ćw.4. opis ćwiczenia - WEMiF
advertisement
Ćw. 4. EIB 1. Europejska Magistrala Instalacyjna (KNX/EIB) W ostatnich latach obserwuje się tendencję coraz pełniejszej automatyzacji i komputeryzacji wszystkich procesów zachodzących w otoczeniu człowieka, począwszy od produkcji dóbr konsumpcyjnych, aż do procesów związanych bezpośrednio z życiem człowieka. Szybki postęp, jaki dokonuje się w technice mikroprocesorowej, informatyce i telekomunikacji powoduje, że również w tradycyjnych instalacjach elektroenergetycznych pojawiają się odmienne koncepcje podejścia do zagadnień sterowania, nadzoru i zabezpieczeń. Istnieje również ciągła presja na podnoszenie standardu, co powoduje, że techniczne możliwości rozwoju tradycyjnych instalacji elektrycznych zostały już praktycznie wyczerpane. Bardzo modnym ostatnio określeniem jest pojęcie „inteligentnego budynku”, co oznacza budynek, który w sposób celowy i właściwy, samoistnie reaguje na występujące w jego otoczeniu zdarzenia i zmieniające się czynniki zewnętrzne [1]. Łatwo sobie wyobrazić, że taki w pełni zautomatyzowany budynek (np. biurowiec) oprócz podstawowych instalacji elektrycznych, wodnych i kanalizacyjnych musi jeszcze zawierać szereg systemów dodatkowych np.: przeciwpożarowy, kontroli dostępu, okablowania strukturalnego, wentylacji, klimatyzacji, zasilania awaryjnego, monitoringu, SSWiN (system sygnalizacji włamań i napadu) [1]. Dodatkowo powinna być możliwość sterowania i kontrolowania wszystkich systemów. Tu pojawiają się pierwsze problemy: np. ilość okablowania, ponieważ każdy z systemów wymaga zarówno przewodów zasilających, jak i sterujących, co powoduje, że przy dużych budynkach ilość okablowania jest ogromna. Występuje także problem integracji wszystkich systemów tak, aby ze sobą współdziałały, a ponieważ każda z branż posiada szereg własnych systemów zamkniętych, integracja odbywa się zazwyczaj na zasadzie połączenia centralnych jednostek sterujących, w których każda musi posiadać tyle interfejsów, z iloma systemami ma być łączona. Aby uniknąć problemów związanych z integracją systemów, jak i ogromnych kosztów integracji, pracowano nad wspólnym, otwartym systemem o określonym standardzie komunikacji, do którego każdy z producentów mógłby podłączyć własne urządzenie. W roku 1990 wprowadzono system spełniający te wymagania – Europejską Magistralę Instalacyjną EIB (obecnie KNX). System ten spełnił wymagania dotyczące przejrzystości struktury, oszczędności energii, komfortu eksploatacji oraz bezpieczeństwa. Ale system KNX to nie tylko wielkie biurowce, ale także domy jednorodzinne, mieszkania, co oznacza, że technologia KNX jest dostępna praktycznie dla każdego. Poniżej przedstawiono ideę inteligentnego budynku na przykładzie rozwiązań stosowanych przez firmę SMARtech z Warszawy (rys. 1.). Technologia KNX pozwala na integrację różnego rodzaju instalacji i układów w system urządzeń komunikujących się ze sobą. Dzięki takiemu rozwiązaniu zwiększa się wygoda użytkowania, bezpieczeństwo, a zmniejsza zapotrzebowanie na energię [5]. Ćw.4. Magistrala Europejska KNX Rys. 1. Idea inteligentnego budynku wg firmy SMARTech [5]. Topologia Aby elementy systemu mogły się między sobą komunikować, czyli wymieniać sygnały i polecenia (zwane telegramami), muszą być w odpowiedni sposób połączone. Ponieważ technologia Instabus KNX w znacznej mierze korzysta z doświadczeń i rozwiązań stosowanych w architekturach sieci komputerowych i przemysłowych sieciach automatyki, topologia i sposób komunikowania się elementów tworzy system zwany magistralą. Umożliwia ona wymianę danych pomiędzy dużą liczbą elementów, które połączone są przy pomocy jednego przewodu. Wszystkie urządzenia przyłączone do magistrali są równoprawne i sterowane w sposób zdecentralizowany. Poszczególne urządzenia uczestniczące w procesie wymiany informacji, nazywane są elementami magistralnymi. Do tej grupy nie są jednak zaliczane elementy specjalne np. przewody, zasilacze, sprzęgła [1]. Ponieważ technologia KNX jest bardzo elastyczna pod względem wielkości całego systemu, topologia ma strukturę hierarchiczną (drzewiastą) [2], co umożliwia rozbudowę sieci w każdym kierunku, ale bez tworzenia pętli [1]. Podstawową częścią struktury jest linia (gałąź), do której podłączone są elementy magistralne, maksymalnie 64 (rys. 2.). Rys. 2. Topologia systemu KNX – linia [2]. 2 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX Po dodaniu specjalnych urządzeń zwanych sprzęgłami, można połączyć ze sobą maksymalnie 15 linii w jeden obszar. Dzięki zastosowaniu kolejnych sprzęgieł możliwe jest połączenie ze sobą 15 obszarów w jeden system. Jak łatwo przeliczyć, w sumie pracuje ponad 10000 elementów magistralnych jednocześnie, co umożliwia stworzenie bardzo rozległego i skomplikowanego systemu (rys. 3.). Rys. 3. Topologia systemu Instabus EIB [2]. Podział systemu KNX na obszary i linie powoduje, że lokalny przesył danych w obrębie jednej linii czy jednego obszaru nie wpływa na ruch w innej linii lub obszarze. Sprzęgła (liniowe i obszarowe), oprócz łączenia odpowiednich podgrup systemu ze sobą, spełniają również rolę filtrów. Sprzęgła liniowe blokują wysyłanie informacji (telegramów) do innych linii, jeżeli dotyczą tylko elementów znajdujących się w linii wyznaczonej przez sprzęgło. Tak samo działają sprzęgła obszarowe. W chwili uruchamiania instalacji w sprzęgle automatycznie zapisywana jest tablica filtracyjna określająca, które telegramy należy wzmocnić i przesłać dalej, a które wytłumić [1]. Pozwala to na niezależną komunikację elementów w kilku liniach lub obszarach jednocześnie, a także zapobiega rozprzestrzenianiu się informacji po całym systemie. Sprzęgła pełnią jeszcze jedną ważną funkcję: stanowią izolację galwaniczną między segmentami (liniami, obszarami), dlatego zasilacze mogą być umieszczane w każdej linii bez wzajemnego zakłócania i oddziaływania. Jeżeli istnieje konieczność podłączenia więcej niż 64 elementów do jednej linii, albo nie jest możliwe jej przedłużenie [2], można użyć elementu zwanego powielaczem (ang, repeater), który tworzy oddzielny segment linii, co pozwala zwiększyć liczbę elementów w niej występujących, lub ją przedłużyć poza określony zakres (rys. 4.). Każdy segment wymaga użycia osobnego zasilacza. Możliwe jest podłączenie, co najwyżej trzech powielaczy 3 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX równolegle do jednej linii, przy czym nie można ich podłączyć do linii obszarowej lub głównej [2]. Rys. 4. Maksymalne rozszerzenie linii przy użyciu powielaczy [2]. Protokół transmisji Komunikacja między urządzeniami w systemie KNX odbywa się na zasadzie przesyłania telegramów. Zanim dane zostaną przesłane z jednego urządzenia do innego, dzielone są na małe jednostki informacji, zwane pakietami. Zasady transmisji zwane protokołem opisują zakres, rodzaj i kolejność informacji, jaka powinna zostać przesłana po sieci [3]. Określają one między innymi budowę komunikatu (telegramu). W chwili wystąpienia zdarzenia np. zadziałania czujnika, element magistralny (sensor) próbuje wysłać telegram na magistralę. Po chwili czasu t1 równej 50 bitów następuje wysłanie telegramu o ile magistrala jest wolna. Po wysłaniu informacji, sensor odczekuje czas t2 równy 13 bitów w celu sprawdzenia poprawności transmisji. Wszyscy uczestnicy transmisji wysyłają telegram potwierdzający poprawność transmisji. Cała ta operacja wraz z czasami oczekiwania trwa od 20 do 40 ms. Standardowy telegram składa się z nagłówka, rdzenia i części kontrolnej. Schemat telegramu przedstawiono na rys. 5. 4 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX Rys. 5. Budowa telegramu [6]. Nagłówek zawiera część sterującą, adres nadawcy i odbiorcy, licznik kontroli przejścia oraz część informującą o długości informacji użytecznej [6]. Umieszcza się też niekiedy bity priorytetu wiadomości. Pozwala to w wypadku zawieszenia systemu lub zapętlenia procesu na awaryjne, ręczne sterowanie urządzeniami za pomocą telegramów o najwyższym priorytecie [3]. Rdzeń telegramu zawiera właściwą informację W zależności od rodzaju telegramu mogą one mieć stałą (telegramy krótkie) bądź zmienną długość (telegramy długie). W skład bloku kontrolnego, wchodzą informacje zabezpieczające prawidłową transmisję danych. Na podstawie tych informacji odbiorca telegramu może określić czy dane zawarte w telegramie, który otrzymał nie zawierają błędów. W celu zapewnienia synchronizacji zegarów nadajnika i odbiornika podczas transmisji szeregowej asynchronicznej, telegram jest dzielony na pakiety (ramki) po osiem bitów. Każdy pakiet posiada bit startu, bity danych, część kontrolną (bit parzystości) oraz bit stopu. Razem z danymi długość jednej ramki wynosi 11 bitów. Telegram w zależności od przesyłanych informacji zawiera od 8 do 23 ramek. Razem z bitami sterującymi i kontrolnymi zawiera maksymalnie 253 bity. Pole sterujące zawiera priorytet przesyłu telegramu, który może przybierać cztery wartości. Priorytet najwyższy posiadają telegramy funkcji systemowych, następnie funkcji alarmowych oraz sterowania ręcznego. Najniższy priorytet posiada telegram funkcji sterowania automatycznego. Ponadto w polu sterującym zawarty jest bit powtórzeń, który określa, czy wykonany rozkaz należy powtórzyć [6]. Adresowanie Jak już wspomniano, w systemie Instabus KNX istnieją dwa typy adresów: fizyczny i grupowy. Pierwszy z nich ma za zadanie określić miejsce konkretnego elementu w strukturze systemu, drugi przyporządkowuje dany element do funkcji, jakie powinien spełniać i zaszeregowuje do grupy urządzeń, z którymi powinien współpracować [1]. 5 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX Adres fizyczny Adres fizyczny to niepowtarzalny numer, jaki jest nadany każdemu elementowi obecnemu w systemie. Określa on zarówno odbiorcę telegramu, jak i dokładne miejsce, w którym znajduje się dane urządzenie. Strukturę zapisu adresu fizycznego przedstawiono na rys. 6. Rys. 6. Struktura adresu fizycznego [6]. Adres fizyczny zapisuje się w formie O.L.E., gdzie: O – nr obszaru, L – nr linii, E – nr elementu. Poszczególne parametry przybierają następujące wartości: O – 0÷15, ale nr 0 przeznaczony jest dla elementów umieszczonych na linii obszarowej, L – 0÷15, ale nr 0 przeznaczony jest dla elementów umieszczonych na linii głównej, E – 1÷64, lub 1÷255 przy zastosowaniu powielaczy (por. rys. 4.). Elementy posiadające w swoim adresie cyfrę 0, pełnią w systemie zazwyczaj szczególną rolę konieczną do prawidłowego funkcjonowania całego systemu. Do takich urządzeń można zaliczyć m.in. zasilacz linii głównej lub obszarowej [1]. Adres grupowy (logiczny) Adres grupowy jest numerem, mającym na celu skojarzenie urządzeń współpracujących ze sobą (np. wszystkich żaluzji w danym pomieszczeniu). Strukturę zapisu adresu grupowego przedstawiono na rys. 7. Rys. 7. Struktura adresu grupowego [6]. Sposób zapisu adresu grupowego jest podobny do zapisu adresu fizycznego, opisuje się go literami G.Ś.P., gdzie: G – oznacza grupę główną (dopuszczalne wartości: 0÷15), Ś – grupę pośrednią (dopuszczalne wartości: 0÷7), P – podgrupę (dopuszczalne wartości: 0÷255). 6 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX Przy pomocy tych parametrów można różnicować wszelkie funkcje w obiekcie. Przykładowo: numer grupy głównej (G) określa pomieszczenie lub grupę pomieszczeń np. parter, numer grupy pośredniej (Ś) definiuje rodzaj funkcji, np. oświetlenie, natomiast numer podgrupy (P) uściśla rodzaj wykonywanej funkcji, np. włącz/wyłącz światła w salonie. Sposoby komunikacji (media transmisji) W systemie magistralnym KNX/EIB przesyłanie danych może odbywać się przy pomocy kilku mediów. Podstawowym nośnikiem informacji jest przewód magistralny tj. wielożyłowy przewód miedziany. Ale komunikacja może się także odbywać przy wykorzystaniu istniejącej już w budynku sieci elektrycznej (Powernet EIB) lub przy pomocy fal radiowych (RadioBus EIB) [7 Skrętka ekranowana (kabel magistralny) Gdy medium transmisyjnym jest przewód miedziany, struktura systemu KNX w budynku wygląda tak, jak to przedstawiono na rys. 8. Wszystkie elementy magistralne połączone są przewodem magistralnym, w którym płynie prąd o małym natężeniu i niskim napięciu równym 24V. Standardowe napięcie sieci energetycznej, czyli 230V jest doprowadzone tylko do urządzeń wykonawczych (aktorów), które tego wymagają np. sterujące oprawami oświetleniowymi (wyjścia binarne). Rys. 8. Schemat instalacji EIB – transmisja przez przewód magistralny [2]. W tym przypadku, przesyłanie danych odbywa się za pomocą przewodu magistralnego tj. miedzianego przewodu dwuparowego, ekranowanego – typu STP, tzw. „skrętki ekranowanej”. Przewód taki pokazany jest na rys. 9. Rys. 9. Przewód magistralny [7]. 7 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX Przewód magistralny wraz z dołączonymi do niego elementami magistralnymi zasilany jest napięciem znamionowym 24 V DC typu SELV (ang Safety Extra Low Voltage). Sieć o napięciu tego typu charakteryzuje się: niską wartością napięcia, zasilaniem z transformatora bezpieczeństwa, podwójną izolacją od innych sieci oraz brakiem uziemienia przewodów. Zasilanie tego typu umożliwia transmisję symetryczną sygnałów, co oznacza dodatkową odporność na zakłócenia elektromagnetyczne. Przesyłanie telegramów odbywa się na zasadzie kodowania binarnego [7]. Każda linia systemu Instabus KNX zasilana jest za pomocą zasilacza napięcia stałego o napięciu wyjściowym 28 V DC i prądzie 320 lub 640 mA. Jednak urządzenia magistralne mogą pracować już przy napięciu minimalnym 21 V i pobierają moc rzędu 150-200 mW. W przypadku większego poboru mocy możliwa jest praca równoległa zasilaczy. Zdarzają się również sytuacje, gdy przewód jednej linii jest na tyle długi, że występuje konieczność zastosowania dwóch zasilaczy dla jednej linii. Wymagana jest wtedy minimalna odległość pomiędzy dwoma zasilaczami, która wynosi 200 m. Transmisja danych oraz zasilanie poszczególnych elementów odbywa się za pomocą tych samych przewodów. Informacja przesyłana jest w formie zmodulowanego przebiegu napięciowego a zasilanie to składowa stała. Podstawowym zagadnieniem technicznym jest więc oddzielenie od siebie dwóch napięć: stałego zasilającego od zmiennego, będącego zakodowaną informacją. Budowa modułu komunikacyjnego, bazująca na właściwościach indukcyjności i pojemności, umożliwia odseparowanie jednego napięcia od drugiego. Zastosowanie przewodu miedzianego jako medium przenoszącego sygnały wprowadza pewne ograniczenie w postaci maksymalnej odległości pomiędzy uczestnikami transmisji. Ograniczenia te przedstawia rys. 10. Rys. 10. Ograniczenia pomiędzy elementami magistralnymi w linii. Standardowy przewód magistralny YCYM o wymiarach 2x2x0,8 mm ma rezystancję 72 Ω/km i pojemność 0,12 μF/km. Dlatego tylko przy odległości do 700 m, jest możliwe wykrycie kolizji pomiędzy uczestnikami. Spowodowane to jest niską wartością sygnału. Duża odległość pomiędzy elementami wprowadza także opóźnienie w przesyłaniu sygnału pomiędzy sensorem i aktorem. W praktyce zaleca się umieszczenie zasilacza po środku linii. Elementy magistralne oddalone są wtedy od zasilacza maksymalnie o 350 m, zaś odległość pomiędzy najdalszymi elementami wynosi nie więcej niż 700 m. Odległości te mierzone są długością przewodów. 8 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX 2. Baza elementów magistralnych Klasyfikację urządzeń systemu KNX można przeprowadzić przy pomocy dwóch głównych kryteriów. Pierwszym z nich, ważniejszym z punktu widzenia systemu, jest podział urządzeń ze względu na pełnione funkcje w systemie. Zgodnie z tym kryterium, urządzenia magistralne można podzielić na [1]: sensory, aktory, moduły funkcyjne, urządzenia komunikacyjne, wskaźniki i wyświetlacze, urządzenia systemowe (np. zasilacze, sprzęgła, filtry). Drugim kryterium, jest sposób budowy urządzenia, co sprowadza się do różnic w sposobie montażu i umieszczenia konkretnych urządzeń w budynku. W przypadku tego kryterium podziału, można wyodrębnić urządzenia.: podtynkowe, natynkowe, do montażu na szynie profilowej 35mm (tzw. euroszyna), do wbudowania w inne, istniejące w budynku, urządzenia, do szybkiego montażu, do montażu w kanałach elektroinstalacyjnych. Klasyfikacja elementów magistralnych została opracowana na przykładzie systemu Gamma Instabus firmy Siemens. Klasyfikacja dotyczy tylko i wyłącznie urządzeń należących do systemu Instabus KNX, nie uwzględnia urządzeń należących do grupy Powernet EIB czy Radiobus EIB. Należy także zaznaczyć, że przy podziale i przedstawianiu przykładowych urządzeń, skupiono się na najbardziej charakterystycznych i najważniejszych, z punktu widzenia systemu Instabus KNX, elementach. Z powodu różnorodności wersji i typów poszczególnych elementów, wymienianie wszystkich byłoby bezcelowe. 2.1. Budowa elementu magistralnego Jak już wspomniano, system KNX jest zdecentralizowany, co oznacza, że nie posiada wydzielonego układu zarządzającego całą instalacją. Dlatego każde urządzenie magistralne posiada odpowiednie moduły, (tzw. porty magistralne) które umożliwiają wymianę informacji pomiędzy nim, a innymi urządzeniami. Każdy element magistralny składa się z portu magistralnego i elementu końcowego, połączonych standardowym dziesięciopinowym złączem adaptacyjnym. Port magistralny odbiera telegramy z magistrali, dekoduje je i steruje elementem końcowym, a w odwrotnym kierunku otrzymuje od niego informacje, koduje i wysyła w postaci telegramu. Port magistralny zawiera w sobie moduł komunikacyjny, oraz moduł kontrolny z mikroprocesorem [1]. Schemat budowy elementu magistralnego przedstawiono na rys. 11. 9 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX Rys. 11. Budowa elementu magistralnego [6]. Magistrala KNX wykorzystywana jest zarówno do zasilania elementów (napięcie 24 V DC) jak i przesyłu informacji sterujących (napięcie 5 V AC). Podstawowym problemem technicznym jest, więc oddzielenie przez każde urządzenie znajdujące się w systemie, dwóch przebiegów od siebie. Funkcja ta realizowana jest przez moduł transmisyjny (układ 1), który składa się z transformatora i szeregowo włączonego kondensatora do uzwojenia strony pierwotnej. Stałe napięcie zasilające odkłada się na kondensatorze, a informacja przesyłana pod postacią napięcia zmiennego traktuje pojemność kondensatora jako małą reaktancję i zamyka obwód uzwojenia pierwotnego transformatora, co wymusza indukowanie się napięcia po stronie wtórnej. Transformator pełni, więc rolę filtru oddzielającego napięcie zmienne od stałego, czyli informację od zasilania [6]. Telegram odebrany przez moduł komunikacyjny i dostępny po stronie wtórnej jako napięcie zmienne, odczytywane jest przez kontroler. Analogicznie jest w przypadku wysyłania telegramów. Informacja zamieniana jest na sygnał zmiennonapięciowy i po przejściu na stronę pierwotną transformatora, nakłada się na napięcie stałe. Pozostałe układy przedstawione na rys. 11. to: zabezpieczenie temperaturowe, które wyłącza urządzenie przy zbyt wysokiej temperaturze (układy 2 i 3), układ 4 zapisuje wszystkie dane w przypadku spadku napięcia zasilającego poniżej dopuszczalnej wartości, układ 5 obniża napięcie zasilające z 24 V do 5 V dla układu mikroprocesorowego. W przypadku, gdy zostanie przekroczone minimalne napięcie robocze, które wynosi 4,5 V, układ 6 wyłączy urządzenie. Natomiast układ 7 kieruje nadawaniem i odbiorem informacji [6]. Moduł kontrolny z mikroprocesorem zarządza przesyłaniem i odbieraniem telegramów oraz steruje komunikacją z elementem końcowym [1]. Mikroprocesor dysponuje trzema rodzajami pamięci [8]: ROM – pamięć tylko do odczytu. Zapisane są w niej informacje producenta dotyczące specyficznych własności portu, EEPROM – pamięć elektrycznie zapisywalna i kasowalna, przeznaczona do zapisania parametrów i funkcji określonych na etapie projektowania, RAM – pamięć dynamiczna przeznaczona do zapisywania pośrednich wyników obliczeń procesora. Złącze adaptacyjne posiada styki zasilające element końcowy, oraz styki danych, odpowiedzialne za komunikację pomiędzy portem magistralnym a elementem końcowym. 10 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX Przez jeden ze styków złącza, port magistralny rozpoznaje rodzaj podłączonego do niego elementu końcowego [1]. Port magistralny jest elementem odpowiedzialnym za komunikację i dlatego jego budowa różni się w zależności od mediów transmisji. Element końcowy niezależnie od przeznaczonego mu medium transmisji, ma taką samą budowę a przyłączony do odpowiedniego portu magistralnego może komunikować się przez każde z dozwolonych mediów transmisji. 2.2. Podział ze względu na rodzaj budowy Urządzenia podtynkowe Przeznaczone są do montażu w podtynkowych puszkach elektroinstalacyjnych aparatowych o średnicy 60 mm i rozdzielczych. W zależności od tego, czy zainstalowane urządzenia mają być widoczne (np. przyciski), czy ukryte w puszce, różnią się od siebie budową. Podstawową cechą wyróżniającą widoczne urządzenia podtynkowe, jest ich podział na dwa elementy: uniwersalny port magistralny i element końcowy [1]. Port magistralny w zależności od zaprogramowania, może współpracować z dowolnym, podtynkowym elementem końcowym (przyciskiem, wyświetlaczem itp.). Urządzenia natynkowe Urządzenia tego typu stosuje się, gdy nie ma możliwości umieszczenia ich pod tynkiem. Przykładem takich urządzeń są napędy zaworów grzejnikowych czy czujniki przeciwpożarowe. Z uwagi na to, że ta grupa urządzeń nie jest zunifikowana, każde z nich ma odmienną budowę [1]. Cechą wspólna dla całej grupy jest wbudowany port magistralny, tworzący całość z elementem końcowym. Urządzenia do szybkiego montażu Urządzenia tego typu są właściwie grupą urządzeń natynkowych. Stosuje się je tam, gdzie budynek wyposażony jest w sufit podwieszany, gdyż ze względów ekonomicznych opłaca się umieszczenie tam instalacji. Urządzenia tej grupy charakteryzują się mechanicznie kodowanym systemem połączeń, co realizowane jest przez łączenie odpowiednich gniazd wejściowych i wyjściowych poszczególnych elementów przy pomocy specjalnych przewodów z wtyczkami. Dzięki temu instalacja odbywa się bardzo szybko, skraca się czas wykonania całego systemu, jak również późniejszych prac serwisowych. W związku z tym, że połączenie jest kodowane mechanicznie (każda funkcja jest przypisana do odpowiedniej wtyczki), wyeliminowane jest błędne, przypadkowe połączenie urządzeń. Urządzenia do montażu na szynę W tym przypadku wykorzystuje się czterościeżkową płytkę drukowaną, którą wkleja się w szynę 35 mm. Urządzenia KNX są wyposażone w styki umieszczone z tyłu obudowy, które w momencie zatrzaśnięcia na szynie stykają się z odpowiednimi ścieżkami zapewniającymi zasilanie i transmisję danych. Dzięki temu rozwiązaniu, w bardzo prosty i szybki sposób można podłączyć dużą liczbę urządzeń do magistrali. W celu połączenia ścieżek przewodzących z przewodami magistralnymi stosuje się specjalny łącznik, który łączy elektrycznie oba nośniki i umożliwia połączenie urządzeń montowanych na szynie z urządzeniami np. podtynkowymi [1]. 11 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX Urządzenia do wbudowania Elementy te posiadają znormalizowane wymiary, dostosowane do wbudowania w oprawy świetlówkowe. Wykonywane są w dwóch wersjach: starszej o wymiarach 42 × 274,5 × 28 mm, oraz nowszej 28 × 336 × 28 mm [1]. Urządzenia do montażu w kanałach elektroinstalacyjnych Są one odpowiednikiem urządzeń do wbudowania i przeznaczone do montażu w kanałach firmy TEHALIT. Ich budowa jest zbliżona do budowy urządzeń do wbudowania w oprawy świetlówkowe. 2.3. Podział ze względu na funkcje pełnione w systemie Urządzenia wykonane w tej samej technice, np. do montażu podtynkowego, mogą pełnić w systemie różne funkcje. Również urządzenie pełniące konkretną funkcję w systemie może występować w różnych obudowach. Podstawowym kryterium podziału urządzeń pod względem pełnionych w systemie funkcji, jest podział na aktory i sensory. Sensory, czyli urządzenia zadające, są to elementy wydające polecenia i wysyłające telegramy na magistralę (sensory mogą pobierać informacje z otoczenia np. określać temperaturę, wilgotność itp.). Aktory, czyli urządzenia wykonawcze, odbierają polecenia wydane przez sensory i wykonują je. Aktorów nie należy mylić z odbiornikami np. oprawami oświetleniowymi, ponieważ aktory to elementy sterujące [1]. Oprócz tych dwóch grup, można wyodrębnić jeszcze wiele innych, o czym wspomniano już na początku rozdziału. Obok urządzeń pełniących w systemie funkcje sensorów i aktorów, można wymienić także urządzenia kombinowane (sensor + aktor w jednym elemencie), urządzenia specjalne takie jak np. zasilacze, timery, elementy służące do komunikacji itp. Sensory Najprostszymi elementami zadającymi w instalacji KNX są przyciski. Wykonane są w taki sposób, aby wyglądem zewnętrznym przypominały klasyczne włączniki (rys. 12.). Przyciski do systemu instabus KNX, współpracują z uniwersalnym, podtynkowym portem magistralnym. Poszczególne klawisze przycisku wykonuje się jako dwie niezależne od siebie powierzchnie, a odpowiednia parametryzacja powoduje, że mogą one symulować pracę zwykłego włącznika (górna powierzchnia włącza a dolna wyłącza np. światło), lub pracować niezależnie (np. górna włącza i wyłącza grupę oświetlenia, a dolna steruje żaluzjami). Rys. 12. Przyciski stosowane w systemie KNX [5]. 12 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX Pewną nowością, w stosunku do klasycznej instalacji, jest występowanie przycisków o liczbie klawiszy większej niż dwa. Jest to możliwe, ponieważ załączanie obwodów prądowych jest realizowane nie w przyciskach, lecz przy pomocy wyjść binarnych, umieszczonych zazwyczaj blisko odbiorników [1]. Często przyciski występują w formie zintegrowanej z innymi urządzeniami, np. z czujnikiem podczerwieni, termostatem itp. (rys. 13.). Przyciski najczęściej są stosowane do załączania i sterowania oświetleniem, żaluzjami, uruchamiania sekwencji zdarzeń, czasowych, przełączania trybów pracy systemu itp. a) b) Rys.1.3. Przyciski zintegrowane: a) z czujnikiem podczerwieni, b) z termostatem [5]. Bardzo często do systemu KNX wymagane jest wprowadzenie sygnałów z zewnątrz. Takimi sygnałami mogą być np. naciśnięcie konwencjonalnego przycisku, załączenie kanałów zegara, sygnały otrzymywane z różnego rodzaju czujników wielkości fizycznych itp. W tym celu stosuje się odpowiednie elementy, nazywane wejściami binarnymi (rys. 14.). a) b) c) d) Rys. 14. Różne typy wejść binarnych w zależności od sposobu montażu: a) na szynę, b) podtynkowego, c) w kanałach elektroinstalacyjnych, d) w urządzeniach [9]. Wejścia binarne rozpoznają sygnały ciągłe oraz impulsowe, przy czym rozpoznawane są tylko dwa stany: załączenia (stan „1”) i wyłączenia (stan „0”). Sygnały sterujące, które należy wprowadzić do systemu, mogą być podawane na zaciski wejścia binarnego w dwóch standardach napięciowych: 230 V prądu przemiennego lub 24 V prądu przemiennego lub stałego. W zależności od parametryzacji urządzenia, możliwe jest wysyłanie przez wejście binarne telegramów typu „włącz-wyłącz” w zależności od przekroczenia zadanej wartości, lub cykliczne odczytywanie wejścia z zadaną częstotliwością [1]. Na rysunku 15. przedstawiono schemat elektryczny podłączenia wejścia binarnego do systemu KNX. 13 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX Rys. 15. Schemat podłączenia wejścia binarnego 4 x 230V [10]. Następną grupą są urządzenia do sterowania ogrzewaniem i klimatyzacją. Elementem zaliczanym się do tej grupy jest m.in. regulator temperatury (rys. 16.). Rys.16. Natynkowy regulator temperatury [9]. W zależności od zaprogramowania, może pracować jako regulator dwustanowy (termostat) lub ciągły, wyłącznie w trybie ogrzewania lub chłodzenia, bądź w trybie kombinowanym grzewczo-chłodzącym. Regulator zawiera czujnik, z którego jest pobierana aktualna wartość temperatury i porównywana z wartościami zadanymi. Różnica zostaje przeliczona na odpowiednią wielkość nastawy zaworu, która zostaje przesłana w formie rozkazu do elementu wykonawczego. W nowoczesnym budynku, aby wszystkie procesy odbywały automatycznie, system sterujący musi posiadać informację na temat warunków panujących wewnątrz i na zewnątrz budynku. Dopiero na podstawie tych danych może automatycznie regulować procesy zachodzące w jego obszarze działania. W tym celu konieczne jest zastosowanie czujników wielkości fizycznych. Do podstawowych należą: czujniki temperatury, natężenia oświetlenia, ruchu itp. Czujniki takie wykonywane są praktycznie we wszystkich możliwych wersjach budowy. Ich cechą wspólną jest posiadanie konwertera, tłumaczącego sygnały czujnika na telegramy odczytywalne przez system. Czujniki, które konwertera nie posiadają, można podłączyć do systemu przez wejścia binarne lub analogowe [1]. Na rysunku 17. przedstawiono kilka z wymienionych wyżej typów czujników wielkości fizycznych. 14 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX b) c) d) a) Rys. 17. Różne typy czujników wielkości fizycznych: a) czujnik temperatury, b) czujnik kondensacji, c) czujnik natężenia oświetlenia, d) detektor ruchu [9]. Ciekawym urządzeniem, zawierającym kilka sensorów jest tzw. stacja pogodowa (rys. 18.). Jest to urządzenie zewnętrzne monitorujące zmianę takich wielkości jak: temperatura, prędkość wiatru, natężenie oświetlenia. Może być również wyposażona np. w czujnik deszczu. Nietrudno wyobrazić sobie możliwości zastosowania takiego elementu w dużym budynku i wynikające z ego korzyści np. możliwość zamykania okien, gdy pada deszcz, opuszczenia żaluzji, gdy jest za duży wiatr, itp. Rys. 18. Stacja pogodowa [9]. Wśród czujników wielkości fizycznych, można wyróżnić pewną specjalizowaną grupę, która jest związana z bezpieczeństwem budynku i użytkowników. Do tej grupy należą czujki przeciwpożarowe, napływu wody, wykrywania niebezpiecznych gazów (rys. 19.). Czujki te (np. ppoż.), wyposażone są w odpowiednie moduły kontrolne, które sygnalizują, gdy urządzenie jest zanieczyszczone, czy usunięte ze swojego gniazda. b) a) c) Rys. 19. Urządzenia nadzoru i powiadamiania: a) czujka ppoż, b) czujnik zalania, c) czujka wykrywająca CO2 i pary związków organicznych (VOC) [9]. 15 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX W systemie automatyki budynku bardzo często uzależnia się działanie pewnych funkcji od czasu. Możliwość tą wykorzystuje się głównie w budynkach użyteczności publicznej do ustalania czasów trwania dwóch (najczęściej) stanów pracy systemu: stanu komfortowego (godziny pracy) i stanu oszczędnego. W takich budynkach dość łatwo jest określić konkretne dni i godziny przełączania pomiędzy dwoma trybami. Urządzenia zegarowe posiadają od jednego do kilku kanałów, załączanych zgodnie z ustawionym programem i mogą być synchronizowane przy pomocy sygnału radiowego nadawanego z Frankfurtu na falach długich. Sygnał taktujący (czas i data) jest odbierany przy użyciu zintegrowanej anteny DCF77, a następnie wysyłany na magistralę w zależności od potrzeb, lub zgodnie z zadaną częstotliwością. Na rysunku 20. przedstawiono przykładowe urządzenie zegarowe. b) a) Rys. 20. Urządzenia zegarowe: a) zegar cyfrowy, b) antena DCF-77 [9]. Aktory Wyjścia binarne (rys. 21.) są podstawowymi elementami wykonawczymi systemu Instabus KNX. Przy ich pomocy można w prosty sposób sterować dowolnym obiektem zasilanym elektrycznie. Sterowanie odbywa się na drodze dwustanowej (binarnie). Najprościej urządzenie to można opisać jako styki przekaźnika uruchamiane rozkazami z magistrali. Jedno wyjście binarne może zawierać do kilku niezależnie sterowanych kanałów (styków). a) b) c) Rys. 21. Typy wyjść binarnych: a) do montażu na szynie, b) do montażu podtynkowego, c) do montażu w kanałach elektroinstalacyjnych [9]. 16 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX W zależności od potrzeb możliwe jest proste powiązanie logiczne pomiędzy kanałami, opóźnienie załączenia lub wyłączenia, czy załączanie kilku kanałów jednocześnie. Dostępna jest także możliwość sprawdzenia i przesłania na magistralę informacji dotyczącej stanu styków, co pozwala na kontrolę stanu każdego odbiornika w systemie. Na rys. 22. pokazano schemat podłączenia wyjścia binarnego 2x230 V. Rys. 22. Schemat podłączenia wyjścia binarnego 2x230 V [10]. Sterowniki żaluzji (rys. 23.) są specjalizowanymi wyjściami binarnymi do sterowania napędami żaluzji i rolet. a) b) Rys. 23. Sterowniki żaluzji/rolet: a) do montażu na szynie, b) do montażu natynkowego [9]. Każdy kanał wyjściowy posiada dwa styki zasilające, aby umożliwić sterowanie silnikami żaluzji (rolet) w obie strony [1]. Styki te są jednocześnie tak zabezpieczone, by uniemożliwić jednoczesne załączenie obu obwodów. Sterowniki żaluzji reagują na dwa typy telegramów z magistrali: jeden powoduje całkowite opuszczenie bądź podniesienie żaluzji (rolet), a drugi zatrzymanie rolet w trakcie podnoszenia/opuszczania lub przekręcenie lamelek żaluzji. Na rys. 24. przedstawiono schemat podłączenia dwukanałowego sterownika żaluzji. 17 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX Rys. 24. Schemat podłączenia sterownika żaluzji [10]. Do płynnej regulacji natężenia oświetlenia lamp żarowych i halogenowych stosuje się ściemniacze uniwersalne (rys. 25a.). Działają one na zasadzie obcinania części fali napięciowej zasilającej oprawę. Należy pamiętać, że przy regulacji natężenia światła żarowego występuje nieproporcjonalna zależność pomiędzy strumieniem światła emitowanym przez źródło a energią przez nie pobieraną. Oznacza to, że zmniejszając natężenie oświetlenia nawet w dużym stopniu, pobór energii zmniejsza się niewiele. Dlatego gdy priorytetem jest oszczędność energii (a nie tylko komfort użytkowników), należy stosować oświetlenie świetlówkowe. Aktor załączająco-ściemniający (rys. 25b.) jest elementem pozwalającym na pełne sterowanie oprawą świetlówkową lub ich grupą. Aby jednak umożliwić poprawne sterowanie, każda oprawa musi być wyposażona w, zarządzany przez aktor, statecznik elektroniczny do ściemniania świetlówek (zastępuje standardowy statecznik występujący w oprawie). a) b) Rys. 25. Sterowanie oświetleniem: a) ściemniacz uniwersalny, b) element ściemniającowłączający [9]. Aktor załączająco-ściemniający posiada jeden styk zwierny odpowiedzialny za podanie napięcia zasilającego do oprawy, oraz zaciski sterujące procesem ściemniania, realizowanym przez podawanie napięcia stałego z zakresu 1...10 V do statecznika. Na rysunku 26. przedstawiono schemat połączenia wszystkich elementów aktora załączającościemniającego. 18 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX Rys. 26. Schemat podłączenia aktora załączająco-ściemniającego [10]. Urządzenia wykonawcze HVAC (ang, Heating, Ventilation, Air Condition) stanowią dużą, odrębną grupę urządzeń. Ponieważ tworzą one z reguły odrębne podsystemy, nie zostaną szczegółowo omówione. Jednym ze standardowych i najczęściej wykorzystywanych urządzeń, podłączanych bezpośrednio do magistrali KNX, są napędy zaworów grzejnikowych, przygotowane do montażu na standardowych zaworach grzejnikowych. W układach sterowania ogrzewaniem stosuje się dwa rodzaje urządzeń (rys. 27.): napędy elektrotermiczne (dwustanowe), oraz napędy elektromotoryczne (proporcjonalne). a) b) Rys. 27. Napędy zaworów grzejnikowych: a) elektrotermiczny, b) elektromotoryczny [9]. Napędy elektrotermiczne są urządzeniami, które sterują zaworem na zasadzie włączwyłącz. Aby zawór nie powodował nieprzyjemnych dźwięków (np. przełączanie przekaźnika), napęd wyposażony jest w zbiorniczek z żelem, który zmienia swoją objętość pod wpływem przepływu prądu elektrycznego i powoduje zamknięcie zaworu. Zaletą tego rozwiązania jest niski koszt samego zaworu jednak, aby sterować takim napędem poprzez magistralę, należy zastosować dodatkowo wyjście binarne, które posiada program aplikacyjny do sterowania termostatycznego [1]. Bardziej zaawansowanym typem napędu, jest napęd elektromotoryczny. Zawiera on silnik krokowy do quasipłynnego sterowania zaworem (255 pozycji) oraz port magistralny, umożliwiający komunikację z magistralą. Nie wymagają przy tym dodatkowego zasilania. Moduły funkcyjne Moduły funkcyjne to odrębna grupa urządzeń rozszerzająca zakres funkcji systemu. Zasada działania tych elementów polega na odpowiednim modyfikowaniu sygnałów otrzymanych z sensorów i przesłanie ich do aktorów. Parametryzacja, wybór sygnałów 19 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX wejściowych i adresów wyjściowych, inwersja sygnału itp. są konfigurowane przy pomocy programu ETS. Grupa modułów funkcyjnych dedykowanych dla instalacji KNX jest bardzo szeroka i nie należy do podstawowych elementów systemu, dlatego nie będzie szczegółowo omawiana, a wymienione zostaną tylko najważniejsze moduły [1]: moduł scenowy – służy do zapamiętania szeregu rozkazów w tzw. scenie (od scen oświetleniowych gdzie jest najczęściej wykorzystywany). Umożliwia uruchomienie przy pomocy jednego przycisku kilku urządzeń i ustawienie ich w wybranej pozycji, moduł logiczny – używany do powiązania ze sobą różnych sygnałów wejściowych lub wyjściowych i umożliwia tworzenie skomplikowanych zależności logicznych (AND, OR, NAND itp.), moduł czasowy – wykorzystywany do opóźnienia sygnałów wejściowych lub wyjściowych o zadany okres czasu. Wskaźniki i wyświetlacze Są to urządzenia przeznaczone do prezentacji informacji przekazywanych przez system. Najprostszym i najczęściej stosowanym elementem jest wyświetlacz ciekłokrystaliczny w wersji podtynkowej. Przystosowany jest do prezentacji ośmiu dowolnie wybranych informacji pobieranych z systemu. Oprócz wyświetlaczy stosowane są także tablice wyposażone w różnokolorowe diody LED, sygnalizujące stan wybranych urządzeń. Połączeniem wyświetlacza i sterownika jest panel kontrolno-sterujący, wykonany w postaci tablicy z ekranem ciekłokrystalicznym i siedmioma przyciskami umieszczonymi na obwodzie tablicy [1]. Pewną odmianą takiego sterownika jest nowoczesny panel dotykowy (rys. 28.), łączący zalety kontrolera i wyświetlacza. Jego ekran może zostać podzielony na dziesięć niezależnych obszarów, które mogą pracować jako wyświetlacze informacji lub przyciski sterujące. Rys. 28. Panel dotykowy [9]. Urządzenia komunikacyjne W celu uruchomienia instalacji KNX, wykonywania czynności serwisowych, wizualizacji, itp., konieczne jest połączenie magistrali z komputerem. Wykorzystuje się do tego specjalną grupę urządzeń komunikacyjnych. Najczęściej są to elementy zwierające port szeregowy RS-232 (lub port USB), który połączony jest z portem magistralnym, w obudowie do montażu na szynę lub do montażu podtynkowego. Oprócz prostych łączy komputer-magistrala, produkowane są również łącza specjalizowane, mające połączyć dwa systemy w jeden przy pomocy światłowodu lub linii telefonicznej. 20 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX Zasilacze Każda linia magistralna wymaga obecności przynajmniej jednego zasilacza (rys. 29.), który zapewnia odpowiednie napięcie dla obwodu sygnałowego systemu KNX. Posiada ograniczenie napięciowe i prądowe, zabezpieczające przed zwarciami. Zapewnia również podtrzymanie zasilania w systemie KNX przez 200 ms. Standardem jest zasilacz 320mA, ale dostępne są również wersje o prądzie 640 mA. Zasilacz jest wykonywany wyłącznie w wersji do montażu na szynie [1]. Rys. 29. Zasilacz systemu EIB [9]. Sprzęgła liniowe i obszarowe Urządzenia te związane są ściśle ze strukturą topologiczną systemu. Sprzęgła (rys. 30.) liniowe i wzmacniacze łączą sygnałowo dwie oddzielne linie magistralne, jednocześnie zapewniając separację informacyjną pomiędzy nimi. Dzięki temu każda z linii, w przypadku transmisji lokalnej, może pracować niezależnie od innych. W momencie uruchamiania instalacji w sprzęgle zapisywana jest tabela filtracji, która pozwala na określenie, które telegramy mają być przesłane przez sprzęgło, a które mają zostać wytłumione. Sprzęgło obszarowe pełni takie samo zadanie, łącząc ze sobą obszary. Obie funkcje spełnia więc to samo urządzenie, a różnica polega na odpowiedniej konfiguracji przy pomocy ETS. Rys. 30. Sprzęgło liniowe (obszarowe) [9]. 3. Literatura [1] [2] [3] [4] „Nowoczesna instalacja elektryczna w inteligentnym budynku”, Paweł Petykiewicz, Warszawa 2001. „Project Engineering for EIB Installations” 4th revised edition, European Installation Bus Association sc (EIBA) 1998. www.eib.lodman.pl, Instrukcja do programu „Easy starter for instabus EIB”, Siemens AG. 21 Ćw.4. Magistrala Europejska KNX [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] www.smartech.pl, rysunki www.isep.pw.edu.pl/ISEP/ZakladNapedu/Instrukcje, www.eib.pl, www.elektron.pol.lublin.pl, Cwiczenie2.pdf www.siemens.com, www2.automation.siemens.com/et/gamma/html_76/support/techdoku.htm, www.konnex.org, 22
