Infosysteme Mitschrift

Ria Pante

Informationssysteme

Prof. Dr.- Ing. Dieter Otto

18.10.06

Informationssysteme, Gebäudevernetzung Inhalt der Vorlesung 1. Mikroprozessortechnik und zeitdiskrete Signalverarbeitung 1.1. 1.2. 1.3. 1.4.

Darstellung von Zahlen und Zeichen Zeitdiskrete Übertragungsglieder Fehlererkennung, Paritätsbit und Hamming- Code Kommunikation zwischen Prozess und Mikroprozessor

2.

Kommunikation und Bussysteme

2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

Europäischer Installationsbus (EIB) Das Bussystem Local Operating Network (LON) Building Automation and Control Network (BACnet) Das ISO- OSI- Kommunikationsmodell

3.

Technisches Gebäudemanagement

3.1. Managementebene, Aufbau und Verarbeitungsfunktionen 3.2. Open Process Control

4.

Schutzmaßnahmen

4.1. Erdungsanlagen und Netzformen 4.2. Elektronische Verträglichkeit und Überspannungsschutz in der Gebäudeautomation

Ria Pante

Informationssysteme 18.10.06

Literatur: „Digitale Gebaudeautomation“ Arbeitskreis der Professoren für Regelungstechnik Springer Verlag, Berlin ISBN 3-540-00469-6 3. Auflage

1. Mikroprozessortechnik und zeitdiskrete Signalverarbeitung 1.1.Darstellung von Zahlen und Zeichen Die Darstellung von Zahlen und Zeichen erfolgt mit Codierungen. Bekannt ist das System mit der Basis 10 für Zahlen. Die Zahl 1710 =100012 =1116 Die Wertigkeit der Stellen ist dann: Dezimalzahl: 1710= 1*101 + 7*100 = 10+7 = 17 7*100 1* 101 Dualzahlen: 10 0 0 12 = 1*24 + 0*23 + 0*22 + 0*21 + 1*20 = 16 + 0 + 0 + 0+ 1 = 1710 0 1*2 0*21 0*23 0*21 1*20 1116 = 1*161 + 1*160 =1710 1*160 1*161 Im BCD- Code 1710 = 0001 12810 = 0001

0111 0010

1000

Die binären Zeichen 0 und 1 werden physikalisch als Spannungen dargestellt im 2- Leistung. Die Spannungen können auch Spannungsdifferenzen sein zwischen kleinen und hohen Spannung. Der BCB- Code wird hauptsächlich für Zähler Anwendungen eingesetzt, z.B. Stromzähler, Gaszähler, Wasserzähler und Wärmezähler. Die

Ria Pante

Informationssysteme

Entwicklung der Datenverarbeitung führte zu immer größeren Datenmengen, die parallel verarbeitet werden. Die Prozessoren halten einen Aufbau der sich an der 8-Bitt- Struktur orientierten. Der heute noch verwendete ASCII- Code nutzt 7. B.J und kann damit 28 = 128 Zeichen darstellen Die Zahl 12810 = 49 50 56ASCII 1.2.Zeitdiskrete Übertragungsglieder Analoge Daten, wie z.B. die Zeitmessung oder Temperaturmessung werden für den Daten Austausch digitalisiert. Diese Umsetzung von analog auf digital führt zu Fehlern. Entsprechend der Auflösung eines analogen Signals kann der Fehler minimiert aber nicht vermieden werden.

Die digitalen Werte sind fehlerbehaftet. Durch entspreche feinere Aufleitung der Messwerte kann der Messfehler minimiert werden. Übliche Auflösungen sind 212_Schritte. Die Darstellung in dem Beispiel ist wertediskret mit einer Temperaturdifferenz von 1C° (K) und zeitdiskret mit einer Zeitdifferenz von 1s. 1.3. Fehlererkennung, Paritätsbit und Hamming- Code Bei der Datenübertragung mit ASCII-Zeichensatz werden 7 Bit benötigt. Das 8 Bit wird als Paritätsbit eingesetzt. Beispiel: ASCII-Zeichen A=6510 = 4116 = 100 00012 7 Bits a)

Übertragung mit gerader Parität 8 Bit Die Anzahl der Einsen ist grade.

0100 0001

Ria Pante

b)

Informationssysteme

Übertragung mit ungrader Parität 1100 0001 Paritätsbit

Vor der Datenübertragung wird vereinbart, ob mit gerader oder ungrader Parität bearbeitet wird. Oder ob das Paritätsbit nicht gesetzt wird. Der Sender setzt das Paritätsbit und der Empfänger kontrolliert es. Fehlererkennung mit Prüfsumme Beispiel: Ü = ] = 9310 b = 9810 e = 10110 r = 11410 t = 11610 r = 11410 a = 9710 g = 10310 83610 Prüfsumme Die Prüfsumme wird zusätzlich übermittelt. Der Empfänger vergleicht seine Summe mit der übermittelten Summe. Bei unstimmichkeit wird die Übertragung wiederholt. Die Anzahl der Wiederholungen wird festgelegt.

2 Datenleitungen Cu verdrillt ohne Abschirmung 25.10.06 Fehlerkorrektur durch Kreutzparität Die Datenübertragung eines Datenblocks wird zusätzlich zum Paritätsbit mit weiteren Paritätsbits versehe, die Zeilen und spalten mäßig eingesetzt werden. Beispiel: Übertragung eines Datensatzes, gesendet mit gerader Parität.

Ria Pante ASCII Zeichen

Informationssysteme

Paritätsbits 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0

0 1 1 1 1

Datenbit 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1

1 1 1 1 0

1 1 0 0 0

1 1 0 1 1

0 1 1 1 1

0 0 0 0 0

1 1 1 1 0

1 0 0 0 1

1 1 0 1 1

Datensatz mit Fehler 0 1 1 0 1

1 1 1 1 0

0 1 0 0 1

0 im Datenbit ist ein Fehler, in Zeile 2 und Spalte 7. Der Empfänger sieht einen Fehler in Zeile 2 und Spalte 7  Der Fehler ist Lokalisiert und kann korrigiert werden Nachteil: er kann nur 1 Fehler bearbeiten, bei mehr unterlaufen ihm Fehler. Die Blockgröße kann auch größer werden. Es kann immer nur ein Fehler korrigiert werden. Ein weiteres verfahren ist der Hamming- Code Hier werden pro Zeilen weitere Prüfbits, Hammingbits, übertragen. Aufgabe: H11 H10 H9

H8

P7

Hamminbits

D6

D5

Paritätsbit

D4

D3

D2

Datenbits

z.B.: Buchstabe V = 1010 110 gesendet mit Paritätsbit und Hammingbits zu gerader Parität Aufbau des Cods: P7 D4 D1 H9

D6 D3 D0 H8

D5 D2

H11 H10

0

1

0

1

D1

D0

Ria Pante 1 1 0

Informationssysteme 0 0 1

1

0

Datenübertragung mit Fehler 0 0 1 1

1 0 0 1

0 1

1 1

Fehler im Datenbit 4. Aus dem Vergleich der Hammingbits wird in der zweiten Zeile und ersten Spalte der Fehler lokalisiert und kann korrigiert werden. 1.4.Kommunikation und Bussysteme Der Datenaustausch ist digitalisiert zeit- und wertediskred Beispiel: Darstellung einer Sinusspannung Mit 3 Messungen in der Zeit T ergeben sich in den Spannungswerten 0 V.

Das Theorem von Shannon besagt das 10 Messungen für die Darstellung eines periodischen Signals ausreichen. Die Standardwerte für messtechnische Aufgaben liegen im Bereich einer Auflösung von 212 Schritten, 4.0956 Schritte. Bei Stellsignalen arbeiten die Anlagen mit 2 mm Hub, dies bedeutet einen Hub Änderung von 0,0078 mm je Schritt.

Ria Pante

2.

Informationssysteme

Kommunikation und Bussysteme 15.11.06

Bussysteme sind Systeme, die hauptsächlich Daten seriell übertragen. Eine Vielzahl von Teilnehmern kann mit einander Daten austauschen. Die Medien für die Übertragung sind verdrillte 2- Leiter- Leitungen, mit und ohne Schirmung. Weiterhin Koaxialkabel, Funkübertragung, und Powerline (230V- Netz). Damit es nicht zu einer Datenkollosion kommt, wenn mehrere Teilnehmer senden wollen, gibt es Busszugriffsverfahren. 2.1. Europäischer Installationsbus (EIB) Unterschiede zwischen Konventioneller Installation und EIB ( EIB/KNX).

Ria Pante

Informationssysteme

Für 64 Teilnehmer ist eine Spannungsversorgung (maximal) erforderlich. Die Topologie kann wie folgt sein:

Ria Pante

Informationssysteme

EIB lässt keine Ringstruktur zu. Die Übertragungsgeschwindigkeit 9600 Baud 1 Teilnehmer hat einen:

Die Linien umfassen max. 64 Teilnehmer. Lonie und Teilnehmer erhalten eine Nummer, die physikalische Adresse (Hausnummer). Die Adresse

1.15.64 64. Teilnehmer an der Linie 15 Linie 15 Hauptlinie1

Die Zuordnung einer Adresse zu einem Teilnehmer erfolgt bei der Inbetriebnahme durch einen Taster am Bussankoppler. Außer der Physikalischen Adresse wird dem Teilnehmer eine Logische Adresse zu geordnet. Diese Adressen werden als Gruppenadressen vergaben. 22.11.06 Physikalische Adresse = Hausnummer

Ria Pante z.B.

Informationssysteme

1.1.2. TL2 Linie 1 Hauptlinie 1

Die zweite Adresse ist die Gruppenadresse. Die Gruppenadresse ist eine logische Adresse, die Sensoren und Aktoren zusammenführt und Funktionen ausübt (z.B. “Ein“ oder “Aus“). Im Beispiel auf Seite 17 (Firma Jung) sind folgende G. Adressen angegeben.

1/1 Schalten Fensterleuchtenband & 1/2 Schalten Wandleuchtenband Aufbau der Gruppenadresse

1/1 0 = 2047 Untergruppen Hauptgruppe 0-15 kennzeichnet z.B. die Beleuchtung, Heizung, Jalusien usw. Mittels Programmen, ETS 3, werden die Teilnehmer 1.1.1., 1.1.2., 1.1.10. und 1.1.11. logisch miteinander verknüpft und der Untergruppe 1/1 zugewiesen. Die Verknüpfung ist jederzeit wieder lösbar. Beispiel für eine Nutzungsänderung Mit dem Einzug einer Wand wird die Zuordnung von Sensoren und Aktoren neu bestimmt. Die neuen Untergruppen verknüpfen jetzt:

1/1 Sensor 1.1.1. mit Aktor 1.1.10, linke Taste von Sensor 1.1.1. 1/2 Sensor 1.1.1. mit Aktor 1.1.12., rechte Taste von Sensor 1.1.1. 1/3 Sensor 1.1.2. mit Aktor 1.1.11., linke Taste 1/4 Sensor 1.1.2. mit Aktor 1.1.13. Nutzungserweiterung Mit den zusätzlichen Geräten; Helligkeitssensor und Bewegungssensor erfolgt eine Ausschaltung der Lichtbänder auf der Fensterseite und eine Einschaltung der Fensterseite im rechten Raum. Die einzelnen Gruppen haben folgende Funktionen:

Ria Pante

Informationssysteme

1/1 Untergruppe schaltet Lichtband 1.1.10. “Ein“ und “Aus“ 1/2 Untergruppe schaltet Lichtband 1.1.12. “Ein“ und “Aus“ 1/5 Helligkeitssensor 1.1.5. Schaltet Lichtband 1.1.10. Aus und Lichtband 1.1.11. Aus

1/3 Untergruppe schaltet Lichtband 1.1.11. “Ein“ und “Aus“ 1/4 Untergruppe schaltet Lichtband 1.1.13. “Ein“ und “Aus“ 1/6 Bewegungsmelder schaltet Lichtband 1.1.11. Ein

Ria Pante

Informationssysteme

Das Buszugriffsverfahren beim EIB 06.12.06 Wenn mehrere Teilnehmer senden wollen und der Bus frei ist, gibt es eine Kollision. Das wird verhindert in dem der jeweilige Teilnehmer senden darf, der zuerst eine Null sendet während die übrigen eine Eins senden.

Die Versuche werden nach drei mahliger Widerholung (ohne erfolg) abgebrochen. Dieses Verfahren wird als so genantes CSMA/CA – Verfahren bezeichnet (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) d.h. mehrfacher zugriff durch Busüberprüfung mit Kollisionsvermeidung. 2.2. Das Bussystem LON (Local Operating Network) Bzw. Lokales offenes Netzwerk. Entwiklung Anfang der 90er Jahre von der Fa. Echelon. Die Entwicklung des sog. Neuron- Chips erfolgte von Echelon, die Geräte mit diesem Chip von vielen an deren Herstellern. Die Übertragungsgeschwindigkeit beträgt mindestens 78 kBandund geht bis 1 Mill- kBand für Lichtwellenleiter. Die Topologie erlaubt auch die Kreisstruktur. Gegen über dem EIB ist ein Abschluß widerstand, Terminator erforderlich. Die Ankopplung von Teilnehmern an der Buss erfolgt über sog. Transceiver. Der Begriff folgt aus dem Datensender (Transverter) und dem Datenempfänger (Reciver). Au0er dem Twisted Pair Leitungen ist die Datenübertragung auch über das 230V-Netz, über Funk und über Lichtwellenleiter möglich. FTT-10: zusätzlich LPT-10:

Free Topology Transceiver Hier ist eine seperate Spannungsversorgung erforderlich die Busleitung. Link- Power- Prinzip Hier reichen 2- Leitungen

Beide Systeme sind Kombinierbar. Die Kapazität der Chips ist wesentlich höher als beim EIP. Jeder Chip hat vom Hersteller eineAdresse mit bekommen (weltweit einmalig). Der Buszugriff bei geringer Busbelastung erfolgt nach dem Tim- SharingVerfahren mit 16 Möglichkeiten (zufallsprinzip).

Ria Pante

Informationssysteme

Die Anzahl der Zeitscheiben kann bei hoher Busbelastung bis auf 63 erhöht werden. Der Aufbau eines Netzwerkes besteht aus Knoten (Teilnehmer) und den Verbindungs elementen Repeater, Router und Bridge. Zur Funktion: Der Repeater arbeitet als Signalverstärker. Die Bridge dient zur Verbindung von Teilnehmeern unterschiedlicher Channels. Der Router dient zur Signalverstärkung aberauch zur Signalumsstzung unter schiedlicher Medien, z.B. Twisted- Pair (Kupfer) auf Funk. Die logische Verknüpfung erfolgt über Gruppen Adressen, Grups. Die physikalischen Größen, wie z.B. Temp, Spannung u.a. werden als sog. Standardnetzwerk variable festgelegt. SNYT_temp_p: Temperatur in °C von -273,17 bis +327,66 in Schritten von 0,01 °C

Ria Pante 2.3.

Informationssysteme

Building Automation and Control Network (BACnet) 13.12.06

regelung  vergleicht zuwischen ist und soll. Steuern  in einer bestimmten Zeit soll das Licht angehen. Die Hersteller von Automationsgeräten sind in den 60er Jahren mit Produkten für die Gebäudeautomation auf den Markt gekommen. Diese Geräte eines Herstellers sind nicht mit Geräten anderer Hersteller zu betreiben, es sind proprietäre Entwicklung (Geräte) dfff Die Anforderungen der öffentlichen Hand waren und sind so, das man sich nicht auf einen Lieferanten festlegen wollte. Darauf hin wurden der FND, Firmenneutralen Datenbus, entwickelt. Damit was es möglich, bei Geräten mit FND- Protokoll, Daten was es möglich, bei Geräten mit FND- Protokoll, Daten zwischen Geräten untereinander Hersteller aus zutauschen. Diese Lösung war zu teuer. Anfang der 90er Jahre wurde BACnet entwickelt. Das ist ein Datenkommunikationsprotukoll aus den USA. Es ist genormt nach DIN EN ISO 16484-5 für interoperable Gebaudeautomation. Literatur: BACnet Gebäudeautomation von H.R. Kranz, Verlag cci-pronotor, ISBN 3-922420-02-8 Mit diesem Protokoll können Daten zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller ausgetauscht werden.

Ria Pante

3.

Informationssysteme

Technisches Gebäudemanagement

03.01.07 3.1. Managementebene, Aufbau und Verarbeitungsfunktionen VDMI 24 196-1 Teil 1: Begriffe Technisches Gebäudemanagement TGM

• • •

Versorgen Betreiben Verfolgen der Technischen Gewährleistung • Optimieren • Komonikationsmanagement • Energiemanagement • Modernisieren • Sanieren • Umbauen • Entsorgung • Dokumentation • Sonstige Leistungen Zum Kommunikationsmanagement • • • • •

Gebäudeautomationssysteme Gefahrenmeldesystem Zutrittskontrollsysteme Netzwerke Telefonsysteme

Ethernet oder IEEE 802.3 Das Zugriffsprotokoll CSMAICD ist das heute am weitesten verbreitete Lokale Netzwerk. Schlüssel für die Benennung 10 Base x 10 Steht für die Übertragungsrate von M bit/s  10 M bit/s Base Basisband x = 2 Steht für Coax- Kabel, 185 m x = T Steht für Twisted Pair (UTP- Kabel) x = 5 Steht für 500m / Yellow Cagle x = F Steht für Lichtwellenleiter

Ria Pante

Informationssysteme 10.01.07

Nachtrag: 3P – Adresse Aktuell: 3P v4  32 Bitzahlen z.B. 192.169.0.1  4,3 Milliarden Adressen Zukunft: 3P v 6  128 Bitzahlen z.B. 243f: 6a88: 85a3: 08d3: 1319: 8a2a: 0370: 7344 Adressen Bestehend aus 8 Zahlen (16 – Bit- Zahlen)

 ≈ 3,4 *10³8

Übertragungsmedien: •

Kabel UTP Stecker RJ-45

•

Kabel Koaxial Stecker BNC in verschiedenen Varianten

Mehrere Telnetze (Segmenten) Werden über einen Repeater verbunden. Die Teilnetze sind mit BNCStecher und 10 Base 5- Technik bez. mit 10 Base 2- Technik verbunden. Die maximalen Leistungslängen sind bei 10 Base 5 500m und bei 10 Base 2 185m. Die Aufgabe des Repeaters ist die Verstärkung der Signale und eventuell eine Filterung. 3.2. Open Process Control Die OPC- Technik Das Problem in der Gewbäudeautomation ist, es gibt viele Systeme von vielen Herstellern mit eigenen Protokollen. Für einen Datenaustausch zwischen solchen nicht offenen Systemen ist ein hoher Aufwand für die Anpassung erforderlich. Abhilfe schafft die für den Datenaustausch auf Windowssystemen der OPC Schnittstellen Standard. Entwickelt aus DDC (Dynamie Date Exchange) dynamischer Daten Austausch entstanden für größere Datenmengen OLE (Objekt linking and embedding). Daraus entwickelte sich OPC (OLE for Process Control). OPC ist eine Spezifikation auf der Basis von DCOM (Distributed Component Object Model). DCOM wird von Microsoft nicht mehr gepflegt und läuft auch nicht über Internet. Die OPC- Foundation hat 2003 erstmals mit OPC-XML.DA eine Spezifikation vorgestellt, die nicht mehr auf DCOM aufbaut.

Ria Pante

Informationssysteme

Vorteile von OPC: Ohne OPC: Gebäudeautomation

Sicherheit

Management

Heizung

Lüftung

Zutritskonntrolle

In diesem Fall haben wir viele Kommunikationsschnittstellen Mit OPC- Server: Gebäudeautomation

Sicherheit

Management

OPC- Server

Heizung

Lüftung

Zutritskonntrolle

Die Daten werden so aufbereitet, dass die Teilnehmer sie verstehen. Die Aufbereitung der Daten erfolgt so, das die interessieren den Informationen von einem Teilnehmer auf den anderen geschickt werden. Der Aufwand besteht darin, dass ich jeden Datenpunkt einzeln umsetzen muss.

4.

Schutzmaßnahmen

4.2. Überspannungsschutz  Blitzentladung In Mitteleuropa ist mit jährlich ca. 15 bis 35 Gewittertagen und etwa 15 Blitzen pro km² zu rechnen. Direkte Blitzschäden (Brände, Zerstörung) sind wegen der Verbreiteten äußeren Blitzschutzmaßnahmen (Blitzableiter) selten geworden. Da gegen haben wir eine Zunahme an Schäden von elektrischen Geräten & Anlagen durch indirekte Blitzwirkung. Das äußert sich durch Überspannung im Netz. Schäden können durch Direkteinschläge in Blitzschutzeinrichtungen, Stromversorgungsleitungen oder Datenleitungen die in das Gebäude führen eintreten. Ferneinschläge in

Ria Pante

Informationssysteme

Freileitungen werden an Umspannstationen durch Überspannungsableiter auf 10kW begrenzt. Es ist trotzdem notwendig, einen Überspannungsschutz vorzusehen. Folgende Blitzparameter sind für die Schadenswirkung verantwortlich:

Steilheit di/dt ≈1200kA/µs

Die Arbeit w=RSi²Bdt W/R ≈ 2,5- 10µy/Ω îB= 200kA mm² Stahl)≈ 25 mm²

RE= 5Ω

Diese Arbeit A Cu (Querschnitt Kupfer) ≈10 A

Stahl

(Querschnitt

ÛB=1000kV

 Blitzschutz Gegen Blitzeinwirkungen ist in Gebäuden ein äußerer Blitzschutz erforderlich. Dadurch werden Blitzströme an der Oberfläche von Gebäuden angeleitet Der innere Blitzschutz bewirkt, eine Reduzierung der Überspannung auf ein für die Elektronik verträgliches Maß. Dazu gehören: - Potenzialausgleich zwischen allen metallischen Installationen - Maßnahmen gegen Überspannung durch Überspannungseinrichtungen Schutzschaltungen; Hochfrequente Störspannungen, z.B. durch Frequenzumrichter, haben häufig Frequenzen im kHz- Bereich. Die hochfrequenten Störspannungen können durch Filter abgeleitet werden, Filter sind frequenzabhängige Bauelemente wie Kondensatoren und Spulen. Hohe Spannungen werden durch spezielle Überspannungsableiter abgeführt, die werden durch hohe Spannungen leitend ( Abführung über die Erde) z.B. gasgeführte Überspannungsableiter und Halbleiterwiderstände, z.B. Begrenzerdioden.

Ria Pante

Informationssysteme

Verkabelung Gegen leitungsgeführte Störungen gibt es folgende Maßnahmen: 1. Einseitig geerdete Schirmung von verdrillten Signalleitern

STP- geschirmte Leitung UTP- ungeschirmte Leitung

2. Potentialtrennung z.B. durch Optokoppler

3. Übertragung mit Lichtwellenleiter kein Problem

Schutz gegen Strahlung & Aufladung Schutz gegen elektronische Strahlung, z.B. Frequenzumrichter, Schaltlichtbögen, bieten metallische Gehäuse (Schaltschränke), deren Inneres nach dem Prinzip des Faradayschenkäfigs abgeschirmt, schützt.

Ria Pante

Informationssysteme

Beim Hantieren mit elektronischen Bauelementen und Leiterplatten sind elektronische Aufladungen zu vermeiden. Dies erfolgt durch leitfähige Fußbodenbeläge und Arbeitsflächen und relative Luft Feuchtigkeit größer 50%.