Systemarchitekturen & Netzwerke

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1 Modernes Gebäudemanagement Systemarchitekturen & Netzwerke bold Dipl. Ing. Dr. Karl Helm Leitung Geschäftsbereich 1

2 Topologie Gebäudemanagementsystem bold 2

3 Topologie Router, Switch, Hub, Repeater bold 3

4 Topologie Netzwerke & Kommunikationsstandards bold 4

5 Topologie Bedienstationen, Server, Clients, WEB bold 5

6 Topologie mit.. bold 6

7 Modernes Gebäudemanagement Systemarchitekturen und Topologien 3 Ebenenmodell und Verfügbarkeit Anforderungen an Bussysteme LON und EIB Ethernet und Netzwerkkomponenten bold 7

8 Topologie Gebäudemanagement Management Ebene Siemens Automations sans Ebene bold siemens black Feld italic Ebene 8

9 Feld-, Automations- und Managementebene Management Ebene Automations Ebene bold Feld Ebene 9

10 ... Feld-, Automations- und Managementebene Management Management Ebene Ebene Automations Automations Ebene Ebene bold Feld Feld Ebene Ebene 10

11 Feld-, Automations- und Managementebene Bedienen & Beobachten Alarmbearbeitung Auswertungen Managementapplikationen (Energie- und historische Daten, usw.) Management Ebene Regel- und Steuermodule (für Primäranlagen) Frei programmierbar Übergreifende Funktionen Mit Kommunikation bold Fühler, Ventile, siemens Klappenantriebe sans black Fühler, Ventile, Klappenantriebe Jalousienantriebe Lichtansteuerung Einzelraumregler Mit & ohne Kommunikation Automations Ebene Feld Ebene 11

12 Systemebenen & Verfügbarkeit ZLT Management Ebene - Online-Daten - Auswertung von Offline Daten Automatisierungs Ebene bold Feld Ebene Autonome lokale Daten Autonome lokale Daten 12

13 Datentypen und Datenaustausch (1) Feldebene Kleine Datenmengen, einfache Datenstrukturen Häufige Datenübertragung, teilweise Peer-to- Peer Automatisierungs-/Prozessebene bold Kleinere Datenmengen, komplexere Strukturen (Zeit- und Datumsprogramme, historische Daten) Datenaustausch Peer-To-Peer (etwa Real-Time-Verhalten) 13

14 Datentypen und Datenaustausch (2) Managementebene Grosse Datenmengen, komplexe Datenstrukturen (historische Daten, Alarmweiterleitung bereitschaftsabhängig,..) Komplexe Netzwerkarchitekturen (Netzwerktypen, Router, usw.) Verschiedenste Übertragungsmedien bold 14

15 Anforderungen an Bussysteme in der Gebäudeautomation (1) Übertragung einfacher Ereignis- und Dateninformationen bis zu komplexen Datenstrukturen Integration gleicher und/oder verschiedener Gewerke auf jener Ebene mit größtem Nutzen : Kältemaschine & Kühlturm : AE, ME Niederspannung : ME LON / EIB Komponente : FE, AE, ME bold Effiziente Vernetzung einer großen Anzahl von Komponenten über (nahezu) beliebige Distanzen Bus-Segmentierung ( Router, Switches) Datenverkehr-Minimierung ( logische Segmentierung ) Erhöhte Verfügbarkeit 15

16 Anforderungen an Bussysteme in der Gebäudeautomation (2) Bitte? Der Client Abonniert sich auf Wertänderungen (COV, COS) Gibt Trendaufzeichnung in Auftrag Setzt Alarmgrenzen Der Server Stellt Daten zur Verfügung Führt geforderte Fuktion (Services) aus bold Client-Server keine übergeordneten Master hohe Verfügbarkeit Reduktion der Kommunikationslast Zustandswechsel / Change-Of-State (COS) Wertänderung / Change-Of-Value (COV) Server Funktionalität auf allen Ebenen Daten 16

17 MS60 - Shell File Edit Applications Settings Help O n 75 % C Date: User : Muller Time: 14:45 Level: 3 Outsite: 29.5 C 232 P 22.4 C 21.0 C 0 % 75 % Off On Unacknowledged alarms: 1 High priority alarms : 3... Anforderungen an Bussysteme in der Gebäudeautomation (3) COV Client 1. Client abonniert Datenpunkt am Server 1 Router 2 Router 2. Server sendet Wert Server sendet Wert bei Änderung (COS od. COV) COV Server siemens COV sans Client italic bold COV Server 4. Client erneuert Abonnement oder widerruft es

18 Anforderungen an Bussysteme in der Gebäudeautomation (4) Unterstützung verschiedenster Übertragungsmedien (lokal wie auch in geographisch verteilten Gebäuden) 2-Drahtleitung Ethernet, Router, Bridges, usw. TCP/IP (LAN, WAN, event. Internet) Öffentliches Telephonnetz Inhouse Systeme (z.b. Meldungsweiterleitung via Telephon) Siemens Nutzung sans bestehender IT-Infrastruktur (LAN, WAN) bold 18

19 Bussysteme für Feld- bzw. Automationsebene (1) Automations Automations Ebene Ebene Feld Feld Ebene Ebene Siemens Kleine sans bis mittlere Datenübertragungsraten siemens Mittlere sans italic bis grosse Entfernungen : bold Einzelraum Controller - Controller Schaltschrank Schaltschrank : m : m : m Möglichst kostengünstige Verkabelung (z.b. Raumregelung in Bürogebäuden, Hotels,.) 19

20 Kommunikation über 2 - Drahtleitungen Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection (CSMA/CD) bold 1. A sendet Daten zu B (z.b. weil COS oder COV) 2. Rücklesen vom Bus was A gesendet hat 3. A Gelesen = A Gesendet o.k. 1. B abboniert zusätzlichen Datenpunkt bei A 2. A Gelesen =/= A Gesendet Kollision am Bus 3. Sendewiederholung nach zufälliger (!) Zeitverzögerung 20

21 Bussysteme für Feld- bzw. Automationsebene (2) Anzahl Teilnehmer auf Managementebene : 1 5 ( sehr selten 10) Automatisierungsebene : Feldebene : (Logische) Segmentierung des Netzwerks unbedingt notwendig (Feldebene, selten auf Automatisierungsebene) bold Raum 1OG17 Raum 1OG18 Raum 1OG19 Raum 2OG70 Raum 2OG71 Raum 2OG72 21

22 Bussysteme für Feld- bzw. Automationsebene (3) LON - Bus Bustopologie... Max. Länge 900 m Hauptkommunikations-Kanal (Bus) mit beiseitigem Abschluss(widerstand) Jedes Gerät ist über eine Stichleitung mit dem dem Bus verbunden ( < 2,5 m!!) T Max. Länge 500 m T Freie Topologie T Geräten in beliebiger Anaordnung mit dem Kommunikationskanal verbunden Nur ein Abschluss(widerstand) erforderlich bold Kommunikationskanal kann Bus-, Stern-, Ring- oder gemischte Architektur aufweisen T T T Kommunkationsgeschwindigkeit Quelle: Echelon Typisch 78 kbaud (Bus- & Freie Topologie) 22

23 Bussysteme für Feld- bzw. Automationsebene (4) EIB m 350 m SV DR 350 m TLN TLN TLN TLN Gesamtleitungslänge max m TLN bold TLN TLN TLN Teilnehmer SV / DR Spannungsversorgung mit Drossel 23

24 Gegenüberstellung: LON <=> Konnex LonMark Bus-, Bus-, Stern-, Stern-, Baum-, Baum-, Ring-, Ring-, Misch- Misch- Topologie Topologie resp. resp pro pro Subnet, Subnet, Subnet Subnet pro pro Domain Domain Datendurchsatz Datendurchsatz kbit/s kbit/s Maximale Leitungslänge 900 m; Maximale Leitungslänge 900 m; bei Mischtopologie 450 m bei siemens Mischtopologie sans bold 450 m Twisted TwistedPair Pair (TP), (TP), Powerline, Powerline, Funk Funk bold CSMA/CA CSMA/CA (Zugriffsverfahren) siemens sans (Zugriffsverfahren) black 1 resp. 2 Busabschlüsse erforderlich 1 siemens resp. 2 black Busabschlüsse italic erforderlich Konnex Bus-, Bus-, Stern-, Stern-, Baum-, Baum-, Misch- Misch- Topologie Topologie Busgeräte Busgeräte je je Linie, Linie, Linien Linien in in Bereichen Bereichen (= (= TLN) TLN) Datendurchsatz Datendurchsatz 9,6 9,6 kbit/s kbit/s Maximale Maximale Leitungslänge Leitungslänge m (topologieunabhängig) Twisted TwistedPair Pair (TP), (TP), Powerline, Powerline, Funk Funk CSMA/CA CSMA/CA (Zugriffsverfahren) (Zugriffsverfahren) Kein Kein Busabschluss Busabschluss erforderlich erforderlich

25 Netzwerkkomponenten für Ethernet bold 25

26 Netzwerkkomponenten Aktive Netzwerkkomponenten Elektronische Baugruppen, die - das Signal - den Weg der Information beeinflussen z.b. Router, Hubs, Switches, Netzwerkkarten Passive Netzwerkkomponenten bold Bauteile, welche der physikalischen Weiterleitung der elektrischen Signale dienen. z.b. Kabel, Patchfelder und Steckverbinder 26

27 Aktive Netzwerkkomponenten Hub (1) Sternpunkt für Ethernet Elektrische Anschlußsteckdose für (Ethernet-) Netzwerkteilnehmer Leitet Datenpakete an alle angeschlossenen Teilnehmer Siemens weiter sans bold 27

28 Aktive Netzwerkkomponenten Hub (2) Keine Filterung des Datenverkehrs Alle Teilnehmer sehen alles Aufteilung der Netzwerkbandbreite unter allen Teilnehmern Repeaterfunktion (Signalregenerierung,...) Netzwerk-Verlängerung siemens 10/100Mbps sans bold HUB 10/100Mbps HUB bold Logische Netzwerkdarstellung 28

29 Aktive Netzwerkkomponenten Repeater (Hub) Repeater auch als Hub oder Konzentrator bezeichnet Signalverstärker (elektrisch), Verlängerung von Ethernet-Segmenten Erhöhung der Verfügbarkeit, bei (elektrischen) Problemen auf einem Segment (Bsp.: Kurzschluß auf Segment A beeinträchtigt NICHT Segment B und C) Keine Filterung des Datenverkehrs : alle Teilnehmer sehen alles Siemens Aufteilung sans der Netzwerkbandbreite unter allen Teilnehmern bold Repeater #1 Repeater #2 Segment A Segment B Segment C 29

30 Aktive Netzwerkkomponenten Switch (1) Sternpunkt für Ethernet Speichert Datenpakete und leitet nur an das Netzwerksegment weiter, in dem sich der Empfänger befindet Zieldetektierung auf physikal. Adressebene (Ethernet, MAC-Adresse) siemens Selbstlernend sans italic bold weiß, wo (=an welchem Anschluss) sich welche Station befindet 30

31 Aktive Netzwerkkomponenten Switch (2) Gezielte Datenweiterleitung an Empfänger (selbstlernend) Kollisionsminimierung, dadurch bis zu 100%-Nutzung der Netzbandbreite Verbindung von Netzwerkteilnehmern und -segmenten mit unterschiedlichen Übertragungsraten (Daten-Zwischenspeicherung) bold PC #1 PC #2 PC #3 Switch 10/100Mbps File - Server 100 Mbps Controller 1 Controller 2 10 Mbps Beispiel : PC #1 holt Daten von Fileserver PC #2 empfängt Alarme PC #3 erhält für Graphik Daten vom Controller NCRS In diesem Bsp. würden dann alle 3 Kommunikationswege (siehe oben) einzeln durchgeschaltet (switched) sein und damit nahezu die volle Bandbreite (100Mbps) zur Verfügung stehen. 31

32 Aktive Netzwerkkomponenten Router (1) Sternpunkt für Ethernet Speichert Datenpakete und leitet nur an das Netzwerksegment weiter, in dem sich der Empfänger befindet Zieldetektierung auf logischer Adressebene (z.b. IP-Adresse) siemens Selbstlernend sans italic bold weiß, wo (=an welchem Anschluss) sich welche Station befindet 32

33 Aktive Netzwerkkomponenten Router (2) Gezielte Datenweiterleitung an Empfänger (selbstlernend) Kollisionsminimierung, dadurch bis zu 100%-Nutzung der Netzbandbreite Verbindung von Netzwerkteilnehmern und -segmenten mit unterschiedlichen Übertragungsraten ( Datenzwischenspeicherung) und Übertragungsmedien (z.b. Ethernet, ISDN,etc.) bold Router Segment A Segment B 33

34 Beispielhafte Topologie im Gebäude Switch <100 m Switch DDC - Regler 2. Siemens DG Kühltürme sans Vorort Bedienung <100 m bold DDC - Regler 1. OG Lüftungszentrale siemens Switch sans black < 100 m Switch <100 m DDC - Regler 2. UG Heizzentrale DDC - Regler 1. UG Kältezentrale 34

35 Ethernet Standards Standard Daten- Durchsatz Max. Kabellänge in m Struktur Kabeltyp Stecker 10Base-2 10 Mbit/s 185 Bus Coaxial BNC 10Base-5 10 Mbit/s 500 Bus Coaxial Vampirklemme 10Base-T 10 Mbit/s 10Base-FL 10 Mbit/s Stern Stern Twisted Pair CAT 3 oder besser Fiberoptic Multimode RJ-45 Fiber SC oder ST 100Base- siemens sans 100 italic Mbit/s TX bold 100Base- 100 Mbit/s FX (Multimode) (Singlemode) Stern Stern Twisted Pair CAT 5 oder besser Fiberoptic(Multimode oder Singlemode) RJ-45 Fiber SC oder ST 1000Base-T 1000 Mbit/s 100 Stern Twisted Pair CAT 6 oder besser RJ-45 35

36 Aktive Netzwerkkomponenten Mediakonverter Dient als Übergang von einem Ethernet-Medium in ein anderes Medium Typischerweise zwischen Kupfer (z.b. Twisted Pair) und Glasfaser bold 36

37 Beispielhafte Topologie im Gebäude mit Glasfaser Switch <100 m Kupfer Switch DDC - Regler 2. DG Kühltürme Glasfaser(n) Vorort Bedienung <100 m Kupfer bold Switch Switch DDC - Regler 1. OG Lüftungszentrale < 100 m <100 m DDC - Regler 2. UG Heizzentrale DDC - Regler 1. UG Kältezentrale 37

38 Lichtwellenleiter (1) Kabeltyp hängt von der zu überbrückenden Länge und den zu verwendenden Endgeräten ab Für Singlemode-Kabel sind andere Endgeräte erforderlich als für Multimode-Kabel Für bidirektionale Kommunikation sind stets 2 Adern erforderlich siemens Bei sans Bündeladerkabeln italic immer Reservefasern vorsehen!! bold siemens Das sans Kabel black muß an den Endpunkten eine geeignete Anschlussmöglichkeit besitzen (Patchfeld oder ähnliches) 38

39 Lichtwellenleiter (2) Lichtwellenleiter Steckverbinder SC-Steckverbinder SC-Doppelsteckverbider bold ST-Steckverbinder FLSH-Steckverbinder 39

40 Modernes Gebäudemanagement Systemarchitekturen bold 40

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