Automatyka budynkowa w obiektach rozległych na przykładzie systemów KNX i LCN

fot. Swisslux AG/CC/Wikimedia Commons

Systemy automatyki budynkowej można podzielić na zdecentralizowane oraz scentralizowane. W systemach zdecentralizowanych nie występuje jeden, centralny sterownik zarządzający pracą całej instalacji. Rozwiązanie to opiera się na wzajemnej komunikacji pomiędzy urządzeniami połączonymi magistralą. Urządzenia przesyłają między sobą rozkazy bądź informacje o stanie, na podstawie których wykonywane są polecenia. Do systemów zdecentralizowanych można zaliczyć systemy KNX i LCN.

Zdecentralizowane systemy automatyki budynkowej

W obu systemach automatyki budynkowej nie występują centralne sterowniki, obecna jest natomiast magistrala komunikacyjna służąca do wymiany informacji pomiędzy urządzeniami.

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

• linii, do której podłącza się elementy magistralne (maksymalnie 255 urządzeń),
• obszaru, który buduje się przez łączenie wielu linii za pośrednictwem sprzęgieł liniowych (do 15 linii),
• systemu, który jest tworzony 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 [1]

W ten sposób, jeżeli urządzenia z różnych linii lub obszarów nie wymagają łączności pomiędzy sobą, to nie zachodzi konieczność przesyłania pomiędzy nimi telegramów. Takie podejście pozwala na zmniejszenie obciążenia magistrali i zwiększa jej przepustowość. W systemie KNX magistrala komunikacyjna może zostać wykonana jako przewodowa lub bezprzewodowa. Jako magistralę przewodową stosuje się skrętkę dwuparową (twistedpair KNX.TP) 2x2x0,8, w której to jedna para żył (czerwono-czarna) wykorzystywana jest do komunikacji, a druga para (żółto-biała) jest rezerwowa (rys. 2).

Rys. 2. Magistrala przewodowa w systemie KNX - skrętka dwuparowa [1]

Podstawowym medium transmisyjnym wykorzystywanym w insta­lacji KNX jest skrętka dwuparowa. Medium to służy do zapewnienia zasilania urządzeniom magistralnym oraz do komunikacji pomiędzy nimi. Informacje przekazywane są w postaci telegramów, czyli pa­czek bitów zawierających dane m.in.: o nadawcy, odbiorcy oraz roz­kazie do wykonania. Każde urządzenie magistralne ma 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 mieć więcej niż jeden adres grupowy.

W systemie LCN do transmisji danych wykorzystuje się dodatkową żyłę transmisyjną oraz żyłę neutralną tradycyjnej instalacji elektrycznej (rys. 3). Każdy moduł LCN może dzięki tym dwóm żyłom komunikować się z całą magistralą. Wykorzystanie konwencjonalnej instalacji poszerzonej o jedną dodatkową żyłę pozwala na prostsze układanie instalacji ze względu na brak dodatkowego przewodu magistralnego. Moduły LCN są chronione przed zwarciem i przepięciem w magistrali sieciowej do 230 V lub 2 kV [2], Magistrala systemu LCN stosowana jest w systemach mających ponad 250 modułów lub jeśli budynek ma być podzielony na strefy, w celu optymalizacji transmisji danych i lepszej przejrzystości systemu [3]. Dopuszcza się połączenie w jedną magistralę do 120 sprzęgów, która musi być zawsze okablowana liniowo (rys. 4). Długość tej magistrali zależy od liczby zainstalowanych sprzęgów i od prędkości transmisji danych.

Rys. 3. Wykorzystanie dodatkowej żyły przewodu wielożyłowego do komunikacji między modułami LCN - żyła danych D [2]

Rys. 4. Wykorzystanie sprzęgów LCN-SK do łączenia segmentów w jeden system [3]

Dopuszczalne odległości pomiędzy elementami systemu

W obiektach o niewielkiej powierzchni dopuszczalne, maksymalne długości magistrali najczęściej nie stanowią większego problemu. W systemie KNX jak i LCN pojedynczy odcinek magistrali dwużyłowej może mieć długość 1000 m, co jest wystarczające dla większości budynków mieszkalnych jednorodzinnych czy też ma­łych obiektów biurowych. Dopiero w kontekście obiektów budowlanych o znacznych powierzchniach, jak np. centra handlowe, bądź całych kompleksów budynków oddalonych od siebie, należy brać pod uwagę zarówno maksymalne jak i minimalne odległości pomiędzy elementami systemu.

Magistrala dwużyłowa, tzw. twisted-pair w systemie KNX musi mieć pewne ograniczenia związane z odległościami pomiędzy elementami systemu, przedstawione w tabeli. Należy pamiętać, że magistrala ta wymaga dodatkowych zasilaczy, co wiąże się z ostatnim (przedstawionym w tabeli), ograniczeniem minimalnej odległości pomiędzy zasilaczami wyposażonymi w dławik. Odległość ta liczona jest wg długości przewodu magistralnego a nie odległości między samymi urządzeniami.

Magistrala w systemie LCN nie wymaga dodatkowego zasilacza, ponieważ każde z urządzeń ma własne zasilanie. Niemniej jednak nadal występuje ograniczenie maksymalnej długości żyły danych wynoszące 1000 m. Ograniczenie to występuje w obu systemach i wynika z możliwości przesyłania telegramów na skończoną odległość. 

Maksymalne i minimalne odległości pomiędzy elementami systemu KNX [1]:

Przedłużanie magistrali przewodowej 

Dla obiektów budowlanych o znacznych powierzchniach, jak np. centra handlowe, bądź całe kompleksy budynków oddalonych od siebie, dopuszczalna odległość 1 km może okazać się zbyt mała. Twórcy systemów przewidzieli takie okoliczności i zaproponowa­li swoje rozwiązania problemu. W systemie KNX jako zastępczą magistralę można wykorzystać sieć komputerową IP. Pozwala to na zastosowanie dostępnych urządzeń, takich jak: przełączniki czy ro­utery oraz okablowania strukturalnego.

Typowa budowa systemu KNX wykorzystującego skrętkę dwu- parową została przedstawiona na rys. 5. W takiej strukturze każda część systemu ma ścisłą budowę hierarchiczną typu linia —> obszar —> system. Wszystkie urządzenia wykorzystują skrętkę dwuparową. Dodatkowo na każdym poziomie do zasilania magistrali konieczne jest zastosowanie dodatkowych zasilaczy. Przy czym każda część systemu nadal ma ograniczenia opisane wcześniej. Możliwe jest za­stąpienie części systemu z magistralą KNX.TP i wykorzystanie sieci IP. W tym celu stosuje się sprzęgła KNXnet/IP jako sprzęgła obsza­rowe (rys. 6). Pozwala to zniwelować ograniczenia odległościowe, narzucone tradycyjnej magistrali i wykorzystując sieć okablowania strukturalnego rozszerzyć zasięg działania automatyki budynkowej.

Przy takiej budowie systemu należy pamiętać, że hierarchicznie nad sprzęgłami KNXnet/IP nie może znajdować się żadne urządze­nie magistralne KNX.TP. Można również te sprzęgła wykorzystać na poziomie linii, tak jak zostało to przedstawione na rys. 7. W ta­kim rozwiązaniu tylko pojedyncze linie magistralne wykonane są za pomocą skrętki dwuparowej, a reszta systemu wykorzystuje sieć teleinformatyczną.

Rys. 5. Hierarchiczny system połączeń magistrali z wykorzystaniem skrętki dwuparowej [4]

Rys. 6. System połączeń magistrali z wykorzystaniem skrętki dwuparowej oraz elementów KNXnet/IP na poziomie obszarowym [4]

Rys. 7. Wykorzystanie elementów KNXnet/IP jako sprzęgieł liniowych z pominięciem sprzęgieł obszarowych [4]

W systemie LCN nie wykorzystuje się sieci internetowej (poza produktami firm trzecich). Istnieje natomiast kilka możliwości prze­dłużenia długości pojedynczego segmentu magistrali. Jedną z nich jest zastosowanie modułu galwanicznej separacji i wzmacniacza LCN-IS (rys. 8). Moduł ten pozwala na wykorzystanie pojedynczego odcinka żyły danych o długości do 1 km. W pojedynczym segmencie można zamontować maksymalnie 10 takich modułów, oddalonych od siebie o nie więcej niż 20 m (całkowita długość magistrali dwuprzewodowej, stosowanej do łą­czenia LCN-IS). Daje to łącznie możliwość stwo­rzenia segmentu składającego się z 10 odcinków po 1000 m każdy. Należy zaznaczyć, że moduły te nie tworzą dodatkowego segmentu, a jedynie pozwalają na wydłużenie żyły danych, która nadal traktowana jest jako pojedynczy segment. Jeżeli konieczne jest połączenie magistralne pomiędzy dwoma budynkami (rys. 9) to w tym celu można wykorzystać światłowód plastikowy (odległość do 100 m) lub światłowód optyczny (odległość do 2000 m).

Nie ma modułu, który w sposób bezpośredni za­mieniałby telegram z żyły D na sygnał światłowo­dowy. Należy zastosować moduły LCN-IS, które zamieniają żyłę danych D na dwuprzewodową, do której następnie dołącza się odpowiednie moduły światłowodowe (LCN-LLK lub LCN-LLG). Moż­liwe jest szeregowe podłączenie kilku sprzęgów światłowodowych. Wykorzystanie tych sprzęgów nie dzieli jednak magistrali na segmenty, a jedynie przedłuża jego zasięg.

Wykorzystując sprzęgło LCN-SK dzieli się w sposób logiczny in­stalacje na segmenty. Długość odcinka magistrali w pojedynczym segmencie może zostać przedłużona na kilka sposobów (rys. 10). Wykorzystane zostały dwa rodzaje sprzęgów światłowodowych - dla światłowodu plastikowego jak i optycznego. Wykorzystanie ich w segmencie możliwe jest dzięki magistrali dwużyłowej, którą tworzy się za pomocną modułu LCN-IS. W ułożeniu gwiazdowym instalacji w pojedynczym węźle można ze sobą połączyć maksymal­nie trzy urządzenia, np. LCN-IS + LCN-LLK + LCN-LLG.

Rys. 8. Wydłużenie pojedynczego segmentu magistrali LCN z wykorzystaniem modułów LCN-iS,
każda część żyły danych D może osiągnąć długość do 1000 m [3]

Rys. 9. Wykorzystanie światłowodów do połączenia dwóch oddalonych od siebie budynków [3]

Rys. 10. Przedłużenie pojedynczego segmentu magistralnego LCN
z wykorzystaniem konwerterów światłowodowych LCN-LLK i LCN-LLG

Propozycja rozwiązania komunikacji w obiektach rozległych 

Na podstawie powyższych informacji zostanie przedstawiona propozycja rozwiązania komunikacji pomiędzy częścią budynków kampusu jednej z uczelni wyższych. Na rys. 11 zaprezentowano podział na segmenty w systemie LCN. Jeden segment może obsłu­żyć do 250 urządzeń, jednak żaden nie jest w pełni wykorzystany. Zastosowanie większej liczby sprzęgieł (w tym wypadku 25) ma poprawić komunikację, a także umożliwić dalszą rozbudową po­szczególnych segmentów. Istotnym elementem jest pojawienie się rozdzielnicy głównej RG, w której znajdują się wszystkie sprzęgi systemowe LCN-SK (rys. 12).

Rys. 11. Rozprowadzenie poszczególnych segmentów po terenie obiektu w systemie LCN: D1-D25 - kolejne segmenty

Rys. 12. Schemat części rozdzielnicy głównej RG z elementami LCN

System pracuje w sposób zdecentralizowany na poziomie połą­czeń logicznych (komunikacja pomiędzy modułami). Natomiast po­łączenia elektryczne pomiędzy sprzęgami LCN-SK należy wykonać w jednej rozdzielnicy. Takie rozwiązanie wynika z ograniczenia, jakim jest możliwość wykorzystania tylko jednej magistrali dwużyłowej, łączącej moduły LCN-SK w danej instalacji. Każdy segment instalacji, który ma być w innym budynku lub odległej części tego samego obiektu, należy przedłużyć. W tym celu zastosowano mo­duł wzmacniacza LCN-IS, do którego następnie podłączono moduł światłowodowy (LCN-LLK lub LCN-LLG). W ten sposób zamie­niono tradycyjną żyłę komunikacyjną D na światłowód. Na drugim końcu należy zamontować kolejny sprzęg światłowodowy oraz moduł wzmacniacza, aby stworzyć żyłę danych D. Wykorzystanie światłowodu plastikowego lub optycznego zależy od faktycznej dłu­gości połączenia, liczonej wzdłuż przewodu.

Wykonanie połączeń segmentów w jednej rozdzielnicy może wpłynąć na jej działanie w przypadku przerwy w zasilaniu. Jeżeli tak się stanie, to utracona zostanie możliwość komunikacji pomię­dzy poszczególnymi częściami budynku lub pomiędzy budynkami. Poszczególne segmenty, dopóki będą zasilone, będą mogły działać niezależnie od siebie. Z tego powodu można rozważyć, czy zasto­sowanie zasilania gwarantowanego, przynajmniej w minimalnym stopniu tylko do zasilania sprzęgieł systemowych, nie byłoby zasad­ne. Rozprowadzenie poszczególnych linii w instalacji KNX przed­stawiono na rys. 13. Ponieważ system dzieli się na linie i obszary, a nie tylko segmenty jak LCN, zastosowano inną numerację.

Na przykład identyfikator 1/3 oznacza pierwszy obszar i trzecią li­nię, a 4/5 oznacza czwarty obszar i piątą linę. Jak pokazano na rys. 6 oraz 7, topologię sieci można wykonać na dwa sposoby. W pierw­szym z nich tylko linia obszarowa zbudowana jest na podstawie sieci informatycznej. W takim rozwiązaniu połączenia pomiędzy poszcze­gólnymi sprzęgłami liniowymi w danym obszarze muszą być wykonane w sposób tradycyjny, np. skrętką dwuparową KNX.TP. Przykła­dowo linie 4/1 do 4/9 powinny być w ten sposób ze sobą połączone. Ze względu na ograniczenia nałożone na skrętkę dwuparową mogło­by okazać się zadaniem trudnym. Z kolei przy zastosowaniu sprzę­gieł KNXnet/IP jako sprzęgieł liniowych (rys. 7), można wszystkie przedstawione na rys. 13 połączenia wykonać na bazie sieci infor­matycznej. Przy takim rozwiązaniu należy zaznaczyć, że pojawia się w systemie większa liczba sprzęgieł liniowych. W instalacji KNX.TP możliwe jest wykorzystanie tylko 15 linii w każdym obszarze. Nato­miast w przedstawionym układzie każdy sprzęg KNXnet/IP spełnia podwójną funkcję (rys. 14). Zastosowany został ten sam podział, co w przypadku instalacji LCN, na liczbę linii z tych samych powodów. W tym rozwiązaniu nie występuje rozdzielnica główna, w której by­łyby umieszczone wszystkie sprzęgła liniowe. Część okablowania strukturalnego, na bazie którego jest wykonane połączenie pomiędzy liniami nie stanowi przedmiotu niniejszych rozważań.

Rys. 13. Rozprowadzenie poszczególnych linii po terenie obiektu w systemie KNX

Rys. 14. Wykorzystanie elementów KNXnet/IPjako sprzęgieł liniowych z zaznaczeniem ich adresów fizycznych [4]

Rys. 15. Schemat ideowy połączeń w systemie KNX

Schemat ideowy fragmentu połączeń przedstawiono na rys. 15. Zastosowane sprzęgła KNXnet/IP z jednej strony połączone są do sieci teleinformatycznej, z drugiej podłączone są tradycyjne skrętki dwuparowe KNX.TP. Zaznaczone zostały przykładowe adresy fi­zyczne. Dla każdej linii obowiązują podstawowe zasady tworzenia topologii KNX, stąd musi pojawić się przynajmniej jeden zasilacz z dławikiem.

Podsumowanie

Zastosowanie systemów automatyki budynkowej w obiektach roz­ległych stawia przed projektantem takiego systemu dodatkowe trud­ności. Oprócz zaprojektowania elementów systemu, przeznaczonego do sterowania pracą instalacji w budynku, należy także zaplanować sposób komunikacji pomiędzy poszczególnymi częściami instalacji. Sposób komunikacji jest silnie związany z wybranym systemem au­tomatyki i nie można podać ogólnego rozwiązania tego problemu.

Zarówno w systemie LCN jak i KNX możliwe jest stworzenie rozległej sieci komunikacyjnej, umożliwiającej wykonanie auto­matyki nawet dla tak rozległego terenu, jaki został przedstawiony w przykładzie. Różnice w rozwiązaniu problemu rozległej komu­nikacji dla tych dwóch systemów są znaczne, a stworzenie działają­cego systemu wymaga wiedzy z zakresu działania tych systemów. Pewną niedogodnością przy tworzeniu projektu LCN może okazać się konieczność wykonania pojedynczej rozdzielnicy, wyposażonej we wszystkie sprzęgi systemowe. Z kolei budowa systemu KNX na podstawie sieci informatycznej IP będzie wiązała się z dodatkowy­mi elementami infrastruktury okablowania strukturalnego, tak aby móc wykorzystać ją jako część systemu.

LITERATURA:

[1] KNX Association, KNX Basic Course Documentation, 2009

[2] LCN, Katalog produktów, 2009/2010

[3] LCN, Inteligentne Instalacje Elektryczne, 2010

[4] Langels H.J.: KNX IP - using IP networks as KNX medium. KNX Scientific Conference, 2010

Dane mapy dostępne są na licencji Open Database License.