In den Netzwerk-Architekturen der Gebäudeautomation sind Gateways wichtige Bausteine. Als Vermittler zwischen den verschiedenen Geräten und Kommunikationsprotokollen sorgen sie für den reibungslosen Datenaustausch.

Der Vielzahl von Geräten und Protokollen in der Gebäudeautomation (GA) entsprechend, sind die Universal Gateways von MBS im Wortsinn „universal“: Sie umfassen nicht nur einzelne, sondern alle gängigen Busprotokolle, die im Rahmen der verfügbaren physikalischen Schnittstellen umgesetzt werden können. Ob als Komponente auf einer Hutschiene in einem Schaltschrank montiert oder als Edge Device in einer virtuellen Umgebung – die Universal Gateways decken alle Hardware-Schnittstellen genauso ab wie alle Kommunikationsprotokolle. Dabei können sie nicht nur bis zu fünf Bussysteme verknüpfen, sondern bieten mit mindestens 25 bis maximal 40.000 auch eine große Range an Datenpunkten.

Viele Kommunikationsprotokolle, eine einzige Schnittstelle

Dass die Gebäudeautomation auf Gateways nicht verzichten kann, liegt auf der Hand. Denn die Vernetzung, Überwachung und Steuerung aller Geräte erfolgt via Bussystem. Zwischen den verschiedenen Teilnehmern – wie Sensoren, Aktoren, DDC oder Leittechnik – stellt es ein gemeinsames Leitungssystem zur Verfügung, auf dem sich Daten übertragen lassen. Seit das Internet-Protokoll in der GA verwendet wird, haben sich bei Fachleuten die Bezeichnungen Kommunikations- oder Busprotokoll eingebürgert.

Dass so viele verschiedene Systeme existieren, hat zum einen technische Gründe: Abhängig vom Verwendungszweck sind die Anforderungen sehr unterschiedlich. So werden zum Beispiel bei der Übertragung von Zählerdaten mit dem M-Bus die Datenleitungen gleichzeitig genutzt, um die Zähler mit Strom zu versorgen.

Aber auch historische Entwicklungen spielen eine Rolle: So gab es beispielsweise auf der Feldebene für die Datensammlung zunächst Messfühler, die mit analogen Signalen arbeiteten. Seit den 1980-er Jahren werden hier zunehmend auch digitale Sensoren verwendet. Für die Vernetzung kamen zunächst kabelgebundene Systeme sowie Stromleitungen zum Einsatz. Mit dem Einzug des Internet-Protokolls (IP) in die GA kommen zunehmend IP-basierte Netze zum Einsatz, die mittlerweile durch kabellose Technologien ergänzt werden.

Zudem unterscheidet man grundsätzlich geschlossene von offenen Bussystemen. Geschlossene Systeme sind proprietär, also herstellergebunden, sie lassen sich ausschließlich auf den Geräten des entsprechenden Herstellers verwenden. Mit offenen Systemen dagegen können unterschiedliche Devices verschiedener Hersteller zusammengeschaltet werden, wodurch sich sowohl technische als auch wirtschaftliche Vorteile erzielen lassen. Entsprechende Busprotokolle für die Gebäudeautomation wurden von eigenen Konsortien standardisiert und werden weiterhin an aktuelle Erfordernisse angepasst.

BACnet, KNX, LON, DALI, M-Bus …

Dazu gehören die folgenden Systeme:

Etwa 25 Mio. Geräte tauschen derzeit ihre Daten via BACnet (Building Automation and Control Networks) aus. Mit BACnet Secure Connect hat der herstellerübergreifende Kommunikationsstandard seit 2019 eine eigene Sicherheitsarchitektur.
Ein auf der Feldebene in Europa gerne genutzte Kommunikationsprotokoll ist der Konnex-Bus KNX, der Nachfolger des Europäischen Installationsbusses EIB. Dieser Standard überträgt Daten auf verdrillten Zweidrahtleitungen, aber auch via Funk oder IP.
Der Feldbus-Standard LON (Local Operating Network) mit dem Kommunikationsprotokoll LonTalk gehörte weltweit zu den beliebtesten Technologien. Er ermöglicht gewerkeübergreifende Vernetzung und ist auch heute noch in vielen Liegenschaften anzutreffen, oft im Bereich der Einzelraumregelung.
DALI (Digital Addressable Lighting Interface) ist ein probates Bussystem für die Installation, Steuerung und Kommunikation aller Komponenten einer Beleuchtungsanlage, beispielsweise um Lichtfarben einzustellen oder Leuchtkörper zu dimmen.
Der M-Bus (Meter-Bus) wird im Feld eingesetzt, um Verbrauchsdaten zu erfassen. Er arbeitet nach dem Anfrage-Antwort- oder Master-Slave-Prinzip, die Kommunikation wird über Spannungsmodulation organisiert.
Der Modbus stammt aus dem Bereich der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS). Dem Standard wurde eine Client-/Server-Architektur zugrundegelegt: Der Client – z.B. ein PC – kann mit mehreren Servern – etwa Mess- und Regelsystemen – kombiniert werden.
Mit EnOcean können Sensoren (Mess-Fühler, Bewegungsmelder etc.) sowie Aktoren über Funksignale kommunizieren. Der benötigte Energieaufwand ist trotzdem gering, da die Sensoren ihre Energie aus ihrer Umgebung (Bewegung, Licht, Wärme) beziehen.
Der OCF-Standard wird aktuell entwickelt, um der klassischen GA den Weg in die Zukunftsfähigkeit zu ebnen. Derzeit erarbeiten circa 500 Mitglieder der OCF-Industriegruppe (Open Connectivity Foundation) Spezifikationen für das Internet of Things (IoT).
MQTT (Message Queue Telemetry Transport) ist das wichtigste Netzwerkprotokoll für die Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M). Es wird oft verwendet, um die Daten von Liegenschaften in die Cloud-Services unterschiedlicher Betreiber zu übertragen.
Thread ist ein offenes Funkprotokoll für die drahtlose Datenübertragung zwischen Geräten mit niedriger Leistungsaufnahme und geringer Datenübertragungsrate. Dabei bietet Thread nativen IP-Support für die unkomplizierte Anbindung an das Internet.

… CAN, Profinet, OPC UA

Hinzu kommen weitere Busprotokolltreiber, die vor allem in der Industriellen Automation eingesetzt werden:

CAN (Controller Area Network) dient dem kabelbasierten, digitalen Datenaustausch. Dieser Standard bildet die Basis für CANopen, ein Protokoll für die moderne Automatisierungstechnik.
Mit Profinet lassen sich verteilte Steuerungselemente mit einer zentralen Steuerung verknüpfen. Der offene Industrial-Ethernet-Standard definiert die dezentralen Feldgeräte als IO-Device (Input/Output), die von einem IO-Controller gesteuert werden.
Die Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) ist eine plattformunabhängige Architektur für den herstellerunabhängigen Datenaustausch im industriellen Umfeld sowie im Internet of Things (IoT).

Fügte man dieser Aufstellung noch die proprietären Kommunikationsprotokolle hinzu, so würde die Liste auf weit über 100 anwachsen. Das zeigt noch einmal sehr anschaulich, weshalb die Gebäudeautomation auf ihre „Dolmetscher“ nicht verzichten kann.

Unverzichtbare Übersetzer

Was den technischen Aufbau betrifft, so liegt den Universal Gateways von MBS folgendes Konzept zugrunde: Im Zentrum steht der Datenpunkt-Manager (DP-Manager) als neutrale Instanz, die zwischen allen installierten, freigeschalteten Busprotokolltreibern vermittelt. Kommen Daten an, so übergibt der zuständige Busprotokolltreiber diese Daten zunächst dem DP-Manager. Der DP-Manager weist sie je nach Programmierung einem oder mehreren Ziel-Protokollen zu. Hinzu kommen ein Interface für einen seriellen Bus sowie ein IP-Interface, mit dem gleichzeitig mehrere IP-Protokolltreiber gefahren werden können. Am häufigsten vermittelt ein Universal Gateway zwischen zwei unterschiedlichen Bussen.

Dabei hängt es von den Bussystemen ab, welche Hardware-Interfaces zum Einsatz kommen. Um den unterschiedlichen technischen Anforderungen gerecht zu werden, bietet MBS seine Gateways in zwei Baureihen an – der X-Serie und der A-Serie. Da sie auf einer Firmware-Platform basieren, sind sie so vielseitig wie flexibel. Und durch die modulare Bauweise können spezifische Aufsatzplatinen direkt in das Gerät eingebaut werden. Welche Busprotokolle sich mit der X-Serie kombinieren lassen, zeigt die Produktliste. Die A-Serie ist mit 20.000 bzw. 40.000 Datenpunkten das leistungsstärkste Gerät am Markt, weist aber nur ein Drittel der Abmessungen herkömmlicher Geräte auf. Mit diesen Gateway-Baureihen ist für annähernd jede kundenspezifische Anforderung eine Lösung möglich.

Der Datenpunkt eines Gateways bezeichnet übrigens weder ein spezifisches Objekt noch einen konkreten Wert oder ähnliches. Um seine Definition zu verstehen, sollte man wissen, dass jedes Busprotoll diesen anders bestimmt: In BACnet etwa bezeichnet ein Datenpunkt Name sowie Wert eines bestimmten BACnet-Objekts. In KNX dagegen gibt es gar keine Einzelnamen, sondern Gruppenadressen plus Werte. Je nach System können Datenpunkte zudem physikalisch oder virtuell sein. In der Leittechnik wiederum versteht man darunter einen Einblendpunkt, der mit Soll- und Istwert-Anteil definiert ist. Diese Definitionen unterscheiden sich stark – in technischer, administrativer sowie finanzieller Hinsicht.

Datenpunkt und Datenpunkt-Manager

Im Workflow des MBS-Gateways definiert sich der Datenpunkt als die Weiterleitung einer Information von einem Busprotokoll zu einem anderen. Stellt man sich ein Gateway vor, das zwischen zwei Systemen „dolmetscht“, dann ist in beiden jeweils eine eigene technische Adresse definiert. Jede dieser beider Adressen stellt einen Datenpunkt dar. Kommen Daten mit dem ersten Busprotokoll herein, so ändert sich der Wert des Datenpunktes, der zu dieser technischen Adresse gehört. Nun wird der neutrale DP-Manager aktiv, indem er diese Änderung an die technische Adresse des zweiten Kommunikationsprotokolls, den zweiten Datenpunkt, weiterleitet.

Eine Weiterleitung einer Information von einem Busprotokoll in ein anderes wird bei den MBS Universal-Gateways als ein Datenpunkt gezählt.

Die Universal Gateways decken alle Gewerke ab: von Klimatisierung, Frischwasserversorgung sowie Abwasserentsorgung über Zutrittskontrolle, Beleuchtungssteuerung und Brandmeldung bis zu allgemeinen Regelaufgaben plus Stellantrieben. Seit Mitte der 1990er-Jahre hat der Krefelder Hersteller sie im Angebot. Seitdem ermöglichen sie mit ihrem modularen Aufbau große Flexibilität.

Vom Feld in die Cloud

Mit dieser umfangreichen Erfahrung nimmt MBS auch die aktuellen Veränderungen in der Welt der Gebäudeautomation auf. So verstärkt sich derzeit die Nachfrage nach Lösungen, die unterschiedliche Gewerke miteinander verknüpfen. Mit der Entwicklung von Cloud-basierten Services gehen diese Kopplungen über die einzelnen Liegenschaften hinaus, in das Internet of Things hinein. Dieser Tendenz trägt MBS Rechnung, indem das Unternehmen seine Universal Gateways mit dem Busprotokoll MQTT zu Edge Devices weiterentwickelt hat. Dem Trend zur digitalen drahtlosen Kommunikation – mit Thread – wird der Krefelder Hersteller zukünftig ebenfalls folgen.

IM FOKUS

Universal Gateways | Dolmetscher für die Gebäudeautomation