z.B. DALI, EnOcean oder RS485. Ein Subsystemobjekt abstrahiert den Zugriff auf solch ein Subsystem. Alle notwendigen Dienste, die zum Betrieb und zur Konfiguration benötigt werden, sind ebenfalls in dem Subsystemobjekt enthalten. So gibt es z.B. ein Subsystemobjekt für DALI-Linien, das mit der entsprechenden DALI-Feldbusklemme verbunden wird. Konfiguration und Adressierung der DALI-Teilnehmer kann mit Hilfe des DALI-Objektes durchgeführt werden. Auch stellt ein DALI-Objekt alle notwendigen Schnittstellen zur Verfügung, damit ein Lampenobjekt auf eine einzelne DALI-Lampe zugreifen kann. Ein Lampenobjekt kann wahlweise einem Kanal einer Feldbusklemme oder einer DALI-Lampe eines DALI-Subsystems zugeordnet werden. Die Schnittstelle zum Steuern einer Lampe ist immer die gleiche, egal ob es sich um ein Lampenobjekt für DALI oder um ein Lampenobjekt für eine Dimmerklemme handelt. Der Zugriff der darüber liegenden Ebenen ist somit 'feldbusneutral' und vereinfacht die weitere Verwendung erheblich.
Aktorgruppen und Sensorgruppen
Sehr häufig ist es notwendig, Sensoren oder Aktoren zu gruppieren. So kann es in einem Raum mehrere Jalousieantriebe geben, die immer gleichzeitig gefahren werden. Oder mehrere Temperaturfühler, dessen Mittelwert an die Regelung weitergegeben wird. Für diese Aufgabe gibt es für jedes Sensor- oder Aktorenobjekt ein äquivalentes Gruppenobjekt. Ein Aktorgruppenobjekt enthält einen Verweis auf eine Liste mit den jeweiligen Gruppenelementen. Nimmt das Gruppenobjekt einen Schaltbefehl entgegen, so wird dieser an alle Gruppenelemente weitergeleitet. Die Zustände der einzelnen Elemente werden ebenfalls gesammelt und ausgewertet. So kann aus jedem Gruppenobjekt ausgelesen werden, wie viele Elemente diesem Objekt zugeordnet sind oder wie viele von denen einen Fehler melden. So wie bei Sensorobjekten, können auch Sensorgruppen mit Hilfe von Schwellwertschaltern Szenen aufrufen.
Gruppenobjekte sind nicht begrenzt auf einen Controller. Es können Elemente nicht nur vom lokalen Controller zugeordnet werden, sondern auch von beliebigen Controllern, die sich im gleichen Netzwerk befinden. Der TwinCAT Building Automation Manager erzeugt die notwenige Infrastruktur. Damit eine nahezu verzögerungsfreie Kommunikation möglich ist, kommen hierbei TwinCAT-Netzwerkvariablen zum Einsatz.
Besondere Bedeutung hat das Lampengruppenobjekt, wenn mehrere DALI-Lampen eingetragen werden. Die DALI-Lampen können von der gleichen DALI-Linie, einer weiteren DALI-Linie vom gleichen Controller oder von einer DALI-Linie eines anderen Controllers stammen. Das TwinCAT Building Automation Framework stellt sicher, dass die DALI-Teilnehmer den richtigen DALI-Gruppen zugeordnet werden und die notwendigen TwinCAT-Netzwerkvariablen zur Kommunikation zwischen den Controllern angelegt werden. Mit einem Gruppenobjekt kann somit eine Lampengruppe gesteuert werden, die sich über das gesamte Netzwerk verteilt.
Szenen
Szenen haben im TwinCAT Building Automation Framework eine zentrale Funktion. Sensorobjekte, Gruppenobjekte, Zeitschaltkanalobjekte und Wetterstationsobjekte können ausschließlich Szenen aufrufen. Dadurch laufen in den Szenen alle ereignisgesteuerten Befehle zusammen. Das Auslösen einer Szene hat zur Folge, dass die hinterlegten Befehle ausgeführt werden. Es können Befehle von beliebigen lokalen Objekten enthalten sein. Da Szenen auch über das Netzwerk aufrufbar sind, bieten Szenen eine leistungsfähige Methode, gebäudeglobale Aktionen auszuführen (Außenbeleuchtung, Betriebsartenumschaltung der Klimatechnik, o.ä.). Auch eine Kaskadierung von Szenenaufrufen ist möglich. So kann eine Szene eine andere Szene aufrufen. Diese Szene kann sich auf dem gleichen oder auch auf einem anderen Controller befinden.
Funktionseinheiten
Sensorobjekte, Aktorobjekte und Gruppenobjekte haben die Aufgabe, den Zugriff auf die Hardware zu vereinheitlichen. Ebenfalls sind in den Objekten grundlegende Funktionen enthalten, um die Ein- und Ausgabe zu beeinflussen. Schaltfunktionen sind über Schwellwertschalter möglich. Für eine Klimaregelung oder eine Konstantlichtregelung ist dieses aber nicht ausreichend. Diese Aufgabe übernehmen Funktionseinheiten. Funktionseinheiten stellen das Bindeglied zwischen Sensoren und Aktoren dar. Die Werte der Sensoren werden je nach Aufgabe entsprechend ausgewertet und die zugeordneten Aktoren angesteuert.
Zeitschaltkanäle
Immer wieder kehrende Ereignisse können durch Zeitschaltkanäle aktiviert werden. Hierzu stehen Objekte für Tages-, Wochen- und Monatszeitschaltkanäle bereit. Neben der absoluten Uhrzeit kann auch der Sonnenauf- oder Untergang als Ereignis ausgewählt werden.
Wetterstationen
Die Werte der Wetterstationen können über Wetterstationsobjekte im Netzwerk verteilt und auf jedem Controller individuell ausgewertet werden. Für jeden Messwert kann mindestens ein Schwellwertschalter parametriert werden. Dieser kann wahlweise bei Über- oder Unterschreitung beliebige Szenen aufrufen. Das Konzept der virtuellen Wetterstation unterstützt das Verteilen der Wetterdaten über ein Netzwerk. Die Übertragung der Daten erfolgt fast verzögerungsfrei auf Basis der Echtzeit-Netzwerkvariablen von TwinCAT. Hierzu wird ein virtuelles Wetterstationsobjekt mit dem Objekt einer 'realen' Wetterstation eines anderen Controllers verbunden. Der TwinCAT Building Automation Manager erzeugt bei der Aktivierung der Konfiguration alle notwendigen TwinCAT Netzwerkvariablen.
Zusammengesetzte Module
Zusammengesetzte Module stellen die oberste Ebene dar. Sie ermöglichen den Zugriff auf verschiedene Objekte ohne ein spezielles Gewerk, wie Beleuchtung oder Klimatisierung, zugeordnet zu sein. Anwendung findet dieses z.B. bei Raumbediengeräten, die häufig Zugriff auf verschiedene Funktionseinheiten haben und gleichzeitig auch in der Lage sein müssen, Szenen aufzurufen. Das TwinCAT Building Automation Framework bietet zwei Objekttypen, mit denen Beleuchtungs-, Beschattungs- und Szenenmanagement mit einfachen digitalen Ein- und Ausgängen realisiert werden können. Über Taster lassen sie die einzelnen Beleuchtungen dimmen, die Beschattungen einzeln fahren und Szenen aufrufen. Die Szenen können aber auch über die Taster verändert und persistent abgespeichert werden.
Globale Variablen
Die einzelnen Objekte nutzen globale Variablen, um untereinander Informationen und Befehle auszutauschen. In der SPS-Bibliothek des TwinCAT Building Automation Framework werden alle notwendigen Variablen mitgeliefert, sodass es nicht notwendig ist, diese explizit anzulegen.