KNX vs LCN

Die Kommunikation zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller war nicht immer gewährleistet, und einzelne Systeme erforderten teilweise eine eigene Gebäudeleittechnik. Dies führte dazu, dass das zuständige Personal für die Bedienung und Steuerung verschiedener Systeme speziell geschult werden musste. Aufgrund der technischen Inhomogenität gestaltete sich zudem eine spätere Erweiterung oder Anpassung der Anlagen schwierig. Diese Situation war nicht nur zeitintensiv, sondern verursachte auch zusätzliche Kosten.

Um diese Problematik zu lösen und eine herstellerübergreifende Kommunikation zu ermöglichen, entwickelte die American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) ab 1987 das Kommunikationsprotokoll BACnet. Ziel war es, den Datenaustausch zwischen Komponenten unterschiedlicher Hersteller und verschiedener Systeme zu standardisieren und dadurch die Integration in eine gemeinsame Gebäudeautomation zu erleichtern. Durch die Standardisierung wurde es möglich, Geräte verschiedener Hersteller in einem gemeinsamen Automationsnetzwerk einzusetzen und Anlagen flexibler zu erweitern.

Neben BACnet haben sich jedoch weitere Kommunikationssysteme in der Gebäudeautomation etabliert, die unterschiedliche technische Ansätze verfolgen. Für die Gebäudeautomation in der Praxis sind insbesondere KNX und LCN von Bedeutung. Im Folgenden werden daher zunächst die grundlegenden Eigenschaften, die Funktionsweise sowie die jeweiligen Vor- und Nachteile dieser beiden Systeme betrachtet.

1. Local Control Network (LCN)

Das LCN ist ein Bussystem zur Kommunikation zwischen Komponenten der Gebäudeautomation. Es dient der Vernetzung und Steuerung verschiedener gebäudetechnischer Geräte wie Sensoren, Aktoren und Steuerungseinheiten. Im Vergleich zu anderen Bussystemen zeichnet sich LCN durch ein einfaches Kommunikationsprotokoll und eine hohe Zuverlässigkeit im Datenaustausch zwischen den Geräten aus. Das LCN-System wurde 1984 von der Firma ISSENDORFF KG entwickelt, deren ursprünglicher Schwerpunkt auf der Entwicklung von PC-Hard- und Software sowie Netzwerktechnologien lag. Im Jahr 1992 erfolgte die Umfirmierung zur ISSENDORFF Mikroelektronik GmbH. Bereits nach einer nur dreimonatigen Entwicklungszeit konnten die ersten Prototypen vorgestellt werden, was den offiziellen Startschuss für das LCN-System markierte.

LCN verfügt über eine leistungsfähige, zweistufige Busarchitektur mit einer klar strukturierten Hierarchie. Die Kommunikation erfolgt auf der unteren Busebene mit einer Datenrate von 9.600 Bd, was einer Übertragung von etwa 100 Telegrammen pro Sekunde entspricht. Auf der Segmentebene beträgt die Datenrate 300 kBd, womit bis zu 1.000 Telegramme pro Sekunde, in Spitzenfällen sogar bis zu 10.000 Telegrammen pro Sekunde, übertragen werden können.

Die Nutzdatenmenge pro Telegramm umfasst in der Regel 24 Bit, kann jedoch abhängig von der Systemkonfiguration auf bis zu 120 Byte pro Telegramm erweitert werden.

Abbildung 2: Struktur vom LCN-System Quelle: www.lcn.eu

Pro Segment sind maximal 250 Module anschließbar, und ein LCN-System kann bis zu 120 Segmente umfassen. Damit ergibt sich eine maximale Systemkapazität von etwa 30.000 Modulen, was einer Gesamtzahl von mehr als 600.000 Sensoren und Aktoren entspricht.

Die Reichweite eines Busstrangs beträgt bis zu 1 km, wobei pro Segment über 50 Busstränge realisiert werden können. Durch den Einsatz von Lichtwellenleitern (LWL) kann die Übertragungsstrecke auf über 40 km erweitert werden. Das LCN-System verfügt über ein vierstufiges Quittungs- und Meldesystem, das aus Funktionsquittungen, Statusmeldungen, Statuskommandos und Betriebsmeldungen besteht.

Die LCN-Systemarchitektur besteht aus Sensoren, Aktoren, Binärein- und -ausgängen, Visualisierungsmodulen, Softwarekomponenten sowie Schnittstellen (LAN, USB). Durch seine modulare und flexible Struktur eignet sich LCN sowohl für kleine Gebäude als auch für komplexe, großflächige Installationen. Ein weiterer Vorteil liegt in den vergleichsweisen geringen Kosten der Systemkomponenten.

Für die kontinuierliche Überwachung und Analyse der Anlagenzustände wurden von LCN zwei Visualisierungssysteme entwickelt: LCN-Visu und GVS (Global Visualization Server). Die Parametrierung und Programmierung erfolgt über die von ISSENDORFF entwickelte Software LCN-Pro+, die sowohl offline als auch online genutzt werden kann.

Bei einer Offline-Programmierung kann die erstellte Konfiguration gespeichert und später auf das System übertragen werden. Werden nachträgliche Änderungen vorgenommen, erkennt die Software diese automatisch und fragt nach, ob die Anpassungen übernommen werden sollen.

Die LCN-Visu wird in der Regel bei kleineren Anwendungen, insbesondere im Smart-Home-Bereich, eingesetzt. Für größere Gebäude oder komplexe Projekte kommt dagegen der GVS zum Einsatz. Das TMon kann ausschließlich über den GVS realisiert werden. Dabei handelt es sich um eine webbasierte Softwarelösung, auf die beispielsweise über eine IP-Adresse (z. B. 192.168.1.130) zugegriffen werden kann. Der GVS-Server fungiert als zentrale Schnittstelle zwischen der Gebäudeautomation und der übergeordneten Benutzeroberfläche zur Visualisierung, Steuerung und Überwachung der Anlagendaten.

Über den GVS-Server kann die gesamte Anlage fernüberwacht, gesteuert und geregelt werden. So lassen sich beispielsweise Beleuchtung, Heizung und Jalousien kontrollieren oder deren Betriebszustände visualisieren. Im Falle von Störungen oder Fehlermeldungen kann das System so konfiguriert werden, dass automatisch Benachrichtigungen per E-Mail, SMS oder über andere Kommunikationskanäle versendet werden.

Bild 1. Arbeitsplatz für die Schulung bei LCN. Standort Laatzen.

Abbildung 3: Schema der Arbeitsplatz für die Schulung. Standort Laatzen.

Ein wesentliches Merkmal von LCN ist die dezentrale Ausführung und Parametrierung der Systeme. Durch die Möglichkeit, Module direkt in Unterputzdosen zu installieren, können Aktoren, Sensoren und andere Komponenten unmittelbar an den jeweiligen Geräteanschlussdosen montiert werden. Dadurch entfällt häufig die Notwendigkeit, alle Bauteile in einem zentralen Unterverteiler unterzubringen. Zur Datenübertragung wird bei einer Standardinstallation anstelle eines herkömmlichen NYM-3x1,5 mm²-Kabels ein NYM-4x1,5 mm²-Kabel verwendet, da LCN für die Kommunikation eine zusätzliche Datenader benötigt.

Als Musterprojekt für die Visualisierung, Steuerung und Regelung der gebäudetechnischen Anlagen diente das Schulungsgebäude am LCN-Standort Laatzen. Über den GVS-Server konnten verschiedene gebäudetechnische Funktionen abgebildet und gesteuert werden. So ließ sich beispielsweise die Beleuchtung in den einzelnen Räumen per Mausklick ein- und ausschalten. Ebenso konnten die Raumbelegungen in Echtzeit angezeigt und die Raumtemperaturen individuell angepasst werden. Die jeweiligen Soll-Temperaturen konnten überprüft und bei Bedarf neu festgelegt werden, wodurch ein gezieltes Gebäude- und Behaglichkeitsmonitoring möglich war.

Darüber hinaus konnten über die in der Zentrale installierten Sensoren relevante Betriebsdaten abgerufen werden, um den Soll-Ist-Zustand der Anlagen zu überwachen (Anlagenmonitoring). Ebenso war es möglich, Informationen von Wind- und Lichtsensoren, der Photovoltaikanlage sowie der Wallbox einzusehen. Auf Basis dieser Daten ließ sich das Energieverbrauchs- und Einsparpotenzial bewerten, wodurch ein effektives Energiemonitoring durchgeführt werden konnte.

2. KNX

Das KNX-System ist ein standardisiertes Bussystem zur Automatisierung und Steuerung technischer Anlagen in Gebäuden. Es ermöglicht den Informationsaustausch zwischen allen angeschlossenen Geräten. KNX geht aus dem ursprünglich bekannten Europäischen Installationsbus (EIB) hervor, der von der EIB Association (EIBA) entwickelt wurde. Durch die Vereinigung der EIBA, des Batibus Club International (BCI) aus Frankreich sowie der European Home Systems Association (EHSA) aus den Niederlanden entstand die KNX Association mit Sitz in Brüssel.

Ein KNX-System kann sowohl dezentral als auch zentral aufgebaut werden. In der Regel ist kein zentrales Steuergerät erforderlich, da jedes Busgerät über einen eigenen Mikroprozessor verfügt und eigenständig kommunizieren kann. Bei komplexeren Projekten kann jedoch der Einsatz zentraler Steuerungseinheiten sinnvoll sein, insbesondere wenn mehrere Gebäudefunktionen miteinander verknüpft oder übergeordnete Managementsysteme integriert werden sollen. Eine KNX-Installation kann bis zu 50.000 Teilnehmer umfassen. Dabei wird zwischen Systemgeräten und Endgeräten unterschieden. Zu den Systemgeräten zählen Spannungsversorgungen, Linien- und Bereichskoppler sowie Programmierschnittstellen. Endgeräte hingegen sind Sensoren und Aktoren, die die eigentlichen Funktionen innerhalb der Gebäudeautomation ausführen.

Für die Datenübertragung stehen bei KNX verschiedene Medien zur Verfügung. Die am häufigsten verwendete Varianten ist KNX Twisted Pair (KNX TP), bei der die Kommunikation über eine verdrillte Zweidrahtleitung erfolgt. Darüber hinaus existieren weitere Übertragungsarten, wie KNX Powerline (KNX PL), bei der das vorhandene 230-V-Stromnetz als Kommunikationsmedium dient, KNX Radio Frequency (KNX RF) für die drahtlose Übertragung per Funk sowie KNX IP, bei dem die Daten über Ethernet-Netzwerke übertragen werden. Die Datenrate hängt vom jeweiligen Übertragungsmedium ab. Bei der klassischen Busleitung (Twisted Pair) beträgt sie 9.600 Bit/s, bei Powerline etwa 1.200 Bit/s. KNX IP ermöglicht deutlich höhere Übertragungsraten und eignet sich insbesondere für großflächige oder komplexe Gebäudeinstallationen.

Abbildung 4: Maximaler Linienausbau bei KNX (Busleistung) [10] Quelle: knx.org

Abkürzung: Spgs.-Vers.: Spannungsversorgung; TNL: Teilnehmer in einer Linie

Die Struktur des KNX-Systems ist modular aufgebaut und ermöglicht eine flexible Erweiterung. Eine Standardlinie besteht aus einer Spannungsversorgung und bis zu 64 Teilnehmern. Durch den Einsatz von Linienverstärkern kann eine Linie über 64 Teilnehmer hinaus erweitert werden. Ein Liniensegment umfasst dabei einen Linienverstärker, eine eigene Spannungsversorgung mit Drossel sowie bis zu weiteren 64 Busteilnehmern. Pro Linie sind maximal drei Linienverstärker zulässig, wodurch sich eine maximale Teilnehmerzahl von 255 Geräten pro Linie ergibt. Mehrere Linien können über eine Hauptlinie miteinander verbunden werden, wobei bis zu 15 Linien zu einem Bereich zusammengefasst werden können. Die Leitungslängen sind je nach Anordnung der Komponenten begrenzt. Der maximale Abstand zwischen Spannungsversorgung und Teilnehmer beträgt 350 Meter, zwischen zwei beliebigen Teilnehmern 700 Meter, und die Gesamtlänge eines Liniensegments darf 1.000 Meter nicht überschreiten.

Die Planung, Projektierung und Inbetriebnahme einer KNX-Anlage erfolgt über die von der KNX Association bereitgestellte Software ETS (Engineering Tool Software). Mit dieser standardisierten Software werden alle KNX-zertifizierten Produkte konfiguriert. Dabei wird zwischen dem Easy Mode (E-Mode) und dem System Mode (S-Mode) unterschieden. Im Easy Mode können Geräte direkt über Bedienelemente oder mobile Endgeräte parametriert werden, während im System Mode die vollständige Konfiguration über die ETS-Software am Computer erfolgt. In der Praxis wird überwiegend der System Mode verwendet. Die ETS ermöglicht das Herunterladen von Applikationsprogrammen der Hersteller, die Anpassung von Geräteparametern, die logische Verknüpfung von Kommunikationsobjekten über Gruppenadressen sowie das Übertragen der fertigen Konfiguration auf die Geräte. Zusätzlich bietet die ETS umfangreiche Diagnosefunktionen, die eine gezielte Fehlersuche und Analyse ermöglichen.

3. Überblick über BACnet, LCN und KNX

In der folgenden Tabelle sind die wesentlichen Merkmale der Bussysteme BACnet, LCN und KNX zusammengefasst.

Tabelle 4: Überblick über BACnet, LCN und KNX

Kriterium	BACnet	LCN	KNX
Standard / Organisation	ANSI 135 / ISO 16484-5, herstellerunabhängig	Proprietär, ISSENDORFF Mikroelektronik	Europäischer Installationsbus, KNX Association
Struktur	Objektorientiert, Client-Server	Dezentral oder zentral, eigene Mikroprozessoren	Dezentral oder zentral, eigene Mikroprozessoren
Systemkomponenten	BACnet-Objekte (Sensoren, Aktoren, Zeitpläne, Trendlogs)	Sensoren, Aktoren, Visualisierung (LCN-Visua, GVS)	Systemgeräte (Spannungsversorgung, Koppler), Endgeräte (Sensoren, Aktoren)
Max. Teilnehmer	Sehr hohe Skalierbarkeit	Bis 30.000 Module (>600.000 Sensoren/Aktoren)	Bis 50.000 Teilnehmer
Übertragungsmedien	Ethernet/IP, MS/TP	Buskabel, LWL	Twisted Pair, Powerline, Funk, KNX IP
Datenrate	IP bis 100 Mbit/s, MS/TP ~76,8 kbit/s	9,6 kBd (Bus), Segmentbus 300 kBd	9,6 kBit/s (TP), 1,2 kBit/s (PL), IP höher
Leitungslänge	abhängig vom Netzwerk	1 km/Busstrang, >40 km LWL	350 m Spannungsversorgung–Teilnehmer, Segment max. 1 km
Software / Parametrierung	BIBB-Dienste, herstellerabhängige Tools	LCN-Pro+, GVS, online/offline Programmierung	ETS Software, S-Mode und E-Mode