Gebäudeautomation - Kommunikationssysteme mit EIB/KNX, LON und BACnet

Vorwort zur 2., neu bearbeiteten Auflage

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung in die Gebäudeautomation

1.1 Bedeutung der Gebäudeautomation

1.1.1 Automatisierungsfunktionen im privaten Wohnungsbau

1.1.2 Automatisierungssysteme in Zweckbauten

1.2 Gebäudeautomation vs. Gebäudesystemtechnik

1.2.1 Gewerke in der Gebäudeautomation

1.2.2 Gewerke in der Gebäudesystemtechnik

1.3 Strukturen

1.3.1 Hierarchische Struktur in der Gebäudeautomation

1.3.2 Hierarchische Struktur in der Gebäudesystemtechnik

1.4 Energiemanagementfunktionen

1.4.1 Amortisationszeit

1.4.2 Energiemanagementfunktionen auf der Automationsebene

1.4.2.1 Bedarfsgerechte Sollwertanpassung

1.4.2.2 Enthalpiesteuerung

1.4.2.3 Ereignisabhängiges Schalten

1.4.2.4 Gleitendes Schalten (Optimum - Start - Stop)

1.4.2.5 Nachtkühlbetrieb

1.4.2.6 Nullenergieband-Steuerung

1.4.2.7 Zyklisches Schalten

1.4.3 Energiemanagementfunktionen auf der Managementebene

1.4.3.1 Energiecontrolling

1.4.3.2 Höchstlastbegrenzung/Lastspitzenbegrenzung

1.4.3.3 Zeitabhängiges Schalten

1.5 Komfort und Energiemanagementfunktionen in der Raumautomation

1.6 Genormte Bussysteme und Netze in der Gebäudeautomation

1.6.1 Anforderungen

1.6.2 Einsatzgebiete

1.6.2.1 Lichtsteuerung und Beschattung mit dem Europäischen Installationsbus

1.6.2.2 Regelung von Heizungs-, Klima-, Lüftungsanlagen mit LonWorks

1.6.2.3 Kopplung von Leitrechnern mit BACnet

1.6.3 Stand der Normung

1.7 Übungsaufgaben

1.8 Literatur

2 Grundlagen der industriellen Kommunikationstechnik

2.1 Industrielle Kommunikation

2.1.1 Kommunikation über Feldbusse

2.1.2 Kommunikation über Computernetze

2.2 Digitale Datenübertragung

2.2.1 Grundbegriffe

2.2.1.1 Bits und Bytes

2.2.1.2 Binär-und Hexadezimalzahlen

2.2.1.3 Bitrate

2.2.1.4 Modulationsgeschwindigkeit

2.2.1.5 Zusammenhang zwischen Bitrate und Modulationsgeschwindigkeit

2.2.2 Digitales Datenübertragungssystem

2.2.3 Quellencodierung/-decodierung

2.2.4 Kanalcodierung/-decodierung

2.2.4.1 Paritätsprüfung

2.2.4.2 Kreuzparitätsprüfung (Blockprüfung)

2.2.4.3 Zyklische Redundanzprüfung

2.2.5 Leitungscodierung/-decodierung

2.2.5.1 Non-Return-to-Zero-Code (NRZ-Code)

2.2.5.2 Manchester-Code (Biphase-L)

2.2.5.3 Differential-Manchester-Code

2.3 Kommunikation gemäß dem ISO/OSI-Referenzmodell

2.3.1 Datenübertragung und Kommunikation

2.3.2 Regeln zum Ablauf einer Kommunikation

2.3.3 Die Schichten des ISO/OSI-Referenzmodells

2.4 Feldbus und Netztopologien

2.5 Kanalzugriffsverfahren

2.5.1 Kanalzugriff nach Zuteilung

2.5.2 Kanalzugriff nach Bedarf

2.6 Übungsaufgaben

2.7 Literatur

3 Der Europäische Installationsbus KNX

3.1 Einführende Übersicht

3.1.1 Was ist KNX?

3.1.2 Historie des KNX

3.1.3 Der Nutzen von KNX

3.1.3.1 Gebäudefunktionen und Kommunikationsteilnehmer

3.1.3.2 Konventionelle Realisierung von Gebäudefunktionen

3.1.3.3 Realisierung von Gebäudefunktionen mit dem KNX

3.1.4 Motivation für die Beschäftigung mit dem KNX

3.2 Konventionelle Elektroinstallationstechnik

3.2.1 Sicherheitshinweise

3.2.2 Aufgabenstellung: Treppenhaus- und Flurbeleuchtung

3.2.3 Ausschaltung

3.2.4 Wechselschaltung

3.2.5 Kreuzschaltung

3.3 Überblick über den KNX

3.4 Übertragungsmedien und Eigenschaften von KNX.TP

3.4.1 Übertragungsmedien

3.4.2 Kriterien für die Auswahl des Übertragungsmediums

3.4.3 Eigenschaften von KNX.TP

3.4.3.1 Busleitung

3.4.3.2 Bussignal

3.4.3.3 Bitrate

3.5 Busgeräte

3.5.1 Typen und Ausführungsformen

3.5.2 Häufig eingesetzte Busgeräte

3.5.2.1 Spannungsversorgung mit integrierter Drossel

3.5.2.2 Schaltaktor (6-fach)

3.5.2.3 Tastsensor (4-fach)

3.6 Topologie

3.6.1 Begriffsdefinition

3.6.2 Teilnehmer, Linien, Bereiche

3.6.3 Spannungsversorgungen

3.6.4 Koppler

3.6.4.1 Koppler als Linienverstärker

3.6.4.2 Koppler als Linienkoppler

3.6.4.3 Koppler als Bereichskoppler

3.6.5 Installationsrichtlinien

3.6.6 Blockschaltbilder und genormte Gerätesymbole

3.7 Teilnehmeradressierung

3.7.1 Physikalische Adressen

3.7.1.1 Physikalische Adressen von Kopplern und Linienverstärkern

3.7.1.2 Physikalische Adressen an den Hauptlinien und der Bereichslinie

3.7.1.3 Beispiele für physikalische Adressen

3.7.2 Gruppenadressen (logische Adressen)

3.7.2.1 2-Ebenen-Adressierung

3.7.2.2 3-Ebenen-Adressierung

3.7.2.3 Hauptgruppen 14 und 15

3.7.2.4 Zuordnung von Funktionen zu Hauptgruppen

3.7.3 Zieladressbit (Adresstyp)

3.8 Kommunikationsobjekte

3.8.1 Begriffsdefinition

3.8.2 Eigenschaften von Kommunikationsobjekten

3.8.2.1 Strukturierter Aufbau

3.8.2.2 Attribute

3.8.2.3 Zugriffsmethoden

3.8.3 Kommunikationsobjekte von Sensorapplikationen

3.8.4 Kommunikationsobjekte von Aktorapplikationen

3.8.5 Zuordnung von Kommunikationsobjekten zu Gruppenadressen

3.8.5.1 Allgemeine Regeln

3.8.5.2 Praktisches Beispiel

3.9 Nutzdaten

3.9.1 Aufruf von Diensten der Anwendungsschicht

3.9.2 EIB Interworking Standard (EIS)

3.9.2.1 EIS-Typ 1: Schalten

3.9.2.2 EIS-Typ 2: Dimmen

3.9.3 Länge der Nutzdaten

3.10 Kommunikationsablauf

3.10.1 Telegrammarten

3.10.1.1 Datentelegramm

3.10.1.2 Abfragetelegramm

3.10.1.3 Bestätigungstelegramm

3.10.1.4 Angabe der Telegrammart im Kontrollfeld

3.10.2 Struktur eines Standarddatentelegramms

3.10.3 Universal Asynchronous Receive Transmit (UART)

3.10.3.1 Aufbau eines UART-Zeichens

3.10.3.2 Versenden eines UART-Zeichens

3.10.4 Busarbitrierung

3.10.4.1 Freier Bus

3.10.4.2 Zugriffsklassen

3.10.4.3 Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA)

3.10.4.4 Kriterien für die Buszuteilung

3.10.4.5 Beispiel für die Busarbitrierung

3.10.5 Weiterleitung von Datentelegrammen

3.10.5.1 Filterfunktion von Kopplern und Linienverstärkern

3.10.5.2 Routingzähler

3.10.6 Datensicherung

3.10.6.1 Kreuzparitätsverfahren

3.10.6.2 Beispiel

3.10.7 Bestätigungstelegramme

3.10.7.1 Inhalte von Bestätigungstelegrammen

3.10.7.2 Reaktionen des Senders auf das Bestätigungstelegramm

3.10.7.3 Beispiel 1

3.10.7.4 Beispiel 2

3.10.8 Zeitlicher Ablauf der Kommunikation

3.11 Zusammenfassung der Telegrammstrukturen

3.11.1 Standarddatentelegramm

3.11.1.1 Kontrollfeld (Byte 0)

3.11.1.2 Quelladresse (Byte1 und Byte 2)

3.11.1.3 Zieladresse (Byte3 und Byte 4)

3.11.1.4 Destination AddressField (DAF), Routingzähler, Länge (Byte 5)

3.11.1.5 Nutzdaten (Byte 6und Byte 7)

3.11.1.6 Prüffeld (Byte 8)

3.11.2 Bestätigungstelegramm

3.12 Hardware

3.12.1 „Äußere“ Hardware

3.12.2 „Innere“ Hardware

3.12.2.1 Prinzipieller innerer Aufbau eines KNX.TP-Kommunikationsgeräts

3.12.2.2 Transceiver (Übertragungsmodul)

3.12.2.3 Mikrocontroller

3.12.2.4 Anwendungsschnittstelle (AST)

3.13 Software

3.13.1 Überblick

3.13.2 Softwarekomponenten eines Kompaktgeräts

3.13.3 Softwarekomponenten eines modularen Geräts

3.13.4 Systemsoftware

3.13.5 Anwendungsprogramme

3.13.5.1 Auswahl der Applikation

3.13.5.2 Parameter von Applikationen

3.13.6 Engineering Tool Software (ETS 3)

3.13.6.1 Lizenzen

3.13.6.2 Projektdatenbank

3.13.6.3 Projektierung

3.13.6.4 Inbetriebnahme

3.14 Schulungsanlage

3.15 Übungsprojekt Lichtsteuerung

3.15.1 Kundenauftrag

3.15.2 Benötigte Geräte

3.16 Projektierung mit der ETS3

3.16.1 Vorüberlegungen

3.16.2 Starten der ETS 3

3.16.3 Neues Projekt anlegen

3.16.4 Produktdaten importieren

3.16.5 Bereiche und Linien definieren, Geräte einfügen

3.16.6 Geräteparameter einstellen

3.16.6.1 Parameterdialog des 4-fach-Tastsensors

3.16.6.2 Parameterdialog des 6-fach-Schaltaktors

3.16.7 Gruppenadressen anlegen

3.16.8 Kommunikationsobjekte den Gruppenadressen zuordnen

3.17 Inbetriebnahme

3.17.1 Hardwareaufbau

3.17.2 Programmierung der Geräte

3.17.3 Test der Lichtsteuerung

3.17.4 Diagnose/Busmonitoring

3.18 Trends im Umfeld des KNX

3.18.1 Touchscreens

3.18.2 Integration der Gebäudesystemtechnik in IP-Netze

3.19 Übungsaufgaben

3.20 Literatur

4 Gebäudeautomation mit LonWorks

4.1 Technologischer Wandel in der Gebäudeautomation

4.2 Nutzen der LonWorks-Technologie

4.2.1 Einsatz in der Gebäudesystemtechnik

4.2.1.1 Ersatz der konventionellen Verdrahtung in der Raumautomation

4.2.1.2 Wirtschaftliche Vorteile durch vernetzte Gewerke

4.2.1.3 Höhere Flexibilität durch Umprogrammierung statt Umverdrahtung

4.2.1.4 Bereitstellung zusätzlicher Sicherheitsfunktionen

4.2.2 Einsatz der LON-Technik auf der Automationsebene

4.3 Historie der LonWorks-Technologie

4.3.1 Einsatzgebiete der LonWorks-Technologie

4.3.2 Organisationseinheiten

4.3.3 Normung

4.4 Grundlagen der LonWorks-Technologie

4.4.1 Elemente der LonWorks-Technologie

4.4.1.1 Neuron-Chip

4.4.1.2 LonTalk-Protokoll

4.4.1.3 Transceiver

4.4.1.4 LonWorks-Tools

4.4.1.5 LonMark Interoperability Association

4.4.2 Aufbau und Funktionsweise eines LON-Knotens

4.4.2.1 Funktionsweise des Neuron-Chips mit Speicher

4.4.2.2 Eingabe und Ausgabebeschaltung

4.4.2.3 Spannungsversorgung und Netzteil

4.4.2.4 Service-Taste und Neuron-ID

4.4.2.5 Service-LED

4.4.2.6 Transceiver

4.5 Informationsübertragung zwischen LON-Geräten

4.5.1 Physikalische Netzstrukturen

4.5.1.1 Netze in Linienstruktur

4.5.1.2 Netze in Stern-und Ringstruktur

4.5.1.3 Subnet als physikalische Netzstruktur

4.5.1.4 Domain als größte Netzstruktur

4.5.1.5 Erstellung der Netzstruktur

4.5.2 Telegrammstruktur

4.5.3 Buszugriffsverfahren und Signalcodierung

4.5.3.1 Prädiktives P-Persistent-CSMA-Verfahren

4.5.3.2 Differential-Manchester-Code

4.5.4 Logische Netzwerkstrukturen mit Netzwerkvariablen

4.5.4.1 Bedeutung der Netzwerkvariablen

4.5.4.2 Binding

4.5.4.3 Quittierungsprinzipien

4.5.5 Interoperabilität von LON-Geräten

4.5.5.1 Objekte und Funktionsprofile nach LonMark

4.5.5.2 Konfigurationsparameter

4.5.5.3 Standard-Netzwerkvariablen-Typen in der Gebäudeautomation

4.6 LonWorks-Tools

4.6.1 Entwicklerwerkzeuge LonBuilder und NodeBuilder

4.6.2 Inbetriebnahmewerkzeuge

4.6.2.1 LonWorks Network Services

4.6.2.2 Inbetriebnahmewerkzeug LonMaker

4.7 Systemstrukturen der LonWorks-Technologie

4.7.1 Gebäudeautomationssystem mit LON

4.7.2 Web-Anbindung von LON-Netzen

4.8 Applikationsbeispiele

4.8.1 Lichtsteuerung über LON

4.8.2 Lichtsteuerung mit Panikschaltung über LON

4.9 Übungsaufgaben

4.10 Literatur

5 BACnet

5.1 Einführende Übersicht

5.1.1 Was ist BACnet?

5.1.2 BACnet-Organisationen

5.1.3 Einsatzgebiete

5.1.4 Grundkonzepte im Überblick

5.1.4.1 Arten von Information

5.1.4.2 Transportwege

5.1.4.3 Objekte

5.1.4.4 Kommunikationsarchitektur

5.2 Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht

5.2.1 Master-Slave/Token-Passing

5.2.1.1 Bitübertragungsschicht (EIA-485 und EIA-232)

5.2.1.2 Sicherungsschicht

5.2.2 Point-to-Point-Verbindung

5.2.2.1 Bitübertragungsschicht

5.2.2.2 Sicherungsschicht

5.2.3 Ethernet

5.2.3.1 Übertragung mit Twisted Pair

5.2.3.2 Netzkomponenten (Repeater, Bridge, Hub, Switch)

5.2.3.3 Übertragung mit Glasfasern

5.2.3.4 Strukturierte Verkabelung

5.2.3.5 Funkübertragung (Wireless LAN)

5.2.3.6 Sicherungsschicht: Rahmenaufbau und MAC-Adresse

5.2.4 Attached Resource Computer Network (ARCNET)

5.2.5 LonTalk

5.3 Vermittlungsschicht

5.3.1 Aufgabe

5.3.2 Router

5.3.3 BACnet und das Internet Protocol (IP)

5.3.3.1 IP-Adressen

5.3.3.2 Pfadermittlung

5.3.3.3 Paketaufbau

5.3.3.4 Subnetze

5.3.4 Transmission Control Protocol (TCP)

5.3.5 User Datagram Protocol (UDP)

5.3.6 Protokolle für die Zuordnung von MAC- und IP-Adressen

5.3.6.1 Address Resolution Protocol (ARP)

5.3.6.2 Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP)

5.3.7 Vernetzung von BACnets über das Internet

5.3.7.1 Tunneling Routing

5.3.7.2 BACnet/IP

5.4 Anwendungsschicht

5.4.1 Dateneinheit und Aufgaben

5.4.2 BACnet-Objektkonzept

5.4.2.1 Was ist ein Objekt?

5.4.2.2 Datentypen

5.4.2.3 Namenskonventionen und Adressvergabe

5.4.3 Standardisierte Objekte

5.4.3.1 Analog-Eingabe-Objekt

5.4.3.2 Analog-Ausgabe-Objekt

5.4.3.3 Analogwert-Objekt

5.4.3.4 Mittelwert-Objekt

5.4.3.5 Binär-Eingabe-Objekt

5.4.3.6 Binär-Ausgabe-Objekt

5.4.3.7 Binärwert-Objekt

5.4.3.8 Betriebskalender-Objekt

5.4.3.9 Gruppenauftrag-Objekt

5.4.3.10 Device-Objekt

5.4.3.11 Ereigniskategorie-Objekt

5.4.3.12 Datei-Objekt

5.4.3.13 Globales Gruppen-Objekt

5.4.3.14 Gefahrenmelder-Objekt

5.4.3.15 Sicherheitsbereich-Objekt

5.4.3.16 Regler-Objekt

5.4.3.17 Mehrstufige-Eingabe-Objekt

5.4.3.18 Mehrstufige-Ausgabe-Objekt

5.4.3.19 Mehrstufiger-Wert-Objekt

5.4.3.20 Meldungsklassen-Objekt

5.4.3.21 Programm-Objekt

5.4.3.22 Zeitplan-Objekt

5.4.3.23 Trend-Aufzeichnung-Objekt

5.4.3.24 Mehrfachtrend-Aufzeichnung-Objekt

5.4.3.25 Zählwert-Eingabe-Objekt

5.4.4 Dienste

5.4.4.1 Objektzugriff-Dienste

5.4.4.2 Alarm und Ereignis-Dienste

5.4.4.3 Device- und Netzwerkmanagement-Dienste

5.4.4.4 Dateizugriff-Dienste

5.4.4.5 Virtual-Terminal-Dienste

5.4.5 Prozeduren

5.4.5.1 Datensicherung

5.4.5.2 Priorisierung von Aufträgen

5.5 BACnet-Geräte und Interoperabilität

5.5.1 Interoperabilitätsbereiche (IOB) und -bausteine

5.5.1.1 IOB Gemeinsame Datennutzung

5.5.1.2 IOB Alarm und Ereignisverarbeitung

5.5.1.3 IOB Zeitplan

5.5.1.4 IOB Trendaufzeichnung

5.5.1.5 IOB Device- und Netzwerkmanagement

5.5.2 Device-Profile

5.5.2.1 BACnet Operator Workstation

5.5.2.2 BACnet Building Controller

5.5.2.3 BACnet Advanced Application Controller

5.5.2.4 BACnet Application Specific Controller

5.5.2.5 BACnet Smart Actuator und BACnet Smart Sensor

5.5.2.6 BACnet Router

5.5.3 Protokollumsetzungsbestätigung und BTL-Zeichen

5.6 Gateways zu anderen Systemen

5.7 Übungsaufgaben

5.8 Literatur

Index