Feldbussysteme LON und KNX

INHALTSVERZEICHNIS

1. ENTSTEHUNG UNDGESCHICHTE
1.1 LON - Local Operating Network
1.2 KNX - Konnex

2. RELEVANTENORMEN

3. TECHNISCHEMERKMALE
3.1 Telegrammform und -aufbau
3.2 Übertragungsarten
3.3 Bustopologien
3.4 Systemgrenzen
3.5 Datenübertragungsgeschwindigkeiten
3.6 Busspezifische Besonderheiten

4. SIGNALÜBERTRAGUNG
4.1 Codierung
4.2 Datensicherung
4.3 Zeitverhalten und Verarbeitung kritischer Funktionen
4.4 Physikalische Eigenschaften
4.5 Busspezifische Komponenten

ANHANG

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

1. ENTSTEHUNG UND GESCHICHTE

Die nachfolgenden Unterkapitel bieten einen kurzen Überblick an der Entstehung der Standards LON und KNX/EIB. Die historische Entwicklung ist als Einleitung zum Thema angedacht und wird durch die nachfolgenden Kapitel ergänzt.

1.1 LON - Local Operating Network

LON - das Local Operating Network - ist ein Feldbussystem, das zur Realisierung von Automatisierungsfunktionen in dezentralen und kleineren bis mittleren Datenmengen in Feldprozessen in der Gebäudeautomatisierung eingesetzt wird. Entwickelt wurde das System von der im Jahr 1989 gegründeten Firma Echelon. Ziel der Entwicklung war es, die Kunden- und Herstellerinteresse an einem genormten Busstandard für dezentrale Automatisierung in Gebäuden umzusetzen. Das LON-Feldbussystem garantiert durch die Standardisierung die Einhaltung von Datenübertragung und physikalischen Eigenschaften des Systems. Herstellerunabhängige Installation und Anbindungen können durch das System einfacher und mit geringerem Kostenaufwand für Verkabelung und Anschlussarbeiten realisiert werden. Nach der Entwicklung des Konzepts für das System wurde der Feldbus-Standard im Jahr 1991 mit der Produktion des ersten Neuron-Chips - dem Kommunikationsprozessor von Feldbusgeräten - in den Gebäudeautomatisierungsmarkt eingeführt (vgl. [ECH08]).

Im Jahr 1994 wurde die Organisation LonMark International gegründet, welche zum Ziel hat den herstellerunabhängigen Feldbus im Markt zu unterstützen und die Entwicklung von neuen Innovationen voranzutreiben. Die Organisation unterstützt durch ein breites Angebot an Werkzeugen, Ressourcen und Entwicklerunterstützung den Markt. Die Organisation hat bis zum Jahr 2008 rund 600 Mitgliederfirmen, die über 350 Systeme mit mehr als 100 Millionen verschiedenen LonMark-konformen Geräten anbieten (vgl. [LOM08]).

1.2 KNX - Konnex

Der Konnex-Standard entstand aus den alten European Instabus-Standard, BatiBus und european Home Systems als Weiterentwicklung der technischen Ausführung. EIB wurde bereits Mitte der 1980 von verschiedenen Firmen der Installationstechnik gefordert und wurde dann im Jahr 1990 im Rahmen der European Installation Bus Association EIBA - der äquivalenten Organisation zu LonMark International - in den 1. Entstehung und Geschichte Markt eingeführt. Erste Produkte wurden - stark unterstützt durch die Firmen Siemens, Berker, Gira, Jung und Merten - im Jahr 1991 auf den markt gebracht. Mit der Zusammenführung der Bussysteme EIB, BatiBUS und European Home System (EHS) im Jahr 2002 wurde aus der EIBA die KNX Association, welche die technologische Weiterentwicklung des Standards vorantreibt. BatiBUS ist eine Entwicklung der Firmen Landis&Gyr, Merlin Gerin u.a. und wurde über die BCI (BatiBUS Club International) herausgegeben. Der EHS-Standard wurde von der EHSA - der European Home Systems Assosiation - für Wohnhäuser und Kleinanlagen entwickelt.

Die KNX Assotiation hat bis zum Jahr über 125 Mitglieder die über 4.000 Produktgruppen und unzähligen Geräten am Markt anbieten (vgl. [KOA08]).

2. RELEVANTE NORMEN

LON wurde zunächst aus den Entwicklungen der Firma Echelon und der LonMark International als US-amerikanischer Standard ANSI/CEA-709.x und ANSI/CEA-852 standardisiert. Eine Übernahme der Norm in die europäischen EN 14908-x erfolgte in den nachfolgenden Jahren aufgrund der Marktnachfrage an dem Standard.

KNX ist durch die europäische Norm EN 50090 und die internationale Norm ISO/IEC 14543-3 festgelegt.

Die Normenblätter legen fest welche Spezifikation des OSI-Schichtmodell ausgeführt werden muss um die herstellerneutrale Datenkommunikation zu gewährleisten. Weitere Normenteile geben einen Leitfaden zur Entwicklung und Planung von den Feldbusnetzwerken.

3. TECHNISCHE MERKMALE

In den Unterkapiteln 3.1 bis 3.6 sind die technischen Daten der Bussysteme LON und KNX näher erläutert. Die Bussysteme werden jeweils in der Reihenfolge LON und KNX behandelt. Bei übergreifenden Darstellungen werden gemeinsame Tabellen dargestellt.

3.1 Telegrammform und -aufbau

Abb. 3-1 zeigt den Datenrahmen der LON-Technologie. Die unterschiedlich grau markierten Felder stellen die Bestandteile des gesamten Datenpakets am Bus dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3-1: Datenrahmen LON

Der Datenrahmen LON beginnt mit den Kontrolldaten. Diese bestehen aus einem 2 Byte großem Datenwort, durch das die Synchronisation der Daten gewährleistet wird. Dieser Abschnitt besteht aus ByteSync und ByteSync-Feld. Das ByteSync-Feld hat mindestens sechs logische Eins-Signalen und das ByteSync besteht aus einem einzelnen binärem Null-Signal. Die Knotenadresse laut Netzwerkaufbau (siehe auch 3.3) folgt als 3-9 Byte Signal¹. Der Data-Header aus 1 Byte gibt dem Empfänger der Daten die Priorität und die alternativen Sendedaten als Information vor den Nutzdaten. Die folgenden Nutzdaten - maximal 288 Byte groß - enthalten die Daten zur Funktionserfüllung der Prozessstation und werden auch NPDU (Network Protocol Data Unit) genannt. Der CRC Abschluss gibt 16 Bits zur Datenprüfung bekannt.

Das Datentelegramm des KNX-Bus weist einen anderen Aufbau auf. Abb. 3-2 zeigt den Aufbau des Datenpakets in grau abgestuften Feldern. Der Anfang des Datenpakets ist dabei wie im LON-Datenrahmen der hellste, das Ende der dunkel dargestellte Abschnitt in der Darstellung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3-2: Datenrahmen KNX

Am Anfang des Datenobjekts steht das so genannte Control oder C-Field. Das Kontrollfeld mit der Länge von 8 Bit legt die Datenpriorität und unterscheidet standardisierter und erweiterter Datenlänge. An jedes C-Field wird ein 16 Bit langes Source-Field mit Information über die Netzwerkadresse des Senders bzw. Quelle der Daten angehängt. Dies dient bei Fehlern zur Identifikation des Senders. Die Netzwerkadresse wird nach dem ausgewählten Netzwerk (siehe auch 3.3) physikalisch oder logisch adressiert. Man erhält somit die Netzwerklokalisation, diese wird als Binärcode beim Versenden von Daten generiert. Die gleichen Informationen über Empfänger bzw. Ziel sind im Destination-Field in einem 17 Bit langem Binärwort enthalten. Das RL-Field beschreibt die zu erwartende Datenlänge der nachfolgenden Nutzdaten in einem 7 Bit Wort. Das Data-Field enthält maximal 16 Byte lange Nutzdaten zur Funktionsausführung in den Feldbusprozessgeräten. Das P- oder Prüffeld wird verwendet um bei fehlerhaften Daten eine 8 Bit Code an den Datenrahmen anzuhängen. Im Datenempfänger können dadurch eventuelle Veränderungen im Datenpaket erkannt werden.

3.2 Übertragungsarten

Die Datenübertragung zwischen LON-Knoten erfolgt asynchron. Als Buszugriffsverfahren wird ein modifiziertes CSMA-Verfahren verwendet. Dieses Verfahren lässt Telegrammzerstörung aufgrund von Datenkollision zu, deren Auftrittswahrscheinlichkeit wird eingeschränkt. Das so genannte prediktive p-persistente CSMA/CD-Verfahren ist das Ergebnis der Modifikation.

Eine Datenverbindung kann im KNX-System zwischen den Teilnehmern sowohl synchron als auch asynchron erfolgen. Bei der synchronen Datenverbindung folgt vor dem oben genannten Datenrahmen eine Synchronisation mit einstellbarer Taktphase und Polarität. Bei der seriellen asynchronen Übertragung via Software-Handshake Verfahren ist die Übertragungsrate auf einen diskreten Wert von 9,6kbit/s festgelegt.

Das Datenbit enthält hierbei zusätzlich ein Start-, ein Stop und ein Parity-Bits, mit denen die Übertragung abgeglichen wird.

[...]

¹ z.B. Domain, Subnet, Node oder Domain, Gruppe, Node