Współpraca systemu KNX z wybranymi instalacjami budynkowymi

fot. gira.com

Współpraca wielu różnorodnych systemów, obsługujących różne instalacje znajdujące się w budynku, ma zapewnić prawidłową obsługę tych instalacji. Wybór systemu KNX pozwala na jego wykorzystanie w roli BMS, który nadzoruje pracę pozostałych instalacji w budynku, np. instalacji alarmowej, ppoż, itp. W artykule przedstawiono sposób wykorzystania elementów KNX do zapewnienia komunikacji z wybranymi instalacjami znajdującymi się w budynku.

Krótka charakterystyka systemu KNX

Systemy instalacji inteligentnych można podzielić, między innymi ze względu na zastosowany protokół komunikacyjny [1], na:

• systemy otwarte, oparte na ogólnodostępnym protokole komunikacyjnym; urządzenia w takim systemie mogą byś produkowane przez wielu producentów pod warunkiem zachowania zgodności ze standardem,
• systemy zamknięte, oparte na własnościowym protokole komunikacyjnym, zwykle stworzonym tylko na potrzeby jednego producenta.

System KNX ze względu na stosowany protokół komunikacyjny jest systemem otwartym. Otwarte podejście do protokołu komunikacyjnego znacznie ułatwia integrację urządzeń pracujących w różnych systemach. Ma to istotne znaczenie w budynkach, w których z różnych przyczyn nie można zastosować tylko jednego systemu automatyki budynkowej do sterowania instalacjami. Zachodzi wtedy konieczność zapewnienia prawidłowej współpracy między różnymi systemami.

Topologia systemu KNX składa się z następujących elementów (rys. 1):

• linia, do której podłącza się elementy magistralne (maksymalnie 255 urządzeń),
• obszar, który buduje się poprzez łączenie wielu linii razem za pośrednictwem sprzęgieł liniowych (do 15 linii), 
• system, który tworzony jest przez obszary połączone wzajemnie za pomocą sprzęgieł obszarowych (do 15 obszarów).

Rys. 1. Topologia systemu KNX: UM – urządzenie magistralne, Z/C – zasilacz, SL – sprzęgło liniowe, SO – sprzęgło obszarowe [2]

Podstawowym medium transmisyjnym wykorzystywanym w instalacji KNX jest skrętka dwuparowa. Medium to służy do zapewnienia zasilania urządzeniom magistralnym oraz do przekazywania informacji pomiędzy nimi. Informacje przekazywane są w postaci telegramów, czyli paczek bitów zawierających dane między innymi o nadawcy, odbiorcy oraz o rozkazie do wykonania. Każde urządzenie magistralne posiada swój własny, niepowtarzalny adres fizyczny składający się z trzech liczb. Określają one położenie danego elementu w topologii systemu. Do identyfikacji odbiorcy lub grupy odbiorców wykorzystuje się adres grupowy. Każdy element magistralny może posiadać więcej niż jeden adres grupowy.

Jednokierunkowa wymiana informacji z wykorzystaniem wejść binarnych

W instalacjach elektrycznych wiele zjawisk ma charakter zerojedynkowy. Informacje o włączeniu lub wyłączeniu oświetlenia, stan otwarcia okien lub drzwi mogą zostać wykorzystane w systemie KNX i posłużyć do informowania o stanie aktualnym obiektu, wpływaniu na procesy regulacji lub też do sterowania odbiornikami. Nie zawsze jednak wszystkie urządzenia i instalacje są wykonane w technologii KNX. Często nie warto wykonywać każdego elementu instalacji w jednym systemie ze względu na koszty. Warto jednak wykorzystać np. stan otwarcia okna do sterowania ogrzewaniem. W takich przypadkach można wykorzystać wejścia binarne. Są to urządzenia pracujące w systemie KNX, których zadaniem jest zbieranie informacji spoza systemu i zamienianie ich na telegramy KNX, które można wykorzystać przy sterowaniu instalacją (rys. 2). Informacja taka jest jednak wyłącznie jednobitowa. W zależności od wartości napięcia, które wykorzystuje się jako sygnał, wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje wejść binarnych:

• bezpotencjałowe,
• niskonapięciowe 24V,
• na napięcie sieciowe 230V AC.

Rys. 2. Przykładowe wejścia binarne: a) wejście binarne bezpotencjałowe czterokrotne firmy Hager, b) wejście binarne bezpotencjałowe firmy Gira [3, 4]

Wejścia bezpotencjałowe często wykorzystuje się w celu podłączenia tradycyjnych łączników klawiszowych do instalacji KNX. Pozwala to na wybranie z szerokiej, pod względem wyglądu, oferty łączników tradycyjnych. Można wykorzystać je między innymi do sterowania instalacją oświetleniową czy roletami. Sposób podłączenia wejścia bezpotencjałowego z przyciskiem klawiszowym przedstawiono na rysunku 3. Przedstawione na nim urządzenie TXB 304 jest czterokrotnym wejściem bezpotencjałowym. Posiada wbudowany port magistralny do komunikacji z systemem KNX oraz cztery pary zacisków, które podłącza się do styków łączników klawiszowych.

Ponieważ jest to urządzenie magistralne, posiada ono w systemie swój adres fizyczny. Umożliwia realizację szeregu różnych funkcji, w tym:

• sterowanie załącz/wyłącz, ściemnianie,
• funkcje priorytetowe,
• funkcje czasowe,
• funkcje scen.

Rys. 3. Schemat podłączenia bezpotencjałowego czterokrotnego wejścia binarnego TXB304 [3]

Przykładowy sposób wykorzystania wejścia binarnego w systemie KNX przedstawiono na rysunku 4. W chwili, kiedy wystąpi zdarzenie, np. zostanie otwarte okno, na wejściu urządzenia magistralnego informacja ta spowoduje wygenerowanie telegramu na magistrali KNX. Ten telegram następnie dotrze do urządzenia docelowego, np. aktora grzewczego, który może wyłączyć ogrzewanie w danym pomieszczeniu.

Rys. 4. Schemat podłączenia wejścia binarnego w systemie KNX: ZS - zasilacz systemowy, AG – aktor grzewczy, PU – port USB, WB – wejście binarne

Bezpotencjałowe wejścia binarne można również wykorzystać do zbierania sygnałów od systemów ochrony przeciwpożarowej lub alarmowych. Przykładowy sposób podłączenia centrali alarmowej do systemu KNX poprzez wejścia binarne przedstawiono na rysunku 5. W układzie tym informacje pobierane z kontaktronów do centrali alarmowej mogą być wykorzystane w systemie KNX na kilka sposobów.

Jeden z nich polega na przekazywaniu bezpośrednio do systemu KNX informacji o stanie okna (otwarte, zamknięte).Rozwiązanie takie wymaga jednak znacznej ilości wyjść z centrali alarmowej. Kolejny sposób polega na przekazywaniu wybranych istotnych informacji. Przykładowo do systemu KNX można przekazywać tylko wybrane sygnały alarmowe, np. stan uzbrojenia alarmu. Wymaga to odpowiedniego zaprogramowania centrali alarmowej. Można ją wykorzystać w ten sposób tylko wtedy, gdy posiada ona bezpotencjałowe wyjścia, np. przekaźnikowe. W innym przypadku może okazać się konieczne zastosowanie elementów pośredniczących, zamieniających sygnały napięciowe lub prądowe na bezpotencjałowe.

Rys. 5. Wykorzystanie wejść binarnych do pobierania sygnałów z centrali alarmowej: KT1 – KT4 – kontaktrony, WB1, WB2 – wejścia binarne

Współpraca ze sterownikami PLC

W nowoczesnych instalacjach budynkowych stosuje się wiele różnych systemów sterowania i automatyki. Jest prawie niemożliwe wykonanie całej instalacji z wykorzystaniem tylko jednego systemu. Z tego powodu częstym problemem do rozwiązania jest integracja różnych systemów, w taki sposób, aby współdziałały ze sobą prawidłowo.

Zależności pomiędzy poszczególnymi elementami instalacji można przedstawić w sposób zhierarchizowany (rys. 6). Najniższy poziom należy do urządzeń wykonawczych. Do sterowanych przez sterowniki PLC można zaliczyć silniki, serwozawory grzewcze czy łączniki. W systemie KNX wliczamy do nich aktory załączające, oświetleniowe czy sensory.

Rys. 6. Hierarchia systemów sterowania w instalacji BAS [5]
 

Poziom systemu sterowania obejmuje sterownik PLC oraz część instalacji w systemie KNX. Nie można wyróżnić pojedynczego elementu instalacji KNX jako sterującego, ponieważ system ten działa w sposób rozproszony i nie powinien posiadać sterownika centralnego. Do poziomu zarządzania BAS (Building Automation System) można zaliczyć stacje operatorskie lub serwery, których zadaniem jest gromadzenie danych z instalacji, ich analiza oraz wizualizacja. Oprócz tego systemy te mogą sprawować funkcje sterujące i zarządzające całym systemem lub tylko wybranymi jego fragmentami.

Współpraca sterowników PLC z systemem KNX korzysta z dwóch niezależnych elementów: modułów sprzętowych i aplikacji programowych. Moduły sprzętowe pozwalają na bezpośrednie podłączenie magistrali KNX do sterownika. Służą one do konwersji telegramów na informacje użyteczne w sterowniku i najczęściej zapewniają komunikację dwukierunkową.

Aplikacja programowa wykorzystywana jest do tworzenia programów w sterowniku PLC, które mogą wykorzystywać typy danych i polecenia z systemu KNX.

Integracja sterowników PLC z urządzeniami KNX nie wymaga wykorzystania modułów sprzętowych, wystarczy tylko aplikacja programowa. Zamiast nich można wykorzystać sieć komputerową jako pośredniczącą w przekazywaniu informacji (rys. 7).

Stosując takie rozwiązanie należy zainstalować w systemie KNX bramkę KNX/IP, która działa jako sprzęgło liniowe lub obszarowe. Następnie do sieci IP podłączamy sterownik PLC. Wykorzystanie sieci IP pozwala na znaczne zwiększenie przepustowości magistrali ze względu na mniejsze ograniczenia prędkości niż w tradycyjnej magistrali opartej na skrętce dwuparowej [6].

Integrując sterowniki PLC z systemem KNX można zwiększyć funkcjonalność całej instalacji. Większość urządzeń KNX oferuje tylko pewne wbudowane sposoby sterowania i funkcje logiczne w ograniczonym zakresie. Sterowniki swobodnie programowalne pozwalają na stworzenie skomplikowanych programów sterowania zależnych od wielu kryteriów, zazwyczaj nieuwzględnianych w typowych instalacjach inteligentnych.

Rys. 7. Schemat integracji sterownika PLC z systemem KNX za pośrednictwem sieci IP: EM – element magistralny, KNX/IP – bramka systemowa

SCADA w systemie KNX

Systemy SCADA pozwalają między innymi na realizację następujących funkcji [7]:

• gromadzenie danych z poszczególnych elementów instalacji,
• analiza zgromadzonych danych, na przykład pod kątem wykorzystania energii elektrycznej,
• generowanie raportów na temat stanu instalacji,
• wizualizacja pracy instalacji budynkowej.

Oprócz spełniania wymienionych powyżej funkcji systemy te są wykorzystywane do regulacji procesów technologicznych, a w przypadku instalacji w budynkach - do sterowania nimi. Ponieważ system KNX jest systemem rozproszonym, nie jest zalecane, aby istniał w instalacji jeden centralny sterownik, na przykład w postaci stanowiska operatora zarządzającego budynkiem. Algorytmy sterowania instalacjami powinny być projektowane w sposób zapewniający bezawaryjną pracę w przypadku, kiedy jeden z elementów systemu ulegnie awarii [8].

Na rynku dostępna jest szeroka gama oprogramowania SCADA, zarówno dedykowana do współpracy z systemem KNX, jak i ogólnego przeznaczenia, pozwalająca na integrację z tym systemem. Wybór właściwego oprogramowania zależy od wielu czynników, a przede wszystkim od zadań, jakie będą stawiane przed systemem wizualizacji i akwizycji danych. Jeżeli oprogramowanie nadzorcze ma zarządzać kilkoma różnymi systemami, wówczas odpowiednim rozwiązaniem będzie zastosowanie takiego, który pozwala na współpracę z każdym z tych podsystemów. Takie rozwiązanie pozwoli na integrację wszystkich instalacji i urządzeń sterowanych przy wykorzystaniu jednego rodzaju oprogramowania.

Wnioski

W nowoczesnych obiektach budowlanych jest prawie niemożliwe wykorzystanie jednego systemu sterowania przeznaczonego dla każdego zastosowanego urządzenia. Z tego powodu konieczne staje się stosowanie różnych systemów automatyki i sterowania. Wynikają stąd problemy ze współpracą tych systemów i ich integracją. Dobrym rozwiązaniem rozwiązaniem jest wybór takich systemów, które mogą ze sobą współpracować przy minimalnym nakładzie środków i pracy. Ponieważ system KNX jest oparty na otwartym protokole komunikacyjnym, łatwo jest zapewnić prawidłowe współdziałanie z wieloma systemami automatyki w budynku (rys. 8).

Rys. 8. Schemat integracji wybranych elementów instalacji budynkowej

Dzięki dostępnym rozwiązaniom możliwa jest jego współpraca między innymi z systemem alarmowym, ochrony przeciwpożarowej czy sterownikami swobodnie programowalnymi. Wykorzystanie sieci komputerowej jako medium transmisyjnego sieci szkieletowej w budynku pozwala na prostsze łączenie różnych systemów. Integrację systemów automatyki budynkowej zwieńczy zastosowanie systemu SCADA, który znacznie rozszerzy możliwości instalacji. 

Autor: Andrzej Książkiewicz, Politechnika Poznańska, Instytut Elektroenergetyki

Literatura:

[1] Klajn A.: Wybrane aspekty integracji systemów inteligentnych instalacji w budynkach, XII Sympozjum pt. „Optymalizacja dostaw i rozdziału energii oraz przesyłania informacji w inteligentnych obiektach”, Wydawnictwo Oddziału Poznańskiego SEP, Poznań 2009, s. 7-11

[2] Instalacja elektryczna w systemie KNX/EIB. Podręcznik INPE dla elektryków. Zeszyt 10, COSiW SEP, Warszawa 2006

[3 Systemy elektroinstalacyjne. Katalog firmy Hager, 2010/11

[4] Inteligentna technika wyposażenia budynku firmy Gira, 2011/12

[5] Kastner W., Neugschwandtner G., Soucek S., Newman H.M.: Communication Systems for Building Automation and Control, Proceedings of the IEEE, vol. 93, no. 6, June 2005, s. 1178-1203

[6] KNX Association, KNX Advanced Course Documentation, 2009

[7] Nowak M.: Wykorzystanie systemów SCADA do integracji i zarządzania systemami automatyki w inteligentnych budynkach, XIII Sympozjum pt. „Sieci i instalacje elektryczne – klasyczne i inteligentne”, Wydawnictwo Oddziału Poznańskiego SEP, Poznań 2010, s. 13-16

[8] Książkiewicz A.: Sterowanie oświetleniem w systemie KNX. Wybrane algorytmy i propozycje ich realizacji, XIII Sympozjum pt. „Sieci i instalacje elektryczne – klasyczne i inteligentne”, Wydawnictwo Oddziału Poznańskiego SEP, Poznań 2010, s. 28-32