Платформа автоматизации зданий KNX.

Вернуться в раздел

Технологическая платформа KNX базируется на стандартах - протоколах, оборудовании и программном обеспечении.

В этой технологии существует несколько протоколов, примерно столько же, сколько и сред передачи.

А сама платформа предлагает как оборудование от разных производителей, так и программное обеспечение и прежде всего единую программу для инженеров-инсталляторов ETS.

Строго говоря, сеть KNX — это открытая стандартная одноранговая распределенная система управления с коммутацией пакетов.

В соответствие с моделью взаимодействия открытых систем ISO/OSI, в ней определены и используются уровни 1-4 и 7. Уровни 5 — сессионный и 6 — представления не реализованы.

Сети KNX могут быть построены с применением различных сред передачи и протоколов: витая пара TP-0 и TP-1, силовая сеть PL-110 и PL-132, ИК-канал, радиоканал с частотой 868 МГц и сеть Ethernet .

Начнем рассмотрение технологии KNX с основных принципов работы, при этом условимся, что в качестве примера будет использован протокол TP1.

Основное оборудование выпускается как раз для работы с этим протоколом и для среды передачи TP1.

Минимальная инсталляция TP1 состоит из источника питания с дросселем, датчика и исполнительного устройства. Все приборы необходимо также соединить сетевым кабелем KNX TP1 (шиной) и подвести силовое питание к тем устройствам, которые в нем нуждаются.

Примерная схема

Отметим, что KNX устройства в сети имеют адреса.

Первый тип из них — физический (или индивидуальный) адрес. Он нужен для идентификации в сети и обеспечивает возможность обратиться именно к одному устройству, например при загрузке программы.

Кроме того, есть групповые адреса. Они отвечают за выполнение определенных функций и одинаковы, по крайней мере, для двух устройств, которые задействованы в выполнении этой функции. Так, в нашем примере выключатель-датчик имеет физический адрес 1.1.1 и групповой 2/1/3 , а исполнительное устройство-реле имеет физический адрес 1.1.2 и такой же групповой адрес 2/1/3.

Рассмотрим, как функционирует такая схема для реализации простой функции включение/выключение освещения. При нажатии на кнопку выключателя в сеть ( шину) посылается сообщение (телеграмма), которая содержит некоторую служебную информацию, определяемую протоколом и данные о произошедшем событии, в данном случае это включение — «1», вместе с командой, как эти данные использовать. Телеграмма направляется от устройства 1.1.1 на групповой адрес 2/1/3.

Все устройства, подключенные к сети, получают эту телеграмму, но лишь устройства, имеющие групповой адрес 2/1/3 обрабатывают телеграмму, проверяют её на правильность приема, отсылают телеграмму подтверждения и выполняют команду. В данном случае замкнется контакт реле 1.1.2, и включится лампа. Для выключения освещения с выключателя посылается «0» и в сети все повторяется. В случаях, когда устройство занято или телеграмма пришла с ошибкой, то в ответной телеграмме устройство, посылавшее команду, получит эту информацию. В таком случае, через какое-то время сообщение-телеграмма будет повторена и устройства, которые не смогли её выполнить получат второй шанс. Таких повторений в протоколе TP1 предусмотрено до 3-х раз.

Разумеется, реальные проекты значительно сложнее нашего примера. Даже простой проект квартиры будет включать несколько десятков устройств. Поэтому следует придерживаться определенных правил при создании проекта в программе ETS.

Сначала в программу переносится вся экспликация помещений, где предполагается устанавливать оборудование KNX. Выключатели должны быть размещены в комнатах, где они управляют освещением или шторами, датчики протечек — в санузлах и т.д.

Исполнительные механизмы — многоканальные реле, управление приводами штор, диммеры, а также сетевые устройства — источники питания и линейные соединители, устанавливаются в шкафах (щитах) автоматики, места для которых тоже должны быть определены в проекте. Далее создается его топология, после которой формируется структура групповых адресов, которая соответствует требуемому количеству функций, выполняемых системой. Лишь после этого из баз данных следует вставить в проект необходимое оборудование и произвести конфигурирование его программ для более точного выполнения требуемых функций. На заключительном этапе производится загрузка (программирование) физических адресов, программ и параметров во все устройства по очереди. Обычно для программирования адреса прибора на его лицевой панели нажимают специальную кнопку для индикации загорается красный светодиод и производится загрузка из ПК.

Отметим, что все загруженные адреса и программы сохраняются в энергонезависимой памяти, то есть устройства KNX достаточно запрограммировать только один раз, причем не обязательно на объекте. Лишь после выполнения всех операций в программе ETS можно приступать к проверке функционирования системы на объекте.

Топология сети.

В технологии KNX предусмотрены различные возможные топологии сети.

Так в TP1 это может быть линия (шина), «звезда» или древовидная топология. Разрешено и смешивание топологий за исключением «кольца». Но при переходе к KNX/IP становится возможным и «кольцо». Как правило, при небольшом количестве устройств выбирается простая топология – «шина», тогда в сегмент линии можно вставить до 64 приборов, но на практике рекомендовано до 50, чтобы остался запас по расширению системы. Когда устройств становится существенно больше, то реализуют топологию «область». В этом случае определяется главная линия области и от неё может отходить до 15 вспомогательных линий, которые соединяются с главной линией посредством линейных соединителей. Когда и такой топологии не хватает для многочисленных устройств системы, то реализуется топология с магистральной линией, к которой с помощью магистральных соединителей можно подсоединить до 15 областей, как показано на изображении.

При этом отметим, что каждая линия должна иметь свой источник питания, и в главные линии областей и в магистральную линию также можно устанавливать устройства. Однако есть дополнительное ограничение — необходимо учитывать соединители, которые уже установлены в этих линиях. Каждая линия может содержать до 4-х сегментов, которые соединяются между собой репиторами. Это такие же линейные соединители, но использующие другую программу.

Линейные и магистральные соединители обеспечивают гальваническую развязку отдельных линий, что повышает надежность и жизнеспособность системы, а также фильтруют телеграммы по групповым адресам, что уменьшает трафик и нагрузку на магистральные и главные линии. В каждом сегменте обязателен источник питания и также можно установить до 64 приборов. Разумеется, допустимый ток нагрузки источника питания должен быть таким, чтобы обеспечивать потребление тока всем оборудованием. Таким образом в полной топологии можно применить более 58000 устройств TP1.

На длины кабелей при любой топологии существуют ограничения, которые следуют из физической природы передачи и распространения электрических сигналов. При использовании стандартного кабеля KNX, например JY(St) Y 2х2х0.8, максимальное удаление устройства от источника питания не должно превышать 350 метров. Максимальное расстояние между двумя устройствами, которые должны передавать сообщения друг другу, не должно превышать 700 м, а суммарная длина кабеля в одном сегменте не должна быть более 1000 м. Использование других кабелей не гарантирует эти максимальные длины.

Телеграммы и коллизии.

Все сообщения в сети TP1 передаются по-байтно, пакетами, как показано на изображении, причем в каждом пакете есть бит контроля на четность.

Все служебные поля телеграмм жестко определены стандартом протокола TP1.

Передача сигнала осуществляется симметрично (парафазно) по паре жил.

Логический «0» кодируется сигналом, а «1» — отсутствием его на линии. Амплитуда сигнала на выходе устройства примерно ± 6 В. Сигналы передаются по одной витой паре в составе экранированного кабеля, также как и постоянное питание, которое в нормальных условиях должно находиться в границах 21-31 В. Причем красный провод соединяется с «+» источника питания, а черный провод — с «-», при этом дополнительная витая пара — желтая и белая жилы — являются запасными. Их следует подключать, когда нарушена целостность основной пары жил или для подачи дополнительного низковольтного питания.

Отметим, что заземлять экран кабеля или одну из жил нельзя.

Прием сигнала осуществляется в виде дифференциального сигнала (разности напряжений) между двумя проводами. Все эти меры способствуют наименьшему влиянию на передачу и прием сигналов электромагнитных помех и, соответственно, обеспечивает наивысшую надежность KNX технологии.

Все устройства KNX работают в дуплексном режиме. Они могут не только передавать, но и одновременно слушать сеть.

Таким образом, когда несколько устройств одновременно передают телеграмму, то будет предаваться «0» — сигнал, а устройства, которые передают «1» поймут, что на линии они ни одни и прекратят на время свою передачу, чтобы возобновить её через некоторую паузу, когда линия, вероятно, освободиться.

Такой способ разрешения коллизий телеграмм, называемый CSMA/CA (Carrier Sensible Multiple Access with Collision Avoidance), гарантирует доступ устройств к шине при их обращении в сеть в любой момент, причем без существенного снижения её максимальной пропускной способности. Также гарантируется, что вначале будут переданы сообщения с наивысшим приоритетом, который устанавливается из ETS в первом пакете — контрольном поле телеграммы.

Длина сообщения в зависимости от типа передаваемых в телеграмме данных может изменяться от 9 дo 23 пакетов. Сообщение подтверждения — это только один пакет. Таким образом, с учетом времени пауз перед началом передачи и перед подтверждением общее время прохождения телеграмм TP1 лежит в диапазоне от 20 до 40 мсек.

Для более полного контроля используется перекрестная проверка, когда в каждом пакете не только присутствует бит контроля на четность, но в конце телеграммы формируется контрольный байт. В нем контролируется нечетность по всем битам во всех посланных пакетах, что позволяет выявлять как ошибки в отдельных битах, так и ошибки при перестановке битов в TP1.