BACnet. Kommunikationsstandard für Gebäudeautomatisierungssysteme

INHALTSVERZEICHNIS

1. EINLEITUNG
1.1 Problemstellung und Motivation
1.1.1 Einsatzbereiche von BACnet
1.1.2 Interoperabilität
1.2 Aktuelle Situation
1.2.1 Anbieter und System-Offenheit
1.2.2 Normierung und Standardisierung

2. REALISIERUNG DES BACNET-STANDARDS
2.1 Spezifikation des Standards
2.1.1 Physikalische Übertragungsmedien
2.1.2 Netzwerkaufbau
2.1.3 Darstellung von Daten auf BACnet
2.1.4 Die BACnet Device-Profile
2.1.5 Sicherstellung der Konformität
2.2 Hersteller von BACnet-konformen Geräten

3. MARKT UND WEITERENTWICKLUNG
3.1 Marktsituation
3.2 Zukunftsaussichten

4. SCHLUSSBEMERKUNG

ANHANGIERGÄNZENDE INFORMATIONEN

Abbildungsverzeichnis.

Tabellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

1. EINLEITUNG

Im ersten Kapitel wird die Problemstellung zum Arbeitsthema erläutert und die Motivation zur Problemlösung beschrieben. In den Unterkapiteln wird die die Technologie BACnet (siehe Logo in Abbildung 1-1) beschrieben und ein grundsätzlicher Aufbau des Kommunikationsstandards durch Klärung von einschlägigen Begrifflichkeiten und Erläuterung von Normierungen näher gebracht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-1: BACnet Logo [BIG07]

1.1 Problemstellung und Motivation

Die Vielfalt an Herstellern und das daraus folgende Überangebot an porpritären Kommunikationsprotoko len in der Gebäudeautomatisierung stellt die Anforderung an neue Steuerungs- und Regelungseinheiten. Geräte die in diesem Einsatzbereich in Anwendung kommen, sollen eine einheitliche Kommunikationstechnik in den Vordergrund zu stellen.

Die Anforderung an eingesetzte Geräte die diesen Kommunikationsstandard verwenden ist, unbeachtet der Herstellungsherkunft, in Systeme anderer haustechnischer Gewerke und in Systeme von Drittherstellen vollständig integriert werden zu können. Diese Integrationen sind nicht fähig ohne standardisierte Kommunikationsprotoko le diese Anforderungen vollständig zu erfüllen. Im Gegensatz zu einer offenen Struktur sind Anbindungen zwischen Systemen nur sehr aufwendig mit Schnittstellen und teilweise enormen Dienstleistungsaufwand realisierbar, verschiedenste Systeme sind untereinander bis zum heutigen Zeitpunkt (Bezugszeitpunkt Oktober 2007) überhaupt nicht kompatibel.

Die Motivation ein offenes Kommunikationsprotokoll im bestehenden Markt zu etablieren verschafft allen Partnern im Geschäftsfeld Vorteile. Ein Vorteil für den Endnutzer ist es, nicht an ein und dasselbe System gebunden zu sein und auch unabhängige elektronische Gebäudeausrüstungssysteme (wie z.B. Medientechnik, Liststeuerungen, usw.) über ein und dieselbe Leitstation organisieren und bedienen zu können. Für Anbieter mit offenem Bus-Standard ist einen Wettbewerbsvorteil gegenüber Firmen, die dieses Service nicht anbieten die Möglichkeit zwischen Systemen von Zweit- oder Drittherstellern bidirektionalen Datentransfer herstellen zu können ohne an die Anwesenheit oder Kostenaufwand der zu integrierenden Firma angewiesen zu sein. Dies sind nur die wichtigsten Vorteile gegenüber firmenspezifischen Lösungen, es würde sich noch eine große Anzahl an anderen Vorteilen ergeben, die hier jedoch nicht aufgelistet werden.

Durch die Einführung von BACnet und die voranschreitende Durchdringung des Marktes ist ein entfernteres Ziel, nämlich die Schaffung einer offenen Entwicklungsplattform (vergleichbar mit Linux), greifbar geworden.

1.1.1 Einsatzbereiche von BACnet

BACnet wird vorrangig in der so genannten Gebäudeautomation eingesetzt und auch speziell für diese entwickelt. Unter Gebäudeautomatisierung versteht man alle Hardware und Software zur Steuerung, Regelung, Überwachung, Optimierung, Bedienung und Management von technischer Gebäudeausrüstung. Dies geschieht unter dem Augenmerk, dass Gebäudeautomatisierungssysteme durch Einsatz von entsprechenden Dienstleistungen effizienten, sicheren, ökonomisch und ökologisch sinnvollen Betrieb gewährleisten müssen(vgl. [Kra06]).

Unter Technischer Gebäudeausrüstung im Bezug auf den vorher genannten Einsatzbereich von BACnet sind folgende Teilsysteme in Gebäuden festgelegt:

- Elektrotechnik
- Lüftung und Klimatisierung
- Kälte- und Wärmeerzeugung und -verteilung
- Sanitär, Kalt- und Warmwasser
- Förderanlagen bzw. Transportanlagen
- Tür- und Torantriebssysteme
- Kommunikationssysteme
- Allgemeine Technische Einrichtungen (Reinräume, Werkstatt, usw.)
- Gefahrenmeldetechnik
- Zutrittskontrolle
- Mess-, Steuer- und Regelungstechnik für Gebäudeautomation

Durch BACnet werden diese unterschiedlichen Gewerke mit der Möglichkeit zur übergreifenden Integration in Gebäudeleittechniksystemen versehen.

BACnet ist Standard in der Management-, Automatisierungs- und Feldebene und kann daher durch Einsatz von unterschiedlichen, genormten Kommunikationsmedien (wie in Abbildung 2-1 feststellbar) in der kompletten Systemhierarchie eingesetzt werden. Durch den Einsatz der verschiedenen Medien können auch die in den jeweiligen Bereichen erforderlichen Datenübertragungsraten variiert werden.

1.1.2 Interoperabilität

Um BACnet definieren zu können ist es wichtig oft verwendete Begriffe zur Koppelung von verschiedenen Netzwerksystemen voneinander abzugrenzen. Der Begriff Interoperabilität ist für den BACnet-Standard, neben anderen Definitionen, das bedeutendste Vokabel um zwischen offenen und nicht- bzw. halboffenen Systemen unterscheiden zu können.

In der Fachliteratur und in Beschreibungen von Systemen sind die nachfolgenden Begriffe am häufigsten verwendet, jedoch ist die Bedeutung sehr unterschiedlich. Die Tabelle 1-1 soll die Unterschiede zwischen den einzelnen Wortbedeutungen hervorheben.

Tabelle 1-1: Begriffsunterscheidung Interoperabilität

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus der oben ersichtlichen Tabelle geht hervor, dass der Begriff der Interoperabilität den BACnet-Standard zugeschrieben wird und nicht mit den anderen Beschreibungen zu verwechseln ist. Die Interoperabilität ist vor der Erfindung von BACnet in der Gebäudetechnik in keiner vergleichbaren Form da gewesen. Daher ist die Interoperabilität auch so wichtig um ein offen zugängliches Kommunikationsprotokoll zu beschreiben.

Die Interoperabilität wird in der Gebäudeautomatisierung auf Datenpunkte angewendet. Der Datenpunkt ist der älteste und auch wichtigste Fachbegriff in der Gebäudetechnik. Der Begriff steht für eine Ein- oder Ausgabefunk tion bestehend aus allen zugeordneten Funktionen und Informationen, die seine Bedeutung vollumfänglich beschreiben. Es gibt physikalische und virtuelle Datenpunkte. Ein physikalischer Datenpunkt ist die Hardwaremäßige Verbindung der Anlage mit dem Prozessautomatisierungssystem, wie zum Beispiel ein Fühler, der auf einer Analogeingabebaugruppe einer DDC-Steuerung angeschlossen ist. Ein virtueller Datenpunkt beschreibt das Ergebnis oder die Information über eine Rechen- oder Logikfunktion oder ist ein Bezug auf einen physikalischen Datenpunkt innerhalb eines Systemverbunds.

Im BACnet-Standard ist der Datenpunkt als BACnet-Kommunikationsobjekt vorhanden, der nachkommend in diesem Dokument interpretiert wird. Dieses Kommunikationsobjekt stellt einen Satz von eindeutig festgelegten und strukturierten Datenelementen, auch genannt Properties, im Kontext Gebäudeautomatisierung dar.

Properties werden in drei Klassen geteilt um alle erforderlichen Funktionen der Gebäudeautomatisierung realisieren zu können. Die erste Klasse, die normativ verbindlichen Properties, beschreibt die verbindlich von der Norm vorgeschriebenen eindeutigen Datenelementen, die unbedingt in jedem zertifizierten Gerät vorhanden sein müssen. Die zweite Klasse, die normativ optionalen Properties, werden ebenso durch die Norm festgelegt, sind jedoch nicht verbindlich in zertifizierten Geräten zu integrieren. Die dritte Klasse, die herstellerspezifischen Datenelemente, erlauben es den Herstellern spezielle Funktionen und Zusatzdienste anzubieten, diese sind meist Profile, die als freie Datentypen ausgeführt werden.

Weiters erfüllt der BACnet Standard erstmalig in der Gebäudeautomatisierung durch die Einhaltung der Kriterien für offene Systeme lt. DIN ISO/IEC 2382- 26:1993 die Kriterien für eine echte offne Kommunikation. Die Kriterien lauten:

- Interoperabilität von Systemen und Anwendungen
- Portabilität von Anwendungen
- Einheitliche Oberfläche (auch Oberflächenkonsistenz)

Diese Kriterien sind durch die oben genannte Form gezwungen Dienste, Formate und Schnittstellen so zu implementieren, dass diese öffentlich und mit internationalen Normen vereinbar sind sodass diese durch e]inen offenen Konsens weiterentwickelt werden können. Die Implementierung der Interoperabilität und der Portabilität wird im Kapitel 2 näher erläutert (vgl. [ISO93]).

Im Zusammenhang mit der Interoperabilität von BACnet-Geräten häuft sich auch der Ausdruck native BACnet, der beschreibt das ein Gerät „native“ (engl. Angeboren, gebürtig) sozusagen die „Sprache“ BACnet als Muttersprache spricht. In der Informatik spricht man auch von einem „native code“. Eine Festlegung über diesen Begriff ist jedoch bis zum Jahr 2005 in einer Norm noch nicht vorhanden und muß anhand von prüfbaren Kriterien (z.B. PICS und BIBBs, siehe Kapitel 2.1.5) vom jeweiligen Anbieter dokumentiert werden.

1.2 Aktuelle Situation

Dieser Abschnitt verfolgt das Ziel den derzeitigen Stand in dem Bereich des vor beschriebenen Kommunikationsstandards darzulegen. Es wird darauf eingegangen welche Standardisierungen es zum derzeitigen Zeitpunkt, Oktober 2007, gibt und welche Normen diesen zu Grunde liegen.

1.2.1 Anbieter und System-Offenheit

Unter den, im Kapitel 1.1 Problemstellung und Motivation beschriebenen Voraussetzung zur Einhaltung der Interoperabilität und den nachfolgend beschriebenen Normierungen sind weltweit und gewerbeübergreifend 215 Anbieter vorhanden. Diese Hersteller stellen den offenen Datentransferstandard BACnet gemäß den nachfolgend genannten Prüfkriterien zur Verfügung.

Betrachtet man den gesamten Kreis der Anbieter, die BACnet als Kommunikationsmedium zur Verfügung stellen oder anpreisen, sind diese ein Vielfaches von den oben genannten 215. Diese Manufakturen unterscheiden sich jedoch dadurch, dass diese die Einhaltung der Bedingungen zur uneingeschränkten Interoperabilität nicht erfüllen und nach wie vor nicht den Standard für das so genannte native BACnet nicht vollendend ausfüllen. Um diesen Standard sicherstellen zu können benötigen die Geräte ein Prüfzertifikat der BIG (siehe 2.1.5).

1.2.2 Normierung und Standardisierung

Die Entwicklung vom BACnet-Standard wurde im Juni 1987 von der ANSI gestartet und durch Bildung von internationalen Arbeitsgruppen zur Entwicklung der Standardisierung eine Einigung getroffen. BACnet wurde aufgrund der erarbeiteten Anforderungen durch ANSI als amerikanischer Standard in den ASHRAE/ANSI 135-1995 im Jahr 1995 als Standard auf Managementebene im US-amerikanischen Markt integriert. Die Normierung CEN als ENV 1805-1 (und als ENV 13321-1) wurde im europäischen Einsatzgebiet folgen dem US- amerikanischen Markt im Frühjahr 1998. Bis zum Jahr 2000 wird der BACnet- Standard um unzählige Funktionen bis zur Feldebene in den Normen erweitert und in die DIN EN ISO 16484-5 übernommen.

Durch die Übernahme des Standards in die Weltnorm entstehen in allen Kontinenten Plattformen und Interessensgruppen die den Standard weiterentwickeln. Die Erweiterungen des Standards werden durch Änderungsblätter in den entsprechenden Normen (bei der ASHRAE/ANSI sind dies Addendums) erweitert und müssen in bereits zertifizierte Geräte implementiert werden.

2. REALISIERUNG DES BACNET-STANDARDS

Die nachfolgenden Unterkapitel befassen sich mit der technischen Realisierung des Standards. Zunächst werden die bereits vorher beschriebenen oberflächlichen Abgrenzungen des Standards anhand des OSI-Modells konkretisiert und der physikalische Netzwerkaufbau aufzeigt. Ein BACnet-Kommunikationsobjekt ist in diesem Teilabschnitt an Han eines Fallbeispieles „Device“ dargestellt um die Funktionsweise des Datenaustausches verständlich zu machen. Zuletzt ist die technische Sicherstellung der Offenheit des Systems beschrieben.

2.1 Spezifikation des Standards

Die BIG-EU bezeichnet den BACnet-Standard wie folgt:

„BACnet ist ein Kommunikations-Protokoll für Building Automation und Control Networks. Es ist für die Management- und die Automationsebene gleichermaßen geeignet, insbesondere für HLK, Lichtsteuerung, Sicherheit und Brandmeldetechnik. BACnet wurde von ASHRAE gemeinsam mit Endkunden und Planern erarbeitet und ist als ANSI-und CEN-Standard anerkannt. Die Protokoll- Architektur basiert auf vier Schichten des OSI-Modells: …“ [BIG07]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-1: OSI-Modell des BACnet-Standards [BIG07]

Wie in der Abbildung 2-1 kann erkenntlich geschieht bereits auf der Bitübertragungsschicht eine Vorgabe, die festlegt dass nur fünf verschiedene Medien zur Übertragung verwendet werden dürfen. Die in der Abbildung weiß hinterlegten Kommunikationsmedien werden mehrheitlich in der industriellen Fertigung verwendet und selten in der Gebäudeautomatisierung eingesetzt.

2.1.1 Physikalische Übertragungsmedien

Bezug nehmend auf die Abbildung 2-1 dürfen folgende Übertragungsmedien vom Protokoll BACnet verwendet werden:

2.1.1.1 ARCNET

Das Attached Resources Computer Network wird hauptsächlich als Feldbus für lokale Netzwerke in Industriellen Fertigungsbetrieben verwendet. Die Überbrückung von größeren Distanzen ist mittels Lichtwellenleiter möglich. Die ACRNET-Technik ist vorwiegend im amerikanischen Raum vorhanden.

Erfinder, Jahr: Datapoint, 1976

Standard: ATA/ANSI 878.1

Nachrichtenlänge: 501 Bytes

Physikalische Übertragung: 10Base2-Ethernet

Mögliche Medien: Koax, CAT, LWL, Funk Standardisierte Steckverbindungen: RJ-45, SC, ST, LC, E2000 Topologie: Bus, Stern, Baum

Zugriffsverfahren: Token Passing/Handshake

Übertragungsrate: 156 kbit/s - 7,5 Mbit/s

2.1.1.2 Ethernet

Ethernet ist ein Bussystem das sehr verbreitet in Gebäuden ist und universell für Datenübertragung jeglicher Art verwendet wird. Ethernet kann sowohl kleiner Distanzen via Kupfer als auch große Distanzen via Lichtwellenleiter bewältigen. Ein weiteres Merkmal ist die große Datenrate und die internationale Legitimität.

Erfinder, Jahr: Xerox Palo Alto Research Center, 1973

Standard: ISO/IEC 8802-3

Nachrichtenlänge: 1497 Bytes

Physikalische Übertragung: 10/100/1000Base-T-Ethernet Mögliche Medien: Koax, CAT, LWL, Funk Standardisierte Steckverbindungen: RJ-45, SC, ST, LC, E2000 Topologie: Bus, Stern, Baum Zugriffsverfahren: CSMA/CD Übertragungsrate: 10 Mbit/s bis 100 Mbit/s

[...]