Systémové elektrické instalace KNX/EIB (5. část) Ing. Josef Kunc Přenos informací V předchozím čísle jsme naznačili, že přenos dat probíhá formou digitalizovaných telegramů. Veškerý přenos informací vychází z decentralizovaného principu, u něhož není potřebná žádná řídicí jednotka. Každý účastník na sběrnici je vybaven sběrnicovou spojkou, jejímž úkolem je být neustále na příjmu a být připraven vysílat. Znamená to tedy připravenost podle aktuální potřeby přijímat a vysílat telegramy, týkající se činnosti aplikačního modulu s ní spojeného. V paměti sběrnicové spojky je uložen aplikační program tohoto aplikačního modulu. Po sběrnici současně probíhá komunikace a jsou také napájeny všechny sběrnicové spojky. Spotřeba jedné sběrnicové spojky smí být nejvýše 150 mW, pokud je z ní napájen aplikační modul s diodami LED, spotřeba může vzrůst až na 200 mW.
Obr. 1: Vstupní obvody sběrnicové spojky
Vraťme se však k přenosu dat. Pro názornost znovu uveďme zobrazení logických stavů na sběrnici, namodulovaných na napájecím napětí (obr. 2).
Obr. 2: Logická „1“ a „0“ namodulovaná na stejnosměrném napájecím napětí
Při příjmu signálu se na sekundárním vinutí transformátoru v přenosovém modulu sběrnicové spojky sečtou signály z obou primárních vinutí, takže na řídicí obvody sběrnicové spojky jsou přiváděny příslušné pulsy binárního telegramu. Vyskytne-li se na sběrnici poruchový signál (např. elektromagnetickou indukcí), na obou vodičích sběrnice bude jeho průběh např. podle obr. 3. Pulsy na obou vodičích se
v rozdílovém transformátoru odečtou – v ideálním případě bude výsledkem nulový puls. Rozdílový transformátor na vstupech sběrnicových spojek tedy výrazně zvyšuje odolnost systému proti poruchovým signálům.
Obr. 3: Průběh poruchového signálu na sběrnici KNX/EIB
Teoretický průběh přenášených signálů by měl být pravoúhlý, ovšem vlivem indukčností transformátorů sběrnicových spojek a tlumivky v napájecím zdroji a také parazitních impedancí především sběrnicového vedení dochází k deformaci průběhu pulsů a také k přenosovému zpoždění. Náhradní schema sběrnicového vedení je na obr. 4.
Obr. 4: Zednodušené náhradní schema vedení sběrnice KNX/EIB
Přenášené pulsy o vrcholové hodnotě napětí 5 V jsou superponovány na stejnosměrné napájecí napětí 24 V. Účastník, který vysílá telegram, generuje tedy pravoúhlé pulsy na obr. 5 označené jako Uvýst. Během přenosu se vlivem parazitních impedancí vedení postupně deformují – viz průběh Usb. Na vstupu sběrnicové spojky, která příjímá telegram, může být průběh pulsů např. Uvst. Řídicí obvody sběrnicové spojky však zaznamenají puls teprve při dosažení určité úrovně napětí, dané minimálním spínacím napětím Umin. S ohledem na deformaci signálu během přenosu ale nastane časový posun mezi náběžnou hranou výstupního napětí a okamžikem dosažení úrovně spínání vstupního napětí. Takto vzniká přenosové zpoždění τ.
Obr. 5: Deformace signálu při přenosu a vznik přenosového zpoždění
Telegramy používané pro přenos informací po sběrnici KNX/EIB využívají sériového digitálního kódování. Přenosová rychlost je 9,6 kbit.s-1. Znamená to, že pro přenos jednoho bitu je potřebná doba 104 µs. V závislosti na obsahu přenášené informace se mění celková délka telegramu. Přenos jednoho telegramu může trvat od přibližně 20 ms až do asi 40 ms. Nejdelších telegramů se vysílá jen velmi malý počet, takže průměrně dlouhý telegram se přenáší po dobu kolem 25 ms. Za 1 s tak lze ukončit přenos cca 40 telegramů. Takováto komunikační rychlost není sice zdaleka postačující pro řízení technologických procesů v průmyslu apod., avšak pro řízení funkcí v budovách plně vyhovuje. Proto také jen výjimečně bývá akce požadovaná telegramem vykonána zpožděně, nejvýše o několik stovek ms. S ohledem na topologické rozdělení systému do jednotlivých linií a oblastí, které jsou odděleny oblastními a liniovými spojkami nepropouštějícími telegramy do jiných linií, do nichž nejsou adresovány, může komunikace probíhat souběžně i v několika liniích. Také proto nedochází k výrazně velkým zpožděním při přenosu telegramů, i když mnohé z nich budou odeslány i čtyřikrát po sobě, jak je zabezpečeno komunikací systémem CSMA/CA (viz předchozí pokračování). Délka sběrnice v linii, požadavky na napájecí zdroje Předepsaný sběrnicový kabel o délce 1000 m má činný odpor přibližně 72 Ω a parazitní kapacitu asi 0,12 µF (měřeno při kmitočtu 800 Hz). Pro přijatelnou úroveň zkreslení přenášených signálů lze připustit celkovou délku vedení na jedné linii (pro 64 účastníků) nejvýše 1000 m. Pokud linie sestává z několika samostatně napájených větví (až pro 256 účastníků), omezení této délky platí pro každou z těchto větví. Zpoždění signálu τ na celé uvedené délce bude: τ = 72 Ω x 0,12 µF = 9 µs.km-1 Přitom vzdálenost dvou vzájemně komunikujících přístrojů na téže linii nesmí být větší než 700 m. Je to z toho důvodu, aby ze zabránilo přenosovému zpoždění, které by prodlužovalo přenos jednoho bitu na dobu delší než 100 µs. Vezmeme-li v úvahu možné odběry sběrnicových spojek a úbytky napětí na činném odporu sběrnice, největší vzdálenost sběrnicové spojky od napájecího zdroje smí být 350 m. Toto platí pro pokles napětí na 21 V, při němž je plně zajištěn spolehlivý provoz všech elektronických obvodů napájených po sběrnici. Pokud bude potřebné použít na jedné větvi linie dva napájecí zdroje, je potřebné zabránit tomu, aby se na tlumivkách napájecích zdrojů nenaindukovaly napěťové špičky o příliš vysokých hodnotách. Zabrání tomu délka vedení sběrnice mezi těmito zdroji, která musí být alespoň 200 m. Samostatně napájená větev linie smí obsahovat nejvýše 64 přístrojů. Tímto počtem jsou míněny pouze ty přístroje, které obsahují sběrnicové spojky, tedy přístroje programovatelné. Do tohoto počtu se nezahrnují veškeré pomocné přístroje, jako sběrnicové svorkovnice, svodiče přepětí, tlumivky, napájecí zdroje. V elektronickém projektu snadno rozlišíme programovatelné přístroje od pomocných. Ty totiž nejsou opatřeny plnohodnotnou fyzickou adresou. Udává se u nich pouze příslušnost k oblasti a k linii, nezapočítávají se do přístrojů na sběrnici. Takže namísto fyzické adresy ponesou všechny pomocné přístroje na téže linii shodné označení. Např. napájecí zdroj a svodič přepětí náležející 2. linii ve 3. oblasti ponesou shodné označení: 3.2.-. Zdroje pro napájení linií musí vyhovovat řadě podmínek, jejichž splněním napomáhají správnému provozu na sběrnici. Vzhledem k úbytkům napětí na dlouhém vedení sběrnice, v závislosti na odběru jednotlivých sběrnicových spojek, je nezbytné, aby správná činnost těchto spojek byla zaručena v poměrně širokých mezích napájecího
napětí (např. od 15 V do 31 V). Proto není potřebné, aby zdroje byly stabilizované. Jmenovité výstupní napětí zdroje je 29 V DC, s tolerancí +/- 2 V. Každý zdroj ale musí být vybaven elektronickými ochranami proti přetížením a zkratům. Dojde-li k překročení jmenovitého proudu (640 mA pro zdroj pro 64 přístrojů), ochrana odpojí výstup od sběrnice a příslušná dioda LED signalizuje přetížení. Možný vzhled napájecího zdroje je na obr. 6.
Obr. 6: Napájecí zdroj KNX/EIB 640 mA
Velmi důležitý je přechodový děj při krátkodobých výpadcích napájení, ke kterým dochází např. při bouřkách. Po přímém úderu blesku do venkovního vedení vn nebo vvn zpravidla následuje zkrat na tomto vedení. Jeho následkem je činnost samočinných ochran, které vynou a zakrátko – nejdéle do asi 200 ms - znovu zapnou vedení. Pokud zkrat netrvá (což je po úderu blesku do vedení obvyklé), dodávka energie pokračuje. Tento krátkodobý výpadek musí pokrýt energie nashromážděná ve filtračních kondenzátorech zdrojů – při plném zatížení musí zabezpečit dodávku po dobu alespoň 100 ms. Skutečný odběr na sběrnici není trvale na úrovni jmenovitého zatížení, je výrazně nižší, proto z praktického hlediska je množství energie z těchto kondenzátorů plně postačující pro překlenutí uvedeného krátkého výpadku a pro napájení všech sběrnicových spojek. Na činnosti systému KNX/EIB se tedy tyto krátké výpadky neprojeví. Nejmenší možná systémová instalace KNX/EIB
Obr. 7: Přístroje připojené ke sběrnici KNX/EIB
Již jsme hovořili o tom, že systémová instalace s 15 oblastmi a všemi plně obsazenými liniemi může obsahovat 57600 přístrojů. Jak ale bude vybavena zcela nejmenší systémová instalace? Jedná se o pouhou teorii, protože v praxi by takováto instalace přicházela v úvahu jen ve zcela výjimečném případě (např. jako počátek postupně budovaného programovatelného systému). Jako každá systémová instalace musí být i ta nejmenší vybavena napájecím zdrojem (a samozřejmě i ochranou proti přepětí) a rozhraním RS232 nebo USB, jejímž prostřednictvím budou naprogramovány použité přístroje. Nejmenší instalace bude určena pro ovládání jedné funkce, např. pro spínání jednoho svítidla. V tomto případě musí obsahovat alespoň jeden tlačítkový snímač (ve schematickém náčrtu zapojení podle obr. 7 bude ve značce snímače písmeno n uvádějící násobnost prvku nahrazeno číslovkou 1) a jednonásobný spínací akční člen. Tlačítkový snímač bude opatřen sběrnicovou spojkou pro montáž do zapuštěné elektroinstalační krabice, zatímco spínací akční člen bude pro vestavnou montáž např. do svítidla – viz obr. 8.
Obr. 8: Sběrnicová spojka, jednonásobný tlačítkový snímač a vestavný spínací akční člen
Namísto dvou samostatně programovatelných přístrojů lze použít jeden přístroj kombinovaný – zapuštěnou sběrnicovou spojku tvořící konstrukční celek s jednonásobným spínacím akčním členem podle obr. 9. Pro ruční ovládání může být použit tentýž jednonásobný tlačítkový snímač, jaký je na obr. 9. Tento kombinovaný přístroj je opatřen bezšroubovou svorkovnicí pro připojení sběrnice KNX/EIB a desetipólovým konektorem – aplikačním rozhraním – pro připojení aplikačního modulu (v toto případě jednonásobného tlačítkového snímače), stejně jako sběrnicová spojka. Navíc obsahuje i řídicí elektronické obvody a spínací relé se svorkami pro připojení zátěže. Namísto dvou přístrojů připojených ke sběrnici tak lze vytvořit tuto jedinou funkci jedním přístrojem – s jediným připojením ke sběrnici.
Obr. 9: Kombinace sběrnicové spojky a tlačítkového snímače
V obou naznačených případech bude možné naprogramovat spínání svítidla jednou z následujících možností: - stiskem jedné strany tlačítkového snímače se zapíná, na opačné straně se vypíná, - stiskem libovolné strany snímače se zapíná, následujícím stiskem vypíná,
svítidlo se pouze zapíná, samočinně vypíná po nastaveném časovém zpoždění, - svítidlo svítí (nesvítí) jen po dobu stisku tlačítkového snímače. Dvoubarevná dioda LED na tlačítkovém snímači může být nastavena jako signální (jednou barvou svítí v zapnutém stavu ovládaného spotřebiče, druhou barvou ve vypnutém stavu) nebo jako orientační (trvale svítí jednou barvou). V každé systémové instalaci KNX/EIB je nutné použití odpovídajícího počtu napájecích zdrojů (zpravidla jeden zdroj pro linii nebo větev linie s až 64 aktivními prvky). Postačí však jedno komunikační rozhraní RS232 nebo USB pro celou instalaci. -
