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Steuerungstechnik | Elektrotechnik

Kommunikation via BACnet - Teil 1: Einführung in das international genormte GA-Protokoll

ep6/2006, 4 Seiten

Während für Fertigungs-, Prozess- und Hausautomation viele verschiedene Protokolle in die Normung aufgenommen wurden, einigte sich die Gebäudeautomations-Branche mit BACnet weltweit auf ein Protokoll im Rahmen der Weltnorm DIN EN ISO 16484. Das bedeutet Investitionssicherheit für Bauherren und Rationalisierung für Beteiligte am Bau. Der zweiteilige Beitrag umreißt die Vorzüge der Gebäudeautomation mittels des BACnet-Standards.


Elektropraktiker, Berlin 60 (2006) 6 468 FÜR DIE PRAXIS Gebäudeautomation Umfeld der Gebäudeautomation Gebäudeautomation (GA) unterscheidet sich von Hausautomation (Home Automation) und industrieller Automation durch ihren spezifischen Anwendungsbereich der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) und insbesondere durch das zugeordnete Datenkommunikationsprotokoll BACnet. Der BACnet-Standard als anwendungsorientiertes Protokoll ist offen für jede am Bau bewährte und künftige Technik. Selbstverständlich gibt es weiterhin auch spezielle Protokolle für besondere Anwendungen, die in die GA integriert werden. Hierzu gehören das Bussystem KNX/EIB für die Gebäudesystemtechnik (GST), LON für die komplexere Raumautomation (RA), M-Bus (Metering-Bus) für Heizkostenverteiler- und Zählwerterfassungssysteme oder PROFIBUS bzw. MODBUS für SPS-orientierte Subsysteme. Vor einer näheren Betrachung von BACnet, dem genormten GA-Netzwerk sowie dessen Charakteristiken, Merkmalen, Eigenschaften und Besonderheiten, ist es wichtig, die eigentliche Anwendung, die GA und deren Umfeld zu verstehen. Schließlich ist Gebäudeautomation kein Selbstzweck, sondern sorgt dafür, dass die gebäudetechnischen Einrichtungen funktionieren (Kasten). Systemintegration Wirtschaftliche Integrationslösungen beginnen bereits mit der Planungsphase, in der die Weichen für Kompatibilität und Interoperabilität gestellt werden. In der Planung besteht ein großer Bedarf an Standardfunktionen, aus denen projektspezifische Lösungen kombiniert werden können und auf deren Basis eine Weiterentwicklung beruhen kann. Genormte GA-Funktionen helfen dabei, die Kommunikation zwischen allen beteiligten Planungs- und Ausführungspartnern effizienter und kostengünstiger zu gestalten (GA-Funktionsliste nach VDI 3 814-Standard). Genormte Standardobjekte z. B. für die Datenkommunikation sind die wichtigste Komponente, um Produkte an ihren Schnittstellen so zu beschreiben, dass diese auch interoperabel miteinander funktionieren können (Bild ). Die internationale Beleuchtungs-, Gefahrenmelde-, Zutrittskontroll- und Videotechnik sowie die allgemeine Stromversorgung orientieren sich bereits an BACnet und entwickeln gemeinsam mit den BACnet-Experten entsprechende Regeln für Interoperabilität. 2.1 GA-Funktionen Die GA-Funktionen der internationalen Norm DIN EN ISO 16484-3 wurden ursprünglich als Leistungsverzeichnis-Positionen vom Arbeitskreis 070 des GAEB (Gemeinsamer Ausschuß Elektronik im Bauwesen) für das Standardleistungsbuch entwickelt und spezifiziert. Der VDI hat diese Funktionen in sein Richtlinienwerk VDI 3814 übernommen. Sie gliedern Kommunikation via BACnet Teil 1: Einführung in das international genormte GA-Protokoll Hans R. Kranz, Forst Während für Fertigungs-, Prozess- und Hausautomation viele verschiedene Protokolle in die Normung aufgenommen wurden, einigte sich die Gebäudeautomations-Branche mit BACnet weltweit auf ein Protokoll im Rahmen der Weltnorm DIN EN ISO 16484. Das bedeutet Investitionssicherheit für Bauherren und Rationalisierung für Beteiligte am Bau. Der zweiteilige Beitrag umreißt die Vorzüge der Gebäudeautomation mittels des BACnet-Standards. Autor Dipl.-Ing. Hans R. Kranz engagiert sich in vielen Ehrenämtern, u. a. bei DIN und VDI, ist Fachbuchautor, Honorardozent und Inhaber der HAK-Ingenieurberatung, Forst. Einsatzzentrale Gebäudemanagement Informationsebene Aktionsebene Meldung und Bedienung GMA Meldungen · Brand · Überfall · Einbruch · Sabotage · Zutrittskontrolle · Technik · Alarmierung · Löschanlage · Fluchtweg · Aufzüge · Videotechnik · Zutrittskontrolle · Brandschutzklappen · Entrauchung · Intercom · Telefon · Allgemein- und Notbeleuchtung · Elektroanlagen · Abwasser · Fördertechnik · Küchentechnik · Sondertechnik · Brandschutzklappen · Heizanlagen · Kälteanlagen · Klimaanlagen · Einzelraumregelung · Trinkwarmwasser GMA Steuerung allgemeine Steuerung Meldungen MSR Gefahrenmeldeanlage Alarmorganisation Gebäudeautomationsanlagen Automation und Bedienung Meldung und Bedienung Übersicht zur Systemintegration Quelle: HAK Gebäudeautomation Gebäudeautomation (GA) sorgt gemeinsam mit ihren Betreibern nahezu unsichtbar für den sicheren, ökologischen, ökonomischen und damit aufwandsarmen Betrieb eines Gebäudes und dessen technischer Anlagen. Eine effiziente Betriebsführung ist ohne gewerkeübergreifende GA nicht mehr denkbar, da die Gebäudetechnik dann weder beherrschbar noch optimierbar wäre. Die GA verfügt über die nötigen Daten für Energie- und Betriebskosten-Controlling, wie auch für die Dokumentation eines Öko-Audit-Systems. Sie dient als Werkzeug für Managementaufgaben wie Analyse, Anpassung und laufende Verbesserung der Betriebsweisen oder zur Umgehung technischer Störungen. Wenn ein Gebäudeleit-, Gebäudemanagement-oder ein Gebäude-Energiemanagementsystem die Anforderungen der DIN EN ISO 16484 erfüllt, darf es als Gebäudeautomationssystem bezeichnet werden. Gebäudeautomationssysteme, kurz GA-Systeme (Building- Automation and Control Systems - BACS), sind vernetzte, mikroprozessorbasierte Einrichtungen, die auch DDC (Direct Digital Control) genannt werden. Zur Systemkommunikation dient dabei ein GA-Netzwerk (Building- Automation and Control Network - BACnet). Ein GA-System führt zuverlässig HLK-Regelstrategien aus. Es dient zur Betriebszeitoptimierung, Höchstlastbegrenzung sowie Enthalpie-und Heizkennlinienberechnung und informiert Betreiber über Trends sowie aktuelle und zurückliegende Betriebszustände. Zudem sind im GA-System instandhaltungsrelevante Daten der technischen Anlagen und entsprechende Statistiken verfügbar. EP-0606-468-471 15.05.2006 14:50 Uhr Seite 468 sich in Ein-/Ausgabe-, Verarbeitungs-, Bedien-und Managementfunktionen. Dokumentiert werden sie in der GA-Funktionsliste (GA-FL) - früher bekannt als Informations- oder Datenpunktliste (Bild ). Ihre Handhabung ist sowohl in der Weltnorm als auch in der VDI-Richtlinie beschrieben. Die Anzahl der einzelnen Informationen je Datenpunkt wird durch die Angabe der zu übertragenden und darzustellenden BACnet-Objekt-Properties (Objekteigenschaften) bestimmt, welche sich aus den erforderlichen GA-Funktionen ergeben. Die Objekt-Properties enthalten die erforderlichen Daten und Informationen für eine Interpretation des Kommunikations-Objekts . Der Begriff Datenpunkt ist für die GA in DIN EN ISO 16484-2 definiert. Mit der GA-Funktionsliste legen Planer die Informationsinhalte eines Datenpunkts fest. 2.2 Offene Kommunikation Häufig wird heute von offener Kommunikation gesprochen. Jedoch zeigt die Erfahrung , dass die Festlegung auf eine Kommunikationsmethode (z. B. auf ein Busprotokoll) für ein sinnvolles Zusammenwirken zwar notwendig, aber nicht hinreichend ist. Im realen GA-Projekt müssen die jeweiligen Funktionen der unterschiedlichen Produkte, Systeme und Anlagen aufeinander abgestimmt werden. Dabei führen andere Varianten als das genormte Kommunikationsprotokoll BACnet grundsätzlich zu einem Verlust an „Offenheit“. Dies gilt wohlgemerkt für die heterogene GA mit frei programmierbaren DDC-Einrichtungen - dagegen werden Produkte z. B. bei der Gebäudesystemtechnik mit KNX/EIB in ein homogenes System integriert. Auch im Bereich der GA wird maximale Funktionalität und Durchgängigkeit zwischen den verschiedenen System-Ebenen auf absehbare Zeit nur in homogenen Systemen namhafter Hersteller erreicht. „Plugand-Play“ bleibt bei GA-Systemen unterschiedlicher Hersteller auch mit genormtem Protokoll eine Utopie. Die so genannten heterogenen GA-Projekte verlangen eine klare, eindeutige vertragliche Festlegung der Liefergrenzen sowie der Koordinations-, Funktions- und Gewährleistungsverantwortung. Meist haben die Kommunikationspartner keinen Vertrag untereinander, sondern jeweils mit dem Bauherrn. BACnet-Standard BACnet ist die Bezeichnung für das einzige genormte Datenkommunikationsprotokoll speziell für die Gebäudeautomation, das der Interoperabilität unterschiedlicher Systeme dient (Kasten). Seine Entstehung verdankt es der unerschütterlichen, visionären Arbeit einer Elektropraktiker, Berlin 60 (2006) 6 469 Gebäudeautomation FÜR DIE PRAXIS Interoperabilität Als Interoperabilität wird die Fähigkeit von GA-Systemen bezeichnet, mit anderen Systemen beliebiger Hersteller systemübergreifend zusammen zu arbeiten. Mehrere unterschiedliche, zusammenwirkende Systeme werden auch integrierte Systeme genannt. Die Integration erfolgt durch die Verwendung von gemeinsamen Datenpunkten und aufeinander abgestimmten Funktionen sowie durch den Einsatz des geeigneten genormten Kommunikationsprotokolls an den Schnittstellen. Warnung: Es wird dringend davon abgeraten, die Funktionsüberschriften der GA-Funktionsliste selbst zu interpretieren. Grundsätzlich gilt hierfür der Wortlaut der offiziellen Erklärung in DIN EN ISO 16 484-3:2005 - oder der GA-Funktionen in VDI 3814-1:2005. EP-0606-468-471 15.05.2006 14:50 Uhr Seite 469 heterogenen Expertengruppe, bestehend aus Ingenieuren. BACnet steht für Building Automation and Control Network und ist die Wortmarke der ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.), einem US-amerikanischen Ingenieurverein für die Technische Gebäudeausrüstung (TGA), vergleichbar mit VDI-TGA. Das Protokoll beschreibt Datensätze zur Übertragung von kodierten Daten binärer, analoger und alphanumerischer Art. Dazu gehören neben der Festlegung eines Adressierungssystems und des Zeichensatzes noch weitere Spezifikationen, wie z. B. das physikalische Medium, die Datenübertragungsgeschwindigkeit, das Datenübertragungverfahren und die Schutzmechanismen. BACnet wurde unabhängig von einer Datenübertragungshardware spezifiziert. Dadurch unterscheidet es sich grundsätzlich von allen anderen ebenfalls genormten Kommunikationsprotokollen und Bussystemen - jeder Hersteller von Automationstechnik und Bedieneinrichtungen kann es lizenzfrei anwenden. Alle diese Konventionen sind unter dem Begriff Protokoll im Teil 5 der DIN EN ISO 16 484 zusammengefasst, für den auch häufig die Bezeichnung BACnet-Standard gebraucht wird. Andere Teile der Normenreihe umfassen z. B. die GA-System-Hardware (Teil 2) und genormte GA-Funktionen (Teil 3). Die GA-Funktionen werden auch als VDI 3 814-Standard bezeichnet, da sie für die Projektspezifikation eine gleichwertige Bedeutung mit dieser Kommunikationsnorm haben. BACnet ist kein Gerät oder System, sondern eine Vorgabe für Produktentwickler in Form einer ISO-Weltnorm, die über 600 Seiten umfasst. Mit ihrer Hilfe lassen sich GA-Systeme entwickeln, die BACnet-konform sind. Somit stehen einer kostengünstigen und hochfunktionalen Systemintegration heute nur noch mangelndes Know-how und gewisse Standpunkte der Marktpolitik im Wege. 3.1 Bezugsquellen für den Standard Der aktuelle BACnet-Standard: 2005 (V1.4) ist noch immer die erste Version in der vierten Revision. Das bedeutet, dass keine Änderungen, sondern nur aufwärtskompatible Ergänzungen erfolgt sind. Die günstigste Methode, ihn als ASHRAE-Mitglied zu erwerben, ist der Download des PDF-Dokuments Nr. D86447 zum Preis von 95 US-Dollar von der ASHRAE-Website unter der Rubrik Standards [2] (Bild ). Als Buch gibt es den Original BACnet-Standard 135-2004 für 129,- Euro. Darüber hinaus ist auch das erste deutsche Fachbuch „BACnet Gebäudeautomation 1.4“ erhältlich. Ergänzend stellt die BACnet Interest Group Europe e.V. (BIG-EU) auf ihre Website unter [3] auch einige unterstützende Dokumente zum Herunterladen bereit. Eines dieser Dokumente trägt den Titel „VDI-TGA/BIG-EU Leitfaden Ausschreibung interoperabler Gebäudeautomation auf Basis von DIN EN ISO 16 484-5, Systeme der Gebäudeautomation - Datenkommunikationsprotokoll (BACnet)“, ein weiteres „Handbuch Implementierung von BACnet-Systemen“. Weiterhin hat die BIG-EU auch ein einheitliches Tabellenkalkulations-Formular für den Datenaustausch zwischen den beteiligten Firmen geschaffen, den Muster-Formularsatz EDE-Templates (Engineering Data Exchange-EDE). Dieses Datenblatt hilft Ingenieuren bei der Erstellung der GA-System-Datenbasis. 3.2 Einbindung von KNX/EIB Das ASHRAE-Team hat von Beginn an auch interessierte Europäer mit einbezogen. Ein Ergebnis der Zusammenarbeit ist zum Beispiel die Aufnahme von KNX/EIB als normativen Bestandteil von BACnet (Kapitel H.5 Using BACnet with EIB/KNX) (Bild ). KNX-Informationen für BACnet-Objekte können aus dem ETS (Engineering Tool Software) gelesen werden. Ziel der Einbeziehung von KNX/EIB in BACnet ist die umfassende und reibungslose Integration der Gebäudesystemtechnik in die Gebäudeautomation und Vereinfachung der Ingenieursarbeit (Engineering). VDI-TGA (Verein Deutscher Ingenieure - Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung) ist eine Schwesterorganisation der ASHRAE und unterstützt BACnet durch die Beteiligung Elektropraktiker, Berlin 60 (2006) 6 470 FÜR DIE PRAXIS Gebäudeautomation Datenpunktliste GA-Funktionsliste zur Massen-Ermittlung (der Anzahl an Funktionen) Gebäudeautomations-Funktionsliste (aus DIN EN ISO 16 484-3) EP-0606-468-471 15.05.2006 14:50 Uhr Seite 470 an der Normung und Schulung [4]. Ziel dieser Standardisierungsanstrengungen war und ist die Interoperabilität komplexer Systeme. Zertifizierung und Produktliste Parallel zur Arbeit an der Protokoll-Norm wurde die Prüfnorm DIN EN ISO 16 484-6 „Datenübertragungsprotokoll - Konformitätsprüfung“ aufgestellt und bis zur ISO durchgetragen. Sie ermöglicht neutralen Prüfstellen die Feststellung der Normenkonformität von Produkten. Dabei wird auch getestet, ob die Produkte mit den Angaben der Hersteller übereinstimmen. Die BACnet Manufacturers Association (BMA) und die BIG-NA (BIG-North America) wurden am Ende des Jahres 2005 zur BACnet International fusioniert - mit dem Ziel, neutrale Konformitätstests voranzutreiben. Als unabhängige Institution wurde das BACnet Testing Laboratory (BTL) gegründet, dessen satzungsgemäße Verpflichtung darin besteht, ein Testprogramm auf Basis der Konformitätsprüfnorm aufzustellen und BACnet-Devices danach zu prüfen. Produkte, die den Test ohne Beanstandung bestehen, dürfen das BTL-Zeichen tragen (Bild ). Die Anwendung des Zeichens ist mit exakten Regularien versehen und darf auch nicht ohne entsprechende Ausschlussklausel für Haftung (Disclaimer) verwendet werden. In den USA hat das Wort Zertifizierung (certification) rechtlich gesehen eine andere Bedeutung als in Europa, daher ist dort eine öffentliche Auflistung (listing) für die erfolgreich getesteten Produkte vorgesehen, während in Europa die Bestätigung eines neutral durchgeführten Tests Zertifizierung genannt wird. Für Europa ist diese unparteiische Stelle das BACnet-Testlabor im Prüfinstitut WSPLab in Stuttgart, in dem auch die europäischen BACnet-Interoperabilitäts-Workshops, so genannte „Plugfeste“ stattfinden. Literatur: [1] Kranz, H.: BACnet Gebäude-Automation 1.4, Promotor Verlags- und Förderungsgesellschaft mb H, 2005, 1. Auflage [2] www.resourcecenter.ashrae.org/store/ ashrae /newstore.cgi [3] www.big-eu.org/html/download.html [4] www.vdi-wissensforum.de Elektropraktiker, Berlin 60 (2006) 6 471 Gebäudeautomation FÜR DIE PRAXIS Property Property Property Property Property KNX Functional Block BACnet Object Type Data Point Data Point Data Point Data Point Data Point Titelseite des ANSI/ASHRAE-Standard KNX-Mapping im BACnet-Standard BTL-Zeichen für geprüfte BACnet Konformität Quelle: BMA EP-0606-468-471 18.05.2006 9:20 Uhr Seite 471

Autor
  • H. R. Kranz
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