EIB und Datennetze
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GBTK – Grundzüge der Bautechnik 3AHITS Inhalt Inhalt ................................................................................................................................................... 1 0. 1. 2. Einführung in die Übertragungstechnik ....................................................................................... 2 0.1. Schichtenmodelle .................................................................................................................. 2 0.2. 0.2 Grundlagen der Übertragungstechnik ............................................................................ 3 Einführung in die Haustechnik .................................................................................................... 3 1.1. Grundlagen der EIB-Technik ................................................................................................ 3 1.2. EIB Topologie ....................................................................................................................... 6 1.3. Adressierung .......................................................................................................................... 6 1.3.1. Physikalische Adresse .................................................................................................... 7 1.3.2. Gruppenadresse .............................................................................................................. 7 Planung und Projektierung des Smart Home ............................................................................... 7 2.1. 3. Intelligente Haustechnik ........................................................................................................ 8 2.1.1. Die Elektroinstallation ................................................................................................... 8 2.1.2. EIB Installation .............................................................................................................. 8 EIB und Datennetze ................................................................................................................... 10 3.1. Das Telefonnetzwerk ........................................................................................................... 10 3.2. ISDN Anschluss und Verkabelung ...................................................................................... 11 3.3. Multimedia Verkabelung ..................................................................................................... 11 Holzmann Florian Seite 1 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik 0. Einführung in die Übertragungstechnik 0.1. Schichtenmodelle Anwender Protokoll virtuelle Verbindung Anwender Telefon Telefon Vermittlungsamt Vermittlungsamt Schichtenmodelle werden eingesetzt um Teilaufgaben in heterogenen Systemen abzugrenzen und Schnittstellen zwischen diesen Systemen festzulegen. GRUNDLEGENDE PRINZIPIEN VON SCHICHTENMODELLEN: 1. Jede Schicht beschreibt eine Teilaufgabe und definiert Schnittstellen zu den darüber und darunter liegenden Schichten. 2. Jede Schicht bietet eine Dienstleistung (Dienst, Service) an die darüber liegende Schicht an. z.B.: Codierung in elektrische Signale 3. Jede Schicht kann durch eine andere Schicht ersetzt werden, wenn die Schnittstellen gleich bleiben. 4. Für jede Schicht sind die darunter liegenden Schichten transparent, das heißt, die Schicht „kümmert“ sich nicht um die Formate und Aufgaben der darunter liegenden Schicht. 5. Im Falle einer Kommunikation, ist jede Schicht über eine virtuelle Verbindung mit der entsprechenden gegenüberliegenden Schicht verbunden, das heißt z.B. beim Telefonieren mit geschlossenen Augen, hat man den Eindruck, als würde man dem Kommunikationspartner direkt gegenüber stehen. 6. Ein Protokoll ist die Vorschrift einer virtuellen Verbindung, das heißt jede Schicht kommuniziert mit der gegenüberliegend Schicht über bestimmt Regeln und Vorschriften (z.B.: IP Protokolle, Sprache, …). Zu den wichtigsten Schichtenmodellen gehören: OSI 7 Schichtenmodell TCP/IP Schichtenmodell Holzmann Florian Seite 2 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik Das OSI 7 Schichtenmodell Empfänger Sender L7 Application Layer L6 Presentation Layer L5 Session Layer L4 Transport Layer L3 Network Layer L2 Data Link Layer L1 Physical Layer 0.2. SMTP, HTTP, … TIF, GIF, JPG,… MP3, … Application Layer Daten Presentation Layer Daten Session Layer TCP, UTP IP ETH ETH Transport Layer Segment Network Layer Paket Data Link Layer Frame Physical Layer bit 0.2 Grundlagen der Übertragungstechnik U 10 1 00 0 +3V 11 1 01 1 +3V = „1“ -3V = „0“ +1V Ts Ts2 Ts3 Ts4 Ts5 -1V +3V t +3V = „11“ +1V = „10“ -1V = „01“ -3V = „00“ 1. Einführung in die Haustechnik 1.1. Grundlagen der EIB-Technik Der EIB-Bus ist eine standardisiertes Bus-System zu „intelligenten“ Steuerung und Regelung unterschiedlichster Haustechniken (Beleuchtung, Heizung, Lüftung, …). N Klassische Lichtinstallation : ~230V Lampe 230V L IF Schalter Holzmann Florian Seite 3 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik Der Vorteil dieser Schaltung liegt in ihrer Einfachheit. Sie weist aber auch eine Reihe von Nachteilen auf: - Ein Anschluss des Schalters führt immer die volle Spannung, auch wenn der Verbraucher (z.B. Lampe) ausgeschaltet ist. - Die Schalter müssen in der Lage sein, die volle Leistung des angeschlossenen Verbrauchers zu schalten. Die Baugröße der Schalter kann nicht sehr klein sein. Zudem ist der Einsatz solcher Schalter in Feuchtraumumfeld kritisch. - Die 230 Volt Elektroinstallation muss zu jedem Schalter geführt werden, das heißt der Aufwand steigt erheblich mit der Anzahl der Verbraucher. - Soll eine Lampe von mehreren Stellen aus geschaltet werden, so führ dies rasch zu einer sehr komplexen Verkabelung. - Die Installation darf aufgrund des Gefährdungsgrades (gefährlich hohe elektrische Spannung) nur vom Fachmann ausgeführt werden - Nachträgliche Änderungen erfordern einen hohen Aufwand EIB-System: N 230 V L EIB Netzgerät Aktor ~ = EIB 29 V Sensor Datentelegramme Die Abbildung zeigt eine Minimalversion einer Businstallation für die gleiche Aufgabenstellung vorher (Lampe ein- und ausschalten). Die wichtigste Änderung zum vorherigen Fall ist die Installation des EIB-Busses, der zur Übertragung der Ein- und Ausschaltbefehle (Datentelegramme) zu den einzelnen Verbrauchern dient. Um die Befehle in dem am Bus angeschlossen Sensoren erzeugen und dann an die Aktoren übertragen zu können, wird der Bus mit einer 29V Gleichspannung versorgt. Die 29V Gleichspannung wird durch das sogenannten EIB-Netz erzeug. Der Lichtschalter wird durch einen Sensor ersetzt, der zusammen mit dem Aktor die gleiche Funktion wie der „normale“ 230 V Lichtschalter erfüllt. Der Aktor erkennt die am EIB-Bus übertragenen Schaltbefehle und wertet sie aus. Entsprechend dieser Auswertung, wird die Lampe ein- oder ausgeschalten bzw. komplexere Funktionen (z.B.: Dimmen) ausgeführt. Für die einfache Aufgabe eine Lampe mit einem Schalter zu kombinieren wäre der Aufwand einer EIB-Bus Installation zu hoch. Das heißt diese Form wird erst bei steigender Komplexität des Systems sinnvoll: - eine Lampe viele Schalter viele Lampen ein Schalter viele Lampen viele Schalter Holzmann Florian Seite 4 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik Vorteile dieser Installationsvariante sind: - Die 230 Volt Verkabelung wird nur mehr beim Verbraucher benötigt. - Die Businstallation kann getrennt von der 230 V Verkabelung erfolgen und ist dadurch flexibler. - Die Busleitung führ nur mehr eine niedrige Spannung (klein Spannung). - Eine Verlegung ist damit auch für nicht Fachmann möglich und erlaubt. - Es ist eine (fast) unbegrenzte Menge von Aktoren und Sensoren einsetzbar. Die Komplexität der Installation steigt mit zunehmender Anzahl für Aktoren und Sensoren, nicht im gleichen Maße wie dies für eine klassische 230 V Installation der Fall wäre. Interessant ist die Vielzahl der Möglichkeiten, die sich durch die Übertragung komplizierter Datentelegramme ergeben. Dazu werden unterschiedliche Datentelegrammtypen definiert: DPT 1 DPT 2 DPT 3 Schalten Priorität Dimmer Datentelegramme sind notwendig, weil nicht nur die eigentlichen Daten sondern auch die Adressen des Absenders und Empfängers zu übertragen sind. AUFBAU EINES DATENTELEGRAMMS: Kontrollfeld Adressfeld Datenfeld Sicherungsfeld Sensoren erzeugen Datentelegramme und senden diese an den jeweiligen Aktor. Beispiele für Sensoren: Taster, Bewegungsmelder, Raumtemperaturregler, Wettersensoren, Binärkontakte, Helligkeitssensoren, … Beispiele für Aktoren: Lastschalter, Dimmer, Binärausgänge, Jalousieschalter, Ventilstellantriebe für Heizkörper, … Zusätzlich gibt es noch Geräte mit Sonderfunktionen, z.B. Schaltuhren, Strom-Energie-Zähler, Gateway zu anderen Bussystemen, Visualisierung, … u Bussignal u Die Übertragung der Datentelegramme zwischen Aktor und Sensor erfolgt in Form eines Digitalen Referenz Signals. Das verwendete Kabel hat verdrillte Adern (Twisted-Pair-Kabel) Vorteil von (TP-Kabeln): Störungen heben sich gegenseitig auf (Cancelation). Als Leitung wird dabei der Typ YCYM 2*2*0,8 verwendet Holzmann Florian Seite 5 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik 1.2. EIB Topologie Bereich max. 15 1. Linienkoppler Netzteil Linienkoppler 15. TN1 TN1 TN TN Linienverstärker Netzteil Netzteil Linienverstärker TN1 TN1 TN TN Netzteil Im Normalfall ist der EIB-Bus für große Gebäudekomplexe (z.B. Bürogebäude, Hotelgebäude) vorgesehen. Einfache Wohnhäuser benötigen derart komplexe Strukturen nicht (z.B. zur ein Bereich mit 2 Linien). Beim EIB-Bus sind Stern- Baum- und Busstrukturen erlaubt. Nicht erlaubt sind Ringstrukturen. Hierarchische Struktur: Die unterste Ebene bildet die Buslinie. Sie kann bis zu 64 Teilnehmer (Aktoren, Sensoren) beinhalten. Ist das nicht ausreichend, können maximal 3 Linienverstärker eingesetzt werden. Damit ergeben sich 4 Liniensegmente zu je 64 Teilnehmer, also pro Linie 256 Aktoren oder Sensoren. Über Linienkoppler können 15 dieser Linien zu einem Bereich zusammengefasst werden. Über Bereichskoppler können wiederum 15 dieser Bereiche miteinander verbunden werden. Damit ergibt sich als theoretische Möglichkeit 15 Bereiche * 15 Linien * 256 Teilnehmer. 1.3. Adressierung IP IPN MAC Die Adressierung wird benötigt, um die am Bus angeschlossenen Aktoren und Sensoren eindeutig zu identifizieren. Dabei sind 2 unterschiedliche Adressarten zu unterscheiden. 1. Die physikalische Adresse 2. Die Gruppenadresse Holzmann Florian Seite 6 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik 1.3.1. Physikalische Adresse Die physikalische Adresse wird eindeutig und einmalig für jedes am Bus befindliche Gerät vergeben und bleibt in der Regel so lange bestehen, wie das Gerät am Bus angeschlossen ist. Im Gegensatz zu unseren MAC-Adressen. Im Neuzustand ist das Gerät ohne Adresse. Ein einmaliger Programmiervorgang vergibt die entsprechende physikalische Adresse 3 stellig in dem Format xx.xx.xxx also zum Beispiel: 15.15.255 Sie besteht aus Bereichslinien und Teilnehmernummern. Die Vergabe der Adresse kann automatisch durch das eingesetzte Programmiertool erfolgen. Im Normalfall sollte der Planer des EIB-Bus eine Strukturierte Adresse vergabe durchführen. z.B.: Stockwerk.Raum.Gerät 3.5.1 Die Programmierung vor Ort vermeidet Verwechselungen beim Einbauen der Geräte. 1.3.2. Gruppenadresse Die Gruppenadresse dient dazu, die Funktionen einzelner Busgeräte miteinander zu verknüpfen. Sie hat das Format xx/x/xxx und geht von 00/0/000 bis 15/7/255. Sie ist also in Haup- Mittel- und Untergruppe unterteilt. Es ist sinnvoll die Gruppenadresse nach logischen Gesichtspunkten zu vergeben. z.B.: 1/x/xxx 2/x/xxx 3/x/xxx 4/x/xxx = Beleuchtung und Steckdosen = Jalousie = Heizung =Alarm und Bewegungsmelder Es gibt keine Zwang und keine Vorschrift für die logische Ordnung. Eine systematische Vergabe von Gruppenadressen erleichtert aber die Parametrisierung (Programmierung) der Busgeräte und die Fehlersuche. 2. Planung und Projektierung des Smart Home Bei der Planung eines Smart Home unterscheidet man zwischen der Grobplanung die die einzelnen Gewerke betrifft und der Feinplanung oder detaillierten Planung die innerhalb eines Werks konkrete Fragen behandeln. Es ist extrem wichtig, vorschauend zu planen (Skalierbarkeit). Beispielsweise ist es wesentlich einfacher, einen Lichtauslass oder eine Steckdose ungenutzt zu lassen, als sie später nachträglich hinzufügen zu müssen. Im Zusammenhang mit dem Gewerk Elektrotechnik und IT wurden folgende Punkte geplant. 1. Installation der Stromversorgung (230V, 400V) 2. EIB-Bus Installation 3. Daten und Telefonnetzwerk 4. Breitbank und Satellitenverteilung 5. Videoüberwachung Holzmann Florian Seite 7 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik 2.1. Intelligente Haustechnik 2.1.1. Die Elektroinstallation Siehe Pläne! Bei der Grobplandung der Elektroinstallation wurden Verteilerschränke für jede Etage des Hauses vorgesehen Vereinfachte Installation, höhere Übersichtlichkeit Alternativ dazu kann ein zentraler Verteilerschrank z.B.: im Keller oder Erdgeschoß vorgesehen werden kostengünstiger aber auch unübersichtlicher Wichtig ist die Drehstromanschlüsse (400V) für z.B. Sauna-Öfen, Elektroherd, Waschmaschine, … möglichst flexibel bereits in der Grobplanung vorzusehen. Weites sollte eine separate Notstromversorgung vorgesehen werden. Unter Umständen sollten auch getrennte Stromkreise für z.B. Computer, Multimediageräte und normale „Verbraucher“ (Lampen, Heizstrahler) vorgesehen werden. 2.1.2. EIB Installation Die Elektroinstallation und die EIB Installation können nicht getrennt geplant werden. Es gibt 4 grundsätzliche Möglichkeiten der EIB-Bus Installation. 1. Alle Bus-Aktoren werden an Ort und Stelle des Verbrauchers unterputz angebracht. 2. Unterbringung aller Buskomponenten in einem zentralen Schaltschrank im Keller. 3. Eine Mischform beider obiger Konzepte 4. Eine Kombination aus Bustechnik und klassischer Elektroinstallation Vorteile Konzept 1: Flexibel, übersichtliche Schaltschränke, einfache Umrüstung, geringe Installationskosten, hohe Ausfallsicherheit Nachteile: höhere Kosten, aufwendigere Inbetriebnahme, kompliziertere Fehlersuche, eventuell Probleme mit Leistung und Temperatur Vorteile Konzept 2: geringere Kosten durch zentrale Bus-Geräte, einfachere Inbetriebnahme und Fehlersuche Nachteil: wesentlich höherer Leitungsaufwand, großer Platzbedarf im Verteilerschrank Vorteile Konzept 3: Mischung aus Konzept 1 und 2 Nachteil: Unübersichtlichkeit Vorteil 4: Die EIB-Bustechnik wird nur dort eingesetzt, wo Komfort-Funktionen erwünscht sind. Außerdem werden für die Schaltschränke auch Mehrfachnutzungen vorgesehen für zusätzliche Netzwerke wie (z.B.: CAT6 Kabel und Batchpanel) TK-Netzwerk (Telefonzentrale und Leitungen) Haustürsteuerung, Satelliten und Breitbandanschluss. Holzmann Florian Seite 8 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik An die Elektroinstallation werden folgende Anforderungen gestellt: Bestmögliche Kombination mit den EIB-Bus System Integrierte Schutzfunktion gegen Blitzschlag und Überspannung. Notstromversorgung Wesentlich bei der Elektroinstallation ist eine gut durchdachte Leitungsführung, da die Anzahl der Leitungen wesentlich höher als bei der normalen Installation. Die Leitungsführung wurde soweit wie möglich in den Fußboden verlegt, indem die Verrohrung im Essstrich verlegt wurde. Verlegen in den Wänden ist bei großen Leitungsmengen nicht zweckmäßig, weil wenn man ein Bild aufhängen will etwas passieren könnte und dann von der Wand nicht mehr viel übrig bleiben würde. Problem bei der Elektroinstallation: Viele Energieversorgungsunternehmen (EVU) sehen Standardanschlüsse für Wohnhäuser vor (z.B. 3 * 25 Amper) die für „normal“ Hausinstallationen möglicherweise ausreichend sind, aber für ein Smart Home unter Umständen unterdimensioniert sind. Überschlägige Rechnung : U = 230V Pges = 3 * 25A * 230V = 17,2KW Saunaofen: 8k Waschmaschine: 2kW Trockner 3kW Ofen: 3KW Mikrowelle: 1,5kW Geschirrspüler: 3kW Licht: 6kW Summe: irgendwie 32kW 6 PCs mit je 300 W sonstiges 3KW so jetzt so ca. 37KW natürlich ist es unrealistisch anzunehmen, dass alle Geräte gleichzeitig in Betrieb sind. Allerdings ist eine Versorgung die weniger als 50 % aller Geräte abdeckt nicht korrekt. So jetzt Lösung: mehr Power Hausanschluss mit 3 * 35A Pges = 3 * 35A * 230V = 24,1 kW jo so 70% jetzt weil es realistische Abdeckung ist. Paranoide: Panikschaltung wird eingebaut Es wird, aus Gründen des Einbruchschutzes, zusätzlich eine Panikschaltung vorgesehen. Zusätzlich ist zu berücksichtigen, dass eine Panikschaltung die gesamte Haus- und Gartenbeleuchtung einschaltet. (Eventuell auch elektrischer Hund). Dabei ist mit einer Leistung von ca. 10 kW zu rechnen. Wichtig ist, dass bei solchen Panikschaltungen nicht alle Beleuchtungsgeräte gleichzeitig eingeschaltet werden, da sonst Aufgrund der Einschaltstromspitzen eine Überlastung des Netzes zu erwarten ist. Das heißt der EIB-Bus muss so Programmiert sein, dass im Panikfall eine einschaltreihenfolge abgearbeitet wird. Holzmann Florian Seite 9 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik 1. 2. 3. 4. 5. 6. Fragenkatalog zum Test Aufbau klassische Lichtinstallation und EIB Bus. Unterschiede Erklären EIB-Topologie EIB-Adressierung Konzept der EIB-Installation Leistungsabschätzung von einem Haus EIB und Datennetze 3. EIB und Datennetze Die derzeitige eingesetzten Netzstrukturen in der Hausautomation sind rein auf diese beschränkt und wiedersprechen den Ansatz einer Anwendungsneutralen Verkabelung. Es fehlen bei der EIB-Bus Verkabelung Möglichkeiten zur Übertragung „Breitbandiger“ Datenanwendungen wie z.B. Ethernet, Audio, Video oder Sprachübertragung (Voice over IP) Will man in einem Gebäude eine Integration der EIB-Technik (Licht- Heizung Technik usw.) in das Datennetzwerk so kann das derzeit nur über Koppelelemente umgesetzt werden. PC Drucker AP VoiP …. ETH IC1 EIB ^ 3.1. ! ? Das Telefonnetzwerk Derzeit stehen uns für die Telefonieinfrastruktur 3 Technologien zur Verfügung: 1. „Analoge“ Telefonie 2. ISDN „Digitales“ Telefonsystem mit Sonderfunktionalitäten und erweiterten Diensteumfang z.B. 2 Unabhängige Anschlüsse, garantierte Datenrate von 2* 54kBits/Sek. (B-Kanäle) 3. Voice over IP Telefonie mit integriertem Telefonserver z.B. Linux Server Asterisk und Softclients Ziel ist es, eine möglichst flexible Lösung hinsichtlich Verkabelung und Ortsunabhängigkeit für das Telefonsystem zu garantieren. In diesem Sinne ergibt sich daher folgende Reihenfolger der Flexibilität: 1. VoIP Telefonienetzwerk: hohe Flexibilität hinsichtlich Verkabelung und räumliche Umsetzung bis hin zur Wireless VoIP Telefonie Nachteil: Abhängigkeit von Netzauslastung und Netzqualität 2. ISDN Analgen: ISDN Anlagen erlauben durch Integration eines internen S0 Busses auch eine Bestehende strukturierte Verkabelung für die Telefonie zu nutzen. Problem: Glasfaser Telefonleitung N+ PC S0-Bus Telefon a/b Holzmann Florian … … „Adresse“ FAX Seite 10 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik Türsprecheinrichtung Alarmgeräte 3. Analoges Telefonsystem: Analoges Telefonsystem mit integrierter DECT Technologie. Einfache Technik mit begrenzter Flexibilität 3.2. ISDN Anschluss und Verkabelung analoger Anschluss a/b CAT 3 100Ω ISDN ISDN Durchwahl NT3A Telefonunternehmen User Die klassische ISDN Telefon Dose nutzt im Normalfall RJ45 Stecker, wobei nur die mittleren 4 Kontakte belegt sind. 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 6 … 3 4 5 6 … ETH ISDN Kable-Sharing sollte in diesem Zusammenhang unbedingt vermieden werden, da die Flexibilität der anwendungsneutralen Verkabelung dadurch wesentlich eingeschränkt wird. 3.3. Multimedia Verkabelung Multimedia Technik ermöglicht es den Zugriff auf Texte, Tonquellen, Bilder und Videos auf flexibler Weiße zu gestallten. Wobei der Content lauf unterschiedliche Weiße generiert wird (z.B. Homeserver für Texte und Bilder, Satellitenanlage für Videos, Rundfunkt als Audioquelle) Verkabelungstechnologien für Rundfunktempfangshaustechologie Aufgrund der hohen Bandbreite und der Störempfindlichkeit der Signale, müssen im allgemeinen getrennte Verkabelungssysteme für die Rundfunkempfangsanlage vorgesehen werden. Zum Einsatz kommen Koaxialleitungen mit 75 Ohm Technologie und eigener Verteilerinfrastruktur (z.B.: Multiswitches). Zukünftige Systeme werden Technologien der Netzwerktechnik (z.B. Video over IP) und Glasfaser Verteilung nutzen. Holzmann Florian Seite 11 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik Aufbau eines Satellitenverteilersystems Der LNB (Low Noise Block Converter) dient zur Umsetzung des Satellitensignals (ca. 10 GHZ) in einem Frequenzbereich, der für die Übertragung mittels Koaxialkabel besser geeignet ist (ca. 1GHZ). Das Empfangene Satellitensignal besteht aus 4 Teilsignalen: LH Low Horizontal Polarization HH High Horizontal LV Low Vertikal HV High Vertikal Die die Informationen für die analogen und digitalen Satelliten Programme enthalten. Ein QuadLNB stellt alle 4 Signaltypen zur Verfügung. Damit können im allgemeine über 4 Leitungen sogenannte Multiswitch versorgt werden, die wiederrum eine bestimmte Anzahl von Steckdosen ( 3 fach Steckdosen (Radio, Terrestrisch, Satellit)) angeschlossen haben können. zusätzlich zu den Satellitensignalen wird im Multiswitch auch das Terrestrische Signal eingespeist. Die Steckdose im Raum trennt die einzelne Signalarten wieder entsprechend auf. Bei zu großen Abständen zwischen LNB und Multiswitch können Inline-Verstärker eingebaut werden, diese müssen aber möglichst Holzmann Florian Seite 12 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik nahe am LNB sitzen. Sie diene nur dem Ausgleich der Kabeldämpfung und sind nur dann zu verwenden, wenn sie unbedingt notwendig sind ein schlechtes Empfangssignal am LNB kann auch durch einen Inline Verstärker nicht verbessert werden. 4. Grundlagen der Industriellen Kommunikationstechnik 4.1. Industrielle Kommunikation Mit industrieller Kommunikation wird, im Gegensatz zur Sprachkommunikation (Sprachdienst) zwischen Menschen, die Kommunikation zwischen Geräten der industriellen Automatisierungstechnik bezeichnet. Machine-Machine-Kommunikation Managementebene vertikale Kommunikation Automationsebene Feldebene horizontale Kommunikation Man unterscheidet in der Abbildung zwischen horizontaler Kommunikation innerhalb einer Schicht und vertikale Kommunikation zwischen den Ebenen. Für die Abwicklung der horizontalen und vertikalen Kommunikation kommen industrielle Kommunikationssysteme wie Feldbusse und Netze zum Einsatz. Feldbussysteme Hausautomation, Industrielleautomation, Netze, Datenkommunikation (Internet), Telefoniesysteme CAN Bussysteme 4.1.1. Feldbussysteme Feldbussysteme arbeiten in der Feldebene (Vorort, in der Anlage, im laufenden Prozess). Das Feldbussystem besteht aus Sensoren, Aktoren, Steuereinrichtungen die Feldgeräte. Typische Abläufe in Feldbussystemen sind: schalten ein/aus, stellen, melden, messen, zählen, … Busfähige Feldgeräte sind Microcontroller, die Bitinformationen in Form von Datentelegrammen über einen Feldbusse versenden oder empfangen. Feldbus bedeutet also physikalische Übertragung + Zugriffsverfahren. Ein Feldbus ist ein digitaler, serieller Datenbus für die Kommunikation zwischen Geräten der industriellen Automatisierungstechnik, Haustechnik, Leittechnik. Holzmann Florian Seite 13 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik Beispiele für Feldbussysteme Feldbusse Haupteinsatzgebiet CAN (Controller Area Network), Automobiltechnik LIN (Local Interconnect Network) Profilbus (Process Field Bus), Prozesse- und Fabrikautomation Interbus EIB/KNX (Europäischer Installationsbus), Gebäudeautomation LON (Local Operation Network), LCN (Local Control Network) SERCOS interface (Serial Realtime Communication System) Antriebstechnik In der Gebäudeautomation sind die Systeme EIB/KNX und LON und LCN die wichtigsten Bussysteme 4.1.2. Kommunikation über Netze Werden Informationen (z.B.: Visualisierung) an die Managementebene übermittelt. Dabei werden im Normalfall größere Datenmengen übertragen, die aber in längeren Zeiten aktualisiert werden. Die Kommunikation erfolgt dabei weitgehend über Netzte; meist Lokal Area Network. Ein Netz ist ein Zusammenschluss (über Leitungen oder Funk) von verschiedenen (autonomen) technischen Systemen (Rechner, Regelgerät, …), sodass die Kommunikation der einzelnen Systemen untereinander ermöglicht wird. Netze sind Zusammenschlüsse autonomer Netze. Die Kommunikation erfolgt nach Maßgabe bestimmter Regeln (Protokolle). Die mittels des ISO/OSI Referenzmodells strukturiert werden können. In der Gebäudeautomatisation spielt das von der American Society of heating refidication and aircondition ASHARE !!fehlerhaft!! entwickeltes Kommunikationsprotokoll BAGNET. Mit BAGNET können Geräte in der GBA untereinander Informationen austauschen. BAGNET unterstützt verschiedenste LAN-Technologien wie zum Beispiel MS/TP, LON, ARCNET und ETHERNET und auch Telefoneinwahl-Verbindungen. 4.1.3. Digitales Datenübertragungssystem Sender Quellencodierer Kanalcodierer Leitungscodierer Störeinfluss Senke Quellendecodierer Kanaldecodierer Kanla Quelle Kupferkabel Koaxialkabel Lichtwellenleiter Luft Leitungsdecodierer Empfänger Holzmann Florian Seite 14 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik Komponente Aufgabe Quellcodierer Entfernt con redundanten Datenbists der Quelle Quellendecodierer Hinzufügen der redudanten Datenbits der Quelle Kanalcodierer Hinzufügen von Bits zwecks Datensicherung, verbuden mit einer Redundanzerhöhung Kanaldecodierer Entfernen der Datensicherungsbits Leitungscodierer Umwandlung der Bitfolge in ein physikalisches Signal Leitungsdecodierer Umwandlung eines physikalischen Signals in eine Bitfolge a) Quellcodierung und Decodierung: Bei der Übertragung von Bits versucht man immer möglichst wenig Bits für eine bestimmte Information zu verwenden. Eine häufig eingesetzte Umkodierungsmethode ist die Shannon-Fano-Codierung. Bsp. Quelle liefert 4 Symbole (a, b, c, d) A: 0100|0001 B: 0100|0010 C: 0100|0011 D: 0100|0100 Wahrscheinlichkeit: A = 0,5 B = 0,125 C = 0,25 D = 0,125 Bei der Umkodierung geht man wie folgt vor. Sortieren nach Häufigkeit A B C D 0,5 0,25 0,125 0,125 Man teilt die Symbole in 2 Gruppen gleicher Auftretenswahrscheinlichkeit ein! A B C D 0,5 0,25 0,125 0,125 Ordne der linken Gruppe die „0“ und der rechten Gruppe die „1“ zu! A B C D 0,5 0,25 0,125 0,125 0 1 1 1 Wiederhohlen sie die Schritte 2 bis 3 so lange, bis jedes Symbol eindeutig umcodiert ist! A B C Holzmann Florian D Seite 15 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik 0,5 0,25 0,125 0,125 0 1 1 1 0 1 1 0 1 Den Symbolen A bis D sind nun folgende Codewörter zugeordnet: A:0 B: 110 C: 10 D:111 b) Kanalcodierung und Kanaldecodierung: Bei der Übertragung von Bits treten Fehler auf (z.B. es wird 1 gesendet und 0 empfangen). Es ist davon auszugehen, dass bei wiederholter Datenübertragung der Fehler nicht mehr auftritt. Die Aufgabe der Kanalcodierung ist es, die zu sendende Bitfolge so umzugestalten, dass eine möglichst sichere Datenübertragung erfolgen kann. Es gibt 2 Verfahren der Fehlerkorrektur: 1. Fehler die auf der Empfängerseite entdeckt werden und als Reaktion darauf die Datenübertraten wiederholt wird (gobackm) 2. Fehler die auf der Empfängerseite entdeckt werden und aufgrund der Redundanz auf der Empfängerkorrigiert werden (FEC – Forward Error Correktion) Um die Aufgabe der Fehlerkorrektur führen zu können muss zunächst eine Fehlererkennung in beiden Verfahren durchgeführt werden. Drei oft verwendete Verfahren der Kanalcodierung sind: - Paritätsprüfung - Kreuzparitätsprüfung - Cyclic Redundancy Check (CRC). Paritätsprüfung Bei der Paritätsprüfung wird der zur übertragenden Bitfolge ein Prüfbit das sogenannte Paritätsbit angehängt, dessen Wert so festgelegt, dass entweder die Gesammtbitfolge (Datenbit + Paritätsbit) eine gerade Anzahl von Einsen enthält gerade Parität (even parity) oder die Gesammtbitfolge eine ungerade Anzahl von Einsen enthält ungerade Parität (odd parity) Eigenschaften: ungerade Anzahl von Bitfehlern werden entdeckt gerade Anzahl von Bitfehlern werden nicht entdeckt eine Fehlerkorrektur ist nicht möglich, da nicht entschieden werden kann, welches Bit falsch ist nur Fehlererkennung und keine Fehlerkorrektur: Maßnahme bei Fehlererkennung: wiederhohlen der Datenübertragung Kreuzparitätsprüfung Holzmann Florian Seite 16 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik Bei der Kreuzparitätsprüfung wird die zur übertragenden Bitfolge in Bitgruppen unterteilt (z.B.: 8 Bits Gruppen). Eine derartige Bitgruppe wird auch Zeichen genannt. Diese werden in einer Datenmatrix angeordnet und Zeilen und Spaltenweise mit einem Paritätsbit gesichert. Beispiel: Die Bitfolge 10101110 01011101 11000000 01101000 soll übertragen und mit Kreuzparität gesichert werden 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 0 1 0 1 1 0 1 1 1 Aus den Bits der 4 Zeichen wird zunächst das Paritätsbit erzeugt. Hierbei wird entweder gerade oder ungerade Parität verwendet. Achtung: Die Parität errechnet sich aus den Datenbits und den Paritätsbit. Danach werden Zeile für Zeile die Paritätsbit aller Zeichen des Blocks gebildet. Übertragen wird: 10101110 1 010111101 1 11000000 0 01101000 1 0101110111 1 Eigenschaften: Ein Bitfehler können erkannt und korrigiert werden. Zwei und drei Bitfehler können erkannt werden. 4-Bit Fehler können nur erkannt werden, wenn sie nicht in den Ecken des Vierecks auftreten. Die übliche Maßnahme der Fehlerkorrektur ist die Wiederholung der Datenübertragung Die Kreuzparitätsprüfung kommt beim EIB-Bus zum Einsatz. Cyclic Redundancy Check (CRC) CRC wird bei vielen Feldbussystemen zur Fehlererkennung eingesetzt. Prinzip: Auf der Senderseite werden die Datenbits so durch Kontrollbits ergänzt, dass auf der Empfängerseite die Gesammtbitfolge ohne Rest durch die Prüfbitfolge teilbar ist, wenn kein Übertragungsfehler passiert wenn die Division Gesammtbitfolge / Prüfbitfolge ohne Rest ist Fehlerfrei Prinzip: Das zu übertragende Symbol ist 57. Eine mögliche Verfälschung der beiden Ziffern soll mit Hilfe der Prüf-Zahl 23 entdeckt werden. Vorgangsweise: Es wird eine Zahl x an 57 angehängt, sodass das Ergebnis durch 23 teilbar ist. Die gesuchte Ziffer x ist 5, da 575 durch 23 = 25 ohne Rest teilbar ist. Übertragen wird 575, wobei die ersten beiden Ziffern die Daten und die letzte Ziffer die Prüfsumme darstellt. Allerdings gibt es auch Verfälschungen die das Verfahren nicht erkennen kann. z.B.: 552 : 23 = 24 Holzmann Florian Seite 17 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik CRC im Binärsystem Gegeben: Die zu übertragenden Bitfolge und eine genormte Prüfbitfolge. z.B.: das CRC 16 Prüfpolynom 1 1000 0000 0000 0111. Daraus folgt: x16 + x15 + x2 + x1 + x0 = x16 + x15 + x2 + x + 1 Bsp.: Das zu übertragende Symbol ist 57 Übertragen wird nun dir Allerdings gibt es auch verfälschungen, die das Verfahren nicht erkennen kann. z.B.: Binäre Subtraktion(2-Komplement) 0–0=0 1–0=1 0–1=1 1–1=0 Beispiel für CRC Um den Aufwand für folgende Beispielrechnung zu senken wird eine (frei erfundene, sehr kurze) Prüfbitfolge verwendet. Die Prüfbitfolge : 10011 ^= x4+x+1 Datenbitfolge: 1101011011 1.Schritt: k Nullbits an die Datenbitfolge anhängen. k…..Grad des Prüfbits 1101011011|0000 k=4 ^= Grad des Prüfpolynoms 2.Schritt: Division der neuen Datenbitfolge durch die Prüfbitfolge. - 11010110110000 : 10011= 1100001010 10011 010011 10011 0000010110 - 00101 0010100 - 10011 001110 3.Schritt: Anhängen der Kontrollbitfolge an die Datenbitfolge anstelle der k Nullbits. 24 : 7 = Rest 3 3 Übertragen: 1101011011 1110 4.Schritt: Empfänger dividiert die Übertragene Bitfolge und nimmt bei einem Divisionsrest von 0 an, dass die Übertragung richtig war. Der Vorteil der Kanalcodierung mit CRC ist, dass die Wahrscheinlichkeit für eine nicht erkannte, Holzmann Florian Seite 18 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik fehlerhafte Datenbitfolge sehr gering ist. Die Leitungscodierung hat die Aufgabe, die symbolische Darstellung des Datenstroms (z.B.: 1010011…) in physikalisch übertragbare Symbole umzuwandeln. Dazu wird in der Regel ein Binäres Signal in 2 elementare „Signalelemente“ umgewandelt. Bei der Wahl der Signalelemente sind verschiedene Parameter zu berücksichtigen. Holzmann Florian Seite 19 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik Zu berücksichtigen: Taktrückgewinnung Bandbreite Gleichspannungsfreiheit des Signals u u UH T t UL T t Beim EIB-Bus wird ein, dem NRZ-Code verwandte Leitungscodierung verwendet. Manchester-Code Die „0“ wird dem Signalelement mit der steigenden Flanke in Intervallmitte zugeordnet. Die „1“ wird dem Signalelement mit der fallenden Flanke in Intervallmitte zugeordnet. Differential-Manchester-Code Die Zuordnung der Signalelemente zu den logischen Zuständen „0“ und „1“ ist nicht fest, sondern vom letzten Pegel des vorherigen Signalelements abhängig: Bei einer „1“ wird der letzte Pegel der vorangegangenen Signalelements Bei einer „0“ wird vom letzten Pegel des vorangegangenen Signalelements ausgewechselt. 5. Übertragungsmedien und KNX-Bussignale 5.1. Übertragungsmedien Twisted Pair (KNX.TP), Power Line (KNX.PL), Funk (KNX.RF), Ethernet (KNXnet/IP), Lichtwellenleiter[ABB06]. KNX.TP: KNX über Twisted Pair ist die häufigste und kostengünstigste Variante Als Kabel wird eingesetzt YCYM 2x2x0.8 Das Aderpaar dient zur Energieversorgung der Komponenten und wird gleichzeitig zur Datenübertragung verwendet. Das zweite Aderpaar ist als Reserve vorgesehen z.B.: zur Verstärkung der Energieversorgung. Die TP Leitung können auf oder unterputz in feuchten, trockenen und nassen Räumen verlegt werden. Für die Installationsbedingungen gelten die gleichen Vorschriften wie für Starkstromleitungen. KNX.PL (PowerLine) Vorteil: vorhandene Stromnetze werden zur Datenübertragung genutzt. Die Datensignale werden dazu der Sinusspannung des Netzes überlagert. Holzmann Florian Seite 20 3AHITS 2009/10 GBTK – Grundzüge der Bautechnik KNX.RF(RadioFrequenzy) Dabei werden die Bussignale über Funk übertragen eine zusätzliche Verkabelung ist daher nicht notwendig. KNXnet/IP Wird zur Einbindung EIB/KNX Anlagen in TCP/IP Netze eingesetzt. Hauptanwendung: Zentrale Bedien- und Beobachtungsstationen Lichtwellenleiter: Lichtwellenleiter werden genutzt wenn große Entfernungen oder zur Vermeidung von Blitz- und Überspannungsproblemen bei gebäudeüberschreitender Leitungsverlegung 5.2. KNX-Bussignale Am Beispiel von KNX.TP 0,25V <= uA, uB <= 5V und uL = 1,7 * uA <= 5V Die Bitinformation bei KNX.TP wird in ein Spannungssignal umgeformt. Die Bausteine werden als Transceiver bezeichnet. TP-UART-IC Das Signal wird als Differnzspannung zwischen der roten Ader (A Leitung) und der schwarzen Ader (B Leitung) übertragen. Vom Empfänger ausgewertet wird die Potentialdifferenz. Datenübertragungsrate bei KNX.TP: Die Gesamtbitdauer beträgt 105 µs. Daraus errechnet sich die Bitrate uB = 1/TB = 1/105µs = 9,6 kbit/s Kommunikationsablauf Holzmann Florian Seite 21 3AHITS 2009/10
