Gebäudesystemtechnik mit KNX ein Überblick

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1 Elektrotechnik > KNX WissenHeute Jg. 61 7/2008 Gebäudesystemtechnik mit KNX ein Überblick Moderne Gebäude benötigen immer mehr Funktionalität, um sie wirtschaftlich betreiben zu können. Dabei steigen stetig die Anforderungen an Komfort und Flexibilität in den Funktionen und der Bedienung. Dieser Prozess lässt sich durch Kommunikationstechniken wie dem KNX-Standard (ehemals für Konnex) Hersteller-übergreifend umsetzen. KNX beinhaltet die Übertragung von Steuerdaten über die Medien Twisted Pair, Funk, Powerline Communication und IP (Internet Protocol). Sollen die Gebäudezustände visualisiert oder die Verbrauchsdaten eines Objekts analysiert werden, bieten die verschiedenen Übertragungsmöglichkeiten eine optimale Lösung, die verteilten Daten an ein leistungsfähiges Kommunikationssystem wie ein EDV-Netzwerk (Elektronische Datenverarbeitung) weiterzuleiten. Einführung Der Autor Dr.-Ing. Thomas Weinzierl ist Autor zahlreicher Veröffent lichungen zum Thema Gebäudetechnik. Sein Tätigkeitsschwerpunkt sind Systemlösungen für den KNX-Standard. KNX ist der einzige weltweit anerkannte offene Standard zur universellen Vernetzung von Haus- und Gebäudetechnik. Er erfüllt die Anforderungen der europäischen und internationalen Normen CENELEC EN (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique European Normaisation), CEN EN und ISO/IEC (International Organi zation for Standardization/International Electrotechnical Commission). Der Standard KNX geht zurück auf einen im Juni 1996 von den Vertretern der drei kon- kurrierenden Busstandards EIB Association (EIBA), BatiBUS Club International und EHS Association (EHSA) begonnenen Prozess zur Zusammenführung ihrer Standards EIB (European Installation Bus), BatiBUS und EHS (European Home System) zu einer einheitlichen Systemplattform, um die Integration der unterschiedlichen Gewerke sowohl im Zweck- als auch im Wohnungsbau zu ermöglichen. Die dazu gegründete KNX Association war eine Übergangslösung und wurde 2006 von der KNX Association cvba mit Sitz in Brüssel abgelöst, der heute über 100 Mitglieder an-

2 WissenHeute Jg. 61 7/2008 Das Thema im Überblick Der Standard KNX ist die Weiterentwicklung des Bus-Standards EIB, der die Vernetzung der Haus- und Gebäudeinstallationen ermöglicht. Einsatzgebiete sind beispielsweise die Beleuchtungseinrichtungen, die Energieversorgung oder Alarmanlagen und Ferndatenmessungen (Metering). Die Funkvariante KNX-RF dient zur drahtlosen Vernetzung, wenn keine Leitungen verlegt werden können oder sollen. Die Verwendung des Internetprotokolls als KNX-Medium ermöglicht den Anschluss der Installationstechnik an die Multimediawelt und die Telekommunikation. gehören. Darunter sind Energieversorger, Telekommunikationsanbieter und Hersteller aus den Bereichen Haus- und Gebäudesystemtechnik, elektrische Installationstechnik, Heizungs-/Lüftungs- und Klimatechnik, Alarmund Zugangskontrollsysteme sowie Hausgeräte. Die KNX Association ist ein Herstellerverband und verantwortlich für die Weiter- entwicklung des Standards und unterhält ein Zertifizierungssystem für KNX-Produkte sowie Schulungsstätten. Nur zertifizierte Produkte dürfen das KNX-Logo tragen (Bild 1). Der KNX-Standard enthält Anwendungsprofile für viele Anwendungen in der Haus- /Gebäudesystemtechnik und stellt somit einen hohen Grad an Interoperabilität beim Zusammenspiel von Anwendungen und Produkten unterschiedlicher Hersteller sicher. Ausgewählte KNX-Anwendungen sind beispielsweise: Lichtsteuerung (Schalten, Dimmen, Lichtszenen), Beschattung (Markisen, Rollläden), Heizung, Lüftung, Klima (Einzelraumregelung: Stellventile und Thermostate an Heizkörpern, Kessel, Kühlaggregate, Ventilatoren), Sicherheitstechnik (Anwesenheitsschutz, Anwesenheitssimulation, Einbruch- und Feuerschutz, Panikschaltung), Energiemanagement (Verbrauchsoptimierung, Ausnutzung günstiger Stromtarife), Komfortfunktionen und intelligente Kontrolle über alle Anwendungen (zentrale Benutzerkontrolle, Szenariosteuerung, Prozesskontrolle), Fernbedienung und Fernwartung (z.b. über Telefon oder Internet), Schnittstellen zu ergänzenden oder peripheren Systemen (Überwachungskonsolen, Facility Management, Sicherheitssysteme, Multimedia, sonstige Dienste). Mit KNX wird eine vollständige horizontale und vertikale Integration aller bedeutsamen Anwendungen in der Haus- und Gebäudesystemtechnik erreicht: horizontal durch die Zusammenführung der unterschiedlichen Gewerke wie Installationstechnik, Heizung-Lüftung-Klima, Sicherheit, Haushaltsgeräte, Audio/Video; vertikal durch die Einbindung der Service Provider über Internetanschlüsse und damit der gesamten Wertschöpfungskette von der Service-Zentrale bis zum Endgerät. Wesentliche Systemmerkmale von KNX sind die verschiedenen Übertragungsmedien, die je nach den Aspekten Gröe, Bedarf und Gebäudetyp entweder allein oder in Kombination zur Anwendung kommen können: Bild 2 Übersichtsschema KNX-Bussystem Twisted Pair (TP): eine 2-Draht-Steuerleitung (Bussystem), über die KNX-Geräte untereinander Informationen austauschen. Die Geräte können über den Bus auch mit Spannung versorgt werden. Powerline: Dabei dient die 230-Volt-Netzleitung als Übertragungsmedium (Powerline Communication). Auch hier kommunizieren KNX-Geräte miteinander im gleichen Netz. Powerline wird bevorzugt in der Altbausanierung oder bei der Nachrüstung von bestehenden Gebäuden eingesetzt. Funk (KNX-RF): drahtlose Datenübertragung im ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical) bei 868 MHz. Es können sowohl unidirektionale Geräte (nur Senden) als auch bidirektionale Geräte (Senden und Empfangen) verwendet werden. Internet Protocol (IP): Die Datenübertragung über das generische Internetprotokoll kann sowohl im Gebäude als auch über das Internet verwendet werden. Die Nutzung von IP in KNX wurde als KNXnet/ IP spezifiziert. Bild 1 KNX-Logo Aktoren (Befehlsempfänger) Leuchten Rollläden Heizung, Klima, Lüftung Thermostat Sensoren (Befehlsgeber) Windmesser 230 / 240 V EIB Helligkeitssensor Quelle: Siemens

3 Elektrotechnik > KNX WissenHeute Jg. 61 7/2008 Bild 3: KNX-RF-Aktuator In komplexen Anlagen werden zukünftig vermehrt hierarchische Topologien zum Einsatz kommen: KNXnet/IP wird sich weiter etablieren als leistungsfähiger Backbone und als Anschluss für komplexe (IP only) Geräte. Twisted Pair, Powerline und Funk behaupten ihre Bedeutung bei der Anbindung verteilter Sensoren und Aktoren (Bild 2). Der KNX-Standard erlaubt jedem Hersteller die freie Wahl zwischen den Konfigurationsmodi für seine Geräte: System Mode (S-Mode): Der Systemmodus ist für gut ausgebildete Installateure geeignet, die damit komplexe Funktionen realisieren können. Alle mit dem S-Mode ausgestatteten Geräte, die an ein Kommunikationsnetz angeschlossen sind, werden durch das Inbetriebnahme-Tool ETS (Engineering Tool Software) entsprechend den spezifizierten Anforderungen programmiert. Der S-Mode hat den höchsten Grad Flexibilität hinsichtlich Funktionalität. Easy Mode (E-Mode): Der Einfachmodus wurde für Installateure ohne eine grundlegende Schulung geschaffen. Er bietet eine einfache und schnelle Lösung, aber mit begrenzten Funktionen im Vergleich zum S-Mode. Mit dem E-Mode ausgestattete Geräte werden bereits ab Werk mit einem Satz Parameter programmiert. Mit einem einfachen Werkzeug kann jedes Gerät konfiguriert werden. Im so genannten Easy Push Button Mode können Geräte ohne zusätzliches Werkzeug direkt miteinander verknüpft werden. (In einem KNX-Netz besteht die Möglichkeit, Geräte mit E-Mode und S-Mode miteinander zu kombinieren.) KNX-RF Die funktechnische Variante KNX-RF (KNX- Radio Frequency) wird im Folgenden besonders herausgestellt, weil ihre Bedeutung in der Gebäudetechnik derzeit stark zunimmt (Bild 3). Zahlreiche Hersteller planen und entwickeln neue Geräte, die auf diesem Standard beruhen. Hierbei kommen auch für KNX neben den klassisch zu nennenden Steuerungsaufgaben neue Anwendungen wie die Verbrauchsdatenerfassung (Metering) hinzu. Die Funkschnittstelle von KNX-RF entspricht den gesetzlichen Vorgaben für die genehmigungs- und gebührenfrei zu betreibenden so genannten Geräte mit geringer Sendeleistung (Short Range Devices = SRD) und legt folgende Eigenschaften fest: Mittenfrequenz: 868,3 MHz Modulationsverfahren: Frequenzumtastung (Frequency Shift Keying = FSK) FSK-Abweichung: ± 50 khz Duty Cycle: < 1 Prozent Codierung: Manchester 1 Chiprate: cps (Chips per Second) Sendeleistung: 1 mw bis 25 mw Die für KNX-RF gewählte Funkfrequenz von 868,3 MHz vereint gute Ausbreitungseigenschaften im Gebäude mit hoher Zuverlässigkeit, weil in diesem Frequenzband vom Gesetzgeber strenge Regeln gelten. Die maxi- male Sendeleistung von 25 mw ist ausrei- chend, um ein Einfamilienhaus oder eine Wohnung zu versorgen. Bei gröeren Installationen können Re-Transmitter eingesetzt werden, die die Telegramme 2 zu entfernten Einbauorten weiterleiten. Die Datenrate ist mit 16 kbit/s bei KNX-RF etwas höher als beim Twisted Pair, dafür müssen zusätzliche funkspezifische Daten übertragen werden. Insgesamt können wie beim Twisted Pair etwa 50 Telegramme je Sekunde übertragen werden. Wie bei allen KNX-Medien werden auch bei KNX-RF die Nutzdaten mit so genannten Gruppentelegrammen übertragen. Das heit, ein Telegramm kann von mehreren Geräten gleichzeitig empfangen werden und so zum Beispiel mehrere Leuchten gleichzeitig einschalten. Auch die Codierung der Daten, das so genannte Interworking, wurde bei KNX-RF nicht geändert. Die derzeit am Markt verfügbaren KNX-RF- Geräte werden im Easy Mode konfiguriert. Somit ist kein Personalcomputer oder Laptop dazu erforderlich. Zudem benötigt man keine Produktdatenbank, weil alle für die Konfiguration benötigten Informationen bereits in den Geräten gespeichert sind. KNX-RF-Anwendungen Die Funkvariante KNX-RF bietet sich vor allem dann an, wenn keine Leitungen verlegt werden können, wie dies oft bei Renovierungen und Nachrüstungen der Fall ist. Sehr interessant ist KNX-RF aber auch für Gebäude, in denen Twisted Pair installiert ist. Hier eignen sich KNX-RF-Geräte, um ein bestehendes System drahtlos zu erweitern. Es ist zwar theoretisch möglich, die gesamte Gebäudetechnik drahtlos zu steuern, dies wird aber wohl die Ausnahme bleiben. Um Sensoren unabhängig vom Stromnetz platzieren zu können, werden diese meist mit Batterien versorgt, aber auch Solarzellen sind für viele Anwendungen gut geeignet. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die Geräte nicht ständig empfangsbereit sein müssen. Dazu wurde in KNX speziell ein unidirektionales Gerätemodell definiert, das nur bei Bedarf 1 Ein in der digitalen Übertragungstechnik eingesetzter zweiwertiger, selbsttaktender Leitungscode, bei dem die binären Ausgangsdaten durch Zustandswechsel in der Bitmitte dargestellt werden. Anwendung findet der Manchester Code bei der elektrischen Basisbandübertragung, insbesondere in LAN-Netzen (z.b. Ethernet, Token Ring). 2 Die Sendung zwischen KNX-Teilnehmern wird als Tele- gramm bezeichnet. Das Telegramm besteht aus bus- spezifischen Informationen und der eigentlichen Nutzinformation, in der das Ergebnis (z.b. Betätigen einer Taste) mitgeteilt wird. Die Gesamtinformation wird beim Senden als Zeichenkette zu je 8 Bit verpackt.

4 WissenHeute Jg. 61 7/2008 sendet und keinen Empfänger hat. Aktoren müssen hingegen stets empfangsbereit sein und stellen bidirektionale Geräte mit einem eigenen Gerätemodell dar, die meist aus dem Stromnetz versorgt werden. Empfänger ohne Sender sind in KNX nicht vorgesehen. Die besondere Leistungsfähigkeit von KNX zeigt sich im Gesamtsystem: Während Re- Transmitter es ermöglichen, eine KNX-RF- Installation räumlich zu erweitern, kann mit Hilfe von so genannten Medienkopplern auch eine Verbindung mit Twisted-Pair-Geräten hergestellt werden. Bei komplexen Anlagen ist zudem eine Weiterleitung über Ethernet und bei Bedarf auch zu Powerline-Geräten möglich. Auf diese Weise kann für jedes Gerät die optimale Lösung entsprechend des Einbauortes und der Verkabelungsmöglichkeiten ausgewählt werden. Kommunikation über KNXnet/IP Neben KNX-RF soll hier ein weiterer Schwerpunkt auf das Medium IP gelegt werden, weil sich in diesem Bereich eine rasante Entwicklung des KNX-Standards abzeichnet. Die Übertragung von KNX-Telegrammen über das Ethernet ist als KNXnet/IP definiert und bereits Teil des KNX-Standards. Die erste Anwendung von KNXnet/IP war die Nutzung von Ethernet für PC-Schnittstellen und Router. Die IP-Router (Bild 4) sind vergleichbar mit Linienkopplern, nutzen aber für die Hauptlinie das Ethernet. Inzwischen ist KNXnet/IP als eigenständiges Medium in KNX integriert und bietet die Möglichkeit, Leistungsmerkmale von KNX, wie die Konfigurationsmodi und das Interworking, auf IP zu übertragen. Konfiguration Die Konfigurationsmodi der bestehenden KNX-Medien stehen auch für IP only Geräte zur Verfügung. Da diese in der Regel aber eine hohe Komplexität erwarten lassen, werden viele dieser Geräte auf die Konfiguration im System Mode mit der ETS beschränkt bleiben. Die Unterstützung von IP-only-Geräten mit der EIB Tool Software ist bereits in Vorbereitung. Die gewohnte Darstellung mit Gruppenobjekten und Parametern wird auch für diese Geräteklasse übernommen. Aber auch im Easy Mode, ja sogar im Easy Push Button Mode, sind interessante Lösungen auf KNXnet/IP zu erwarten (Bild 5). Interworking Das Interworking auf KNXnet/IP ist unverändert zu den anderen KNX Medien. Damit können KNX-IP-only-Geräte die bewährte Leistungsfähigkeit der KNX-Architektur einschlielich der Gruppenadressierung uneingeschränkt nutzen. Zudem können IP-only- Geräte über IP-Router unkompliziert auch mit anderen KNX-Medien gekoppelt werden. KNXnet/IP-Anwendungen Vor allem für Anwendungen, in denen die Übertragungsraten der anderen KNX-Medien nicht ausreichen, ist KNXnet/IP interessant. Mit KNXnet/IP wird damit die Brücke zu digitalen Kommunikationssystemen mit hoher Bandbreite wie Audio, Internet oder Telekommunikation geschlagen. Metering Bild 5 Hierarchische Topologie Internet LAN-Switch Für die Verbrauchsdatenerfassung (Metering) im Haus und in Gewerbeobjekten spielt die Kommunikation, insbesondere die Zählerfernauslesung, zukünftig eine immer wichtigere Rolle. Zudem fordert die neue Energieeffizienz in Gebäuden (pren 15232) der EU (Europäischen Union), dass der Kunde seinen Energieverbrauch jederzeit erkennen und steuern kann. Um derartige Forderungen wirtschaftlich erfüllen zu können, hat sich jetzt die Vereinigung von mehr als 1000 Bild 4: KNX-IP-Router ETS KNX IP Router KNX TP ETS EIB Tool Software IP Internet Protocol KNX IP Router KNX TP LAN KNX IP only Device Local Area Network

5 Elektrotechnik > KNX WissenHeute Jg. 61 7/2008 Verwendete Abkürzungen A-Mode Automatic Mode CEN Comité Européen de Normalisation CENELEC Comitè Européen de Normalisation Electrotechnique EDV Elektronische Datenver arbeitung EHS European Home System EHSA EHS Association EIB European Installation Bus EIBA EIB Association E-Mode Easy Mode EN European Normaisation (Europäische Norm) ETS EIB Tool Software FSK Frequency Shift Keying EU Europäische Union IP Internet Protocol ISM Industrial, Scientific and Medical PLC Powerline Communication RF Radio Frequency S-Mode System Mode TP Twisted Pair F irmen der Gas-, Wärme- und Wasserzählerhersteller für den Einsatz von KNX-RF als Die SIEGERTYPEN Jetzt unter Standard für die Haus- und Gebäudesystemtechnik ausgesprochen. Planer, Errichter und Betreiber von Anlagen mit Zählerfernauslesung müssen zunehmend immer mehr unterschiedliche Kommunikationstechniken, Protokolle und Übertragungsmedien berücksichtigen, was sich vor allem bei Erweiterungen und Umbauten negativ auswirken kann. Die so genannte MeteringIndustrie hat nun klare Vorgaben in Bezug auf die zu verwendenden Standards im Haus und im Gebäude festgelegt. Auf dieser Grund lage ist nun ein KNX-Produkt möglich, das sowohl beide Metering-Bus-Telegramme (EN 13757) als auch KNX-Telegramme mit einem einzigen Empfänger empfangen kann. Schlussbetrachtung Die KNX-Technologie als weltweit einziger offener Standard für Haus- und Gebäudesystemtechnik setzt auch im Bereich der Sicherheit Mastäbe. Nach KNX zertifizierte Bauteile vernetzen die gesamte Haustechnik und sorgen für ein Maximum an Sicherheit. Mit KNX lassen sich spezielle Sicherheitsan forderungen einfach umsetzen, die immer mehr Kunden von ihren Elektroinstallateuren verlangen. Der KNX-RF ist als Funkstandard und Kommunikationsmedium der Spezialist für die Gebäudesteuerung und bildet die Anforderungen der drahtlosen Installationstechnik optimal ab. Aber gerade im Zusammenhang des gesamten KNX-Standards mit seinen verschiedenen Medien und Konfigurationsmodi ist KNX-RF eine konkurrenzlose Lösung, wenn mehr als eine einfache Fernbedienung gefordert ist. (He) Literaturhinweise Willi Meyer: KNX/EIB Engineering Tool Software. August 2007, Verlag Hüthig & Pflaum, ISBN-13: Robert Beiter: Installationsbus Twisted Pair. Juni 2004, Verlag Hüthig & Pflaum, ISBN-13: Werner R. Kriesel, Jens Rennefahrt, Frank Sokollik und Ralph Seela: EIB für die Gebäudesystemtechnik in Wohnund Zweckbau. Februar 2004, Verlag Hüthig, ISBN-13: Heinz Schulte: Telekommunikation von A-Z, 24. Auflage. Dezember 2007, WEKA-Verlag, Kissing, ISBN-10: Internetressourcen ARGUS 4 plus VoIP VOICE-Tester s 6OICE 4ESTER MIT INTEGRIERTEM!$3,!NSCHLUSSTESTER s )3$. 30/Uk0 UND!NALOG 0RàFHÚRER &UNKTIONEN s 6O)0 %NDGERËTESIMULATION AN!$3, 3CHNITTSTELLEN UND %THERNET s 3PRACHVERBINDUNGEN U A VIA 6O)0 MIT!KUSTIK ZUR 1UALITËTSBEURTEILUNG s %RWEITERUNGSMÚGLICHKEIT MIT UMFANG REICHER 6O)0 %XTENDED /PTION Tel: / , sales@argus.info testing THE TELECOM network