Systémové elektrické instalace KNX/EIB (4. část) Ing. Josef Kunc

Transkript

1 Systémové elektrické instalace KNX/EIB (4. část) Ing. Josef Kunc Topologické uspořádání systémové instalace KNX/EIB a fyzické adresy V předchozí části (Elektroinstalatér č. 4/2005) jsme hovořili o napájecích zdrojích pro napájení sběrnicových spojek umístěných na sběrnici. S ohledem na omezené počty prvků, které mohou být napájeny z jednoho společného napájecího zdroje, je potřebné sběrnici rozdělit na samostatně napájené úseky obsahující vždy nejvýše 64 přístrojů (připojení ke sběrnici). Délka sběrnice na každém z těchto samostatně napájených úseků smí být nejvýše 1000 m, avšak největší vzdálenost mezi dvěma přístroji na sběrnice je maximálně 700 m. Tyto dva údaje nejsou v rozporu, protože sběrnici lze větvit, jak již bylo uvedeno ve druhé části tohoto referátu (Elektroinstalatér č. 3/2005). Největší vzdálenost přístroje od napájecího zdroje je 350 m. Pokud je nezbytné použití dvou napájecích zdrojů na jednom úseku sběrnice bez vřazených liniových spojek, jejich minimální vzdálenost po sběrnicovém vedení je 200 m pro minimalizaci vyrovnávacích proudů, ale především pro omezení indukovaných špiček při přenosech telegramů. Jednotlivé linie jsou propojeny liniovými spojkami, galvanicky oddělujícími jimi svázané větve a současně zabezpečujícími možnosti oboustranného přenosu telegramů (nepřenáší ty telegramy, které jsou určeny pouze pro komunikaci uvnitř dané linie liniová spojka má vloženu filtrační tabulku vymezující rozsah komunikace). Úplná linie ale může obsahovat 256 přístrojů. Proto je potřebné ji rozdělit na 4 samostatně napájené větve obr. 1, vzájemně oddělené liniovými spojkami LS. Jednotlivým připojeným přístrojům projektant přiřazuje v libovolném pořadí čísla od 1 do 255 (0 je vyhrazena pro liniovou spojku propojující linii s hlavní linií). Žádné z čísel nesmí být použito více než jedenkrát, všechna čísla přitom nemusí být využita. Takto přidělená čísla jsou součástí tzv. fyzické adresy přístroje, připojeného ke sběrnici. Obr. 1: Linie KNX/EIB rozdělená na čtyři samostatně napájené větve Fyzická adresa je odvozena od topologického uspořádání systémové instalace a stejně jako popisné číslo domu ve městě, fyzická adresa v systémové instalaci je

2 neopakovatelná. Způsob vytváření fyzických adres popíšeme dále. Aby bylo možné splnit všechny požadavky uživatelů na řízení funkcí budov nejen v malých, ale i ve velmi rozsáhlých objektech, bylo nutné vytvořit takové topologické uspořádání, které vyhoví všem požadavkům. Takže pro velmi malou instalaci vyhoví jediná (a často neúplná) linie o jediné větvi, pro větší stavbu bude zapotřebí propojit i několik linií do oblasti prostřednictvím hlavní linie. Plně osazená oblast obsahuje 15 linií, to znamená 15 linií x 256 přístrojů = celkem 3840 přístrojů. Takovýchto oblastí lze vzájemně propojit 15 opět liniovými spojkami k páteřní linii obr. 2. Takto lze tedy použít až přístrojů KNX/EIB v jediné instalaci. V praxi zatím nebyla využita celá teoretická kapacita systémové instalace. Přitom pro připojování přístrojů je možné navíc využít jak všechny hlavní linie tak i linii páteřní, zbývá tedy ještě rezervní kapacita celé další oblasti. Obr. 2: Topologické uspořádání celé KNX/EIB instalace. Konstrukci fyzické adresy si snadno představíme při pohledu na obr. 2. Tato adresa sestává ze tří částí, vzájemně oddělených tečkami. První částí je pořadové číslo oblasti 0 až 15 (0 je vyhrazena pro páteřní linii). Druhá část (0 až 15) odpovídá číslu linie v dané oblasti, přičemž 0 je zde přiřazována hlavní linii. Třetí částí fyzické adresy je pořadové číslo prvku připojeného k linii, jak je naznačeno na obr. 1. To může být v rozmezí od 0 do 255. Takže například: znamená 5. přístroj na 1. linii v 1. oblasti, znamená 255. přístroj na 15. linii v 15. oblasti znamená 22. přístroj na páteřní linii. Pro adresnou komunikaci je však zapotřebí použití ještě druhého typu adresy, který dokáže vzájemně přiřadit právě ty přístroje, které si mají vyměňovat potřebná data. Tomuto účelu slouží skupinové adresy.

3 Skupinová adresa, komunikační objekt Skupinová adresa je číselný kód, který značí určitou konkrétní činnost. Skupinová adresa je součástí každého telegramu předávaného po sběrnici. Má-li být po sběrnici předána konkrétní informace (příkaz, měřená hodnota apod.), je potřebné určit shodnou skupinovou adresu všem prvkům, které mají zpracovávat tato data. Pro zabezpečení komunikace je tedy nezbytné, aby shodnou skupinovou adresou byly vybaveny zpravidla alespoň dva různé přístroje. V případě potřeby je shodná skupinová adresa použita i u celé široké škály přístrojů (např. pro centrální funkce). Zpočátku se používaly tzv. dvouúrovňové skupinové adresy. Pro vytvoření určitého logického pořádku při tvorbě těchto adres jsou vhodnější tříúrovňové skupinové adresy. Skupiny číslic jednotlivých úrovní jsou vzájemně odděleny lomítky. V obou variantách se může číslo první úrovně (hlavní skupina) pohybovat od 0 do 15. Při vytváření elektronického projektu projektant přiřazuje k těmto číslům určitý skupinový význam. Např. 0 = centrální funkce, 1 = řízení osvětlení, 2 = řízení vytápění, 3 = řízení žaluzií, atd., anebo 0 = nadřazené funkce, 1 = 1. podlaží, 2 = 2. podlaží,...15 = 15. podlaží. Konkrétní přiřazení závisí vždy pouze na projektantovi. Čísla ve druhé úrovni (0 až 2047) ve dvouúrovňových skupinových adresách již mají přiřazen jednoznačný význam. Například: 3/37 znamená spínání nástěnného svítidla v místnosti č. 3 ve 3. patře, 3/38 znamená průběh stmívání nástěnného svítidla v místnosti č. 3 ve 3. patře, 3/39 znamená nastavení stmívače nástěnného svítidla v místnosti č.3 ve 3. patře. Ve tříúrovňových adresách přistupuje tzv. střední skupina adresy (0 až 7), která projektantovi opticky i logicky zpřehledňuje celý systém vytváření adres a tím mu výrazně usnadňuje především kontrolu projektu. Bude-li 3 ve hlavní skupině značit řízení osvětlení, projektant může stanovit význam čísel střední skupiny jako např.: 0 - centrální funkce, 1 - spínání osvětlení, 2 - průběh stmívání osvětlení, 3 - nastavení stmívačů, 4 - světelné scény, atd. Ve třetí úrovni (podskupina) se možné číselné označení pohybuje od 0 do 255. Pro ovládání téhož nástěnného svítidla v místnosti č. 3 ve 3. patře pak příslušné skupinové adresy mohou být ve tvaru: 3/1/7 - spínání svítidla, 3/2/7 - stmívání svítidla, 3/3/7 - nastavení stmívače. Na první pohled je zřejmé, že tyto skupinové adresy se mohou vztahovat k jednomu svítidlu. Celkový počet skupinových adres je shodný pro dvou i tříúrovňové varianty. Činí celkem možných skupinových adres. Aby se přiřazení skupinové adresy k určitému prvku stalo skutečností, je nutné přiřadit konkrétní skupinové adresy také konkrétním komunikačním objektům v programovém prostředku ETS (EIBA Tool Software).Teprve poté adresy dostávají tento význam a současně je jim přidělen fyzikální rozměr: 1 bit pro spínání 4 bity pro stmívání 1 byte pro nastavení stmívače 2 byty pro měřené a nastavované hodnoty některých fyzikálních veličin,

4 3 byty pro datum a čas 4 byty pro některé další fyzikální veličiny (např. elektrická energie), atd. Na obr. 3 je příklad zobrazení skupinových adres pro ovládání osvětlení v konkrétním projektu systémové elektrické instalace. Pro spínání svítidla H1 jsou současně zobrazeny komunikační objekty (všechny o rozměru 1 bit). Vzhledem k požadavku na ovládání z vyššího počtu míst, navíc s vizualizací třemi různými prostředky (malý LCD displej, dotykový ovládací panel, malé tablo s diodami LED a tlačítkovými ovladači), je v tomto případě shodná skupinová adresa 1/0/1 použita u 13 komunikačních objektů náležejících celkem 11 různým přístrojům, s různými fyzikálními adresami, jako např Obr. 3: Komunikační objekty příslušné k jedné skupinové adrese Každý přístroj pro systémové elektrické instalace KNX/EIB je ve svém aplikačním programu vybaven komunikačními objekty, které znamenají určitou dílčí činnost. Pro ilustraci jsou na obr. 4 znázorněny komunikační objekty pro nejjednodušší aplikační program spínacího a stmívacího akčního členu. Jeho komunikační objekty jsou očíslovány od 0 do 2 a mají následující význam: Obr. 4: Komunikační objekty spínacího a stmívacího akčního členu 0 objekt pro spínání (rozměr 1 bit), na prvním místě je skupinová adresa značící, že akční člen ovládá svítidlo, jemuž je příslušná adresa 1/0/7 a může být centrálně vypínáno skupinovou adresou 0/0/1. Akční člen spíná po příchodu příslušného telegramu odeslaného např. tlačítkovým snímačem s adresou 1/0/7 po jeho krátkém stisku (při dlouhém stisku téhož tlačítka je odesílán telegram se skupinovou adresou

5 1/1/11, který značí průběh stmívání a u akčního členu má vazbu na komunikační objekt č. 1). Komunikační objekt č. 2 (8 bitů) je určen pro odečtení velikosti otevření polovodičového ventilu stmívače tohoto akčního členu v rozmezí od 0 do 100% anebo pro příjem příkazu k nastavení požadované konkrétní hodnoty nastavení stmívače např. z vizualizačního prostředku. Komunikace Všechny prvky připojené ke sběrnici KNX/EIB mají teoreticky stejná práva přístupu ke komunikaci jejich sběrnicové spojky jsou trvale na příjmu, jsou stále připraveny vysílat. Pokud je sběrnice volná, přístroj odešle telegram. Přenos telegramu probíhá rychlostí 9600 bit.s -1. Přenosová rychlost tedy není příliš vysoká, avšak rozdělením instalace do vyššího počtu oddělených částí může komunikace uvnitř jednotlivých linií probíhat současně. S ohledem na délky přenášených zpráv je průměrná doba přenosu jednoho telegramu kolem 25 ms. Obr. 5: Stanovení základního stupně priority u komunikačního objektu Jiná situace je v případě, kdy sběrnice není volná, nebo když je potřebné současně vysílat ze dvou nebo i více míst. Současné vysílání dvou nebo více telegramů je nepřípustné, proto je nutné stanovení určitých priorit. Projektant může každému typu příkazu přiřadit jeden ze tří možných základních stupňů priorit: nízkou, vysokou a poplachovou, jak je vidět na obr. 5. Bez tohoto zásahu je každému komunikačnímu objektu určena základní, nízká úroveň priority, projektant ji však může změnit na některý ze dvou vyšších stupňů. Samozřejmě že prakticky v žádném projektu nevystačíme jen s tímto hrubým rozdělením do tří úrovní priorit. Při vysokém počtu funkcí je potřebné jemnější dělení. V systému KNX/EIB je vytvořeno to nejjemnější rozdělení, jaké je jen možné. Tyto priority určuje totiž skupinová adresa čím vyšší počet nul od počátku obsahuje, tím má vyšší prioritu. Takže nejvyšší prioritu bude mít telegram obsahující skupinovou adresu 0/0/1, zatímco telegram s adresou 15/7/255 bude mít zcela nejnižší prioritu (pokud jí nebude přiznána např. poplachová priorita). Takže projektant již přiřazováním skupinových adres vytváří priority pro komunikaci. Jakmile je zahájen přenos informací o vyšší prioritě, okamžitě se přeruší přenos méně důležitých informací. Teprve po ukončení prioritního přenosu bude dokončen přenos

6 ostatních informací. Stejně tak v případě, že sběrnicová spojka chce odeslat telegram nižší proirity v době, kdy probíhá přenos informací s vyšší prioritou, je nutné vyčkat do ukončení tohoto přenosu a teprve poté lze zahájit odesílání telegramu nižší důležitosti. Tento způsob řízení provozu na sběrnici je typu CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance). Znamená to vícefunkční sledování provozu na sběrnici s bezkolizním přístupem. Grafické znázornění tohoto postupu je na obr. 6. Tímto způsobem přenosu je zajištěno, aby každý telegram byl odeslán, byť i s určitým malým zpožděním. Je zajištěno, aby po odeslání každého telegramu následovalo potvrzení o jeho příjmu. Není-li příjem potvrzen, následuje ještě trojnásobné odeslání téhož telegramu. Nebude-li ani nyní potvrzen příjem, do provozní paměti vysílajícího přístroje se zaznamená chyba. Další odesílání téhož telegramu již neproběhne. A s ohledem na tento způsob komunikace, při hustém provozu na sběrnici, se stává, že reakce na vyslaný příkaz není okamžitá, ale i se zpožděním až několika set ms. Stiskneme např. tlačítko naprogramované pro spínání svítidla. K jeho rozsvícení může dojít se zpožděním, které již lze lidskými smysly zaregistrovat. Neznamená to žádnou závadu, ale jen fakt, že po sběrnici byly předávány telegramy vyšší důležitosti. Pokud by přesto uživatel požadoval zkrácení této reakční doby, nezbylo by nic jiného, než v programu změnit nastavení priorit. Obr. 6: Způsob komunikace CSMA/CA Přenos dat Veškerý přenos dat mezi jednotlivými účastníky provozu na sběrnici probíhá formou telegramů, které musí obsahovat celou řadu údajů, jako: - prioritu telegramu,

7 - skupinovou adresu (kód příkazu), - parametry příkazu (příkaz k zapnutí nebo vypnutí, k nastavení hodnoty apod.), - fyzickou adresu odesílatele, - přenosové pole (obsahuje počet liniových spojek, jimiž má telegram projít), - kontrolní pole. Data jsou přenášena po témže páru vodičů, který je určen i pro napájení sběrnicových spojek. Data jsou v digitalizované podobě, namodulovaná na napájecí napětí. Obr. 7: Logická 1 a 0 namodulovaná na napájecím napětí Napěťový puls superponovaný na napájecí napětí přdstavuje logickou 0, zatímco logická 1 je vyjádřena nulovým pulsem. Napěťový překmit na logické 0 vzniká jako přechodový jev na tlumivce napájecího zdroje (obr. 8) při ukončení pravoúhlého napěťového pulsu o délce 35 ms. Tlumivka umožňuje datový přenos, zabezpečuje oddělení střídavých hodnot od filtračních kondenzátorů v napájecím zdroji a nepřipustí tedy odfiltrování těchto dat. Přitom kapacita filtračních kondenzátorů musí být postačující k tomu, aby v dostatečné toleranci udržely výstupní napětí i po dobu krátkodobých výpadků síťového napětí, ke kterým běžně dochází po úderu blesků do vedení vn a vvn při bouřkách (automatické ochrany vypnou a opětovně zapnou). Kondenzátory proto musí udržet napětí po dobu nejméně 100 ms. Pro přenos jednoho bitu informace je vyhrazena doba 104 ms. Obr. 8: Napájecí zdroj s tlumivkou, pro napájení sběrnice KNX/EIB

8 Rychlost poklesu napětí pulsu je dána impedancí vedení sběrnice (ta má vliv také na deformaci tvaru přenášených pulsů a na zpoždění přenosu). Přibližné parametry obvyklého sběrnicového kabelu v délce 1000 m jsou na obr. 9. Obr. 9: Zjednodušené náhradní schema vedení sběrnice KNX/EIB Ve sběrnicových spojkách se data přenáší jako střídavé hodnoty, viz obr. 10. Obr. 10: Principiální řešení vstupních obvodů sběrnicové spojky