Opis rozszerzony systemu KNX

Organizacja Konnex zajmuje się nadawaniem znaku KNX, przygotowaniem warunków technicznych i testów aparatów, pomocą w przygotowaniu krajowych i międzynarodowych standardów oraz opracowaniem reguł certyfikacji i szkoleń. Obecnie do stowarzyszenia należy ponad 100 producentów aparatów systemowych. Firmy posiadające przeszkolony personel otrzymują tytuł KNX Partner.

Organizacja Konnex opracowała system cyfrowego sterowania instalacją elektryczną budynków. Wykorzystując zestaw tzw. sensorów i aktorów można uzyskać samoczynne sterowanie wyposażeniem technicznym budynku w funkcji czasu, zmian warunków pogodowych, pojawienia się użytkowników obiektu itp.

Sensor jest to urządzenie przetwarzające parametry środowiskowe na wielkości elektryczne, natomiast aktor jest to elektryczne urządzenie wykonawcze, realizujące polecenie otrzymane od sensorów. Przykład sensorów i aktorów przedstawia rys. 2.

 

Rys. 2 Przykład aktorów i sensorów oraz sposób ich połączeńTopologia KNX opiera się na strukturze drzewiastej, która to z kolei jest rozwinięciem magistrali. Podstawową częścią struktury jest linia, do której podłączone są elementy magistralne (max 64), aktory bądŸ sensory. Po dodaniu specjalnych elementów, takich jak sprzęgła liniowe, można połączyć ze sobą max 12 linii w jeden obszar. Po dodaniu sprzęgieł obszarowych możliwe jest połączenie ze sobą obszarów w jedną linię obszarową, co daje łącznie możliwość pracy ponad 10 000 elementów magistralnych.

Komunikacja odbywa się zazwyczaj lokalnie, czyli w obrębie jednej linii. Sensory nadają telegramy, zgodnie z zasadą losowego dostępu do magistrali, które rozchodzą się po całej linii. Przesyłanie danych odbywa się za pomocą przewodu magistralnego tj. miedzianego przewodu dwuparowego, ekranowanego – typu STP, tzw. „skrętki ekranowanej”. Przewód taki pokazany jest na rys. 3.

 

Rys. 3 Przewód magistralny KNX (YCYM 2x2x0,8)W praktyce wykorzystuje się jedynie dwie żyły: czerwoną i czarną. Pozostałe dwie są traktowane jako rezerwowe. Uzyskuje się w ten sposób wysoką ochronę przed zewnętrznymi zakłóceniami elektromagnetycznymi, przy zachowaniu niskiego kosztu okablowania i prostej instalacji.

Przewód magistralny wraz z dołączonymi do niego elementami magistralnymi zasilany jest napięciem znamionowym 29V DC typu SELV (Safety Extra Low Voltage). Sieć o napięciu tego typu charakteryzuje się: niską wartością napięcia, zasilaniem z transformatora bezpieczeństwa, podwójną izolacją od innych sieci oraz brakiem uziemienia przewodów. Zasilanie tego typu umożliwia transmisję symetryczną sygnałów, co oznacza dodatkową odporność na zakłócenia elektromagnetyczne. Przesyłanie telegramów odbywa się na zasadzie kodowania binarnego.

Każda linia systemu KNX zasilana jest za pomocą zasilacza napięcia stałego o napięciu wyjściowym 29V DC i prądzie 320mA lub 640mA. Jednak urządzenia magistralne mogą pracować już przy napięciu minimalnym 21V i pobierają moc rzędu 150-200mW. W przypadku większego poboru mocy możliwa jest praca równoległa zasilaczy. Zdarzają się również sytuacje, gdy przewód jednej linii jest na tyle długi, że występuje konieczność zastosowania dwóch zasilaczy dla jednej linii. Wymagana jest wtedy minimalna odległość pomiędzy dwoma zasilaczami 200m.

Transmisja danych oraz zasilanie poszczególnych elementów odbywa się za pomocą tych samych przewodów, przesyłana informacja nakłada się zatem na napięcie zasilające. Podstawowym zagadnieniem technicznym jest więc oddzielenie od siebie dwóch napięć, stałego zasilającego od zmiennego, będącego zakodowaną informacją. Budowa modułu komunikacyjnego, bazująca na właściwościach indukcyjności i pojemności, umożliwia odseparowanie jednego napięcia od drugiego (tzn. stałe napięcie zasilające odkłada się w pełni na kondensatorze, a informacja zakodowana pod postacią napięcia zmiennego traktuje pojemność kondensatora jako małą reaktancję i zamyka obwód uzwojenia pierwotnego transformatora, powodując indukowanie się napięcia po stronie wtórnej. Transformator pełni rolę filtru oddzielającego napięcie zmienne od stałego, czyli informację od zasilania).

Zastosowanie przewodu miedzianego jako medium przenoszącego sygnały wprowadza pewne ograniczenie w postaci maksymalnej odległości pomiędzy uczestnikami transmisji. Ograniczenia te przedstawia rys. 4.

 

Rys. 4 Ograniczenia pomiędzy elementami magistralnymi w liniiStandardowy przewód magistralny YCYM 2x2x0,8 ma rezystancje 72ohm/km i pojemność 0,12mikroF/km. Dlatego tylko przy odległości do 700m, jest możliwe wykrycie kolizji pomiędzy uczestnikami. Spowodowane to jest niską wartością sygnału. Duża odległość pomiędzy elementami wprowadza także opóŸnienie w przesyłaniu sygnału pomiędzy sensorem i aktorem. Dlatego w praktyce zaleca się umieszczenie zasilacza po środku linii, tzn. tak aby przewody magistralne rozchodziły się od niego promieniście. Elementy magistralne oddalone są wtedy od zasilacza max o 350m, zaś odległość pomiędzy najdalszymi elementami wynosi nie więcej niż 700m. Odległości te mierzone są długością przewodów.

KNX jest systemem zdecentralizowanym – nie ma wydzielonego sterownika, który zarządzałby cała instalacją. Należy podkreślić, że praca instalacji typu KNX nie wymaga komputera typu PC. Jest on potrzebny tylko do zaprogramowania poszczególnych elementów, w fazie wykonywania instalacji. Wszystkie urządzenia, z kilkoma wyjątkami, posiadają porty magistralne tj. układy umożliwiające wymianę informacji za pomocą magistrali. Urządzenia te dzielą się na: podstawowe, systemowe i użytkowe. Do podstawowych zaliczamy: zasilacze, cewki, łączniki oraz przewody, które nie posiadają portów magistralnych i pełnią rolę elementów zapewniających zasilanie oraz łączących elektrycznie wszystkie elementy. Pozostałe dwie grupy to urządzenia, które podłączone do magistrali mogą bezpośrednio realizować komunikację (tworzyć telegramy, wysyłać albo odbierać je i realizować zakodowane polecenia).

Każdy element magistralny składa się zasadniczo z portu magistralnego i jednego specyficznego elementu końcowego, który wymienia informację z portem magistralnym poprzez 10-cio pinowe złącze adaptacyjne. Port jest urządzeniem uniwersalnym, które odbiera telegramy z magistrali, dekoduje je i steruje elementem końcowym, a w odwrotnym kierunku otrzymuje od niego informacje, koduje ją i wysyła w postaci telegramu. Do podstawowych zadań modułu komunikacyjnego należy oddzielenie zakodowanej informacji od stałego napięcia zasilającego oraz dostarczenie i stabilizację napięć 24V i 5V potrzebnych do zasilania układu kontrolnego i elementu końcowego. Ponadto ma on za zadanie: ochronę przed zmianą polaryzacji i wzrostem temperatury, zabezpieczenie danych przez zapisanie ich przy spadku napięcia poniżej 18V oraz reset procesora przy spadku napięcia poniżej 4,5V. Rolę serca elementu magistralnego pełni układ kontrolny, którego podstawową częścią jest mikroprocesor. Ma on do swojej dyspozycji 3 rodzaje pamięci:
1. ROM – pamięć tylko do odczytu (informacje producenta)
2. EEPROM – pamięć elektrycznie zapisywana i kasowana przeznaczona do zapisywania parametrów i funkcji
3. RAM – pamięć dynamiczna przeznaczona do zapisywania pośrednich wyników obliczeń procesora.

Standartowym programem narzędziowym, służącym do projektowania, uruchomiania i serwisowania instalacji systemu KNX jest program ETS (Engineer Tool Software). Jest on rozprowadzany przez organizację Konnex. Okno główne programu ETS jest przedstawione na rys. 5.

 

Rys. 5 Okno główne programu ETSETS jest programem modułowym, składającym się z kilku części wspólnie ze sobą współpracujących. Po uruchomieniu, otwiera się okno główne z ikonami, za pomocą których przechodzi się do różnych części programu. Poszczególne przyciski uruchamiają począwszy od lewej strony następujące moduły: nastawy całego programu, projektowanie, uruchomianie i testowanie instalacji, zarządzanie projektami, zarządzanie bankami danych, konwersja projektów oraz przycisk wyjścia z programu.

Jednym z zadań KNX jest integracja instalacji, które w klasycznym wykonaniu pracują jako odrębne. Obniża to w znaczny sposób ilość przewodów i kabli zainstalowanych w budynku, przy zachowaniu poprzednich funkcji urządzeń, a niekiedy rozszerza możliwości ich wykorzystania. Przykładem tego może być porównanie realizacji układu „oświetlenia krzyżowego” w technice tradycyjnej i systemie KNX. Przedstawia to rys. 6.

 

Rys. 6 Porównanie układu krzyżowego w technice tradycyjnej i systemie KNXJak widać na przykładzie nastąpiło zmniejszenie ilości wymaganych połączeń, a co jest z tym związane zwiększenie przejrzystości schematu oraz obniżenie czasu i ilości prac potrzebnych do wykonania tego obwodu. Należy zwrócić uwagę, że przy rozbudowie tego schematu w wykonaniu tradycyjnym np. o dodatkowe punkty załączania, szybko wzrasta liczba niezbędnych przewodów, podczas gdy w systemie KNX wystarczy do nowego miejsca zainstalowania przełącznika, doprowadzić tylko przewód magistralny nie naruszając struktury przewodów zasilających.

Zastosowanie KNX pozwala osobie pragnącej zmienić przeznaczenie pomieszczeń lub podwyższyć ich standard, myśleć bez obaw o wprowadzeniu zmian w istniejącej instalacji lub jej rozbudowie, gdyż koszt adaptacji jest nieporównywalnie niższy od kosztu zmian w instalacji tradycyjnej. Dodatkowo znaczna redukcja przewodów na napięcie 230V pozwala uczynić instalację KNX przejrzystą i łatwą w montażu oraz przyczynia się do znacznego zmniejszenia obciążenia ogniowego. Podniesienie bezpieczeństwa i standardu budynku jest najbardziej widocznym końcowym efektem wprowadzenia systemu, chociaż równie ważną rzeczą są oszczędności możliwe do uzyskania już od chwili rozpoczęcia inwestycji.

Aby osiągnąć identyczny efekt końcowy zapewniający klientowi wysoki komfort użytkowania obiektu, system KNX w porównaniu do technik tradycyjnych pozwala zredukować koszty kolejno ponoszone na:

• prace instalacyjno-montażowe,
• koordynację współdziałania różnego rodzaju instalacji,
• uruchomienie,
• eksploatację i utrzymanie (koszt energii elektrycznej i cieplnej, konserwacja),
• modernizacje.

Rys. 7 Podział kosztów inwestycyjnych na poszczególne instalacje