Grundprinzip und Elemente von Bussystemen

Hauptaufgabe der Elektroinstallation ist es, die elektrische Energie zu den Verbrauchern an beliebigen Stellen des Gebäudes zu transportieren. Dies erfolgt mithilfe eines verzweigten Leitungssystems, das vergleichbar mit dem menschlichen Blutgefäßsystem ist. Es bringt in ähnlicher Weise Nährstoffe (= Energie) zu den Organen und Zellen.

Gallerie

„Klassische“ Elektroinstallation

Die klassische Elektroinstallation diente in bestimmtem Maße gleichzeitig zur Steuerung der Vorgänge im Gebäude, einfach durch Schließen (Einschalten der Lampe) oder Unterbrechen (Ausschalten) des Energiekreislaufs sowie zum Transport der Energie. Mit der Zunahme der Funktionen und Geräte kommt dieses Prinzip an seine Grenzen, da der Bedarf an Kabeln und Leitungen und damit der Material-, Kosten- und Arbeitsaufwand höher wird.

Elektroinstallation mit Bussystemen

Bei Bussystemen werden Energie und Informationen mit getrennten Leitungen transportiert. Allen Bussystemen gemeinsam ist, dass sämtliche Verbraucher (= Aktoren) mit sämtlichen Befehlsgebern (= Sensoren) über ein Medium, meist eine 2-adrige, verdrillte Kupfer-Leitung, miteinander verbunden sind. Über diese Busleitung laufen, vergleichbar mit dem menschlichen Nervensystem, nach bestimmten Regeln sämtliche Steuerinformationen innerhalb des Hauses. Die Busleitungen werden in Linien-, Stern- oder Baumstruktur im Gebäude verlegt. Die Signalpegel liegen im Bereich der Schutzkleinspannung.

Das leitungssparende Grundprinzip besteht darin, dass alle Busteilnehmer (Bedienungselemente, Sensoren, Aktoren usw.) an eine Busleitung angeschlossen werden und auf dieser Leitung Signale zum Schalten, Steuern, Regeln und Überwachen austauschen. Voraussetzung dafür ist, dass die Installationsgeräte busfähig, d.h. mit einer programmierbaren Steuerelektronik ausgerüstet sind. Die Verknüpfung aller Ein- und Ausgabegeräte – der gesamten Elektroinstallation – erfolgt durch eine Programmierung, statt durch eine Verdrahtung.

Das Prinzip bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich:

  • Höchste Flexibilität: Bei erforderlichen Änderungen der Raumaufteilung muss nicht neu installiert, sondern nur umprogrammiert werden
  • Erweiterungsmöglichkeit: Ist die Grundinstallation (Busleitung) erst einmal vorhanden, kann das System nahezu beliebig erweitert werden
  • Gleichzeitige Nutzung der Informationen: Informationen eines Sensors können an beliebig vielen Stellen genutzt werden (z.B. Hoch- oder Runterfahren aller Jalousien, gleichzeitiges Ein- oder Ausschalten aller Lampen in einem Bürohaus mit einem Signal etc.)
  • Einsparung von Steuerleitungen: Die Brandlast wird vermindert und die Installation bleibt überschaubar
  • Reduzierung der Betriebskosten
  • Energieeinsparung
  • Moderne Elektroinstallation in historischen Gebäuden: Die Bausubstanz muss nicht tiefgreifend verändert werden, was bei einer konventionellen Elektroinstallation mit gleichen Merkmalen unumgänglich wäre
  • Steuerung von außen: Die Systeme im Gebäude können per Internet oder per Telefon von außen gesteuert werden
Voraussetzung für die Gebäudeautomation
Entscheidend für eine umfassende Gebäudeautomation ist das Zusammenspiel von Sensoren und Aktoren, die über bestimmte Übertragungssysteme die entsprechenden Daten und Informationen auswerten und in Schaltaktionen übertragen. Neben der kabelgebundenen Gebäudesystemtechnik (Oberbegriff für alle Bussysteme) kann die Gebäudeautomation auch über kabelfreie Funk-Systeme eingerichtet werden. Die Gebäudeautomation bietet:
  • Komfort: Fernbedienung vieler Funktionen, intelligente Jalousiesteuerungen, automatische Raumtemperaturregelung, Lichtsteuerung etc. Im Wohnbereich spricht man von Home Automation bzw. vom Intelligenten Haus
  • Sicherheit: Präsenz- und Bewegungsmelder, Windwächter, Maximumwächter, Einbruch, Brand- und Rauchmeldesysteme etc.
  • Energie- und Kosteneinsparung: Kontrollierte Be- und Entlüftung, Einzelraumtemperaturregelung, tageslichtabhängige Lichtsteuerung, Einbeziehung regenerativer Energiequellen, Wärmepumpen etc.
Es gibt verschiedene Bussysteme auf dem Markt. Die wichtigsten sind KNX, LON und  LCN.
  • Am bekanntesten und verbreitetsten ist der KNX, das ist der frühere „Europäische Installationsbus - EIB“, an dem hier die Grundprinzipien der Bustechnik erläutert werden.
  • Ein leicht zu programmierendes, handwerksgerechtes System bildet der LCN-Bus.
  • Für umfangreiche Anlagen wird auch das LON-System verwendet, das seine Ursprünge in der Industrieautomatisierung hat.

Elemente der Gebäudesystemtechnik

  • Übertragungsmedien
    Die Datenübertragung, d.h. die physikalische Realisierung der Busleitung, ist mit verschiedenen Medien möglich:

    Verdrillte Kupferleitung (TP = twisted pair)
    Der Netzspannung überlagert über das 230/400-V-Netz (PL = Powerline)
    Funkwellen (RF = Radio Frequency)
    Infrarot-Lichtwellen (IR = Infra Red)
  • Topologie
    Als Topologie wird die Struktur eines Netzwerks von Buskomponenten bezeichnet, bei dem mehrere Übertragungsleitungen zusammengeschaltet werden. Man unterscheidet Stern-, Baum- oder Linienstruktur.
  • Linie
    Die kleinste Einheit in einem Busnetzwerk ist die Linie. Bei KNX können an eine Linie maximal 64 Bus-Teilnehmer angeschlossen werden. Durch den Einsatz von Linienverstärkern erhöht sich die Anzahl möglicher Teilnehmer auf maximal 256, wobei ein Linienverstärker bereits als Teilnehmer gilt. An jeder Linie dürfen dabei bis zu drei Linienverstärker eingesetzt werden. Werden mehr Geräte in einem KNX-Netzwerk benötigt, können auch weitere Linien gebildet – insgesamt bis zu 15 – und über sogenannte Linienkoppler an eine Hauptlinie angeschlossen werden. Je Hauptlinie können somit unter Beachtung der maximalen Leitungslängen ohne Linienverstärker 15 x 65 bzw. mit Linienverstärker 15 x 256 Geräte zusammengeschlossen werden. Bis zu 15 Hauptlinien können wiederum mithilfe von Bereichskopplern zu Bereichen zusammengeschlossen werden, sodass auch große Gebäude mit der kompletten Bustechnik ausgestattet werden können.
  • Datentelegramm
    Ein Datentelegramm ist eine festgelegte Struktur eines Datenblocks auf der Busleitung. Sie ist genau festgelegt, damit ihn alle Busteilnehmer verstehen und weiterverarbeiten können. Die Datenübertragung erfolgt mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 9.600 bit/s.
  • Sensoren
    Als Sensoren bezeichnet man die Geräte zum Erfassen von Analogwerten (Temperaturfühler, Helligkeit, Bewegung) oder Binärinformationen (Schaltstellungen, Impulse von Tastern, Meldungen etc.)
  • Manuelle Sensoren
    Bei den manuellen Sensoren erfolgt die Ausführung der Befehle und physikalischen Zustände händisch per Tastendruck oder Drehbewegung bei Drehdimmern. Die Informationen werden über den KNX-Bus zu den ausführenden Geräten geleitet.
  • Automatische Sensoren
    Präsenzmelder, Wetterstationen, Raumtemperaturregler u. a. wandeln physikalisch gemessene Größen in elektrische Werte um, verarbeiten diese und senden ein Telegramm über den KNX-Bus zur Umsetzung der entsprechenden Befehle.
  • Aktoren
    Aktoren empfangen die Datentelegramme und setzen diese in Aktionen um, wie Schalt- und Dimmbefehle für Leuchten, Steuerbefehle für Rollläden, Markisen etc. oder Stellbefehle für Heizkörperventile. Aktuelle Zustände werden an die Anzeigeelemente der Sensoren zurückgemeldet.
  • Controller
    Controller sind Geräte für komplexe Steuer- und Regelfunktionen, z.B. logische Verknüpfungen, Lichtszenensteuerungen, Zeitsteuerungen. 
  • Steuerzentralen
    Die verschiedenen (KNX-)Steuerzentralen bilden den Knotenpunkt zur Vernetzung und gemeinsamen Steuerung sämtlicher Funktionen, sowohl raumbezogen als auch für das gesamte Gebäude.
  • Anzeige- und Bediengeräte
    Zur Visualisierung der Vorgänge im System (Schaltstellungsanzeige), Touch-Screens, Bedien- und Meldetableaus werden Anzeige- und Bediengeräte verwendet.
  • Systemgeräte
    Die unterschiedlichen Systemgeräte werden zum Aufbau der Busstruktur (Linien- und Bereichskoppler), als Schnittstellen zur Programmierung und Inbetriebnahme der KNX-Anlage
    benötigt.
  • Gateway
    Ein Gateway bildet eine Schnittschnelle zwischen zwei inkompatiblen Netzwerken, d.h. es dient dazu die Kommunikation zwischen zwei Netzen oder Geräten herzustellen. Dabei übersetzt es die ein- und ausgehenen Nachrichten und transferiert die Daten (z.B. Formate und Protokolle) der beiden unterschiedlichen Netze.

Aufbau der Busgeräte

Busgeräte bestehen jeweils aus dem Busankoppler und dem Anwendungsmodul. Beide sind über die Anwender-Schnittstelle (10- oder 12-poligen Steckverbinder) miteinander verbunden. Das Anwendungsmodul ist das Endgerät, das die gewünschte Funktion realisiert.

Der Busankoppler sendet und empfängt die Telegramme über den Installationsbus. Jeder Busankoppler enthält einen Mikroprozessor zur Speicherung und Bearbeitung des Anwendungsprogramms sowie einen Wandler zur Spannungsversorgung.

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Planungsgrundlagen

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