Instabus

Der Europäische Installationsbus (EIB) ist ein Standard nach EN 50090, in der aktuellen Version als KNX Standard auch nach ISO/IEC 14543-3,

• der beschreibt, wie bei einer Installation Sensoren und Aktoren in einem Haus miteinander verbunden werden können,
• der festlegt, wie Sensoren und Aktoren miteinander kommunizieren müssen (=Protokoll).

Der EIB steuert zum Beispiel die Beleuchtung und Jalousien beziehungsweise Beschattungseinrichtungen, die Heizung sowie die Schließ- und Alarmanlage. Mittels EIB ist auch die Fernüberwachung und -steuerung eines Gebäudes möglich. Eine Steuerung erfolgt dabei über den Benutzer selbst oder über einen mit entsprechender Software ausgerüsteten Computer.

EIB wird derzeit vor allem bei neuen Wohn- und Zweckbauten installiert, kann jedoch auch bei der Modernisierung von Altbauten nachträglich eingebaut werden. EIB-Installationen sind mittlerweile nicht nur im gehobenen Wohnungsbau zu finden. Es werden bereits auch bei preiswerten Fertighäusern EIB-Netze in das Gebäude standardmäßig integriert.

Geschichte

Bereits Mitte der 1980er Jahre sind die ersten Überlegungen zur Anwendung der Bustechnologien für die elektrische Installationstechnik und zur Gebäudetechnik parallel von verschiedenen Firmen angeregt worden. Man hat erkannt, dass die Markteinführung von herstellerspezifischen Systemen einer breiten Marktdurchdringung im Wege stehen würde und dem Bauherren die unterschiedlichsten proprietären „Standards“ und „Systeme“ bescheren würden. Führende Hersteller der elektrischen Installationstechnik haben sich 1990 im Rahmen der European Installation Bus Association (EIBA) (Gründungsmitglieder waren Berker, Jung, Gira, Merten und Siemens) und später der KNX Association (KNX Standard) mit der Zielsetzung zusammengeschlossen, einen Standard in den Markt einzuführen. Dieser Standard garantiert die Kompatibilität und Interoperabilität der verschiedenen Geräte und Systeme unterschiedlicher Hersteller aus vielen Bereichen, nicht nur der Elektroinstallationstechnik, sondern auch aus anderen Bereichen wie Klima & Lüftung oder Hausgeräte (zum Beispiel Herde).

Nachdem erste Produkte gemäß diesem Standard 1991 am Markt angeboten wurden, sind es heute nahezu 4000 Produktgruppen mit einem Vielfachen an unterschiedlichen Produkten von über 125 Firmen. Diese Produkte decken die verschiedenen Gewerke und Anwendungen im Gebäude unter der Wahrung der Austauschbarkeit der Produkte ab, sodass sie in einer mit dem EIB/KNX ausgeführten Anlage zusammenwirken können.

Mittlerweile ist EIB/KNX der erste offene Weltstandard für Haus und Gebäudeautomation. Geregelt wird dies in Europa in der EN 50090. Die Standardisierung durch ISO ist als Standard ISO/IEC 14543-3 erfolgt.

Unterschiede zur bisherigen Schalttechnik

Wesentlicher Unterschied zur elektrischen Steuerung ist die Trennung von Stromversorgung und Gerätesteuerung.

Bisher wurden alle Geräte elektrisch an- oder ausgeschaltet. Dies erfolgte über die Stromkabel mittels Parallel- oder Reihenschaltung. Stromversorgung und Steuerung der Geräte erfolgte über ein Netz, betrieben mit 230 V Wechselspannung. Diese Art der Steuerung war Standard der letzten 100 Jahre bis heute, also seit Beginn der Elektrifizierung.

Mit der 1992 eingeführten EIB-Technik werden nun Stromversorgung der Geräte und ihre Steuerung erstmals getrennt. Es gibt nun zwei Netze, das Stromnetz zur Stromversorgung mit 230 V Wechselspannung und das Steuerungsnetz (=EIB-Netz) mit maximal 30 V Gleichspannung. Diese werden unabhängig voneinander beziehungsweise parallel im Haus verlegt.

Technik des EIB-Netzes

Zwischen dem Verbraucher (zum Beispiel Elektrogerät, Lampe, Fensteröffner) und der Netzspannung wird ein Steuerungsgerät, „Aktor“ genannt, eingebaut. Der Aktor ist an das EIB-Netz angeschlossen und erhält von diesem Daten. Diese Daten stammen entweder direkt von einem Sensor (zum Beispiel Schalter, Helligkeit, Temperatur, CO₂-Konzentration) oder indirekt von einem Computer (z. B. regelt dieser zeitgesteuerte Schaltungen, sonstige Auswertung von Sensordaten je nach seiner Programmierung).

Erhält der Aktor den Befehl dem Verbraucher Spannung zuzuführen, so schaltet er die Netzspannung an das Gerät durch. Der Befehl kann von unterschiedlichen Sensoren kommen.

Die EIB Leitung (Bezeichnung u.a. J-Y (St) Y 2x2x0,8 EIB bzw. YCYM 2x2x0,8) besteht in der Regel aus zwei Aderpaaren (rot-schwarz und weiß-gelb), wovon jedoch nur rot-schwarz verwendet wird. Die Busleitung soll wenigstens IEC 189-2 oder der äquivalenten nationalen Bestimmung entsprechen.

Die Leitungen mit den oben genannten Bezeichnungen werden diesbezüglich empfohlen. Als weitere Leitungen sind JH(St)H 2x2x0,8 bzw. A-2Y(L)2Y 2x2x0,8 empfohlen. Allen Leitungen gemein sind die Durchmesser von 0,8mm. Als maximaler Durchmesser sind 1mm angegeben. Bei allen empfohlenen Leitungen sind die Verlegevorschriften einzuhalten, lediglich bei der sogenannten zertifizierten EIB-Leitung (YCYM) darf die Leitung direkt neben Starkstromleitungen verlegt werden.

Die EIB-Anlage wird von einer Spannungsversorgung mit 30 V Nennspannung [Gleichspannung] versorgt. Diese Spannung versorgt die Busankoppler, über die jedes EIB-Gerät mit den anderen vernetzten EIB-Geräten kommuniziert. Der Datenaustausch zwischen den EIB-Geräten erfolgt über Telegramme.

Durch das Zugriffsverfahren CSMA/CA werden Telegrammverluste im Falle von Kollisionen ausgeschlossen. Der EIB-Bus kommuniziert mit einer Übertragungsrate von 9,6 kBit/s, was bei korrekter Programmierung auch für mehrere 10.000 Geräte ausreichend ist.

Probleme in der Praxis haben zu einer Erweiterung der Datenübertragung durch Einsatz von Ethernet in den Hauptlinien geführt.

Vorteile von EIB-Netzen

Mit der neuen Technologie EIB kann nun erstmals jede Art von elektrischem Verbraucher schnell und unkompliziert bedient werden. Durch Neuprogrammierung kann jede Art von Anschluss neu definiert werden. Ein Schalter, der vorher noch zum Anschalten einer Deckenleuchte bestimmt war, kann innerhalb von Minuten zum Einschalten der Gartenbewässerung umprogrammiert werden. Ebenso kann jedes System verschiedene Sensordaten abfragen.

Beispielsweise können die Daten des Windmessers genutzt werden, um Jalousien oder Markisen einzufahren oder alle Fenster und Türen bei einer bestimmten Windstärke automatisch zu schließen. Welche Aktionen jeweils erfolgen sollen, lässt sich dabei innerhalb weniger Minuten durch Programmierung der Anlage flexibel festlegen. Dabei werden auch verschiedene Gewerke miteinander verbunden. Heizung, Belüftung, Alarmanlage, Haussprechanlage, Gartenbewässerung, automatische Beleuchtung und Wetterstation können so über ein einheitliches Netz kommunizieren und selbstständig auf sich wandelnde Umweltbedingungen reagieren.

Sinnvoll eingesetzt erhöht ein EIB-System den Wohnkomfort und kann durch Senken des Energieverbrauchs Kosten sparen.

Nachteile von EIB

Beim direkten Vergleich mit einer herkömmlichen Elektroinstallation ist eine EIB-Installation teuer, wenn ausschließlich die Gerätepreise ohne Rücksicht auf Komfortvorteile und Energieeinsparung verglichen werden. Es ergeben sich nur dann Kostenvorteile, wenn mehrere Gewerke (z. B. Beleuchtung, Beschattung und Heizung) miteinander kombiniert werden und dadurch Synergien entstehen. Dieser Nachteil ist jedoch nur temporär existent. Durch die deutlich höhere Flexibilität sowohl beim Hinzufügen bzw. Tausch von Komponenten als auch bei der Änderung der Steuerung wird ein wirtschaftlicher Vorteil geschaffen. So entfallen beim Hinzufügen beispielsweise Kosten fürs Herstellen und Schließen von Schlitzen inklusive der nachfolgenden Gewerke wie Putz- und Malerarbeiten.

Beispiele für die Verwendung von EIB

Beispiel „Einschalten einer Deckenleuchte“

In der Regel wird der Befehl, die Deckenleuchte einzuschalten, durch einen „normalen“ Lichtschalter erteilt. Eine Person drückt den Schalter und das Licht geht an. Der Anschalt-Befehl kann jedoch auch kumulativ über Sensoren erfolgen. Ein Lichtsensor misst zum Beispiel bei Abenddämmerung, dass die Lichtintensität im Raum abnimmt. Daher erteilt er den Befehl an die Deckenleuchte zum Einschalten. Ebenso könnte er jedoch in der Dämmerung kontinuierlich die Deckenleuchte immer heller werden lassen. Wenn die Sonne vollständig untergegangen ist, leuchtet die Leuchte mit maximaler Helligkeit. Mit dieser kontinuierlichen Dimmung wird das Zimmer dann konstant hell gehalten. Befinden sich mehrere Deckenleuchten im Raum, so können verschiedene Beleuchtungsszenarien programmiert werden, sofern jede einzelne Deckenleuchte separat über Aktoren angeschlossen wurde. Auch diese können dann über einen regulären Schalter eingeschaltet werden. Über einen Zentral-Computer lassen sich auf diesen Schalter im Raum beliebige Beleuchtungsarten programmieren, da sich dann jede einzelne Leuchte ansteuern lässt.

Beispiel „Öffnen/schließen von Fenstern“

In einem Raum befinden sich drei Fenster. Diese haben einen automatischen Öffnen/Schließen-Mechanismus. Über einen im Raum montierten Schalter kann jedes beliebige Fenster oder alle gemeinsam auf Tastendruck geöffnet werden. Zusätzlich kann in dem Raum ein CO₂-Sensor installiert werden. Ist in diesem Raum schlechte/stickige Luft (= hohe CO₂-Konzentration) so wird eines oder alle Fenster automatisch geöffnet und der Raum wird durchgelüftet. Danach werden die Fenster wieder automatisch geschlossen. Daneben kann dies mit einem Regensensor kombiniert werden. Registriert der Regensensor im Außenbereich Regen, so kann über das EIB-Netz der Befehl erteilt werden alle Fenster zu schließen.

Unproblematisch können diese Funktionen auch mit anderen Systemen (=Gewerken) kombiniert werden.

Denkbar ist eine Koppelung mit der Schließanlage. Wird die Haustür abgeschlossen, so werden alle noch offenen Fenster in dem Haus automatisch geschlossen.

Denkbar ist auch eine Kombination mit einem Erdgas-Sensor. Tritt Erdgas aus einer Erdgas-Leitung aus und konzentriert sich etwa im Heizraum, so kann dies ein Erdgas-Sensor registrieren. Automatisch werden dann alle relevanten Fenster geöffnet damit sich das Erdgas verflüchtigt. Damit wird eine Gas-Explosion verhindert. Zusätzlich kann ein elektrischer steuerbarer Verschluss die Erdgas-Hauptleitung verschließen, damit kein weiteres Gas in den Raum nachfließt.

Zusammenfassung

Mittels EIB lassen sich

• Beleuchtung
• Beschattung
• Heizung
• Klima
• Lüftung
• Alarm
• Information
• Fernzugriff (über Handy, Telefon, Internet)

integriert zusammenschalten. Dies eröffnet erst den Weg zur umfassenden Raumautomation eines Gebäudes und verschafft damit mehr Komfort, Sicherheit, Individualität und Flexibilität für die Nutzer eines Hauses.

Struktur des EIB

Physikalische Struktur (= Netztopologie)

Der EIB ist aufgeteilt in 15 Bereiche mit jeweils 15 Linien und nochmals 255 Teilnehmern pro Linie. Somit können bis zu 15 × 15 × 255 = 57.375 Busteilnehmer einzeln gesteuert werden. Damit bezeichnet zum Beispiel die Physikalische Adresse 8.7.233 in Bereich 8, Linie 7, den Teilnehmer 233.

Auf einer Buslinie können eine begrenzte Anzahl von Busteilnehmern (TN oder TLN) angeschlossen werden. Jede Linie kann aus bis zu vier Liniensegmenten bestehen, an jedes Liniensegment können bis zu 64 TLN angeschlossen werden. Dadurch sind max. 255 TLN je Linie möglich (Linienkoppler nicht mitgerechnet). Jedes Liniensegment benötigt eine eigene Spannungsversorgung.

Um die Linien in ihrer Struktur zu erweitern, werden sie über eine so genannte Hauptlinie miteinander verbunden. Hierzu werden die Linien über Linienkoppler mit der Hauptlinie verbunden. Die Hauptlinie selbst benötigt wiederum mindestens eine Spannungsversorgung und kann maximal 255 Busteilnehmer beinhalten. Eine Hauptlinie verbindet maximal 15 Linien miteinander.

Hauptlinien können weiters über eine so genannte Bereichslinie verbunden und somit erweitert werden. Auch mit dieser lassen sich 15 Hauptlinien miteinander verbinden. Weitere 255 Teilnehmer lassen sich ebenfalls auf dieser einbinden.

Auf den übergeordneten Linien, Hauptlinie und Bereichslinie, werden meist Geräte, die Zentralfunktionen bieten, eingebunden. Dies sind z. B. physikalische Sensoren, eine Visualisierung, Logikkomponenten und Aktoren in Verteilern, die Schaltausgänge für Sensoren aus verschiedenen Linien zur Verfügung stellen.

Logische Struktur (=frei programmierbar)

Zusammengehörige Aktoren und Sensoren werden mit einer -sogenannten- Gruppenadresse verbunden, die einfach einprogrammiert werden kann. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Zusammengehörigkeit von zum Beispiel Schaltern und Lampen jederzeit zu ändern, ohne neue Leitungen verlegen zu müssen.

Die Kommunikation der Geräte erfolgt mit standardisierten Befehlen. So ist sichergestellt, dass Geräte verschiedener Hersteller zusammen arbeiten. Damit wurde erstmals ein einheitlicher Standard geschaffen, der offen ist für alle Hersteller von Elektrogeräten bzw. Steuerkomponenten. Mittlerweile wurden weltweit mehrere Hunderttausend Gebäude mit einer EIB Anlage ausgestattet. Entsprechend groß ist auch die Vielfalt der Steuergeräte der verschiedenen Hersteller.

EIB ist ein offener Standard, d. h. jeder Hersteller/ Entwickler hat vollen Zugriff auf alle notwendigen technischen Informationen, die er für die Weiterentwicklung benötigt. Allerdings erfordert dies die beitragspflichtige Mitgliedschaft in der offenen Vereinigung Konnex Association. Daher wird kritisiert, dass dies kein wirklich offener Standard sei, da durch die Mitgliedschaft grundsätzlich Kosten entstehen. Erst wenn diese Mitgliedschaft auch kostenfrei ist, könne von einem „offenen Standard“ die Rede sein.

Steuerung und Programmierung

Die Programmierung der Teilnehmer und das Zuweisen der Gruppenadressen erfolgt mit einer speziellen, jedoch ebenfalls standardisierten Software, der Engineering-Tool-Software (ETS). Die ETS wird von der Dachorganisation Konnex bereitgestellt und sichert die problemlose Zusammenarbeit von Komponenten verschiedener Hersteller (mittlerweile über 100 Hersteller weltweit).

Der EIB-Standard wurde mittlerweile auch von den USA und vielen asiatischen Ländern für den Hausbau übernommen.

Alle größeren Hersteller für Elektroinstallationsprodukte sowie Heizungsausrüster bieten mittlerweile EIB-kompatible Geräte an.

Als Nachfolger für EIB wurde der KNX-Standard (KNX Standard) im Jahre 2002 von der Konnex Association nach der Norm EN50090 weiter entwickelt. KNX ist abwärtskompatibel zum EIB, sodass bestehende EIB-Anlagen mit KNX-Feldmodulen erweiterbar sind.

Paket-Struktur

Octet 0	1	2	3	4	5	6		7		8	...	N-1	N<=22
Kontrollbyte	Quelladresse		Zieladresse		DRL	TPCI	APCI		Daten / APCI	Daten			Checksumme

Das Kontrollbyte bestimmt die Paket-Priorität und unterscheidet zwischen einem Standard- und einem erweiterten Paket:

7	6	5	4	3	2	1	0
1	0	R	1	p1	p0	0	0

Das Wiederholungsbit R ist beim erstmaligem Senden des Paketes 1, bei einer Wiederholung 0, so dass Teilnehmer, die das Paket bereits korrekt empfangen haben die Wiederholung ignorieren können.

Die Prioritäts-Level sind auf die Bits aufgeteilt:

p1	p0	Bedeutung
0	0	Systemfunktion
0	1	Alarmfunktion
1	0	hohe Priorität
1	1	normale Priorität

Die Quelladresse (typische Schreibweise <Bereich>.<Linie>.<Teilnehmer>) besteht aus zwei Byte, wobei zuerst das MSB übertragen wird:

7	6	5	4	3	2	1	0	7	6	5	4	3	2	1	0
B3	B2	B1	B0	L3	L2	L1	L0	T7	T6	T5	T4	T3	T2	T1	T0
Bereich				Linie				Teilnehmer

Die Zieladresse adressiert entweder einen individuellen Empfänger (uni-cast) oder eine Gruppe (mulit-cast; typische Schreibweise: <Hauptgruppe>/<Mittelgruppe>/<Untergruppe>); der Typ der Ziel-Adresse wird im DRL-Byte gesetzt. Bei einer physikalischen Adresse entspricht die Kodierung der Quelladresse. Eine Gruppenadresse wird anders kodiert:

7	6	5	4	3	2	1	0	7	6	5	4	3	2	1	0
0	H3	H2	H1	H0	M2	M1	M0	U7	U6	U5	U4	U3	U2	U1	U0
	Hauptgruppe				Mittelgruppe				Untergruppe

Der Aufbau des DRL-Bytes (von Destination-adress-flag, Routing-counter, Length) ist

7	6	5	4	3	2	1	0
D	R2	R1	R0	L3	L2	L1	L0

D	Zieladresse
0	physikalische Adresse
1	Gruppenadresse

Der Routing-Zähler R0..R2 wird mit 6 initialisiert und von jedem Linien- und Bereichskoppler dekrementiert. Ein Paket mit dem Wert 0 wird verworfen. Ein Wert von 7 verhindert eine Dekrementierung und lässt das Paket beliebig oft weiterleiten. Die Bits L0..L3 geben die Länge der folgenden Nutzdaten minus zwei an, d.h. eine Länge=0 entspricht 2 Bytes, Länge=15 entspricht 17 Bytes.

Die Transport Layer Protocol Control Information (TPCI) beschreibt die Kommunikation auf dem Transport Layer, z.B. um eine Point-to-Point Verbindung aufzubauen. Die Application Layer Protocol Control Information (APCI) sind für die Application Layer Services (Lesen, Schreiben, Antwort, ...) zuständig. Eine mögliche Variante der Nutzdaten ist die standardisierte Kommunikation nach EIS (EIB Interworking Standard). Hierbei gibt es 15 verschiedene EIS Formate:

EIS 1	Schalten
EIS 2	Dimmen
EIS 3	Uhrzeit
EIS 4	Datum
EIS 5	Wert, Zahl mit Nachkommastellen
EIS 6	Relativwert, 0 ... 100%
EIS 7	Antriebssteuerung
EIS 8	Zwangssteuerung
EIS 9	Gleitkommazahl
EIS 10	16 Bit Wert
EIS 11	32 Bit Wert
EIS 12	Zugangskontrolle
EIS 13	ASCII Zeichen
EIS 14	8 Bit Wert
EIS 15	Zeichenkette

Die Checksumme ist eine invertierte, bitweise XOR-Verknüpfung aller vorher gesendeter Bytes des Paketes.

Bei einem Long Frame sind sogar N<255 Octets möglich.

Software-Frameworks

Plattformübergreifend (Java)

• OSGi – Middleware-Standard (Java-Framework) für die Einbindung von EHS/CHAIN, EIB, Konnex, LON, etc. in Service-Gateways

Windows

In den 1990er Jahren wurde OPC (OLE for Process Control) als standardisierte Software-Schnittstelle für die Windows-Plattform entwickelt, um die Integration verschiedener, bis dahin meist Hersteller-abhängiger und somit proprietärer Automatisierungsbusse in einem System zu erleichtern. Ursprünglich in der industriellen Automatisierung beheimatet, zeichnete sich rasch die Möglichkeit ab, durch OPC interdisziplinär mit anderen Bereichen – wie eben zum Beispiel der Gebäude-Automatisierung – wirken zu können.

Mit dem EIB OPC-Server kam 1998 folgerichtig das Software-Werkzeug auf den Markt, durch das die Einbindung des EIB in hybride Automatisierungssysteme stark vereinfacht wurde. So lassen sich heute Softwarelösungen erstellen, die klassische Gebäudefunktionen z. B. der Heizungs- und Beleuchtungssteuerung einer Produktionsstätte mittels EIB sowie die Visualisierung und Automation des industriellen Produktionsprozesses über andere Bussysteme homogen zusammen führen. Auch die Koppelung verschiedener Gebäudebusse zu einem integrierten Management-System, z. B. EIB und LON, ist durch die vorhandenen OPC-Server für EIB und LON leicht möglich.

Varianten von EIB-Netzen

• Powerline (Netz aus der Steckdose. Die Stromleitungen dienen als Netzmedium.)
• Funk-EIB (Hierbei werden die Komponenten über Funk angesteuert.)
• kabelgeführtes EIB (Architektur vergleichbar mit einem Ethernet.)
• EIBnet (neueste Entwicklung: Verschmelzung der Netze EIB und LAN. Die gesamte Gebäudeautomation wird über ein Computernetz (Ethernet) gesteuert.)

Alternative Technologien

• SPS – Speicherprogrammierbare Steuerung
• Funksysteme zur Gebäudeautomatisierung
• Local Operating Network (LON)
• Local Control Network (LCN)
• SCLAN = Site Control Local Area Network (SCLAN)

Literatur

• Rainer Scherg: EIB/KNX-Anlagen - planen, installieren und visualisieren. Vogel, Würzburg 2008, ISBN 978-3-8343-3125-0.
• Willy Meyer: KNX/EIB Engineering Tool Software. Hüthig & Pflaum, München & Heidelberg 2007, ISBN 978-3-8101-0266-9.
• Karlheinz Frank: EIB/KNX Grundlagen Gebäudesystemtechnik. Huss, Berlin 2008, ISBN 978-3-341-01540-7.

Weblinks

• Offizielle Homepage der Konnex Association / KNX
• EIB/KNX Deutschland