KNX TP1 Topologie
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Inhaltsverzeichnis 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Topologie - Linie ....................................................................................................... 3 Topologie - Bereich ................................................................................................... 4 Topologie - mehrere Bereiche ................................................................................... 5 Physikalische Adresse .............................................................................................. 6 Koppler Schleusenfunktion........................................................................................ 7 Koppler Blockschaltbild ............................................................................................. 8 Koppler Einsatzort..................................................................................................... 9 Koppler Einsatzorte..................................................................................................10 Kopplung mehrerer Linien ........................................................................................11 Praktisches Beispiel zur Erklärung der Funktionalität ...............................................12 Telegramm linienintern.............................................................................................13 Telegramm linienübergreifend..................................................................................14 Telegramm bereichsübergreifend.............................................................................15 Koppler Routing-Zähler ............................................................................................16 KNX – Interne und externe Schnittstellen.................................................................17 Topologie – Struktur im Gebäude.............................................................................18 Berücksichtigung hoher Telegrammraten: IP Netzwerk ............................................20 Grenzen beim Einsatz von IP Routern .....................................................................22
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Bild 1: Topologie - Linie
1 Topologie - Linie Jeder Teilnehmer (TLN) kann mit jedem anderen Teilnehmer über Telegramme Informationen austauschen. Eine Linie besteht aus maximal 4 Liniensegmenten mit je maximal 64 Teilnehmern. Jedes Segment benötigt eine geeignete Spannungsversorgung1. Die tatsächliche Teilnehmeranzahl ist von der gewählten Spannungsversorgung und der Leistungsaufnahme der einzelnen Teilnehmer abhängig.
1
Dieses Kapitel geht von einer Verwendung zentraler Spannungsversorgung aus. Für verteilte Busspeisung wird auf das Kapitel ‚TP1 Installation’ verwiesen.
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Bild 2: Topologie – Bereich
2 Topologie - Bereich Kommt mehr als 1 Linie zum Einsatz oder soll eine andere Gliederung gewählt werden, so können über Linienkoppler (LK) bis zu 15 Linien an einer Hauptlinie angeschlossen werden. Dies wird als Bereich bezeichnet. Auch auf der Hauptlinie sind bis zu 64 Teilnehmer möglich. Die maximale Anzahl der Teilnehmer auf der Hauptlinie verringert sich um die Anzahl der eingesetzten Linienkoppler. Auch für die Hauptlinie ist eine eigene Spannungsversorgung erforderlich. In der Bereichs- und Hauptlinie dürfen keine Linienverstärker eingesetzt werden.
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Bild 3: Topologie - mehrere Bereiche
3 Topologie - mehrere Bereiche KNX TP1 kann über die Bereichslinie erweitert werden. Der Bereichskoppler (BK) bindet seinen Bereich an die Bereichslinie. Auch auf der Bereichslinie sind Teilnehmer möglich. Die maximale Anzahl der Teilnehmer auf der Bereichslinie verringert sich um die Anzahl der eingesetzten Bereichskoppler. Mit den maximal 15 Bereichen können mehr als 58.000 Teilnehmer zusammenarbeiten. Durch Aufteilung der KNX TP1-Installation in Linien und Bereiche wird die Betriebssicherheit erheblich erhöht.
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Bild 4: Physikalische Adresse
4 Physikalische Adresse Die physikalische Adresse dient zur eindeutigen Identifikation der Teilnehmer und beschreibt die Anordnung innerhalb der Topologie. B = 1-15 B = 0
adressiert die Bereiche 1-15 adressiert Teilnehmer an der Bereichslinie
L = 1-15 L = 0
adressiert die Linien 1-15,innerhalb der durch B definierten Bereiche adressiert die Hauptlinie,
T = 1-255 adressiert die Teilnehmer innerhalb der durch L definierten Linie. T = 0 adressiert den Koppler Die Adresse eines entladenen Busankopplers ist 15.15.255.
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Bild 5: Koppler Schleusenfunktion
5 Koppler Schleusenfunktion Der Koppler erhält bei der Parametrierung eine Filtertabelle. Alle empfangenen Gruppentelegramme werden weitergesendet, wenn sie in der Filtertabelle enthalten sind. Dadurch arbeitet jede Linie selbständig; nur linienübergreifende Telegramme werden weitergeleitet. Die gelben LEDs des Kopplers flackern beim Empfangen eines Telegrammes auf der jeweiligen Linie. Der Linienverstärker leitet alle Telegramme weiter; er hat keine Filtertabelle.
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Bild 6: Koppler Blockschaltbild
6 Koppler Blockschaltbild Der Koppler wird als Reihen-Einbaugerät (REG) ausgeführt. Die übergeordnete Linie wird über eine Busklemme angeschlossen. Die untergeordnete Linie wird über die Datenschiene oder über eine Busklemme zugeführt. Die neuen Kopplertypen (ab Juli 2003) können sowohl von der übergeordneten als von der untergeordneten Linie programmiert werden. Im alten Linienkopplertyp (bis Juni 2003) wird die Spannungsversorgung für beide Busankoppler, Logik und Filterspeicher von der untergeordneten Linie entnommen. Der neue Koppler hat nur noch einen Kontroller und wird von der übergeordneten Linie versorgt. Dies hat den Vorteil, dass der Koppler Stromausfälle der Sekundärlinie melden kann. Im alten Koppler ist der Filterspeicher mit einer Lithium-Batterie für > 10 Jahre gepuffert (auch ohne Busspannung). Der neue Typ ist mit einem Flash-ROM-Speicher ausgestattet und benötigt deshalb keinen Puffer aus einer Batterie. Der Koppler trennt die Linien galvanisch.
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Bild 7: Koppler Einsatzort (1)
7 Koppler Einsatzort Das Gerät Koppler kann eingesetzt werden als: Bereichskoppler BK Verbindung Bereichslinie – Hauptlinie Linienkoppler LK Verbindung Hauptlinie – Sekundärlinie Linienverstärker LV Zur Erweiterung einer Linie um ein Liniensegment mit bis zu 64 weiteren Teilnehmer und zusätzlich 1.000 m Leitung. Bereichs- und Linienkoppler senden nur linienübergreifende Telegramme weiter; der Linienverstärker sendet alle Telegramme weiter. Bereichs-, Linienkoppler und Linienverstärker sind identische Geräte. Die auszuführenden Aufgaben ergeben sich durch den Einbauort und die damit entsprechend definierte physikalische Adresse.
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Bild 8: Koppler Einsatzort (2)
8 Koppler Einsatzorte Das Gerät Koppler wird durch die Zuordnung der physikalischen Adresse als Bereichs-, Linienkoppler oder Linienverstärker parametriert. Zum Beispiel bestimmt die Adresse 1.1.0 den Koppler als Linienkoppler im Bereich 1 und Linie 1. Er überwacht die Datenkommunikation zwischen Haupt- und Sekundärlinie und umgekehrt. Nur die Telegramme, deren Gruppenadresse in seiner Filtertabelle gespeichert sind, werden weitergeleitet.
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Bild 9: Kopplung mehrere Linien
9 Kopplung mehrerer Linien Beim Ausbau mehrerer Linien ist für jede Linie eine Spannungsversorgung mit Drossel erforderlich. Die Darstellung zeigt die Spannungsversorgung mit separater Drossel sowie die Linienkoppler der alten Bauart (breite Bauform). Die untergeordnete Linie (z. B. Linie 1) wird über die Druckkontakte auf die Datenschiene oder Busklemme angeschlossen, die übergeordnete Linie (Linie 0) über die StandardBusklemme.
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Bild 10: Praktisches Beispiel
10 Praktisches Beispiel zur Erklärung der Funktionalität Der Taster T1 soll die Leuchten L11, L12 und L13 schalten. Er erhält bei der Parametrierung die Gruppenadresse 1/1/1; ebenso erhalten die Aktoren der Leuchten diese Gruppenadresse. Der Taster T2 soll die Leuchten L21, L22 und L23 schalten. Er erhält bei der Parametrierung die Gruppenadresse 1/1/2; ebenso erhalten die Aktoren der Leuchten diese Gruppenadresse. Der Helligkeitssensor S1 soll die Leuchten am Fenster zusätzlich schalten. Er wird auf die Gruppenadresse 1/1/11 parametriert. Ebenso erhalten die Aktoren der Fensterleuchten diese Gruppenadresse 1/1/11. Die Fensterleuchten können damit sowohl von ihrem Taster, wie auch vom Helligkeitssensor angesprochen werden.
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Bild 11: Telegramm linienintern
11 Telegramm linienintern Die Betätigung der Taste T1 löst das Telegramm mit der Gruppenadresse 1/1/1 aus. Alle Teilnehmer in dieser Linie hören zwar mit, aber nur die Aktoren der Leuchten L11, L12 und L13 mit derselben Gruppenadresse 1/1/1 führen den Befehl aus. Sendet der Helligkeitssensor die Gruppenadresse 1/1/11, so hören ebenfalls alle Teilnehmer dieser Linie mit, aber nur die Aktoren der Fensterleuchten L11 und L21 führen den Befehl aus.
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Bild 12: Telegramm linienübergreifend
12 Telegramm linienübergreifend Ist der Helligkeitssensor nicht in derselben Linie angeordnet, so müssen seine Telegramme über die Hauptlinie übertragen werden. Der Linienkoppler LK2 weiß durch die Parametrierung, dass außerhalb seiner "Linie 2" Teilnehmer sind, die auf den Helligkeitssensor hören. Er gibt das Gruppentelegramm 1/1/11 weiter an die Hauptlinie. Der Linienkoppler LK1 weiß, dass in seiner "Linie 1" Teilnehmer sind, die auf die Gruppenadresse 1/1/11 hören und überträgt das Telegramm in seine Linie. Alle Teilnehmer dieser Linie hören das Telegramm des Helligkeitssensors mit, aber nur die Aktoren der Fensterleuchten L11 und L21 führen den Befehl aus.
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Bild 13: Telegramm bereichsübergreifend
13 Telegramm bereichsübergreifend Ist der Helligkeitssensor S1 in einem anderen Bereich angeordnet, so kann er über die Bereichslinie alle Teilnehmer erreichen. Sendet der Helligkeitssensor durch die Parametrierung die Gruppenadresse 1/1/11, so wird das Telegramm über die Bereichskoppler BK1 und BK2 sowie den Linienkoppler LK1 in die Linie 1 übertragen. Die Aktoren der Fensterleuchten L11 und L21 im Bereich 1, Linie 1 führen den Befehl aus.
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Bild 14: Koppler Routing Zähler
14 Koppler Routing-Zähler Der sendende Teilnehmer liefert im Telegramm den Routing-Zähler mit dem Wert 6. Jeder Koppler vermindert den Routing-Zählerwert um den Wert 1 und gibt das Telegramm weiter, solange das Ergebnis nicht 0 ist. Die Filtertabelle wird beachtet. Wird z. B. vom Servicegerät der Routing-Zähler mit dem Wert 7 gesendet, so verändern die Koppler den Wert nicht. Das Telegramm wird ohne Beachtung der Filtertabelle über das gesamte KNX-System gesendet und erreicht so die gewünschten Teilnehmer, gleichgültig in welcher Linie diese montiert sind. Der Routingzähler begrenzt bei einer linienübergreifenden Schleifenbildung die Anzahl der kreisenden Telegramme.
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Bild 15: KNX – Interne und externe Schnittstellen
15 KNX – Interne und externe Schnittstellen KNX ist offen zu anderen Systemen. Über ein Gateway kann die Bereichslinie (oder jede andere Linie) z. B. an SPS, ISDN, Gebäudeleittechnik, Internet, … angeschlossen werden. Das Gateway führt die Protokoll-Umsetzung bidirektional durch. Die Kopplung unterschiedlicher KNX Medien erfolgt über den jeweiligen Medienkoppler (z. B. Twisted Pair 1 und Power Line 110). KNX Anlagenteile können auch über Lichtwellenleiter verbunden werden. Vorteile sind eine galvanische Trennung und größere Leitungslängen.
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Bereich 2
e ni Li 4 1.
Li ni 2. e 4
e ni Li 5 1.
Li ni 2.5 e
Bereich 1
Nr.
Bemerkung
20. 5 Bereich 0 L in e 5
1
Westflügel
Li ni 2. e 3
e ni Li 3 1.
Ebene 5
Bereich
4
2
Ostflügel
Li
ie Lin 1.1
ni 2. e 1
Li ni 2. e 2
ie Lin 1.2
3
2
Westflügel
1
Ostflügel
Linie Nr.
Bemerkung
0
Bereichslinie
0
Hauptlinie West
1
1.Stockwerk
2
2.Stockwerk
3
3.Stockwerk
4
4.Stockwerk
5
5.Stockwerk
0
Hauptlinie Ost
1
1.Stockwerk
2
2.Stockwerk
3
3.Stockwerk
4
4.Stockwerk
5
5.Stockwerk
Bild 16: Linienaufteilung in einem Projekt mittlerer Größe (Beispiel)
16 Topologie – Struktur im Gebäude Nach der theoretischen Einführung nun noch etwas Praxis (das vorstehende Bildbeispiel ist übrigens im Kapitel „ETS-Projektierung ausführlich“ erläutert). Idealerweise hat man ein Gebäude, in dem z.B. pro Stockwerk nicht mehr als 50 Busteilnehmer zum Einsatz kommen. Oder man kann – so wie in vorstehendem Bild – eine einfache Trennung zwischen verschiedenen Flügeln realisieren. Dann sieht man schon, dass es am übersichtlichsten ist, wenn die Linienadresse der Stockwerksnummer, und die Bereichsadresse der Gebäude- oder Flügelnummer entspricht.
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Bild 17: Obiges Bild etwas genauer mit den erforderlichen Kopplern
Natürlich lässt sich das nicht in jedem Fall so realisieren. Da es aber noch die Option des Einsatzes von Linienverstärkern gibt (wie schon vorstehend besprochen), kann ein solches Stockwerk sogar bis zu 253 Geräte beinhalten, ohne die gezeigte Struktur zu verletzen (es sind 3 weniger als 256, weil die Linienverstärker vereinbarungsgemäß 2x zählen). Mit so vielen Geräten kann – den heutigen Fortschritt in der KNXGeräteentwicklung vorausgesetzt – nahezu jede Anwendung realisiert werden, da es Ein/ Ausgabegeräte mit mittlerweile 16 und mehr Kanälen gibt.
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Bild 18: Ersatz von Linienkopplern durch sogenannte „IP Router“
17 Berücksichtigung hoher Telegrammraten: IP Netzwerk Wie der vorstehende Abschnitt zeigt, kann man auf allen Ebenen auch Schnittstellen zu anderen Systemen installieren, was in größeren Projekten auf Grund vielerlei Anforderungen auch immer häufiger erforderlich ist. Ein wichtiger Grund ist die erhöhte Telegrammbelastung, die entstehen kann, wenn der Nutzer eine Visualisierungssoftware einsetzt, wenn er Geräte mit hoher Kanalkonzentration benutzt, und sehr viele Statusmeldungen automatisch gesendet werden sollen. Dann ist eine reine TP-Topologie unter Umständen überlastet, da ja auf Haupt – und Bereichslinien auch nur 9,6 kBit / sec. möglich sind. In diesem Fall kann man ein IP-Netzwerk sehr einfach als Ersatz sowohl für Haupt- oder Bereichslinien nutzen, indem man die dafür entwickelten Koppler einsetzt. Wie man der Grafik entnehmen kann, wird die Hauptlinie durch ein IP-Netzwerk ersetzt. Das hat den Vorteil, dass alle vertikal laufenden Vorgänge, also z.B. die (bidirektionale) Kommunikation zwischen einer Gebäudeleitzentrale (GLZ) und dem KNX-Bus, nur durch die Datenrate der untergeordneten Buslinie bestimmt ist (Ethernet ist mindestens 1000 x schneller; mit den sogenannten „Gigabit“ – Switches können Daten im Ethernet sogar 100 000 x schneller übertragen werden). Die Parallelschaltung vieler Linien stellt insofern keinerlei Probleme mehr dar. Das hier angewandte, standardisierte Kommunikationsverfahren wird „Tunneling“ genannt. Anders erklärt, es ist die bekannte Schnittstellenfunktion, sie wird auch von der ETS zum Fernprogrammieren über IP genutzt. Eine GLZ kann sich mit vielen Schnittstellen gleichzeitig verbinden, dadurch vervielfacht sich die Summendatenrate.
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KNX GRUNDKURS Etwas anders gelagert ist die nach wie vor mögliche direkte Kommunikation zwischen den einzelnen KNX-Linien. Die IP Router verwenden hierzu ein anderes Verfahren, das man „Routing“, die eigentliche Linienkopplerfunktion, nennt. Es funktioniert im Prinzip genauso wie das Routing über eine TP-Hauptlinie: Ein IP Router, der ein linienübergreifendes Telegramm senden möchte, schickt es mit einer sogenannten „Multicast“-IP-Adresse ins Ethernet. Alle anderen IP Router sind mit dieser Multicast-Adresse verbunden, und können somit das Telegramm empfangen und auswerten. Nun kommt wieder die normale Linienkopplerfunktion zur Anwendung: Der Vergleich mit der auch hier obligatorischen Filtertabelle (Gruppentelegramme) oder der eigenen Linienadresse (physikalische Telegramme) und der fallweisen Sperrung oder Weiterleitung des Telegramms. Bitte beachten Sie bezüglich der Multicastadresse: a) Es gibt eine bestimmte, weltweit registrierte KNX-Multicastadresse, die in den Applikationen der IP Router voreingestellt ist. Sie kann im Rahmen der freigegebenen Adressbereiche für IP Kommunikation geändert werden. b) Die Netzwerkschalter (Switch) und Bereichsrouter im LAN müssen für das Handling der Multicast – Datagramme geeignet sein! Dies ist im Zweifelsfall im Vorfeld mit der LAN-Administration zu klären. c) Die Multicastadresse kann nicht über das Internet verwendet werden, außer innerhalb einer VPN-Verbindung.
Wieder unser Beispiel – diesmal sind die Linienkoppler durch IP Router ersetzt. Die Abbildung stellt Fall 1 dar.
Wie schon beim TP / TP-Koppler, kann der IP Router sowohl als Linienkoppler als auch als Bereichskoppler eingesetzt werden. Im Fall, dass er die Linienkoppler ersetzt, werden alle Hauptlinien und im Prinzip auch die Bereichslinie durch das Ethernet ersetzt (Fall 1). Werden Bereichskoppler durch IP Router ersetzt, bleiben die normalen Linienkoppler erhalten, nur die Bereichslinie wird durch LAN ersetzt (Fall 2). Welche der beiden Möglichkeiten genutzt werden, hängt mehr oder weniger von den Anforderungen an die fiktiven Telegrammraten auf Haupt- und Bereichslinien ab. Es gibt theoretisch auch noch einen dritten Fall, den Mischbetrieb, in dem es normale TP-Bereiche mit einem IP Router an der Spitze gibt, zusätzlich aber auch Linien mit IP Routern anstelle von Linienkopplern. Diese Option sollte nur in Ausnahmefällen gewählt werden, sie wird detailliert im Aufbaukurs behandelt. Heim- und Gebäudesystemtechnik KNX TP1 Topologie
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18 Grenzen beim Einsatz von IP Routern Auch, wenn die hohen Datenraten eines Ethernet vielleicht das Ende aller Telegrammstaus und –verluste vermuten ließen, so muss dennoch davor gewarnt werden, allzu sorglos häufig sendende Busteilnehmer zu programmieren. Sollte nämlich der Fall auftreten, dass gleichzeitig aus allen Linien auf eine einzige Linie gesendet wird, nutzt das schnelle Ethernet leider gar nichts. Es ist, um es bildlich darzustellen, als führen alle Autos zwar über 100 Auffahrten in eine 1000 spurige Autobahn, aber auch als wollten alle zur gleichen Zeit über nur eine einzige einspurige Abfahrt wieder von der Autobahn abfahren. (Dies ist übrigens auch kein KNX-spezifisches Problem, es tritt in allen verteilten Datennetzen mit Maschenstruktur auf). Hier kann nur sinnvolle Gestaltung der Kommunikationswege zwischen den Busgeräten und den Linien einen zwar sehr unwahrscheinlichen, aber eben doch möglichen Datenverlust verhindern. Dies sollte jedoch mit etwas Kenntnis der Busgeräte und deren Parametern leicht möglich sein.
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