Комплексное инновационное строительство
Наш адрес: ул.Т.Шевченко, д.14, оф.1, г.Севастополь
8 (978) 109-18-31

Система автоматизации на базе технологии KNX


При обсуждении тематики обеспечения энергоэффективности зданий 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 пяти лет назад и сегодня поддерживается многими крупными производителями электротехнического оборудования.



В ассоциацию KNX сегодня входят более 400 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, Siemens, Schneider Electric и многие другие.



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 приблизиться к технологии для решения собственных задач. Если данная тематика будет интересна, мы постараемся вернуться к ней уже с более подробными материалами.

Шина 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:

  • максимальная длина кабелей в сегменте — 1000 м;
  • максимальное расстояние от устройства до блока питания — 350 м;
  • максимальное расстояние между двумя устройствами — 700 м;
  • минимальное напряжение на устройствах — 21 В.

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.

Устройства


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 и более страниц. 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.

Адресация и команды


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.

Программирование


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:

  • Создание файла проекта;
  • Импортирование информации об используемых устройствах в каталог программы;
  • Создание структуры здания;
  • Добавление устройств из каталога в проект;
  • Выбор адресов, настройка параметров, добавление комментариев для устройств;
  • Создание структуры групповых адресов;
  • Распределение устройств по групповым адресам;
  • Загрузка проекта в систему автоматизации;
  • Проверка работоспособности, диагностика.

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. Далее на нижнем уровне создаются уже сами групповые адреса и в них добавляются требуемые объекты устройств. Как мы писали выше, здесь важно соблюдать соответствие типов данных, а также настроить флаги.

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.

Практическое знакомство


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.

Заключение

Прежде всего, напом ним, 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 комплексе с учетом разработки, установки, настройки и эксплуатации.