KNX Kommunikation. KNX Association

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1 KNX Kommunikation

2 Inhaltsverzeichnis 1 Grundsätzliche Funktionsweise Physikalische Adresse Gruppenadresse Kommunikationsobjekt Flags Telegramm Nutzinformation Standardisierte Datenpunkttypen Ein/Aus (1.001) Funktionsblock Antriebssteuerung Prio. Schalter (2.001) Funktionsblock Dimmen Zwei Byte Gleitkommazahl (9.00x) TP1 Bitübertragung Kollisionsbehandlung Symmetrische Übertragung Überlagerung von Information und Versorgungsspannung Kopplung der Spannungsversorgung an KNX TP1 Bus Leitungslängen Leitungslänge TP1 Spannungsversorgung TP 1 Teilnehmer Leitungslänge zwischen zwei TP1 Teilnehmern Gesamtleitungslänge pro Liniensegment...3 KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 2/25

3 1 Grundsätzliche Funktionsweise Bild 1: Grundsätzliche Funktionsweise Eine minimale TP1-KNX-Anlage besteht aus folgenden Komponenten: Eine Spannungsversorgung (29V DC) Eine Drossel (kann auch in Spannungsversorgung eingebaut sein) Sensoren (im Bild oben ist ein einfach Tastsensor dargestellt) Aktoren (im Bild oben ist ein einfach Schaltaktor dargestellt) Busleitung (es werden nur zwei Adern benötigt). Nach der Installation und im Falle von S-Mode kompatiblen Geräten ist eine KNX-Anlage noch nicht betriebsbereit. Dies ist erst der Fall, wenn Sensoren und Aktoren mit Hilfe der ETS mit Anwendungssoftware geladen worden sind. Zuvor muss der Projektierer jedoch folgende Projektierungsschritte mit der ETS durchgeführt haben: Vergabe von physikalischen Adressen an die einzelnen Geräte (zur eindeutigen Identifikation eines Sensors oder Aktors in einer KNX-Anlage); Auswahl und Einstellung (Parametrierung) der passenden Anwendungssoftware für Sensoren und Aktoren; Vergabe von Gruppenadressen (zur Verbindung der Funktionen von Sensoren und Aktoren). KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 3/25

4 Beim Einsatz von E-Mode kompatiblen Geräten müssen die gleichen Schritte wie oben beachtet werden, wobei: die physikalische Adressen, die Parametrierung der jeweiligen Anwendungssoftware der Sensoren und Aktoren und die Vergabe von Gruppenadressen (zur Verbindung der Funktionen von Sensoren und Aktoren) entweder über lokale Einstellungen am Produkt oder von einem zentralen Kontroller vorgenommen wird. Nach der Konfiguration funktioniert die Anlage wie folgt: Wird die obere Wippe des einfach Tastsensors (1.1.1) betätigt, sendet dieser ein Telegramm aus, das neben diversen Informationen die Gruppenadresse (5/2/66) und den Wert ( 1 ) enthält. Dieses Telegramm wird von allen angeschlossenen Sensoren und Aktoren empfangen und ausgewertet. Nur die Geräte, die die gleiche Gruppenadresse bei sich feststellen: Senden ein Quittungstelegramm. lesen den Wert und verhalten sich entsprechend. In unserem Beispiel wird der Schaltaktor (1.1.2) sein Ausgangsrelais einschalten. Bei Betätigung der unteren Wippe ereignet sich derselbe Vorgang, nur der Wert wird diesmal zu 0 gesetzt und somit das Ausgangsrelais vom Aktor ausgeschaltet. Auf den folgenden Seiten werden die jeweiligen Elemente des KNX-Systems detaillierter erläutert. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 4/25

5 2 Physikalische Adresse Bild 2: Physikalische Adresse Eine physikalische Adresse muss innerhalb einer KNX-Anlage eindeutig sein. Die physikalische Adresse wird wie oben beschrieben konfiguriert. Die physikalische Adresse hat folgendes Format: Bereich [4bit] - Linie [4bit] - Busteilnehmer [1 Byte]. Normalerweise wird der Busteilnehmer zur Aufnahme seiner physikalischen Adresse mittels Drücken eines Programmierknopfes auf dem Busteilnehmer vorbereitet. Während dieses Vorganges leuchtet die Programmier-LED. Die physikalische Adresse wird nach der Inbetriebnahme noch für folgende Zwecke verwendet: Diagnose, Fehlerkorrektur, Änderung der Anlage durch neue Programmierung Ansprechen der Interface-Objekte durch Inbetriebnahmewerkzeuge oder durch andere Geräte. Wichtig: Im normalen Betrieb der Anlage ist die physikalische Adresse ohne Bedeutung. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 5/25

6 3 Gruppenadresse Bild 3: Gruppenadresse Die Kommunikation zwischen Geräten in einer Anlage erfolgt über Gruppenadressen. Wenn die Gruppenadresse über die ETS eingestellt wird, kann sie in einer "2-Ebenen" (Haupt/Untergruppe)-, "3-Ebenen"-Struktur (Haupt/Mittel/Untergruppe) oder freien Struktur gewählt werden. Die Einstellung der Ebenenstruktur kann für das jeweilige Projekt bei den Projekteigenschaften in der ETS vorgenommen werden. Die Gruppenadresse 0/0/0 ist für sogenannte Broadcastmeldungen (Telegramme an alle vorhandenen Teilnehmer) reserviert. Wie die Ebenen verwendet werden, wird dem ETS Projektierer überlassen, z.b. nach folgendem Schema: Hauptgruppe = Geschoss/Etage Mittelgruppe = Gewerk (z.b. Beleuchtung, Heizung, ) Untergruppe = Funktion für Verbraucher- bzw. Verbrauchergruppen (z.b. Lichtband Küche e/a, Fenster Schlafzimmer e/a, Decke Wohnzimmer e/a, Decke Wohnzimmer dimmen, ). Das gewählte Schema von Gruppenadressen sollte in allen Projekten gleich bleiben. Jede Gruppenadresse kann den Teilnehmern beliebig zugeordnet werden, gleichgültig an welchem Punkt er in der KNX-Anlage installiert ist. Aktoren können auf mehrere Gruppenadressen hören, Sensoren jedoch nur eine Gruppenadresse pro Telegramm senden. Die Gruppenadressen werden den Kommunikationsobjekten der jeweiligen Sensoren und Aktoren zugeordnet, entweder mit Hilfe der ETS (S-Mode) oder automatisch und unsichtbar in E-Mode. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 6/25

7 Hinweise: Bei der Verwendung der Hauptgruppen 14 bzw. 15 oder höher in der ETS ist zu beachten, dass diese Gruppenadressen von den TP1 Kopplern nicht gefiltert werden und dadurch die Dynamik des gesamten Bussystems beeinflusst wird. Die Anzahl der Gruppenadressen, die den Sensoren oder Aktoren zugeordnet werden können, ist unterschiedlich und hängt von der Größe des Speichers ab. 4 Kommunikationsobjekt Bild 4: Kommunikationsobjekt KNX-Kommunikationsobjekte sind Speicherstellen im Busteilnehmer. Diese Objekte können 1 Bit bis 14 Byte groß sein. Die Größe der Kommunikationsobjekte hängt von der Funktion ab. Zum Schalten benötigt man lediglich zwei Zustände (0 und 1), deshalb kommen hier Kommunikationsobjekte der Größe 1 Bit zum Einsatz. Zur Textübertragung ist die Information umfangreicher, deshalb werden hier Kommuniktionsobjekte mit der maximal möglichen Größe von 14 Byte verwendet. Mittels der ETS können nur Objekte mit der gleichen Größe über Gruppenadressen verbunden werden. Ein Kommunikationsobjekt kann mehrere Gruppenadressen zugewiesen bekommen, wobei aber genau eine die sendende Gruppenadresse ist. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 7/25

8 4.1 Flags Jedes Kommunikationsobjekt hat darüberhinaus noch Flags, über die folgende Eigenschaften eingestellt werden: Kommunikation Das Kommunikationsobjekt hat normale Verbindung zum Bus COMMUNICATION Telegramme werden quittiert, aber das Kommunikationsobjekt wird nicht verändert Lesen Der Objektwert kann über den Bus gelesen werden READ Der Objektwert kann über den Bus nicht gelesen werden Schreiben Über den Bus kann der Objektwert geändert werden WRITE Über den Bus kann der Objektwert nicht geändert werden Übertragen Wird (beim Sensor) der Objektwert geändert, so wird ein entsprechendes Telegramm gesendet TRANSMIT Das Kommunikationsobjekt sendet nur bei Leseanforderung ein Antworttelegramm Aktualisieren Wertantworttelegramme werden als Schreibbefehl interpretiert, der Wert des Kommunikationsobjektes wird aktualisiert(immer freigegeben in System 1-Geräten) UPDATE Wertantworttelegramme werden nicht als Schreibbefehl interpretiert, der Wert des Kommunikationsobjektes wird nicht geändert Lesen bei Init das Gerät sendet selbständig Wert Lesen Befehle aus zur Initialisierung des jeweiligen Gruppenobjektes nach Spannungsrückkehr (nur bei bestimmten Masken anwählbar) READ ON INIT nach Spannungsrückkehr initialisiert das Gerät den Wert des zugeordneten Gruppenobjektes nicht über Wert Lesen Befehle Achtung: Die Default-Flags sollten nur im Sonderfall geändert werden. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 8/25

9 Ein Objektwert wird auf folgende Weise auf den Bus versandt: a) wird z.b. die linke Wippe oben betätigt, wird der zweifach Tastsensor eine 1 in sein Kommunikationsobjekt mit der Nummer 0 schreiben. Da das K und Ü Flag bei diesem Objekt gesetzt ist, wird dieses Gerät ein Telegramm auf den Bus senden, mit der Information: Gruppenadresse 1/1/1, Wert schreiben, 1. b) Daraufhin werden alle Busteilnehmer in der gesamten KNX-Anlage, deren Kommunikationsobjekte auch die Gruppenadresse 1/1/1 haben, die 1 in ihr eigenes Kommunikationsobjekt hineinschreiben. c) In unserem Beispiel wird in das Kommunikationsobjekt Nr. 0 des Aktors die 1 geschrieben. d) Die Anwendungssoftware des Aktors stellt fest, dass sich der Wert in diesem Kommunikationsobjekt geändert hat und wird daraufhin den Schaltvorgang ausführen. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 9/25

10 Bild 5: Telegramm Nutzinformationen 5 Telegramm Nutzinformation In der Nutzinformation wird prinzipiell zwischen den Befehlen unterschieden. Die Nutzinformation wird hier am Beispiel eines 1-bit Telegramms dargestellt. Beim Befehl Schreiben steht im letzten Bit rechts eine 1 oder 0 für Ein- bzw. Ausschalten. Mit dem Befehl Lesen wird der angesprochene Teilnehmer aufgefordert, seinen Zustand zurückzumelden. Die Antwort kann, wie beim Beispiel Schreiben, 1 Bit sein oder bis zu 13 Byte (Byte 2 bis 15) nutzen. Die Länge der Nutzinformation ist vom verwendeten Datenpunkttyp abhängig. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 10/25

11 Bild 6: Standardisierte Datenpunkttypen 6 Standardisierte Datenpunkttypen Um die Kompatibilität gleichartiger Geräte verschiedener Hersteller zu sichern (z.b. Dimmer, Uhr), wurden Datenpunkttypen standardisiert. Die Datencodierung beinhaltet Format und Aufbau der Kommunikationsobjekte, sowohl für Sensor- als auch für Aktorfunktionen. Die Kombination verschiedener standardisierter Datenpunkttypen wird als Funktionsblock bezeichnet. Die Bezeichnung eines Datenpunkttyps orientiert sich an dem Einsatzzweck, für den der Standard konzipiert wurde. Das bedeutet nicht, dass die Anwendung eines DPT auf diesen Anwendungsbereich beschränkt ist. Als Beispiel kann über Prozent (Typ 5.001) nicht nur eine Dimmhelligkeit, sondern ebenfalls eine Ventilposition gesetzt werden. Im Folgenden ist eine Auswahl aus den zurzeit bestehenden Datenpunkttypen wiedergegeben. Eine komplette Liste der standardisierten Datenpunkttypen kann von den KNX Webseiten ( heruntergeladen werden. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 11/25

12 Bild 7: DPT Ein/Aus (1.001) 6.1 Ein/Aus (1.001) 1 Der Datenpunkttyp Ein/Aus wird zum Schalten einer Aktorfunktion verwendet. Andere 1 Bit Datenpunkttypen sind für logische Verknüpfungen (Boolesch [1.002]), Freigeben [1.003]), usw.... festgelegt. Andere Funktionen bzw. Erweiterungen zu der reinen Schaltfunktion (Invertierung, Zeitschalter-, Umschaltfunktionen etc.) sind nicht Bestandteil des Datenpunkttyps, sondern Parameter des Funktionsblocks, in dem der Datenpunkttyp zur Anwendung kommt (z.b. Funktionsblock Lichtschalter). 1 Früher EIS1 genannt KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 12/25

13 Bild 8: Funktionsblock Antriebssteuerung 6.2 Funktionsblock Antriebssteuerung 2 Der Funktionsblock Antriebssteuerung wird vornehmlich zur Ansteuerung von Jalousieund Rollladenantrieben benutzt und besteht zumindest aus den Kommunikationsobjekten mit folgenden Datenpunkttypen: Auf/Ab (1.008) und Schritt (1.007). Durch das Beschreiben des DPT Auf/Ab wird ein Antrieb aus dem Ruhezustand in Bewegung gesetzt bzw. im bewegten Zustand die Richtung geändert. Durch das Beschreiben des DPT Schritt wird ein in Bewegung befindlicher Antrieb angehalten bzw. ein angehaltener Antrieb kurzzeitig ( schrittweise ) in Bewegung gesetzt. Wichtig: Kommunikationsobjekte, die diese Funktion benutzen, sollten nicht auf Leseanforderungen über den Bus antworten, um bewegte Antriebe nicht unbeabsichtigt anzuhalten oder angehaltene Antriebe in Bewegung zu setzen. Deshalb sollte bei den entsprechenden Kommunikationsobjekten - in Sensoren und Aktoren - das Lesen -Flag zurückgesetzt werden. Dies betrifft besonders zentrale Funktionen. 2 Früher EIS 7 genannt KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 13/25

14 Bild 9: DPT Prio. Schalter (2.001) 6.3 Prio. Schalter (2.001) 3 Mit Hilfe der DPT Prio. Schalter ist es möglich, Aktoren - neben der normalen Bedienung über das Kommunkationsobjekt DPT Ein/Aus - durch eine übergeordnete Steuerung zwangsgeführt zu betreiben. Die Schaltfunktion eines angeschlossenen Verbrauchers hängt vom Zustand seiner beiden Kommunikationsobjekte DPT Ein/Aus und DPT Prio. Schalter ab. Das Kommunikationsobjekt DPT Prio. Schalter hat eine Länge von 2 Bit. Wenn der Wert des 2-bit Objektes 0 oder 1 ist, wird der angeschlossene Aktor über das Schaltobjekt gesteuert. Erhält das Prioritätsobjekt den Wert 2, so schaltet der Ausgang AUS, beim Wert 3 EIN. Der Wert des Schaltobjektes ist in den beiden Fällen ohne Bedeutung. 3 früher EIS8 genannt KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 14/25

15 Bild 10: Funktionsblock "Dimmen" 6.4 Funktionsblock Dimmen 4 Der gesamte Funktionsblock Dimmen besteht neben dem 4-bit Objekt (Relativ Dimmen DPT Dimmer Schritt [3.007]) aus mindestens einem Schaltobjekt (entspricht DPT Ein/Aus) und einem Wertobjekt (entspricht DPT Prozent [5.001]). Über das Relative Dimmen -Objekt DPT Dimmer Schritt erhält der Dimmaktor einen Dimmbefehl, relativ zur aktuell eingestellten Helligkeit. Das Bit 3 der Nutzinformation bestimmt, ob ein Dimmwert oberhalb oder unterhalb des aktuellen Helligkeitswertes angefahren wird. Die Bit 0 bis 2 bestimmen, wie weit gedimmt werden soll. Der Helligkeitsbereich (0-100%) wird dabei in bis zu 64 Dimmstufen aufgeteilt. Der Dimmaktor dimmt immer zur nächsten Dimmstufengrenze. Zum Beispiel: Ein Dimmaktor hat eine Helligkeit von 30%. Wenn ein Sensor 1011 b als Nutzinformation sendet, wird heller gedimmt und zwar bis zur nächsten Dimmgrenze (oder 100% : 4 = 25%, d.h. die nächste Stufe ist somit 50%). Der Dimmcode 0 (das heißt Nutzinformation 00 HEX oder 80 HEX ) bedeutet Dimmen Stopp. Der laufende Dimmvorgang wird abgebrochen und der aktuelle Helligkeitswert beibehalten. 4 früher EIS2 genannt KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 15/25

16 Bild 11: Wertobjekt Mit der Funktion Absolut Dimmen (DPT Prozent) wird ein Helligkeitswert zwischen 1 (Minimum) und 255 (Maximum) direkt eingestellt. Je nach Herstellerapplikation besteht die Möglichkeit, einen angeschlossenen Verbraucher mit dieser Funktion auch einzuschalten (1 Wert 255) oder auszuschalten (Wert = 0). Das Kommunikationsobjekt hat eine Länge von 1 Byte. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 16/25

17 Bild 12: Zwei Byte Gleitkommazahl (9.00x) 6.5 Zwei Byte Gleitkommazahl (9.00x) 5 Mit diesem Datenformat (das einige verschiedene Datenpunkttypen beinhaltet, je nach Art des gesendeten Wertes, z.b. Raumtemperatur DPT Temperatur ( C)) können Zahlen, die physikalische Werte darstellen, übertragen werden. Das Vorzeichenbit S ist das Vorzeichen für die Mantisse. Der vierstellige Exponent E ist ein ganzzahliger Exponent zur Basis 2. Für die Mantisse M ist eine Auflösung von 0,01 definiert. Positive Werte ( S = 0) werden als normale Binärzahl gebildet. Bei negativen Werten ( S = 1) wird die Mantisse als Zweierkomplementzahl kodiert. Das Kommunikationsobjekt hat eine Länge von 2 Byte. 5 früher EIS 5 genannt KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 17/25

18 Bild 13: TP1 Bitübertragung 7 TP1 Bitübertragung Das Bit kennt die logischen Zustände 0 und 1. Technische Logik im KNX TP1: Während logisch 1 ist keine Signalspannung vorhanden. Während logisch 0 ist Signalspannung vorhanden. Das heißt, senden mehrere Teilnehmer gleichzeitig, so setzt sich die logische 0 durch! KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 18/25

19 Bild 14: Kollisionsbehandlung 8 Kollisionsbehandlung Will ein Teilnehmer am Bus ein Telegramm senden und der Bus ist nicht belegt, so kann er sofort senden. Der gleichzeitige Sendewunsch mehrerer Teilnehmer wird durch das CSMA/CA- Verfahren geregelt (carrier sense multiple access with collision avoidance). Die Teilnehmer hören während des Sendens am Bus mit. Bei der ersten logischen 0 (Signalspannung auf der Leitung), erkennt der Teilnehmer mit der logischen 1, dass er einem Teilnehmer Vorrang geben muss und beendet das Senden. Der Teilnehmer, der abgebrochen hat, hört das Telegramm bis zum Ende mit und versucht es anschließend erneut. Das CSMA/CA-Verfahren sorgt dafür, dass bei gleichzeitigem Sendewunsch mehrerer Teilnehmer immer ein Teilnehmer seinen Sendevorgang ungestört beenden kann. Es entsteht somit keine Verringerung des Datendurchsatzes. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 19/25

20 Bild 15: Symmetrische Übertragung 9 Symmetrische Übertragung Die Information wird auf dem Adernpaar symmetrisch übertragen. Der Teilnehmer wertet die Wechselspannungsdifferenz an den beiden Adern aus. Störeinstrahlungen wirken auf beide Adern mit der gleichen Polarität und beeinflussen daher nicht die maßgebende Differenz der Signalspannung. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 20/25

21 Bild 16: Überlagerung von Informationen und Versorgungsspannung 10 Überlagerung von Information und Versorgungsspannung Die Information ist eine Wechselspannung. Für sie ist der Kondensator niederohmig; er wirkt wie eine Leitungsverbindung und schließt den Kreis der Primärseite. Als Sender überträgt der Transformator die Information (als Wechselspannung) auf die Primärseite und überlagert sie mit der Gleichspannung. Als Empfänger überträgt der Transformator die Information auf die Sekundärseite; sie steht getrennt von der Gleichspannung zur Verfügung. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 21/25

22 Bild 17: Kopplung der Spannungsversorgung 11 Kopplung der Spannungsversorgung an KNX TP1 Bus Die Spannungsversorgung speist über die Drossel den Bus. Für die Gleichspannung stellt die Drossel einen niedrigen Widerstand dar (weil die Frequenz = 0 Hz ist). Die Information ist eine Wechselspannung (Frequenz ungleich 0). Für eine Wechselspannung stellt die Drossel einen hohen Widerstand dar. Dadurch stellt die Spannungsversorgung nur eine geringe Belastung für die Information dar. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 22/25

23 Bild 18: Leitungslängen 12 Leitungslängen In jeder Linie sind folgende Leitungslängen zulässig: Spannungsversorgung Teilnehmer m Teilnehmer Teilnehmer m Gesamt Leitungslänge m Mindestabstand von zwei Spannungsversorgungen auf einer Linie m Für den Einsatz dezentraler Spannungsversorgung wird auf das Kapitel Installation verwiesen. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 23/25

24 Bild 19: Leitungslänge TP1 Spannungsversorgung - TP1 Teilnehmer 12.1 Leitungslänge TP1 Spannungsversorgung TP 1 Teilnehmer Der Teilnehmer sendet nur eine Halbwelle (hier gezeigt an der Plus-Ader mit der negativen Halbwelle). Die Drossel, als Teil der Spannungsversorgung, erzeugt zusammen mit den Transformatoren der Teilnehmer die positive Ausgleichs-Halbwelle. Da die Drossel einen wesentlichen Anteil zur Bildung der Ausgleichs-Halbwelle darstellt, dürfen die Teilnehmer bis zu 350 m Leitungslänge von der Drossel (Spannungsversorgung) montiert werden. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 24/25

25 Bild 20: Leitungslänge zwischen zwei TP1 Teilnehmern 12.2 Leitungslänge zwischen zwei TP1 Teilnehmern Das Telegramm benötigt eine bestimmte Laufzeit über die Leitung. Versuchen mehrere Teilnehmer gleichzeitig zu senden, so kann die Kollision bis zu 700 m Leitungslänge (Verzugszeit des Signals tv = 10 µs) aufgelöst werden Gesamtleitungslänge pro Liniensegment Der sendende Teilnehmer wird durch das ständige Umladen der Leitungskapazität belastet. Gleichzeitig werden die Signalflanken durch die Leitungskapazität verschliffen. Durch die ohmsche Belastung (Busleitung und Teilnehmer) des Signals sinkt der Signalpegel. Damit die sichere Datenübertragung trotz der beiden Effekte nicht unmöglich gemacht wird, darf die Gesamtleitungslänge pro Liniensegment maximal m und die maximale Anzahl der Teilnehmer pro Liniensegment 64 betragen. KNX Kommunikation 03 KNX Komunikation Seite 25/25