В настоящее время существует широкий ассортимент систем автоматического управления инженерными коммуникациями здания от многих производителей. Это как корпоративные, проприетарные системы, так и универсальные системы без привязки к продукции конкретных производителей, из которых KNX, пожалуй, самая известная.
История
Попытки соединить отдельные части установки и управлять ими относятся к 1960-м годам. Рабочие решения появились в 1980-х и 1990-х годах с появлением микрокомпьютеров.
Примеры систем интеллектуального управления зданиями включают:
- 1978 г. – Х10,
- 1990 г. – EIB Instabus,
- 1993 г. – NIKOBUS,
- 1997 г. – LONWORKS,
- 1999 г. – KNX – система совместима c EIB (CENELEC 2003),
- интеллектуальные системы отдельных компаний без взаимной стандартизации и с проблемной совместимостью,
- 2020 - IoT - Интернет вещей.
Система X10 была исторически первой системой домашней автоматизации общего назначения. Она до сих пор остается популярной как недорогой вариант. Запущенная в США в 1978 году, Х10 была разработана для отправки управляющих сигналов по электросети.
Реакция системы при использовании этого метода медленная, а команды, отправленные одновременно, могут мешать друг другу, что приводит к потере команд.
На протяжении многих лет компания X10 (USA) Inc отвечала за некоторые интересные инновации, и система развивалась, в том числе включала двунаправленность, но оставалась недорогой и простой системой.
Затем различными разработчиками были предложены альтернативы с большей пропускной способностью, включая такие системы, как European Home Systems, Lonworks, XD2, CEBus.
В настоящее время, вычислительные технологии, такие как Интернет вещей, наука о данных (Data science) и алгоритмы машинного обучения (ML) помогают анализировать, прогнозировать и разумно отслеживать поведение людей. В современных системах автоматизации изо дня в день все больше применеяется интеграция машинного обучения и искусственного интеллекта (ИИ).
Как появилась система KNX
В 1984 году компания Siemens приступила к разработке системы, основанной на аппаратном соединении устройств электроустановок двухжильным кабелем, работающим на низком напряжении и с использованием программного обеспечения.
В 1987 году компании Berker, Gira, Jung, Insta, Merten и Siemens основали ассоциацию Instabus и продолжили развитие этой системы.
5 мая 1990 года пятнадцать известных европейских производителей электротехнической промышленности основали организацию EIBA - Association for the European Installation Bus.
Деятельность организации EIBA, а также ряда других организаций, разрабатывавших интеллектуальные системы управления зданиями в Европе, постепенно была охвачена организацией KONNEX.
В 2006 году эти три европейские системы были включены в ассоциацию KNX, и стандарт EIB был принят в качестве основного технического принципа. В связи с этим изменилась маркировка продуктов с EIB и EIB/KNX на KNX.
Система KNX/EIB — это единственная глобально стандартизированная система интеллектуального управления зданиями. В то же время это открытая система — в нее можно интегрировать любую другую ранее независимую систему.
Следующие свойства четко определяют стандарт KNX:
- уникальное, независимое от производителя ПО Engineering Tool (ETS),
- адаптивность и функциональная совместимость,
- обеспечиваемые независимой сертификацией продукции, поддержка всех сред передачи (IP/Ethernet, радиочастота, витая пара, передача по линиям электропередач).
Терминология
Для систем автоматизации зданий, которые можно охарактеризовать как надстройку над классической электроустановкой используются различные названия:
- домашняя система (Home System),
- интеллектуальная (умная) система (Smart System),
- интеллектуальная электропроводка,
- коммуникационная шина для автоматизации зданий,
- шинная система управления (BUS-система),
- системная проводка,
- система домашней автоматизации (Home Automation System),
- система (платформа) автоматизации здания,
- система интеллектуального управления зданием (Intelligent building management systems, IBMS),
- децентрализованная система событийного управления,
- Умный дом (Smart House),
- Интернет вещей (Internet of Things, IoT).
Какая установка является умной?
- 0-е поколение — выпоняется то, что запрограммировано,
- 1-е поколение — пользователь устанавливает, когда он хочет, чтобы в доме было тепло, а система сама постепенно изучает тепловые свойства дома и устанавливает начало отопления в соответствии с ними и согласно к температуре наружного воздуха,
- 2-е поколение – по поведению пользователя система сама оценивает, когда должно быть тепло.
Что интеллектуальная установка дает пользователю
1. Упрощение управления
- необходимое действие будет происходить на основе информации от датчика, например, в зависимости от погодных условий, будут опущены жалюзи и отключены выбранные цепи, управляющие теплым полом,
- в системе можно сохранить несколько сценариев, например, освещения для разногов ремени суток и видов деятельности или настройки, связанные с включением аудио-видеосистемы,
- управлять установкой можно также со смартфона, голосом или удаленно через веб-приложение.
2. Сохранение энергии
- установка может подключать возобновляемые источники энергии, накопители энергии, взаимодействовать в рамках Smart grid,
- система отопления, кондиционирования и вентиляции регулируются не только в зависимости от наружной температуры и времени суток, но и от присутствия людей в помещении,
- освещение регулируется по заданным сценариям, а также с учетом дневного света и присутствия людей.
3. Приятная и здоровая обстановка
- температура устанавливается до прихода пользователя,
- можно настроить световую температуру источников света,
- не проблема подключить кондиционер к мониторингу содержания СО2 в воздухе,
- для предотвращения образования электромагнитного смога, некоторые неиспользуемые цепи можно отключить (ночью в спальне).
4. Возможность изменения
- изменение сценариев освещения или распределения температуры можно решить, просто изменив программу,
- легко изменить назначение контроллеров конкретным элементам управления.
5. Координация нескольких устройств
- при открывании окна отключается отопление или включается режим кондиционирования,
- функции жалюзи, обогрева и кондиционирования согласовываются друг с другом,
- освещение также регулируется в зависимости от количества дневного света.
6. Замена отдельных регуляторов
Прежде всего, затраты на приобретение (инвестиции) экономятся за счет того, что система берет на себя функцию регуляторов таких технологий как освещение, жалюзи и отопление.
7. Обеспечение безопасности как в смысле атаки, так и в случае сбоя
В системе используются:
- датчики затопления в комплексе с контролем отключения магистрального водоснабжения,
- датчики пожара и дыма, датчики газа,
- обеспечивает отключение установки (или части установки) при выходе из квартиры, дома,
- датчики присутствия также используются как датчики безопасности.
В данном случае необходимо соблюдать осторожность, чтобы использовать только сертифицированные компоненты.
Само собой разумеется, что установкой можно управлять дистанционно, без необходимости находиться в здании, с помощью мобильного телефона или компьютера.
Свойства систем интеллектуального управления зданием
Аппаратное исполнение:
- системы с центральным блоком – LOXON, TECO;
- системы с распределенной логикой (без центрального блока, интеллект непосредственно в управляющих и исполнительных устройствах - акторах) – KNX;
- системы с распределенной логикой, а также с центральным блоком – EATON xComfort;
- гибридные системы.
Системы интеллектального управления зданием на примере системы KNX
Что такое KNX?
KNX — всемирно признанный стандарт автоматизации коммерческих и жилых зданий. Стандарт был создан 30 лет назад путем объединения трех используемых до того европейских стандартов: European Home Systems Protocol (EHS), BatiBUS и European Installation Bus (EIB или Instabus).
Сообщество KNX в настоящее время объединяет 495 производителей в 43 странах. У компании более 90000 партнеров в 160 странах.
Как работает KNX?
Шина KNX является центральной нервной системой для всех элементов установки. В ней взаимосвязаны все технологии здания. Эта шина устанавливается параллельно обычному источнику питания электроприборов.
Затем вся система контролируется датчиками, детекторами и различными параметрами, которыми конечные пользователи могут удобно управлять с помощью компьютера, телефона или планшета.
Распределенная система означает, что сеть KNX определяется как децентрализованная система и что она не зависит от какого-либо центрального компьютера, то есть все устройства способны продолжать функционировать, даже если другое устройство в сети перестало работать.
Какими частями здания можно управлять по стандарту KNX?
Решения KNX для дома обеспечивают надежную, интеллектуальную и удобную автоматизацию, контроль и управление такими функциями, как освещение, затенение, отоплениеиохлаждение, система безопасности, мультимедиа, управление обычными бытовыми приборами и многое другое.
В коммерческих зданиях KNX помогает оптимизировать и рационализировать строительные работы, автоматизируя управление системами здания, такими как освещение, технология затенения, отоплениеи охлаждение, системы безопасности и многое другое.
Сам факт возможности управлять освещением помещения благодаря домашней автоматизации KNX может быть чем-то действительно удобным не только в домашней обстановке, но и при организации мероприятий. Система KNX позволяет регулировать световой поток и изменять цветовую температуру освещения.
Любой продукт, маркированный официальным брендом KNX, проверяется аккредитованными испытательными лабораториями KNX. Это обеспечивает бесперебойную работу изделий во всей системе.
Основные преимущества установки KNX
1. KNX гарантирует совместимость продуктов, сертифицированных ассоциацией KNX
Процесс сертификации KNX гарантирует, что продукты разных производителей работают вместе и взаимодействуют друг с другом. Это обеспечивает высокую гибкость при расширении и изменении установки.
KNX — единственный стандарт автоматизации зданий, обеспечивающий глобальную сертификацию продуктов, учебных центров (профессиональных и частных учреждений) и отдельных лиц (проектировщиков, интеграторов, подрядчиков).
2. KNX гарантирует высокое качество продукции
Ассоциация KNX требует высокого уровня производства и контроля качества на всех этапах жизненного цикла своих продуктов. Поэтому все производители продуктов KNX должны соответствовать требованиям сертификации ISO 9001, прежде чем они смогут подать заявку на сертификацию продукта по стандарту KNX.
Помимо того, что производители должны соответствовать стандарту ISO 9001, вся продукция также должна соответствовать требованиям европейских и международных стандартов для электронных систем автоматизации зданий.
3. Уникальное и независимое от производителя программное обеспечение ETS
Программное обеспечение ETS позволяет планировать, создавать и настраивать все продукты, сертифицированные для KNX. Программное обеспечение не зависит от производителя, что означает, что системный интегратор может комбинировать продукты разных производителей в рамках одной установки.
4. KNX можно использовать для всех приложений в домашнем управлении и автоматизации зданий
KNX является настолько универсальным стандартом, что его можно использовать для любых функций и приложений в домах и зданиях. От освещения, затенения, отопления, охлаждения, вентиляции, систем безопасности, регулирования систем до управления мультимедийными системами.
5. KNX можно использовать в различных жилых, коммерческих и промышленных приложениях
KNX можно использовать и интегрировать как в новые, так и в существующие установки. Таким образом, установки KNX можно легко расширять и адаптировать к новым потребностям и требованиям с минимальными временными и финансовыми затратами.
KNX можно использовать в частных домах, а также в крупных зданиях, таких как административные здания, гостиницы, конференц-центры, больницы, школы, универмаги, аэропорты и т. д.
6. Энергоэффективность установок
Энергоэффективность – это не только экономия энергии. Речь идет о решении экономических, экологических и социальных проблем одновременно. Общее потребление энергии в здании зависит от их правильного использования. Правильному использованию способствуют шинные устройства.
Шинные устройства регулируют и контролируют освещение, отопление и охлаждение и другие системы здания с помощью датчиков и временных программ, чтобы энергия использовалась эффективно и экономично.
7. Удаленное управление и контроль установок
Установкой можно удобно управлять и управлять с персонального компьютера, планшета или телефона с помощью современных технологий. Можно контролировать все элементы установки, подключенные к системе KNX.
Монтаж сети
KNX может работать через различные среды передачи:
- TP1 (витая пара),
- PL110 (Powerline, электрическая сеть),
- RF (радиочастота),
- Ethernet (IP).
Среди всех них наиболее часто применяется витая пара. В этом случае основой системы является кабель шины KNX, зеленый кабель, который прокладывается при новом строительстве или реконструкции в качестве дополнения к обычному электроснабжению. Таким образом, различные элементы бытовой техники соединяются друг с другом в соответствии со стандартом KNX для автоматизации зданий.
В классической электростановке использование кабелей и проводов в здании необходимо не только для передачи энергии к управляемому прибору, но и отдельных линий для каждого измерения, каждой команды переключения, каждого сообщения. Питающие линии должны быть подключены к каждому контроллеру или регулятору.
В системе KNX все линии, которые не являются абсолютно необходимыми для передачи энергии на прибор, заменены простыми линиями связи — шиной KNX.
Для передачи информации между отдельными элементами системной электроустановки и одновременно для питания входных электронных частей, все последующие электронные схемы некоторых устройств (например, датчиков) также обслуживаются шиной, состоящей из кабеля связи.
Используемый кабель должен быть экранирован из-за возможного появления на шине нежелательных сигналов наведенных помех. Одна пара проводов используется как для питания, так и для передачи информации.
Предусмотрена цветовая маркировка для четкого разграничения жил. Жила провода, подключенная к положительному полюсу источника питания, снабжена красной оболочкой, жила провода, подключенного к отрицательному полюсу, помечена черной оболочкой.
Для некоторых новых устройств KNX/EIB с повышенным энергопотреблением (например, датчиков с сенсорными дисплеями) необходимо обеспечить их вспомогательное питание от дополнительного источника низкого напряжения.
Желатая и белая жилы провода используются как запасные при выходе из строя основной пары, для подачи к устройствам дополнительного питания или передачи других низковольтных сигналов.
В установках, в которых возможны частые изменения технологии работы с вынужденными последующими изменениями в оборудовании электроустановки, а значит, и в способе управления отдельными функциями, применяют специальные плоские кабели, снабженные соединительными разъемами и содержащие как силовые жилы, так и два проводника для шины KNX/EIB. Такой кабель значительно сокращает трудозатраты на монтаж.
Отдельные устройства системы подключаются к этой комбинированной линии соединительными муфтами, оснащенными изоляцией, проходящей через врезные контакты.
С другой стороны, такая линия шины не экранирована, и поэтому защита от наведения мешающих сигналов не гарантируется в достаточной мере.
Диаметры медных жил жил шинного кабеля были определены равными 0,8 мм.
Немецкий учебный лабораторный стенд по KNX:
Конфигурация
Существует два уровня, на которых необходимо настроить систему автоматизации. Прежде всего, это уровень топологии сети и отдельных узлов или устройств. В некотором смысле этот первый уровень является необходимым условием перед настройкой распределенных приложений, т.е. привязкой с настройками параметров.
Конфигурация может быть достигнута за счет комбинации локальных манипуляций с устройствами (например, нажатие кнопки, установка кодового колеса или использование локально подключенного инструмента настройки) и активного обмена данными по управлению сетью по шине (на том же уровне, а также с использованием более централизованные схемы «ведущий-ведомый»).
Для реализации всех потребностей активной конфигурации системы открытая коммуникационная система оснащена набором инструментов для управления сетью.
Эти инструменты можно использовать на протяжении всего жизненного цикла установки:
- для первоначальной настройки,
- для включения многорежимных установок,
- для последующей диагностики и обслуживания,
- для последующего расширения и реконфигурации.
Управление сетью определяет набор механизмов для активного обнаружения, настройки или получения данных конфигурации по сети.
Он предлагает процедуры (то есть последовательности сообщений) для доступа к значениям различных сетевых ресурсов в устройствах, а также идентификаторы и форматы для этих ресурсов — все для того, чтобы все сетевые устройства могли нормально взаимодействовать.
Этими ресурсами могут быть адреса, параметры связи, параметры приложения или полные наборы данных, такие как таблицы привязки, или даже вся исполняемая прикладная программа.
Возможны разные решения конфигурирования и настройки при вводе системы в эксплуатацию:
- Используя подключенный ПК с установленной программой. Такой тип настройки называется «системным режимом». Данные о продукте либо являются частью программы, либо импортируются в базу данных программы. Благодаря этим описаниям продуктов осуществляется привязка и параметризация продуктов;
- Используя подключенные контроллеры, выступающие в роли ведущего устройства, которое ищет устройства в сети и получает информацию об их свойствах, используя дескриптор устройства, отправленный подключенными устройствами. На основе базы данных в блоке управления и соответствующих настроек с помощью дисплея на блоке управления продукты подключаются и параметризуются. Этот тип настройки называют «режимом простого контроллера»;
- Позволяя элементам управления получать датчики в качестве партнерских устройств: только если устройства выдают дескрипторы, которые могут быть подключены, устройства смогут подключиться. В этом случае параметры часто задаются локально на устройстве. Этот тип настройки называется «кнопочным режимом».
- С помощью присвоения меток партнерским устройствам на семантической основе или в соответствии с географическим распределением: только если метки совпадают, устройства смогут взаимодействовать друг с другом. Этот тип настройки называется как «рефлексивный режим логической метки».
Возможности открытой системы HBES
Открытая система связи HBES представляет собой распределенную сеть, которая концентрирует до 65536 устройств в 16-битном индивидуальном адресном пространстве. Логическая топология или структура подсети позволяет использовать 256 устройств на одной линии.
На линии соседние домены логически разделены 16-битным доменным адресом. Без адресов, зарезервированных для блоков межсоединений, (255 x 16) x 15 + 255 = 61455 конечных устройств могут быть подключены через сеть HBES Open Communication System.
Ограничения по установке могут зависеть от факторов реализации (среда, типы сборки передатчика и приемника, мощность источника питания) и окружающей среды (электромагнитные помехи и т. д.). Необходимо учитывать инструкции по установке и продукту.
На радиочастотах помех между двумя соседними установками можно избежать за счет использования расширенной схемы адресации, которая объединяет индивидуальный адрес и групповой адрес в уникальный идентификатор устройства.
Блоки соединения соединяют линии или сегменты, например, в среде витой пары или другой среде. Они могут функционировать как (определенная комбинация) устройств: повторитель, мост, маршрутизатор, фильтр (для оптимизации трафика), защита («брандмауэр») и т. д.
Заключение
Большим преимуществом протокола KNX является вышеупомянутая сертификация. Это гарантирует совместимость устройств разных производителей. Их можно легко комбинировать в установке и не привязывать к продукции одного производителя.
С другой стороны, необходимо отметить, что все типы описанных в статье устройств имеют огромное качество разновидностей, что позволяет реализовать любые идеи и обеспечить оптимальные результаты. Их можно интегрировать в дома, офисы, промышленные здания, школы... Существует множество функций, которые они предлагают, чтобы облегчить жизнь людей.
Конкурентная борьба в этой области огромна, и производители соревнуются по возможностям и количеству параметров в отдельных устройствах, но для пользователя в основном побеждает простота и, прежде всего, цена.