W obecnej dobie światowych osiągnięć w dziedzinie elektrotechniki, elektroniki i automatyki warto zwrócić uwagę na istotne zmiany, a co za tym idzie na przełom, jaki dokonuje się w obszarze instalacji elektrycznych. Jeśli za kryteria, odróżniające od siebie wykonywane rodzaje instalacji, przyjąć funkcjonalność zastosowania, możliwość łatwej i szybkiej rozbudowy oraz aspekt ekonomiczny podczas samego użytkowania, to takie cechy pozwalają przeciwstawić tradycyjnej instalacji elektrycznej instalację inteligentną, często też nazywaną instalacją inteligentnego budynku.

Fot. 1. Przycisk wielofunkcyjny 8-klawiszowy z wyświetlaczem i regulatorem temperatury Merten Fot. 1. Przycisk wielofunkcyjny 8-klawiszowy z wyświetlaczem i regulatorem temperatury Merten.

Pojęcie instalacji inteligentnej jest ostatnimi czasy modnym określeniem stosowanym jednak często nieodpowiedzialnie oraz nazbyt powszechnie. Obejmuje ono szeroki zakres tematyczny i najwyraźniej można je wyjaśnić odnosząc się do miejsc jej zastosowania przy realizacji oczekiwanych zadań. Niniejszy artykuł wprowadzi czytelnika w zagadnienie technologii magistralnej KNX – światowego standardu w dziedzinie inteligentnego sterowania funkcjami budynku, wśród których można wyróżnić oświetlenie, rolety/żaluzje, HVAC (ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacja), zarządzenie energią, systemy bezpieczeństwa, wizualizacja pracy, obsługa zdalna oraz sprzęt AGD.

Organizacja KNX

Technologia magistralna KNX sięga w swej historii początku lat 90-tych, kiedy to oficjalnie pod nazwą EIBA (European Installation Bus Association) została zarejestrowana w Brukseli organizacja zrzeszająca prekursorów i jednocześnie producentów urządzeń tego standardu. Celem stowarzyszenia (od maja 1999 roku jest to organizacja KNX) jest m. in. ustalanie i specyfikacja wytycznych dla samej technologii, norm, standardów oraz certyfikacja i znakowanie nowych produktów znakiem KNX (można też spotkać oznaczenie KNX/EIB):
Na dzień dzisiejszy KNX jako standard potwierdzają m. in. następujące normy:
- CENELEC EN 50090 i CEN EN 13321-1
- standard Europejski,
- ISO/IEC 14543-3 - standard międzynarodowy,
- ANSI/ASHRAE 135 - standard amerykański.

Organizacja KNX zrzesza ponad 100 międzynarodowych producentów urządzeń z zarejestrowaną liczbą około 7000 certyfikowanych wyrobów. Wśród wiodących producentów europejskich można wyróżnić firmy: Merten, będącą jednocześnie jedną z kilku prekursorów tego standardu, ABB, Gira, Berker oraz Jung. Liczba producentów tego standardu wzrasta z roku na rok, co może tylko dobrze świadczyć o popularności i jakości standardu KNX wśród jego użytkowników. Certyfikaty Partnera KNX, uprawniające do wykonywania instalacji posiada w Polsce ponad 350 przeszkolonych instalatorów.

Rodzaje stosowanych urządzeń oraz topologia systemu

Fot. 2. Czujka obecności Argus Merten Fot. 2. Czujka obecności Argus Merten.

Instalację opartą na technologii magistralnej KNX (często też używa się pojęcia systemu KNX) tworzą urządzenia różnych producentów, które wykonane są w tej samej technologii KNX. Urządzenia te dzielą się zasadniczo na trzy grupy. Pierwsza z nich to grupa urządzeń systemowych, wśród których należy wyróżnić zasilacze magistralne zapewniające zasilanie portów komunikacyjnych urządzeń magistralnych, elementy rozbudowy instalacji tzw. sprzęgła oraz interfejsy umożliwiające programowanie urządzeń magistralnych - sensorów (druga grupa) i aktorów (trzecia grupa). Druga grupa urządzeń to tzw. sensory - urządzenia przetwarzające parametry środowiskowe na wielkości elektryczne. Do grupy sensorów można zaliczyć m. in. przyciski z określoną ilością klawiszy, przyciski z wbudowanym regulatorem temperatury i np. dodatkowo wyświetlaczem (Fot. 1), czujki ruchu i obecności (Fot. 2), wejścia binarne oraz czujki parametrów zewnętrznych (nasłonecznienie, wiatr, opad, temperatura). Trzecia grupa to urządzenia wykonawcze (tzw. aktory). Aktory można scharakteryzować jako elektryczne urządzenia wykonawcze realizujące polecenia otrzymane od sensorów. Do grupy tej możemy zaliczyć aparaty sterujące np. oświetleniem, roletami/żaluzjami czy HVAC. O ile sensory mogą być instalowane wewnątrz (podtynkowe puszki instalacyjne), jak i na zewnątrz (elewacja i dach budynku) to aktory w głównej mierze występują w wersji do montażu w elektrycznych skrzynkach rozdzielczych na szynę DIN 35mm (Fot. 3). Medium transmisyjnym służącym do wymiany informacji pomiędzy sensorami a urządzeniami wykonawczymi jest magistrala komunikacyjna, wykorzystująca kabel często oznaczany jako KNX BUS 2x2x0,8. Napięcie robocze urządzeń magistralnych to 24V DC. Podstawową częścią struktury systemu KNX jest linia, do której przyłączone są wyżej wymienione elementy magistralne (max. 64) - sensory i aktory. Rozbudowa systemu polega na dodaniu sprzęgieł, parametryzowanych jako liniowe, pomiędzy kolejno tworzonymi liniami. 15 linii tworzy jeden obszar. W przypadku, gdy system ma być dalej rozbudowany wykorzystuje się te same sprzęgła parametryzowane tym razem jako obszarowe. Umieszczone pomiędzy kolejnymi 15 obszarami tworzą linię obszarową, co w efekcie daje możliwość pracy ponad 14 000 urządzeń magistralnych. W przypadku gdy obiekt, na którym przewidziany jest system oparty na technologii magistralnej KNX, wymaga zainstalowania jeszcze większej liczby urządzeń to sprzęgła można wykorzystać jako tzw. repetery. W takim przypadku jedna linia może posiadać do 255 urządzeń magistralnych, czyli system ponad 57 000 urządzeń magistralnych.

Założenia projektowe i instalacyjne

Fot. 3. Aktor załączający 12/230 V /10 A Fot. 3. Aktor załączający 12/230 V /10 A

Dla opracowania projektu systemu KNX, będącego integralną częścią całego projektu elektrycznego, warto poznać założenia inwestorskie - jakimi mediami (wymieniono je wyżej) inwestor chciałby sterować oraz ile obwodów i jakie wchodzą w skład każdego z nich. Dla przykładu: dla obwodów oświetleniowych należy podać ilość, jaka będzie pracowała dwustanowo - załącz/ wyłącz, dla obwodów z regulowanym strumieniem świetlnym oprócz ilości należy podać moc oraz rodzaj źródła; dla ogrzewania należy podać ilość lokalnych stref (pętli grzewczych), a dla funkcji zaciemnienia - ilość okien, w których instalowane byłyby sterowane rolety, markizy czy żaluzje. Informacje te warunkują dobór aktorów i jednocześnie mają wpływ na wielkość elektrycznej skrzynki rozdzielczej (w przypadku gdy będzie jedna) a więc na ilość aparatów zabezpieczających poszczególne aktory oraz inne niesterowalne obwody odbiorcze. Jeżeli zaprojektowana jest jedna skrzynka, to wówczas wszystkie kable zasilające odbiory należy prowadzić do tej rozdzielnicy. W przypadku, gdy w instalacji występuje więcej niż jedna skrzynka, to dodatkowo należy zapewnić komunikację między nimi łącząc je kablem magistralnym KNX. Dla sensorów zasilanych tylko z magistrali do każdej puszki instalacyjnej sensora należy doprowadzić kabel magistralny. Prowadzenie samej magistrali jest dowolne i może mieć postać linii, gwiazdy czy struktury drzewa, choć zastosowanie pętli otwartej zapewnia szybką interwencję serwisową przy przypadkowym przecięciu (np. przewierceniu) magistrali. Jeśli chodzi o dobór i kolorystykę sensorów, to o ile dla inwestora może to być kluczowe zadanie, to dla projektu może pozostać kwestią wtórną - oprócz ich miejsca rozmieszczenia wewnątrz bądź na zewnątrz budynku nie jest istotne określenie w tej fazie projektu, który sensor czym i jak steruje. Założenia te wiążą się jednocześnie z przybliżoną kalkulacją cenową urządzeń, jakie byłyby instalowane w systemie.

Uruchomienie instalacji

Fot. 4. Panel dotykowy 10,4’’ Merten Fot. 4. Panel dotykowy 10,4’’ Merten

Jeśli na obiekcie przewidzianym do zastosowania systemu KNX:
- zostało odpowiednio wykonane okablowanie,
- zostały założone sensory,
- została zamontowana elektryczna skrzynka(-i) rozdzielcza(-e), zawierająca(-e) zabezpieczenia oraz aktory z podłączonymi obwodami odbiorczymi, to można przystąpić do zaprogramowania urządzeń. Do programowania urządzeń wykorzystywane jest oprogramowanie ETS (Engineering Tool Software), w którym tworzona jest struktura opracowywanego budynku z podziałem na kondygnacje i pomieszczenia. Korzystając z producenckich baz danych aplikacji urządzeń zastosowanych w systemie instalator odwzorowuje w programie ETS elementy, jakie zostały zainstalowane w danym miejscu budynku. Idea programu sprowadza się do stworzenia w nim powiązań pomiędzy odpowiednimi sensorami a aktorami, wyboru wewnętrznych parametrów każdego, gdzie w kolejnym kroku następuje już właściwe programowania każdego z urządzeń z nadaniem adresu fizycznego identyfikującego dane urządzenie w systemie. Programowanie wstępne urządzeń można wykonać na obiekcie lub w miejscu montażu skrzynki rozdzielczej, a następnie tak zaprogramowane urządzenia (również sensory) odpowiednio podłączyć w miejscu instalacji. O wyborze miejsca programowania urządzeń decyduje firma odpowiedzialna za uruchomienie systemu. System oferuje również możliwość programowania na odległość, co ułatwia np. wprowadzenie modyfikacji do systemu, gdy np. firma instalacyjna mieści się stosunkowo daleko od inwestycji.

Obszar zastosowania

Technologia magistralna KNX może być wykorzystywana praktycznie w każdym rodzaju obiektów począwszy od mieszkań i apartamentów, poprzez domy, rezydencje, szkoły, sale gimnastyczne, hotele i budynki biurowe. Każdy z tych obiektów ma swoje indywidualne potrzeby i wymagania, do których system może zostać odpowiednio dopasowany.

Funkcjonalność i przykłady realizowanych zadań

Fot. 5. PDA z interfejsem merten@home Merten Fot. 5. PDA z interfejsem merten@home Merten

Biorąc pod uwagę specyfikę każdego z wymienionych wyżej obiektów, technologia KNX w swoim podstawowym zastosowaniu może być wykorzystywana w każdym z nich do sterowania oświetleniem, żaluzjami, roletami, markizami, zasłonami itp., ogrzewaniem, wentylacją, klimatyzacją czy np. regulacją zasilania obiektu w wodę. W szerszym zakresie wykorzystania instalacji warto wspomnieć o możliwości integracji instalacji z systemem alarmowym oraz z innymi otwartymi systemami automatyki budynkowej jak np. LON.
Instalacja ta umożliwia użytkownikowi obsługę, czyli sterowanie wybranymi wcześniej funkcjami, za pomocą wspomnianych już ściennych przycisków klawiszowych, paneli dotykowych (zdjęcie nr 4), różnego rodzaju czujek ruchu, obecności, natężenia oświetlenia z uwzględnieniem obsługi zdalnej systemu przez telefon komórkowy i urządzenia z dostępem do sieci Internet. Dla przykładu naciśnięcie odpowiedniego klawisza przycisku powoduje wywołanie pewnej funkcji, np. zapalenie światła, podniesienie żaluzji czy załączenie symulacji obecności, która to funkcja realizowana jest poprzez odpowiednie urządzenia wykonawcze. W odniesieniu do tradycyjnej instalacji elektrycznej funkcja klawisza przycisku może przypominać funkcję łącznika tradycyjnego, a funkcja urządzenia wykonawczego może przypominać funkcję przekaźnika czy stycznika.
Dla zobrazowania możliwości instalacji warto jest wymienić kilka bardzo często wykorzystywanych funkcji. Przy sterowaniu oświetleniem istnieje możliwość załączenia za pomocą tylko jednego przycisku sceny świetlnej (odpowiedniej konfiguracji obwodów oświetleniowych) zależnej od potrzeb użytkownika np. w salonie, podczas kolacji, kiedy do stworzenia przyjemnego nastroju część obwodów oświetleniowych należy wyłączyć, część lamp ściemnić, a część nieznacznie rozjaśnić. Przy sterowaniu ogrzewaniem użytkownik ma możliwość redukcji kosztów poprzez czasowe obniżenie temperatury we wszystkich lub wybranych pomieszczeniach. W tym celu załącza tryb stand-by (oszczędnościowy) ogrzewania przed wyjściem do pracy, a przed powrotem do domu - zdalnie (zdjęcie nr 5) lub automatycznie załącza ogrzewanie na tryb komfortowy. Tryb ogrzewania na czas spoczynku tzw. nocny pozwala na zdrowy i spokojny sen poprzez wybranie ręczne lub przywołanie automatyczne innych od poprzednich nastaw temperaturowych. Jeśli instalacja została wyposażona w sterowanie żaluzjami, to można zrealizować zadanie automatycznego ustawienia się kąta lamelek (listków) żaluzji tak, aby wpadające do wnętrza słońce nie raziło użytkowników w czasie pracy czy wypoczynku. Podczas ich nieobecności pozycja lamelek żaluzji może jednak umożliwić dostęp światła naturalnego do wnętrza, przez co samoczynnie zostaje dodatkowo ograniczone ogrzewanie z nastawami temperaturowymi przewidzianymi dla trybu stand-by.
Podobnych przykładów zastosowania technologii KNX można by było podać jeszcze wiele. Wysiłek, jaki pojawia się przy tego rodzaju instalacji, związany jest z postawieniem dla niej wymagań, czyli określenia zadań, jakie instalacja ta ma zrealizować dla danego obiektu. System dopasowuje się do potrzeb użytkownika, a nie użytkownik do systemu. Poznanie możliwości tej technologii warunkuje wykorzystanie jej w praktyce, a pojawiające się na rynku nowe urządzenia są odpowiedzią na coraz to nowe wymagania inwestorów.

Ireneusz Rzeczkowski




x