Ein Gateway ermöglicht die Kommunikation zwischen Geräten, die unterschiedliche Kommunikations­protokolle aufweisen (Datenaustausch). Die Aufgabe von Universellen Gateways ist es, Datenpunkte einer Netzwerktechnologie mit Datenpunkten einer großen Auswahl anderer Technologien zu ver­binden. Ein typisches Einsatzfeld ist der Bereich der technischen Gebäudeausrüstung:

• Leittechnik Systeme

• DDC‐Systeme

• Steuerungen für Kältemaschinen oder BHKW's

• Raumregler

• Sicherheitstechnik

• Brand- oder Einbruchmeldeanlagen und

• Beleuchtungssteuerungen.

Aus verschiedenen Gründen verwenden diese Systeme unterschiedliche Kommunikationsprotokolle. Sie unterscheiden sich in Geschwindigkeit, Komplexität, Anzahl der anschließbaren Geräte, Reichweite und der Art der übertragbaren Informationen.

Da jedes Bussystem mit eigenen Datenformaten bzw. Protokollen (z. B. BACnet IP, EIB/KNX, BACnet MS/TP…) arbeitet, wird innerhalb des Gateways eine Umsetzung der Daten vorgenommen. Um vom Eingangsformat auf das Ausgangsformat zu konvertieren, wird ein internes Zwischenformat verwendet. Dadurch ist eine effektive Konvertierung zwischen zwei und mehr Formaten möglich. Das interne Zwischenformat besteht aus einzelnen Datenpunkten, die als kleinste Informationsmenge anzusehen sind.

Schematischer Aufbau der Gateways (Funktionen und Module)

Die UGWs bestehen aus einem zentralen Nachrichtenverteiler (Dispatcher), einem oder mehreren Treibern (z. B. M-Bus, Profibus, BACnet) und einem Schnittstellenkonfigurator.

Schnittstellenmapping der seriellen Schnittstelle

Zuordnung der seriellen Schnittstellen der Gateways zu den Devicetreibern

X-Series RS232 Klemme (1) Com1 4 polig RS232 /dev/ttyS3

X-Series RS485 Klemme (1) Com1 4 polig RS485 /dev/ttyS3

Einordnung von Protokollen

Protokolle können nach mehreren Kriterien klassifiziert werden. Diese Eigenschaften müssen zum Teil bei der Verwendung im Gateway berücksichtigt werden.

Tabelle 1: Protokolleigenschaften

Funktion und Eigenschaften von Datenpunkten

Datenpunkte sind Informationsträger, die in der Gebäudeautomation physikalisch oder virtuell vorliegen können. Jeder Datenpunkt wird über eine Datenpunktadresse identifiziert. Physikalische Datenpunkte sind digitale oder analoge Eingangs- bzw. Ausgangselemente eines vernetzten Feldgeräts (Belegung von Hardware-Eingängen und -Ausgängen). Virtuelle Datenpunkte sind nur softwaremäßig vorhanden (z. B. berechnete Werte, Sollwerte, Zähler, Befehlsausgaben).

Jeder Datenpunkt besitzt eine Adresse, einen Wert, einen Datentyp, eine Richtung und Metadaten (Name und Beschreibung). Die Richtung des Datenpunktes bzw. Datenflusses ergibt sich aus der „Sicht des Netz­werkes“. Ein Eingangsdatenpunkt empfängt also Daten aus dem Netzwerk, ein Ausgangs­datenpunkt sendet Daten in das Netzwerk.

Innerhalb des Gateways werden Datenpunkte an Hand einer eindeutigen technischen Adresse identifi­ziert. Eine vollständige Datenpunktadresse besteht aus einer Routingadresse, einem Datenpunkttyp­kennzeichen, einem Adresstypkennzeichen und einer protokollspezifischen Adresse.

Beispiel: Analoger Istwert (Messwert) mit Adresse, die den Messwert selektierbar macht

940.Y bac 34.AV 55:
Routingadresse:  940;   Datenpunkttyp:  Y Analogwert;   Adresstyp:  bac;   BACnetadresse:  34.AV 55

Darüber hinaus kann es weitere Eigenschaften geben (Klartext oder besondere Kennungen), die z. B. angeben, dass der Messwertaufnehmer gestört ist. Um einen Datenaustausch zwischen verschiedenen Protokollen zu ermöglichen, sind im Gateway unterschiedliche Datenpunktarten vorgesehen. Diese Datenpunktarten erfüllen die spezifischen Anforderungen des jeweiligen Protokolls.

Client-Server-Beziehung in Bezug auf Datenpunkte

In einer Client‐Server‐Beziehung stellt ein Server angeschlossenen Clients Daten bereit. Der Server nimmt die Anfragen der Clients entgegen und sendet diesen daraufhin die angeforderten Daten. Diese Client‐Server‐Beziehung ist übertragbar auf die Beziehung von Datenpunkten untereinander.

Beispiel:  Ein Feldgerät steuert einen Stellantrieb mit Rückmeldung an. Eine Automatisierungsstation soll die Stellgröße vorgeben und die Rückmeldung auswerten. Die Datenpunkte Stellwert und Rückmeldung befinden sich innerhalb des Feldgerätes, das als Server fungiert. Die Automatisierungsstation greift lesend und schreibend auf diese Datenpunkte zu und ist dadurch in dieser Kommunikation der Client. Im Normalfall sind alle Datenpunkte eines Gerätes Client‐ oder Serverdatenpunkte. Bei einigen Protokollen gibt es in einem Gerät sowohl Client‐ als auch Serverdatenpunkte.

Istwert und Sollwerte als Datenpunkte

Istwerte sind Werte, die auf der Serverseite gemessen oder errechnet werden und deren Werte in Richtung Client transportiert werden.

Sollwerte sind Werte, mit denen von der Clientseite das Verhalten des Servers beeinflusst werden soll. Wichtig bei Sollwerten ist, ob der Wert nur vom Client zum Server übertragen wird oder ob der aktuelle Wert des Sollwerts auch zum Client zurückgemeldet werden muss.

Beispiel:  Ein typischer Istwert ist die Abbildung eines Temperatursensors (gemessener Wert).
Ein typischer Sollwert ist ein Raumtemperatursollwert in einem Raumregler.

Analog, Binär, Mehrstufig – komplexere Typen als Datenpunkte

Datenpunkte unterscheiden sich auch darin, welche Werte erlaubt sind. Unterschieden werden:

• Analogwerte (z. B. Messwert Temperaturfühler)

• Binäre Werte (z. B. Relaisausgang)

• Mehrstufige Werte
  (z. B. Statusdatenpunkt mit den Zuständen Normalbetrieb, Aus, Sparbetrieb, Störung).

In einigen Protokollen gibt es weitere zum Teil komplexe Datenpunkte.

Beispiel:  Nutzungszeiten
Solche Werte lassen sich zum Teil nicht oder nur auf Umwegen im Gateway abbilden. Dazu gehören Attri­bute, die erkennen lassen, ob Datenpunkte einen gültigen Wert enthalten. Bei Sollwerten gibt es den Auto­matikwert, der den Server dazu veranlasst, die Kontrolle über den Datenpunkt selber zu übernehmen.

Abstrakte Datenpunkte im Datenpunktsystem

Zur Verarbeitung und Weiterleitung von Datenpunkten innerhalb des Gateways werden über ein Proto­koll austauschbare Informationen auf einen verallgemeinerten internen Datenpunkt abgebildet.

Die Eigenschaften dieser internen Datenpunkte erlauben die Abbildung der meisten in der Gebäude­automation verwendeten Datenpunkte. Die Verknüpfung zwischen verschiedenen Datenpunkten erfolgt über diese internen Datenpunkte. Durch die internen entkoppelten Datenpunkte ist es möglich, dem Gateway weitere Protokolle hinzuzufügen, ohne die gesamte Projektierung ändern zu müssen.

Routingadresse

Mit der Routingadresse wird der Kommunikationstreiber des Gateways ausgewählt. Die Rou­tingadresse wird für jeden Kommunikationstreiber bei der Konfektionierung des Gateways nach einem festen Schema festgelegt. Wenn ein Gateway mehrere Anschlüsse mit gleichem Typ besitzt, wird die Routingadresse typischerweise jeweils um eins erhöht.

Beispiel:  Bei einem Gateway mit zwei Anschlüssen Modbus Master werden die Routingadressen 80 und 81 verwendet.

Datenpunkttyp als Teil der Adresse

Um anhand der Adresse bestimmte Informationen über die mögliche Verwendung herleiten zu können, enthält die Adresse einen Kennbuchstaben. Darin werden die Richtung des Datenflusses und die Art der Werte bestimmt. Nachfolgend die vier wichtigsten Datenpunkttypen. Für spezielle Zwecke kommen noch andere Typen vor, die bei Verwendung erläutert werden.

Fünf wichtige Datenpunkttypen:

• X - analoger Wert, der vom Kommunikationspartner zum Gateway übertragen wird

• Y - analoger Wert, der in beide Richtungen übertragen werden kann

• M - binärer / mehrstufiger Wert, der vom Kommunikationspartner zum Gateway übertragen wird

• S - binärer oder mehrstufiger Wert, der in beide Richtungen übertragen werden kann

• A – Zeichenkette (String), z. B. verwendet für BACnet Trends oder ESPA4.4.4-Datenpunkte

Adresskennzeichen als Teil der Adresse

Um den protokollspezifischen Teil der Adresse korrekt interpretieren zu können, wird eine Abkürzung des Kommunikationsprotokolls bzw. der Treibername innerhalb des Gateways verwendet.

Beispiele:

• mod für MODBUS-Adressen

• pnetd für Profinet-Adressen

• bac für BACnet-Adressen

Protokollspezifische Adresse

Der letzte Teil der Adresse ist abhängig vom Kommunikationsprotokoll festgelegt.

Weitere Beispiele für Datenpunktadressen im Gateway-System:

70.M eib 4/5/6
Routingadresse 70;  Datenpunkttyp M ;  Adresstyp eib;  EIB Gruppenadresse 4/5/6

940.Y bac 34.AV 55
Routingadresse 940; Datenpunkttyp Y Analogwert ; Adresstyp bac ; BACnet-Adresse 34.AV 55

Mapping (Abbildung)

Die Produktfamilie X-Serie besteht aus Universellen Gateways (UGWs), die einheitlich gehandhabt werden und eine große Palette an unterstützten Protokollen beherrschen. Die Gateways bieten den Datenzugriff auf einen definierten Bereich von Datenpunkten, die auf einen anderen Bereich ge­mappt werden können (z. B. LON-Netzwerkvariablen  (NVs) auf BACnet-Objekte). Das Mappen kann über eine makrogesteuerte Tabelle konfiguriert werden. Durch die Verbindung (Connec­tion) von Datenpunkten unterschiedlicher Netzwerktechnologien können Daten zwischen diesen Tech­nologien ausgetauscht werden (Gateway-Funktion).

Abbildungsmöglichkeiten

Eine Abbildung besteht grundsätzlich aus einem Quelldatenpunkt und einem Zieldatenpunkt. Wertände­rungen des Quelldatenpunkts werden zum Zieldatenpunkt übertragen. Diese Übertragung kann durch zu­sätzliche Konfigurationseinträge beeinflusst werden. Die Adresse des Quelldatenpunktes wird als Sektion in der dispatch-Datei eingetragen. Die Adresse des Zieldatenpunktes wird hinter dem Schlüssel­wort target = in eine weitere Zeile eingetragen.

Beispiel einer dispatch.txt:
# Abbildung eines 1 Bit Wertes von Profinet auf MODBUS
[1190.M pnetd outbit 1.7]
target = 80.S mod 3 coil 4
# Abbildung eines Analog Wertes von Profinet auf MODBUS
[1190.X pnetd outbyte 3]
target = 80.Y mod 7 holding 30

Die typische Prozedur der Konfiguration des universellen Gateways besteht aus folgenden Schritten:

1. Konfigurieren der im UGW enthaltenen Netzwerktreiber (Adapter) -> Kommunikationsparameter

2. Projektieren der Datenpunkte:
   a. Auswahl der Datenpunkte des Netzwerks, das gemappt werden soll
   b.Selektion/Erstellung von übereinstimmenden Datenpunkt-Gegenstücken der anderen Technologie

3. Erstellen von Datenpunkt-Connections (z. B. Verbinden von NVs mit BACnet-Objekten)

Konfiguration und Projektierung

Steuerung über Textdateien

Das Gateway wird über Textdateien projektiert. Für jeden Treiber gibt es eine Datei (*.cfg) mit Kommunika­tions­parametern (z. B. Baudrate) und eine Datei (*.txt), in der die treiberspezifischen Datenpunkte definiert werden. Die Datei mit dem Namen dispatch.txt enthält die Zuordnungen (Mappings) von Datenpunkten der verschiedenen Protokolle. Alle Textdateien können Sie im Webclient des UGW editieren oder vorab erstellen und im­portieren.

Beispiel: Heruntergeladene Text- und Konfigurationsdateien:

Die Textdateien haben alle den gleichen prinzipiellen Aufbau:
Es gibt sogenannte Sektionen (Bereiche), die mit einer Zeile mit der Datenpunktdefinition in eckigen Klammern begin­nen. Zu einer solchen Sektion gehören die folgenden Zeilen bis zur nächsten Sektion oder zum Dateiende. Die auf den Sektionsnamen folgenden Zeilen besitzen die Struktur Schlüsselwort = Wert.

Die Dateien können außerdem an beliebigen Stellen Leerzeilen und Kommentarzeilen (eingeleitet durch das Zeichen #) enthalten. Groß‐ und Kleinschreibung werden unterschieden.

Beispiel 1 zum Dateiformat

# Kommentar erste Zeile der Datei
Kommentarzeile

# erster Datenpunkt
Kommentarzeile

[adresse1]
Beginn Sektion mit Adresse adresse1

name = erster Beispieldatenpunkt
Schlüsselname mit Wert erster Beispieldatenpunkt

weitere_eigenschaft = 7
Schlüssel weitere Eigenschaft mit Wert 7

[adresse2]
Beginn Sektion mit Adresse adresse2

# weiterer Kommentar
Kommentarzeile

name = zweiter Beispieldatenpunkt
Schlüsselname

# Kommentar letzte Zeile
Kommentarzeile

Beispiel 2 zum Dateiformat

# Datenpunktliste
Kommentarzeile

[S local.BI 1]
Beginn Sektion 1

name = Failure Slave 1
Schlüsselname

bac_description = Failure Slave 1

query = pe

writecache = yes

bac_polarity = 0

bac_time_delay = 0

bac_alarm_value = 1

bac_notify_type = event

bac_event_enable = (1,1,1)

bac_inactive_text = Vorhanden

bac_active_text = Fehler

[Y local.AI 1001]
Beginn Sektion 2

name = Slave 1 Value 1
Schlüsselname mit Wert zweiter Beispieldatenpunkt

query = pe

writecache = yes

bac_units = 95

bac_cov_increment = 0

bac_resolution = 0.1

Datenpunktdateien

In der Datenpunktdatei (pro Protokoll) wird festgelegt, welche Datenpunkte verwendet werden und welche Eigenschaften diese Datenpunkte haben. Der Dateiname ergibt sich aus einem protokollspezifi­schen Na­mensteil, einer laufenden Nummer, die die gegebenenfalls mehreren Anbindungen des gleichen Protokolls durchnummeriert und der Dateiendung *.txt.

Beispiel: eib1.txt und eib2.txt.
Die Bezeichnung des protokollspezifischen Teils wird bei der Beschreibung des jeweiligen Protokolls ange­geben. Die Adresse des Datenpunktes dient als Sektionsbezeichnung. Es wird eine verkürzte Schreibweise der Adresse verwen­det. Da die Routingadresse und der Datenpunkttyp durch die Datei schon festliegen, werden sie nicht noch einmal angegeben. Das heißt, die vollständige Adresse 60.X eib 2/3/5 wird in der Datenpunktliste als X 2/3/5 geschrieben.

Folgende Schlüsselwörter werden standardmäßig verwendet:

Tabelle 2: Schlüsselwörter in den Datenpunktdateien

Konfigurationsdateien

Der Dateiname ergibt sich aus einem protokollspezifischen Namen, einer laufenden Nummer, die gege­benenfalls mehrere Anbindungen des gleichen Protokolls durchnummeriert und der Dateiendung *.cfg.

Beispiel: eib1.cfg und eib2.cfg

Die Bezeichnung des protokollspezifischen Teils wird bei der Beschreibung des jeweiligen Protokolls angegeben.

In der Konfigurationsdatei werden allgemeine Kommunikationsparameter der jeweiligen Anbindung fest­gelegt. Typischerweise sind Angaben wie Baudrate, eigene Adresse oder Pollraten anzugeben. Der Inhalt besteht aus einer Sektion mit einer protokollspezifischen Bezeichnung und Konfigurationseinträgen.

Beispielkonfigurationsdatei MODBUS Slave modslave1.cfg
[MODBUS-SLAVE]
Baudrate = 19200
Databits = 8
Parity = even
Stopbits = 1
Bustype = RS485
Protocol = RTU
Timer = 100
BitCount = 255
WordCount = 16
RelaxedErrors = 1
ResponseTimeout = 4
SlaveTimeout = 300
FrameTimeout = 200

Abbildungsdatei dispatch.txt

In dieser Datei werden die Zuordnungen (Mappings) zwischen den Datenpunkten festgelegt. Mit dem Schlüsselwort value kann ein Wert angegeben werden, der anstelle des Wertes des Quelldatenpunktes zum Zieldatenpunkt übertragen werden soll. Das Schlüsselwort threshold hat je nach Datenpunkttyp des Quelldatenpunktes zwei verschiedene Bedeutungen.

• Wenn der Quelldatenpunkt ein Analogwert ist (Datenpunkttyp X oder Y), hat der angegebene Wert die Wirkung einer Schwelle. Das bedeutet, dass nur Wertänderungen übertragen werden, bei denen die Änderung größer als die angegebene Schwelle ist.

• Wenn der Quelldatenpunkt ein ganzzahliger Wert ist (M oder S), wird der Zieldatenpunkt nur verstellt, wenn der Wert des Quelldatenpunktes gleich dem angegebenen Wert ist.

Typische Datenpunktabbildungen

In folgenden Beispielen wird schematisch gezeigt, wie typische Datenpunktabbildungen aufgebaut sind. Dabei werden Pseudoadressen verwendet.

Beispiel Analoger Istwert

Beispiel Binärer Istwert

Beispiel Mehrstufiger Sollwert ohne Rückmeldung

Beispiel Mehrstufiger Sollwert mit Rückmeldung

Beispiel Abbildung eines zweistufigen Istwerts (1 = Tag, 2 = Nacht) auf zwei binäre Werte

Beispiel einer Projektierung Mbus nach BACnet

Technischer Aufbau und Funktionsweise

Technischer Aufbau der Gateway-Anbindung:
Beispiel:   Modbus Master RTU / BACnet IP

Allgemeine Funktionsweise:

Ein Gateway besteht generell stets aus mindestens zwei Geräteteilen – im folgenden Bild z. B. aus einem Modbus Master und einem BACnet Server.

• Der Modbus Master (RTU) pollt die Modbus Slave Geräte auf deren Datenpunkte (blaue Kreise).

• Der BACnet Server hält selbst Datenpunkte bereit und bedient die BACnet Clients.

Ein Gateway funktioniert ähnlich wie ein Netzwerk-Switch, jedoch mit unterschiedlichen Protokollen.

Folgende Arbeitsschritte sind zur Inbetriebnahme des Gateways erforderlich:

• Konfigurieren der Treiber ( Gateway: Menüs Einstellungen + Dateien, Datei z. B. „bac1.cfg“)

• Projektieren der Datenpunkte ( Gateway: Menüs Datenpunkte + Dateien, z. B. „bac1.txt“)

• Der Datenpunkt Manager stellt die Verbindungen zwischen den Datenpunkten der verschiede­nen Treiber her (globale dispatch.txt).

Status LED

Das Gateway verfügt zur schnellen Orientierung zum aktuellen Betriebszustand über eine zwei­farbige Status‐LED. Die LED besitzt die Farben grün, rot und als Mischfarbe orange. Bei der System­initialisierung leuchtet die LED orange. Nach der Initialisierungsphase blinkt die Status‐LED im Normal­betrieb grün.

Die Datenpunkte bestimmen mit aufsteigender Priorität den Farbcode der LED. Die Parameter S led warning und S led error werden automatisch vom Gateway in Abhängigkeit der projektierten failure-Parameter gesetzt.