54 Andrzej KSIĄŻKIEWICZ Politechnika Poznańska Instytut

Instalacje elektryczne niskiego napięcia
Andrzej KSIĄŻKIEWICZ
Politechnika Poznańska
Instytut Elektroenergetyki
WYBRANE ZAGADNIENIA WSPÓŁPRACY
POMIĘDZY SYSTEMEM KNX
A NIEKTÓRYMI INSTALACJAMI BUDYNKOWYMI
Streszczenie:
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 referacie przedstawiony zostanie sposób wykorzystania elementów KNX do zapewnienia komunikacji z wybranymi instalacjami znajdującymi się w budynku.
1. Krótka charakterystyka systemu KNX
Systemy instalacji inteligentnych można podzielić między innymi ze względu na
zastosowany protokół komunikacyjny [1]:
·
systemy otwarte, oparte o ogólnodostępny protokół komunikacyjny, urządzenia w takim systemie mogą być produkowane przez wielu producentów pod
warunkiem zachowania zgodności ze standardem,
·
systemy zamknięte, oparte o własnościowy protokół komunikacyjny, zwykle
stworzony 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).
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 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.
54
Instalacje elektryczne niskiego napięcia
Rys. 1. Topologia systemu KNX: UM – urządzenie magistralne, Z/C – zasilacz, SL – sprzęgło
liniowe, SO – sprzęgło obszarowe [2]
2. Jednokierunkowa wymiana informacji z wykorzystaniem wejść binarnych
W instalacjach elektrycznych wiele zjawisk ma charakter zerojedynkowy. Informacje o załączeniu 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:
b)
·
bezpotencjałowe,
·
niskonapięciowe 24 V,
·
na napięcie sieciowe 230 V AC.
a)
Rys. 2. Przykładowe wejścia binarne:
a) wejście binarne bezpotencjałowe firmy Gira [4],
b) wejście binarne bezpotencjałowe czterokrotne firmy Hager [3]
Nr 151
55
Instalacje elektryczne niskiego napięcia
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
56
Instalacje elektryczne niskiego napięcia
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 ilość wyjść z centrali
alarmowej. Kolejny sposób polega na przekazywaniu tylko 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
3. 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.
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.
Nr 151
57
Instalacje elektryczne niskiego napięcia
Rys. 6. Hierarchia systemów sterowania w instalacji BAS [5]
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).
Rys. 7. Schemat integracji sterownika PLC z systemem KNX za pośrednictwem sieci IP:
EM – element magistralny, KNX/IP – bramka systemowa
58
Instalacje elektryczne niskiego napięcia
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 o skrętkę dwuparową [6].
Integrując sterowniki PLC z systemem KNX możemy 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 normalnie nie uwzględnianych w typowych instalacjach inteligentnych.
4. 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 powyższych 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 zalecane jest, 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 jest zależny 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, wtedy 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.
5. 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. Prowadzi to do problemów ze współpracą tych systemów i ich integracją.
Dobrym rozwiązaniem jest wybór takich systemów, które mogą ze sobą współpracować przy minimalnym nakładzie środków i pracy. Ponieważ system KNX jest oparty
o otwarty protokół komunikacyjny, łatwo jest zapewnić prawidłowe współdziałanie
z wieloma systemami automatyki w budynku (rys. 8). Dzięki dostępnym rozwiązaNr 151
59
Instalacje elektryczne niskiego napięcia
niom 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.
Rys. 8. Schemat integracji wybranych elementów instalacji budynkowej
6. Bibliografia
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 r., s. 7-11.
2. Pr. zbiorowa, Podręcznik INPE dla Elektryków. Zeszyt 10 Instalacja elektryczna
w systemie KNX/EIB, COSiW w Warszawie, 2006.
3. Hager, Katalog Systemy elektroinstalacyjne, 2010/11.
4. Gira, 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 r., 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 r., s. 28-32.
Artykuł jest przedrukiem referatu wygłoszonego na XIV Sympozjum Oddziału Poznańskiego SEP w Poznaniu, w dniu 23.11.2011 r.
60