Gebäudeautomation. Kommunikationssysteme mit EIB/KNX, LON und BACnet. Hermann Merz Thomas Hansemann Christof Hübner. 3., aktualisierte Auflage

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1 Hermann Merz Thomas Hansemann Christof Hübner Gebäudeautomation Kommunikationssysteme mit EIB/KNX, LON und BACnet 3., aktualisierte Auflage

2 Merz/Hansemann/Hübner Gebäudeautomation Bleiben Sie auf dem Laufenden! Hanser Newsletter informieren Sie regel mäßig über neue Bücher und Termine aus den verschiedenen Bereichen der Technik. Profitieren Sie auch von Gewinnspielen und exklusiven Leseproben. Gleich anmelden unter

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4 Hermann Merz Thomas Hansemann Christof Hübner Gebäudeautomation Kommunikationssysteme mit EIB/KNX, LON und BACnet 3., aktualisierte Auflage Mit 216 Bildern, 114 Tabellen und 96 Aufgaben Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

5 Autoren: Prof. Dr. Hermann Merz, Prof. Thomas Hansemann, Prof. Dr. Christof Hübner Hochschule Mannheim 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 auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN: E-Book-ISBN: Dieses Werk ist urheberrechtlich 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: Franziska Jacob, M.A. Herstellung: Dipl.-Ing. (FH) Franziska Kaufmann Satz: Kösel Media GmbH, Krugzell Coverconcept: Marc Müller-Bremer, München Coverrealisierung: MCP Susanne Kraus GbR, Holzkirchen/Stephan Rönigk Druck und Bindung: Hubert & Co., Göttingen Printed in Germany

6 Vorwort zur 3. 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 die Bewohner und Betreiber immer mehr Komfort, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit wünschen. Die Gebäudeautomation hat sich dabei 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: Einsatz der DDC-Automationsgeräte und Energiemanagementfunktionen Grundlagen der industriellen Kommunikationstechnik Europäischer Installationsbus (KNX) Local Operating Network (LON) TCP/IP-Computernetze und das Kommunikationsprotokoll BACnet. Für die konstruktiven Rückmeldungen zur 1. und 2. Auflage bedanken wir uns bei allen Leserinnen und Lesern. So konnten wir auch erfahren, dass unser Buch in vielen Schulen, Berufsschulen, Fachhochschulen und Universitäten seinen Einsatz findet. Hierüber haben wir uns sehr gefreut. In der vorliegenden 3. Auflage wurden viele Abbildungen aktualisiert, im Kapitel 1 ein Unterkapitel zum Einsatz und zur planerischen Auslegung von DDC-Automationsgeräten ergänzt und im Kapitel 3 eine Umstellung auf die Inbetriebnahme-Software ETS 5 vorgenommen. Auf der Internetseite stehen die Lösungen der Übungsaufgaben zum Herunterladen bereit. Mannheim, im April 2016 Thomas Hansemann Christof Hübner Hermann Merz

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8 Inhalt 1 Einführung in die Gebäudeautomation Bedeutung der Gebäudeautomation Automatisierungsfunktionen im privaten Wohnungsbau Automatisierungssysteme in Zweckbauten Gebäudeautomation vs. Gebäudesystemtechnik Gewerke in der Gebäudeautomation Gewerke in der Gebäudesystemtechnik Strukturen Hierarchische Struktur in der Gebäudeautomation Hierarchische Struktur in der Gebäudesystemtechnik Einsatz der DDC-Automationsgeräte Grundfunktionen der Gebäudeautomation Anlagen-Informations-Schema Funktionen innerhalb von Lüftungsanlagen Liefer- und Leistungsumfang Energiemanagementfunktionen Amortisationszeit Energiemanagementfunktionen auf der Automationsebene Energiemanagementfunktionen auf der Managementebene Komfort- und Energiemanagement funktionen in der Raumautomation Genormte Bussysteme und Netze in der Gebäudeautomation Anforderungen Einsatzgebiete Stand der Normung Übungsaufgaben Literatur... 50

9 8 Inhalt 2 Grundlagen der industriellen Kommunikationstechnik Industrielle Kommunikation Kommunikation über Feldbusse Kommunikation über Computernetze Digitale Datenübertragung Grundbegriffe Digitales Datenübertragungssystem Quellencodierung/-decodierung Kanalcodierung/-decodierung Leitungscodierung/-decodierung Kommunikation gemäß des ISO/OSI-Referenzmodells Datenübertragung und Kommunikation Regeln zum Ablauf einer Kommunikation Die Schichten des ISO/OSI-Referenzmodells Feldbus- und Netztopologien Kanalzugriffsverfahren Kanalzugriff nach Zuteilung Kanalzugriff nach Bedarf Übungsaufgaben Literatur Der Europäische Installationsbus KNX Einführende Übersicht Was ist KNX? Historie des KNX Der Nutzen von KNX Motivation für die Beschäftigung mit dem KNX Konventionelle Elektroinstallationstechnik Sicherheitshinweise Aufgabenstellung: Treppenhaus- und Flurbeleuchtung Ausschaltung Wechselschaltung Kreuzschaltung Überblick über den KNX Übertragungsmedien und Eigenschaften von KNX.TP Übertragungsmedien Kriterien für die Auswahl des Übertragungsmediums Eigenschaften von KNX.TP... 84

10 Inhalt Busgeräte Typen und Ausführungsformen Häufig eingesetzte Busgeräte Topologie Begriffsdefinition Teilnehmer, Linien, Bereiche Spannungsversorgungen Koppler Installationsrichtlinien Blockschaltbilder und genormte Gerätesymbole Teilnehmeradressierung Physikalische Adressen Gruppenadressen (logische Adressen) Zieladressbit (Adresstyp) Kommunikationsobjekte Begriffsdefinition Eigenschaften von Kommunikationsobjekten Kommunikationsobjekte von Sensorapplikationen Kommunikationsobjekte von Aktorapplikationen Zuordnung von Kommunikationsobjekten zu Gruppenadressen Nutzdaten Aufruf von Diensten der Anwendungsschicht EIB Interworking Standard (EIS) Länge der Nutzdaten Kommunikationsablauf Telegrammarten Struktur eines Standarddatentelegramms Universal Asynchronous Receive Transmit (UART) Busarbitrierung Weiterleitung von Datentelegrammen Datensicherung Bestätigungstelegramme Zeitlicher Ablauf der Kommunikation Zusammenfassung der Telegrammstrukturen Standarddatentelegramm Bestätigungstelegramm Hardware Äußere Hardware Innere Hardware

11 10 Inhalt 3.13 Software Überblick Softwarekomponenten eines Kompaktgeräts Softwarekomponenten eines modularen Geräts Systemsoftware Anwendungsprogramme Engineering Tool Software (ETS 5) Schulungsanlage Übungsprojekt Lichtsteuerung Kundenauftrag Benötigte Geräte Projektierung mit der ETS Vorüberlegungen Starten der ETS Neues Projekt anlegen Produktdaten importieren Bereiche und Linien definieren, Geräte einfügen Geräteparameter einstellen Gruppenadressen anlegen Kommunikationsobjekte den Gruppenadressen zuordnen Inbetriebnahme Hardwareaufbau Programmierung der Geräte Test der Lichtsteuerung Diagnose/Busmonitoring Trends im Umfeld des KNX Touchscreens Integration der Gebäudesystemtechnik in IP-Netze Übungsaufgaben Literatur Gebäudeautomation mit LonWorks Technologischer Wandel in der Gebäudeautomation Nutzen der LonWorks-Technologie Einsatz in der Gebäudesystemtechnik Einsatz der LON-Technik auf der Automationsebene Historie der LonWorks-Technologie Einsatzgebiete der LonWorks-Technologie Organisationseinheiten Normung

12 Inhalt Grundlagen der LonWorks-Technologie Elemente der LonWorks-Technologie Aufbau und Funktionsweise eines LON-Knotens Informationsübertragung zwischen LON-Geräten Physikalische Netzstrukturen Telegrammstruktur Buszugriffsverfahren und Signalcodierung Logische Netzwerkstrukturen mit Netzwerkvariablen Interoperabilität von LON-Geräten LonWorks-Tools Entwicklerwerkzeuge LonBuilder und NodeBuilder Inbetriebnahmewerkzeuge Systemstrukturen der LonWorks- Technologie Gebäudeautomationssystem mit LON 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 Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht Master-Slave/Token-Passing Point-to-Point-Verbindung Ethernet Attached Resource Computer Network (ARCNET) LonTalk Vermittlungsschicht Aufgabe Router BACnet und das Internet Protocol (IP) Transmission Control Protocol (TCP) User Datagram Protocol (UDP)

13 12 Inhalt Protokolle für die Zuordnung von MAC- und IP-Adressen Vernetzung von BACnets über das Internet Anwendungsschicht Dateneinheit und Aufgaben BACnet-Objektkonzept Standardisierte Objekte Dienste Prozeduren BACnet-Geräte und Interoperabilität Interoperabilitätsbereiche (IOB) und -bausteine Device-Profile Protokollumsetzungsbestätigung und BTL-Zeichen Gateways zu anderen Systemen Übungsaufgaben Literatur Sachwortverzeichnis