Pro stále sofistikovanější regulaci a automatické elektronické řízení provozu budov je pro vzájemnou komunikaci jednotlivých zařízení a senzorů nutné použít dostatečně robustní a zároveň všestrannou sběrnici. Proto existují speciální standardy vhodné pro tyto účely - LonWorks, BACnet, KNX (EIB). Posledně jmenovaný je pak náplní tohoto článku.

Patrně mezi nejznámější sběrnice pro tzv. elektronické řízení budov patří LonWorks, o které jsem základní napsal sérii článků v první polovině minulého roku. Ta je svojí rozsáhlou a sofistikovanou strukturou spíše vhodná pro větší a složitější aplikace. Pak jsou tu i další standardy, které nejsou tak známé, ale také je v celosvětovém měřítku podporuje mnoho firem a lze na ně připojit široké spektrum zařízení. Do této skupiny patří i dále popisovaná sběrnice Konnex bus, zkráceně KNX. Ta sdružuje tři existující technologie sběrnic EIB (European Installation Bus), BatiBus a EHS (European Home System). Konnex tak umožňuje komunikaci mezi mnoha přístroji od různých výrobců. Zařízení vhodná pro přímé napojení jsou označena logem KNX. Zajímavý je princip modelování aplikací pomocí tzv. datových bodů, vzájemně logicky propojených a předdefinovaných profilů zařízení.

ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKA

Charakteristické rysy standardní konfigurace lze shrnout do následujících bodů:

• Přenos dat s různou rychlostí 1.2, 2.4, 4.8, 9.6 nebo 32 kb/s, v závislosti na použitém komunikačním médiu
• Maximální velikost sítě (end-to-end network distance ): 1000 m
• Maximální vzdálenost mezi připojenými zařízeními: 700 m
• Možnost napájení jednotek po sběrnici
• Adresace v celé síti až přes 65 tisíc jednotek, až 256 v každé podsíti
• Datové pakety s volitelnou délkou 14 nebo 248 bajtů
• Segmentace pro vytváření rámců z větších bloků dat
• Point-to-point (peer-to-peer) komunikace s možností režimu Multicast a Broadcast
• Využití různých přenosových standardů na 1. a 2. (Fyzické a Linkové) vrstvě OSI modelu (EIB, BatiBus atd.)
• KNX (Konnex Bus) plně definuje síťovou, transportní a aplikační vrstvu, hierarchii adresování, strukturu uzlů a komunikujících zařízení

 

Použití

• Řízení a automatizace budov - klimatizace, topení, zapínání / vypínání osvětlení a jiných libovolných zařízení
• Zabezpečovací zařízení
• Protipožární ochrana
• Dálkové řízení libovolných procesů
• Řízení v oblasti dopravy
• Bezpečnostní zařízení
• Měření a Regulace (MaR)
• HMI (Human-Machine Interface) - přenos a přímé zpracování dat od libovolných senzorů, klávesnic a zobrazení na displejích, LED apod.
• Ovládání akčních členů / atenuátorů - motory, topná tělesa, sirény apod.

 

STRUKTURA KOMUNIKACE KNX (Konnex bus)

Sběrnice KNX specifikuje mnoho mechanismů a vlastností, které ji umožňují adaptovat na většinu aplikací z oblasti řízení budov. Následující obrázek 1. ukazuje přehled modelu standardu KNX, který sice nekopíruje známí OSI model, který zde pro popis není úplně vhodný, ale výstižněji blíže specifikuje vlastnosti KNX. Tento model je složen z bloků komponent formující síťovou komunikaci a rozhraní aplikace.

Hlavní prvky sítě KNX, při postupu od shora, jsou:

• Common Object Definitions - vzájemně propojené distribuované aplikační modely pro zpracování a přizpůsobení různých úloh z oblasti automatizace domácností a budov
• Configuration Tools - schémata pro konfiguraci a přesné řízené všech síťových zdrojů a pro povolení logického propojení částí distribuovaných aplikací, běžící na různých uzlech. Struktura KNX je zde založena na tzv. konfiguračních módech.
• Communication - KNX Common Kernel - komunikační systém, který spravuje komunikaci po fyzickém médiu, protokol zpráv a příslušné modely v komunikačním stacku každém módu. Zároveň podporuje a vyřizuje všechny komunikační požadavky pro konfiguraci a řízení instalace, stejně jako běžících distribuovaných aplikací.
• Média coupler - konkrétní hardwarové provedení rozhraní pro připojení a přístup zařízení na zvolený typ komunikačního média

Fyzická a Linková vrstva

KNX systém je z pohledu volby fyzické vrstvy nezávislý a umožňuje volit z několika známých standardů i je vzájemně kombinovat v jedné KNX síti. Linková vrstva poskytuje konkrétnímu zařízení řízení přístupu na médium a základní řízení navázání vzájemné komunikace. Její provedení a funkce je přímo závislá na médiu, připojeného k jednotce.

Použít lze následující fyzická přenosová média:

• Zkroucené páry (Twisted pair) - metalické vodiče - v rámci standardu KNX existují dvě definovaná provedení, které však mají společné vlastnosti v podobě napájení a přenosu dat po jednom společném páru, asynchronní přenos dat poloduplexním systémem:
• TP0 - médium převzaté ze standardu BatiBus - definovaná komunikační rychlost 4.8 kbit/s, přístup na sběrnici CSMA/CA
• TP1 - médium převzaté ze standardu EIB - definovaná komunikační rychlost 9.6 kbit/s, přístup na sběrnici CSMA/CA
  


• Napájecí (síťové) vedení (Power line) - metalické vodiče - v rámci standardu KNX existují dvě definovaná provedení, které však mají společné vlastnosti v podobě kódování komunikace SFSK (Spread frequency shift keying) a asynchronní přenos dat poloduplexním systémem:
• PL110 - médium převzaté ze standardu EIB - definovaná komunikační rychlost 1200 bit/s, nosná přenosová frekvence 110 kHz, přístup na sběrnici CSMA
• PL132 - médium převzaté ze standardu EHS - definovaná komunikační rychlost 2400 bit/s, nosná přenosová frekvence 132 kHz, přístup na sběrnici CSMA
  


• Radiový přenos (RF = Radio Frequency) - bezdrátový - plně specifikovaná standardem KNX umožňuje bezdrátovou komunikaci na frekvenci 868 MHz, kódovanou systémem FSK (Frequency Shift Keying), jednosměrný nebo poloduplexní obousměrný přenos dat rychlostí 32 kbit/s a metodou přístupu CSMA. Médium na úrovni linkové vrstvy je specifikováno standardem CEN TC294 for metering, aby bylo schopné sdílet různé hardwarové platformy. RF přenos pak splňuje ERC doporučení ERC/REC 70-03 and ETSI European Standard ETS 300-220.
  


• Infračervený přenos (Infra) - bezdrátový - byl plně převzat ze standardu EIB
  


• Mimo výše vyjmenovaná média lze díky unifikovaným KNX službám použít i média, jejichž založená na IP komunikaci, jako jsou Ethernet IEEE 802.2, Bluetooth, WiFi /Wireless LAN (IEEE 802.11) nebo FireWire (IEEE 1394). Využívá se k tomu tzv. ANubis mód (Advanced Network for Unified Building Integration & Services).

Fyzická topologie je závislá na volbě média, ale například v případě použití TP (twisted pair) je možné vytvořit sběrnicovou, stromovou i hvězdicovou strukturu propojení - viz obrázek 4. Pouze kruhová topologie není nepřípustná. Přestože celková maximální délka všech vodičů v jedné linii (části sběrnice/sítě bez oddělovačů linií a zón - viz níže - struktura sítě) může být až 1000 m, maximální vzdálenost mezi dvěma sousedními přístroji může být maximálně 700 m. Pokud navíc je připojený přístroj napájen po sběrnici, nesmí se nacházet dále než 350 m.

Síťová a Transportní vrstva

Zatímco síťová vrstva provádí segmentaci rámců a řízení jejich směrování v síti, transportní vrstva vytváří komunikačních propojení mezi komunikujícími uzly a řídí vyslání a příjem dat.

Struktura sítě - adresovací systém

KNX je plně distribuovaný systém, ve kterém může vzájemně komunikovat až 65 536 zařízení/uzlů pomocí 16bitového adresování. Celá síť Konnex se skládá ze tří úrovní. Nejvyšší úroveň je centrální/páteřní linie (backbone line) s 15 hlavními liniemi (main line - střední úroveň) a na každou z nich může být napojeno dalších 15 linií (spodní úroveň - podsítě) - viz obrázek 5. Struktura podsítě umožňuje připojit až 256 zařízení na jednu linku, které mohou být spolu s hlavní linií a částí páteřní sběrnice zahrnuty do jedné skupiny zvané zóna 1 až 15 (area 1 až 15). Tříúrovňová struktura sítě však vyžaduje oddělovače zón (area coupler) a linií (line coupler). Bez nich je struktura sít ě omezena jen na jednu linii (páteřní) s maximálně 256 připojenými jednotkami. KNX volitelně umožňuje i integraci podsítě přes IP.

Jak je ukázáno na obrázku 5., logická topologie odráží číselnou strukturu individuálních adres, které jedinečně idetifikují příslušný uzel v síti. Při komunikaci po napájecím vedení jsou sousední domény logicky separované 16bitovou doménovou adresou. Bez adres rezervované pro spojovací zařízení (couplers) je možné připojit (255 x 16) x 15 + 255 = 61 455 koncových zařízení k síti KNX. Instalační omezení mohou záviset na konkrétní implementaci (médium, typy vysílačů/přijímačů, kapacita napájecího vedení) a na faktorech okolního prostředí (elektromagnetického rušení apod.). Při bezdrátové komunikaci prostřednictvím radiového přenosu (RF komunikace) může znemožnit rozšířené adresování vzájemné rušení sousedních jednotek.

KNX definuje i různé važební členy, které je možné použít pro segmentaci sítě nebo vzájemného propojení linek typu zkrouceného páru vodičů (TP médium) s jinými médii. Použít lze opakovače, mosty, směrovače, paketové filtry, ochranné firewally apod.

Komunikační KNX rámec (KNX Frame)

Pro přenos dat se využívá KNX rámce, který definuje a přenáší všechna potřebná data a informace zajišťující správnou komunikaci jednotek a zařízení. Jeho standardní délka může být až 22 bajtů - viz obrázek 6. První bajt (octet 0) obsahuje řídící pole, které definuje prioritu rámce a rozlišuje mezi standardním a rozšířeným (extended) módem. Po něm následuje individuální adresa konkrétního zdroje rámce (Source Address) a individuální (unicast komunikace point-to-point) nebo skupinová (multicast komunikace) cílová adresa (Destination Address). Typ cílové adresy je určeno speciálním polem - Address Type & NPCI& length. Toto pole zároveň definuje tzv. hop counter = čítač přeskoků a délku rámce. Čítač přeskoků (průchodů) je dekrementován při každém průchodu routerem a tím se zamezí obíhání rámce v nekonečném kruhu. Jestliže se dekrementované číslo rovná nule, je rámec skartován.

Pak již následují pole, které definují vlastnosti transportní vrtvy a vyšších. Oktet číslo 6, označený jako TPCI (Transport Layer Protocol Control Information), řídí komunikaci mezi transportními vrstvami, tzn. navazuje a udržuje point-to-point spojení. Naopak oktet označený jako APCI (Application Layer Protocol Control Information) udává aplikační vrstvě, co se má následně provést, tzn. určuje službu aplikační vrstvy, která je dostupná pro daný typ adresování a komunikačním módu a která má být vykonána (např. příkazy: přečti (Read), zapiš (Write), odpověz (Response), apod.).

V závislosti na adresovací schématu a hodnotě APCI může standardní rámec nést až 14 bajtů dat. V případě, že má být přenesen větší "balík" dat, provádí se jejich segmentace. Tento princip přenosu dat je kompatibilní se sběrnicí EIB. Rozšířený rámec může přepravit až 248 bajtů dat. Poslední pole obsahuje kontrolní součet, který zabezpečuje přenos dat a jejich konzistenci.

Transportní vrstva může v rámci výše popsaného rámce vytvořit 4 typy komunikačních propojení mezi komunikujícími uzly:

• jeden uzel komunikuje se mnoha dalšími (multicast)
• jeden uzel se všemi připojenými a komunikujícími uzly (broadcast)
• jeden uzel komunikuje s jedním uzlem (point-to-point)

Aplikační vrstva

Aplikační vrstva poskytuje velké množství služeb a aplikačních procesů, které se odlišují podle použitého typu komunikace a transportní a nižší vrstvy. Služby související s point-to-point a broadcast komunikací slouží pro správu sítě, zatímco služby související s multicast komunikací jsou určeny pro provozní operace.

KNX pokrývá značný rozsah konfigurací modelů zařízení a není jakkoliv vázaný na konkrétní zařízení nebo mikroprocesory. Přesné požadavky řízení každé konkrétní aplikace jsou založeny na detailních profilech propojených s konfiguračními módy.

Aplikační modely, datové body jejich provázání

Doposud jsme na všechny elementy architektury KNX pohlížely spíše z pohledu hardwaru nebo z pohledu jejich úlohy ve vzájemné komunikaci. Na úrovni aplikační hladiny již hlavní úlohu hraje role namodelování dané řízené aplikace do proměnných vhodných pro přenos a jejich vzájemné svázání s jinými aplikacemi a programy různých zařízení od různých výrobců. K tomu v síti KNX slouží modelování aplikací pomocí tzv. datových bodů (data-points) a jejich vzájemné logické provázání.

Datové body a distribuované aplikace

KNX modely aplikací v každého připojeného zařízení jsou tvořeny kolekcí vysílacích a přijímacích datových bodů, distribuovaných přes určitý počet zařízení. Takový systém je správně funkční v případě, když datové body v různých zařízeních jsou propojeny přes společné identifikátory, tzv. svázány (bound), podobně jako jsou různé uzly spojeny společnou adresou do multicast skupiny.

Když lokální aplikace je zařízení typu senzor chce jinému zařízení předat nově naměřenou hodnotu, provede zápis dané hodnoty do vysílacího datového bodu a ten hodnotu vyšle společně s příkazem "zapiš (write)" s konkrétní cílovou adresu jednotky, které má být předána. Přijímací datový bod této adresované jednotky vyslanou hodnotu přijme a oznámí to své lokální aplikaci. Ta s ní může dle libosti nakládat až do doby, než je přepsána hodnotou novou. Prováděná akce může například představovat interní změnu stavu nějakých proměnných, updatování jednoho z vlastních vysílacích datových bodů nebo modifikaci stavu některých fyzických výstupů apod. Podobně tak vzájemně komunikují lokální aplikace běžící na vzájemně propojených zařízeních, propojené datovými body, mohou společně tvořit rozsáhlou distribuovanou aplikaci.

KNX zahrnuje tři základní schémata pro vzájemné propojení datových bodů, podle toho, zda hodnota adresy přenáší sémantickou informaci nebo ne a zda propojení je přesně předdefinované nebo se řídí některými volnými pravidly:

• volné propojení (free binding)
• strukturované propojení (structured binding)
• označené propojení (tagged binding)

Profily

Aby bylo dosažena i dodržena spojitost systému a aby se zjednodušil návrh, jsou k dispozici skupiny vlastností označeny jako profily (profiles). Profilů je definováno několik a jsou navrženy tak, aby pokrývali většinu požadavků, které je možné řešit sběrnicí KNX. Použití některého z profilu tak umožňuje jednoduše integrovat nové zařízení nebo systémy do již používané KNX sítě.

Ve standardu KNX jsou definovány profily vhodné pro zařazení zařízení a jednotek do následujících skupin:

• Zařízení v systémovém módu (System mode devices) - Systémový mód umožňuje nejvíce univerzální a multifunkční konfiguraci procesu. Při jeho návrhu se využívá výkonným softwarových PC nástrojů využívaných již ve stanardu EHS, které navrhnout optimální konfiguraci aplikace a její provázání s ostatními zařízeními v síti.
  


• Zařízení v jednoduchém módu (Easy mode devices) - Jednoduchý mód je určen pro rychlou instalaci limitovaného počtu zařízení na jeden logický segment komunikačního média. Podle typu zařízení lze zvolit několik přesně specifikovaných módů vhodná pro určité typy zařízení, např. mód pro zmáčknutí tlačítka (Push-button mode)
  


• Zařízení v A módu (A-mode devices) - A mód představuje "inteligentní automatický mód, který sám hledá vhodná propojení. Je tedy vhodný pro přenosná a pohyblivá zařízení, které se často odpojují od KNX sítě.

Závěr

Celý popis KNX sběrnice je velmi obsáhlý a jeho podrobnější popis by odpovídal spíše tlusté knize než malému článku. Proto jsem také informace rozdělil do dvou dílů. Cílem tohoto článku je obecně upozornit, stručně a srozumitelně uvést některé parametry zajímavé sběrnice, založenou na standard EIB a EHS. V tomto prvním díle jsem se pokusil uvést celou strukturu KNX a popsat její hlavní bloky, zatímco v následujícím druhém díle se pokusím více zaměřit na detailní věci převážně a oblasti fyzické a aplikační vrstvy. Jinak pro bližší informace odkazuji na odkazy v následující položce Download & Odkazy.

DOWNLOAD & Odkazy

• Stránky oraginazace zastřešující sběrnici Konnex - www.konnex.org
• Pdf dokment firmy Siemens Building Technologies věnované Konneax bus KNX - www.siemens.cz/siemjetstorage/files/29774_N3127cz.pdf
• Zajímavé odkazy týkající se KNX - www.hagergroup.sk/index.php?scr=1024&id=106

 

• Další články o průmyslových sběrnicích (DeviceNet, P-NET, M-BUS, Measurement Bus, ModBus, LonWorks, LIN, INTERBUS atd.) na stránkách automatizace.HW.cz