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2 Merz/Hansemann/Hübner Gebäudeautomation vbleiben Sie einfach auf dem Laufenden: Sofort anmelden und Monat für Monat die neuesten Infos und Updates erhalten

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4 Hermann Merz Thomas Hansemann Christof Hübner Gebäudeautomation Kommunikationssysteme mit EIB/KNX, LON und BACnet 2., neu bearbeitete Auflage mit 205 Bildern, 109 Tabellen und 93 Aufgaben Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

5 Alle in diesem Buch enthaltenen Programme, Verfahren und elektronischen Schaltungen wurden nach bestem Wissen erstellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund ist das im vorliegenden Buch enthaltene Programm-Material mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auchohne besondere Kennzeichnung nicht zu derannahme,dasssolche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutztwerdendürften. Bibliografische Information derdeutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothekverzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detailliertebibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Dieses Werk isturheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderfälle, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden Carl Hanser Verlag München Internet: Lektorat: Mirja Werner, M.A. Herstellung: Dipl.-Ing. Franziska Kaufmann Druck und Bindung: Druckhaus Thomas Müntzer GmbH, Bad Langensalza Printed in Germany

6 Vorwort zur 2., neu bearbeiteten Auflage In unserer modernen Industriegesellschaft werden immer mehr Abläufe und Prozesse automatisiert. Auch in Wohn- und Zweckgebäuden steigt weltweit der Grad der Automatisierung ständig an, weil sich Bewohner und Betreiber mehr Komfort, mehr Sicherheit und mehr Wirtschaftlichkeit wünschen. Die Gebäudeautomation hat sich zu einem wichtigen Teilgebiet der Automatisierungstechnik entwickelt und bietet kundengerechte Lösungen für alle Arten von Gebäuden. Die hier eingesetzten Sensoren, Aktoren, Steuer- und Regelgeräte sowie Visualisierungen benötigen zur Abwicklung teils sehr komplexer Funktionen geeignete industrielle Kommunikationssysteme für den Datenaustausch untereinander und ggf. zu externen Systemen. Hierbei kommen insbesondere (Gebäude-)Feldbusse und Computernetze zum Einsatz. Dieses Buch liefert neben einer Einführung in die Gebäudeautomation und die Gebäudesystemtechnik auch detaillierte Einblicke in folgende Themengebiete: Grundlagen der industriellen Kommunikationstechnik Europäischer Installationsbus (KNX) Local Operating Network (LON) TCP/IP-Computernetze und das Kommunikationsprotokoll BACnet Für die konstruktiven Rückmeldungen zur 1. Auflage bedanken wir uns bei allen Lesern und Leserinnen sehr. Wir haben in der 2. Auflage versucht, die Anregungen zu berücksichtigen, konnten jedoch aus Platzgründen nicht alle Wünsche erfüllen. Bei Frau Hotho, Frau Werner und Frau Kaufmann vom Fachbuchverlag Leipzig bedanken wir uns für die freundschaftliche Zusammenarbeit und die kompetente Abwicklung des Projekts. Den Firmen ABB, Busch-Jaeger Elektro und ELKA-Elektronik danken wir für die Bereitstellung von Bildmaterial. Auf der Internetseite stehen die Lösungen der Übungsaufgaben zum Herunterladen bereit. Mannheim,im August2009 Hermann Merz Thomas Hansemann Christof Hübner

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8 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung in diegebä egebäudeautomation Bedeutung der Gebäudeautomation Automatisierungsfunktionen im privaten Wohnungsbau AutomatisierungssystemeinZweckbauten Gebäudeautomation vs. Gebäudesystemtechnik Gewerke in der Gebäudeautomation Gewerke in dergebäudesystemtechnik Strukturen Hierarchische Strukturinder Gebäudeautomation Hierarchische Strukturinder Gebäudesystemtechnik Energiemanagementfunktionen Amortisationszeit Energiemanagementfunktionenauf der Automationsebene BedarfsgerechteSollwertanpassung Enthalpiesteuerung Ereignisabhängiges Schalten Gleitendes Schalten (Optimum Start Stop) Nachtkühlbetrieb Nullenergieband-Steuerung Zyklisches Schalten Energiemanagementfunktionenauf der Managementebene Energiecontrolling Höchstlastbegrenzung/Lastspitzenbegrenzung ZeitabhängigesSchalten Komfort-und Energiemanagementfunktionen in der Raumautomation Genormte Bussysteme undnetzeinder Gebäudeautomation Anforderungen Einsatzgebiete Lichtsteuerung und Beschattung mit dem Europäischen Installationsbus Regelung vonheizungs-, Klima-, Lüftungsanlagen mit LonWorks Kopplung vonleitrechnern mitbacnet Stand dernormung Übungsaufgaben...39

9 8 Inhaltsverzeichnis 1.8 Literatur Grundlagen derindustriellenkommunikationstechnik Industrielle Kommunikation Kommunikation über Feldbusse Kommunikation über Computernetze Digitale Datenübertragung Grundbegriffe Bits undbytes Binär- undhexadezimalzahlen Bitrate Modulationsgeschwindigkeit Zusammenhangzwischen Bitrate undmodulationsgeschwindigkeit DigitalesDatenübertragungssystem Quellencodierung/-decodierung Kanalcodierung/-decodierung Paritätsprüfung Kreuzparitätsprüfung (Blockprüfung) Zyklische Redundanzprüfung Leitungscodierung/-decodierung Non-Return-to-Zero-Code (NRZ-Code) Manchester-Code(Biphase-L) Differential-Manchester-Code Kommunikation gemäß dem ISO/OSI-Referenzmodell Datenübertragungund Kommunikation Regeln zumablaufeiner Kommunikation Die Schichten des ISO/OSI-Referenzmodells Feldbus- undnetztopologien Kanalzugriffsverfahren Kanalzugriff nach Zuteilung Kanalzugriff nach Bedarf Übungsaufgaben Literatur DerEuropäische Installationsbuslationsbus KNX Einführende Übersicht Was istknx? Historie des KNX Der Nutzen vonknx Gebäudefunktionen undkommunikationsteilnehmer Konventionelle Realisierung vongebäudefunktionen Realisierungvon Gebäudefunktionen mit dem KNX...65

10 Inhaltsverzeichnis Motivation fürdie Beschäftigungmit dem KNX Konventionelle Elektroinstallationstechnik Sicherheitshinweise Aufgabenstellung: Treppenhaus- undflurbeleuchtung Ausschaltung Wechselschaltung Kreuzschaltung Überblick über den KNX Übertragungsmedien undeigenschaften von KNX.TP Übertragungsmedien Kriterien fürdie Auswahldes Übertragungsmediums Eigenschaften vonknx.tp Busleitung Bussignal Bitrate Busgeräte Typen undausführungsformen Häufigeingesetzte Busgeräte Spannungsversorgung mitintegrierter Drossel Schaltaktor (6-fach) Tastsensor (4-fach) Topologie Begriffsdefinition Teilnehmer, Linien, Bereiche Spannungsversorgungen Koppler Koppler als Linienverstärker Koppler als Linienkoppler Koppler als Bereichskoppler Installationsrichtlinien Blockschaltbilder undgenormte Gerätesymbole Teilnehmeradressierung Physikalische Adressen Physikalische Adressen vonkopplernund Linienverstärkern Physikalische Adressen an den Hauptlinien und der Bereichslinie Beispielefür physikalischeadressen Gruppenadressen (logische Adressen) Ebenen-Adressierung Ebenen-Adressierung Hauptgruppen 14 und Zuordnung von Funktionen zu Hauptgruppen Zieladressbit (Adresstyp)... 91

11 10 Inhaltsverzeichnis 3.8 Kommunikationsobjekte Begriffsdefinition Eigenschaften vonkommunikationsobjekten StrukturierterAufbau Attribute Zugriffsmethoden Kommunikationsobjekte vonsensorapplikationen Kommunikationsobjekte vonaktorapplikationen Zuordnung von KommunikationsobjektenzuGruppenadressen Allgemeine Regeln Praktisches Beispiel Nutzdaten Aufrufvon Diensten deranwendungsschicht EIB InterworkingStandard (EIS) EIS-Typ 1: Schalten EIS-Typ 2: Dimmen Länge der Nutzdaten Kommunikationsablauf Telegrammarten Datentelegramm Abfragetelegramm Bestätigungstelegramm Angabe der Telegrammart im Kontrollfeld Struktur eines Standarddatentelegramms Universal AsynchronousReceive Transmit (UART) Aufbau eines UART-Zeichens Versenden eines UART-Zeichens Busarbitrierung FreierBus Zugriffsklassen Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA) Kriterienfür die Buszuteilung Beispiel für die Busarbitrierung Weiterleitung vondatentelegrammen Filterfunktion von Kopplern undlinienverstärkern Routingzähler Datensicherung Kreuzparitätsverfahren Beispiel Bestätigungstelegramme Inhaltevon Bestätigungstelegrammen Reaktionen des Senders aufdas Bestätigungstelegramm...112

12 Inhaltsverzeichnis Beispiel Beispiel Zeitlicher Ablauf derkommunikation Zusammenfassung der Telegrammstrukturen Standarddatentelegramm Kontrollfeld (Byte 0) Quelladresse (Byte 1und Byte2) Zieladresse (Byte3und Byte4) Destination Address Field (DAF), Routingzähler, Länge (Byte 5) Nutzdaten(Byte6und Byte7) Prüffeld (Byte 8) Bestätigungstelegramm Hardware Äußere Hardware Innere Hardware Prinzipieller innerer Aufbau eines KNX.TP-Kommunikationsgeräts Transceiver (Übertragungsmodul) Mikrocontroller Anwendungsschnittstelle(AST) Software Überblick Softwarekomponenten eineskompaktgeräts Softwarekomponenten einesmodularengeräts Systemsoftware Anwendungsprogramme Auswahl der Applikation Parameter vonapplikationen Engineering Tool Software (ETS3) Lizenzen Projektdatenbank Projektierung Inbetriebnahme Schulungsanlage ÜbungsprojektLichtsteuerung Kundenauftrag BenötigteGeräte Projektierung mit der ETS Vorüberlegungen Starten derets Neues Projekt anlegen Produktdaten importieren Bereiche und Linien definieren,geräteeinfügen

13 12 Inhaltsverzeichnis Geräteparameter einstellen Parameterdialog des4-fach-tastsensors Parameterdialog des6-fach-schaltaktors Gruppenadressen anlegen Kommunikationsobjekte dengruppenadressenzuordnen Inbetriebnahme Hardwareaufbau Programmierungder Geräte Test der Lichtsteuerung Diagnose/Busmonitoring Trends im Umfeld desknx Touchscreens Integration der Gebäudesystemtechnik in IP-Netze Übungsaufgaben Literatur Gebäudeautomationutomation mit LonWorks Technologischer Wandel in dergebäudeautomation Nutzen der LonWorks-Technologie Einsatz in der Gebäudesystemtechnik Ersatz der konventionellen Verdrahtung in der Raumautomation Wirtschaftliche Vorteile durch vernetzte Gewerke Höhere Flexibilität durch Umprogrammierung statt Umverdrahtung Bereitstellung zusätzlicher Sicherheitsfunktionen Einsatz der LON-Technik auf der Automationsebene Historie der LonWorks-Technologie Einsatzgebiete der LonWorks-Technologie Organisationseinheiten Normung Grundlagen der LonWorks-Technologie Elemente der LonWorks-Technologie Neuron-Chip LonTalk-Protokoll Transceiver LonWorks-Tools LonMark InteroperabilityAssociation Aufbau und Funktionsweise eines LON-Knotens Funktionsweise des Neuron-Chips mitspeicher Eingabe- und Ausgabebeschaltung Spannungsversorgung und Netzteil Service-Taste undneuron-id Service-LED...169

14 Inhaltsverzeichnis Transceiver Informationsübertragung zwischen LON-Geräten Physikalische Netzstrukturen Netze in Linienstruktur Netze in Stern- und Ringstruktur Subnet als physikalische Netzstruktur Domain als größtenetzstruktur Erstellung der Netzstruktur Telegrammstruktur Buszugriffsverfahren und Signalcodierung Prädiktives P-Persistent-CSMA-Verfahren Differential-Manchester-Code Logische Netzwerkstrukturen mitnetzwerkvariablen Bedeutung der Netzwerkvariablen Binding Quittierungsprinzipien Interoperabilitätvon LON-Geräten Objekte und Funktionsprofile nach LonMark Konfigurationsparameter Standard-Netzwerkvariablen-Typen in dergebäudeautomation LonWorks-Tools Entwicklerwerkzeuge LonBuilderund NodeBuilder Inbetriebnahmewerkzeuge LonWorksNetwork Services Inbetriebnahmewerkzeug LonMaker Systemstrukturen der LonWorks-Technologie Gebäudeautomationssystem mitlon Web-Anbindung von LON-Netzen Applikationsbeispiele Lichtsteuerung über LON Lichtsteuerung mit Panikschaltung über LON Übungsaufgaben Literatur BACnet Einführende Übersicht Was ist BACnet? BACnet-Organisationen Einsatzgebiete Grundkonzepte im Überblick Arten von Information Transportwege

15 14 Inhaltsverzeichnis Objekte Kommunikationsarchitektur Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht Master-Slave/Token-Passing Bitübertragungsschicht(EIA-485und EIA-232) Sicherungsschicht Point-to-Point-Verbindung Bitübertragungsschicht Sicherungsschicht Ethernet Übertragung mit Twisted-Pair Netzkomponenten (Repeater, Bridge, Hub, Switch) Übertragung mit Glasfasern StrukturierteVerkabelung Funkübertragung (WirelessLAN) Sicherungsschicht: Rahmenaufbau und MAC-Adresse Attached Resource Computer Network(ARCNET) LonTalk Vermittlungsschicht Aufgabe Router BACnet und dasinternet Protocol (IP) IP-Adressen Pfadermittlung Paketaufbau Subnetze Transmission ControlProtocol(TCP) User Datagram Protocol (UDP) Protokolle für die Zuordnungvon MAC- undip-adressen Address Resolution Protocol (ARP) Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) Vernetzung vonbacnets über das Internet Tunneling Routing BACnet/IP Anwendungsschicht Dateneinheit und Aufgaben BACnet-Objektkonzept Was ist ein Objekt? Datentypen Namenskonventionen und Adressvergabe Standardisierte Objekte Analog-Eingabe-Objekt...251

16 Inhaltsverzeichnis Analog-Ausgabe-Objekt Analogwert-Objekt Mittelwert-Objekt Binär-Eingabe-Objekt Binär-Ausgabe-Objekt Binärwert-Objekt Betriebskalender-Objekt Gruppenauftrag-Objekt Device-Objekt Ereigniskategorie-Objekt Datei-Objekt Globales Gruppen-Objekt Gefahrenmelder-Objekt Sicherheitsbereich-Objekt Regler-Objekt Mehrstufige-Eingabe-Objekt Mehrstufige-Ausgabe-Objekt Mehrstufiger-Wert-Objekt Meldungsklassen-Objekt Programm-Objekt Zeitplan-Objekt Trend-Aufzeichnung-Objekt Mehrfachtrend-Aufzeichnung-Objekt Zählwert-Eingabe-Objekt Dienste Objektzugriff-Dienste Alarm- und Ereignis-Dienste Device- und Netzwerkmanagement-Dienste Dateizugriff-Dienste Virtual-Terminal-Dienste Prozeduren Datensicherung Priorisierungvon Aufträgen BACnet-Geräte und Interoperabilität Interoperabilitätsbereiche (IOB)und -bausteine IOB Gemeinsame Datennutzung IOB Alarm- undereignisverarbeitung IOB Zeitplan IOB Trendaufzeichnung IOB Device- und Netzwerkmanagement Device-Profile BACnet Operator Workstation

17 16 Inhaltsverzeichnis BACnet Building Controller BACnet Advanced ApplicationController BACnet ApplicationSpecific Controller BACnet Smart Actuator und BACnet SmartSensor BACnetRouter Protokollumsetzungsbestätigung und BTL-Zeichen Gateways zu anderen Systemen Übungsaufgaben Literatur Index 291