European Installation Bus

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1 Berner Fachhochschule Hochschule für Technik und Informatik Fachbereich Elektro- und Kommunikationstechnik Studienarbeit Distributed Control European Installation Bus Embedded Control, 5. Semester Autor Thomas Schaad Klasse E3b Betreuer Max Felser Datum 13. Januar 2006

2 I Zusammenfassung Der EIB (European Installation Bus) wird in der Gebäudeinstallation auf Basis eines Feldbusses eingesetzt. Er verbindet Sensoren wie Lichtschalter, Raumfühler, Lichtsensoren, Pressostaaten, Endschalter, Glasbruchsensoren an Fenstern usw. sowie Aktoren wie Rollläden, Lampen, Pumpen, Türschlösser, Ventile usw. untereinander. Mittels einer von der Dachorganisation EIBA des EIB bereitgestellten Software kann der EIB konfiguriert werden. Mit EIB lassen sich somit einzelne Elektroinstallation vernetzen und können somit effizienter betrieben und aufeinander abgestimmt werden. In diesem Bericht wird die Technik EIB vorgestellt und aufgezeigt wie diese eingesetzt und installiert wird. Nebst der technischen Analyse des EIB Bus Protokolls wird auch auf die Entstehungsgeschichte, die Zukunft und die Art und Weise wie eine Installation aufgebaut ist eingegangen. EIB dient heute als grundsätzlicher Feldbus innerhalb eines Gebäudes. Die zahlreichen Anbieter von elektrischen Komponenten entwickeln zwar immer wieder eigene Bussysteme, bieten jedoch immer eine EIB Schnittstelle an. Somit ist es möglich verschiedene Systeme untereinander zu vernetzen. Als Quelle für diesen Bericht dienten ausführliche Recherchen im Internet sowie diverses Material und KnowHow der Elektroinstallationsfirma Elektro-Hippenmeyer+Co, Oberbipp, welche den EIB gelegentlich im Wohnungs- und Industriebau einsetzt. Burgdorf, 13. Januar 2006 Thomas Schaad

3 II Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung... I Inhaltsverzeichnis... II 1 Geschichte Bis Heute Zukunft Markt & Einsatzgebiete Markt Einsatzgebiete Anwendungsmodelle Linie Hauptlinie & Bereich Strukturierte Anwendung des EIB Technologie Grundsätzliches EIB im OSI Referenzmodell Physical Layer Data Link Layer Network Layer Transport Layer Application Layer Installationstechnik Vorgehen bei der Planung eines EIB EIB Komponenten & Material UP Komponenten Einbaukomponenten DIN Komponenten... 9

4 1 1 Geschichte 1.1 Bis Heute Bereits Mitte der 80er Jahre sind die ersten Überlegungen zur Anwendung der Bustechnologien zur Gebäudeautomation angeregt worden. Man hat erkannt, dass die Markteinführung von herstellerspezifischen Systemen einer breiten Marktdurchdringung im Wege stehen würde. Führende Hersteller der elektrischen Installationstechnik haben sich 1990 im Rahmen der EIBA (European Installation Bus Association) in Brüssel zusammengeschlossen, mit der Zielsetzung, einen Standard auf den Markt zu bringen. Dieser Standard garantiert die Kompatibilität der verschiedenen Geräte und Systeme unterschiedlicher Hersteller. Nachdem erste Produkte gemäß diesem Standard 1991 am Markt angeboten wurden, sind es heute nahezu Produktgruppen mit einem Vielfachen an unterschiedlichen Produkten von über 110 EIBA-Firmen. Diese Produkte decken die verschiedenen Systeme und Anwendungen wie Licht. Lüftung, Heizung oder Beschattung im Gebäude unter der Wahrung der Austauschbarkeit der Produkte ab, so dass sie ein einer mit dem Installationsbus EIB ausgeführten Anlage zusammenwirken können wurde das EIB System, welches auf der untersten Ebene der Busse, den Feldbussen anzusiedeln ist, mittels OPC (OLE für Process Control) der Prozessleitebene zugänglich gemacht. Das System des EIB hat damit seinen Siegeszug begonnen in Deutschland und Europa und mittlerweile mit weltweiter Akzeptanz. Seit 1991 wächst die EIB-System-, Produkte- und Projektvielfalt kontinuierlich an. 1.2 Zukunft Mit dem Übergang von EIB (Europäischer Installations Bus) zu Konnex KNX tritt die Verbreitung dieses Standard-Bussystemes für alle Gewerke in eine neue Phase. Die bisherigen EIB-Installationen bleiben zu KNX voll kompatibel, gleichzeitig ergeben sich erweiterte Möglichkeiten durch vereinfachte Parametrierung sowie neuer Komponenten. So kommen verschiedene neue Produkte zum EIB/KNX dazu: Neu können mit KNX auch weisse Produkte (Haushaltsgeräte wie Backofen, Waschmaschinen oder Mikrowellen) angeschlossen. EIB wird somit vollständig in KNX aufgehen.

5 2 2 Markt & Einsatzgebiete 2.1 Markt Leider sind bei den offiziellen Stellen praktisch keine Informationen über den Erfolg von EIB im Markt erhältlich. Die einzige Information welche zur Verfügung gestellt wird ist, dass EIB Produkte sehr erfolgreich seien. Dies lässt jedoch darauf schliessen, dass die Vermarktung von EIB nicht wunschgemäss verläuft. Somit werden natürlich die Verkaufszahlen nur ungern offen gelegt. 2.2 Einsatzgebiete Der EIB ist für die Gebäudeautomatisierung von Zweckbauten entwickelt worden. Unter Zweckbauten versteht man vor allem grössere Gebäude wie Bürogebäude, Fabrikhallen, Gewerbebetriebe und öffentliche Gebäude wie Verwaltungen, Ämter, Zentralen, Kongresshäuser usw. In solchen Bauten führt das Vernetzten oder das Automatisieren der einzelnen Gewerke zu einem höheren Nutzen. Die Effizienz wird gesteigert, das Management einer Anlage wird erleichtert. Die einzelnen Gewerke können aufeinander abgestimmt verwendet werden, was auch zu Einsparungen führt. Unter Gewerken versteht man die einzelnen Elektroinstallationen eines Gebäudes wie Lichtinstallationen, Heizungen, Klimaanlagen, Lüftungen, Alarmanlagen, Energieversorgungen, Brandmeldeanlagen, Beschattungsanlagen, Jalousien, usw. Der EIB findet jedoch heute auch vermehrt Einsatz im gehobenen Wohnungsbau, wo er vorwiegend der Komfort- und Effizienzsteigerung dient. Als Schlagwort kann hier das Intelligente Haus genannt werden. In einem intelligenten Haus möchte man im Wohnraum zwischen verschiedenen Szenarien wie Arbeit, Fernsehen, Lesen, Musik hören, wählen können. Wird ein bestimmtes Szenario angefordert so schaltet sich zum Beispiel der TV ein, das Licht wird gedimmt, die Rollläden werden gesenkt und die Alarmanlage wird scharf geschaltet. Ein solcher Ablauf ist mit konventionellen Elektroinstallationen kaum mehr realisierbar. Hierfür wird der EIB eingesetzt. Ein weiterer Vorteil von EIB gegenüber konventionellen Installationen findet sich in der Flexibilität. Wünscht der Kunde nun eine Änderung der Funktion so kann diese mittels Software unter geringem Aufwand umgesetzt werden. Teure Umverdrahtungen bleiben erspart. Dies bringt auch in Industrieanlagen einen enormen Nutzen, wenn ein Gebäude infolge einer Umnutzung anders funktionieren muss.

6 3 3 Anwendungsmodelle 3.1 Linie Die Grundeinheit des EIB wird Linie genannt. Die Linie entspricht dem Bus an welchem bis zu 256 EIB Komponenten angeschlossen werden können. Der maximale Abstand zweier Teilnehmer auf einer Linie ist 700 Meter. Die maximale Länge einer Linie beträgt 1000 Meter. Mittels Linienverstärkern kann eine Linie bis zu auf bis zu 4000 Meter verlängert werden. Der Linienverstärker verstärkt das Bus Signal. Somit kann auch der Abstand zwischen 2 Komponenten auf einer Linie auf 2800 Meter vervierfacht werden. Die Topologie kann beliebig zwischen Bus, Linie, Baum, Stern ausgewählt werden, jedoch sollte sic dabei keine Ringstruktur ergeben. Bild 3.1 Prinzipskizze EIB Die Stichleitung, welche den Teilnehmer mit der Linie verbindet, sollte möglichst kurz gehalten werden um Störungen auf dem Bus durch Echos/Reflektionen vermeiden zu können. 3.2 Hauptlinie & Bereich An einer Hauptlinie werden die einzelnen Linien mittels Linienkoppler angeschlossen. Die Hauptlinie verbindet somit bis zu 15 Linien miteinander. Die Hauptlinie selbst ist immer die Linie mit der Linienadresse 0. Die Linienkoppler trennen die einzelnen Linien galvanisch untereinander. Sie filtern die Telegramme und lassen nur die Telgramme auf die Linie, welche für die dort angeschlossenen bestimmt sind. In einem System können bis zu15 Bereiche mit Bereichskopplern zusammengeschaltet werden. Die Bereichskoppler erfüllen dabei dieselben Aufgaben wie die Linienkoppler. Dabei ist zu beachten, dass zwischen 2 Teilnehmern maximal 6 Koppler (Linienkoppler oder Linienverstärker) liegen dürfen. Somit ergibt sich rein rechnerisch eine maximale Bereichsausdehnung von 4000 Metern * 16 = 64 Kilometer, Der Maximale Abstand zwischen 2 Teilnehmern wächst somit auf 6 * 700 Meter = 4200 Meter an. Bild Bus Topologie des EIB

7 4 Somit kann ein maximales EIB System mit 15 Bereichen (Hauptlinien) à 15 Linien mit jeweils 256 Teilnehmern erstellt werden. Dies ergibt 57'600 Teilnehmer, was für jede Applikation ausreichend sein sollte. Die Ausdehnung des EIB ist wie berechnet 64 Kilometer. Bild EIB Topologie im Gebäude Die Adressierung der einzelnen Komponenten richtet sich nach der Struktur des Busses. Somit sollte der EIB zuerst aufgebaut werden und erst anschliessend sollten die Teilnehmer adressiert werden. Zuerst werden die Bereiche von 0 bis 15 nummeriert. Dabei ist die Grundlinie des EIB mit der Nummer 0 zu versehen. Die restlichen Bereiche erhalten die nachfolgenden Nummern. Dieses Verfahren wird analog auf die Linien angewendet. Somit entsteht die Adresse eines Komponenten. Die Adresse entspricht zum Beispiel dem Teilnehmer 233 auf der Linie 7 im Bereich 8. Nicht zu vergessen ist, dass auch die Linienkoppler und die eine Adresse erhalten entspricht somit dem Linienkoppler von der Grundlinie zum 1. Bereich. Innerhalb des 1. Bereichs ist der Linienkoppler dann der Teilnehmer Strukturierte Anwendung des EIB Das EIB System wird als Anwendungsmodell auch nach den physikalischen Komponenten gegliedert. Nachfolgend ist diese Gliederung ausgeführt. Bild EIB Systemübersicht

8 5 4 Technologie 4.1 Grundsätzliches Jeder EIB Komponent besitzt einen eigenen Mikroprozessor, welcher die Funktionen des jeweiligen Bausteins managt und die Protokolle via Bus sendet, empfängt und verarbeitet. Somit ist die Logik auf die Komponenten verteilt. 4.2 EIB im OSI Referenzmodell Der EIB Feldbus hat alle OSI Layer ausser die Layer 5 & 6 implementiert. Diese werden nicht benötigt. Wie die Telegramme generiert werden und wie der Zugriff auf den Bus erfolgt ist in den folgenden Kapiteln beschrieben. Bild 4.2 verwendete Layer 4.3 Physical Layer 1 EIB wird in den meisten Fällen über eine verdrillte 2-Drahtleitung als Medium (twisted pair) geführt. Auch sind schon Funk, Ethernet und Infrarotlösungen vorhanden. Die nachfolgenden Betrachtungen beschränken sich auf den 2-Draht Bus. Der EIB wird mit maximal 9600 Baud betrieben. Dies kann bei grösseren Anlagen zu Problemen führen, wenn relativ viele Daten von vielen EIB Komponenten verarbeitet werden müssen. Die Signale werden auf dem Bus differenziert übertragen um Störungen zu vermeiden. Bild Signale auf dem Bus Die Physikalische Schicht des EIB ist in 2 Teile gegliedert: Bild Flussdiagramm der physikalischen Schicht LU (Logical Unit): Sie ist medienunabhängig. Sie erhält von der übergeordneten Schicht2 jeweils ein Byte und wandelt dieses in einen seriellen Bitstrom um. Dabei wird jedes Mal ein Start und ein Stopp-Bit dazugefügt. Dieser Bitstrom wird an die MAU übergeben. MAU (Medium Attachement Unit) Sie wandelt den erhaltenen Bitstrom in physikalische Pegel um. Somit wird das Signal dem Medium angepasst. Hat die MAU einen Bitstrom auf den Bus gelegt, liest sie diesen sogleich wieder ein und überprüft ihn auf seine Korrektheit. Wird nun eine gesendete 1 durch einem anderen Teilnehmer mit einer gesendeten 0 überschrieben so wird dies als Kollision erkannt und die MAU bricht den Vorgang ab und wiederholt ihn nach einer zufälligen Zeit wieder. Dieser Vorgang entspricht dem CSMA / CD. Die MAU ist auch für die 24V DC Versorgung des Busses zuständig. Beim 2-Draht Bus ist im Ruhezustand eine rezessive (nachlassende) logische 1 auf dem Bus. Physikalisch sehen die somit generierten Signale 0 und 1 wie folgt aus: Bild Signal auf dem Bus Bild Signal auf dem Bus

9 6 Die rezessive 1 klingt mit der Zeit ab. Deshalb ist bei einer Übertragung in der mehrere 1er nacheinander folgen bleibt der Pegel auf Null. Die Bitlänge auf dem Bus beträgt 104 µs. Bei einer 0 wird der Pegel zuerst für 35 µs auf -6V gelegt, danach wird der sich auf dem Bus wieder die rezessive 1 einstellen. In den vorangegangen Bildern sind diese Zustände inklusive der Toleranzen dargestellt. Auf der Empfangsseite ist nur die MAU aktiv sie liest den seriellen, analogen Bitstrom vom Bus und wandelt ihn gemäss folgendem Bild in einen digitalen Bitstrom um. 4.4 Data Link Layer 2 Bild Signale auf dem Bus. Der Layer 2 ist beim EIB in 2 Schichten aufgeteilt: LLC (Logical Link Control Layer): Stellt die Daten zu einem Data Frame zusammen und übergibt diese zum Senden der untergeordneten MAC Schicht. Beim Empfangen überprüft LLC ob das Data Frame für ihn bestimmt ist. Ist dies der Fall so überprüft er das Data Frame auf Fehler. Ist der Rahmen korrekt so veranlasst er das Senden einer positiven Bestätigung, wenn nicht das Senden einer negativen Bestätigung. Eine negative Bestätigung löst auf der Gegenseite das erneute Senden der Nutzdaten aus. Bild 4.4 Data Frame des LLC. MAC(Medium Access Control) MAC zerteilt die Data Frames des LLC und übergibt diese Byteweise dem Layer 1. Auf der Empfangsseite fügt die MAC die einzelnen Bits aus dem Layer 1 wieder zu einem Data Frame zusammen. Die MAC überwacht auch, dass priorisierte Data Frames zuerst gesendet werden. Somit steuert sie den zeitlichen Ablauf des Sendens. 4.5 Network Layer 3 Diese Schicht entscheidet aufgrund der Adressierung in den Data Frames ob es sich um eine Nachricht an einen einzelnen Teilnehmer, Multicast oder Broadcast handelt. Handelt es sich um einen Multicast einer ganzen Linie, so wird dies im Layer 3 des Linienkopplers erkannt und das Telegramm wird an alle Teilnehmer der Linie weitergereicht. Wenn nicht wird das Telegramm nicht weitergeleitet. Dieses Vorgehen gilt sinngemäss für alle Teilnehmer, Linienkoppler, Bereichskoppler usw. Der Entscheid wird aufgrund der Adressierung des jeweiligen Teilnehmers vorgenommen. 4.6 Transport Layer 4 Diese Schicht stellt die Dienste der verbindungslosen und verbindungsorientierten Kommunikation der übergeordneten Layer 7 unter Verwendung der Dienste des Layer 3 zur Verfügung.

10 7 4.7 Application Layer 7 Diese Schicht stellt folgende Dienste zur Verfügung: - Kommunikation zwischen 2 Anwendungsprozessen - Gerätekonfiguration und Wartung - Netzwerkmanagement Hierzu verwendet die Applikationsschicht Kommunikations- Objekte (KO). Jedes KO beinhaltet eine Aktion oder einen Status welcher eingestellt oder abgefragt wird. Die KO werden in die Telegramme verpackt, gesendet, und auf der Empfängerseite wieder ausgepackt und dem jeweiligen Prozess zur Verfügung gestellt. Ein KO kann zum Beispiel einen Status eines Schalters beinhalten, welcher ändert, wenn der Schalter umgestellt wird. Im Nachfolgenden Bild ist das gesamte Protokoll, welches EIB benutzt dargestellt. Die Bereiche sind den einzelnen Layern zugeteilt. Bild 4.4 komplettes EIB Protokoll Für die Programmierung stellt die EIBA das Softwaretool ETS (EIB Software Tool) zur Verfügung. Unter ETS ist sichergestellt, dass die einzelnen EIB Komponenten problemlos zusammenarbeiten und auch dementsprechend adressiert werden können.

11 8 5 Installationstechnik 5.1 Vorgehen bei der Planung eines EIB Der Installateur muss als erstes feststellen welche Funktionen in einem Gebäude umgesetzt werden sollen. Anhand der Kundewünsche plant er anschliessend die Standorte der EIB Komponenten. Die Topologie aus dem Kapitel 2 muss nun sinngemäss in der Installation umgesetzt werden. Er legt fest wie die Verkabelung und die Energieverteilung ausgeführt werden sollen. Die Spannungsversorgung der Aktoren erfolgt im Normalfall getrennt über ein 400V / 230 V Netz. Die Sensoren werden in der Regel über den Bus mit Spannung versorgt. Bild Prinzipschema einer EIB Installation Ausserhalb des Schaltkastens, also im Feld, sind jeweils die Sensoren angeordnet welche Daten, wie Schalterzustände, Druck, Temperatur, Helligkeit, Erschütterung, usw. messen. Auch die Aktoren sind teils im Feld installiert. Im Schaltkasten werden die restlichen Komponenten eingebaut. Dies sind zuerst die Spannungsversorgung des EIB sowie Linienkoppler und Linienverstärker. Weiter werden Aktormodule zum Schalten von 230V Kreisen zentral im Kasten angeordnet. Auch EIB Kontroller oder OPC Servermodule werden hier eingebaut. Diese Elemente sind nur für komplexere Applikationen notwendig. Die Programmierung und Adressierung des EIB Systems wird via Schnittstelle mit dem PC vorgenommen. Dafür stellt die EIBA die Software ETS (EIB Software Toolbox) zur Verfügung. Bild Anordnung von EIB Komponenten Sind Teile der Anlage fertig gestellt, werden die Komponenten adressiert, die Verknüpfungen und die Prioritäten festgelegt. Anschliessend müssen die Funktionen ausgetestet und eventuell nachbearbeitet werden.

12 9 5.2 EIB Komponenten & Material Als Standardkabel wird ein grün ummanteltes Kabel verwendet. In ihm sind 2 oder 4 Drähte, welche untereinander verdrillt sind, untergebracht. Jedoch können auch andere Zweidrahtkabel, z.b. Telefonkabel, verwendet werden. Der Hersteller empfiehlt die Verwendung der EIB Standartkabel. Bild 5.2 EIB Standart Buskabel mit 4 Leitern Bei den EIB Komponenten können drei Typen unterschieden werden. Diese werden in den nächsten Kapiteln ausführlicher vorgestellt. 5.3 UP Komponenten UP Komponenten sind meistens Schalter oder Taster welche in die dafür vorgesehenen UP Kasten eingebaut werden. Es gibt auch Infrarotempfänger oder Optische Melder welche in dieser Bauform erhältlich sind. Diese Komponenten sind immer in 2 Teile gegliedert. Zuerst wird der Busankoppler in die UP Dose montiert. Er enthält den Mikrokontroller und 2 Klemmen an welchem der EIB angeschlossen wird. Der Anschluss ist heute standardmässig mit Mikroklemmen von Wago ausgeführt. Dies sind Schneidklemmen und können schon der Endmontage des EIB Komponenten angebracht werden. Somit ist der EIB schon vor der Montage des EIB Teilnehmers verbunden. Nach der Montage des Busankopplers kann dieser programmiert werden. Dazu wird die Programmiertaste betätigt und die Konfigurationssoftware ETS weist ihm seine Adresse zu. Danach wird das Anwendungsmodul auf die Anwenderschnittstelle aufgesteckt. Bild & UP EIB-Teilnehmer 5.4 Einbaukomponenten Die Einbaukomponenten werden für Nachrüstungen oder Applikationen von Geräten verwendet. Im Gegensatz zu den UP Komponenten bestehen sie nur aus einem Teil. Die Programmierung erfolgt auf dieselbe Art und Weise. Bild 5.4 Einbaukomponete für den Einbau in eine FL Leuchte 5.5 DIN Komponenten Unter dieser Kategorie sind alle Komponenten zusammengefasst, welche in den Schaltkästen auf DIN-Schienen aufgeschnappt werden. Dies sind meist die Speisungen, die Koppler sowie Aktormodule, welche Starkstromkreise schalten. Sie weisen ein Standartgehäuse auf und lassen sich somit nahtlos an Sicherungen und andere Komponenten anfügen. Bild 5.5 DIN Linienkoppler der Firma Gira