BACnet für Energiemanager

INHALTE DES BEITRAGS

Wie offen ist offene Kommunikation?
BACnet-Standard
Hauptelemente des BACnet-Standards
Beschreibung der BACnet-Hauptelemente
Netzwerk-Komponenten
BACnet im Internet und „Native“ BACnet

Im Smart-Home-Bereich sind viele Angebote technologisch noch immer eingeschränkt, da sie jeweils für einen speziellen Anwendungsbereich optimiert wurden und keinen ganzheitlichen Lösungsansatz ermöglichen. Für ein reibungsloses Zusammenspiel verschiedener Systeme unterschiedlicher Anbieter könnten sich die „Haus-Automatisierer“ ein Beispiel an der „großen“ Gebäudeautomation nehmen. Der Informationsaustausch zwischen Geräten und Systemen innerhalb eines GA-Systems erfordert ein einheitliches Kommunikationsprotokoll. Dieses stellt eine mehr oder weniger umfangreiche, anwendungsorientierte „Sprache“ dar – etwa wie früher bei Hofe: Das Protokoll legt fest, wer mit wem wann und worüber reden darf. Die richtige Sprache wurde vorausgesetzt – und im Gebäude ist diese Sprache BACnet. BACnet, das Netzwerk für interoperable Gebäudeautomation, ist das Ergebnis der unerschütterlichen, visionären Arbeit einer heterogenen Expertengruppe von Ingenieuren. Dabei ist „BACnet“ die Wortmarke der ASHRAE und steht für Building Automation and Control Network. ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.) ist der amerikanische Ingenieurverein für die Technische Gebäudeausrüstung, im Grunde vergleichbar mit der der TGA in der VDI GBG. Das ASHRAE-Team hat von Anfang an auch interessierte Europäer mit einbezogen. Die Aufnahme von KNX als normativer Bestandteil von BACnet (ASHRAE-Standard, Abschnitt H.5 „Using BACnet with EIB/KNX“) ist ein Ergebnis davon. KNX-Informationen für BACnet-Objekte können direkt aus der Engineering Tool Software (ETS) gelesen werden. Ziel dieses Einbezugs von KNX in BACnet sind die umfassende und reibungslose Integration der Gebäudesystemtechnik in die Gebäudeautomation und das einfache Engineering.

Ziel der Standardisierungsanstrengungen war und ist die Interoperabilität komplexer Systeme. Interoperabilität bedeutet die Fähigkeit von GA-Systemen, mit anderen Systemen eines Herstellers oder anderer Hersteller systemübergreifend zusammenzuarbeiten. Mehrere unterschiedliche, zusammenarbeitende Systeme nennt man auch integrierte Systeme. Die Integration geschieht durch Verwendung gemeinsamer Kommunikationsobjekte bzw. Datenpunkte, aufeinander abgestimmte Funktionen und durch den Einsatz des geeigneten genormten Kommunikationsprotokolls an den Klemmen der Datenleitungen. Mit BACnet stehen heute einer kostengünstigen und hochfunktionalen Systemintegration nur noch mangelndes Know-how und gewisse Standpunkte der Marktpolitik im Wege. Parallel zur Arbeit an der Protokoll-Norm wurde von ASHRAE die Prüfnorm DIN EN ISO 16484-6 „Datenübertragungsprotokoll – Konformitätsprüfung“ aufgestellt und bis ANSI3), CEN und ISO durchgetragen. Sie ermöglicht neutralen Prüfstellen die Feststellung der Normenkonformität von BACnet- Produkten. Produkte, die den Test ohne Beanstandung bestehen, dürfen das BTLZeichen der BACnet Testing Laboratories tragen. Die Anwendung dieses Zeichens ist mit exakten Regularien verbunden, es darf auch nicht ohne entsprechenden Disclaimer (Ausschlussklausel für Haftung) verwendet werden. In den USA hat das Wort Zertifizierung (certification) rechtlich gesehen eine andere Bedeutung als in Europa, daher ist dort für die erfolgreich getesteten Produkte ein öffentliches „listing“ vorgesehen, während in Europa die Bestätigung eines neutral durchgeführten Tests „Zertifizierung“ genannt wird.

 

Wie offen ist offene Kommunikation?

Oft hört man heute die Worthülse „offene Kommunikation“. Die Erfahrung zeigt, dass für ein sinnvolles Zusammenwirken die Festlegung auf eine Kommunikationsmethode (z. B. ein Busprotokoll) zwar nötig, aber nicht hinreichend ist. Im realen GA-Projekt müssen die jeweiligen Informationen und Funktionen der unterschiedlichen Produkte, Systeme und Anlagen aufeinander abgestimmt werden. Andere Varianten als das genormte Kommunikationsprotokoll BACnet werden grundsätzlich mit einem Verlust an „Offenheit“ und Informationsgehalt bezahlt. Wohlgemerkt, das gilt für heterogene Gebäudeautomation (von unterschiedlichen Herstellern) mit  Automationsstationen als frei programmierbare DDC4)-Einrichtungen. Bei der Elektroinstallation mit Bustechnik (Gebäudesystemtechnik) mit KNX werden unterschiedliche Produkte mit dem neutralen Tool ETS in ein „homogenes System“ (KNX) integriert.

Bei der GA werden eine maximale Funktionalität und Durchgängigkeit zwischen den verschiedenen Systemebenen auf absehbare Zeit nur in homogenen Systemen namhafter Hersteller erreicht. „Plug-andplay“ bleibt bei GA-Systemen unterschiedlicher Hersteller auch mit einem genormten Protokoll oder anderen IT-Methoden eine Utopie. Heute gibt es fast nur noch heterogene GA-Projekte, also solche mit Produkten und Systemen unterschiedlicher Hersteller – wie die HLKS-Anlagen- und Raumautomation, Heizkessel, Kältemaschinen, Aufzüge, Entrauchungsanlagen, Elektroinstallation usw. Diese verlangen neben der Festlegung auf das Protokoll einheitliche, strukturierte Objektnamen für die Datenpunkte, z. B. gemäß VDI 3814- 4.1 (2019), und eine klare und eindeutige vertragliche Festlegung der Liefergrenzen, der Koordinations-, Funktions- und Gewährleistungsverantwortung, denn die Kommunikationspartner haben meist keinen Vertrag untereinander, sondern nur jeweils mit dem Bauherrn.

 

BACnet-Standard

Mit BACnet ist immer das einzige genormte Datenkommunikationsprotokoll speziell für die Gebäudeautomation gemeint. Es dient der Interoperabilität unterschiedlicher Produkte und Systeme. Das Protokoll beschreibt Datensätze zur Übertragung von kodierten Daten binärer, analoger und alphanumerischer Art. Dazu gehören neben der Festlegung eines Adressierungssystems und des Zeichensatzes weitere Spezifikationen, z. B. das physikalische Medium, die Datenübertragungsgeschwindigkeit, das Datenübertragungsverfahren, die Schutzmechanismen und viele weitere Dienste. BACnet wurde unabhängig von einer Datenübertragungshardware spezifiziert. Das unterscheidet BACnet grundsätzlich von allen anderen (auch genormten) Kommunikationsprotokollen und Bussystemen. Damit ist BACnet von jedem Hersteller für Automationstechnik und Bedieneinrichtungen lizenzfrei anwendbar. Es gibt heute weltweit keinen GA-Hersteller mehr, der auf BACnet verzichten könnte. All diese genannten Konventionen sind im BACnet-Standard unter dem Begriff „Protokoll“ zusammengefasst. Der Begriff „BACnet-Standard“ wird oft für den Teil 5 der Weltnorm DIN EN ISO 16484 gebraucht. Die Normenreihe DIN EN ISO 16484 umfasst die GA-Projektdurchführung (Teil 1), die GA-System-Hardware (Teil 2), genormte GA-Funktionen (Teil 3) und in Vorbereitung die Raumautomation als Teil 4, BACnet als Protokoll (Teil 5) und die Prüfnorm (Teil 6).

 

Hauptelemente des BACnet-Standards

In dem Dokument zum BACnet-Standard wird nach einer Einleitung, der Festlegung des Anwendungsbereichs und der Definition von Begriffen die BACnet-Protokollarchitektur beschrieben. Es folgen Kapitel in Übereinstimmung mit dem ISO/OSI-Referenzmodell über die Anwendungsschicht, die Netzwerkschicht und die verschiedenen Festlegungen für die Sicherungsschicht sowie für die Kommunikationsnetze (physikalische Medien), die für den Einsatz in der Gebäudetechnik geeignet sind. Sie dienen als Transporttechniken für die Daten. Der BACnet-Standard wird durch vier Hauptelemente definiert: die Dienste, die Prozeduren (oder Kommunikations-Funktionen), die Kommunikationsobjekte mit ihren Properties (früher: Datenpunkte) und der Daten-Transport. Ferner werden Fehlercodes, Netzwerksicherheit, Kombinationen mit anderen Protokollen, XML-Datenformate, BACnet/WS RESTful Web Services, ein abstraktes Datenmodell, JSON-Datenformate und Standard-Profile für Geräte normativ festgelegt.

 

Beschreibung der BACnet-Hauptelemente

Kommunikationsobjekte: Die Kommunikations-Objekttypen mit den Properties dienen als Informationsträger zur Festlegung der semantischen Bedeutung von übertragenen Nachrichten für eine Interoperabilität der unterschiedlichen Produkte, also für die richtige Interpretation der eigentlichen Anwendungsfunktionen. Die „Objekttypen“ finden sich in der Norm, BACnet-Objekte sind es in realen Anlagen. Jedes „Device“ (Einrichtung, Gerät) könnte theoretisch 4.194.304 (22 Bit) Objektinstanzen enthalten, die Instanz- Nummer gehört mit der Typ-Nummer (10 Bit) zur Adresse als Object Identifier.

Die in der Norm beschriebenen BACnet-Objekttypen mit den Properties und die BACnet-Prozeduren sind die wichtigsten semantischen Bestandteile des BACnet-Protokolls, denn sie beschreiben die Bedeutung der Daten. Daten werden hierdurch zu eindeutigen Informationen für Mensch und Software. Das unterscheidet BACnet grundlegend von den meisten sonstigen Kommunikationsprotokollen. Ein BACnet-Kommunikationsobjekt beschreibt mit einem Satz von eindeutig benannten und strukturierten Datenelementen, genannt Properties, durch Festlegung der entsprechenden Datenarten und Begrenzungen alle erforderlichen Informationen für eine programmgestützte Interpretation im Kontext Gebäudeautomation. Der BACnet-Standard umfasst aktuell 60 verschiedene BACnet-Objekttypen für die gesamte Gebäudetechnik von HLKS, Licht, Lift, Elektrotechnik, Energiemanagement, Höchstlastbegrenzung (mit EVU-Anbindung), bis Brand und Zutritt (BACnet Version 1, Revision 19).

Ein „Device-Objekt“ hat hardware- und kommunikationsbezogene Merkmale und beschreibt die Charakteristiken der Einrichtung (Device), der die „funktionalen“ Objekte zugeordnet sind. Bei allen Objekttypen sind die für eine Mindest-Interoperabilität erforderlichen Datenelemente (Properties) normativ zwingend festgelegt. Alle optionalen Properties erweitern (je nach Projektanforderungen) den Interoperabilitätsbereich, wenn sie von den beteiligten Kommunikationspartnern gleichermaßen implementiert werden. Deren Festlegung und die daraus resultierende (Gesamt-)Systemfunktionalität ist Aufgabe der Planung und Ausschreibung. Hierzu gehört die Festlegung der für ein Projekt insgesamt erforderlichen Interoperabilitätsbereiche und daraus abgeleitet die Festlegung der erforderlichen genormten BACnet-Interoperabilitätsbausteine (BIBBs) für die unterschiedlichen Einrichtungen.

Um aufwandsarm eine bestmögliche Interoperabilität zu erreichen, hat z. B. das Österreichische Bundesheer (ÖBH) für seine Liegenschaften zusammen mit dem Autor den „Digitalen Zwilling der GA mit BACnet“ entwickelt. Dieser ermöglicht mit einfachen, im Markt erhältlichen Tools auch die automatische Prüfung der gebauten Anlage auf Einhaltung der Spezifikation. Eine Beschreibung des Digitalen Zwillings der Gebäudeautomation „BACtwin“ folgt im dritten Teil dieser Artikelserie.

BACnet-Dienste (Services): Daten werden den Teilnehmern im Netzwerk durch Kommunikationsdienste übermittelt. Die gebräuchlichsten Dienste sind „Lesen“ (read) und „Schreiben“ (write). Diejenigen Teilnehmer, deren Daten von den anderen Teilnehmern genutzt werden, bezeichnet man als Server. Typische Server sind z. B. Sensoren oder auch Automationsstationen, wenn sie die Informationen für andere Instanzen bereithalten. Die Kommunikationspartner heißen Client und fordern die Daten oder Dienste an. Typische Clients sind Bedieneinrichtungen, Management- oder Automationsstationen.

Die Dienste regeln den gezielten Zugriff auf Daten und die Erteilung von Aufträgen und Kommandos an beteiligte Automationseinrichtungen, die nach ihrem Programm die „Befehle“ an die Anlagen erteilen. Dazu gehören alarm- und ereignisbezogene Dienste, Trending-Dienste, Datei-Zugriffsdienste, Objektzugriffsdienste und Device-/Netzwerk-Management-Dienste. Messwerte werden meist automatisch bei Wert-Änderung (change of value) übertragen (COV-Methode).

BACnet-Prozeduren: Sie enthalten Funktionen zur Priorisierung von Kommandos und Meldungen, für Datensicherung, für Systemneustart, für Fehlersuche und Systempflege, für Web-Dienste und für die automatische Einrichtung der Kommunikationsbeziehungen. Diese Prozedur zur automatischen Device- und Object-Bindung mit „I-am, Who-is, I-have, Who-has“ ist der wesentliche Unterschied zu anderen Protokollen.

Kommunikationsnetze: Entsprechend der Gliederung der VDI/Weltnorm für GA-Funktionen in Ein-/Ausgabe, Verarbeitung, Management und Bedienung wurden in der Vergangenheit jeweils auf die „Funktionsebene“ optimierte Transport-Netzwerke geschaffen und entsprechende Produkte zugeordnet. Durch das immer günstiger werdende Preis-Leistungsverhältnis von Ethernet mit dem IPProtokoll (Internet und Bürokommunikation) wachsen diese spezialisierten Netze und Bussysteme zusehends zu einem einheitlichen Netzwerk zusammen. Auch die Produkte sind multifunktionaler geworden. Wenn wir heute zwischen einem Management-, Automations- und Feldnetzwerk unterscheiden, sind oft nur unterschiedliche Netzsegmente derselben Netzwerktechnik gemeint. Bei Verbindung der Gebäudeautomation mit dem Bürokommunikations-Netzwerk sind grundsätzlich geschützte GA-Netzsegmente zu fordern, sonst können durch die in der Bürowelt oft üblichen Umkonfigurierungen (Patchfelder) böse Überraschungen im Gebäudebetrieb auftreten.

Zu den in der Norm vorgesehenen BACnet-Netzwerk-Optionen (Übertragungsoptionen) gehören:

• Ethernet (ISO 8802-3)
• BACnet/IP (IPv4 und IPv6) (LAN/WLAN)
• ARCnet
• MS/TP (Master/Slave Token Passing auf RS 485)
• RS 232C für Punkt-zu-Punkt-Modemverbindungen
• LonTalk
• ZigBee (Wireless)
• WebServices, XML, Javascript Object Notation (JSON), RESTful (für EDV-Integration)
• In Diskussion für mögliche Erweiterungen sind OPC-UA, EnOcean und Bluetooth.

 

Netzwerk-Komponenten

Die wichtigsten Komponenten in BACnet-Netzwerken sind Router und Gateways. Router strukturieren Netzwerk-Topologien und übertragen Telegramme zwischen unterschiedlichen Netzwerktypen, wobei die Inhalte (die Anwendungsdaten) unberührt bleiben. Gateways jedoch setzen eine herstellerspezifische Kommunikationsmethode und ihre Anwendungsdaten auf BACnet um. Sie werden anlagenabhängig projektiert und bewirken in der Regel neben dem Extra-Aufwand einen Verlust an Funktionalität und Performance. Es muss ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass LonMark-Produkte nicht mit BACnet kompatibel sind. Um ein LonMark-Gerät in einem GA-Netzwerk nach DIN EN ISO 16484-5 (BACnet) zu verwenden, muss ein Gateway, wie bei jedem anderen Protokoll, eingesetzt werden. LonTalk ist in BACnet eine unter mehreren wählbaren LAN-Techniken.

 

BACnet im Internet und „Native“ BACnet

BACnet konnte von Anfang an das Internet nutzen, deshalb werden heute BACnet-Bedien- und Automationsstationen über das Internet via BACnet/IP vernetzt. Mit modernen BACnet-Webservern kann für die GABedienung eine einfache Browser-Software eingesetzt werden. Immer öfter hört man den Begriff „native BACnet“ als Adjektiv für GA-Systeme. Eine Definition dieser Systemeigenschaft ist normativ nicht festgelegt, daher muss ein solches „Leistungsmerkmal“ anhand prüfbarer Kriterien untersucht werden. Der VDI-/BIG-EU-BACnet-Leitfaden gibt sinngemäß folgende Anforderungen vor:

• BACnet ist eine programmierte, immer verfügbare Grundeigenschaft.
• Für BACnet sind keine zusätzliche Hardware und kein zusätzlicher Dienstleistungsaufwand nötig.
• Alle geforderten BACnet-Objekttypen, Objekt-Properties und Dienste sind verfügbar.
• Nur zur Kommunikation mit nicht-native BACnet-Einrichtungen ist ein Gateway nötig.

 

 

Literatur
[1] Hans R. Kranz, Dr. Rupert Fritzenwallner, „Digitaler Zwilling der Gebäudeautomation mit BACnet – Anleitung zur aufwandsarmen Systemintegration“, 10/2019, 156 Seiten, A4, gebunden, cci Dialog GmbH, ISBN 978-3-922420-66-8
[2] Hans R. Kranz „BACnet Gebäudeautomation 1.12-1.19“, ISBN 978-3-922420-53-8