Topologia KNX TP¶
Jak zbudowana jest instalacja KNX na skrętce (TP): segment linii, linia, obszar i sieć wielu obszarów, rola sprzęgieł, adres indywidualny, przepływ telegramów oraz zastępowanie sprzęgieł routerami KNXnet/IP.
Źródło
Opracowanie rozdziału „Topologia KNX” z materiałów szkoleniowych KNX Association, Basic course (plik 4_Topology_PL1025b.pdf). Tekst i rysunki pochodzą z tego materiału; poprawiono literówki i ułożono treść pod portal.
Oznaczenie [E]
Sekcje oznaczone etykietą [E] zawierają informacje wymagane także na kursie KNX NextGen. Pozostałe mają charakter informacyjny. Materiał dotyczy trybu konfiguracji S-Mode (tryb systemowy, ETS); dawny E-Mode nie jest omawiany.
Skróty używane w rozdziale
| Skrót | Znaczenie |
|---|---|
| BC | sprzęgło obszarowe (szkieletowe) |
| LC | sprzęgło liniowe |
| DVC | urządzenie magistralne |
| LR | wzmacniacz liniowy |
| PS | zasilacz z dławikiem |
| S | czujnik jasności |
| HC | licznik przejść (dawniej licznik kontroli przejść, RC) |
| SC | sprzęgło segmentowe |
Ogólny widok topologii TP [E]¶
Rysunek pokazuje maksymalny rozmiar instalacji KNX TP. Kolejne sekcje rozkładają go na części. Dwa pojęcia wracają w całym kursie:
Linia nadrzędna (strona „północna”) to górny segment sprzęgła liniowego lub obszarowego. Zależy od typu sprzęgła:
- dla sprzęgła liniowego linią nadrzędną jest linia główna TP,
- dla routera IP linią nadrzędną jest strona IP.
Linia podrzędna (strona „południowa”), nazywana też linią wtórną, to dolny segment sprzęgła:
- dla sprzęgła liniowego jest to linia TP,
- dla routera IP jest to strona TP.
Segment linii [E]¶
Segment linii to najmniejsza jednostka topologii KNX TP:
- maksymalnie 256 urządzeń na segment linii,
- urządzenia wymieniają telegramy z dowolnym innym urządzeniem w tym samym segmencie,
- każdy segment linii wymaga własnego zasilacza,
- rzeczywista liczba urządzeń zależy od dobranego zasilacza i poboru prądu poszczególnych urządzeń.
Dozwolone struktury okablowania. Kabel magistrali można rozgałęziać w dowolnym miejscu:
- gwiazda: urządzenia połączone promieniście,
- linia (łańcuch): urządzenia połączone jedno za drugim,
- drzewo: połączenie gwiazdy i linii, najoszczędniejsze w okablowaniu.
Pętle i pierścienie są niedozwolone
Zamknięta pętla kabla magistrali powoduje konflikty w sieci.
Obszar¶
Gdy jeden segment linii nie wystarcza, do linii głównej można podłączyć do 15 linii przez sprzęgła liniowe. Taka struktura to obszar.
Sprzęgła liniowe należą do linii podrzędnej, ale pobierają prąd z linii głównej, więc zmniejszają liczbę urządzeń, które można na niej zainstalować. Na linii głównej mieści się do 256 urządzeń, ale przy 15 sprzęgłach liniowych i 1 sprzęgle obszarowym nie wszystkie adresy indywidualne linii głównej da się wykorzystać jednocześnie.
Każda linia podrzędna i linia główna muszą mieć osobny zasilacz KNX. Licząc urządzenia na linii głównej i liniach podrzędnych, obszar KNX TP obsłuży ponad 4000 urządzeń.
Uwaga
Wzmacniaczy liniowych nie stosuje się na linii głównej.
Kilka obszarów (sieć)¶
Gdy potrzeba jeszcze więcej urządzeń, instalację rozbudowuje się o linię obszarową (szkieletową), do której obszary dołącza się sprzęgłami obszarowymi.
Podobnie jak sprzęgła liniowe, sprzęgła obszarowe należą do linii podrzędnej (tu: linii głównej), ale pobierają prąd z linii szkieletowej i zmniejszają liczbę urządzeń, które można na niej zainstalować.
Linia szkieletowa wymaga osobnego zasilacza KNX. Dzięki liniom, obszarom i linii szkieletowej sieć KNX TP skaluje się do ponad 61 000 urządzeń.
Uwaga
Wzmacniaczy liniowych nie stosuje się na linii obszarowej (szkieletowej).
Adres indywidualny w topologii TP [E]¶
Każde urządzenie KNX TP ma unikalny adres indywidualny, który jednoznacznie określa jego miejsce w topologii. Format: A.L.B (obszar.linia.urządzenie magistralne).
| Pole | Zakres | Znaczenie |
|---|---|---|
| A | 1…15 | obszary 1–15 |
| A | 0 | urządzenia na linii szkieletowej |
| L | 1…15 | linie 1–15 w obszarze A |
| L | 0 | linia główna danego obszaru |
| B | 1…255 | urządzenia magistralne na linii L |
| B | 0 | sprzęgło liniowe danej linii |
Nowe urządzenie przy pierwszym włączeniu ma zwykle domyślny adres 15.15.255. Po rozładowaniu w ETS urządzenie wraca do 15.15.255, z wyjątkiem sprzęgieł i routerów IP, które dostają 15.15.0. Taki adres oznacza urządzenie niezaprogramowane, jeszcze nieprzypisane do miejsca w topologii. Wszystkie nowe urządzenia wychodzą z fabryki z tym adresem, dopóki nie skonfiguruje się ich w ETS.
Sprzęgła z funkcją bramki¶
Sprzęgła (liniowe, obszarowe i segmentowe) zarządzają komunikacją między liniami, filtrując telegramy. Każde działa jak bramka, która decyduje, co przechodzi dalej.
- Po nadaniu sprzęgłu poprawnego adresu indywidualnego ETS sam tworzy dla niego tabelę filtrów już na etapie projektu.
- Tabela zawiera tylko te adresy grupowe, których używają urządzenia po obu stronach sprzęgła.
- Sprzęgło przekazuje wyłącznie telegramy z adresami grupowymi z tej tabeli, więc każda linia pracuje niezależnie, a ruch na magistrali maleje.
- Żółte diody LED migają, gdy sprzęgło odbiera i przetwarza telegramy z danej linii.
Uwaga
Wzmacniacze liniowe nie mają tabeli filtrów i przekazują wszystkie telegramy (zob. Sprzęgła: obszary zastosowań).
Sprzęgło KNX: schemat blokowy¶
Sprzęgło KNX to urządzenie na szynę DIN, które łączy linię nadrzędną (pierwotną) z podrzędną (wtórną) i kontroluje komunikację między nimi. Obie linie podłącza się standardowymi złączami magistralnymi.
- Sprzęgło można programować zarówno od strony linii nadrzędnej, jak i podrzędnej.
- Jest zasilane z linii nadrzędnej. Aby działać jako sprzęgło, musi być też podłączone do linii podrzędnej z własnym zasilaczem.
- Dzięki zasilaniu z linii nadrzędnej może wykryć i zgłosić zanik zasilania linii podrzędnej.
- Ma pamięć Flash ROM i zapewnia izolację galwaniczną (1000 V) między liniami.
Sprzęgła: obszary zastosowań¶
Sprzęgło obszarowe, liniowe, wzmacniacz liniowy i sprzęgło segmentowe mogą być tym samym urządzeniem. Funkcję wyznacza miejsce montażu i nadany adres indywidualny.
| A | L | B | Sprzęgło pracuje jako | Łączy |
|---|---|---|---|---|
| >0 | =0 | =0 | sprzęgło obszarowe (szkieletowe) | linia szkieletowa / linia główna |
| >0 | >0 | =0 | sprzęgło liniowe | linia główna / linia |
| >0 | >0 | >0 | wzmacniacz liniowy | rozszerzenie linii |
| ≥0 | >0 | >0 | sprzęgło segmentowe | dodatkowy segment |
Typy sprzęgieł i ich funkcje
| Typ sprzęgła | Połączenie między | Funkcja |
|---|---|---|
| Sprzęgło obszarowe | linia szkieletowa ↔ linia główna | podłączenie do 15 obszarów przez linię obszarową |
| Sprzęgło liniowe | linia główna ↔ linia | podłączenie do 15 linii do linii głównej obszaru |
| Sprzęgło segmentowe | segment główny ↔ podsegmenty | tworzenie podsegmentów z filtrowaniem |
| Wzmacniacz liniowy (może go zastąpić sprzęgło segmentowe) | segment główny ↔ podsegmenty | przedłuża segment linii o maks. 3 kolejne segmenty, gdy 1000 m kabla nie wystarcza na 256 urządzeń; nie filtruje |
Kiedy wzmacniacz liniowy
Jeśli 256 urządzeń TP mieści się na 1000 m kabla, wzmacniacze są zbędne. Gdy kabla trzeba więcej, na każde kolejne 1000 m stosuje się jeden wzmacniacz, najwyżej trzy, co daje łącznie maks. 4000 m.
Sprzęgła obszarowe, liniowe i segmentowe przekazują telegramy między liniami na podstawie tabel filtrów z ETS; wzmacniacz linii przekazuje wszystko. Rolę sprzęgła wyznacza adres indywidualny, np.:
- 1.1.0: sprzęgło liniowe linii 1 w obszarze 1,
- 8.0.0: sprzęgło obszarowe obszaru 8.
Dlaczego poprawny adres jest ważny. Sprzęgła rozpoznają urządzenia swojej linii lub obszaru po własnym adresie indywidualnym. Przykład przy programowaniu w ETS:
- ETS wysyła telegram do urządzenia 1.2.20,
- sprzęgło liniowe 1.3.0 nie przekaże go, bo 1.2.20 nie leży w jego linii,
- dlatego urządzenie musi być zamontowane we właściwej linii i mieć adres zgodny z topologią.
Sprzęgła segmentowe w KNX¶
Sprzęgła segmentowe pojawiły się w ETS6, aby zwiększyć elastyczność, poprawić filtrowanie i ułatwić łączenie mediów KNX (np. TP i RF). Powody:
- rozbudowa istniejących linii TP o urządzenia RF (lub kolejne urządzenia TP),
- brak potrzeby montowania sprzęgieł mediów na linii głównej (zob. sieć hybrydowa w części o KNX RF),
- sprzęgła mediów RF nie dało się dołączyć, gdy była tylko jedna linia TP (np. 1.1) bez linii głównej,
- sprzęgła segmentowe pozwalają rozgałęzić linię TP i dołączyć urządzenia RF lub TP,
- filtrują telegramy między segmentami, podczas gdy wzmacniacze liniowe TP przekazują cały ruch, także tam, gdzie nie jest potrzebny,
- filtrowanie wyraźnie poprawia wydajność sieci.
Sprzęgła segmentowe w ETS6¶
Od ETS6 panel topologii lepiej obsługuje segmenty i rodzaje mediów.
Kolory mediów w ETS6:
- zielony: TP (Twisted Pair),
- pomarańczowy: RF (Radio Frequency),
- niebieski: IP (Internet Protocol).
Co daje panel topologii:
- Po wybraniu linii osobna zakładka pokazuje wszystkie jej segmenty i urządzenia.
- W informacjach o sprzęgle segmentowym widać tabelę filtrów adresów grupowych i tabelę filtrów adresów indywidualnych.
- Do każdej linii (segmentu głównego) można dodać wiele podsegmentów TP lub RF, połączonych sprzęgłem segmentowym.
- Podsegmenty mogą mieć inne medium niż segment główny, np. urządzenie RF 1.1.44 może siedzieć w podsegmencie RF za sprzęgłem TP/RF dołączonym do segmentu głównego TP.
Przykłady w ETS6
Adresy urządzeń w segmentach są elastyczne
Urządzenia nie muszą trzymać się zakresów adresów na segment. Na przykład 1.1.77 i 1.1.90 mogą być w segmencie 1, a 1.1.85 w segmencie 2.
Pamiętaj
- Na linii nadal może być najwyżej 256 urządzeń, wliczając wszystkie sprzęgła segmentowe.
- Każdy segment TP (główny i podsegmenty) musi mieć własny zasilacz.
Filtrowanie adresów w sprzęgłach segmentowych
Adresy grupowe (normalna praca):
- Sprzęgła segmentowe, tak jak liniowe i obszarowe, mają tabelę filtrów dla telegramów grupowych.
- ETS zarządza nią automatycznie na podstawie powiązań adresów grupowych z urządzeniami w segmencie.
Adresy indywidualne (programowanie w ETS):
- Sprzęgło segmentowe wie, jakie adresy indywidualne mają urządzenia w jego segmencie.
- Sprzęgła obszarowe i liniowe wnioskują o położeniu urządzenia z numeru obszaru i linii, a segmentowe dostają tę informację z ETS (tabela filtrów adresów indywidualnych).
- Po każdym dodaniu urządzenia lub zmianie adresu w podsegmencie sprzęgło segmentowe trzeba zaprogramować ponownie.
- Gdy tymczasowo podłączysz interfejs do segmentu (np. do diagnostyki), ETS tymczasowo dopisuje jego adres do filtrowanych adresów indywidualnych.
Łączenie kilku linii¶
Gdy instalacja TP ma wiele linii, każda linia i każdy segment linii ma własny zasilacz z dławikiem. Zarówno linia podrzędna (np. 1.1), jak i nadrzędna (linia główna 1.0) łączą się ze sprzęgłem liniowym standardowymi złączami magistralnymi.
Praktyczny przykład działania [E]¶
| Nadawca | Adres grupowy | Odbiorcy (aktory) |
|---|---|---|
| Przycisk P1 | 5/2/66 | L11, L12, L13 |
| Przycisk P2 | 5/2/67 | L21, L22, L23 |
| Czujnik jasności S1 | 0/2/11 | L11, L21 (światła przy oknach) |
Grupy główne: 0 = funkcje centralne, 5 = np. piętro 5. Grupa pośrednia 2 = oświetlenie.
W ETS przyciskowi P1 i aktorom lamp L11–L13 przypisano ten sam adres 5/2/66; analogicznie P2 i L21–L23 dostały 5/2/67. Czujnik S1 i aktory lamp przy oknach mają 0/2/11. Światła przy oknach można więc włączać i wyłączać zarówno przyciskami P1 i P2, jak i czujnikiem jasności S1.
Telegram w obrębie jednej linii [E]¶
- Naciśnięcie P1 wysyła telegram na adres grupowy 5/2/66. Odbierają go i analizują wszystkie urządzenia, ale polecenie wykonują tylko aktory L11, L12 i L13.
- Gdy czujnik S1 wyśle telegram na 0/2/11, odbierają go wszyscy, a reagują tylko aktory L11 i L21 (oświetlenie przy oknach).
Telegram z linii do linii¶
Czujnik S1 jest w linii 2, a ma sterować lampami L11 i L21 w linii 1, więc jego telegram musi przejść przez linię główną:
- S1 wysyła telegram na adres grupowy 0/2/11.
- Sprzęgło liniowe LC 2 widzi, że na ten adres reagują urządzenia w innej linii, i przekazuje telegram na linię główną.
- Sprzęgło liniowe LC 1 widzi, że adres 0/2/11 jest potrzebny w linii 1, i przekazuje go dalej.
- Wszystkie urządzenia linii 1 odbierają telegram, a polecenie wykonują tylko aktory L11 i L21.
Telegram z obszaru do obszaru¶
Czujnik S1 jest w innym obszarze, a steruje lampami L11 i L21 w obszarze 1, linii 1, więc telegram musi przejść przez linię szkieletową:
- S1 wysyła telegram na adres grupowy 0/2/11.
- Sprzęgło obszarowe BC 2 widzi, że na ten adres reagują urządzenia poza jego obszarem, i wysyła telegram na linię szkieletową.
- Sprzęgło obszarowe BC 1 rozpoznaje, że telegram jest potrzebny w obszarze 1, i kieruje go do linii głównej, do sprzęgła LC 1.
- LC 1 przekazuje telegram do linii 1.
- Wszystkie urządzenia linii 1 odbierają telegram, a polecenie wykonują tylko aktory L11 i L21.
Licznik przejść w sprzęgłach¶
Licznik przejść (hop count) ogranicza, jak daleko telegram może wędrować przez linie i obszary. Chroni sieć przed telegramami krążącymi bez końca, np. przy przypadkowej pętli.
- Każdy telegram startuje z licznikiem przejść równym 6.
- Każde sprzęgło liniowe, obszarowe i wzmacniacz linii zmniejsza licznik o 1 przed przekazaniem telegramu.
- Telegram jest przekazywany, dopóki licznik nie spadnie do 0; wtedy dalsze przekazywanie ustaje.
- Niezależnie od licznika sprzęgło przepuszcza telegram tylko wtedy, gdy pozwala na to tabela filtrów.
Struktura budynku¶
W budynku średniej wielkości najlepiej dopasować topologię do jego fizycznego układu. Ułatwia to montaż, utrzymanie i szukanie usterek.
- Numery linii = numery pięter, np. linia 1 to pierwsze piętro, linia 2 drugie.
- Numery obszarów = budynki lub skrzydła, np. obszar 1 to skrzydło zachodnie, obszar 2 wschodnie.
Nie zawsze da się to zrobić idealnie, ale topologia oparta o układ budynku upraszcza instalację i zwiększa niezawodność dzięki sprzęgłom liniowym oraz osobnemu zasilaczowi na każdej linii, linii głównej i linii szkieletowej.
Klasyczna struktura sprzęgieł obszarowych i liniowych¶
Interfejsy wewnętrzne i zewnętrzne¶
KNX łączy się z innymi systemami przez interfejsy i bramki:
- linię szkieletową (lub dowolną inną) można połączyć z systemem zewnętrznym przez bramkę (gateway),
- bramka zapewnia dwukierunkową konwersję protokołów,
- przykłady systemów zewnętrznych: systemy AV, sterowniki logiczne, systemy zarządzania budynkiem (BMS), wizualizacje i panele, internet i zdalny dostęp.
Bramki umieszcza się na najwyższym poziomie topologii (np. na linii szkieletowej), aby nie obciążać niższych linii i zapewnić telegramom sprawną drogę do interfejsów zewnętrznych.
Podobnie sprzęgła mediów łączą różne media KNX (np. TP i RF albo IP i TP). Odległe części instalacji można też połączyć światłowodem, który daje:
- większy zasięg niż linia TP,
- izolację elektryczną (brak zakłóceń i problemów z uziemieniem),
- szybką i bezpieczną komunikację w dużych obiektach.
Sieć KNX IP dla większego ruchu¶
Gdy instalacja rośnie i łączy się z systemami zewnętrznymi, ruch telegramów może przeciążyć topologię opartą wyłącznie na TP. Wtedy linię główną lub szkieletową zastępuje się siecią IP, a sprzęgła liniowe i obszarowe routerami KNXnet/IP.
Dlaczego IP zamiast TP na linii głównej lub szkieletowej:
- TP ma przepustowość 9600 bit/s, za mało dla dużych projektów,
- przez przełączniki gigabitowe telegramy płyną nawet 100 000 razy szybciej niż po TP,
- KNX over IP ułatwia integrację z systemami zewnętrznymi: centralne sterowanie, wizualizację, zdalny dostęp.
Tunelowanie i routing przez KNXnet/IP
- Tunelowanie służy do programowania ETS przez IP.
- Routing działa jak sprzęgło liniowe: wysyła i odbiera telegramy między liniami zgodnie z tabelą filtrów.
- Router wysyłający telegram między liniami nadaje go na adres multicast IP; pozostałe routery nasłuchują i sprawdzają swoje tabele filtrów, zanim go przekażą lub zablokują.
Multicast w sieciach KNX IP
- KNX używa zarejestrowanego na świecie adresu multicast 224.0.23.12, ustawionego fabrycznie w routerach KNXnet/IP.
- Adres można zmienić w ETS w dozwolonym zakresie.
- Przełącznik lub router w sieci LAN musi obsługiwać multicast; przed wdrożeniem skonsultuj to z administratorem sieci.
- Multicast nie działa przez internet, chyba że przez VPN.
Interfejs KNX IP a router KNXnet/IP
| Cecha | Interfejs KNX IP | Router KNXnet/IP |
|---|---|---|
| Tunelowanie (programowanie ETS) | tak | tak |
| Routing (filtrowanie i przekazywanie telegramów) | nie | tak |
| Multicast dla telegramów między liniami | nie | tak |
- Interfejsy KNX IP służą do programowania w ETS i zdalnego dostępu, nie robią routingu.
- Routery KNXnet/IP robią tunelowanie i routing, więc mogą zastąpić sprzęgła liniowe i obszarowe, a przy okazji służą jako interfejs zdalnego dostępu.
Zdalny dostęp i chmura. Niektóre urządzenia KNX dają bezpieczny dostęp przez portal w chmurze: zdalne programowanie w ETS (tunelowanie), podgląd i sterowanie komunikacją grupową, serwis z dowolnego miejsca. Łączą się jako urządzenia IP i nie mają funkcji routingu.
Sprzęgła liniowe zastąpione routerami KNXnet/IP¶
Routery KNXnet/IP mogą zastąpić klasyczne sprzęgła liniowe i obszarowe; linię szkieletową i linie główne przejmuje wtedy Ethernet.
- Linie główne i linia szkieletowa w całości przechodzą na Ethernet.
- Każda linia KNX TP zostaje bez zmian, ale łączy się przez router KNXnet/IP zamiast sprzęgła liniowego.
- Wyraźnie rośnie szybkość komunikacji i maleją zatory telegramów.
- Najlepszy dla projektów z dużą liczbą telegramów.
- Linie główne zostają na TP z klasycznymi sprzęgłami liniowymi.
- Na Ethernet przechodzi tylko linia szkieletowa.
- Przyspiesza szkielet przy zachowaniu istniejących linii głównych TP.
- Najlepszy dla istniejących instalacji TP, którym brakuje szybkości na szkielecie.
Połączenie obu przypadków jest możliwe, ale tylko w wyjątkowych sytuacjach (omawia je kurs KNX Advanced).
Ograniczenia routerów KNXnet/IP¶
Ethernet daje dużą przepustowość i minimalizuje utratę telegramów, ale nie zapobiegnie przeciążeniu, gdy telegramy z wielu linii trafiają do jednej linii.
Metafora
Autostrada ma 1000 pasów i 100 wjazdów, ale wszystkie samochody muszą zjechać jednym pasem. Powstaje gigantyczny korek. Tak samo jest, gdy wiele linii jednocześnie wysyła telegramy do jednej linii TP: robi się wąskie gardło, rosną opóźnienia, a telegramy mogą przepaść. To typowy problem każdej sieci o strukturze siatki (mesh), nie tylko KNX.
Jak nie przeciążyć sieci KNXnet/IP
- Rozmieszczaj urządzenia w topologii z głową.
- Konfiguruj urządzenia tak, by nie generowały nadmiernego ruchu na jednej linii.
- Korzystaj z tabel filtrów w routerach KNXnet/IP, aby ograniczyć przesyłanie niepotrzebnych telegramów między liniami.
- Rozsądnie zarządzaj telegramami zwrotnymi (statusami) i cyklicznymi; ograniczaj automatyczne statusy, zwłaszcza gdy wiele urządzeń komunikuje się z jednym systemem centralnym.
- Ostrożnie ustawiaj częstotliwość telegramów cyklicznych (np. czujników wysyłających dane co stały czas).