Gebäudeautomation

2	Grundlagen der industriellen Kommunikationstechnik

2.1	Industrielle Kommunikation

In einer automatisierten Anlage oder in einem automatisierten Prozess gibt es einen großen Kommunikationsbedarf. In den hierarchischen Ebenenmodellen der Automatisierungstechnik, wie z. B. dem 3-Ebenen-Modell der Gebäudesystemtechnik (siehe Abschnitt 1.3), lassen sich Informationsflüsse innerhalb der einzelnen Ebenen (horizontale Kommunikation) und zwischen den Ebenen (vertikale Kommunikation) unterscheiden (Bild 2.1).

Für die Abwicklung der horizontalen und vertikalen Kommunikation kommen insbesondere industrielle Kommunikationssysteme, wie Feldbusse und Computernetze, zum Einsatz.

2.1.1

Kommunikation über Feldbusse

In der Feldebene (vor Ort, in der Anlage, im Prozess) befinden sich Sensoren und Aktoren, die so genannten Feldgeräte. Typische Funktionen der Feldebene sind Schalten, Stellen, Melden, Messen und Zählen. Busfähige Feldgeräte sind mit Mikrocontrollern ausgestattet und werden darum als „intelligent“ bezeichnet. Sie versenden und empfangen Bitinformationen in Form von Datentelegrammen über einen Feldbus.

Die Feldbustechnik wurde in den 1980er Jahren im Zuge einer immer weiter voranschreitenden Dezentralisierung von Automatisierungslösungen entwickelt, um die bis dahin übliche parallele Verdrahtung mit analoger Datenübertragung (4 mA … 20 mA, 0 V … 10 V) durch digitale Übertragungstechnik mit serieller Datenübertragung zu ersetzen.

Heute werden über Hundert Feldbussysteme am Markt angeboten [GRUHLER00]. Charakteristisch für Feldbusse ist, dass wenige digitale Daten (Bits, Bytes) in kurzer Zeit (µs, ms) übertragen werden müssen. Die Anforderungen an Feldbusse, z. B. die Bitübertragungsrate, die maximale Leitungslänge oder die mögliche Anzahl von Teilnehmern, sind je nach Einsatzgebiet sehr unterschiedlich ausgeprägt, so dass es „den einen“ Feldbus nicht geben kann. In Tabelle 2.1 sind einige Feldbusse mit ihren Haupteinsatzgebieten beispielhaft genannt.

2.1.2

Kommunikation über Computernetze

Aus der Automationsebene werden Informationen z. B. an Visualisierungs- und Produktionsplanungssysteme auf der Managementebene übermittelt. Hierbei werden im Vergleich zur Kommunikation in der Feldebene größere Datenmengen übertragen, und es steht auch mehr Zeit zur Verfügung. Die Kommunikation in den höheren Automatisierungsebenen wird vorwiegend über Computernetze (Local Area Networks ‒ LANs) abgewickelt.

In der Gebäudeautomation spielen Netze und das Kommunikationsprotokoll BACnet eine wichtige Rolle. Mittels BACnet können die unterschiedlichsten Geräte und Systeme der Gebäudeautomation Informationen austauschen. Die Datenübertragung kann über folgende Netze erfolgen: MS/TP (Master-Slave/Token-Passing), LON, ARCNET, Ethernet. Zusätzlich werden Wählverbindungen über Telefonnetze unterstützt (siehe Kapitel 5).

2.2	Digitale Datenübertragung

Mittels Feldbussen und Netzen werden automatisierungstechnische Daten aus einer Anlage oder einem Prozess als Folge von Bits, z. B. 01101001, übertragen. Je nach Medium wird bei binärer Übertragung für ein Nullbit und für ein Einsbit jeweils ein bestimmtes Signalelement festgelegt, z. B. ein hoher und ein niedriger Spannungspegel bei Übertragung über eine Kupferleitung. Die Bitfolge wird also vom Sender in ein physikalisches Signal umgewandelt. Beim Empfänger muss dies wieder rückgängig gemacht werden. Dies ist eine typische Aufgabe der digitalen Datenübertragung. Einige wichtige Grundbegriffe aus diesem Teilgebiet der industriellen Kommunikationstechnik werden im Folgenden erläutert.

2.2.1

Grundbegriffe

2.2.1.1

Bits und Bytes

Bit leitet sich aus dem englischen Wort Binary Digit (Binärziffer) ab und ist laut DIN 1301, Teil 1, Beiblatt 1, der Name für die Einheit, welche bei der Datenverarbeitung und der digitalen Übertragung für die Größen Anzahl der Binärentscheidungen, Entscheidungsgehalt und Informationsgehalt anstelle der impliziten Einheit Eins benutzt wird. Bit ist also demzufolge also eine Einheit für Größen mit der Dimension 1, ähnlich wie Neper und Dezibel bei Pegeln in der Nachrichtentechnik oder Akustik.

Mit n Bits (n binären Datenelementen) lassen sich 2n Informationen darstellen, z. B. 21 = 2 für n = 1 und 22 = 4 für n = 2. Um Binärinformationen mathematisch darzustellen, wird das binäre Zahlensystem (Dualzahlensystem) verwendet. Ein Bit kann den Wert 0 (Nullbit) oder den Wert 1 (Einsbit) annehmen. Der Zusammenhang zwischen den (z. B. einstelligen oder zweistelligen) Binärzahlen und der in ihnen enthaltenen Information könnte dann beispielsweise so sein, wie es in Tabelle 2.2 dargestellt ist.

Gemäß DIN EN 60027, Teil 2, ist Bit auch der Einheitenname für die Größe Speicherkapazität (Vorzugsformelzeichen: M). Hierbei ist noch das Datenelement festzulegen, auf das sich die Speicherkapazität bezieht, z. B. Bit oder Byte.

Ein Byte (byte), auch Oktett (octet) genannt, entsteht durch die Zusammenfassung von 8 Bits zu einer Bitgruppe. Für die drei Einheiten Bit, Byte und Oktett werden die Einheitenzeichen gemäß Tabelle 2.3 verwendet.

Die (dimensionslose) Größe „Speicherkapazität für Bits“, Formelzeichen Mb oder Mbit, ist z. B. bei 256 binären Datenelementen anzugeben als Mb = 256, worin offensichtlich die Einheit Eins enthalten ist. Häufig schreibt man hierfür jedoch Mb = 256 bit.

Die Einheitenzeichen bit und B dürfen mit SI-Vorsätzen (für dezimale Vielfache) oder Vorsätzen für binäre Vielfache kombiniert werden, z. B.: