Gebäudeautomation

Kommunikationssysteme mit EIB/KNX, LON und BACnet
 
 
Hanser (Verlag)
  • 3. Auflage
  • |
  • erschienen am 9. Mai 2016
  • |
  • 310 Seiten
 
E-Book | ePUB mit Wasserzeichen-DRM | Systemvoraussetzungen
978-3-446-44772-1 (ISBN)
 
Die wichtigsten Gebäude-Kommunikationssysteme in einem Buch

Dieses Lehrbuch wendet sich an Einsteiger in die Gebäudeautomation und Gebäudesystemtechnik. Es gibt einen Überblick über deren Bedeutung im modernen Zweck- und Wohnungsbau und erläutert praxisnah Automationsstrukturen sowie Energiemanagementfunktionen in Gebäuden. Leser lernen grundlegende Begriffe der industriellen Kommunikationstechnik sowie die Vorgehensweise bei der Übertragung digitaler Daten kennen.

- Zahlreiche Beispiele aus der Praxis
- Klar und verständlich geschrieben
- Mit vielen Bildern und Übungen
- Im Internet: Lösungen zu den Buchaufgaben


In der 3. Auflage wurden alle Kapitel gründlich überarbeitet und neueste technische Entwicklungen bzw. Standards eingearbeitet.
3., neu bearbeitete Auflage
  • Deutsch
  • München
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  • Deutschland
  • 216
  • |
  • 114 s/w Tabellen, 216 s/w Abbildungen
  • |
  • 216 schwarz-weiße Abbildungen, 114 schwarz-weiße Tabellen
  • 26,01 MB
978-3-446-44772-1 (9783446447721)
3446447725 (3446447725)
http://dx.doi.org/10.3139/9783446447721
weitere Ausgaben werden ermittelt
Prof. Dr. Hermann Merz, Prof. Thomas Hansemann und Prof. Dr. Christof Hübner lehren an der Fakultät für Elektrotechnik der Hochschule Mannheim u. a. Industrielle Kommunikationstechnik, Gebäudetechnik, Webtechnologien für die Gebäudeautomation, Computernetze sowie Internetanwendungen.
2 Grundlagen der industriellen Kommunikationstechnik 2.1 Industrielle Kommunikation

Mit industrieller Kommunikation wird, im Gegensatz z.?B. zur Sprachkommunikation zwischen Menschen, die Kommunikation zwischen Geräten der industriellen Automatisierungstechnik bezeichnet.

In einer automatisierten Anlage oder in einem automatisierten Prozess gibt es einen großen Kommunikationsbedarf. In den hierarchischen Ebenenmodellen der Automatisierungstechnik, wie z.?B. dem 3-Ebenen-Modell der Gebäudesystemtechnik (siehe Abschnitt 1.3), lassen sich Informationsflüsse innerhalb der einzelnen Ebenen (horizontale Kommunikation) und zwischen den Ebenen (vertikale Kommunikation) unterscheiden (Bild 2.1).

Bild 2.1 Horizontale und vertikale Kommunikation im 3-Ebenen-Modell der Gebäudesystemtechnik

Für die Abwicklung der horizontalen und vertikalen Kommunikation kommen insbesondere industrielle Kommunikationssysteme, wie Feldbusse und Computernetze, zum Einsatz.

2.1.1 Kommunikation über Feldbusse

In der Feldebene (vor Ort, in der Anlage, im Prozess) befinden sich Sensoren und Aktoren, die so genannten Feldgeräte. Typische Funktionen der Feldebene sind Schalten, Stellen, Melden, Messen und Zählen. Busfähige Feldgeräte sind mit Mikrocontrollern ausgestattet und werden darum als "intelligent" bezeichnet. Sie versenden und empfangen Bitinformationen in Form von Datentelegrammen über einen Feldbus.

Ein Feldbus ist ein digitaler, serieller Datenbus für die Kommunikation zwischen Geräten der industriellen Automatisierungstechnik, wie z.?B. Messeinrichtungen, Reglern und speicherprogrammierbaren Steuerungen [DIN EN 61158, DIN EN 61784].

Die Feldbustechnik wurde in den 1980er Jahren im Zuge einer immer weiter voranschreitenden Dezentralisierung von Automatisierungslösungen entwickelt, um die bis dahin übliche parallele Verdrahtung mit analoger Datenübertragung (4?mA . 20?mA, 0 V . 10 V) durch digitale Übertragungstechnik mit serieller Datenübertragung zu ersetzen.

Heute werden über Hundert Feldbussysteme am Markt angeboten [GRUHLER00]. Charakteristisch für Feldbusse ist, dass wenige digitale Daten (Bits, Bytes) in kurzer Zeit (µs, ms) übertragen werden müssen. Die Anforderungen an Feldbusse, z.?B. die Bitübertragungsrate, die maximale Leitungslänge oder die mögliche Anzahl von Teilnehmern, sind je nach Einsatzgebiet sehr unterschiedlich ausgeprägt, so dass es "den einen" Feldbus nicht geben kann. In Tabelle 2.1 sind einige Feldbusse mit ihren Haupteinsatzgebieten beispielhaft genannt.

Tabelle 2.1 Beispiele für Feldbusse und ihre Haupteinsatzgebiete

Feldbus

Haupteinsatzgebiet

CAN (Controller Area Network)
LIN (Local Interconnect Network)

Automobiltechnik

Foundation Field Bus
Interbus
Profibus (Process Field Bus)

Prozess- und Fabrikautomation

KNX (Europäischer Installationsbus)
LON (Local Operating Network)

Gebäudeautomation

SERCOS Interface (Serial Realtime Communication System)

Antriebstechnik

2.1.2 Kommunikation über Computernetze

Aus der Automationsebene werden Informationen z.?B. an Visualisierungs- und Produktionsplanungssysteme auf der Managementebene übermittelt. Hierbei werden im Vergleich zur Kommunikation in der Feldebene größere Datenmengen übertragen, und es steht auch mehr Zeit zur Verfügung. Die Kommunikation in den höheren Automatisierungsebenen wird vorwiegend über Computernetze (Local Area Networks ? LANs) abgewickelt.

Ein Computernetz, kurz Netz, ist ein Zusammenschluss (über Leitungen oder Funk) von verschiedenen technischen Systemen (z.?B. Leitrechnern, Regelgeräten), so dass die Kommunikation der einzelnen Systeme untereinander ermöglicht wird. Die Kommunikation kann mittels des ISO/OSI-Referenzmodells strukturiert werden und wird nach Maßgabe bestimmter Regeln, so genannter Protokolle, abgewickelt.

In der Gebäudeautomation spielen Netze und das Kommunikationsprotokoll BACnet eine wichtige Rolle. Mittels BACnet können die unterschiedlichsten Geräte und Systeme der Gebäudeautomation Informationen austauschen. Die Datenübertragung kann über folgende Netze erfolgen: MS/TP (Master-Slave/Token-Passing), LON, ARCNET, Ethernet. Zusätzlich werden Wählverbindungen über Telefonnetze unterstützt (siehe Kapitel 5).

2.2 Digitale Datenübertragung

Mittels Feldbussen und Netzen werden automatisierungstechnische Daten aus einer Anlage oder einem Prozess als Folge von Bits, z.?B. 01101001, übertragen. Je nach Medium wird bei binärer Übertragung für ein Nullbit und für ein Einsbit jeweils ein bestimmtes Signalelement festgelegt, z.?B. ein hoher und ein niedriger Spannungspegel bei Übertragung über eine Kupferleitung. Die Bitfolge wird also vom Sender in ein physikalisches Signal umgewandelt. Beim Empfänger muss dies wieder rückgängig gemacht werden. Dies ist eine typische Aufgabe der digitalen Datenübertragung. Einige wichtige Grundbegriffe aus diesem Teilgebiet der industriellen Kommunikationstechnik werden im Folgenden erläutert.

2.2.1 Grundbegriffe 2.2.1.1 Bits und Bytes

Bit leitet sich aus dem englischen Wort Binary Digit (Binärziffer) ab und ist laut DIN 1301, Teil 1, Beiblatt 1, der Name für die Einheit, welche bei der Datenverarbeitung und der digitalen Übertragung für die Größen Anzahl der Binärentscheidungen, Entscheidungsgehalt und Informationsgehalt anstelle der impliziten Einheit Eins benutzt wird. Bit ist also demzufolge also eine Einheit für Größen mit der Dimension 1, ähnlich wie Neper und Dezibel bei Pegeln in der Nachrichtentechnik oder Akustik.

Mit n Bits (n binären Datenelementen) lassen sich 2n Informationen darstellen, z.?B. 21 = 2 für n = 1 und 22 = 4 für n = 2. Um Binärinformationen mathematisch darzustellen, wird das binäre Zahlensystem (Dualzahlensystem) verwendet. Ein Bit kann den Wert 0 (Nullbit) oder den Wert 1 (Einsbit) annehmen. Der Zusammenhang zwischen den (z.?B. einstelligen oder zweistelligen) Binärzahlen und der in ihnen enthaltenen Information könnte dann beispielsweise so sein, wie es in Tabelle 2.2 dargestellt ist.

Tabelle 2.2 Beispiele für den Informationsgehalt von einstelligen bzw. zweistelligen Binärzahlen

Binärzahl

Information

Binärzahl

Information

0

Licht ist aus

00

Tank ist leer

1

Licht ist ein

01

Tank ist halb voll

10

Tank ist dreiviertel voll

11

Tank ist voll

Gemäß DIN EN 60027, Teil 2, ist Bit auch der Einheitenname für die Größe Speicherkapazität (Vorzugsformelzeichen: M). Hierbei ist noch das Datenelement festzulegen, auf das sich die Speicherkapazität bezieht, z.?B. Bit oder Byte.

Ein Byte (byte), auch Oktett (octet) genannt, entsteht durch die Zusammenfassung von 8 Bits zu einer Bitgruppe. Für die drei Einheiten Bit, Byte und Oktett werden die Einheitenzeichen gemäß Tabelle 2.3 verwendet.

Tabelle 2.3 Einheitenzeichen für die Einheiten Bit, Byte und Oktett

Einheit

Einheitenzeichen

Bit

bit

Byte

B

Oktett

o

Die (dimensionslose) Größe "Speicherkapazität für Bits", Formelzeichen Mb oder Mbit, ist z.?B. bei 256 binären Datenelementen anzugeben als Mb = 256, worin offensichtlich die Einheit Eins enthalten ist. Häufig schreibt man hierfür jedoch Mb = 256 bit.

Die Einheitenzeichen bit und B dürfen mit SI-Vorsätzen (für dezimale Vielfache) oder Vorsätzen für binäre Vielfache kombiniert werden, z.?B.:

1?kbit

(sprich: 1?Kilobit)

= (103)1 bit

= 103 bit

= 1 000 bit

1?MB

(sprich: 1?Megabyte)

= (103)2 B

= 106 B

= 1 000 000 B

1?GB

(sprich: 1?Gigabyte)

= (103)3 B

= 109 B

= 1 000 000 000 B

1?Kibit

(sprich: 1?Kibibit)

= (210)1 bit

= 210 bit

= 1 024 bit

1?MiB

(sprich: 1?Mebibyte)

= (210)2 B

= 220 B

= 1 048 576...

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