Standards der Hausvernetzung im Vergleich

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Namen der Autoren:	Jörn Flinspach, Thomas Klamke, C. Ung3r3cht5 , Swen Vollenbroich
Titel der Arbeit:	Standards der Hausvernetzung im Vergleich
Hochschule und Studienort:	FOM Neuss

Inhaltsverzeichnis 1 Abkürzungsverzeichnis 2 Abbildungsverzeichnis 3 Einleitung 4 Smart Living 5 Überblick über die moderne Hausvernetzung 6 Grundlagen der Hausvernetzung 6.1 Übertragungsarten 6.1.1 Topologien 6.1.2 Medien 6.2 ISO/OSI-Referenzmodell 6.3 Feldbus 6.4 Funktionsebenen 7 EIB/KNX - Der Europäische Installationsbus 7.1 Geschichtlicher Hintergrund 7.2 Technik 7.2.1 Übertragunsmedien 7.2.2 Netzaufbau 7.2.3 Telegramm 7.2.4 Busankoppler 7.3 Anwendungen 7.3.1 Einsatzgebiete 7.3.2 Vergleich mit herkömmlicher Gebäudetechnik 7.3.3 Trends 7.4 Vorteile 8 LON - Local Operating Network 8.1 Überblick 8.1.1 Geschichtlicher Hintergrund 8.1.2 Begriffe rund um LON 8.1.3 Neue Konzepte 8.2 Technik 8.2.1 Kern der LON-Technologie 8.2.2 Kommunikation mit LonTalk 8.2.3 Binding 8.2.4 Netzwerkvariablen 8.3 Anwendungen 8.3.1 Beleuchtungssteuerung 8.3.2 HKL 8.3.3 Beschattung 8.4 Vorteile 9 BACnet - Building Automation and Control Network 9.1 Überblick 9.1.1 Definition und Einsatzgebiet 9.1.2 Geschichtlicher Hintergrund 9.2 Modell 9.2.1 Protokoll 9.2.2 ISO/OSI-Schichtenmodell 9.2.3 Eingliederung im 3 Ebenen Modell 9.2.4 Objekte 9.2.5 Dienste 10 Zusammenfassung und Ausblick 11 Fußnoten 12 Literaturverzeichnis

1 Abkürzungsverzeichnis

Abkürzung	Bedeutung
BTA	betriebstechnische Anlagen
DDC	Direct Digital Control
EEPROM	Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
EIB	Europäischer Installationsbus
GST	Gebäudesystemtechnik
HLK	Heizungs, Lüftungs, Klimaanlagen
ISO/OSI	International Organization for Standardization / Open System Interconnection
KNX	Nachfolger des EIB
MSR	Mess-, Steuer- und Regeltechnik
PDA	Personal Digital Assistant
TCP/IP	Transmission Control Protocol/Internet Protocol
UDP	User Datagram Protocol

2 Abbildungsverzeichnis

Abb.-Nr.	Abbildung
1	Darstellung des 3-Ebenen-Modells
2	Aufbau des EIB-Netzes [1]
3	Aufbau des Daten-Telegamms
4	Aufbau eines Busankopplers [2]
5	Herkömmliche Vernetzung [3]
6	Vernetzung mit EIB/KNX [4]
7	Touchscreen mit Gira "Pro-face ServerClient 15"-Software [5]
8	Komponenten eines LonWorks-Knotens
9	Aufbau eines Neuron-Chips[6]
10	Beispiel eines Eintrags der SNVT Master Liste[7]
11	Aufbau eines Grundtyps von LonMark Standard Objekten
12	Beispiel für Gebäudeübergreifende Kommunikation 1 - Ohne BACnet
13	Beispiel für Gebäudeübergreifende Kommunikation 2 - Mit BACnet
14	ISO/OSI und BACnet Protokoll
15	Darstellung des 3 Ebenen Modells (siehe Abb. 1)

3 Einleitung

Seit Jahren nimmt der Automatisierungsgrad im privaten Wohnungsbau stetig zu. Gründe hierzu sind zum einen ein immer größer werdendes Bedürfnis nach Komfort und Sicherheit, zum anderen aber auch die Bedeutung der Gebäudeautomation im Sinne der Energieeinsparung und des Energiemanagements ^[8]. Aus diesem Grund befassen wir uns in dieser Fallstudie mit den Funktionsweisen verschiedener etablierter Standards der Hausvernetzung und Gebäudeautomation sowie deren vorhandenen Gemeinsamkeiten und Unterschiede. Außerdem werden wir erläutern welche Kriterien gegen eine moderne Hausvernetzung sprechen und in welchen Fällen diese wirtschaftlich und technologisch keinen Mehrwert für die Nutzer bringen.

Die im Rahmen dieser Fallstudie zu betrachtenden Standards sollen Funktionen bieten die in Wohngebäuden erforderlich oder nützlich sind. Wir gehen nicht weiter auf die Anwendungsbereiche von z.B. Zweckbauten (Bürogebäude) oder industriell genutzten Gebäuden, ein.

Die Vorgehensweise zur Analyse der relevanten Daten beinhaltet zum einem die Einarbeitung in die technischen Grundlagen und die Einordnung der Standards in die Einsatzgebiete sowie in das noch später zu erläuternde Ebenenmodell. Als abschließendes Fazit wird ein Vergleich der technischen und nichttechnischen Details gezogen, so dass Vor- und Nachteile der jeweiligen Technologie deutlich herausgestellt werden.

Der Schwerpunkt der vorliegenden Ausarbeitung liegt auf der allgemeinen Darstellung der drei meist verbreitetsten offenen Standards EIB/KNX, LON und BACnet. Es soll im Folgenden gezielt auf einige Bereiche tiefer eingegangen und deren Einsatzgebiete veranschaulicht werden. Es gibt neben den o.g. Standards viele weitere Standards, meist proprietäre Herstellerlösungen, die aber auf Grund der geringen Verbreitung als, für diese Ausarbeitung, uninteressant eingestuft wurden.

4 Smart Living

Smart Living, zu Deutsch "intelligentes Wohnen", bedeutet in erster Linie Gebäudeautomation und Hausvernetzung von Wohngebäuden und erst in zweiter Linie die Vernetzung von Multimediageräten innerhalb von Wohnräumen. Dennoch soll, um einen gemeinsamen Einstieg in das Thema moderne Hausvernetzung zu bekommen, an dieser Stelle erläutert werden von welchen Voraussetzungen diese Fallstudie ausgeht.

Grundsätzlich bezeichnet Smart Living Konzepte im privaten Wohnbereich bei denen Geräte und Systeme eingesetzt werden die einen Mehrwert für die Nutzer in den Bereichen Komfort, Wirtschaftlichkeit, Energieeffizienz, Flexibilität und Sicherheit erreichen. Diese Geräte sind miteinander vernetzt, lassen sich leicht bedienen und orientieren sich an den speziellen Anforderungen der Endanwender. Somit lassen sich flexible, moderne und zukunftssichere Lösungen für unterschiedlichste Bedürfnisse realisieren.

Es gibt derzeit viele unterschiedliche Ansätze von Firmen und Privatleuten das perfekte Smart Home zu bauen und umzusetzen. Jedoch scheint sich herauszukristalisieren, dass im privaten Bereich die Anforderungen und Bedürfnisse der späteren Nutzer sehr stark divergieren. Aus diesem Grund kann eine klare und eindeutige Definition von Smart Living nicht gegeben werden.

5 Überblick über die moderne Hausvernetzung

Scheinbar unbemerkt ist schon heute eine Vielzahl von Automatisierungsvorgängen im privaten Wohnungsbau zum Standard geworden. So wird zum Beispiel heutzutage keine Heizungsanlage installiert, welche nicht über eine ausgeklügelte Brennersteuerung sowie eine optimierte Raumtemperaturregelung verfügt. Hierbei steht der Aspekt der Energieeinsparung im Vordergrund. Ein weiteres Beispiel für eine Automatisierungsfunktion kann man die automatische Lichtsteuerung heranziehen. In vielen Fällen schaltet sich die Außenbeleuchtung von Wohnanlagen durch installierte Bewegungsmelder selbsttätig ein. Hier wird die Wärmestrahlung einer sich nähernden Person von einem Sensor erfasst und mit den Signalen eines Helligkeitssensors so kombiniert, dass sich das Licht dann nur bei ausreichender Dunkelheit einschaltet. Auch wenn es sich hierbei um eine vergleichsweise einfache Automatisierungsfunktion handelt, so zeigt sich doch die Kombination einer sogenannten Ereignissteuerung (Sensor erfasst Wärmestrahlung und Helligkeitswerte) und einer logischen Verknüpfung (beide Ereignisse treffen zu, somit schaltet der Aktor das Licht ein).

Eine weitaus kompliziertere Funktion ergibt sich, wenn im Wohnhaus die zentrale Ein- oder Ausschaltung der gesamten Beleuchtung gewünscht wird. Würde man versuchen dieses Problem auf eine konventionelle Elektroinstallation zu lösen, so wäre dies nur mit einem sehr hohen und unübersichtlichen Verkabelungsaufwand umsetzbar. Hier zeigt sich, dass der Einsatz von sogenannten Bussystemen und die damit verbundene Kommunikation zwischen verschiedenen Gewerken die bessere Alternative wäre.

Eine Grundvoraussetzung für die datentechnische Zusammenfassung aller Gewerke in einem Gebäude sind Kommunikationsverbindungen. Hier haben sich seit mehreren Jahren Bussysteme als wirtschaftlichste Lösung durchgesetzt. Ursprünglich haben die Herstellerfirmen der Gebäudeautomationssysteme für diese Datenübertragung selbstentwickelte oder aus der Prozessautomation bekannte Lösungen verwendet. Im Laufe der Zeit sind die Ansprüche an die Gebäudeautomation gewachsen. Es entstand der Bedarf, auch solche Systeme zu integrieren, die bereits mit Controllern anderer Hersteller ausgestattet waren. Hierzu musste eine Verbindung zwischen zwei unterschiedlichen Bussystemen erstellt werden. Dies bedeutet aber, das mindestens einer der beiden Hersteller sein Protokoll offenlegen musste, was jedoch in den meistens Fällen nicht im Interesse des jeweiligen Herstellers lag. In solchen Fällen erwies sich somit die Aufschaltung eines neuen Gerätes als außerordentlich schwierig. Mit zunehmender Komplexität des Gesamtsystems setzte sich damit am Markt der Wunsch nach Bussystemen mit offenen Protokollen durch. Ein weiterer Aspekt für den Marktwunsch nach offenen Bussystemen ergab sich aus der finanziellen Abhängigkeit des Betreibers vom Lieferanten, da er sich im Rahmen der Erstinstallation des System für einen Hersteller entscheiden musste, und jeglichen Erweiterungswunsch nur über diesen Hersteller realisieren konnte.

Unter dem Begriff Hausvernetzung versteht man heutzutage die kabelgebundene und kabellose Verbindung von Sensoren und Schaltern der modernen Haussteuerung in Privathaushalten sowie deren zentrale Steuerung die unter anderem zur Energieeinsparung und zum Umweltschutz beitragen. Neben den klassischen Geräten wie Heizungen, Rollladen, Licht- und andere Schalter zählen zu der modernen Haussteuerung auch TV- und HiFi-Geräte sowie die sogenannte "Weisse Ware".

6 Grundlagen der Hausvernetzung

6.1 Übertragungsarten

6.1.1 Topologien

Unter einer Netzwerk-Topologie versteht man die Anordnung von Netzwerk-Stationen und Kabeln. Sie bestimmen die einzusetzende Hardware, sowie die Zugriffsmethoden. Dieses wiederum hat Einfluss auf das Medium (z. B. das Kabel), auf die Übertragungsgeschwindigkeit und den Durchsatz der Daten.

• Ring
  

Bei der Anwendung der Ring-Topologie sind die Netzwerk-Gewerke an einer geschlossenen Kabelstrecke im Kreis angeordnet. Das bedeutet, dass an jedem Gewerk ein Kabel ankommt und ein Kabel abgeht. Die Steuerung und der Zugriff auf das Übertragungsmedium regelt ein Protokoll, an das sich alle Gewerke halten. Wird die Kabelverbindung an einer Stelle unterbrochen fällt das Netzwerk aus.

• Stern
  

In der Stern-Topologie befindet sich eine zentrale Steuereinheit, die eine Verbindung zu allen Gewerken unterhält. Jedes Gewerk ist über eine eigene physikalische Leitung an die zentrale Einheit angebunden. Es handelt sich im Regelfall um einen Hub oder einen Switch. Hier wird die Verteilerfunktion für die versendeten Datenpakete geregelt. Die einzelnen Gewerke müssen sich über ein Protokoll miteinander verständigen. Der Hub oder Switch ist in der Lage alle Gewerke miteinander zu verbinden. Dazu werden die Datenpakete entgegen genommen und an das entsprechende Ziel weitergeleitet. Die Datenbelastung der zentralen Steuereinheit ist sehr hoch, da alle Netzverbindungen darüber laufen. Der Nachteil bei Anwendung dieser Topologie ist, dass bei Ausfall der Zentraleinheit das gesamte Netzwerk nicht mehr funktioniert.

• Bus

Bei der Bus-Topologie werden mehrere Gewerke hintereinander oder nebeneinander in Reihe angeordnet vernetzt. Die Geräte sind über eine gemeinsame Leitung (der sogenannten BUS-Leitung) miteinander verbunden. Um Störungen auf der Leitung zu verhindern und die physikalischen Bedingungen zu verbessern werden die beiden Kabelenden mit einem Abschlusswiderstand versehen. Der Ausfall des Netzes kann nur durch die Trennung des Kabels erfolgen. Eine zentrale Netzwerkkomponente, die die Abläufe auf dem Bus regelt gibt es nicht. Die Intelligenz sitzt in den einzelnen Gewerken. Ein Zugriffsverfahren ist verantwortlich, an dessen Regeln sich alle Gewerke halten. Alle Gewerke, die an dem Bus angeschlossen sind, haben Zugriff auf das Übertragungsmedium und die Daten, die darüber übertragen werden. Den Daten wird die Adresse des Empfängers, des Senders und eine Fehlerbehandlung vorausgeschickt. Die Gewerke, die nicht als Empfänger adressiert sind, ignorieren die Daten. Die Gewerke, die adressiert sind, lesen die Daten und schicken eine Bestätigung an den Sender. Senden zwei Gewerke gleichzeitig ihre Daten, entsteht ein elektrisches Störsignal auf dem Bus und die Übertragung wird unterbrochen. Nach einer gewissen Zeit, versuchen die Gewerke wieder Daten zu senden. Der Vorgang wird so oft wiederholt, bis ein Gewerke es schafft seine Daten zu verschicken.

• Baum

Die Baum-Topologie ist eine erweiterte Stern-Topologie. Größere Netze nehmen eine solche Struktur an. Vorallem dann, wenn mehrere Topologien miteinander kombiniert werden. Meist bildet ein übergeordnetes Netzwerk-Element, entweder ein Koppel-Element oder eine andere Topologie, die Wurzel. Von dort bildet sich ein Stamm mit vielen Verästelungen und Verzweigungen. ^[9]

6.1.2 Medien

Im Allgemeinen werden zwei Arten von Übertragungsmedien unterschiedenen. Es gibt die sogenannten kabelgebundenen Medien und die kabellosen Medien. Häufig wird dies mit den im OSI-Referenzmodell spezifizierten verbindungsorientierten und verbindungsunabhängigen Modi verwechselt.

Zu den kabelgebundenen Medien gehören:

- Twisted Pair (2-Draht),

- Twisted Pair RJ45 (Cat.5, Cat.6),

- Koaxialkabel,

- Power Line (230V Stromleitung) und

- Glasfaser

Die bekanntesten kabellosen Medien sind:

- Bluetooth

- IEEE-802.11 (WLAN a,b,g,h,n)

- Infrarot

- GSM

Abhängig vom genutzten Übertragungsmedium sind sowohl die Geschwindigkeit der Datenübertragung als auch die Entfernung der räumlichen Ausdehnung. Die größte Entfernung und die höchste Geschwindigkeit ist mit Glasfaserverbindung zu erreichen. Die geringste Übertragungsrate mit der kürzesten Strecke ist bei Infrarot zu finden.

Nicht alle Übertragungsmedien können in freier Topologie physikalisch verbunden werden. Für jede Netzwerktopologie gibt es besondere Übertragungsmedien.

6.2 ISO/OSI-Referenzmodell

Das ISO/OSI-Referenzmodell dient der abstrakten Beschreibung von Standards sowie zur Erklärung und Einordnung der wichtigsten Eigenschaften und Funktionen von Kommunikationssystemen. Es ermöglicht die Kommunikation zwischen Geräten und Anwendungen unterschiedlicher Hersteller in offenen und heterogenen Netzwerken. Die Begriffe ISO/OSI stehen hier für International Organization for Standardization / Open System Interconnection und bedeuten, dass ein offener Kommunikationsstandard durch eine internationale Organisation festgelegt wurde. Das ISO/OSI-Modell ist allerdings nicht starr und es werden laufend zusätzliche Funktionen und Prozesse in das Modell mit aufgenommen. Das ISO/OSI-Modell ist ein Schichtenmodell das u.a. als Designgrundlage von Kommunikationsprotokollen entwickelt wurde. Die Aufgaben der Kommunikation wurden dazu in sieben aufeinander aufbauende Schichten, die sogenannten Layer, unterteilt.

Für jede Schicht existiert eine Beschreibung, was diese zu leisten hat. Diese Anforderungen müssen von den Kommunikationsprotokollen realisiert werden. Die konkrete Umsetzung wird dabei nicht vorgegeben und kann daher sehr unterschiedlich sein. Somit existieren mittlerweile für jede Schicht zahlreiche Protokolle. Die wohl bekanntesten Protokolle des ISO/OSI-Modells sind die der TCP/IP-Protokollfamilie welche durch die große Verbreitung des Internets als der Standard überhaupt gilt.

Häufig werden bei der Umsetzung von Protokollen und Anwendungen die verschiedenen Schichten zusammengefasst. Dabei werden die Schichten 1 - 4, welche vom physikalischen Zugriff bis hin zur Weitergabe der Daten an die Anwendung gehen, häufig einzeln realisiert. Im Gegensatz dazu werden die Schicht 5 - 7, welche grundsätzlich auf Softwareebene angesiedelt sind, als Anwendungsschicht zusammengefasst.

Das ISO/OSI-Referenzmodell kennt genau zwei Kommunikationsarten. Die verbindungslose Kommunikationsart, bei der keine Verbindung (Leitung oder logischer Kanal) zur Datenübertragung zwischen Sender und Empfänger geschaltet werden muss. Ein bekanntes verbindungsloses Protokoll ist z.B. UDP. Sowie die verbindungsorientierte Kommunikationsart, bei der vor der Übertragung von Nutzdaten eine Verbindung zwischen Sender und Empfänger hergestellt werden muss. Dies kann durch die Vermittlung einer Leitung oder durch den Aufbau eines logischen Kanals geschehen. Ein bekanntes verbindungsorientiertes Protokoll ist TCP.

Im Rahmen dieser Ausarbeitung soll angemerkt werden, dass sich die Technologien EIB/KNX und LON auf den Ebenen 1 - 4 des ISO/OSI-Modells befinden. Demgegenüber steht BACnet, welches auf allen Schichten des OSI-Modells implementiert wurde. Für BACnet gibt es eine eigenständige Schichtenmodellierung die sich aber nach den Vorgaben des OSI-Modells richtet.^[10]

6.3 Feldbus

Ein Feldbus ist ein industrielles Kommunikationssystem, das eine Vielzahl von Feldgeräten wie Messfühler (Sensoren), Stellglieder und Antriebe (Aktoren) mit einem Steuerungsgerät verbindet. Die Feldbustechnik wurde in den 80er Jahren entwickelt, um die bis dahin übliche Parallelverdrahtung binärer Signale sowie die analoge Signalübertragung durch digitale Übertragungstechnik zu ersetzen. Die hierbei verwendeten Topologien sind die Ring-, Stern-, Linien- und Baumtopologie.

Feldbusse sind für verschiedene Anwendungen entwickelt, die sich in den Prozessebenen widerspiegeln. Man unterscheidet dabei die Management-, Automations- und Feldebene, die unterschiedliche Anforderungen an die Informationsübertragung stellen.

Da die Steuerung der Aktoren mit einer vorhersagbaren Verzögerungszeit stattfinden muss, benutzen Feldbusse deterministische Zugangsverfahren, wie der Time Division Multiple Access (TDMA) oder andere. Dies unterscheidet sie ganz wesentlich von dem stochastischen Zugangsverfahren, das in Ethernet eingesetzt wird und verdeutlicht die Probleme bei der Migration zwischen den nicht-deterministischen IP-Netzen und den deterministischen Feldbussen beim Übergang in das industrielle Ethernet.

Feldbusse unterliegen diversen nationalen und internationalen Standards und adaptieren die Schichtenstruktur des OSI-Referenzmodells. Einen gemeinsamen Standard für Feldbusse gibt es nicht, es handelt sich in aller Regel um proprietäre Systeme, die durch Interessengruppen weiterentwickelt und gefördert werden.

Von der Topologie können sie aufgebaut sein wie Netzwerke, nämlich in Ringtopologie, Baumtopologie, Bustopologie oder Sterntopologie.

Feldbusse sind für ihr Einsatzgebiet optimiert, so dass es diverse Versionen für den Anlagenbau und die Automation gibt, ebenso wie für den Maschinenbau, die Automotive-Technik, die Prozess- und die Gebäudeautomation.

6.4 Funktionsebenen

Anhand des 3-Ebenen-Modells sollen die allgemeinen Unterschiede der 3 Standards verglichen werden. Desweiteren soll die Einteilung in das jeweilige Einsatzgebiet und der Nutzen verdeutlicht werden.

Managementebene

Die Leitebene bildet im hierarchischen Ebenenmodell für die Automation die oberste Ebene mit der höchsten Funktionsvielfalt. Auf dieser Ebene sind die Leitrechner, die speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Industrie-Computer (IPC), CAD- und CAM-Systeme angesiedelt. Darüber hinaus sind auf dieser Ebene bestimmte Feldbusse wie der BACnet, Interbus, TTP/C und der FlexRay angesiedelt.

Die Leitebene dient der Steuerung der gesamten Betriebs- und Produktionsstätten. Mit Hilfe dieser Ebene werden Anlagen überwacht und diese aufgrund historischer und statistische Daten optimiert. Hier findet häufig eine Vernetzung mit Ethernet oder industrielles Ethernet statt. In bestimmten Anwendungen wie der Automotive-Technik werden an die Feldbusse sicherheitsrelevante Anforderungen gestellt.

Automationsebene

Die Automations- bzw. Prozessebene bildet im hierarchischen Ebenenmodell für die Automation die mittlere Ebene, die zwischen der Feldebene und der Leitebene angesiedelt ist. Die Komponenten dieser Ebene sammeln die Daten der Sensoren und Aktoren, bereiten sie auf, verarbeiten sie, führen die Regel- und Steuerungsmechanismen aus und leiten bestimmte Daten an die Leitrechner weiter. Darüber hinaus können die Daten in grafischer Form aufbereitet und dargestellt werden.

Auf der Prozessebene sind Steuerungsgeräte, speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und CNC-Maschinen angesiedelt.

Feldbusse die auf dieser Ebene eingesetzt werden sind der Profibus, CAN-Bus und DeviceNet sowie Industrial Ethernet.

Feldebene

Die unterste Ebene des hierarchisch aufgebauten Ebenenmodells beschreibt die Feldebene. Hier befinden sich Sensoren und Aktoren, die sogenannten Feldgeräte. Sie stellen die Schnittstelle zwischen der elektrischen Steuerung bzw. Regelung und dem Prozess dar. Aktoren wandeln ein elektrisches Signal in eine physikalische Größe (Motoren, Ventile, usw.) um. Sensoren wandeln eine physikalische Größe in ein elektrisches Signal (Temperaturfühler, Endschalter, usw.) um. Sensoren und Aktoren versenden und empfangen Daten über den Feldbus. In der Regel erfolgt der Datenaustausch nicht direkt zwischen den Feldgeräten, sondern Ebenen übergreifend mit den Steuergeräten der Aktoren. Dies kann aber auch abhängig von der verwendeten Technologie durchaus abweichend sein, so dass Feldgeräte untereinander kommunizieren.

Typische Feldbusse für die Feldebene sind neben LON und dem europäischen Installationsbus (EIB) auch einige andere aber weniger verbreitete Bustypen.

7 EIB/KNX - Der Europäische Installationsbus

7.1 Geschichtlicher Hintergrund

Am 8. Mai 1990 wurde die internationale „European Installation Bus Association (EIBA) von 15 europäischen Herstellern der Branche Gebäudesystemtechnik gegründet. Ziel der EIBA war die Vorbereitung und Förderung des Installationsbussystems EIB als international genormtes System.

Im Mai 1999 wurde durch den Zusammenschluss der EIBA mit dem BatiBUS Club International (BCI) und der European Home Systems Association (EHSA) die Konnex Association gegründet. Seither wird EIB unter dem Namen EIB/KNX bzw. KNX vermarktet.

Im Dezember 2003 fand die Standardisierung durch die europäische Norm EN 50090 und ISO/IEC 14543 statt. In der Norm sind der Aufbau und die Funktionsweise eines EIB/KNX-Systems detailiert beschrieben. ^[11]

Mittlerweile sind mehr als 120 Herstellerunternehmen der Elektro-, Heizung-, Klima-, Lüftung-, und Haushaltsgerätebranche vertreten. Der EIB/KNX ist eines der führenden Kommunikationssysteme weltweit, welches in der Gebäudesystemtechnik zur informationstechnischen Vernetzung von Geräten (zum Beispiel Sensoren, Aktoren, Steuer- und Regelgerärten, Bedien- und Beobachtungsgeräten) genutzt wird. EIB/KNX steht für ausgereifte und weltweit durchgesetzte intelligente Vernetzung moderner Haus- und Gebäudesystemtechnik. Seit Gründung der EIBA wurden weltweit über 100.000 Gebäude mit dem EIB ausgerüstet.^[12]

7.2 Technik

Der Europäische Installationsbus ist einer der wenigen offenen Standards für Haus- und Gebäudesystemtechnik. Diese Besonderheit macht den Installationsbus so erfolgreich. "Offen" bedeutet hierbei, dass Geräte verschiedener Hersteller über den EIB/KNX miteinander kommunizieren können. Man ist somit nicht mehr Abhängig von nur noch einem einzigen Hersteller, sondern kann verschiedenste Gewerke von verschiedenen Herstellern kombinieren. Der EIB/KNX wurde als ein System entwickelt, dass für alle wichtigen Anlagen in der Gebäudetechnik einsetzbar ist. Damit sich alle Geräte untereinander verstehen, gibt es für jedes Gewerk einen normgerechten EIB/KNX-Anschluss. Dies vereinfacht die Planung und Ausführung von Gebäudefunktionen und ermöglicht ohne Zusatzaufwand viel höhere Funktionalität und Flexibilität und mehr Komfort. Der EIB ist ein dezentrales System, d.h. es ist keine zentrale Steuerung (z.B. über einen Server) notwendig, da jedes Gerät einen eigenen Mikrocontroller enthält. Die Busgeräte müssen nach bestimmten Regeln miteinander verbunden werden (siehe Netzaufbau). Sie kommunizieren miteinander, indem Telegramme unter Beachtung bestimmter Regeln ausgetauscht werden. Der Informationsaustausch erfolgt direkt zwischen den Teilnehmern, die für die Realsierung einer Funktion zuständig sind. Mit Hilfe des EIB ist es möglich ganz neue Schalt- und Regelszenarien zu erzeugen, die mit herkömmlicher Verkabelung nur mit sehr hohem Kabelaufwand oder gar nicht realisierbar sind. Dies führt sowohl zu einer Erhöhung des Komforts und der Individualität aber auch zu einem verbesserten Sicherheits- und Energiemanagements.

7.2.1 Übertragunsmedien

Für den Betrieb eines EIB/KNX-Systems muss man sich zunächst einmal für ein bestimmtes Übertragungsmedium über das die einzelnen Sensoren, Aktoren, usw. miteinander kommunizieren entscheiden. Grundsätzlich bieten sich hier 3 verschiedene Möglichkeiten an.

Am häufigsten wird die Twisted-Pair-Übertragung (KNX.TP), insbesondere bei Neubauten, eingesetzt. Sie ist die kostengünstigste Variante und die Verlegung einer separaten Datenleitung führt in einem Neubau zu keinerlei Problemen. Die Leitungen können auf und unter dem Putz, in trockenen, feuchten und nassen Räumen verlegt werden. Die Übertragungsgeschwindigkeit beträgt bei dieser Variante 9.600 bit/s.

Eine andere Variante zur Datenübertragung ist die Nutzung der bereits vorhandenen Stromleitungen innerhalb des Gebäudes (KNX.PL). Diese Variante ist häufig bei älteren Gebäuden im Einsatz, wenn die Verlegung einer separaten Leitung zu aufwendig wäre. Die Datensignale werden hierbei der Sinusspannung des Energieversorgungsnetzes überlagert. Jedoch eignet sich diese Variante nur für kleinere Anlagen, da die Datenübertragungsgeschwindigkeit hier nur 1.200 bit/s beträgt.

Als weitere Alternative gibt es noch die Datenübertragung per Funk (KNX.RF). Hier müssen ebenfalls keine neuen Leitungen verlegt werden. Jedoch haben Datenübertragungen per Funk immer den großen Nachteil, dass sie je nach Verschlüsselungsgrad von außerhalb abgefangen, ausgelesen und vielleicht sogar umprogrammiert werden könnten.

7.2.2 Netzaufbau

Da der Installationsbus von der kleinsten Anlage bis hin zum größten Zweckbau wirtschaftlich einsetzbar sein soll, ist das System hierarchisch gegliedert. Beim EIB/KNX wird eine Linien-, Stern oder, wie es bei den meisten Installationen der Fall ist, eine Baumtopologie verwendet. Die kleinste Einheit, der Teilnehmer(T) ist durch eine Buslinie(L) mit den anderen Teilnehmern verbunden. Je Buslinie können bis zu 64 Teilnehmer betrieben werden. Eine Linie kann bei Erweiterung durch einen Linienverstärker erweitert werden. Bis zu 12 solcher Linien können über eine Hauptlinie(HL) zu einem Bereich(B) zusammengefasst werden. Über eine Bereichslinie(BL) können bis zu 15 solcher Bereiche miteinander verbunden werden. Somit ergibt sich bei maximaler Auslastung eine Teilnehmerzahl von 65.536 Stück. Dieses Maximum wird allerdings selten ausgenutzt. Üblicherweise beschränkt man sich hier auf ca. 12.000 Teilnehmer^[13]. Jede Buslinie muss eine eigene Spannungsversorgung haben. Dadurch arbeitet das Gesamtsystem bei Ausfall einer Buslinie weiter, so dass sich die Verfügbarkeit erhöht. Eine solche Vernetzung soll anhand eines Beispiels verdeutlicht werden. Als Beispielobjekt dient ein Einfamilienhaus, in dem sämtliche Geräte über den EIB/KNX vernetzt werden soll. Alle Busgeräte innerhalb eines Raumes werden über eine Buslinie verbunden. Die einzelnen Zimmer auf einer Etage werden über eine Hauptlinie verbunden und bilden damit einen Bereich. Am sinnvollsten hat sich hier die Bereichseinteilung in einzelne Etagen bewehrt. Zum Schluss werden mehrere Etagen über eine Bereichslinie verbunden.

Die Aufteilung des Bussystems in Linien und Bereiche hat weiterhin den Vorteil, dass der lokale Datenverkehr einer Linie oder eines Bereiches nicht den Datenverkehr anderer Linien und Bereiche beeinflusst. Dies wird dadurch erreicht, dass der Linienkoppler solche Telegramme, die nur Teilnehmer innerhalb seiner Linien ansprechen, nicht zu den anderen Linien oder in andere Bereiche sendet bzw. Telegramme aus anderen Linien oder Bereichen ignoriert, die keine Teilnehmer innerhalb der eigenen Linie betreffen. Somit ist auch eine gleichzeitige Kommunikation innerhalb mehrerer Linien möglich.

Damit die einzelnen Teilnehmer ohne Probleme miteinander kommunizieren können, müssen bestimmte Regeln eingehalten werden. So erhält jeder Teilnehmer innerhalb des EIB-Netzes eine feste einzigartige EIB-Adresse. Die Adresse setzt sich aus 3 Nummern zusammen (z.B. 2.10.60). Hier spiegelt sich der zuvor beschriebene Netzaufbau wieder, da die erste Nummer den Bereich, die zweite die Linie und die letzte den Teilnehmer darstellt. Auf das vorherige Beispiel bezogen würde es sich hier um das Gerät-Nr. 60, 10. Zimmer, im 2. Stockwerk handeln.

Realisiert wird die Vergabe der EIB-Adresse durch den Einsatz einer speziellen Software, der ETS-3. ETS-3 steht für "Engineering-Tool-Software Version 3" und ist eine von EIB entwickelte Software, die es ermöglicht alle unterschiedlichen Geräte innerhalb des Netzes mit dem gleichen Programm zu programmieren bzw. parametrieren. Diese Software kann auf einen beliebigen Rechner, der am EIB-Netz angeschlossen ist, installiert und ausgeführt werden. Die EIB-Adressvergabe findet beim Erststart des Systems statt. Nachdem alle Teilnehmer ihre Adresse erhalten haben besteht die Möglichkeit einzelne Adresse zu Adressgruppen zusammen zufassen.

7.2.3 Telegramm

Die BUS-Teilnehmer kommunizieren untereinander mit Hilfe von sogenannten Daten-Telegrammen. Die EIB Telegramme haben einen Absender und sollten auch mindestens einen Empfänger haben. Innerhalb einer Linie, "hören" alle Busgeräte alle Telegramme mit. Beim Übertragen eines Telegramms, von einer Linie in eine andere Linie, können aber durch die Linienkoppler oder Bereichskoppler auch Telegramme ausgefiltert werden. Ein Sender kennt das Ziel seines Telegramms nicht. Alle Busteilnehmer prüfen, ob das empfangene Telegramm für sie eine Bedeutung hat. Wenn ja, wird der Inhalt des Telegramms von dem Mikrocontroller des Gerätes entsprechend verarbeitet und das Gerät quittiert das Telegramm positiv, wenn es korrekt empfangen wurde. Konnte das Telegramm nicht korrekt empfangen werden, dann wird es negativ quittiert. Damit wird dem Sender angezeigt, dass er es wiederholen muss. Empfängt der Sender überhaupt keine Quittung, so wiederholt er das Telegramm noch dreimal. Hat der Inhalt für ein Gerät keine Bedeutung, so wird er verworfen. Das Telegramm ist in verschiedene Bereiche aufgeteilt, die auch Übertragungsblöcke genannt werden. Diese Übertragungsblöcke werden der Reihe nach auf den Bus übertragen, wobei die einzelnen Telegramme unterschiedlich lang sein können. Das hängt davon ab, wie groß das Nutzsignal, welches im Datenfeld hinterlegt wird, ist. Die Größe des Nutzsignals kann zwischen 2 und 16 Byte variieren. Am Anfang eines jeden Telegramms steht das Kontrollfeld, welches die Systeminformationen enthält. Diese Information könnte zum Beispiel die Zugriffspriorität am Bus sein, d.h. ob das Telegramm eine Alarmfunktion hat. Im Adressfeld sind die physikalische Adresse des Absenders und die Gruppenadresse des Empfängers mit je zwei Byte hinterlegt. Die Nutzinformationen, die im Datenfeld stehen, können Befehle, Messwerte, etc. sein. Diese Information kann zwischen 2 und 16 Byte groß sein. Um eventuelle Übertragungsfehler zu erkennen, wird eine Paritätsprüfung durchgeführt. Diese Prüfung wird im Sicherungsfeld vorgenommen und die Prüfsumme wird hier festgehalten. Nach der Übertragung der Felder erfolgt eine fest vorgegebene Wartezeit. Nach Ablauf der Wartezeit bestätigen alle angesprochenen Teilnehmer am Bus den Erhalt des Telegramms.

7.2.4 Busankoppler

Eines der wichtigsten Bestandteile des EIB-Netzes ist der Busankoppler, welcher jeder Teilnehmer benötigt. Der Busankoppler ist eine universelle Schnittstelle, der die Teilnehmer über eine Anwender-Schnittstelle (AST) mit der Busleitung verbindet. Er ist einerseits dafür verantwortlich, dass die Telegramme an die richtige Adresse geschickt werden, aber auch zu endscheiden, ob ein ankommendes Telegramm für den jeweiligen Teilnehmer relevant ist oder ob die Information ignoriert werden kann. Der Busankoppler besteht aus 2 Grundkomponenten, dem Mikrocontroller und dem Übertragungsmodul.

Der Mikrocontroller ist die Speichereinheit und verfügt über folgende Speicherarten:

- einem ROM (nicht-flüchtiger Speicher), dieser enthält die Systemsoftware.

- einem RAM (flüchtiger Speicher), dieser beinhaltet für die Dauer des Betriebs des Teilnehmers temporäre Werte des Systems und der Applikation. Wird die Busspannung entfernt, gehen diese Werte verloren, sofern sie nicht im EEPROM (elektrisch überschreibbar, nicht flüchtig) gesichert sind.

- einem EEPROM, dieser enthält die physikalische- und die Gruppenadresse(n), bzw. Parameter diese Daten werden über die ETS aufgespielt. Dieses Modul entscheidet, ob eingehende Telegramme für den Teilnehmer relevant sind oder nicht.

- einem AP (Applikationsprogramm), dieser beinhaltet die möglichen Funktion des Teilnehmers. Die AP wird vom Hersteller in Form einer ETS- Datenbank zu Verfügung gestellt.

Das Übertragungsmodel beinhaltet einen Transceiver. Dieser dient dabei als eine Art Übersetzer, der die Daten des angeschlossenen Teilnehmers aufnimmt, entsprechend umwandelt und diese als Telegramm auf den Bus überleitet. Der Transceiver muss immer an das verwendete Übertragungsmedium (Twisted-Pair, Powerline, Funk) angepasst werden.

7.3 Anwendungen

7.3.1 Einsatzgebiete

Im Folgenden sollen einige Beispiele den Nutzen von EIB/KNX in Gebäuden verdeutlichen. Grundsätzlich kann man sagen, dass dabei immer die 3 Kriterien Komfort, Sicherheit und Energieeffizenz eine wichtige Rolle spielen.

Beleuchtungs- und Jalousiesteuerung
Innerhalb der Gebäudesystemtechnik gibt es die Anwendungen Beleuchtungssteuerung sowie Jalousiesteuerung. Beide Anwendungsbereiche können geschlossen Bereiche sein, aber auch in Funktionen verknüpft werden. Die Beleuchtungs- bzw. die Jalousiensteuerung können dabei

- vor Ort

- zeitabhängig

- zentral

- helligkeitsabhängig

- bewegungsabhängig

geschaltet bzw. gesteuert werden. Durch dieses helligkeits-, zeit- und bedarfsgesteuerte Schaltung lassen sich sowohl die Energiekosten reduzieren als auch der Komfort eines Raumes durch die Anpassung der Lichtverhältnisse steigern. Anhand von einigen praktischen Beispielen soll dies verdeutlicht werden:

• im Schlafzimmer werden die Jalousien über Helligkeitsregler verzögert herauf und herunter gefahren

• der Blendschutz im Arbeitszimmer wird automatisch aktiv, wenn der darin befindliche PC eingeschaltet ist. Abhängig von der Helligkeit außen, werden die Blendschutzlamellen ausgefahren bzw. ausgerichtet

• öffnet man eine Türe bei geschlossener Jalousie, fährt diese, ausgelöst von einem Türkontakt, selbstständig nach oben. Nach der Verriegelung der Tür geht die Jalousie wieder in ihre Sollstellung zurück

• die außen liegenden großen Lamellenjalousien werden über einen Windgeschwindigkeitsmesser vor Beschädigung geschützt und bei starkem Wind hochgefahren

• bei der Benutzung eines sogenannten "Panikschalters" wird auf Knopfdruck die Beleuchtung des gesamten Hauses eingeschaltet ^[14]

Heizungssteuerung
Durch die Heizungssteuerung soll der Energiebedarf für die Raumheizung ohne Komforteinbußen für die Benutzer so gering wie möglich gehalten werden. Ein optimaler Betrieb der Heizungsanlage wird durch eine intelligente Steuerung erreicht. Ein paar praktische Anwendungsbeispiele zur Verdeutlichung:

• die Steuerung regelt Heizzeiten der einzelnen Räume nach deren Nutzungszeit

• die Raumtemperatur kann individuell für jeden Raum je nach Nutzung (z.B. in Ruhezeiten eine höhere Temperatur als in Zeiten mit körperlicher Betätigung) eingestellt werden ^[15]

7.3.2 Vergleich mit herkömmlicher Gebäudetechnik

Bei der herkömmlichen Gebäudetechnik werden die verwendeten Sensoren und Aktoren jedes Gewerks im Allgemeinen über Punkt-zu-Punkt-Verbindung an Steuer- oder Regelgerät angeschlossen. Dies führt zu einem erheblichen Aufwand an Planung und Umsetzung. Es werden hierbei auch dementsprechend viele Kabel verlegt werden müssen, was die Umsetzung zusätzlich sehr unübersichtlich macht. Aus Sicherheitstechnischer Sicht ist natürlich eine solch große Menge an Kabel mit einer entsprechend großen Brandlast verbunden. Auch die eventuell später folgende Suche nach Fehlerquellen wird hierdurch erschwert und bedarf somit eines höheren Zeitaufwands. Eine Verknüpfung der Gewerke für eine gemeinsame Bedienung alles Komponenten ist oft nicht oder nur mit hohem technischen Aufwand möglich.

Um diese Problematik zu lösen bietet sich der Gebrauch des EIB/KNX an. Hierbei wird jeder einzelne Sensor, Aktor oder Regler direkt an den EIB-Bus verbunden wodurch die Planung übersichtlicher und die Installation und Inbetriebnahme deutlich einfacher wird. Dies wird auch anhand der abgebildeten Zeichnungen im Vergleich sichtbar.

Bisher wurden alle Geräte elektrisch an- oder ausgeschaltet. Dies erfolgte über die Stromkabel mittels Parallel- oder Reihenschaltung. Stromversorgung und Steuerung der Geräte erfolgte über ein Netz, betrieben mit 230 V Wechselspannung. Mit der EIB/KNX-Technik werden Stromversorgung der Geräte und ihre Steuerung getrennt. Es gibt 2 Netze, das Stromnetz zur Stromversorgung mit 230 V Wechselspannung und das Steuerungsnetz mit maximal 30 V Gleichspannung. Diese werden unabhängig voneinander beziehungsweise parallel im Haus verlegt.

7.3.3 Trends

Auf Grund immer komplexer werdender Funktionen werden EIB/KNX-Projekte immer aufwendiger. Um die Benutzerfreundlichkeit für den Endkunden zu vereinfachen bzw. zu optimieren, rückt der Bedienungskomfort immer häufiger an in Vordergrund einer solchen Planung. Mit design orientierten, berührungsempfindlichen Displays, so genannte Touchscreens, bieten die EIB/KNX-Hersteller die gewünschte Funktionalität, verbunden mit hohem Bedienkomfort, in immer breiterer Vielfalt an. Mit Hilfe von Touchscreens besteht die Möglichkeit eine EIB/KNX Installation zentral von einer Stelle aus zu bedienen. So ist es beispielsweise möglich über die dargestellte Benutzeroberfläche alle Lampen im Haus per Tastendrück ein- bzw. auszuschalten. Weiter besteht hier auch die Möglichkeit das Touchpad mit der Multimediaanlage oder der Telekommunikation zu verknüpfen, so dass auch diese darüber gesteuert werden können. Statusveränderungen im System werden in Echtzeit sofort an das Display übermittelt.

Ein weiterer immer häufiger auftretender Trend ist die Verbindung der EIB/KNX-Anlage mit dem Internet über ein lokales Netz (LAN). Die Kopplung von EIB/KNX-Systemen mit LAN geschieht mit Hilfe von IP-Gateways. Mit Hilfe einer solchen Verbindung ist es möglich verschiedene Statusinformationen, zum Beispiel ob alle Fenster geschlossen sind, innerhalb des Hauses via Handy abzufragen oder zu ändern.

7.4 Vorteile

Das EIB Bussystem bietet verschiedene Vorteile. Zum einen lässt es sich sowohl in Altbauten also auch in Neubauten flexibel integrieren und ist durch seine Auswahl an Übertragungsmedien leicht erweiterbar. Jede Art von elektrischen Gewerken kann schnell und unkompliziert installiert und bedient werden. Fehler im System können schneller gefunden und behoben werden. Auch sind Anpassungen an geänderte Raumnutzung durch die ETS-3-Software möglich. So kann z.B. ein Lichtschalter umprogrammiert werden, dass er dann als Fensteröffner fungiert.

Eines der Hauptmerkmale von EIB ist die hohe Benutzerfreundlichkeit des Systems für den Endkunden. Dies wird einerseits dadurch erzeugt, dass alle Geräte über nur ein Softwareprogramm programmiert werden, andererseits durch eine mögliche Visualisierung des gesamten Systems durch sogenannte Touchpanels. Hier lassen sich kinderleicht sämtliche Funktionen des Hauses abbilden, überwachen und manuell ändern.

Aber auch die neusten Trends, wie z.B. das überwachen und steuern der Gebäudetechnik von außerhalb via Handy oder PDA wurden bereits mit Hilfe von IP-Gateways im EIB integriert.

Weiterhin ist die Zukunftssicherheit des Systems durch die Unterstützung einer großen Anzahl von Herstellern gewährleistet. Mehr als 120 Hersteller unterstützen den EIB Bus und entwickeln auch Geräte für diesen. So ist man bei der Auswahl der Hardware nicht an einen Hersteller gebunden und kann auch Geräte unterschiedlicher Hersteller miteinander kombinieren. Dies führt zum einen zu einer Vielzahl von Möglichkeiten, die man in einem Haus integrieren und automatisieren bzw. überwachen kann.

8 LON - Local Operating Network

8.1 Überblick

8.1.1 Geschichtlicher Hintergrund

Im Grunde entstand die Idee zur Entwicklung der LonWorks Technologie um 1984 durch A.C. "Mike" Markula. Als Mitbegründer der Firma Apple Computer und Mitverantwortlicher zur Einführung des Mikroprozessors bei Intel galt "Mike" Markula als ein Mensch mit enormen technischem Know-how und tiefgründigen Visionen.

Durch die rasante Entwicklung im Computermarkt, seit den 1980er Jahren, nimmt der Personal Computer und dessen Mikroprozessortechnik immer mehr Einzug in alle Lebensbereiche. Hierbei ist heutzutage klar zu erkennen, dass immer kleinere Systeme mit noch größerer Leistung gewünscht sind.

Diesen technologischen Fortschritt und die starke Verbreitung des Personal Computers hat "Mike" Markula schon damals vermutet und sehr früh die Idee von sehr kleinen "Computern" entwickelt die sich in "Haushaltsgeräte", wie z.B. Kaffeemaschinen, einbauen lassen. Diese Geräte sollten, durch die Einführung der damals neuen Mikroprozessoren, in der Lage sein Daten untereinander auszutauschen. Allerdings waren die heute als Hauptanwendungsbereich geltende Haussteuerung und Gebäudeautomation kein Bestandteil der LonWorks Technologie. Erst später, durch die Entwicklung des Neuron-Chips, hat die durch A.C. Markula und Dr. M. Kenneth Oshmann gegründete Firma Echelon, diesen Anwendungsbereich in den Fokus gerückt. ^[16]

Das für uns heute alltäglich und normal gewordene Internet bietet die Funktionen, welche sich auch auf die Anforderungen in der Hausvernetzung wiederspiegeln, in vielfältiger Weise an. Hier werden unterschiedliche Dienste und Ressourcen dezentral angeboten, abgerufen und genutzt. Analog für die Haus- bzw. Gebäudesteuerung war und ist also das Ziel die Intelligenz im Netzwerk auf alle Komponenten zu verteilen um so die verschiedenen Ressourcen in effektiver Weise für jede andere Komponente bereitstellen zu können. Durch die Entwicklung des Neuron-Chips wurde dieses Ziel für die Bereiche Haussteuerung und Gebäudeautomation weitgehend erreicht.

Neben der Herstellerfirma Echelon haben sich viele unterschiedliche Organisationen in vielen Ländern zur Aufgabe gemacht an der Verbreitung und Weiterentwicklung der LON-Technologie mitzuwirken. Die LonWorks-Technologie wurde zum ersten Mal im Jahre 1990 auf dem deutschen Markt eingeführt und bekannt gemacht. In einem relativ kurzen Zeitrahmen haben sich in den USA und in Deutschland zwei große solcher Organisationen gegründet. Zuerst, im Jahr 1993, hat sich in Deutschland der Lonmark Nutzer Organisation e.V. (LNO), ein Zusammenschluss von verschiedenen Unternehmen und Personen, gegründet welcher seit Anfang 2006 als LonMark Deutschland e.V. weitergeführt wird. Und erst ein Jahr später, 1994, wurde die LonMark International in den USA gegründet.

8.1.2 Begriffe rund um LON

Der Begriff LON steht für Local Operating Network, was so viel wie "lokal operierendes Netzwerk" bedeutet. LON ist also eine Art Netzwerk in dem einzelne Knoten, die ihre eigene Intelligenz besitzen, selbstständig Aktionen ausführen. Je nach einprogrammierter Aktion der Knoten, werden diese als Sensoren, Aktoren oder Regler bezeichnet. Neben dem Begriff LON wird auch die Bezeichnung LonWorks synonym verwendet. Während mit LON aber eher der Standard als solcher gemeint ist, versteht man unter LonWorks die Gesamtheit aller Bestandteile der LON-Technologie.

LON findet sowohl in der Industrie als auch im privaten Hausbau ein breites Spektrum von Anwendungsmöglichkeiten. Die sogenannten LON-Knoten, die unterschiedliche Funktionen innerhalb der Haussteuerung übernehmen, werden in einem Netzwerk miteinander verbunden. Ein LON-Netzwerk kann hierbei mehrere Tausend Knoten, abhängig vom implementierten Speicher, miteinander in Beziehung bringen. Auch hier werden unterschiedliche Begriffe synonym verwendet. Geläufig sind LON-(Feld)Bus und LON-Netzwerk. Durch die frei wählbare Topologie sind LON-Feldbusse flexibel ausbaubar. Das Kernstück eines LON-Knotens ist der Neuron-Chip, in welchem die Funktion des LON-Knotens bestimmt und die Beziehungen verschiedener Knoten untereinander geregelt wird. Für das gesamte Handling sowie das Versenden und Empfangen von Datenpakten ist das LonTalk-Protokoll, welches gemäß den Vorgaben des ISO/OSI-Modells entwickelt und im Lon-Knoten implementiert wurde, zuständig.

Hersteller von Komponenten für LonWorks können ihre Produkte, wenn diese den Anforderungen des LonMark Regelwerks entsprechen, zertifizieren lassen. Das Produkt erhält dann ein entsprechendes LonMark Gütesiegel. Die LonMark Interoperability Association stellt somit einen gewissen Qualitätsstandard innerhalb von LON sicher. In diesem Zusammenhang wird von den Regeln nach LonMark gesprochen. Damit innerhalb der LonWorks-Technologie die Anforderungen an einen offenen, interoperablen und dezentralen Standard von unterschiedlichen Herstellern unterstützt und beachtet werden, ist ein umfassendes Regelwerk notwendig. Die LonMark Interoperability Association, eine unabhängige Vereinigung von mittlerweile mehreren hundert Unternehmen in der jeder Interessierte Mitglied werden und in Arbeitsgruppen mitarbeiten kann, verantwortet das Aufstellen dieses Regelwerkes und treibt somit die Interoperabilität voran. Hersteller von LON-Komponenten müssen sich an diese Regeln halten und können dann Ihre Produkte zertifizieren lassen ^[17]. Regeln nach LonMark sind gemäß des OSI-Modells in allen sieben Schichten vorhanden. Für jede Schicht gibt es spezielle Anforderungen die erfüllt sein müssen. An dieser Stelle sollen aber erst einmal nur die LonWorks-Regeln der Anwendungsschicht und damit die "SNVT Master List" als Beispiel genannt werden.

8.1.3 Neue Konzepte

In Gebäuden finden sich in der Regel verschiedene Gewerke, die unterschiedliche Aufgaben erledigen. Diese Gewerke sind häufig, in der normalen Technik, nur schwer oder sogar gar nicht Steuerungs- und Regelkonzepte ist, dass die jeweiligen Gewerke sich auf unterschiedlichem Niveau befinden und teilweise eigene proprietäre Lösungen entwickelt haben. Die sich daraus ergebenen Nachteile, wie eine hohe Anzahl unterschiedlicher Kabeltypen liegen hierbei auf der Hand.

Ein entscheidender Grund für die weite Verbreitung von LON ist darin zu finden, dass LON im Gegensatz zur normalen Installationstechnik eine interoperable und offene Technologie ist. Für die "normale" Hausvernetzung z.B. existieren keine einheitlichen Standards zwischen den verschiedenen Gewerken. Damit aber eine möglichst effiziente Nutzung eines Gebäudes umgesetzt werden kann, müssen Standards festgelegt und diese für alle relevanten Teilbereiche realisiert werden. Mit den Anforderungen an eine offene und interoperable Gebäudevernetzung und –automation wuchsen also auch die Anforderungen an die Konzepte der Umsetzung. Im Laufe der letzten 20 Jahre haben sich einige Veränderungen innerhalb dieser Standards der Gebäudeinstallation- und automation ergeben.

Die Evolution der Kommunikationskonzepte erstreckt sich über vier Generationen. In der aktuellen Generation, auf der auch die LON-Technologie aktuell beruht, können die Komponenten in einer freien wählbaren Topologie miteinander physikalisch verbunden werden. Außerdem besitzen die Komponenten eine eigene aber begrenzte Intelligenz "vor Ort" welche das Empfangen, Senden und Verarbeiten von Informationen erledigt. Es werden also kleine und intelligente "Geräte" gewerkeübergreifend an einer Art Bus-Netz miteinander verbunden. Diese sind in der Lage, alle Gewerke miteinander in Beziehung zu setzen. ^[18]

8.2 Technik

8.2.1 Kern der LON-Technologie

Das Herzstück der LonWorks-Technologie stellt der sogenannte Neuron-Chip dar. Dieser bettet sich neben der Ein- und Ausgabeelektronik und der Kommunikationseinrichtung in den LonWorks-Knoten ein.

Die LON-Knoten kommunizieren über ein oder mehrere Übertragungsmedien, abhängig vom Transceiver, mit Hilfe eines einheitlichen Protokolls, dem LonTalk-Protokoll, miteinander. Im Rahmen der Gebäudeautomation lassen sich die verschiedenen Grundsysteme also auf drei Grundkomponenten zusammenfassen. Diese sind die Sensoren, Aktoren und die jeweilige Verarbeitungseinheit. Die von den Sensoren abgegebenen Daten werden verarbeitet und die durch die zugehörigen Aktoren als festgelegte Reaktion daraufhin umgesetzt.

Da jeder Knoten über eine eigene Intelligenz verfügt, kann er auch eigenständig Entscheidungen treffen. Somit wird keine zentrale Steuereinheit in Form einer Speicherprogrammierbaren Steuerung oder Direct Digital Control benötigt. Solche Systeme werden auch dezentral organisierte Multi-Master-Systeme genannt in denen Störung meist nur lokal begrenzt auftreten.

Im Neuron-Chip sind alle Funktionen für die Übertragung von Datenpaketen zwischen Knoten und die Abarbeitung von eigenständigen Applikationen enthalten. Die zentrale Verarbeitungseinheit eines Knotens, also der Neuron-Chip, kommuniziert einerseits mit der Ein- und Ausgabeelektronik und andererseits mit der Kommunikationselektronik.

Um die Bearbeitung der unterschiedlichen Aufgaben möglichst effizient zu gestalten wurde die CPU des Neuron-Chips als eine Multiprozessor-CPU realisiert. Dieser Multiprozessor, welcher nach den Anforderungen des OSI-Referenzmodells entwickelt wurde, besteht aus genau drei Prozessoren. Die Rechenleistung ist jedoch nicht mit heute üblichen Computer Prozessoren vergleichbar.

Der MAC Prozessor regelt den physikalischen Medienzugriff und ist damit für die Art und Weise der physikalischen Datenkodierung zuständig. Er verarbeitet also die Daten, welche über die Ein- und Ausgabeelektronik des Knotens empfangen oder gesendet werden.

Der Network Prozessor formatiert und verpackt Daten und stattet diese Pakete mit der entsprechenden Zielnetzadresse aus. Auf die Adressierungsformen wird an späterer Stelle noch einmal detailierter eingegangen. Die hier verarbeiteten Daten werden entweder an den MAC Prozessor übergeben, welcher die Informationen kodiert und an die Ausgabeelektronik weiter gibt oder die Daten werden entpackt und an den Application Prozessor übergeben.

Der Application Prozessor ist wiederum für die Bearbeitung von Programmcode zuständig, welcher den Lon-Knoten zum Sensor, Aktor oder Regler macht. Datenpakete die vom Network Prozessor empfangen werden, veranlassen den Knoten zu einer Aktion und der Knoten agiert als Aktor. Übermittelt der Application Prozessor hingegen eigene gesammelte Informationen an den Network Prozessor, so fungiert der Knoten als Sensor.

Neben den Prozessoren sind verschiedene Speicherbereiche im Neuron-Chip vorhanden, in denen neben dem Programmcode auch Adressen und Daten gespeichert werden. Zur internen Kommunikation innerhalb eines Lon-Knotens zwischen verschiedenen Prozessoren oder Speicherbereichen stehen sowohl ein Adress- sowie ein Datenbus zur Verfügung.^[19]

8.2.2 Kommunikation mit LonTalk

Damit sich zwei oder mehr LON-Knoten in einem Netz finden und gegenseitig Informationen austauschen können, ist neben der eingebauten Intelligenz des Neuron-Chips aber auch eine allgemein verständliche Sprache zwischen den Geräten notwendig. Diese Sprache muss über alle Ebenen des ISO/OSI-Referenzmodells eingehalten werden.

Die Kommunikation zwischen LonWorks-Komponenten innerhalb eines Feldbusses wird durch das standardisierte Netzwerkprotokoll LonTalk ermöglicht. Dieses Protokoll ist im Neuron-Chip jedes Knotens implementiert und ermöglicht die Bearbeitung von den sogenannten Nachrichten. LonTalk ist, genau wie die anderen Bestandteile dieser Technologie, nach offenen Kriterien standardisiert. Auch hier wurde das ISO/OSI Modell als Grundlage zur Modellierung gewählt.

Die exakte Bezeichnung einer Nachricht im Lon-Netzwerk lautet Netzwerkvariable. Diese Netzwerkvariablen (NVs) stellen Datencontainer dar, die eine begrenzte Menge an Daten aufnehmen können. Die NVs werden in den einzelnen Knoten von Entwicklern während der Parametrierung festgelegt und unterscheiden sich in Typ und Funktion.

Durch die Verwendung der "Standard Network Variable Types Master List" sind Variablen eindeutig bestimmten Funktionen zugeordnet. Da auch das LonTalk-Protokoll auf dem OSI-Referenzmodell basiert, werden vom Erzeugen einer Nachricht über das Abschicken bis hin zum Empfang die sieben Schichten des ISO-OSI-Modells durchlaufen. Auf Grund der Interoperabilität und Offenheit dieses Systems ist LON nicht an bestimmte Übertragungsmedien oder Netzwerktopologien gebunden.

Auch die Adressierung innerhalb eines LON-Feldbusses wird über das LonTalk-Protokoll gesteuert. Dieses legt fest, wie die Nachrichten eines sendenden LON-Knotens einen oder mehrere Empfänger findet. LonTalk unterstützt vier unterschiedliche Adressierungsformen. Bei der direkten Adressierung, auch als Unicast bezeichnet, werden die Nachrichten gezielt an einen bestimmten Empfänger gesendet der bei Bedarf den Erhalt der Nachricht bestätigt.

Die als Multicast bezeichnete Gruppen-Adressierung kann mehrere Teilnehmer (bis zu 64 LonKnoten) in einer Gruppe zusammenfassen, so dass der Sender nur eine Nachricht an die Gruppe schicken muss. Auch hier können die Nachrichten durch die Empfänger bestätigt werden.

Um eine noch größere Gruppe als Empfänger zu erreichen, nämlich alle Knoten eines bestimmten Bereichs oder das ganze Netzwerk, kann auf die Broadcast-Adressierung zurückgegriffen werden. Dies wird im Allgemeinen vereinfacht als Broadcast bezeichnet.

Die letzte der vier möglichen Adressierungsformen ist die Turnaround-Adressierung. Hierbei ist der Sender einer Nachricht auch gleichzeitig deren Empfänger. Dies macht dann Sinn, wenn ein Knoten zwei unterschiedliche Funktionen gleichzeitig erfüllen soll.

8.2.3 Binding

Binding bezeichnet den Aufbau von logischen Kommunikationsbeziehungen zwischen LON-Knoten innerhalb eines LON-Netzes. Das Binding gehört zur bedeutendsten Aufgabe bei der Inbetriebnahme und muss nach den Vorgaben des Planers bestimmt werden. Hierbei wird häufig nach der 4W-Regel vorgegangen: Wer bin ich? Hier werden Informationen über das Gerät selber und sein Verhalten zum Netzwerk erfasst, dass bedeutet es wird festgelegt welche Daten gesendet, empfangen und verarbeitet werden sollen.

Wo bin ich? Hierunter wird sowohl die logische Zuordnung zu einer Gruppe oder einem Subnet als auch die physikalische Platzierung des Knotens im Gebäude verstanden. Anhand von Beschreibungen können so Geräte einfacher identifiziert werden.

Wer sind meine Freunde? Das sind alle Einträge im Adressbereich, also Knoten, mit denen eine Kommunikation stattfinden soll bzw. kann. Dies schließt sowohl die sendenden als auch die empfangenden Gegenstellen mit ein.

Wie kommuniziere ich mit Ihnen? Da kaum physikalische Beschränkungen bei LON existieren müssen die Knoten wissen, auf welches Medium sie selber Zugriff haben, damit Daten in ordnungsgemäßer Weise verpackt und ins Netz gesendet werden können.

Zur eindeutigen Adressierung jedes Knotens wird eine logische Adresse in der Form von Domain/Subnet/Node in jedem Teilnehmer konfiguriert. Hierbei empfiehlt es sich größere Bereiche in Domains aufzuteilen und mit einer eindeutigen Kennung zu versehen. Dies geschieht üblicherweise während der Parametrierung der einzelnen Knoten.

Während der Parametrierung eines LON-Knotens müssen also die Adressbeziehungen untereinander festgelegt werden. Die Beantwortung der Fragen "Wer und wo bin ich?" und "Wer sind meine Freunde und wie kommuniziere ich mit Ihnen?" hilft bei der Planung der Kommunikationsbeziehungen.

Das Binding stellt also eine wesentliche Aufgabe dar um die Ziele der Gebäudeautomatisierung realisieren zu können.

8.2.4 Netzwerkvariablen

Wie im oberen Abschnitt beschrieben werden Netzwerkvariablen zur Datenübertragung zwischen LON-Knoten verwendet. Diese standardisierten Netzwerkvariablen sind in LonTalk implementiert und stellen Container dar mit deren Hilfe Informationen im LonWorks-Netzwerk ausgetauscht werden.

Ein weltweit für verbindlich erklärter Satz an unverzichtbaren Funktionen wurde in der "Standard Network Variable Types (SNVT) Master List" festgelegt. Ein LON-Knoten muss damit eine typgerechte Standardvariable in das Netzwerk senden. Soll der Knoten weitere optionale Variablen in das Netzwerk einspeisen müssen diese aber wiederum nach dem vorgegebenen Standard entwickelt worden sein. Aus diesem Grund sind Hersteller auch nicht in der Lage beliebig eigene Produkte und Lösungen auf dem Markt zu platzieren.

Die technische Bezeichnung eines LON-Knotens auf der Kommunikationsebene lautet Node-Object. Ein Node-Object besitzt entweder eine oder mehrere Eingangsvariablen oder eine oder mehrere Ausgangsvariablen. In der Regel senden Sensoren Informationen und Aktoren erhalten diese. Es gibt aber auch durchaus häufig andere denkbare Konstellationen.

Netzwerkvariablen sind für Programmierer sehr einfach in der Programmiersprache Neuron C zu deklarieren. Da die LON-Knoten vor Inbetriebnahme zu parametrieren sind, muss dies natürlich vorher über eine Software realisiert werden. Der Aufbau einer NV stellt sich wie folgt dar.

network output SNVT_temp nvoOutputNV; ^[20]

Durch den Befehl network wird dem Node mitgeteilt, dass es sich um eine Netzwerkvariable handelt, die für die Datenübermittlung innerhalb des Netzwerks genutzt wird. Mit dem Schlüsselwort output wird in diesem Beispiel angegeben, dass es sich um eine zu versendende Nachricht handelt. Alternativ, für eine eingehende Nachricht, wäre hier input anzugeben. Wie aus Abbildung 3 ersichtlich gibt SNVT_temp den Datentyp an der übermittelt wird. Der Bezeichner nvoOutputNV legt den Namen dieser Netzwerkvariablen fest, welcher sowohl im Programm selber als auch über eine Managementsoftware ersichtlich ist.

8.3 Anwendungen

Obwohl sich die LonWorks-Technologie in vielfältiger Weise einsetzen lässt ist der Bereich der Gebäudeautomation der derzeit größte und wichtigste. Innerhalb der Gebäudeautomation dient LON zum Datenaustausch sowohl unterschiedlicher Geräte als auch unterschiedlicher Gewerke. So können sich die Geräte gegenseitig steuern und regeln und ihre Funktionalität in optimaler Weise aufeinander abstimmen. Diese Gewerke sind u.a.: ^[21]

- Elektro- und Sanitärinstallationen

- Heizung, Klimatisierung, Lüftung (HKL),

- Beschattung,

- Zugangskontrolle und

- Alarmsysteme (Feuer, Wasser)

Da die speziellen Anforderungen an ein intelligentes Haus von Nutzer zu Nutzer verschieden sind, sollen an dieser Stelle nur einige grundsätzliche Anwendungsmöglichkeiten dargestellt werden. Vor allem die Kriterien Sicherheit, Energieeffizienz und Komfort stehen immer wieder im Fokus der gewünschten Anwendungslösungen. Im Folgenden werden Beispiele der Einsatzmöglichkeit dargestellt, die aber bei weitem keine abschließende Auflistung darstellen. Desweiteren wird exemplarisch auf Applikationen eingegangen welche gewerkübergreifend funktionieren, da sich prinzipiell sehr viele unterschiedliche gewerkübergreifende Konstellationen planen und umsetzen lassen.

8.3.1 Beleuchtungssteuerung

Das Ziel einer modernen Beleuchtungssteuerung ist nicht nur das zentrale An- und Ausschalten von Lampen sondern die Möglichkeit je nach Verwendungszweck eines Raumes vordefinierte Einstellungen nutzen zu können. Wie ein roter Faden zieht sich hier die Funktion der Szenen-Programmierung hindurch. Es können sogenannte Szenen konfiguriert werden die entweder zeit- oder ereignisgesteuert stattfinden und sich auf die gesamte Beleuchtung innerhalb und außerhalb des Gebäudes anwenden lässt. Durch die Szenensteuerung können Werte der Helligkeit, Dauer, Abhängigkeit von Lichteinfall usw. gespeichert und beliebig oft manuell sowie automatisch abgerufen werden. Mögliche Szenarien sind z.B.

- "Urlaub": Es werden Zeiträume definiert zu denen Licht in unterschiedlichen Räumen willkürlich ein- und ausgeschaltet werden, damit nach außen der Anschein eines bewohnten Hauses auftritt

- "Einbruch": Wird auf dem Grundstück nach einer vorgegebenen Uhrzeit durch einen außerhalb angebrachten Präsenzmelder eine "Person bemerkt" so lassen sich gleichzeitig alle Aussenlampen intervallartig ein- und ausschalten um einen Alarm zu signalisieren

- "Guten Morgen": An den Wochentagen von Montags bis Freitag wird die Beleuchtung langsam ab 7 Uhr hochgedimmt. An den Wochenenden hingegen bleibt die Beleuchtung bis 10 Uhr ausgeschaltet und wird erst nach manuellem betätigen eines Lichtschalters aktiviert.

Weitere Einsatzmöglichkeiten zum Ziel der Energieeinsparung wären die Präsenzerkennung von Personen und das Mitführen von Licht, damit nur dort Strom verbraucht wird wo sich auch tatsächlich Personen aufhalten. Zur Einsparung von Strom kann innerhalb der Beleuchtungssteuerung auf die Informationen von Lichtsensoren und Präsenzmelder zugegriffen werden. Desweiteren steht die Beleuchtungssteuerung auch in direktem Zusammenhang mit der Beschattung des Gebäudes. Hier sind enorme Energiesparpotentiale zu erkennen.

8.3.2 HKL

Ähnlich zur Beleuchtungssteuerung ist die moderne Heizungs-, Klimatisierungs- und Lüftungstechnik nicht nur eine zentrale Steuerung von Heiz- und Klimageräten. Auch in der HKL sollen die Ressourcen möglichst effizient genutzt werden. Wenn ein Gebäude in einer bestimmten Art und Weise genutzt wird, sollen anhand vorgefertigter Szenarien bestimmte Aktionen ausgeführt werden. Besonderes Merkmal der Heizungstechnik sind die Vorlaufzeiten die entstehen um bestimmte Temperaturen zu erreichen. Hierbei spielen besonders viele Faktoren eine Rolle.

Neben der aktuellen sowie gewünschten Temperatur sind die Informationen über z.B. die Außentemperatur, die Sonneneinstrahlung, die Tageszeit und den Zustand von Türen und Fenstern für eine optimale Heiz- bzw. Kühlsteuerung enorm wichtig.

Werden Raumbelegungsprofile verwendet kann ein Raum zeitgesteuert vorgeheizt oder bei Nichtbelegung die Heizleistung auf ein Minimum reduziert werden. In Kombination mit der Beschattungssteuerung lässt sich zusätzlichen vermeiden, dass ein Raum unnötig gekühlt wird, da die Jalousien eine zu hohe Raumaufheizung verhindern.^[22]

8.3.3 Beschattung

Die Steuerung der Beschattung hat im Wesentlichen zwei Aufgaben zu erfüllen. In erster Linie dient die Beschattung als Blendschutz für die Nutzer des Gebäudes. Hierbei spricht man auch von der indirekten Beleuchtungssteuerung. Die indirekte Beleuchtungssteuerung wirkt sich in großem Maße direkt auf die direkte Beleuchtungssteuerung wie o.g. aus.

Die zweite wesentliche Aufgabe der Beschattungssteuerung ist die Kühl- und Heizunterstützung. Hier wird auch von der indirekten Temperaturregelung gesprochen. Auch hier gibt es wesentliche Schnittpunkte zu anderen Gewerken s. HKL.

An dem Beispiel der Beschattungssteuerung kann man sehr gut erkennen, dass ein gewerkübergreifender Informationsaustausch unterschiedlicher Geräte sowohl von großem Nutzen ist als auch Energie einsparen kann.

Zusätzlich zu den Informationen wie Helligkeit im Raum, Sonneneinstrahlung, Tageszeit und Belegung des Raums, welche auch in den beiden anderen o.g. Gewerken für eine optimale Steuerung von Notwendigkeit sind, ist es für die Beschattungssteuerung auch zwingend erforderlich die Windstärke zu ermitteln. Bei zu starkem Wind, muss die Beschattungssteuerung automatisch die Jalousien hochfahren und gegebenenfalls die Fenster schließen damit keine Beschädigungen entstehen.

Auch hier kann natürlich auch durch die Szenensteuerung auf Knopfdruck sowie zeit- und ereignisgesteuert vorkonfigurierte Einstellungen und Positionen von Jalousien umgesetzt werden. Hierbei stellt das Szenario "Urlaub" aus dem Abschnitt "Beleuchtungssteuerung" eine realistische Anwendungsmöglichkeit dar. Neben dem automatischen und willkürlichen Ein- und Ausschalten von Licht, können Jalousien nach einer bestimmten Uhrzeit oder nach Sonnenuntergang nach einem Zufallsmuster geschlossen und am nächsten Tag wieder geöffnet werden.

8.4 Vorteile

LON gehört zu den universellen Bussystemen, welches die Grundlage des modernen Gebäudemanagement ist. LonWorks wurde als komplexe Automatisierungstechnologie für Kommunikationsaufgaben entwickelt. Auf Grund dieser Entwicklung und des großen Leistungsumfangs wird LON nicht nur in der Gebäudetechnik sondern auch z.B. in der Automatisierungs- und Fertigungstechnik eingesetzt. Im Weiteren werden verschiedene Kriterien der LonWorks-Technologie aufgeführt.

Der Neuron-Chip, die zentrale Verarbeitungseinheit eines LON-Knotens, besteht aus gleich drei 8-Bit Prozessoren und der zur Abarbeitung verfügbare Arbeitsspeicher beträgt 2048Byte. Über das im Neuron-Chip implementierte LonTalk-Protokoll können bis zu 32.000 Knoten miteinander kommunizieren. Der grundsätzliche Aufbau der Netzwerkadressierung findet über Domains, Subnets und Nodes statt. In der LON-Technologie kann ein fast beliebiger Vernetzungs- und Komplexitätsgrad durch Stern-, Ring-, Bus-, Baum- und freie Topologie erreicht werden. Zusätzlich unterstützt LON mit einer Vielzahl von diversen Transceivern viele gemischte Übertragungsmedien gleichzeitig.

Zwar ist die Anwenderfreundlichkeit in Bezug auf Parametrierung bei LON nicht sehr hoch, dafür jedoch ist die LonWorks-Technologie sehr flexibel und innovativ in der Realisierung von Anwendungen mit kundenspezifischen Applikationen. Da LonWorks zusätzlich als offenes System jedem zur Verfügung steht ist es auch erklärlich, warum Konfigurations- und Programmiertools von zahlreichen Anbietern verfügbar sind.

Die LonWorks-Technologie hat ihren Ursprung in den USA genommen kommt aber als offener und interoperabler Standard weltweit zum Einsatz. Auch in Deutschland wird LON in vielen Anwendungsgebieten eingesetzt. LON wird sehr häufig als gewerkübergreifende Gebäudeautomation in Zweckgebäuden verwendet.

9 BACnet - Building Automation and Control Network

9.1 Überblick

9.1.1 Definition und Einsatzgebiet

Das Kommunikationsprotokoll BACnet (Building Automation and Control Network) wurde entwickelt von der American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). BACnet ermöglicht die Kommunikation von Geräten und Systemen der Gebäudeautomation. Es ist möglich Geräte und Systeme unterschiedlicher Hersteller und Gewerke zu vernetzten. Dabei werden unterschiedliche Netzwerk-Technologien unterstützt.

BACnet wird nach meinen Recherchen im Bereich der Einfamilienhäuser noch nicht eingesetzt. Es gibt eine große Anzahl an Referenzen großer Gebäude und Gebäudekomplexen die mit BACnet ausgestattet wurden. Flughäfen, öffentliche Gebäude wie der Bundestag und das Bundeskanzleramt oder auch die Universität Düsseldorf nutzen bereits BACnet. Es kommt aber auch bei Wohngebäuden zum Einsatz wie dem Park Plaza in München. ^[23][24]

9.1.2 Geschichtlicher Hintergrund

Die Entwicklung von BACnet begann bei einem Treffen des Standard Projekt Komitees 1987 in Nashville, Tennessee. Wichtige Eigenschaften von BACnet wurden hier definiert. Unter anderem ist hier Interoperabilität, Effizienz, flache Struktur, Kompatibilität zu anderen Systemen sowie Netzwerken, Anlehnung an das ISO/OSI Schichtenmodell, Flexibilität, Kosteneffektivität, Einfachheit und Stabilität unter realistischen Bedingungen.

Offene Standards wie BACnet lassen den Herstellern bei Ihrer Entwicklung gewisse Spielräume. Es besteht auch immer die Gefahr das Normen unterschiedlich interpretiert werden. Um dennoch Interoperabilität zu Gewährleisten finden sogenannte "Plugfeste" statt. Hier können Hersteller ihre neuentwickelten Geräte mit Geräten anderer Hersteller testen. Ziel ist die Produktverbesserung und Systemoptimierung und der fehlerfreie Datenaustausch der Geräte. ^[25]

Normen und Standards sind unerlässlich um ein Produkt auf dem Weltmarkt zu etablieren. So wurde auch BACnet 1995 ANSI Standard 135 und seit 2003 auch in der DIN EN ISO 16484-5 genormt. Das Protocol Implementation Conformance Statement (PICS) ist eine Spezifikationsbeschreibung des Herstellers über die implementierten Funktionen eines Gerätes. Im PICS wird beschrieben welche für BACnet spezifizierten Funktionen implementiert wurden. Zusätzliche Funktionen die in BACnet nicht geregelt sind sollten ebenfalls hier aufgeführt werden.

9.2 Modell

9.2.1 Protokoll

BACnet ist ein offenes Kommunikationsprotokoll und wurde für den Einsatz in heterogenen Umgebungen konzipiert. Ziel der Entwicklung ist die Interoperabilität und Herstellerunabhängigkeit. Es soll also ermöglicht werden, dass unterschiedliche Automations- und Steuerungskomponenten in einem Gebäude, wie zum Beispiel die Jalousiesteuerung des Herstellers A und der Windstärkemesser des Herstellers B, miteinander kommunizieren können. Dies war durch die proprietären Standards der einzelnen Hersteller nicht möglich. BACnet hebt sich hier von proprietären Standards ab, da es herstellerneutral und lizenzfrei ist. Vorteile die sich durch den Einsatz von BACnet ergeben sind:

1. Unabhängigkeit von den Herstellern

2. Möglichkeit einer einheitlichen Steuerung

3. Freie Wahl bei Erweiterungen der Anlage

4. Kostenvorteile können nutzbar gemacht werden

Proprietäre Standards von unterschiedlichen Herstellern lassen sich zwar auch mit einer Bridge, die in Software ausgeführt wird, verbinden. Die Kosten hierfür sind aber sehr hoch. Die folgenden Grafiken veranschaulichen das Kommunikationsproblem unterschiedlicher Hersteller und unterschiedlicher Funktionsausprägung.
Zu Abbildung 12 "Ohne BACnet": Nehmen wir an, dass in Gebäude 1 die Alarmanlage vom Hersteller A installiert wurde. Bei Gebäude 2 ist die Heizungs- und Klimasteuerung von Hersteller B und im Gebäude 3 ist vom Hersteller C die Lichtsteuerung installiert. Jeder Hersteller hat sein eigenes proprietäres Protokoll und spricht seine eigene Sprache, erkennbar an der unterschiedlichen Symbolik der Datenpakete. Eine Kommunikation zwischen den Gebäuden ist somit nicht möglich. In der Abbildung wird dies durch den Blitz symbolisiert.

Zu Abbildung 13 "Mit BACnet": Das BACnet Modell ersetzt den Kommunikationsanteil mit einer allgemeinen Norm vom Kommunikationsregeln so das jedes System vom anderen verstanden wird.

9.2.2 ISO/OSI-Schichtenmodell

Das BACnet Protokoll fast die im ISO/OSI- Schichtenmodell definierten Schichten 4 bis 7 zusammen.^[26] Also Transportschicht, Sitzungsschicht, Darstellungsschicht und Anwendungsschicht werden in der BACnet Anwendungsschicht (BACnet Application Layer) zusammengefasst. Die Zusammenfassung der Schichten ermöglicht technisch einfache und somit kostengünstige Geräte. Auf den Geräten müssen nur die unteren Schichten implementiert sein.

Auf Schicht 7 (Anwendungsschicht) sind insgesamt 38 Dienste festgelegt. Die Dienste werden benötigt um die Kommunikation zwischen BACnet Geräten zu ermöglichen. Auf der Schicht Insgesamt sind 38 Dienste auf Schicht 7 (Anwendung) festgelegt, dies dient zum Datenaustausch zwischen BACnet-Geräten. Insgesamt sind 10 Dienste auf Netzwerkebene (Routing) definiert, dies dient zur physikalischen und logischen Kopplung der unterstützten Medien bei Einsatz mehrerer Medien in einem BACnet-Netzwerk. Der BACnet Virtual Link Layer (BVLL) bildet die Schnittstelle zwischen dem BACnet Network Layer und den darunterliegenden Fähigkeiten eines bestimmten Kommunikationssystems.

In Europa wird aktuell sehr verbreitet BACnet/IP eingesetzt, dies liegt vor allem daran, dass die Geräte häufig ab Automationsebene aufwärts gekoppelt werden und als Feldebene andere Protokolle wie Lon, EIB oder auch proprietäre Protokolle eingesetzt werden. In den USA wird BACnet sehr häufig auch bereits als Feldbus (MS/TP) eingesetzt. Dies ist ideal für Geräte auf der Feldebene wie Sensoren oder Aktoren.

Unterstützte LAN Technologien:

1. MS/TP (Master-Slave/Token-Passing)

2. LON

3. ARCNET

4. Ethernet

5. Wählverbindungen über Telefonnetze (PTP = Point to Point)

9.2.3 Eingliederung im 3 Ebenen Modell

BACnet kann auf allen 3 Ebenen zum Einsatz kommen. Auf der Management Ebene können durch entsprechende Softwareprogramme Auswertungen und Konfigurationen durchgeführt werden. Alarmmeldungen von allen verwalteten Gebäuden können hier automatisiert angezeigt oder ausgelesen werden. BACnet sorgt für herstellerunabhängige Kommunikation auf Automationsebene und auf der darunterliegenden Feldebene. Siehe Abb. 15 - Darstellung des 3 Ebenen Modells

Auf Feldebene ist eine schnelle Reaktionszeit notwendig. Licht sollte unmittelbar nach betätigen des entsprechenden Tasters ein- und ausgeschaltet werden können. Eine hohe Bandbreite wird hier nicht benötigt, da für das genannte Beispiel nur sehr wenig Datenvolumen aufgewendet werden muss.

Auf Managementebene ist grundsätzlich eine hohe Bandbreite notwendig. Von allen darunterliegenden Ebenen werden Statusmeldungen an die Managementebene weitergeleitet. Theoretisch könnten mehrere tausend Geräte auf der Feldebene angeschlossen sein, damit verbunden müsste die Bandbreite des Datenkanals um so höher man in den Ebenen steigt größer bemessen werden. Im Bereich des intelligenten Wohnhauses ist die Anzahl der Geräte aber begrenzt, sodass die Bandbreiten nicht so groß bemessen werden müssen wie bei großen Büro- oder Industriegebäuden. Da BACnet Ethernet unterstützt sind von Herstellern auch schon Geräte mit entsprechenden Schnittstellen auf dem Markt. ^[27]

9.2.4 Objekte

Um einzelne Geräte in BACnet anzusprechen verwendet man sogenannte Objekte. Zu jedem Aus- oder Eingang eines Gerätes wird ein Objekt zugeordnet. Jedes dieser Objekte besitzt spezifische Eigenschaftswerte wie Name und aktueller Zustand. Diese Daten lassen sich abfragen oder anpassen, dazu muss man den genauen Aufbau des Geräts aber nicht kennen. Es ist also nicht von Bedeutung von welchem Hersteller das Gerät ist, denn es interessiert uns nur welche Eingänge bzw. Ausgänge dieses Gerät aufweist. Diesen Ein- und Ausgängen wird ein Objekt zugewiesen und somit standardisiert.

Mehr als 25 Standardobjekte der Gebäudeautomation sind definiert:

• Analoge, digitale, mehrstufige Eingänge, Ausgänge und Werte, Zähler

• Zeitpläne, Kalender

• BACnet-Geräte (Device)

• Trendlog, Dateien, Regler

• Kommandos, Programme

• Gruppen, Strukturen

• Alarmklassen, Sicherheitstechnik

Beispielhaft beschreibe ich 5 Standardobjekte: Im Objekt "Analog Input" werden die Eigenschaften eines analogen Messwertes beschrieben. Im Objekt "Averaging" werden die Eigenschaften einer Mittelwertbildung beschrieben. Im Objekt "Group" werden die Eigenschaften einer ganzen Gruppe von Objekten beschrieben. Im Objekt "Device" werden die Eigenschaften des BACnet Gerätes beschrieben. Des weiteren enthält dieses Objekt auch die Einstellungen der Netzwerkparameter. Im Objekt "Schedule" werden die Eigenschaften eines Zeitschaltprogramms beschrieben.

Die Objekte werden anhand ihrer eindeutigen Nummer (max. 4.194.303 pro Typ je Gerät) referenziert. Als Weiteres Merkmal dient der ebenfalls im Gerät eindeutige Name des Objektes, mit Hilfe des Namens kann die Nummer des Objektes ermittelt werden (Who-Has).

Jedes BACnet Objekt besteht aus mehreren Eigenschaften (Properties). Folgende Eigenschaftswerte können einem BACnet Objektzugewiesen sein: Aktueller Wert, Grenzen, Alarmwerte, aber auch Name, Einheit, Beschreibungstext. Eigenschaften sind entweder feste Werte (wie z.B. eine MAC Adresse einer Netzwerkkarte) oder variable Werte. Alle Eigenschaften können abgefragt bzw. ausgelesen werden, manche lassen sich aber zusätzlich beschreiben.

9.2.5 Dienste

BACnet basiert auf dem Client/Server Modell. Das bedeutet, dass der Server der Bereitsteller von Daten ist, der Client ist der Nutzer, der auf die Daten zugreift. Kommunikation erfolgt je nach Dienst entweder gezielt oder als Broadcast (Nachricht an Alle).

BACnet Dienste (Services) können in 5 Gruppen eingeteilt werden:

1. Objektzugriff

2. Filetransfer

3. Alarm- und Event-Funktionen

4. RemoteDeviceManagement

5. Virtual Terminal

BACnet Dienste enthalten unter anderem Konfigurationsbefehle und Abfragebefehle. Hier einige elementare Beispiele:

• ReadProperty, diese Funktion dient einem Client dazu, eine Eigenschaft (Property) eines Objektes vom Server auszulesen

• WriteProperty, diese Funktion dient einem Client dazu, Werte in die Eigenschaften eines Objektes zu schreiben

• CreateObject, diese Funktion dient einem Client dazu, eine neue Instanz eines Objektes innerhalb eines Servers zu erzeugen

• Who-Is, diese Funktion dient dazu, die Netzwerkadressen und / oder die DeviceObjectIdentifier von Geräten im Netzwerk zu ermitteln

• I-Am, mit dieser Funktion teilt ein Gerät seine Netzwerkadresse und seinen Device-ObjectIdentifier mit; diese Nachricht kann als Antwort auf eine Who-Is-Nachricht oder als Broadcast bei Start des Gerätes gesendet werden

• DDB und DOB

• DDB = Dynamic Device Binding erlaubt, Geräte per Broadcast zu ermitteln (Who-Is, I-Am)

• DOB = Dynamic Object Binding erlaubt, Objekte dynamisch zu ermitteln (Who-Has, I-Have)

Mit dem Dienst Who-Is kann ein Gerät ein Verbindungstest zu einem anderen Gerät durchführen. Bleibt eine Antwort des Gerätes mit I-Am aus, so ist die Verbindung unterbrochen. In Computernetzwerken ist dieser Vorgang mit dem Kommando "ping" bekannt. ^[28]

10 Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassend kann man sagen, dass die beiden Standards auf der Feldebene, EIB/KNX und LON einen ähnlichen physikalischen Aufbau haben. Der größte Unterschied hierbei besteht in dem Aufbau der zentralen Verarbeitungseinheit und dem zur Verfügung stehenden Arbeitsspeicher. Der Neuron-Chip, die zentrale Verarbeitungseinheit eines LON-Knotens, besteht aus gleich drei 8-Bit Prozessoren und der zur Abarbeitung verfügbare Arbeitsspeicher beträgt 2048Byte. Zudem ist der auf dem Neuron-Chip integrierte EEPROM mit 2048 Byte mehr als doppelt so groß wie beim Konkurrenten EIB. Über das im Neuron-Chip implementierte LonTalk-Protokoll können bis zu 32.000 Knoten miteinander kommunizieren. Der grundsätzliche Aufbau der Netzwerkadressierung, über Domains, Subnets und Nodes, ist auch bei EIB in ähnlicher Weise zu finden. Jedoch kann in der LON-Technologie ein fast beliebiger Vernetzungs- und Komplexitätsgrad durch Stern-, Ring-, Bus-, Baum- und freie Topologie erreicht werden, während bei EIB/KNX lediglich eine Linien-, Stern- oder Baumtopologie eingesetzt werden kann. Zusätzlich unterstützt LON mit einer Vielzahl von diversen Transceivern viele gemischte Übertragungsmedien gleichzeitig. Auch die Übertragungsrate von LON ist mit bis zu 1,25 MBaud (in Abhängigkeit von Übertragungsmedium, Knotenanzahl und Entfernung) um ein vielfaches größer als die Übertragungsraten von EIB. Daraus leitet sich ab, dass in der LonWorks-Technologie eine wesentlich höhere Anzahl von Datentelegrammen in der Sekunde übermittelt werden können.

BACnet bietet zusätzliche Fähigkeiten auf höheren Ebenen – unter anderem die Vernetzung mehrerer weit entfernter Lokationen untereinander. Mit BACnet lassen sich die Standards wie EIB/KNX und LON koppeln und mit einer Gebäudeleittechnikstelle überwachen. Diese Kopplungsfähigkeit von unterschiedlichen Standards ist gerade, bei Gebäuden die hinsichtlich auf Gebäudeautomation erweitert werden sollen, von großem Vorteil. Man hat eine Wahl zwischen mehreren am Markt vertretenen Systemen und ist nicht vom vorhandenen Standard abhängig.

Durch die Energieeinsparverordnung (EnEV) werden Wohneigentümer und Bauherren zu energiesparenden Maßnahmen verpflichtet. Die EnEV 2007 enthält unter anderem die Verpflichtung einen Energieausweis zu erstellen, der Auskunft über die energetische Qualität bietet. Käufer und Neumieter haben das Recht diesen Energieausweis einzusehen um sich so über die Energieeffizienz der Immobilie zu informieren. Diese Pflicht trat am 1. Januar 2009 für Verkäufer und Vermieter von Wohnungen oder Wohnhäusern in Kraft unabhängig vom Baujahr der Immobilie.^[29] Neben dem Energiepass gibt es auch die DIN V 18599 "Energetische Bewertung von Gebäuden". Diese besagt, dass der Energiebedarf für Beleuchtung, Klimatisierung und Warmwasserbereitung zusätzlich zum Energiebedarf der Heizung in die Energiebilanz aufgenommen werden müssen. Diese Vorgaben steigern die Nachfrage nach Gebäudeautomation die durch intelligente Beleuchtungssteuerung und intelligente Raumklimaregelung den Energieverbrauch drastisch verringern kann.^[30]

Trotz der technischen Entwicklung ist es noch nicht erkennbar, wann die Standards auf dem Markt der Hausvernetzung flächendeckend genutzt werden können. Aufgrund der hohen Anschaffungs- und Installationskosten werden heutzutage noch relativ wenige Privatprojekte realisiert. Die Techniken sind ausgereift und einsatzbereit, haben das Stadium der marktreife also bereits seit längerem erreicht, werden aber dennoch nur vereinzelt im Bereich der Hausvernetzung eingesetzt. Es ist also nur noch eine Frage der Zeit, wann die Kosten für die Technologien, speziell die der Geräte sinken, so dass sich diese Standards umfangreich im Markt etablieren.

11 Fußnoten

1. ↑ Quelle: Merz, Hermann (2007), S. 77
2. ↑ Quelle: http://www.knx.de/global_content/wasistdereib_tech03.html#Anchor-Busteilnehmer-48213
3. ↑ Quelle: Merz, Hermann (2007), S. 63
4. ↑ Quelle: Merz, Hermann (2007), S. 63
5. ↑ Quelle: http://www.gira.de/produkte/instabus.html
6. ↑ Quelle: Stock, Gerhard (2003), S. 34
7. ↑ Quelle: http://www.tsd.org/ieee1473/SNVT.pdf
8. ↑ Vgl. Merz, Hermann (2007), S. 15
9. ↑ Vgl. Hansen, H.R. (2005), S. 1134ff
10. ↑ Vgl. Hansen, H.R. (2005) S. 576 ff
11. ↑ Vgl. http://www.pressprofessional.de/knx/html/basis_pressemappe/basis-1.php?basis_pressemappe=1&login=&id=
12. ↑ Vgl. http://www.knx.de/entwickler/index.html
13. ↑ Vgl. Merz, Hermann (2007) S. 82
14. ↑ Vgl. Systemhaus (2006.2) S. 39
15. ↑ Vgl. ZVEH Handbuch Gebäudesystemtechnik (1993) S. 11 ff
16. ↑ Vgl. Stock, Gerhard (2003), S. 31f
17. ↑ Vgl. Stock, Gerhard (2003), S. 72
18. ↑ Vgl. Stock, Gerhard (2003), S. 19f
19. ↑ Vgl. Stock, Gerhard (2003), S. 15
20. ↑ Vgl. Stock, Gerhard (2003), S. 58
21. ↑ Vgl. Kabitzsch, Klaus (2002), S. 21
22. ↑ Vgl. Kabitzsch, Klaus (2002), S. 34
23. ↑ Vgl. http://www.big-eu.org/references/show_ref.php?company_id=2&company_name=Honeywell%20Building%20Solutions%20GmbH
24. ↑ Vgl. http://www.big-eu.org/references/show_ref.php?company_id=4&company_name=Siemens%A0AG
25. ↑ Vgl. http://www.big-eu.org/service/journal/BACnetEu_Journal_2_lowres.pdf
26. ↑ Vgl. Merz, Hermann (2007), S. 201 ff
27. ↑ Vgl. http://www.plueth-regelsysteme.de/de/regelsysteme/daten_cosmos3000open.php
28. ↑ Vgl. http://www.big-eu.org/bacnet/basics.php
29. ↑ Vgl. http://praxis.enev-online.de/2008/1217_jahreswechsel_2008_2009.htm EnEV-Pflichten: Was müssen Eigentümer beachten?
30. ↑ Vgl. http://www.vdi-nachrichten.com/vdi_nachrichten/aktuelle_ausgabe/akt_ausg_detail.asp?source=volltext&cat=2&id=29822

12 Literaturverzeichnis

BACnet Interest Group	Homepage der BACnet Interest Group: http://www.big-eu.org/ 23.01.2009
EIB/KNX Deutschland	Homepage von KNX Deutschland: http://www.knx.de, 23.01.2009
EnEV-Online	Herausgeber: Institut für Energie-Effiziente Architektur mit Internet-Medien, Melita Tuschinski, Dipl.-Ing.UT, Freie Architektin http://praxis.enev-online.de/2008/1217_jahreswechsel_2008_2009.htm 23.01.2009
Gira	Homepage der Firma Gira Deutschland: http://www.Gira.de/index.html, 23.01.2009
Hansen, H. R. (2005)	Hansen, Hans Robert; Neumann, Gustaf: Wirtschaftsinformatik 2: Informationstechnik 9. Auflage, Lucius & Lucius Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart 2005
Kabitzsch, Klaus (2002)	Kabitzsch, Klaus; Dietrich, Dietmar; Pratl, Gerhard: LonWorks Gewerkeübergreifende Systeme. Neue Wege in der Planung, Vde-Verlag, Berlin 2002
KNX Pressespiegel	http://www.pressprofessional.de/knx/html/basis_pressemappe/basis-1.php?basis_pressemappe=1&login=&id=, 23.01.2009
LonMark Magazin (2006-2008)	LonMark Deutschland Magazin April 2006 - September 2008
Merz, Hermann (2007)	Merz, Hermann; Hansemann, Thomas; Hübner, Christof: Gebäudeautomation: Kommunikationssysteme mit EIB/KNX, LON und BACnet (Broschiert), Carl Hanser Verlag, München 2007
Plüth Regelsysteme GmbH	Homepage der Plüth Regelsysteme GmbH: http://www.plueth-regelsysteme.de/de/regelsysteme/daten_cosmos3000open.php 23.01.2009
SNVT Master Liste (2002)	SNVT Master Liste, Mai 2002, Echelon Corporation
Stock, Gerhard (2003)	Stock, Gerhard; Meyer, Willi: Praktische Gebäudeautomation mit LON, Hüthig & Pflaum Verlag, München/Heidelberg 2003
Systemhaus (2006-2007)	Systemhaus - Fachmagazin für intelligent vernetzte Medien- & Haustechnik, Magazin Febuar 2006 - Febuar 2007
VDI Verlag	Homepage der VDI Verlag GmbH: http://www.vdi-nachrichten.com/vdi_nachrichten/aktuelle_ausgabe/akt_ausg_detail.asp?source=volltext&cat=2&id=29822 23.01.2009
ZVEI und ZVEH (1993)	Handbuch Gebäudesystemtechnik, Frankfurt a.M. 1993