Jste zde

Sběrnice KNX pro řízení budov - 2.část - kabely, propojení a EIB

Antonín Vojáček, 27. Srpen 2006 - 11:52

V 1. části článku o sběrnici KNX, která se zabývala stručným popisem struktury celé sběrnice, jsem slíbil pokračování, podrobněji popisující fyzickou vrstvu. Tato 2. část je tak věnovaná volbě kabelů, vlastností vzájemného propojení zařízení a nakonec i vzájemné vazbě KNX a známější sběrnici EIB.

V první části článku o sběrnici KNX jsem se pokus více méně přehledově shrnout základní vlastnosti a a parametry současné verze KNX. Některé podrobnější věci se tak do tohoto článku nevešly a ty jsem se rozhodl postupně uvádět v dalších částech. V toto díle jsem se zaměřil na podrobnější popis samotné fyzické vrstvy, tzn. volbu kabelů nejpoužívanějšího komunikačního média, jejich připojení a maximální povolené vzdálenosti mezi jednotkami. Tyto informace jsou doplněny o návaznost a vzájemnou kompatibilitu mezi KNX a EIB.

Troška historie sběrnice KNX a EIB

Jak se říká "Trocha historie nikoho nezabije". Zvláště historie sběrnice EIB, resp. KNX, která z ní vychází, je docela zajímavá....

Začala to sběrnice EIB

Evropská instalační sběrnice EIB (European Installation Bus) vznikla z elektroinstalační sběrnice instabus firmy Siemens (vývoj od roku 1986) a stala se v roce 1992 německou, později i evropskou normou (EN 50090). Zvláště v Evropě, kde patří mezi velmi rozšířené sběrnice, je podporována společnostmi jako jsou Siemens, Bosch, ABB a další stovka firem, všechny sdružené v organizaci EIBA (www.eiba.org), založené v roce 1990.

Systém EIB byl od počátku otevřený pro všechna další zařízení, primárně je však určen pro elektroinstalaci. Sběrnicí EIB mohou být bez problémů spojeny výrobky různých firem (více než sto firem nabízí přes čtyři tisíce různých výrobků). Programování jednotlivých zařízení a celého systému EIB se provádí počítačem programem ETS (EIB Tool Software), který existuje již v několika verzích. Již od počátku je základním přenosovým médiem kroucený pár vodičů EIB-TP, ke kterému se přidal i přenos po síťovém vedení EIB-PL (Power Line) a bezdrátový radiový přenos EIB-RF (Radio Frequency). Zařízení kompatibilní se sběrnicí EIB včetně příslušných programů pro programování a uvedení do provozu jsou koncipována tak, že vyškolený elektroinstalatér je schopen samostatně zvládnout i větší projekty a případně provést různé změny podle přání zákazníka.

Vztah sběrnice EIB a KNX

Z pohledu EIBu se stal důležitý rok 1999, kdy bylo založeno sdružení KNXA (Konnex-Association), které si dalo za úkol vytvoření otevřeného světového standardu pro automatizaci budov a automatizaci domácích spotřebičů včetně jejich síťového spojení. Tato organizace sdružuje mezinárodní organizace a firmy, vyrábějící zařízení pro automatizaci budov a spotřebiče pro domácnost. Mezi hlavní zakládajícími členy je pak EIBA a silné známé firmy jako např. Siemens, Merten, Hager apod.
Základním kamenem tehdy nového standardu KNX byla zvolena sběrnice EIB pro její technický charakter i dosavadní úspěch na trhu. V její prospěch hovořily v zásadě tři výhody: kompatibilita výrobků různých firem, jasná certifikace a jednotné uvádění do provozu (EIB-Tools).
Díky tomu jsou všechny výrobky a zařízení určené pro sběrnici EIB plně kompatibilní i se standardem KNX (a často bývají současně označovány oběma ochrannými známkami EIB a KNX). Standard KNX rozšiřuje EIB o větší objem funkcí, které umožňují připojení a řízení většího sortimentu nejrůznějších přístrojů, možnost využití dalších přenosových médií, integraci různých zařízení (pro topení, větrání, klimatizaci, ovládání domácích spotřebičů), jakož i nové druhy uvádění do provozu umožňují propojení plnou automatizaci budov i domácností do skutečného „inteligentního“ domu. Vytvořením mezinárodního standardu KNX se dostalo evropské sběrnici EIB mezinárodního zhodnocení.

Volba a připojení kabelů sběrnice KNX/EIB

Pro propojení zařízení a modulů prostřednictvím KNX, případně sběrnice EIB, existuje více médií. Jak již bylo uvedeno v prvním díle i o něco výše, senzory a akční členy komunikují a lze vzájemně propojit 4 typy kom. médií:

1. Nízkonapěťový kabel - zkroucený pár vosičl (24V) = "bus cable" - stále nejpoužívanější volba
2. Vysokonapěťový síťový napájecí kabel (230 V) = "powerline" - obvykle se používají jen v nejnutnější míře – např. pro propojení akčních členů s ovládanými elektrickými předměty.
3. Bezdrátový radiový přenos = radio frequency
4. Infračervený bezdrátový přenos = Infrared communication

Mezi nejvyužívanější a jako základ pro přenos informací mezi jednotlivými prvky instalace a současně pro napájení vstupních elektronických částí (sběrnicových spojek), popř. i všech následujících přístrojů (např. snímačů) slouží sběrnice, tvořená TP sdělovacím kabelem. Z požadavků na ochranu před indukování rušivých signálů vyplývá nutnost použití stíněných kabelů. Pro napájení i pro přenos informací slouží jediný pár vodičů. Červeným pláštěm je opatřen vodič připojený ke kladnému pólu napájecího zdroje, černou barvou je označen vodič připojený k zápornému pólu.

Struktura základního kabelu TP1 pro KNX/EIB - označení vodičů (vlevo) a provodení dvoupárového kabelu (vpravo)

I když pro komunikaci i napájení postačuje jeden pár vodičů, je předepsáno používání kabelu se dvěma kroucenými páry vodičů. Druhý pár (jeden vodič s bílou, druhý se žlutou izolací) je určen jako rezerva pro případ poškození některého z vodičů sběrnice. Může být využit i jako připojovací vedení pro některý z pomocných prvků. Příslušnost kabelu k soustavě SELV vymezuje požadavek na velikost zkušebního napětí (4 kV) vnějšího pláště kabelu. To dovoluje klást sběrnicový kabel v souběhu se silovými vedeními nn, bez omezení délky souběhu. V instalacích, v nichž může často docházet ke změnám technologie provozu mohou být používány speciální ploché kabely vybavené propojovacími konektory a obsahující jak silové vodiče, tak i dva vodiče pro sběrnici EIB/KNX. Jednotlivé přístroje systémové instalace se k tomuto sdruženému vedení připojují připojovacími spojkami opatřenými izolací procházejícími zařezávacími kontakty.

Základní struktura kabelu vhodného pro TP1 kabel sběrnice KNX/EIB

Volba sběrnicového kabelu pro komun. médium TP1

Pro konkrétní aplikaci, kde se používá sběrnice KNX/EIB, je nutné volit vhodný kabel. Sběrnicové kabely, které jsou k dispozici na trhu EIB, se rozdělují podle specifikací následovně:

YCYM 2x2x0.8 (Specifikace EIB) - pro pevné instalace, vhodný pro suché, vlhké i mokré prostory, ve venkovním prostředí se nesmí dlouhodobě vystavovat slunečnímu záření. Montáž je možná na povrchu, v potrubí apod.
J-Y(St)Y 2x2x0.8 (Specifikace EIB) - pro pevné instalace, vhodný pouze pro vnitřní prostory a pro montáž na povrchu i v potrubí
JH(St)H 2x2x0.8 - vodič bez halogenů, vedený odděleně
A-2Y(L)2Y nebo A-2YF(L)2Y - vhodný pro podzemní instalace pro dálkový přenos a venkovní použití

Pozn. Pro sběrnici Konnex (KNX) je možné bez stínění, které se běžně používá pro sběrnicové kabely EIB.

Možné způsoby připojení komunikačního TP1 kabelu sběrnice KNX/EIB

Při propojování přístrojů v systémové instalaci EIB/KNX je možné vést kabel sběrnice libovolně, bez ohledu na příslušnost použitých prvků k jednotlivým funkcím – vždy co nejkratším směrem. Sběrnice se může libovolně větvit. Je tedy možná liniová-sběrnicová, hvězdicová nebo stromová struktura nebo jejich kombinace. Jedinou zakázanou strukturou je kruhová. Příklady možných struktur sběrnice jsou na obr. 3. K propojování a současně i pro připojování k přístrojům slouží dvoupólové, čtyřnásobné bezšroubové svorkovnice podle. Na nich je možné rozvětvit sběrnici vždy až do čtyř směrů. Stínění jednotlivých úseků sběrnice se vzájemně nepropojuje, ani se nepřipojuje k ochrannému obvodu.

Obecný příklad liniové (sběrnicové) a stromové struktury a připojení jednotek v komunikační síti

Souhrné parametry nejpoužívanějšího média TP1 a KNX komunikace:

Vodiče sběrnice se připojují ke svorkám CE+ (červená) a CE- (černá) a není nutné používat ukončovací odpory.

Přenosový mód: UART
Přenosová rychlost: 9.6 kb/s
Režim přenosu: střídavý
Napájení sběrnice: 30 V - z jednoho napájecího zdroje je možné napájet max. 64 prvků (každý max. 10 mA), přičemž pro spolehlivou činnost nejvzdálenější sběrnicové spojky musí být na jejích svorkách napětí min. 15 V
Typ kabelu: dvoužilový lankový (červený/černý) nebo 2x dvoužil. lankový (červený/černý a bílý/žlutý) nebo křížová čtyřka
Průměr vodičů: min. 0.8 mm (obvykle využíváno), max. 1.0 mm
Kabelové stínění: nepotřebné
Ukončovací odpor: nepotřebný

Maximální vzdálenosti ve sběrnici KNX/EIB

Mezní vzdálenosti mezi zařízeními jsou v KNX/EIB dány nejen útlumem a zpožděním přenášeného signálu, ale také při napájení po sběrnici důležité úbytky napětí. Jak bylo již uvedeno výše, jmenovité napětí naprázdno zdroje pro EIB/KNX sběrnici je 30 V, přičemž pro spolehlivou činnost nejvzdálenější sběrnicové spojky musí být na jejích svorkách napětí min. 15 V. Z úbytků napětí na vedení sběrnice pak vyplývá největší vzdálenost přístroje je 300 m. Tzn. dva přístroje umístěné na opačných koncích dvou větvích sběrnice mohou být maximálně vzdáleny 600 m (vždy 300 m na každou stranu od napájecího zdroje). Celková délka vedení sběrnice v jedné společně napájené větvi nemá překročit 1000 m. Pokud je zapotřebí v téže větvi použít dvou napájecích zdrojů, je nutné omezit průchod možných vyrovnávacích proudů dostatečným odporem sběrnicového vedení – minimální vzdálenost těchto dvou zdrojů bude 200 m.

Pro sítě s centralizovaným napájením PSU tak platí:

Vzdálenost dvou jednotek napájení PSU: min. 200 m
Vzdálenost přístroje k PSU: max. 350 m
Vzdálenost mezi dvěma připojenými přístroji: max. 700m
Celková délka všech vodičů na jednu linii: max. 1000 m

Pro sítě s decentralizovaným napájením DPSU jsou platné vzdálenosti určeny podle počtu regulátorů s decentraliz. napájením sběrnice.

Softwarové aplikace a připojení s PC a PLC přes TCP/IP

Řídící a operátorská stanoviště jsou dnes obvykle softwarové aplikace, většinou realizované v operačním systému Windows. Jednotlivým řídícím prvkům, tzv. obrazovým proměnným, jsou přiřazeny funkční adresy systému EIB. Tímto způsobem lze postihnout dvoustavovou změnu stejně dobře jako interpretovat spojitou veličinu. Většina pokročilejších produktů obsahuje knihovnu obrazových proměnných, z nichž lze složit vlastní zobrazené ovládací prostředí. K dispozici bývají různé druhy grafů (např. sloupcové nebo čárové grafy), symbolické obrazové proměnné, alfanumerické informační bloky, zadávací pole apod. Rozhodující pro zavedení daného typu často bývá způsob komunikace se systémem EIB.

Využití EIB/KNX serveru jako rozhraní mezi TCP/IP komunikací od ovládacích prvků a vizualizace a EIB přenosem dat k čtení hodnot senzorů a regulaci akčních členů

Nejjednodušším řešením připojení uživatelského počítače k systému je využití sériového rozhraní RS-232. To se používá u méně náročných aplikací bez velkých nároků na zamezení případné ztráty dat. Častým řešením je použití tzv. serveru EIB. Uživatel pak ke komunikaci se systémem EIB využívá běžnou počítačovou síť – většinou v protokolu TCP/IP. Tím je dosaženo velké variability operátorského pracoviště s vysokou rychlostí aktualizace dat, neboť server EIB většinou plní i vyrovnávací funkci. Prostřednictvím takovýchto modulů lze s výhodou provozovat správu, řízení a servis objektů na dálku. Náročnější programové aplikace obsahují rozšiřovací moduly pro vývoj programů událostí, časových posloupností dějů, pro tvorbu historických grafů, výstupy do tabulek v excelu atd.

Propojovací modul pracující jako převodník Ethernetové TCP/IP komunikace na LON nebo EIB

Soustředění souhrnného přehledu a možnosti ovládání do jednoho či více centralizovaných pracovišť má největší význam u rozlehlých objektů s náročnější technologií. Jednodušší řešení se však často uplatňují i v bytových objektech, kde je požadován vyšší komfort obsluhy. Významným faktorem je i variabilita získaná možností volného přemísťování operátorského pracoviště v rámci přímého připojení na sběrnici EIB či zprostředkovaného přístupu přes datovou síť v protokolu TCP/IP (popř. UDP/IP).

Závěr

V tento díle jsem se zabýval fyzickým propojením přístrojů pomocí nejvíce využívaného média - TP1 kabelu. V příštím díle bych rád poukázal na sortiment zařízení, přístrojů a snímačů pro KNX, resp. EIB, které lze najít v nabídkách různých firem, které mají zastoupení v ČR.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz