Протокол KNX появился благодаря ассоциации EIB (Европейской Инсталляционной Шины). В 1990 году в Брюсселе ее основали немецкие компании: ABB, Berker, Gira, Jung, Siemens и др.
Всего в Ассоциацию вошли 15 компаний. Именно они приняли решение разработать надежную, технически совершенную и простую систему.
Задача была выполнена, и вскоре под логотипом EIB начали производить оборудование для управления инженерными системами зданий. Оно на 80% заполнило рынок электротехнических изделий Европы. В число самых известных производителей вошли ABB i-Bus, Instabus и Tebis.
В 1999 году после объединения EIB, EHS (European Home System) и Batibus возникла ассоциация KNX. Затем на базе технологии EIB создали стандарт EIB/ KNX. В 2003 году он стал европейским,
а в 2006 году - международным стандартом ISO/IEC 14543.
Система KNX децентрализована, т. е. она не имеет центрального контроллера.
Рассмотрим работу системы, где среда обмена информацией - специализированная шина или витая пара. Все устройства системы объединяются одной шиной. Информационные потоки в ней передаются в оба направления. Каждое устройство имеет уникальный физические адрес. Они могут объединяться в группы независимо от места расположения.
Перед началом работы устройства системы программируются с помощью программного обеспечения ETS. Любой прибор может инициировать обмен информацией. Протокол KNX использует метод передачи данных (CSMA/ CA) с учетом приоритетов. Это гарантирует бесконфликтный обмен данными с любым оборудованием KNX без потери скорости передачи.
Каждое действие в системе начинается по инициативе оконечных устройств: выключателей, сенсорных панелей, датчиков присутствия, движения, температуры, освещенности и многих других.
С их помощью управлять системой можно в любых режимах, например, через датчики присутствия, ручные выключатели, сенсорные панели, или удаленно. Например, датчик присутствия обнаружил в помещении человека.
Он передает в шину телеграмму исполнительному устройству или нескольким устройствам одновременно для включения определенного сценария. Устройства отрабатывают эту телеграмму и включают, например, один светильник или несколько групп освещения.
При этом возможно каждую группу вывести на заданный уровень яркости. Сценарии работы KNX включают в себя и системы кондиционирования, вентиляции, отопления, мультирум и многие другие. Все это специально программируется под нужды клиента.
Управление освещением по протоколу KNX рассматривается как часть автоматического управления инженерными коммуникациями здания. Освещение может управляться как напрямую с устройств KNX, так и с помощью различных систем с протоколами управления DALI, DMX и т.д.
В оборудование системы KNX входят все приборы для автоматизации освещения. Кроме того, есть возможность интеграции через специальные шлюзы и различные протоколы управления.
Например, системы DALI позволяют полноценно управлять освещением и создавать различные сценарии работы. Существующие системы DALI можно включить в общую систему управления зданием без особой доработки.
Рабочая среда для передачи данных:
Наибольшее распространение получила связь по витой паре KNX ТР. Для этой шины используют безопасное напряжение до 29 В. Устройства объединяют в сегменты линии, до 64 устройств
в сегменте.
У каждого сегмента есть свой источник питания. Длина сегмента не превышает 1 000 метров. Расстояние между устройствами – не более 700 метров. Линия содержит от одного до четырех сегментов, каждый из них подключается через линейный усилитель. Допустимое расстояние между двумя источниками питания – 200 метров.
С помощью линейных соединителей до 15 линий подключаются к одной главной линии и образуют зону. Следующая ступень сети – зонная линия. Через зонный соединитель она объединяет до 15 зон. Это позволяет объединить более 58 тысяч шинных устройств. Скорость передачи информации в такой системе составит 9 600 бит/с.
Для передачи информации по технологии KNX PL используют силовую сеть. В этом случае, дополнительная информационная линия не нужна. Кроме того, отпадает потребность и в источниках питания. Топология этой технологии подобна структуре рассмотренной выше. Скорость обмена информацией достигает 1 200 бит/с.
В системе KNX ТР средой обмена информацией служит радиоканал. В такой системе нет необходимости в строгой иерархии. Обмен информацией ограничивает только дальностью действия радиоканала. При KNX ТР скорость передачи информации – 16 384 бит/с.
Для технологии KNXnet/IP средой передачи информации является Ethernet. Это позволяет системе KNX функционировать с использованием сети Интернет, но без постоянного подключения к ней. Скорость обмена достигает 10 МБит/с.
Достоинства системы KNX:
Все KNX-устройства обладают энергонезависимой памятью. В ней хранятся настройки прибора. Это позволяет программировать систему только один раз. При временном пропадании сетевого напряжения, система быстро восстанавливает работоспособность.
Протокол KNX открытый. Свыше 200 фирм предлагают свою продукцию для реализации проектов, использующих этот протокол. Компания B.E.G. производит следующие датчики присутствия
и движения:
Для программирования датчиков и управления ими B.E.G. предлагает удобный пульт дистанционного управления . Он дает возможность оператору настраивать датчик без использования стремянки. Дальность его действия пять-шесть метров. А при воздействии прямых солнечных лучей два-три метра.
Кроме того, компания изготавливает оборудование для систем управления, поддерживающих протокол KNX: источники питания, диммеры, IP-интерфейсы, шлюзы KNX/DALI и другие.
Продукция компании B.E.G. позволяет реализовать проекты автоматизации освещения
и управления оборудованием самой разной сложности.
Если у вас есть потребность в автоматизации процессов в здании, в компанию B.E.G. Наши специалисты дадут бесплатную консультацию по всем вопросам. Мы разработаем проект, выполним монтажные и пусконаладочные работы. Все реализованные проекты уже дают заказчикам ощутимый экономический эффект.
На наш блог, чтобы не пропускать полезные материалы о работе датчиков движения и присутствия.
Привет! Попробую рассказать, как можно построить систему управления домом при помощи системы KNX. Основные вопросы, которые я хочу осветить - подход к воплощению «умного дома» на KNX, ориентиры по стоимости, подводные камни. Если материал «зайдет», продолжу. Я не стремлюсь впихнуть невпихуемое: за пределами статьи останутся диммеры, управление RGB и подобное - пока что мы просто включаем и выключаем свет:)
TL;DR: это не так дорого, как может показаться на первый взгляд и достаточно надежно.
Топологически, KNX - дерево, главное - не допускать колец. Терминирующих устройств не требуется.
Вся система делится на исполнительные устройства (акторы - управляемые реле разнообразного назначения), сенсоры (кнопки, выключатели, термостаты, погодные станции) и системные устройства - блоки питания, линейные соединители и прочее.
В простейшем случае, хочется следующего:
Это позволяет реализовать кучу всего на одном выключателе, но не всегда удобно в плане поиска нужной кнопки.
Для любителей классической электроустановки, можно вместо нативных выключателей KNX использовать обычные, с передачей сигнала в шину посредством сухого контакта, размещаемого под выключателем в монтажной коробке (на картинке - сухарь под четырехклавишный выключатель):
Исходя из количества групп и их назначения, можно выбрать многоканальное реле (не забываем учитывать токи нагрузки). Их производят примерно все, однако распространены устройства Gira, ABB, MDT, Zennio.
Дальше - план проводки. От щита к выключателям подводится только шинный кабель, тот самый JY(St)Y 2х2х0,8. К нагрузкам (светильникам) - соответствующий электрический кабель (ВВГ, NYM - по вкусу). Количество и расположение щитов - по вкусу. В трехэтажном таунхаусе я делал три этажных щита - в каждом по многоканальному реле для управления светом на этаже, так меньше электрического кабеля разматывать.
Приятный бонус: свободные каналы реле можно использовать для управления розетками. Однако, поскольку многоканальники имеют, как правило, небольшую мощность (токи до 10А), на розетки нужно использовать промежуточные реле соответствующей мощности.
В соответствии с хотелками и количеством групп освещения, планируем групповую адресацию.
Группа - это такая сущность в шине, которую слушают привязанные к ней акторы и в которую пишут всякие значения сенсоры. Актор (например, канал реле) можно привязать к нескольким группам, сенсор будет писать в одну группу.
Например: на первом этаже есть четырехканальное реле, с которого мы включаем/выключаем свет на крыльце, в прихожей, санузле и гостиной.
Целесообразно предложить следующие группы (используем трехуровневую структуру групповых адресов, первый этаж - 0, освещение первого этажа - 0/0):
0/0/0 - весь свет первого этажа, привязан ко всем каналам
0/0/1 - свет на крыльце, канал А
0/0/2 - свет в прихожей, канал B
0/0/3 - свет в санузле, канал C
0/0/4 - свет в гостиной, канал D
Вот как это выглядит в среде программирования:
Например, в гостиной первая кнопка включает/выключает (toggle) свет в самой гостиной, а вторая - принудительно выключает весь свет на этаже:
Привязка света в гостиной:
Выключение всего света на этаже:
Для переключений (toggle), необходимо передавать с каналов реле в шину их состояния, чтобы выключатель знал, какое значение передать в шину.
При необходимости, привязываем диоды на выключателях к состоянию соответствующих каналов реле - смысл аналогичный, картинками грузить не буду.
Загружаем конфигурацию в устройства и наслаждаемся эффектом:)
Дальше начинаем играться с проектом реле - задержки отключения, функции автоматического отключения света, настройка проходных выключателей в неограниченном количестве и так далее - до получения нужного эффекта.
1. Блок питания 320мА: 110 евро
2. Четырехканальное реле: 145 евро
3. Четыре выключателя: 65 евро за каждый
Итого - 515 евро, 130 евро за канал освещения. Не забываем про возможные скидки и про то, что более емкие дают более низкую стоимость канала освещения.
Для желающих сэкономить - имеет смысл иногда шерстить авито - иногда там распродают сладкие остатки, главное - следить за ценой.
Для связи всех устройств для автоматизации здания необходимо их подключить к общему каналу связи - шине KNX. С помощью шины устройства системы могут обмениваться телеграммами (пакетами) для передачи информации. Если передача и прием прошли успешно, то устройство-приемник, которому предназначалось сообщение подтверждает получение телеграммы. В случае отсутствия подтверждения устройство-передатчик повторяет отправку сообщения еще два раза. Если и в этом случае подтверждение не приходит, то процесс передачи данных прерывается. Таким образом, протокол KNX является протоколом с "обратной связью". В каждый момент времени может быть отправлена только одна телеграмма. Примерная структура сети KNX показана на рисунке 1.
Рис. 1.
Протокол KNX может использовать различные среды для передачи данных :
В рамках дипломной работы в качестве среды передачи данных используется витая пара (KNX/TP). Данный метод организации системы домашней автоматики на базе KNX является наиболее распространенным и актуальным, так как такие системы просты для планирования и разработки и позволяют создать функциональные и гибкие решения, удовлетворяющие требованиям заказчика. Кабель витой пары может прокладываться поверхностным (контрольные панели) или скрытым (радио-модули) монтажом. Благодаря большим возможностям настройки и программирования, стандарт KNX является удобным как для разработчика, так и для конечного пользователя. Кабель витой пары, состоящей из красной (+) и черной (-) пары проводов, можно использовать как для передачи телеграмм, так и для подачи питания устройств.
Для того, чтобы система начала работать недостаточно просто соединить кабелем все устройства и подключить к питанию. Необходимо настроить и запрограммировать устройства, используя специальное программное обеспечение ETS Professional.
Engineering Tool Software (ETS) - специальное программа для проектирования, конфигурации и диагностики интеллектуальных систем на базе стандарта KNX. ETS возможно использовать для настройки многих инженерных систем:
Существует несколько способов настройки устройств:
Для инсталляции KNX у каждого устройства в сети должен быть индивидуальный уникальный физический адрес. Назначение адреса можно произвести с помощью ETS. Для этого необходимо перевести устройство в программный режим (например, нажатием на программную кнопку на корпусе). Для подтверждения режима программирования должен загореться светодиод. Физический адрес устройств имеет следующую структуру: Зона.Линия.Устройство (например, адрес 1.3.4 определяет четвертое устройство в третьей линии первой зоны). Для физического адреса зарезервировано 16 бит информации. На рисунке 2 представлено распределение битов.
Рис. 2.
Далее необходимо выбрать аппликационные программы для каждого устройства и настроить различные параметры, исходя из требований проекта. После создается структура из групповых адресов (как правило для сложных инсталляций, трёхуровневая - главная группа/средняя группа/подгруппа, например, 1/1/1), и в данных групповых адресах объединяются различные объекты связи устройств, участвующих в инсталляции (например, датчик связывается с исполнительным логическим модулем). Трехуровневая система групповых адресов использует 4 бита информации для главной группы, 3 бита для средней и 8 бит для подгруппы. Таким образом, можно использовать максимально 16 главных групп (0-15), 8 средних (0-7) и 256 подгрупп (0-255).
Пример использования:
Необходимо учитывать, что получателями телеграмм могут быть несколько исполнительных устройств, но при этом сенсоры могут отправлять сигналы с информацией только по одному физическому адресу.
У каждого устройства есть несколько объектов связи. Их количество отличается в зависимости от назначения. Объекты связи могут иметь различный размер от 1 бита до 14 байт. Размер объекта зависит от выполняемой функции (например, 1-битовый объект используется для включения/выключения, а 4-битовый для диммирования).
Для наглядности рассмотрим следующий пример функционирования настроенной системы. Одноклавишный выключатель привязан к физическому адресу (1.1.1). Если нажать на кнопку выключателя и переключить его в положение "Включено", то отправится телеграмма с групповым адресом 4/2/3, которая содержит значение "1" и определённую служебную и контрольную информацию. Далее все устройства, находящиеся в общей сети KNX, получают данную телеграмму и обрабатывают ее, но только устройства с групповым адресом 4/2/3 отправляют контрольную телеграмму о подтверждении получения информации, после считывают значение "1" и обрабатывают его (например, исполнительное устройство с физическим адресом 1.1.2 замкнет реле, и лампа включится).
Как было сказано выше, передача данных по KNX/TP осуществляется с помощью кабеля витой пары. Шинные устройства подключаются к шине посредством универсального клеммника (рис. 3).
Рис. 3.
При каком-либо произошедшем событии происходит отправка телеграммы (например, пользователь нажал на кнопку). Если шина не занята некоторое время t1, то происходит передача данных. После отправки телеграммы должно пройти некоторое время t2, через которое происходит подтверждение получения от устройства, которому предназначалось сообщение. Общая схема отправления представлена на рисунке 4.
Рис. 4.
Каждая отправленная телеграмма состоит из набора служебных данных, определенного протоколом и полезной информации, которая описывает происшедшее событие (например, нажатие клавиши). Информация в телеграмме состоит из пакетов по 8 байт. Существуют определённые старт- и стоп- биты для определения начала и конца сообщения. Контрольная информация позволяет обнаружить ошибки в ходе передачи данных. На рисунке 5 представлена структура телеграммы.
Рис. 5.
Для передачи информационного сигнала используется модулирование напряжения, а точнее сообщение передается в виде импульса, который представляет собой разность напряжений, которая возникает между проводами витой пары среды передачи данных KNX/TP. Отсутствие импульса (разность потенциалов номинально равна 24 В) означает логическую "1". Отправка импульса с примерной амплитудой ±6 В означает логический "0".
Для того, чтобы передача данных осуществлялась с минимальными ошибками и задержками необходимо соблюдать определенные требования для создания сети (рис. 6) :
Рис. 6.
При проектировании системы необходимо уделить внимание количеству шинных устройств, используемых в сети и выбрать необходимую топологию (способ соединения всех элементов между собой). Стандарт KNX поддерживает большинство известных топологий за исключением "кольца" и имеет следующую структуру: устройства соединяются в линию, несколько линий соединяются в зону и несколько зон объединяются через системную линию (рис. 7).
Рис. 7.
Например, зоной является этаж здания, а линиями - комнаты на этаже. Каждая линия может включать максимум 4 сегмента, каждый из которых, в свою очередь, может состоять из 64 различных устройств. При этом необходимо учитывать, что каждому сегменту необходим отдельный источник питания. Для соединения сегментов в линии, а также соединения линий в зону используется линейный повторитель. Это помогает распределить нагрузку в шине. Таким образом, в системе можно объединить между собой более 58000 устройств.
При обсуждении тематики домашней автоматизации нельзя обойти стороной давно существующие на рынке технологии. Сегодня KNX является одним из наиболее распространенных решений для использования в средних и крупных системах автоматизации домов, офисов и коммерческих помещений. Он появился на рынке более двадцати лет назад и сегодня поддерживается многими крупными производителями электротехнического оборудования.
В сегодня входят более 350 компаний по всему миру. Число сертифицированных продуктов - более 7000. Общее число установленных в мире устройств, отвечающих этому стандарту, составляет по некоторым оценкам более десяти миллионов. Наиболее известными производителями оборудования KNX сегодня являются ABB, Gira и Schneider Electric.
Основными ключевыми особенностями KNX является гарантированная совместимость продуктов разных производителей, единый программный инструмент (Engineering Tool Software, сокращенно - ETS) для планирования, разработки и реализации проекта, а также официальные курсы подготовки и сертификации специалистов. С технической точки зрения, решения позволяют реализовать все популярные сценарии автоматизации, включая освещение, управление климатом и безопасность.
Широко осветить данный вопрос в одном единственном материале просто невозможно и данная статья скорее может претендовать на краткое введение в технологию и обзор ее особенностей для незнакомых с ней читателей. Основная часть информации для материала была собрана из документации, источников в сети Интернет, выставок, презентаций и курсов. Однако надеемся, что статья окажется полезеной нашим читателем и позволит им оценить возможности технологии для решения собственных задач. Если данная тематика будет интересна, мы постараемся вернуться к ней уже с более подробными материалами.
По понятным причинам, полномасштабное тестирование в данном случае провести затруднительно, но без практики статья была существенно менее полезной. Познакомиться с продуктами KNX нам помог отечественный разработчик и производитель оборудования для систем автоматизации - компания Evika. Она известна своими логическими контроллерами, существенно расширяющими возможности решений не только на нашем рынке, но и далеко за его пределами, однако в этом материале мы ограничимся изучением только основных принципов построения систем на базе KNX.
Подавляющее большинство проектов KNX основаны на использовании специальной выделенной проводной шины (витой пары), так что информация в данном материале будет относиться в основном именно к этому варианту. Все контроллеры, датчики и исполнительные устройства подключаются к проводной шине. На практике это означает необходимость разработки проекта и прокладку необходимых коммуникаций во время стройки или ремонта. Формально в стандарте существуют и другие среды передачи (в частности сеть электропитания и радиосвязь), однако они относительно редко встречаются в проектах. В качестве альтернативного варианта, не требующего прокладки дополнительной контрольной шины, достаточно часто используются схемы с выводом всех индивидуальных потребителей на общий щиток. Обе версии имеют свои плюсы и минусы. При этом допускается и их совмещение, если сохраняется соответствие спецификациям KNX.
Топология проводной шины может быть выбрана достаточно гибко. Допускается использование линейных шин, дерева и звезд. Терминация здесь не требуется, но рекомендуется уделить внимание защите от перенапряжения и гроз. Базовым элементом логической структуры является сегмент, который содержит до 64 узлов. До четырех сегментов могут быть объединены в линии, которые могут быть в свою очередь объединены в область (до 15 линий). На самом верхнем уровне можно объединить в систему до 15 областей. Общее число устройств в одной сети составляет около 58 тысяч.
Рекомендуется использовать для шины кабель 2×2×0,8, хотя собственно для работы KNX достаточно одной пары линий данных. Вторая пара может использоваться для подачи дополнительного питания (некоторые устройства могут питаться от самой шины KNX) или как резерв.
При необходимости, можно использовать на сегменте несколько блоков питания. Интересно, что блок питания должен выдерживать пропадание питания до 100 мс, что повышает надежность работы системы. При создании проекта у вас есть возможность проконтролировать потребление всех устройств на линии на основании их характеристик, предоставленных производителем. Общие характеристики шины следующие:
Для объединения сегментов и линий используется специальное соединительное оборудование, способное выполнять функции повторителей, мостов, маршрутизаторов и фильтров пакетов. Обычно все эти функции могут выполняться одним и тем же оборудованием, а действительный алгоритм его работы записывается в момент программирования. Следующий этап масштабирования системы достигается за счет использования мостов в традиционные IP-сети.
Взаимодействие устройств по шине происходит путем обмена пакетами данных. Скорость обмена составляет 9600 бит/с, а для обработки коллизий используются технология CSMA/CA. Протокол описывает все возможные форматы информационных посылок и типов данных используемых переменных. В частности, в пакете указываются адреса передатчика и приемника, сами данные и контрольная сумма. Общая длина пакета обычно не превышает 23 байт. Время передачи составляет 20-40 мс. Отзывчивость зависит от загруженности шины и числа устройств в ней. В случае простых вариантов контроля освещения, работа выключателей визуально не отличается от прямого управления. Но в крупных нагруженных сетях, в том числе и объединенных по IP, могут потребоваться дополнительные операции оптимизации в зависимости от требований заказчика.
Предусмотрена схема подтверждения доставки и повторных отправок в случае неудачи, некоторые возможности приоритезации. Интересно, что в стандарте, кроме традиционных бинарных, целых и текстовых переменных, напрямую записаны форматы для работы с яркостью, температурой, давлением, временем, мощностью и другой информацией. Наиболее популярные варианты команд и типы данных включают в себя переключение, управление приводом (включить движение, остановка, шаг), диммирование (относительное, остановка, абсолютное значение) и передачу физических величин (например, температуры).
Штатных средств для контроля состояния устройств на шине здесь нет. Некоторые производители предусматривают в своих продуктах функцию Heartbeat, но обрабатывать эти сигналы нужно будет внешним контроллером.
Разнообразие устройств данного стандарта можно оценить по представленным на сайтах крупнейших производителей каталогам. В частности последние версии у ABB и Schneider Electric имеют примерно 200 страниц, а у Gira - около 100 (часть каталога о решениях KNX). Конечно, это достаточно грубая оценка, но она вполне дает представление об интересе производителей к данной продукции. Даже одно перечисление возможных групп товаров займет не одну строку: реле (включая управление шторами, жалюзи, воротами), диммеры, кнопки и выключатели, бинарные и аналоговые входы и выходы, датчики (движения, освещенности, температуры, энергопотребления, погоды, протечки воды, дыма, утечки газа), управление климатом (нагрев, вентиляция, кондиционирование), сенсорные панели, мосты в другие системы (IP, DALI, SMS, телефон, электронная почта, домофон, охранные системы), системные компоненты (блоки питания, мосты, интерфейсы программирования, контроллеры).
При этом модели могут быть как устанавливаемые в стандартные распределительные коробки, так и для монтажа на DIN-рейку. Во втором случае часто используются устройства на большое число каналов управления (в частности реле и диммеры). Обычно устройства подключаются только к шине KNX и непосредственно датчикам или управляемым устройствам, дополнительное питание в этом случае не требуется.
Все устройства KNX сертифицируются. Для программирования обязательно иметь соответствующий устройству файл конфигурации. Обычно он загружается с сайта производителя и интегрируется в программу ETS. В этой же программе вы можете изменить конфигурацию устройств по предусмотренной производителем схеме. В частности можно выбирать режимы работы выключателей и двоичных входов, скорости регулировки диммеров, корректировать температуру в термостатах.
В подавляющем большинстве случаев, устройства имеют в своем составе несколько объектов, которые являются минимальной единицей для участия в группах, приема и отправки сообщений, настройки параметров и других элементах проекта.
Стоит отметить, что гибкость технологии позволяет использовать одни и те же аппаратные устройства для реализации разных функций, что достигается возможностью загрузки в них разных внутренних программ. В качестве примера можно привести трансформацию блока с несколькими реле в устройство управления шторами.
Базовая конфигурация KNX-проектов может считаться децентрализованной - обмен данным между устройствами осуществляется напрямую, без непосредственного участия какого-либо отдельного специализированного контроллера. Такой подход имеет как свои плюсы, так и минусы и нужно рассматривать вопрос в применении к конкретным задачам проекта. Например, таким образом можно реализовать автономный сегмент для управления освещением в доме на базе запрограммированных сцен и алгоритмов. Однако надо отдавать себе отчет в том, что сами устройства относительно простые и при необходимости более сложных алгоритмов взаимодействия потребуется установка дополнительного контроллера. Дальнейшее описание в этом материале касается именно штатных возможностей протокола KNX.
Адресация устройств обычно использует схему «область-линия-устройство». Размер поля адреса - 16 бит. При этом собственные адреса необходимо прописывать в каждое устройство на этапе программирования системы через ETS. Заметим, что данная операция требует физического доступа (обычно - нажатия на кнопку на корпусе), а после установки адреса можно осуществлять все операции удаленно. В дальнейшем эти адреса можно изменить. В последних поколениях были добавлены индивидуальные серийные номера, что более удобно для программирования, и дополнительная защита для удаленного чтения-записи данных устройства (проверка 4-байтового кода).
Важными логическими элементами системы являются групповые адреса. Они представляют собой собранные по функциональному признаку устройства. При этом датчик/сенсор (например, кнопка) может отправлять команды только в одну группу, а исполнительные устройства (например, реле) могут принимать информацию сразу в нескольких группах. Отметим, что все устройства в группе должны иметь совпадающие типы данных. Например, нельзя связать отправку бинарного сигнала с выключателя для регулировки яркости. Однако часто бывает так, что одно и то же устройство может отправлять или получать данные разных типов, что может помочь в данной ситуации. Например, диммер может предоставлять интерфейс для нескольких групповых объектов и понимать команды включить/выключить, увеличить/уменьшить яркость и установку заданной яркости в процентах.
Использование такой схемы позволяет реализовать упрощенное управление группой устройств путем отправки одного сообщения на групповой адрес вместо индивидуальной адресации. Ограничения на максимальное число групповых адресов обычно индивидуальны и указаны в спецификациях оборудования. Для упрощения структуры можно разбивать групповые адреса по определенным категориям. Например, по схеме «этаж-комната-освещение». Размер поля группы также составляет 16 бит.
Заметим, что кроме непосредственно отправки команд исполнительным устройствам, предусмотрены и другие типы сообщений, например получение статуса. В частности, таким образом можно реализовать сохранение индивидуального управления лампой одной кнопкой (нажатие вызывает переключение) с одновременным участием этого источника света в сцене.
Здесь стоит обратить внимание на то, что в схеме не предусмотрено никаких программ, в том числе логических действий, проверки условий, задержек, циклов и других операций. Иногда встречаются устройства, внутри которых присутствуют базовые логические операции, а также модели, способные выступать в роли внешних логических блоков на несколько операций (например, сравнений).
Отдельный класс устройств представляют собой контроллеры. Они оборудованы собственным процессором, адаптером шины KNX, а также могут иметь и другие интерфейсы. Здесь никаких ограничений нет, все определяется разработчиком. Эти устройства способны выполнять множество дополнительных операций, включая работу с таймерами и временем, сценами, проверкой логических условий (например, по состоянию датчиков), взаимодействие с внешними устройствами и другими системами.
Все программирование системы KNX осуществляется в программе ETS (Engineering Tool Software). Это обеспечивает унификацию и совместимость решений разных производителей.
Рабочим документом в ней является проект. При этом можно использовать несколько проектов в одной сети (например, в крупном здании) или несколько сетей с одним проектом (например, в однотипных номерах отеля). Непосредственная работа с проектом не требует доступа к инсталляции, однако для загрузки конфигурации и диагностики, конечно, нужно будет подключиться к сети KNX. Осуществляется эта операция или через локальные (USB или RS-232) интерфейсы или IP-мост.
Программа работает только с операционными системами Windows, интерфейс есть на нескольких европейских языках, варианта на русском нет (однако он может использоваться в файлах конфигурации устройств). Бесплатная версия позволяет тренироваться на проектах из пяти устройств, а полноценная работа требует обязательного лицензирования с использованием USB-ключа. Стоимость последней версии на момент написания статьи составляла €200 для версии Lite (до 20 устройств) и €1000 для версии Professional, в которой ограничения отсутствуют.
В общем случае процесс программирования системы автоматизации состоит из нескольких шагов:
При создании проекта нужно обратить внимание на выбор типа шины, а также схемы организации адресов. В частности для небольших проектов можно работать с двухуровневой адресацией, а для крупных может быть более удобна реализация в виде трех уровней. При подготовке этого материала использовался второй вариант.
Как мы говорили выше, для успешного программирования устройства необходимо, что бы в каталоге присутствовало его описание в специальном формате. Эти файлы конфигурации предоставляет производитель, или же можно воспользоваться встроенным в программу ETS электронным каталогом.
В случае использования некоторых типов «сложных» устройств, логика работы с которыми не укладывается в возможности программного обеспечения ETS, производитель предлагает дополнительные утилиты для работы с ними, которые интегрируются в основную оболочку программы.
При создании структуры здания предусмотрено использование таких элементов как этажи, лестницы, комнаты, коридоры, монтажные шкафы. Далее вы используете устройства из каталога для размещения их на получившейся структуре здания. Это позволяет удобно создавать практически любые конфигурации, что способствует упрощению дальнейшей работы над проектом. Конечно, надо понимать, что в общем случае такое разделение в некотором смысле условно, поскольку физической привязки устройств к комнатам может и не быть (например, в случае централизованной схемы). Однако с точки зрения сохранения порядка в проекте, особенно если над ним работает несколько сотрудников, продумать заранее данный момент очень полезно.
При этом не нужно забывать, что с точки зрения шины KNX и непосредственных физических соединений проект имеет собственную, отличную от логической структуры здания, топологию. На верхнем уровне стоят области, в них присутствуют линии, а на линиях уже подключены устройства.
Во многих случаях, установку адресов устройств можно доверить программе. При необходимости в дальнейшем их можно будет изменить. Перед переходом к следующему шагу, необходимо проверить конфигурации всех использованных устройств, поскольку от них зависят выполняемые сценарии и доступные функции. Здесь же для удобства можно добавить комментарии.
Групповые адреса имеют собственную, отличную от здания и топологии, логическую структуру. При этом вы можете использовать, в частности, группировку по этажи или по функциональному назначению. Для трехуровневой схемы можно предусмотреть и дополнительное деление, например по комнатам.
Отметим, что до этого момента инсталлятору не требовались непосредственно сами устройства и работающая сеть KNX для работы над проектом
Для загрузки проекта в установленную систему автоматизации потребуется подключить к ней компьютер по одному из поддерживаемых интерфейсов. Непосредственно для работы этот интерфейс не требуется, но часто он остается в инсталляции для удобства внесения изменений в конфигурацию.
Загрузка конфигурации в может осуществляться в нескольких режимах, включая полный (в нем записываются и адреса, что требует нажатий на кнопку на каждом устройстве) и частичный (записываются только изменения конфигурации, поскольку адреса уже должны быть прописаны, система работает с ними и нажимать на кнопки не нужно).
Заметим, что полностью восстановить («прочитать») файл конфигурации проекта из работающей системы невозможно. Так что если вы являетесь заказчиком и не уверены в своем инсталляторе желательно предусмотреть передачу этих данных после завершения настройки.
Ну и конечно не стоит забывать, что после завершения программирования системы автоматизации желательно проверить ее работоспособность. Здесь могут быть полезны такие функции ETS как монитор шины и монитор групповых адресов. В первом случае обязательно подключение к KNX через мосты в RS-232 или USB, а контроль групповых операций возможен и через IP.
Для тестирования нам не нужно было проводить какие-либо предварительные работы, однако в реальных проектах подготовительная часть не менее важна, чем реализация. Вам потребуется подробно описать требования заказчика, определиться с функциями системы, выбрать устройства, разработать план кабельной структуры, продумать возможные варианты резервирования и будущего расширения. В данном случае, большинство изменений, таких как «добавить лампочку» или «перенести панель управления», после прокладки кабелей достаточно трудоемки и очень желательно их избежать. С другой стороны, поменять выключатель с парой кнопок на модель на четыре кнопки несложно. А при коммутации нагрузок в общий щиток, перенести управление светом через реле на диммер также вполне возможно. В любом случае, еще раз обращаем внимание на важность этой части работы над проектом.
Информация подготовительного этапа обязательно потребуется для определения используемых в проекте устройств и их количества, создании структуры здания, топологии сети, схемы групповых адресов и непосредственно программирования логики работы системы.
При определенном опыте, грубые предварительные оценки проектов небольших масштабов можно получить достаточно быстро. Например, в виде «двенадцать каналов реле для света, три канала диммирования, десять выключателей». При использовании централизованного варианта проводки, логика для этой системы может быть реализована очень гибко.
Для практического знакомства мы собрали небольшой стенд из оборудования компании Evika: дросселя питания Choke-KNXv3, контроллера LogicMachine4, восьмиканального универсального блока UIO8-KNXv3, четырехканального LED-диммера LED4-KNX, адаптера для выключателя ABB серии Busch-Jaeger. Дополнительно использовался внешний блок питания на 24 В 0,8 А, четыре реле с блоками для установки на DIN-рейку, провода и колодки.
Расскажем немного про сами устройства, большинство из которых рассчитаны на установку на DIN-рейку. Дроссель занимает на ней три места и используется для разделения сигналов шины KNX и питания. В нем предусмотрено использование до трех источников питания 24-29 В, есть прямой выход питания 24 В для дополнительной нагрузки, разъем для подключения аккумуляторной батареи и два светодиодных индикатора. Устройство обеспечивает максимальный ток в 640 мА и имеет защиту от перегрузки.
Контроллер LogicMachine4 в данном материале использовался нами как мост IP-KNX, что составляет только одну из его многочисленных функций. Его корпус имеет формат 4 DIN, требует дополнительного внешнего питания 24 В, оборудован несколькими интерфейсами (включая 1-Wire, USB, RS-485 и DALI), имеет быстрый процессор, 128 МБ оперативной памяти и 4 ГБ энергонезависимой. Возможности устройства заслуживают отдельной статьи или даже нескольких, так что мы постараемся к нему еще вернуться.
Универсальный блок ввода-вывода формата 2 DIN позволяет реализовать на каждом из восьми своих каналов любую из пяти функций: аналоговый вход, бинарный вход, импульсный счетчик, детектор импульса (короткое или длительное нажатие), шаговый диммер и бинарный выход. Режимы и их параметры программируются через ETS. Для управления внешними реле потребуется подвести к модулю дополнительное питание. Модель может быть интересна с точки зрения сокращения используемых блоков и увеличения гибкости в инсталляциях среднего размера.
LED-диммер также имеет формат 2 DIN и предоставляет четыре канала для ШИМ-управления светодиодными лентами с напряжением питания 24 В с общим плюсом. Для него необходимо подключение внешнего источника питания исходя из параметров лент, а максимальный ток на одну линию составляет 5 А. Устройство имеет настройку частоты модуляции и возможность программирования двенадцати сцен с выбором эффекта перехода между ними.
Адаптер для выключателей позволяет превратить эти стандартные электроустановочные изделия в контроллер для шины KNX. Питание устройство получает по шине KNX. Поддерживается подключение двух кнопок выключателя и еще трех внешних через специальный кабель. Также в адаптере присутствует датчик температуры, который может использоваться для реализации функции термостата. Кнопки программируются как бинарные датчики, а также могут работать для диммирования или с определением короткого и длительного нажатий.
Даже при создании тестовой конфигурации мы очень рекомендуем для шины использовать фирменные кабели с жилами диаметром 0,8 мм, а не близкую на первый взгляд стандартную сетевую витую пару. Это сбережет вам и время и нервы, поскольку с фирменными самозажимными разъемами Wago эти провода работают идеально, а все остальное заставит вас помучаться. В каждом разъеме предусмотрено четыре места для провода, что позволяет реализовать возможности гибкой шинной архитектуры KNX. В общем случае, данные разъемы считаются одноразовыми, но при определенной сноровке вытащить провод из них можно. Конечно для стационарных инсталляций этого лучше не делать.
Собственно сборка системы не вызывает затруднений у имеющего базовые навыки электромонтажа специалиста. На используемом оборудовании дополнительно присутствуют винтовые зажимы и многоразовые зажимы с плоским пружинным контактом для кабелей питания и входов/выходов. В них можно подключать одножильные провода в широком диапазоне - от обычной витой пары до 0,75 мм² и более.
На компьютер мы установили ETS5 с лицензией Demo, которой нам будет вполне достаточно для знакомства с системой. Обратите внимание, что ETS в некоторых аспектах отличается от большинства привычных программ для работы с документами. Все рабочие данные программа хранит во внутренней базе данных на компьютере, где она установлена. Для обмена файлами между разными системами или пользователями требуются явные операции экспорта и импорта проектов. Здесь нельзя открыть одновременно несколько файлов. Все вносимые правки сразу же отражаются в проекте. Истории изменений и возможности «отката» не предусмотрено. Это, безусловно, требует повышенного внимания при работе с программой. Также очень желательно использовать монитор с разрешением не менее FullHD, поскольку для многих операций требуется иметь доступ сразу к нескольким окнам. По этой причине, приведенные далее скриншоты желательно рассматривать в полном размере.
На первом шаге создаем новый проект, выбираем название, тип шины и адресацию.
Далее скачиваем с сайта производителя устройств конфигурационные файлы и добавляем их в каталог программы. Некоторые производители, у которых большой ассортимент продукции, в каталоге используют многоуровневую группировку по типу устройств (например, Свет - Светодиоды). Заметим, что для знакомства с возможностями устройств в программе не обязательно иметь их в наличии.
Устройств у нас мало, так что делать сложную структуру здания не обязательно. Ограничимся одним этажом, одной комнатой и коридором.
Теперь можно расставить устройства по комнатам, но можно отложить эту операцию и на попозже.
На следующем этапе необходимо проверить и настроить параметры всех устройств и их объектов. Для LED-диммера мы запрограммируем три внутренние сцены и параметры для их автоматического проигрывания.
Использовать выключатель в нашем случае будем для режима «ночь», так что настроим его первый вход для отправки «0» (команды выключения) при замыкании контакта.
А для UIO8 потребуется больше настроек. По умолчанию все каналы у него отключены и в дереве устройства нет никаких объектов, кроме Heartbeat. Четыре последних канала у нас будут работать как бинарные выходы для реле.
Обратите внимание, что выходы имеют множество опций, включая начальное состояние, инверсию и таймеры. Кроме того, для каждого из них можно создать парный виртуальный объект, который доступен для записи и работает с логической операцией «и»/«или».
Первые четыре канала будут использоваться как входы. На первом и втором стоят кнопки без фиксации, к третьему у нас подключен выключатель с двумя положениями, а четвертый работает в режиме аналогового входа с переменным резистором.
При выборе режимов каналов в устройстве автоматически появились соответствующие объекты со своими параметрами. В частности для выключателя настроим отправку 1 при замыкании и 0 при размыкании, для кнопок - переключение при замыкании, для аналогового входа важным является максимальное напряжение (ставим здесь 24 В), а также режим отправки телеграмм - при изменении состояния или по таймеру.
Переходим к групповым адресам. Трехуровневая структура в нашем проекте конечно избыточна, но особого неудобства это не вызывает. У нас только пять органов управления, так что достаточно будет ограничиваться пятью групповыми адресами. Заметим, что мы попробовали придумать непростые сценарии и по этой причине нам в некоторых местах не хватило кнопок.
В первом мы используем выключатель, три линии LED, первое реле (предположим, что к нему подключены светильники в доме), а второе реле у нас будет отвечать на освещение в саду, так что у соответствующего выхода в UIO8 включим инверсный режим. Отметим, что данные реле включать (выключать) нам уже нечем, так что схема интересна только для демонстрации.
Вторая будет использоваться для запуска и остановки проигрывания светодиодных сцен от переключателя на третьем канале UIO8.
Третья группа - установка яркости светодиодной ленты (всеми каналами сразу, для получения белого цвета) от аналогового регулятора на четвертом канале UIO8.
Четвертая и пятая группы совместно последними кнопками и реле будут эмулировать управление воротами. Для этого первая кнопка отправляет «1» при нажатии, вторая «0» при нажатии, второе реле инвертирует принимаемый сигнал, а также есть задержки в одну секунду на выполнение команд включения для корректной работы механизмов. В реальном проекте, скорее всего, потребуются таймеры или датчики положения, а также режим «стоп».
Теперь настало время для загрузки проекта в систему автоматизации. Для этого нужно вернуться на стартовый экран ETS и на закладке Bus настроить интерфейс, через который будет осуществляться работа с шиной. В нашем случае это мост в IP, реализованный через LogicMachine4.
Если загрузка производится в первый раз, необходимо прописывать адреса во все устройства. Для этого нужен будет физический доступ к ним для нажатия кнопки программирования. В зависимости от особенностей проекта, возможно будет удобнее осуществить эту операцию заранее, промаркировать все элементы и потом монтировать оборудование на объекте.
В дальнейшем, когда устройства уже получили адреса, изменение конфигурации можно будет проводить уже без физического доступа к ним. Заметим, что поддержка IP-интерфейса позволяет работать с системой удаленно, однако нужно обязательно позаботиться о дополнительной защите сети (например, через технологии VPN), поскольку сам мост не имеет никаких средств контроля доступа.
Встроенные средства диагностики позволяют проконтролировать работу групповых адресов, а также прямо из программы отправлять сообщения в группы.
В целом во время тестирования нам не встретились какие-либо существенные проблемы. Наиболее трудоемким моментом, на наш взгляд, является правильное составление адресных групп, но и с ним можно справиться если заранее продумать требуемые сценарии и функции системы автоматизации и подобрать наиболее эффективно подходящее под них оборудование. Также здесь будет полезно знание особенностей устройств, поскольку часто они имеют богатые возможности настройки параметров и опций работы.
Прежде всего, напомним, что технология KNX сама по себе является только «нервной системой» для проектов автоматизации. Ее несомненными сильными сторонами являются широчайшие возможности по поддержке различных сценариев и устройств, стандартизация и сертификация оборудования, особое внимание к надежности решений и активное сообщество профессионалов.
Многие из описанных в многочисленных маркетинговых материалах ситуаций (включая удаленное управление, охрану, экономию энергии и расширенную автоматизацию) требуют выхода за пределы самой технологии - например, использования в проектах специализированных многофункциональных контроллеров, блоков сопряжения интерфейсов и другого оборудования. Однако именно KNX способна обеспечить их эффективное взаимодействие с используемыми в решении базовыми исполнительными устройствами, датчиками и органами управления.
С практической точки зрения, KNX ориентирована не на рынок «сделай сам» (DIY) - хотя, конечно, при наличии определенного опыта и финансов вы сможете ее использовать, - а для профессиональных инсталляторов, работающих на объектах среднего и крупного масштабов в частном и коммерческом секторах, когда важно обеспечить надежную и бесперебойную работу решений и минимизировать дополнительное обслуживание.
Если говорить про базу технологии, то на первый взгляд она может показаться морально устаревшей - медленная последовательная шина, необходимость программирования адресов устройств, отсутствие Plug-and-Play, базовый набор сообщений, отсутствие протоколов безопасности и непростая система программирования. С другой стороны, подобные характеристики не имеют смысла без применимости к конкретным задачам и функциям, а практика показывает, что правильно реализованные проекты на базе KNX вполне устраивают заказчиков.
Вопрос стоимости самих продуктов в данном случае не играет главной роли, поскольку оценки имеют смысл только для проектов в целом с учетом разработки, установки, настройки и эксплуатации. Но учитывая большое число участников процесса (включая саму ассоциацию, курсы сертификации, производителя оборудования, поставщика, проектировщика, дизайнера, инсталлятора, инженера и монтажника), ясно, что доступной назвать ее будет сложно. В любом случае разница со многими другими технологиями для сегмента DIY обычно будет в разы не в пользу KNX, но сравнивать решения только по этому параметру, конечно, некорректно.
Обзор стандарта KNX
И. КУТЕПОВ, г. Санкт-Петербург
На рынке оборудования для автоматизации зданий и помещений сегодня имеется много различных устройств и систем. В прошлом разработчики всегда стремились применить в них свои идеи, инновации и протоколы обмена информацией. Освещением управляли по одному протоколу, кондиционированием - по другому, вентиляцией могли и по третьему. Но возникла необходимость обеспечить совместимость этих систем и иметь для них один универсальный протокол. Сегодня всё большее применение получают устройства автоматики, управляемые и общающиеся между собой по протоколу KNX. В предлагаемой статье описаны основные особенности этого протокола.
Протокол KNX даёт возможность легко объединять различные инженерные системы в единый комплекс. Это позволяет снизить стоимость автоматизации и повысить надёжность из-за отказа от различных преобразователей и шлюзов для соединения устройств, работающих по разным протоколам.
KNX стал протоколом, который отвечает всем этим требованиям. Он позволяет управлять различными системами как в комплексе зданий, так и в отдельной квартире и хорошо интегрируется в другие системы. Описан этот протокол в международном стандарте ISO/IEC 14543-3.
Все устройства, согласно KNX, объединяются в распределённую сеть, в которой не нужен центральный компьютер. Технология KNX позволяет контролировать работу всех задействованных систем и управлять ими без применения сложных центров управления. Можно назвать следующие преимущества KNX-систем:
Низкие эксплуатационные расходы;
Наглядность контроля и управления;
Возможность расширения существующей системы под новые задачи;
Возможность изменять настройки в процессе эксплуатации;
Предоставляя единый пакет программного обеспечения для осуществления проектирования систем, их настройки и эксплуатации,гарантирует совместимость и взаимодействие изделий разных производителей, используемых для выполнения необходимых функций.
Имеется возможность применить протокол KNX и в радиолюбительской практике. В качестве аппаратной платформы можно выбрать дешёвые и освоенные устройства. Например, Arduino и его модификации, Raspberry Pi, ODROID и др.
Технология KNX может быть применена в различных подсистемах "Умного дома":
Регулирование и управление освещением (его включение и выключение, в том числе автоматическое, изменение яркости, поддержание постоянной освещённости, управление посредством DALI (Digital Addressable Lighting Interface) - цифрового интерфейса с адресацией для осветительных приборов);
Отопление, кондиционирование и вентиляция (индивидуальное управление температурой в помещении, управления вентиляцией, отслеживания состояния окон), объединение их в единую систему. Полученные с датчиков сведения о температуре и состоянии воздуха используются для обеспечения оптимальных значений контролируемых параметров;
Управление жалюзи, ролл-ставнями и занавесами. Ролл-ставни, занавесы и жалюзи с регулировкой положения ламелей, в зависимости от угла падения солнечных лучей, обеспечивают оптимальное естественное освещение;
Охрана и безопасность (отслеживание состояния окон и дверей, противопожарная и дымовая сигнализация, подача сигналов тревоги и оповещения о несанкционированном проникновении, аварийных сигналов, имитация присутствия, освещение в режиме "Паника").
Принципы построения и функционирования KNX-системы
Система KNX состоит из датчиков, исполнительных устройств (актуаторов) и системных устройств. Все они объединены в KNX-сеть. Датчики подают сигналы о состоянии различных устройств и окружающей среды. Исполнительные устройства выполняют команды. Например, перемещают жалюзи, регулируют освещение, перекрывают клапаны подачи воды. К системным устройствам относятся, например, блоки питания, соединители линий, логические модули, 1Р-маршрутизаторы, GSM-шлюзы.
Для информационного обмена между элементами сети используются четыре вида сред передачи данных: физическая шина из витой пары проводов (KNXTP), электросеть (KNX PL), радиоканал на частоте 868 МГц (KNX RF), соединение по Ethernet (KNXnet/IP).
Подробно об особенностях построения сетей KNX можно прочитать в .
Чтобы KNX-система заработала, необходимо не только установить устройства и соединить их необходимыми кабелями между собой и с питающей сетью, но и запрограммировать устройства с помощью инженерного программного обеспечения ETS. До его загрузки необходимо назначить устройствам индивидуальные физические адреса, выбрать и настроить прикладные программы устройств, создать структуру групповых адресов и объединить в ней объекты связи, обозначив одни объекты как датчики, а другие - как исполнительные устройства. В пределах сети каждое устройство должно иметь индивидуальный физическии адрес.
Система может быть сконфигурирована в одном из следующих режимов:
Системный (S-mode) даёт полный доступ к конфигурированию всех устройств, включая проектирование, формирование групповых адресов и программирование (загрузка) устройств с помощью ETS. Используется для создания систем квалифицированными спе-
вание элементов системы с возможностью ручного изменения некоторых параметров. В последних вариантах стандарта KNX от него отказались.
Среда передачи информации -шина
Система KNX со связью по физической шине (витой паре проводов) работает от безопасного сверхнизкого напряжения питания SELV (Safety Extra Low Voltage), максимальное значение которого 29 В. Оно поступает на все устройства по той же витой паре, что и информация. Шина всегда надёжно изолирована от электросети, и прикосновение к ней не может причинить вреда человеку.
При использовании шины стандарт KNX предусматривает иерархическое деление на линии и зоны. Нижнее звено системы - сегмент линии, объединяющий до 64 шинных устройств. Линия может состоять как из одного сегмента, так и из нескольких (до четырех), связанных через линейные усилители.
Возможная топология линии показана на рис. 1. Допустимое число шинных устройств, подключённых к одной линии, зависит от выбранного источника питания и электропотребления конкретных устройств. В пределах линии допускаются максимальная длина сегмента 1000 м, максимальное расстояние между источником питания и шинным устройством 350 м, максимальное расстояние между двумя источниками питания 200 м, максимальное расстояние между двумя шинными устройствами 700 м.
Через линейные усилители, как показано на рис. 2, линия может быть расширена дополнительными сегментами, максимальная длина каждого из них также 1000 м. Каждый сегмент должен быть подключён к своему блоку питания. Число параллельно включённых линейных усилителей не должно превышать трёх на каждую линию.
С помощью линейных соединителен до 15 линий могут быть подключены к главной линии и объединены в одну зону. Топология зоны показана на рис. 3. К главной линии также возможно подключение до 64 шинных устройств. Она должна иметь отдельный источник питания. Подключение линейных усилителей к зонным и главной линиям не допускается.
Несколько зон могут быть соединены между собой с помощью зонной линии, при этом каждая зона подключается к зонной линии через отдельный зонный соединитель. Зонная линия должна иметь собственный источник питания. К ней возможно подключение шинных устройств, максимальное их число сокращается с увеличением числа зонных соединителей. Зонная линия может соединять максимум 15 зон, объединяя, таким образом, в одну систему более 58000 шинных устройств.
Зонные и линейные соединители, а также линейные усилители - идентичные приборы. Задачи, которые они выполняют, определяются их местом в топологии сети, соответствующим этому месту физическим адресом и загруженной в прибор прикладной программой. Зонные и линейные соединители пропускают телеграммы только от устройств, принадлежащих строго к указанным линиям или зонам, линейные усилители пропускают все телеграммы.
Обмен информацией между отдельными шинными устройствами происходит путём отправления телеграмм. Оконечные нагрузочные резисторы для шины не требуются, и возможны её различные топологии. Скорость передачи - 9600 бит/с, среднее время отсылки и подтверждения приёма телеграммы - около 25 мс.
Информация по шине передаётся отдельными пакетами один за другим. В каждый момент времени передаётся только один пакет от одного конкретного шинного устройства. Из соображений надёжности для доступа к шине и обмена телеграммами применяется метод децентрализованного доступа CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance). Одновременный и независимый доступ к шине нескольких шинных устройств может привести к конфликтам между ними. Однако метод CSMA/CA гарантирует сохранность информации и оптимальное использование шины.
Благодаря дополнительному механизму учёта приоритета телеграммы информация (например, сообщения о неисправностях) обрабатывается в соответствии с уровнем её приоритета. Обмен информацией в сети KNX событийно управляем. Телеграммы отправляются только в том случае, если происшедшее событие требует передачи информации.
Структура телеграммы KNX ТР - базовая для других сред передачи. Поэтому она будет рассмотрена подробно.
Когда происходит некое событие (например, нажата кнопка), шинное устройство отправляет телеграмму. Передача начинается, если в течение интервала времени t, шина остаётся свободной. Как только телеграмма отправлена,
устройство ждёт в течение интервала t2 квитанцию получателя.
Устройство-получатель проверяет достоверность принятой информации с помощью контрольного байта и отправляет соответствующую квитанцию (табл. 1). Если получена квитанция NACK (информация принята с ошибками), то устройство-отправитель повторяет телеграмму до трёх раз. Если получена квитанция BUSY (шина занята), то устройство-отправитель перед повторением телеграммы выжидает некоторое время. Если устройство-отправитель не получает никакой квитанции, то телеграмма не повторяется. Квитанцию безошибочного приёма АСК все устройства, которым адресована данная телеграмма, передают одновременно и при этом передаются одинаковые посылки. Таким образом, при успешной передаче телеграммы конфликтов на шине не происходит.
Контрольное поле и контрольный байт необходимы для бесперебойного обмена телеграммами. Они обрабатываются шинными устройствами, которым адресованы. Адресные поля содержат исходный адрес (адрес отправителя телеграммы) и адрес назначения (адрес получателя).
Адрес источника сигнала всегда физический. Он указывает, к какой зоне и к какой линии относится посылающий телеграмму прибор. При проектировании системы индивидуальный физический адрес закрепляется за каждым шинным устройством.
Адрес назначения определяет участников сеанса связи. Получателем, которому отправляется телеграмма, может быть как отдельный прибор, так и группа приборов, подключенных к одной линии или распределённых по разным линиям. Один и тот же прибор может входить в разные коммуникационные группы и иметь несколько групповых адресов. Групповые адреса определяют коммуникационные отношения внутри системы.
Поле информации служит для передачи собственно информационного послания: команд, сообщении, значении параметров, результатов измерений и пр.
Структура контрольного поля показана на рис. 5. Если хотя бы одно из устройств, которым адресована телеграмма, приняло ее с ошибкой и вернуло отрицательное подтверждение ("NACK"), то необходимо в разряд D5 контрольного поля повторно отправляемой телеграммы занести ноль. Благодаря этому признаку шинные устройства, получившие первичную телеграмму корректно, не станут исполнять команду повторно.
Приоритет учитывают, когда несколько устройств пытаются передать свои телеграммы одновременно. Приоритет каждого из них должен быть установлен заранее с помощью программного обеспечения ETS. По умолчанию у всех 1 устройств он низший.
Адрес назначения определяет, какие устройства должны получить телеграмму и выполнить соответствующие действия. Обычно это групповой адрес, с помощью которого можно обратиться одновременно к любому числу шинных устройств. Групповые адреса могут быть назначены устройствам системы вне зависимости от их расположения и физических адресов. Исполнительным устройствам-получателям телеграмм может быть назначено несколько групповых адресов, но датчики могут отправлять телеграммы только по одному адресу.
В сложных системах используют, как правило, трёхуровневую систему групповой адресации - главная группа/ средняя группа/подгруппа. Чтобы отличить физический адрес от группового, используется дополнительный семнадцатый разряд поля адреса получателя. Если в нём записан 0, то адрес физический, им адресуется только одно шинное устройство, а если записана 1, то адрес групповой, одновременно адресуются все устройства с этим адресом.
Объекты связи, между которыми устанавливается коммутация, могут иметь размер от 1 бита до 14 байт в зависимости от функции, выполняемой этим объектом. Устройства могут быть связаны с различным числом объектов. Например, у двухклавишного выключателя их будет минимум два размером в один бит каждый.
В телеграммах допускаются типы информации, перечисленные в табл. 2. Они были стандартизованы ассоциаций KNX, чтобы добиться совместимости одинаковых приборов (в частности, диммеров и таймеров) разных производителей. На интернет-сайте ассоциации www.knx.org можно найти полный перечень стандартизованных типов информации.
Среда передачи информации -электросеть
В качестве среды передачи информации в системе KNX может использоваться также электросеть 230 В. Прокладка дополнительных линий связи (витых пар) в этом случае не требуется. Все приборы, использующие технологию KNX PL, нуждаются лишь в подключении к фазному и нулевому проводам электросети. Применение KNX PL возможно как при модернизации старых систем, так и при установке новых.
Технология KNX PL соответствует су-шествующим в этой области европейским нормам, в частности, стандартам DIN EN 50065 "Сигнализация на низковольтных электрических установках в диапазоне частот от 3 до 148,5 кГц" и DIN EN 50090 "Системы электронные бытовые и для зданий". Использование электросети 230 В часто бывает решением проблемы в тех случаях, когда по каким-либо причинам проложить отдельную линию связи невозможно.
KNX PL, как и KNX ТР, предусматривает иерархическое деление системы на линии и зоны. Топология системы аналогична представленной выше на рис. 2. Самое малое её звено - линия. К ней может быть подключено до 255 шинных устройств. Специальных блоков питания не требуется, так как все шинные устройства питаются от электросети 230 В напрямую.
Замена линейных соединителей, применяемых для витой пары, на системные соединители позволяет преобразовать линии витой пары в линии KNX PL. Системные соединители связаны друг с другом через главную или зонную линию (витая пара). Отличие от сети на базе только витой пары состоит лишь в среде передачи данных.
Максимум 15 линий KNX PL с 255 шинными устройствами в каждой могут быть объединены через главную линию в одну зону. Физическое разделение между отдельными зонами выполняется с помощью заграждающих полосовых фильтров.
Поскольку электросеть 230 В исходно не предназначена для передачи информации, систему KNX PL приходится приспосабливать к параметрам уже имеющейся электропроводки. Характеристики этой проводки, важные для передачи информации, её импеданс и характерные помехи по большей части ещё не изучены. Техника передачи информации на базе технологии KNX PL обеспечивает наибольшую надёжность передачи информации в этих условиях. Система работает двунаправленно в полудуплексном режиме. Отправлять и принимать телеграммы может каждый прибор.
Для передачи информации в существующую электросеть(230 В, 50 Гц) вводят высокочастотные сигналы, используя частоты в соответствии с нормами EN 50065. Это 105,6 кГц (логическая 1) и 115,2 кГц (логический 0). Такой способ передачи называют SFSK (Spread Frequency Shift Keying: - расширенная частотная манипуляция). Максимальный уровень сигнала - 116 дБ относительно пиковольта. Скорость передачи достигает приблизительно 1200бит/с, передача телеграммы длится около 130 мс. Это гарантирует высокую надёжность системы при типичных характеристиках электросети.
Благодаря корреляционному методу сравнения и интеллектуальной коррекции искажённый помехами сигнал может быть восстановлен. Если телеграмма принята без каких-либо проблем, принимающее устройство отвечает на нее положительной квитанцией. С этого момента процесс отправки телеграммы считается завершённым. Если передатчик не получает ответа, процесс повторяется.
В KNX PL применяется метод децентрализованного доступа к среде передачи информации CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection). Прежде чем какое-либо устройство начнёт отправлять телеграмму, оно проверяет, не отправляет ли в этот момент свою телеграмму другое. Если два устройства отправляют телеграммы одновременно, система распознаёт конфликт и процессы передачи телеграмм обоими устройствами прекращаются. Имеющиеся в них генераторы случайных интервалов времени обеспечивают отправление повторных телеграмм в разное время во избежание новых конфликтов.
Для предотвращения нежелательного взаимовлияния близко расположенных разных систем KNX PL используется системный идентификатор (ID), который может принимать значения от 1 до 255. Между собой общаются только приборы, имеющие одинаковые ID. Системный идентификатор играет важную роль и при построении крупных систем KNX PL. Если в системе имеется более одного системного соединителя, то неизбежно существуют несколько зон. Каждая из них получает свой ID.
Структура телеграммы KNX PL представлена на рис. 6. Поле проверки служит в ней для синхронизации передатчика и приёмника. Здесь передаётся строго определённая последовательность 0101. Вводные поля 1 и 2 представляют собой стартовый сигнал для принимающего устройства, сообщающий о начале телеграммы. Содержание обоих вводных полей одинаково - 10110000.
Среда передачи информации -радиоканал
Но дальность действия радиоканала строго ограничить невозможно. Поэтому KNX-радиотелеграммы могут быть получены даже приборами соседней KNX-радиосистемы. Чтобы избежать возникающего при этом взаимного влияния, каждый радиопередатчик KNX отсылает в составе телеграммы свой серийный номер. На телеграммы этого передатчика реагируют лишь те принимающие устройства, которым разрешена связь с устройством, имеющим его серийный номер.
Существуют и естественные ограничения дальности действия радиоканалов в зданиях, обусловленные наличием стен, потолков, мебели и других поглощающих и отражающих радиоволны объектов. Дальность действия может быть увеличена за счёт активных и пассивных ретрансляторов, благодаря которым радиосигналы могут распространяться даже через несколько этажей.
Система KNX может использовать для передачи информации как исключительно радиоканал, так и комбинацию различных коммуникационных сред: радиоканал, витую пару, электросеть. Для их объединения существуют соединители сред, позволяющие передавать информацию и команды устройств одной коммуникационной среды устройствам другой среды.
Частота связи в KNX RF лежит в полосе частот ISM (Industrial, Scientifc, Medical). Диапазоны частот для различных применений в пределах этой полосы строго определены. Максимальная излучаемая мощность - приблизительно 12 мВт. Радиосигнал каждого прибора должен занимать в эфире в среднем не более 1 % времени его работы (например, не более 0,6 с в минуту). Строго регламентированная продолжительность непрерывной работы на передачу позволяет избежать длительных взаимных помех, блокирующих радиоканал.
В KNX RF применяется частотная манипуляция сигналов FSK (Frequency Shift Keying). При этом логические ноль и единица обозначаются сравнительно небольшими отклонениями несущей частоты от среднего значения. В KNX RF средняя несущая частота - 868,30 МГц. Скорость передачи - 16384 бит/с с использованием манчестерского кодирования. При таком кодировании дополнительные перепады логического уровня 0-1 и наоборот обязательно происходят в середине интервала передачи каждого бита информации. Благодаря этому передающее и принимающее устройства могут быть легко синхронизированы.
KNX-радиотелеграмма состоит из нескольких информационных блоков, как показано на рис. 7, разделяемых полями защиты информации. В информационный блок входят непосредственно само сообщение (например, команда включения устройства или регулирования освещения) и специфическая информация, служащая для адресации.
Поля в начале и в конце телеграммы служат для синхронизации приёмника с передатчиком.
Первый информационный блок состоит из контрольного поля (4 байта), серийного номера KNX устройства (6 байтов) и поля защиты информации (2 байта). Структура блока показана на рис. 8. Контрольное поле имеет фиксированное значение 01000100.
Серийный номер позволяет однозначно опознать прибор. Его записывают в устройство при изготовлении и в дальнейшем не изменяют. Этот номер передают в каждой телеграмме. В приёмные устройства допустимые для них серийные номера передатчиков заносят при вводе этих устройств в эксплуатацию. Серийный номер служит не только для адресации шинных устройств, но и для разграничения соседних KNX-pa-диосистем.
Во втором информационном блоке, структура которого показана на рис. 9, наряду со стартовым и стоповым разрядами находятся также индивидуальный исходный адрес, адрес назначения и собственно сообщение. Индивидуальный адрес источника сигнала - это его физический адрес. Он используется только вышестоящими контроллерами или соединителями при программировании этих приборов и автоматически сообщается им при вводе в эксплуатацию.
В зависимости от типа доступа к устройствам, получающим сообщение, адрес назначения имеет разные функции. При физическом доступе, т. е. при программировании, адрес назначения служит индивидуальным исходным адресом устройства. В нормальном режиме (например, при передаче команды переключения) адрес назначения содержит номер запрашиваемого коммуникационного объекта в устройстве.
Сообщение содержит такую информацию, как, например, команды, оповещения, параметры настройки, измеренные значения. В одной KNX-радиотелеграмме могут передаваться и другие информационные блоки.
Среда передачи информации -Ethernet
IP-сеть и доступ к Интернету уже давно стали стандартом в современных зданиях. В крупных системах KNX IP-сеть используется также для пересылки телеграмм KNX в рамках сети KNX (так называемое решение "Fast Backbone"). Этот процесс также называют KNXnet/IP-маршрутизацией.
Через этот интерфейс система KNX может соединяться с Интернетом не напрямую. Для этого следует зарегистрироваться на сайте промежуточного провайдера и после ввода пароля запустить установление связи с выбранной системой KNX. Как только между систе-
мой KNX и провайдером установлена связь, с помощью стандартного браузера можно получать информацию от системы и осуществлять управление ею. Этим обеспечивается экономный доступ к системе KNX без постоянного IP-адреса и постоянного подключения к Интернету. Как правило, достаточно использовать контроллеры с пропускной способностью 10 Мбит/с.
Системное программное обеспечение KNX IP-устройств основано на использовании двух стековых протоколов. Для передачи информации через Ethernet необходим IP-стек с поддержкой протокола UDP (User Datagram Protocol), поскольку технология KNXnet/IP основана на передаче информации без организации соединения. С использованием протокола UDP происходят одноадресная и многоадресная передачи пакетов. KNX-стек действует поверх IP/UDP-стека. Это так называемое общее ядро KNX, которое должно быть реализовано в каждой модели устройств. KNX-стек использует IP/UDP-стек в качестве интерфейса для связи с системой. Преобразование KNX-пакетов в UDP-пакеты выполняется по протоколу KNXnet/IP. KNX-приложение использует доступ к API (Application Programming Interface) KNX-стека для взаимодействия со всей системой в целом.
Для многоадресной передачи как адрес назначения должен использоваться МАС-адрес, лежащий в интервале от 01-00-5Е-00-00-00 до 01-00-5E-7F-FF-FF (всегда начинающийся с 01-00-5Е). В протоколе IPv4 IP-адреса для многоадресной рассылки лежат в интервале от
224.0.0.0 до 239.255.255. В KNXnet/IP-системе для этих целей зарезервирован IP-адрес 224.0.23.12.
KNXnet/IP-телеграмма (рис. 10) базируется на TP-телеграмме, но содержит некоторые дополнительные поля.
Длина заголовка (1 байт) всегда одна и та же. Flo в последующих версиях протокола этот параметр может измениться.
Версия протокола (1 байт) показывает текущую версию KNXnet/IP-протокола. В настоящее время это версия - 1.0. Значение поля - ЮН.
Идентификатор сервиса (2 байта) указывает, какие действия должны быть выполнены. В табл. 3 показаны выделенные интервалы идентификаторов и соответствующие им сервисы.
Туннелирование - один из основных способов взаимодействия в системе KNX. По сути, это организация соединения точка-точка (unicast) от одного внешнего устройства к системе KNX. что позволяет видеть весь трафик и общаться непосредственно с отдельным устройством. Туннелирование часто используют для общения с KNX внешних систем, что необходимо для передачи телеграмм при непосредственном соединении через IP-сеть с конкретным KNX-устройством. Оно позволяет вести обмен информацией между внешним устройством с конкретным IP-адресом и устройством с конкретным физическим адресом в KNX-системе. Такая возможность применяется для дистанционного программирования устройств, обмена информацией, организации сервисов.
Важно обратить внимание на то, что подобное соединение можно организовать и внутри стандартного туннельного IP-канала. Например, можно создать защищённое SSH-соединение между терминалом и KNX-роутером.
Общая длина кадра KNXnet/IP (2 байта) указывается в байтах. При её определении учитываются и байты предыдущих полей.
Если передаваемых байтов больше, чем 252, первый байт поля длины имеет значение 0FFH (255), а второй содержит дополнительную информацию о длине.
Тело кадра KNXnet/IP описывает полезную информацию. Кадр состоит из заголовка, который включает в себя код сообщения (1 байт) и длину кадра (1 байт). Далее идёт так называемый cEMI-кадр, который в основном повторяет структуру ТР-теле-граммы. Контрольная сумма не используется, так как обнаружение ошибок при IP-коммуникации происходит в рамках IP-протокола. Кроме того, введено второе контрольное поле (1 байт), следующее за контрольным полем ТР. Во втором контрольном поле содержатся тип адреса назначения (1 разряд) и счётчик маршрутизации (3 разряда). Последние 4 разряда - так называемый расширенный формат кадра (Extended Frame Format, EFF). Он принимает значения 0000 для обычных кадров и 01хх для LTE (Logical Tag Extended - расширенный логический тэг) кадров. LTE - расширение стандарта KNX. Его применяют для систем отопления, вентиляции и кондиционирования. Для устройств в LTE-режиме должны быть назначены зоны (информация о местоположении, например, комната, этаж). Фактически зона - это структурированная информация, которая используется в качестве адреса назначения в телеграмме. LTE-телеграммы не могут быть приняты другими KNX-устройствами, за исключением тех, которые настроены специальным образом.
На практике мне не приходилось встречать широкого применения режима LTE, за исключением устройств фирмы Siemens. Они конфигурируют специальным инженерным программным обеспечением.
Безопасность протокола - один из ключевых вопросов. Поэтому необходимо хотя бы минимально обеспечить безопасность служб. В KNX безопасность рассматривается лишь частично. Мощных средств её обеспечения не предусмотрено, но есть возможность установить ключ на доступ к устройству (а именно, к его настройкам).
Однако эти ключи передаются в открытом виде. Очевидно, что перехват таких телеграмм открывает возможность несанкционированного доступа к устройству. Чтобы избежать его, необходимо включить в программное обеспечение алгоритм шифрования сообщений.
С помощью службы A_SetKey можно повторно выбрать уровень доступа, причём новый уровень доступа не может быть выше старого. Работает она так:
На стороне отправителя формируется и передаётся получателю запрос A_SetKey.req;
На стороне получателя генерируется и отправляется извещение A_SetKey.ind;
После этого определяется, верен ли код и можно ли установить новый уровень доступа;
В случае успешной проверки обратно отправляется телеграмма с новым уровнем доступа A_SetKey.res;
Приём A_SetKey.res подтверждается отправкой сообщения A_SetKey. con;
Если получатель не установил новый уровень доступа, он возвращает в качестве значения уровня число 255.
При необходимости выяснить у устройства, верен ли код и какой уровень доступа он обеспечивает, используется служба A_Authorize. Она также состоит из запроса, ответа и подтверждения, как было описано выше.
Удалённое приложение может установить права для отправителя на чтение и запись информации в память. На основе этого можно реализовать другие службы, представляющие интерес для управления сетью.
Хочу упомянуть, что есть ещё один адаптированный под использование в KNX-системе протокол аутентификации - ElBsec. Он предназначен для установления сеанса обмена и базируется на защищённом варианте протокола Нидхема-Шрёдера - протокола для обмена ключами и аутентификации. Суть его в том, что в системе предусматривается дополнительное устройство, занимающееся генерацией и распределением сеансовых ключей. Эти ключи передаются остальным устройствам в зашифрованном виде. Подробнее с этим протоколом можно ознакомиться в .
Пример применения
Рассмотрим пример системы, представленный на рис. 11. Здесь датчик (выключатель) имеет физический адрес 1.1.1 и групповой адрес 2/1/3, а исполнительное устройство (реле) имеет физический адрес 1.1.2 и такой же, как у датчика, групповой адрес 2/1/3.
При нажатии на кнопку выключателя в линию связи посылается телеграмма, которая содержит некоторую служебную информацию, определяемую протоколом, и сведения о произошедшем событии (в данном случае это нажатие на кнопку) вместе с командой, как эти сведения использовать. Телеграмма направляется от устройства 1.1.1 по групповому адресу 2/1/3.
Все устройства, подключённые к сети, получают эту телеграмму, но лишь те из них, которые имеют групповой адрес 2/1/3, обрабатывают её, проверяют правильность приёма, отсылают телеграмму подтверждения и выполняют команду. В рассматриваемом случае замкнутся контакты реле и включится лампа.
Для выключения лампы датчик-выключатель посылает другую команду, всё повторяется, в результате реле размыкает контакты. Если исполнительное устройство занято или телеграмма принята с ошибкой, в ответ на нее устройство, посылавшее команду, получит информацию об этом. Через некоторое время телеграмма будет повторена и устройства, которые не смогли её принять и выполнить команду, получат второй шанс.
Отмечу, что все адреса и программы сохраняются в энергонезависимой памяти устройств KNX, поэтому их достаточно запрограммировать только один раз, причём не обязательно на объекте.
Заключение
В этой обзорной статье кратко рассмотрен стандарт KNX. Конечно, были рассмотрены далеко не все его возможности, поскольку тема очень обширна. Я постарался дать основные сведения и технические аспекты этой технологии. Надеюсь, тема статьи вызовет интерес. Более подробно с ней можно ознакомиться по документации, которая имеется в открытом доступе на сайте KNX-ассоциации www.knx.org
. Много полезной информации можно найти и на сайте автоматизации зданий http://www.autobuilding.ru/articles
. html, а также на сайте Российской национальной ассоциации Коппех
Лучше всего пользоваться оригинальной англоязычной документацией. Переводы нередко содержат неточности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Руководство по системной технике для автоматизации зданий и домов. 5-е изд., переработанное. - Центральный Союз немецких электротехников и IT-технологов (ZVEH), 2006.
2. Granzer, Kastner, Neugschwandtner. ElBsec: A Security Extension to KNX.- URL: http://www . knx.org/media/docs/downloads/ KNX-Partners/03%20-%20Becoming% 20a%20KNX%20Scientific%20Partner/2006-11 %20Scientific%20Conference%20Paper s%20Vienna/05_granzer-eibsec_security-knxsci06-website.pdf (05.02.2015).
