Functional Safety in KNX

Abstract

Gebäudeautomationssysteme dienen in erster Linie der Erzeugung eines komfortablen Raumklimas bei gleichzeitiger, ressourcenschonender Nutzung der zur Verfügung stehenden Energie. Geht man davon aus, dass funktionale Sicherheit (Safety) etwa für Brandmeldeanlagen oder Systemsicherheit (Security) für Zutrittskontrollen erforderlich sind, werden diese Anforderungen durch eigenständige Systeme realisiert, die (im besten Fall) über ausgewählte Schnittstellenmit einemvorhandenGebäudeautomationssystemkommunizieren.<br />Integrierte Systeme, die bereits "nativ" funktionale Sicherheit zur Verfügung stellen, sind derzeit kaum verfügbar.<br />Diese Arbeit versucht einen Ansatz zu schaffen, die Gebäudeautomationstechnologie KNX um funktionale Sicherheit zu erweitern. In Übereinstimmung mit den Standards IEC 61508 (Funktionale Sicherheit sicherheits-bezogener elektrischer / elektronischer / programmierbarer elektronischer Systeme) und ISO 13849 (Sicherheit von Maschinen - Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen) wird eine mögliche Architektur erarbeitet, um einen Sicherheitsintegritäts-Level 3 (SIL3) laut IEC 61508 zu erreichen. Systemsicherheit bleibt dabei unberücksichtigt. SIL3 impliziert eine ausreichende Unterstützung der zugrunde liegenden Hardware (Fehlertoleranz), eine Standard-konformeDokumentation aller Entwicklungsschritte sowie Software, um Fehler in der Hardware und dem Kommunikationssystem zu erkennen.<br />Ziel dieser Arbeit ist nicht eine vollständige Ausarbeitung aller Erfordernisse gemäß IEC 61508, sondern eine Erweiterung zu bereits bestehenden Ansätzen in diesem Umfeld zu schaffen. Im Zuge dieser Arbeit werden Mechanismen, die Fehler im Kommunikationssystem erkennen, in Abstimmung mit IEC 61784-3 (Industrielle Kommunikationsnetze - Profile - Teil 3-1: Funktional sichere Übertragung bei Feldbussen) diskutiert, Architekturen für ein SIL3 konformesKNX-System vorgestellt und sich daraus ergebendeAnforderungen an die Hard- und Software erarbeitet.<br />

Building automation systems aim at providing a comfortable environment while saving available resources. In case of using fire alarm systems (functional safety) or access-control systems (security) those systems are realized as separate, closed systems interacting with an existing building automation system via dedicated points of interaction. Integrated systems providing functional safety natively are currently hardly available.<br />This thesis targets an approach to extend the building automation technology KNX with functional safety. In compliance with IEC 61508 (Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems) and ISO 13849 (Safety of machinery - Safety-related parts of control systems) an architecture satisfying safety integrity level 3 (SIL3) as defined by IEC 61508 is presented. Security is thereby left unconsidered.<br />SIL3 compliance implies sufficient support on hardware level (fault-tolerance), a standardconform documentation of all development steps as well as adequate software to detect errors in the hardware and the communication system.<br />The intention of the thesis is not the provision of a complete implementation of all requirements according to IEC 61508 but rather elaboration of an extension to existing approaches within this field. On that score and in compliance with IEC 61784-3 (Industrielle Kommunikationsnetze - Profile - Teil 3-1: Funktional sichere Übertragung bei Feldbussen) measures to detect errors in the communication system are discussed, architectures for a SIL3 compliant KNX-system are presented and resulting impacts on hard- and software are shown.