Tag: EIB/KNX

Więcej informacji o EIB (d. KNX): struktura systemu

Więcej informacji o EIB (d. KNX): struktura systemu

Ogromne podziękowania dla firmy TEMA Polska, która udostępniła część ich materiałów szkoleniowych
Oto wybrane fragmenty:

1. Topologia
System EIB opiera się na trzech typach topologii: linii, gwiazdy oraz drzewa. W rzeczywistych instalacjach istnieje możliwość mieszania powyższych typów typologii, co umożliwia optymalnie dostosowana do struktury budynku i potrzeb instalacyjnych. Jedynym ograniczeniem jest łączenie poszczególnych odcinków w pętlę, ze względu na duże zagrożenie kompatybilności elektromagnetycznej.

Rys. przedstawia topologię sieci EIB (materiały firmy TEMA Polska)

Sieć komunikacyjna EIB jest siecią typu peer-to-peer (każdy z każdym), w której może funkcjonować do 61 455 urządzeń. Wszystkie podłączone do magistrali urządzenia są równoprawne i sterowane w sposób zdecentralizowany.

System EIB zbudowany jest hierarchicznie. Topologia logiczna sieci EIB pozwala na włączenie do jednej linii 256 urządzeń. Z linią główną może być połączonych 15 linii co tworzy obszar (area). Cała domena jest tworzona przez 15 obszarów i linie obszarową (backbone line).

2. Linia EIB

Podstawową częścią systemu jest linia, do której podłączane są urządzenia magistralne (UM). Na jednej linii magistralnej EIB mogą znajdować się maksymalnie 64 urządzenia magistralne tj.: przyciski, czujniki, urządzenia wykonawcze, itp. W przypadku jeśli mamy potrzebę umieszczenia więcej niż 64 urządzeń – należy zaplanować kilka linii lub ewentualnie posłużyć się tzw. wzmacniaczami (repeaterami). Można wtedy podzielić powierzchnię budynku na strefy (np. piętra), które okablowujemy oddzielnymi przewodami biegnącymi z rozdzielnicy. W praktyce lepiej przyjąć za maksymalną liczbę – około 50 elementów na linię, tak aby mieć w zapasie możliwość przyszłej rozbudowy.

Najmniejsza instalacja magistralna musi składać się z co najmniej dwóch urządzeń magistralnych podłączonych do przewodu magistralnego oraz zasilacza systemowego.
Urządzenie magistralne (UM) jest elektronicznym urządzeniem, które jest przyłączone do magistrali i może wymieniać informacje z innymi urządzeniami magistralnymi.

3. Zasilanie linii EIB

Urządzenia magistralne muszą być zasilane napięciem stałym za pośrednictwem magistrali. Do zasilania instalacji EIB używane są specjalne zasilacze spełniające warunki SELV (Safety Extra Low Voltage). Zastosowane napięcie znamionowe 24 V (max 29 V) nie przekracza 60V wobec czego nie jest wymagana specjalna ochrona. Sieci SELV nie wolno uziemiać.
Każda linia musi być wyposażona w, co najmniej jeden zasilacz z dławikiem (np. GIRA G-890 00) oraz opcjonalnie łącznik 2-krotny (np. GIRA G-585 00) i szynę danych (np. GIRA G-961 00) (wklejaną w szynę montażową).
Obecnie oferowane jest kilka różnych typów zasilaczy. Podstawowe dane techniczne zasilacza to:
Napięcie pierwotne: 230 V AC +19/ -15 %
Napięcie wtórne: 29 V dc +/- 1 V SELV

W standardowych wykonaniach zasilacze posiadają dwa wyjścia, które nie są galwanicznie oddzielone od siebie. Pierwsze z wyjść ma zintegrowany ze sobą dławik i służy do zasilania magistrali EIB. Za pomocą drugiego wyjścia można zasilać urządzenia magistralne wymagające dodatkowego zasilania bądź kolejną linię . W ostatnim przypadku potrzebny będzie dodatkowy łącznik 2-krotny (np. GIRA G-585 00), oddzielna szyna danych oraz dławik (np. GIRA G-581 00). Jeśli tylko jedno wyjście jest wykorzystane, to można w linii umieścić 64 urządzenia magistralne. Jeśli obydwa wyjścia będą wykorzystane, prąd dzieli się proporcjonalnie pomiędzy dwa wyjścia.
Zaleca się nie przekraczanie liczby 50 urządzeń w jednej linii o średnim poborze do 150 mW.

4. Parametry przewodów

Przewód magistralny, należy przestrzegać poniższych warunków:
– maksymalnie 1000 przewodu w każdej linii
– największa odległość urządzenia magistralnego od zasilacza nie może przekraczać 350 (po przewodzie)
– największa odległość pomiędzy dwoma urządzeniami magistralnymi w jednej linii nie może przekroczyć 700 m (licząc po przewodzie).
– jedna linia może być zasilana dwoma zasilaczami. Muszą być one wtedy oddzielone, co najmniej 200 m linii magistralnej.
Dla właściwego zaplanowania długości przewodów istotne jest miejsce zainstalowania zasilacza. Jeśli znajdować się on będzie na końcu przewodu magistralnego, na którym także znajdują się jakieś urządzenie magistralne, to pozostałe urządzenia nie mogą być od niego oddalone bardziej niż o 350 m. Gdy zasilacz znajdzie się w środku linii to odległość miedzy dwoma urządzeniami magistralnymi może osiągnąć 700 m.
Właściwe rozmieszczenie podrozdzielnic w budynku ma zasadnicze znaczenie i powinno być dokładnie przeanalizowane przez projektanta.

Jako przewód magistralny powinno się używać dwuparowych ekranowanych skrętek telekomunikacyjnych o średnicy żył 0,8 mm. Przewodu tego nie wolno używać do zasilania. Typowo używa się czerwono – czarniej pary żył. Czerwony „+”, czarny „-”. Dodatkowa para żył pozostaje jako rezerwa lub jest podłączona do innej sieci SELV.W czasie pomiarów napięcie probiercze musi być przyłożone do wszystkich żył przewodu, włącznie z żyłą pomocniczą.
Przewodu magistralne i energetyczne mogą być (i powinny) układane równolegle obok siebie. Pojedyncze żyły przewodu magistralnego mogą znajdować się w odległości co najmniej 4 mm od kabli energetycznych i innych przewodów niż SELV. Wszystkie przewody magistralne muszą być oznakowane napisem EIB lub BUS.

Przy zakupie zawsze należy wymagać karty katalogowej przewodu, zaświadczenia o możliwości wykorzystania przewodu w sieciach SELV oraz certyfikatu lub świadectwa zgodności) EIBA. Następujące typy przewodów są używane:
– JY(St)Y 2x2x0,8 w wykonaniu EIB (co najmniej 2,5 kV)
(N)Y(Y(St)Y)M-J jako przewodu uniwersalnego (żyły 230 V i przewód magistralny (4 kV) we wspólnej izolacji zewnętrznej).

Przewodu magistralne i energetyczne mogą (i powinny) być układane równolegle obok siebie. Pojedyncze żyły przewodu magistralnego mogą znajdować się w odległości co najmniej 4 mm od kabli energetycznych i innych przewodów niż SELV.

5. Obszar EIB

Elementem topologii zawierającym kilka linii jest obszar (area). Nieodzownym elementem każdego obszaru jest linia główna umożliwiająca przesyłanie sygnałów pomiędzy rożnymi liniami. Urządzeniem służącym do połączenia poszczególnych części systemu (poszczególnych linii z linią główną) jest złącze liniowe (ZL). Za pomocą złącz można połączyć w jeden obszar 15 linii, z których każda zawiera do 64 urządzeń magistralnych (UM).

Każda linia, jak też linia główna, musi posiadać oddzielny zasilacz, ponieważ złącze liniowe przekazuje telegramy i galwanicznie oddziela poszczególne linie. Dzięki galwanicznej separacji linii osiąga się wysoką niezawodność i bezpieczeństwo systemu, ponieważ zwarcie w jednej linii nie wpływa na funkcjonowanie pozostałej instalacji EIB.
Linii głównej dotyczą te same warunki, które dotyczą pozostałych linii, tj. całkowita długość użytych przewodów w linii nie może przekroczyć 1000 m, maks. odl. urządzenia od zasilacza wynosi 350 m i maks. odległość od urządzenia do urządzenia wynosi 700 m.

Także złącze liniowe jest urządzeniem magistralnym i musi być tak zainstalowane aby spełniać powyższe warunki. W linii głównej także może znajdować się do 64 urządzeń (nie zaleca się), przy czym każde złącze liniowe należy traktować jako jedno urządzenie.

Linia główna służy przede wszystkim do połączenia i szybkiego przesyłania informacji z linii do linii. Dlatego powinno się unikać instalowania w niej urządzeń magistralnych innych niż złącza liniowe wzgl. obszarowe. Również dlatego należy zapewnić aby do linii głównej nie przedostawały się telegramy wykorzystywane wyłącznie wewnątrz danej linii.

Złącze magistralne filtruje telegramy, tj. można w zależności od tabeli filtrowania zadecydować, czy otrzymywany telegram powinien zostać przetransmitowany czy nie. Telegramy są przesyłane jedynie do linii w których są one koniecznie potrzebne.

6. System EIB

[…]
Jeśli w instalacji będzie wykorzystywany Gira HomeSerwer (G-529 00), do którego musi docierać bardzo dużo telegramów ze wszystkich linii, to można go podłączyć do linii głównej aby w ten sposób odciążyć linie podrzędną.

7. Dostosowanie systemu EIB do struktury budynku

Jedną z wielu zalet systemu EIB jest fakt, iż liczba linii magistralnych w budynku nie wpływa na wygodę korzystania z systemu. Użytkownik nie zauważa różnic między komunikacją elementów na jednej linii, w porównaniu z komunikacją między kilkoma liniami.

W celu dostosowania systemu EIB do struktury budynku należy postępować następująco:

  1. Określić liczbę urządzeń na kondygnacji.
    W tym celu należy oprócz urządzeń koniecznych do wbudowania przewidzieć także urządzenia, które w przyszłości posłużą do rozbudowy i uzupełnienia instalacji.
  2. Ustalić ilości przewodów magistralnych do wykonania instalacji na każdym piętrze.
  3. Z analizy punktu 1 i 2 wynika liczba potrzebnych linii na piętrze. Należy przy tym pamiętać o wystarczającej rezerwie, koniecznej do późniejszej rozbudowy.
  4. Określenie ilości potrzebnych linii w budynku.
  5. Z punktu 4 wynika ilość linii głównych w budynku
  6. Wybranie optymalnego miejsca na rozdzielnice o podrozdzielnice zawierające zasilacze i inne urządzenia EIB.

UWAGA: Dla każdej lokalizacji należy sprawdzić dopuszczalne odległości!

Linia główna będzie łączyła ze sobą poszczególne kondygnacje. Jeśli będzie ona poprowadzona wewnątrz klatki schodowej, to można do niej przyłączyć obsługujące ją czujniki (przyciskowe, ruchu, zmierzchu, …) oraz wyrobniki.
Poszczególne linie nie powinny obejmować kilku kondygnacji, gdyż znacznie utrudnia to późniejszą instalację, uruchamiani i szukanie ew. błędów.

Artukuł powstał na bazie materiałów otrzymanych z firmy TEMA/GIRA

Prezentacja – „Przykłady integracji PV z automatyką budynkową”

Prezentacja – „Przykłady integracji PV z automatyką budynkową”

Prezentacja wprowadza w zagadnienia związane z zarządzaniem energią: od najbardziej podstawowego sterowania bezpośrednio z falownika aż po zaawansowaną integrację z systemami automatyki budynkowej (Z-Wave, KNX) takich firm jak FIBARO, ComfortClick czy Loxone.

Porównanie technologii i standardów w automatyce budynkowej

Porównanie technologii i standardów w automatyce budynkowej

Od pewnego już czasu chodziło nam po głowie przygotowanie pewnego rodzaju podsumowania technologii i standardów stosowanych w fizycznej warstwie komunikacji automatyki budynkowej. Jeśli instalacja powstaje wraz z budowanym domem – wówczas sprawa jest prosta: kładziemy dodatkowe przewody. Jest to rozwiązanie najbardziej odporne na wszelkiego rodzaju zakłócenia, zapewnia również zasilanie podłączonym do magistrali aktorom i sensorom. Tak jest przynajmniej w przypadku EIB/KNX i kilku podobnych rozwiązań.
Sprawy się nieco komplikują, gdy mamy do czynienia już z gotowym domem / mieszkaniem, do którego chcielibyśmy dodać „inteligencję”. Prucie ścian z reguły nie wchodzi w grę, pozostaje albo nienajszczęśliwszy KNX-PL (dane przesyłane kablami energetycznymi) lub transmisja bezprzewodowa.
Opisywaliśmy już trochę standardy transmisji bezprzewodowej, choćby Z-wave w tym poście. Brakowało nam jednak rzetelnego porównania wszystkich technicznych aspektów tych technologii.

   

I takie właśnie porównanie postanowiliśmy zrobić samodzielnie (choć trochę bazujemy na zagranicznych serwisach). Zestawienie nie ma na celu faworyzowania żadnego z rozwiązań i jest na tyle obiektywne, na ile tylko daliśmy radę 🙂

Wyjaśnijmy kilka pojęć

Zanim jednak przejdziemy do meritum, kilka słów wstępu i wyjaśnienie pewnych pojęć używanych w zestawieniu.

Otwarte standardy
Dokonaliśmy tu pewnego uproszczenia, jako że nawet w tzw. ustandaryzowanych technologiach nie zawsze jest możliwe znalezienie niezależnych dostawców dla różnych komponentów danego rozwiązania.
I tak przykładowo:

  • Z-Wave ma tylko jednego dostawcę układów radiowych nadawczo-odbiorczych.
  • To samo odnosi się do EnOcean.
  • Istnieje tylko jeden program do instalacji i konfigurowania EIB/KNX – Engineering Tool Suite (ETS).

A zatem tylko wtedy, gdy istnieje co najmniej jeden dostawca alternatywny dla każdego ze składników systemu / rozwiązania, orzeczenie „system otwarty” jest naprawdę uzasadnione.
Na potrzeby tego podsumowania dopuścimy się jednak pewnego uproszczenia i nie będziemy aż tak restrykcyjni.

Medium transmisji
Jednym z najbardziej krytycznych i ważnych cech technologii sieciowych jest medium służące do transmitowania sygnału. Systemy radiowe używają … powietrza, układy typu „powerline” (PL) – istniejących linii energetycznych.
Oprócz tych dwóch, istnieją systemy wymagające dodatkowego, specjalnego okablowania. Doskonałym przykładem jest EIB/KNX-TP, który jako medium używa „skrętki” (TP = Twisted Pair). Okablowanie takie musi być jednak wcześniej zaplanowane i ułożone razem z instalacją elektryczną. To wada w stosunku do systemów bezprzewodowych (radiowych), ale zaletą jest bezsprzeczna pewność transmisji.

A właśnie, niezawodność transmisji
Najbardziej niezawodnym sposobem przesyłania sygnałów są specjalne przewody danych zainstalowane i służące wyłącznie do tego celu.
Przykładami takich rozwiązań są KNX-TP i Ethernet (naszym zdaniem przyszłość automatyki budynkowej). Ewentualne zakłócenia mogą wystąpić tylko wtedy, gdy więcej niż jedno urządzenie próbuje nadawać i dochodzi do kolizji pakietów na magistrali. Wadami są wysokie koszty i niemały wysiłek, aby zaplanować i zainstalować przewody wszędzie tam, gdzie mogą okazać się potrzebne.
Znacznie bardziej narażone na zakłócenia jest przesyłanie danych za pośrednictwem istniejących linii elektroenergetycznych. Zasilacze komputerowe, sprzęt AGD itp. emitują taką ilość sygnałów zakłócających, że przesyłanie danych liniami energetycznymi stanowi nie lada akrobację. Ponadto projekt instalacji zasilającej z reguły nie jest zbyt odpowiedni do transmisji danych. Należy zagwarantować, aby dane docierały do wszystkich urządzeń końcowych, a jeśli urządzenie jest na jednej linii/fazie L1, a inne jest na linii/fazie L2, to te dwa urządzenia nie mogą „słyszeć” się nawzajem. Wówczas należy zainstalować sprzęgło międzyfazowe.
Transmitowanie danych w powietrzu na ogół jest bardziej złożone i bardziej podatne na zakłócenia, niż transmisja przewodowa . Atak „Denial of Service” jest możliwy z nadajnikiem zagłuszania, niemniej taki atak może być łatwo rozpoznany i np. aktywowany alarm sabotażu. Generalnie sieci typu mesh (węzłowe / kratowe) są bardziej niezawodne, niż zwykłe sieci typu punkt-punkt.
Przy transmisji 868 MHz dostępne jest tylko wąskie pasmo, zatem systemy działają tylko na jednym kanale. Z kolei w paśmie 2,4 GHz możemy spodziewać się interferencji z siecią WiFi.
Aby dobrze poczuć różnice pomiędzy technologią przewodową i bezprzewodową, można odwołać się do porównania pomiędzy telefonią komórkową a telefonią stacjonarną czy też pomiędzy Ethernetem a WiFi. Wszystkie technologie mają swoje plusy dodatnie i plusy ujemne, większość oferuje transmisyjne bezproblemowo, a skutki chwilowych zakłóceń eliminowane są przez sumy kontrolne, korekcje błędów i powtarzanie transmisji.

Prędkość transmisji
Parametr ten określa prędkość transmisji danych (komendy, aktualizacje statusu, wartości pomiarowe, monitorowanie, itp.) od jednego urządzenia (np. bramy) do drugiego (np. ściemniacz).
Są to wartości brutto. Szybkość przepływu danych netto oznacza faktyczną ilość przesłanych danych użytkownika i zależy od dodatkowych czynników, np. danych sterujących zawartych w protokole transmisji: adresy, sumy kontrolne, potwierdzanie otrzymanie wiadomości, żądanie dostępu, itp.

Sieci węzłowe (ang. mesh networks)

Jest to najwyższa forma ewolucji wśród wszystkich bezprzewodowych sieci. Jej strukturę można porównać z Internetem. Każdy pojedynczy komponent w zasięgu fal radiowych jest podłączony do wszystkich urządzeń sąsiednich i jednocześnie działa jako router przesyłając pakiety danych do końcowego odbiorcy. Zakłócenia radiowe i martwe punkty stały się przeszłością, jako że im więcej zainstalowanych komponentów, tym bardziej alternatywne drogi są ​​dostępne. W zależności od aplikacji możliwe są różne procesów routingu, np.
AODV ang. „adhoc on-demand distance vector routing”. Ten proces routowania umożliwia spontaniczne wyznaczenia trasy między dwoma aktywnymi urządzeniami sieciowymi w celu wymiany pakietów danych w dowolnym czasie. Uczestnicy (urządzenia) nie wymagają znajomości topologii sieci.
mTOR, ang. „many-to-one routing”. Idealnie nadaje się do sieci z jedną lub większą ilością stacji centralnych, takich jak home gateway służących do aktualizacji statusu, zbierania i prezentowania danych pomiarowych.
SR, ang. „source routing”. W tym przypadku stacja nadawcza zna całą trasę do miejsca przeznaczenia. Dobry wybór, jeśli gateway chce komunikować się z poszczególnymi urządzeniami, ale znajomość topologii sieci jest tutaj wymogiem.

Potwierdzenia
Potwierdzenia to możliwość zapewnienia rzetelnej wymiany pakietów danych. Jeden składnik wysyła wiadomość do drugiego i oczekuje zwrotnego komunikatu potwierdzenia jej otrzymania. Jeśli potwierdzenie nie zostanie odebrane, oryginalna wiadomość zostanie powtórzona przez stację nadawczą.
L2. Potwierdzenia w warstwie połączenia (warstwa 2, L2) zapewnia poprawność transmisji między dwoma sąsiednimi stacjami. Jeśli pakiet nie zostanie odebrany zostanie powtórzony – bez wysiłku i prawie bez żadnych opóźnień.
L7. Potwierdzenia w warstwie aplikacji (warstwa 7, L7) są niezbędne dla bezbłędnej transmisji. Dotyczą one sytuacji, które wykraczają poza warstwę połączenia. Powtórzenie transmisji w warstwie aplikacji wymaga więcej czasu i zasobów niż w warstwie 2, ponieważ wyszukiwarka routingu musi być zainicjowana.

Szyfrowanie
Właściwe szyfrowanie danych zapewnia, że ​​atakujący nie może rozszyfrować wiadomości, którą przechwycił z medium transmisyjnego. Jeszcze bardziej istotne jest to, że napastnik nie może przemycać własnych wiadomości w celu wywołania akcji takich jak wyłączenie systemu alarmowego, wyłączenie świateł zewnętrznych itp.
Zaawansowany standard szyfrowania (AES) ze 128-bitową długością klucza oferuje bardzo wysoki poziom bezpieczeństwa – spełniając nawet wysokie standardy rządowe podczas transmisji tajnych dokumentów państwowych. AES jest również bazą dla protokołu (WPA2), który skutecznie zabezpiecza sieci bezprzewodowe WiFi.

Bezpieczeństwo
Absolutne bezpieczeństwo można osiągnąć tylko w systemach z prawidłowo wdrożonym szyfrowaniem.
Systemy sterowania radiowego bez szyfrowania pozwalają potencjalnemu napastnikowi potajemnie nagrywać transmisję danych i później przejąć kontrolę nad elementami zarządzania budynkiem. Intruz musi tylko być gdzieś w pobliżu, w zasięgu fal radiowych.
Systemy przewodowe bez szyfrowania oferują większe bezpieczeństwo, ale tylko tak długo, jak długo napastnik nie ma fizycznego połączenia z okablowaniem. Jeśli na oświetlenie zewnętrzne jest podłączone przez KNX-TP, należy to traktować jako słaby punkt instalacji i punkt wejścia dla potencjalnego napastnika. Również problematyczne są publicznie dostępne budynki, np. hotele. Tutaj atakujący może usunąć element KNX i uzyskać nieograniczony dostęp do okablowania magistrali (choć dobrze zaprojektowany system umożliwia wywołanie alarmu w takiej sytuacji usunięcia urządzenia KNX).
Jeśli jest zainstalowany KNX-PL, dostęp do gniazda zasilania daje możliwość manipulowania sygnałami magistrali jako że okablowanie zasilania służy również jako medium transmisji danych

Podstawowe technologie w automatyce budynkowej – porównanie

ZigBee Z-Wave enOcean KNX-RF KNX-PL KNX-TP
Otwarty standard tak tak tak tak tak tak
Medium transmisji powietrze powietrze powietrze powietrze linia energ. skrętka
Niezawodność wysoka średnia niska niska wysoka bardzo wysoka
Zasilanie bateryjne bateryjne zasilanie własne 3) ? sieć energet. 24-30V DC
Pobór prądu w trybie
uśpienia / pracy
1uA / * 2,5uA / * 0,08uA / * ? ? – / 10mA
Zakres częstotliwości
(radio)
2,4 GHz,
868 MHz1)
868/908 MHz 868/315 MHz 868 MHz
Najkrótszy telegram 4ms 20ms 0,6ms ? ? ?
Prędkość transmisji 250 kbps 9.6/40 kbps 125 kbps 16.4 kbps 1.2 kbps 9.6 kbps
Zasięg 30 – 100m 300m 300m
Sieć węzłowa (mesh) tak (AODV,
mTOR, SR)
tak (SR) nie nie
Potwierdzenia L2 & L7 L2?/L7 no (L7) L2 & L7 L2 & L7
Szyfrowanie AES-128 brak2) brak brak brak brak
Bezpieczeństwo bardzo duże brak brak brak małe średnie



1) ZigBee dostępny jest w wersji 868 MHz; niektórzy producenci oferują pasmo 2,4 GHz
2) Tylko elektroniczne zamki (system dostępu) Z-wave jest szyfrowany AES-128
3) Ciekawostką systemu enOcean jest wykorzystywanie niekonwencjonalnych sposobów zasilania.
Np. sensor przycisku jest zasilany … energią naciśnięcia klawisza. 

Zamiast podsumowania

W powyższym porównaniu oceniono tylko możliwości techniczne dla każdego medium transmisji danych. Aplikacje i integracja z automatyką budynkową stanowi osobne zagadnienie i jako takie powinno doczekać się indywidualnego opracowania. Może Czytelnicy mają jakieś ciekawe materiały na ten temat?

Opracowanie na podstawie materiałów firm: EnOcean, Ubisys, KNX