Gebäudeautomatisierungs-Steuerungsnetzwerk-Datenkommunikationsprotokoll BACnet

Zusammenfassung: Dieser Artikel fasst den aktuellen Stand der Kommunikationsprotokolle und Feldbusse in intelligenten Gebäuden zusammen und bietet eine detaillierte Einführung in BACnet, ein neues Datenkommunikationsprotokoll, das in diesem Bereich entstanden ist.

Schlüsselwörter: BACnet, intelligente Gebäudeautomation, objektorientiert

Mit der rasanten Entwicklung von Computer-, Kommunikations-, Steuerungs- und Grafiktechnologien – den 4Cs – und dem globalen Aufbau des Informationsnetzes rücken intelligente Gebäude, ein Produkt der Integration von Digitalisierung, Vernetzung und Informatisierung, immer stärker in den Fokus. Die verschiedenen Steuerungsfunktionen in intelligenten Gebäuden werden jedoch zunehmend leistungsfähiger und komplexer. Dies führt dazu, dass Geräte unterschiedlicher Hersteller innerhalb desselben Gebäudes eingesetzt werden, wobei jeder Hersteller im Wesentlichen seine eigenen proprietären Kommunikationsprotokolle entwickelt. Folglich bringen die unterschiedlichen Kommunikationsprotokolle und Geräte zahlreiche Schwierigkeiten bei der Systemintegration und dem Management intelligenter Gebäude mit sich, schränken die Nutzer durch die Hersteller ein und verursachen höhere Kosten für Bau, Nutzung und Instandhaltung. Daher ist die Entwicklung eines offenen und einheitlichen Kommunikationsprotokollstandards und die Schaffung einer Plug-and-Play-Umgebung zu einer dringenden Aufgabe geworden, die gelöst werden muss.

Im Bereich intelligenter Gebäude umfassen Feldbus- und Kommunikationsprotokolle aktuell im Wesentlichen: (1) Busprotokolle, die ursprünglich in der industriellen Steuerungstechnik eingesetzt wurden, wie beispielsweise Profibus, Londonbus und CAN; (2) speziell für intelligente Gebäude entwickelte Bus- und Kommunikationsprotokolle, wie BACnet und CEBus in den USA und EIB in Europa. Dieser Artikel stellt BACnet detailliert vor.

1. Überblick über das BACnet-Protokoll

Gebäudeautomatisierungsnetzwerk-Datenkommunikationsprotokoll BACnet (A Data)

Der Standard für Gebäudeautomations- und Steuerungsnetzwerke (BACnet) wurde im Juni 1995 vom Komitee 135P der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHEAE) offiziell verabschiedet. Der Standard mit der Nummer ANSI/ASHRAE Standard 135-1995 wurde im Dezember desselben Jahres offiziell zu einem US-amerikanischen Standard und vom Europäischen Komitee für Normung (ECS) als Entwurf für einen EU-Standard anerkannt. Im Januar 2000 verabschiedeten Vertreter aus 15 Ländern (China, Frankreich, Japan, Großbritannien, USA usw.) des ISO-Komitees TC 205 einstimmig eine Resolution zur umfassenden Überprüfung von BACnet als „Komiteeentwurf“. Nach entsprechenden Änderungen wurde er als „Internationaler Normungsentwurf“ eingestuft und schließlich zu einem internationalen Standard.

Gebäudeautomationssysteme bestehen typischerweise aus zwei Komponenten: einer Steuerungskomponente und einer Komponente für die Datenkommunikation. BACnet zielt darauf ab, einen einheitlichen Datenkommunikationsstandard zu etablieren und so die Interoperabilität zwischen Geräten zu ermöglichen. Das BACnet-Protokoll definiert lediglich die Kommunikationsregeln und regelt nicht die Implementierungsdetails.

Das BACnet-Protokollmodell ist wie folgt: (1) Alle Netzwerkgeräte, mit Ausnahme derjenigen, die auf dem MS/TP-Protokoll basieren, arbeiten vollständig im Peer-to-Peer-Verfahren. (2) Jedes Gerät ist eine Entität eines „Objekts“, jedes Objekt wird durch seine „Attribute“ beschrieben und bietet eine Methode zur Identifizierung und zum Zugriff auf Geräte im Netzwerk. Geräte kommunizieren miteinander, indem sie die Attribute bestimmter Geräteobjekte lesen/schreiben und die vom Protokoll bereitgestellten „Dienste“ nutzen. (3) Die Komplexität eines Geräts, d. h. seine Fähigkeit, Dienstanfragen zu erfüllen oder die Arten von Objekten zu verstehen, spiegelt sich in der „Konsistenzklasse“ des Geräts wider.

1.1 BACnet-Architektur

BACnet ist ein offenes Netzwerkprotokoll für intelligente Gebäude, das der OSI-Architektur folgt. Die Architekturhierarchie von BACnet ist in Abbildung 1 dargestellt. Unter Berücksichtigung von Hardware-/Software-Implementierung, Datenübertragungsrate, Systemkompatibilität und Netzwerkanwendungen unterstützt das BACnet-Protokoll derzeit fünf Kombinationen von Spezifikationen für die Sicherungs- und Bitübertragungsschicht. Das Master/Slave/Token-Passing-Protokoll (MS/TP) ist eine speziell für Gebäudeautomationssysteme entwickelte Spezifikation für die Sicherungsschicht. Bezüglich der Übertragungsmedien unterstützt BACnet Twisted-Pair-Kabel, Koaxialkabel und Glasfaser. Topologietechnisch werden Stern- und Bus-Topologien unterstützt.

BACnet verfügt über keine streng definierte Netzwerktopologie, wie in Abbildung 2 dargestellt. Hierbei ist ein Segment ein segmentierter Bereich, der durch die Verbindung mehrerer physischer Netzwerksegmente mittels Repeatern (R) gebildet wird; ein Netzwerk wird durch die Verbindung mehrerer Netzwerksegmente mittels Bridges (B) gebildet, und jedes Netzwerk bildet eine MAC-Adressdomäne; ein BACnet/Internet-Netzwerk ist ein Internet, das durch die Verbindung mehrerer Netzwerke mit unterschiedlichen LAN-Technologien mittels Routern (RT) gebildet wird.



In einer BACAN-Topologie existiert nur ein logischer Pfad zwischen den Geräten, wodurch die in Weitverkehrsnetzen üblichen optimalen Routing-Algorithmen entfallen. Da BACAN über einen einzigen lokalen Adressraum verfügt, verwendet es ein vereinfachtes Netzwerkprotokoll auf Basis des OSI-Modells und stellt der Anwendungsschicht unbestätigte, verbindungslose Datenübertragungsdienste bereit. Jedes BACAN-Gerät wird eindeutig durch eine Netzwerknummer und eine MAC-Adresse identifiziert.

Die Netzwerkschicht verbindet zwei oder mehr heterogene BACnet-LANs (auf verschiedenen Datenschichten) über Router und führt deren automatische Konfiguration, Routingtabellenpflege und Staukontrolle mittels Protokollnachrichten durch. Der Verbindungspunkt zwischen einem BACnet-Router und jedem Netzwerk wird als Port bezeichnet. Die Routingtabelle enthält für den Port folgende Informationen: (1) die MAC-Adresse und Netzwerknummer des mit dem Port verbundenen Netzwerks; (2) eine Liste der vom Port erreichbaren Netzwerknummern und den Verbindungsstatus zu diesen Netzwerken. In Abbildung 2 ist „1/2 RT“ ein halber Router, der über PTP zu einem vollständigen BACnet-Router verbunden ist. Das heißt, das BACnet-Internet schirmt die WAN-Technologie zur Anwendungsschicht ab.

Die BACnet-Anwendungsschicht, auch BACnet-Anwendungsentität genannt, stellt über APIs (Programmierschnittstellen) Dienste für Anwendungen höherer Schichten bereit und kommuniziert mit anderen Anwendungsschichten. Eine Anwendungsentität besteht aus zwei Teilen: einer Benutzereinheit und einer Anwendungsdiensteeinheit (ASE). Eine ASE ist eine Menge inhaltsspezifischer Anwendungsdienste. Die Benutzereinheit unterstützt lokale APIs, speichert Kontextinformationen zur Transaktionsverarbeitung, generiert Anforderungs-IDs, protokolliert die zugehörigen Anwendungsdienstantworten, verwaltet Zähler für Timeout-Wiederholungsmechanismen und ordnet Geräteverhaltensanforderungen Objekten zu.

Die BACnet-Anwendungsschicht stellt sowohl bestätigte als auch unbestätigte Dienste bereit. BACnet definiert vier Dienstprimitive: Anfrage, Indikation, Antwort und Bestätigung. Diese werden über Application Layer Protocol Data Units (APDUs) übertragen. Da BACnet auf einem verbindungslosen Kommunikationsmodell basiert, werden die vereinfachten Transportschichtfunktionen des OSI-Modells, die Ende-zu-Ende-Dienste ermöglichen, ebenfalls von der Anwendungsschicht implementiert. Zu diesen Funktionen gehören: zuverlässige Ende-zu-Ende-Übertragung und Fehlerprüfung; Nachrichtenfragmentierung und Flusssteuerung; sowie Nachrichtenwiederzusammensetzung und Sequenzsteuerung.

1.2 Objekte, Dienste und Funktionsgruppen von BACnet

BACnet verwendet objektorientierte Technologie, um einen Standard für die Darstellung von Gebäudeautomationsgeräten bereitzustellen. In BACnet ist ein Objekt eine Menge von Datenstrukturen, die zwischen Netzwerkgeräten ausgetauscht werden. Netzwerkgeräte interagieren, indem sie die in der Anwendungsschicht-API gekapselten Objektdatenstrukturen lesen und modifizieren. BACnet definiert derzeit 18 Objekte (siehe Tabelle 1). Jedes Objekt muss drei Attribute besitzen: Objektkennung, Objektname und Objekttyp. Die Objektkennung identifiziert das Objekt eindeutig; BACnet-Geräte können Verbindungen zu Geräten herstellen, die bestimmte Objekte enthalten, indem sie den Objektnamen eines ihrer eigenen Objekte senden. Das BACnet-Protokoll erfordert, dass jedes Gerät ein „Geräteobjekt“ enthält. Durch das Lesen seiner Attribute erhält das Netzwerk vollständige Informationen über das Gerät.

Tabelle 1 BACnet-Objekte



In BACnet werden die Methoden eines Objekts als Dienste bezeichnet. Ein Objekt und seine Eigenschaften liefern eine abstrakte Beschreibung der „netzwerksichtbaren Informationen“ eines Gebäudeautomationsgeräts, während Dienste die Befehle und Methoden für den Zugriff auf und die Bearbeitung dieser Informationen bereitstellen. BACnet-Geräte implementieren Dienste durch die Übertragung von Dienstanforderungs- und Dienstantwortnachrichten über das Netzwerk. BACnet definiert 35 Dienste und unterteilt diese in sechs Kategorien: (1) Alarm- und Ereignisdienste, die acht Dienste zur Behandlung von Änderungen des Umgebungszustands umfassen und Methoden wie die Benachrichtigung über Änderungen von BACnet-Geräte-Voreinstellungen, die Anforderung einer Zusammenfassung des Alarm- oder Ereignisstatus, das Senden von Alarm- oder Ereignisbenachrichtigungen und den Empfang von Alarmbenachrichtigungsbestätigungen bereitstellen; (2) Dateizugriffsdienste, die zwei Dienste umfassen und Methoden zum Lesen und Schreiben von Dateien bereitstellen, einschließlich der Möglichkeit zum Hoch- und Herunterladen von Steuerungsprogrammen und Datenbanken; (3) Objektzugriffsdienste, die neun Dienste umfassen und Methoden zum Lesen, Ändern und Schreiben von Attributwerten sowie zum Hinzufügen und Löschen von Objekten bereitstellen; (4) Fernverwaltungsdienste für Geräte. (5) Die Dienste für virtuelle Terminals umfassen drei Dienste, die einen zeichenorientierten bidirektionalen Datenaustauschmechanismus bereitstellen, der es anderen Gebäudeautomatisierungsgeräten mit proprietären Eigenschaften ermöglicht, zu einem virtuellen BACnet-Terminal zu werden und dem BACnet-Netzwerk erlaubt, dieses wiederherzustellen; (6) Die Dienste für Netzwerksicherheit umfassen zwei Dienste, die Funktionen zur Überprüfung von Peer-Entitäten, zur Überprüfung der Datenquelle, zur Überprüfung des Bedieners und zur Datenverschlüsselung bereitstellen.

BACnet-Funktionsgruppen definieren die Kombinationen von Objekten und Diensten, die zur Implementierung spezifischer Steuerungsfunktionen erforderlich sind. BACnet hat 13 Funktionsgruppen definiert, darunter die Taktfunktionsgruppe, die Ereignisreaktionsfunktionsgruppe, die Dateifunktionsgruppe, die virtuelle Terminalfunktionsgruppe, die Gerätekommunikationsfunktionsgruppe usw.

1.3 Beschreibung der BACnet-Geräteebene und Geräteklasse

In praktischen Gebäudeautomationssystemen ist es weder notwendig noch möglich, dass alle Geräte alle oben genannten Objekte und Dienste unterstützen und beinhalten. Daher definiert BACnet sechs Konsistenzkategorien (Geräteebenen). Die Kategorien sind von 1 bis 6 nummeriert, wobei Kategorie 1 die niedrigste Ebene darstellt. Jede Kategorie legt die minimale Teilmenge der Dienste fest, die das Gerät implementieren muss, und umfasst alle Dienste der darunterliegenden Ebene.

Um Anwendern und Ingenieuren die Bestimmung der Interoperabilität verschiedener BACnet-Geräte zu erleichtern, müssen Hersteller für jedes Gerät eine Datei im Standardformat bereitstellen, die den im Gerät implementierten BACnet-Standard identifiziert. Diese Datei muss eine Beschreibung des BACnet-Konformitätsgrades des Geräts enthalten. Sie wird als PICS-Datei (Protocol Implementation Conformity State) bezeichnet und umfasst: (1) grundlegende Informationen zur Identifizierung des Herstellers und zur Beschreibung des Geräts; (2) den BACnet-Konformitätsgrad des Geräts; (3) die vom Gerät unterstützten Funktionsgruppen; (4) die vom Gerät unterstützten standardbasierten oder proprietären Dienste sowie die Fähigkeit des Geräts, Dienstanfragen zu initiieren oder darauf zu reagieren; (5) die vom Gerät unterstützten standardbasierten oder proprietären Objekttypen und deren Attributbeschreibungen; (6) die vom Gerät unterstützten Datenverbindungstechnologien; und (7) die vom Gerät unterstützten segmentierten Anfragen und Antworten.

2. BACnets Internet-Erweiterungen

Derzeit nutzt der BACnet-Standard zwei Technologien zur Internetanbindung. Die erste Technologie, in Anhang H als „Tunneling“ bezeichnet, verwendet ein sogenanntes Packet Encapsulation/Decapsulation Device (PAD). Dieses fungiert als Gateway/Router, wie in Abbildung 2 dargestellt, wo zwei Semi-Router über ein Weitverkehrsnetz zu einem vollständigen BACnet-Router verbunden werden. Die zweite Technologie, in Anhang J als BACnet/IP bezeichnet, beinhaltet die direkte Kapselung von IP-Frames/Paketen durch das Gerät zur Übertragung über das BACnet-Netzwerk und das Internet.

PAD kapselt BACnet-Nachrichtendaten in IP-Protokollpakete für die Übertragung und entkapselt sie am Ziel-BACnet-Netzwerk. Daher muss jedes mit dem Internet verbundene BACnet-Netzwerk mit einem PAD-Gateway/Router konfiguriert werden. Dies kann ein eigenständiges Gerät oder Bestandteil der Funktionalität von Gebäudeleittechnik sein.

ASHRAE veröffentlichte Annex J offiziell im Januar 1999 und machte es damit zum US-amerikanischen Nationalstandard. Es spezifiziert die Technologie für TCP/IP-fähige Geräte zum Aufbau von BACnet-Netzwerken und bezeichnet diese als BACnet/IP-Netzwerk oder kurz B/IP. Ein BACnet/IP-Netzwerk besteht aus einem oder mehreren IP-Subnetzen, von denen jedes eine eigene, eindeutige BACnet-Netzwerknummer besitzt. BACnet/IP-Netzwerknachrichten sind IP-Pakete auf der Netzwerkschicht und UDP-Datagramme auf der Transportschicht, wodurch die Integration in das TCP/IP-Protokoll des Internets erreicht wird.

Offene, kompatible, flexible und breit unterstützte Kommunikationsprotokolle bzw. Feldbusse für intelligente Gebäude werden sich in diesem Bereich als wegweisende Technologie etablieren. Das BACnet-Protokoll ist eine solche Pioniertechnologie, die die Vernetzung, Austauschbarkeit und Interoperabilität von Geräten verschiedener Hersteller ermöglicht und so nahtlos vernetzte Gebäudeautomationssysteme schafft. Es erfüllt die Bedürfnisse von Eigentümern, Nutzern und Systemintegratoren und bietet vielfältige Netzwerkverbindungen sowie Internetzugangslösungen. Dadurch wird die Integration verschiedener Systeme in intelligente Gebäude erleichtert und der Zugang zum Informationsnetz vereinfacht.