Интеллектуальное управление автоматикой зданий для повышения энергоэффективности и удобства экспулатации

Министерство образования и науки Российской Федерации                                               Федеральное государственное автономное образовательное учреждение                            высшего образования                                                                                                                 «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Физико-технологический институт                                                                     Кафедра экспериментальной физики
     ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ В ГЭК
     Зав. кафедрой ЭФ 
 ____________________      В.Ю. Иванов	 (подпись)                       
«______» ______________2018 г.

«Интеллектуальное управление автоматикой зданий для повышения энергоэффективности и удобства экспулатации»
     ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
Пояснительная записка
14.03.02 26.51.42.120 035 ПЗ

Руководитель 
профессор, д.ф.-м.н.
_____________
Кокорин А.Ф
Нормоконтролер 
вед. инж.
_____________
Лазарев Ю.Г.



Студент гр.
_____________
Ловцов С.Д.

Екатеринбург
2018 


РЕФЕРАТ
     Пояснительная записка … с., 5 ч., .. рис., ...табл., ... источников.
     ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АВТОМАТИКОЙ ЗДАНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ И УДОБСТВА ЭКСПУЛАТАЦИИ.
     Цель настоящей выпускной квалификационной работы (ВКР) состояла в исследовании систем автоматизации  для предприятий и жилых зданий в целях улучшения их энергоэффективности, а также разработке проекта на основе существующего решения. 
     В рамках ВКР(выпускной квалификационной работы) была изучена литература и интернет источники, посвященные автоматизации процессов и энергоэффективности использования ресурсов. В результате работы был создан проект на базе технологии KNX по управлению климатом в апартаментах. Настройка системы проходила через ПО Engineering Tools Software 5(ETS5).
     В данный момент созданная система проходит стадию согласований и в скором времени будет установлена в апартаменты.
     Проделанная практическая часть работы это малая часть возможностей которые может предложить технология KNX. В частности не были затронуты такие функции как диммирование, управление жалюзи(которые также вносят свой вклад в энергоэффективность), видеонаблюдение, пожарная безопасность и многие другие, что подразумевает дальнейшее изучение KNX и работу в данной области.
     Можно сказать, что в ближайшее время тема автоматизации предприятий и жилых зданий будет более актуальна в связи  с постоянным повышение цен на энергоносители. Также росту ее популярности будет способствовать постепенно снижающаяся цена на KNX решение в связи с появлением достойных конкурентов в лице Apple Home Kit и других

СОДЕРЖАНИЕ
РЕФЕРАТ	2
ВВЕДЕНИЕ	4
1.	ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ.	5
1.2 Энергоэффективность в мире	5
1.3 Россия	6
1.4 Европейский Союз	7
2.	СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ЗДАНИЕМ.	10
3.	АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ	15
3.1 KNX.	15
3.1.2 Шина KNX	16
3.1.3 Физическая топология шины KNX	17
3.1.4 Устройства	20
3.1.6 Адресация и команды	21
3.1.7 Программирование	23
4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЖИЛЫХ ДОМОВ И ПОМЕЩЕНИЙ	27
4.1 Apple Home Kit	27
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.	30
5.1 Работа с системой управления на примере апартаментов.	30
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.	36
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ	38
ПРИЛОЖЕНИЯ	40
ПРИЛОЖЕНИЕ А Спецификация на ЩУ	40
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Справочные данные на контроллер homeLYnk	44
ПРИЛОЖЕНИЕ В Справочные данные на контроллер Modicon 168	45
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Справочные данные на мод. расширения (для Modicon) TM168E17.	46
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Справочные данные на модульный блок питания ABL8MEM24012	48
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Справочные данные на источник питания MTN684064	50
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Вид общий ЩУ.	51
ПРИЛОЖЕНИЕ И Схема электрическая принципиальная.	52
ПРИЛОЖЕНИЕ К Инструкция по управлению климатом апартаментов.	53



ВВЕДЕНИЕ
     С развитием технологий жизнеобеспечения зданий появляется возможность автоматизации всех инженерных систем здания. 
     Автоматизация инженерных систем здания позволяет существенно уменьшить расходы на коммунальные услуги, повысить энергоэффективность, повысить комфорт ежедневной эксплуатации жилья, автоматизировать рутинные дела, снизить затраты на обслуживающий персонал, осуществлять управление и контроль работы сложнейших систем без участия человека, централизованно собирать показатели работы и ошибки технически сложного оборудования. 
     Если говорит о коммерческом секторе, то, помимо снижения потребления энергоресурсов, автоматизация здания может существенно повысить эффективность рабочего процесса. Это обеспечивается за счет постоянной освещенности, контролем за концентрацией углекислого газа, мешающей плодотворной мозговой деятельности, за счет эффективной вентиляции и правильным температурным режимом. 
     С повышением тарифов на коммунальные услуги перед владельцами зданий все ярче встает вопрос об удешевлении эксплуатации. Политика энергоэффективности зданий ведется не только их владельцами, но и активно продвигается на государственном уровне. За эффективную эксплуатацию систем отопления и вентиляции ответственность возлагается на обслуживающий персонал зданий, на собственников. 
     Это грамотная политика стратегически видящего государства, ведь зачастую мы даже не задумываемся, зачем нужно экономить ресурсы. А ведь неизбежно нас ждет постнефтяная эра, переход к которой будет очень болезненным, если мы не созданием технологический задел для эффективного использования ресурсов. 
     Если раньше домашняя автоматика, «умный дом» была за гранью доступности массовому потребителю, то сейчас ситуация в корне меняется. На рынке появляются все больше доступных систем, удобных беспроводных протоколов, позволяющих без ремонта преобразовать свой дом в «умный». Ну и, конечно, мобильная технологическая революция двигает область автоматизации зданий в сторону перенятия лучшего опыта по визуализации, интерфейсам и устройствам управления.





1. ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ.
     Энергоэффективность — эффективное (рациональное) использование энергетических ресурсов. Использование меньшего количества энергии для обеспечения того же уровня энергетического обеспечения зданий или технологических процессов на производстве. Достижение экономически оправданной эффективности использования ТЭР при существующем уровне развития техники и технологии и соблюдении требований к охране окружающей среды. Эта отрасль знаний находится на стыке инженерии, экономики, юриспруденции и социологии.
     В отличие от энергосбережения (сбережение, сохранение энергии), главным образом направленного на уменьшение энергопотребления, энергоэффективность (полезность энергопотребления) — полезное (эффективное) расходование энергии.
     Для населения — это значительное сокращение коммунальных расходов, для страны — экономия ресурсов, повышение производительности промышленности и конкурентоспособности, для экологии — ограничение выброса парниковых газов в атмосферу, для энергетических компаний — снижение затрат на топливо и необоснованных трат на строительство.
     Энергосберегающие и энергоэффективные устройства — это, в частности, системы подачи тепла, вентиляции, электроэнергии при нахождении человека в помещении и прекращающие данную подачу в его отсутствии. Беспроводные сенсорные сети (БСН) могут быть использованы для контроля за эффективным использованием энергии.
     Энергоэффективные технологии могут применяться в освещении (напр. плазменные светильники на основе серы), в отоплении (инфракрасное отопление, теплоизоляционные материалы)
1.2 Энергоэффективность в мире
     Начиная с 1970-х гг. многие страны внедряли политику и программы по повышению энергоэффективности. Сегодня на промышленный сектор приходится почти 40% годового мирового потребления первичных энергоресурсов и примерно такая же доля мировых выбросов углекислого газа. Принят международный стандарт ISO 50001, который регулирует в том числе энергоэффективность. 
      
      
1.3 Россия
     Россия занимает третье место в мире по совокупному объёму энергопотребления (после США и Китая) и её экономика отличается высоким уровнем энергоёмкости (количество энергии на единицу ВВП). По объёмам энергопотребления в стране первое место занимает обрабатывающая промышленность, на втором месте — жилищный сектор, около 25% у каждого.
     Энергоэффективность и энергосбережение входят в 5 стратегических направлений приоритетного технологического развития, обозначенных Д. А. Медведевым на заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России 18 июня 2009 года.
     Одна из важнейших стратегических задач страны, которую поставил президент в своём указе — сократить к 2020 году энергоёмкость отечественной экономики на 40%. Для её реализации необходимо создание совершенной системы управления энергоэффективностью и энергосбережением. В связи с этим Министерством энергетики РФ было принято решение о преобразовании подведомственного ФГУ «Объединение „Росинформресурс“» в Российское энергетическое агентство, с возложением на него соответствующих функций.
     Для оценки энергоэффективности для продукции или технологического процесса используется показатель энергетической эффективности, который оценивает потребление или потери энергетических ресурсов.
     Согласно нормам налогового законодательства c 1 января 2010 г. организации в налоговом учете вправе применить к основной норме амортизации специальный повышающий коэффициент (не выше 2) в отношении объектов, включенных в перечень, утвержденный Постановлением Правительства РФ от 16.04.2012 № 308. Для применения повышающего коэффициента организациям необходимо произвести расчет индикатора энергетической эффективности (ИЭЭФ).
     Одним из стимулов являются федеральные субсидии и льготы. Из лидеров среди регионов является Краснодарский край. Международные и федеральные банки МБРР и ВЭБ также реализуют свои проекты на территории России. 
      
       
1.4 Европейский Союз
     Германская Ассоциация производителей электротехнического и электронного оборудования ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronik-industrie e.V.) опубликовала в 2008 году результаты исследования, проведенного на базе Строительно-Энергетического института в городе Биберах в Баден-Вюртемберге. Рассматривались различные возможности энергосбережения с применением современных способов управления домами. Технология KNX упомянута в нем, как явно улучшающая экономические показатели эксплуатации жилища. 
     Системы интеллектуального управления зданиями, чаще называемые «умный дом», создаются ради выполнения трех основных задач – комфорта обитателей жилья, их безопасности и экономии средств на эксплуатацию самого дома. В условиях энергетического и финансового кризисов последняя задача постепенно выдвигается на первый план. Датчики и контроллеры, используемые для построения «умного дома» стоят недешево. Однако комплексный подход к оптимизации потребления энергоресурсов решает болезненную проблему высоких затрат на эксплуатацию здания и в конечном итоге оказывается рациональным решением.
     Европейский стандарт EN 15232 для «умного дома»
     Проблема энергосбережения для европейских стран настолько серьезна, что на государственном уровне принимаются решения о внедрении прогрессивных технологий для ее решения. Этой цели служит принятый в ЕС стандарт EN 15232 «Энергетическая характеристика зданий. Значение автоматизации, управления и менеджмента зданий». В нем описана процедура оценки уровня энергопотребления здания в зависимости от внедренной системы автоматизации («умный дом»). Автоматизация затрагивает 4 раздела: отопление/охлаждение; вентиляцию/кондиционирование; освещение; затенение. В соответствии с ее уровнем каждое строение относится в одному из четырех классов, обозначенных буквами от A до D:
     Класс A. 
     Высокоэффективные автоматические системы управления зданием. Отопление всех помещений регулируется связанными между собой контроллерами. Они же устанавливают температуру воды в радиаторах отопления. Достигается полная и взаимная блокировка отопления и кондиционирования. Температура и влажность воздуха в системе вентиляции и кондиционирования контролируется и устанавливается в зависимости от потребности в каждом помещении отдельно. Наличие и уровень освещения регулируется в соответствии с данными датчиков присутствия и временем дня. Жалюзи работают в координации с регулировкой искусственного освещения.
     Класс B. 
     Системы управления зданием с повышенной эффективностью. Структуры управления отоплением и кондиционированием воздуха аналогичны классу A, но блокировка только частична. Все остальные схемы соответствуют классу A.
     Класс C. 
     Стандартные системы автоматического управления зданием. Температура в отдельных помещениях корректируется терморегулирующими вентилями или контроллерами, не связанными между собой. Работает частичная взаимная блокировка отопления и кондиционирования. Расход воздуха регулируется в соответствии с временем суток. Поддерживается его постоянная температура. Влажность ограничивается управление освещением и электроприводами жалюзи – ручное. Данный класс служит стандартным уровнем для оценки всех помещений по уровню энергоэффективности.
     Класс D. 
     Автоматическое управление отоплением отсутствует. Системы отопления и кондиционирования работают независимо друг от друга. Освещение и жалюзи – только с ручной регулировкой.
     На основе европейского стандарта EN 15232 в Германии разработан и внедрен стандарт DIN V 18599. На его основании каждому сооружению выдается соответствующий энергетический сертификат. С 2009 года он стал обязательным документом при сдаче в эксплуатацию или в аренду нежилых помещений.
     Преимущества шинной технологии KNX при автоматизации управления освещением
     Университет Прикладных наук Биберах провел специальное практическое исследование возможностей шинных технологий при осуществлении проектов автоматизации зданий. Результаты исследования были опубликованы компанией ABB и на его основе мы делаем краткий обзор. Как стандартное помещение использовалось современное офисное сооружение с учебными аудиториями, управляемое системой ABB i-bus® KNX. В ее составе есть полный набор контроллеров, датчиков и готовых модулей для построения систем автоматического управления и новых, и реконструируемых зданий. Идея разностороннего подхода к экономии энергоресурсов проста и понятна. Большая часть энергии расходуется на освещение и поддержание микроклимата, то есть нагревание или охлаждение воздуха в помещениях. Эксперименты по управлению освещением  и поддержанию микроклимата с разными конфигурациями и алгоритмами работы оборудования дали следующие результаты:
* Автоматическое управление в соответствии с присутствием в помещении людей, но без регулирования освещенности экономит до 13% энергии. Свет включается датчиком присутствия.
* Автоматическое управление в соответствии с присутствием в помещении людей с регулирования освещенности экономит до 20% энергии. Кроме того, если помещение долго пустует, то датчик присутствия переключает терморегулятор на пониженную температуру.
* Автоматическое управление в соответствии с присутствием в помещении людей с поддержанием в нем постоянного уровня освещенности экономит до 25% энергии. При этом учитывается уровень естественной освещенности для регулирования работы светильников.
* Автоматическое управление в соответствии с присутствием в помещении людей с поддержанием в нем постоянной освещенности с использованием автоматики управления жалюзи экономит до 40% энергии. Угол поворота створок регулируется в соответствии с временим суток и освещенностью помещения.
     На основе экспериментальных данных сделан однозначный вывод о том, что использование шинной технологии KNX повышает энергоэффективность здания на десятки процентов. Максимальный эффект получается от комплексной автоматизации, переводящей здание в класс А. Расходы окупаются максимум через 5 лет (в Германии, с учетом местных тарифов на электроэнергию). Ради таких результатов стоит пойти на определенные сложности и затраты при проектировании и строительстве дома. Что и происходит сейчас в Европе.

2. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ЗДАНИЕМ.
    Комплексная система управления зданием (называемая «умным домом» для частного сектора, «умным офисом», «интеллектуальным зданием» для коммерческого) на этапе проектирования должна включать одинаково совершенные инженерные системы, которые имеют централизованное управление, а внутри их конструкции заложено энерго- и ресурсосбережение.
Такая система обычно состоит из следующих больших подсистем:
* Система управления искусственным освещением.
* Система управления естественным освещением.
* Система управления климатом (Климат-Контроль).
* Управление системами безопасности.
* Системы локального управления, визуализации, центрального управления, удаленного доступа.
* Управление и учет расхода ресурсов (Электричество, тепло, вода и т.д.).
* Централизованное управление и интеграция всеми системами.
    Система управления искусственным освещением призвана решить следующие задачи:
    Повышение энергоэффективности за счет использования диммеров, автоматического включения\выключения света по датчику движения или присутствия.
    Диммирование - плавное изменение яркости, позволяет добавить или убрать акцент в какой-то определённой зоне. Помимо эстетического удовольствия, есть и экономическое преимущество: диммирование снижает потребление энергии и увеличивает срок службы лампочек
    Увеличение комфорта и удобства за счет использования световых сцен (например, сцены «кино», «вечеринка», «чтение» и т.д.), за счет использование групповых сценариев (например, «выключить весь этаж»,«выключить всё»).
    Смена режимов возможна как в ручном режиме, так и в автоматическом. Для рабочих зон (в «умных офисах») – поддержание комфортной освещенности рабочего пространства вне зависимости от времени суток и погоды на улице.
      
   Система чаще всего включает следующие функции:
* Включение \ выключение групп света
* Диммирование групп света
* Поддержание постоянной освещенности
* Автоматическое включение света
* Световые сцены, общие сценарии
* Управление цветом (RBG-LED ленты)

	Система управления искусственным освещением призвана решить следующие задачи:
* Повышение энергоэффективности за счет совместной работы с системой климат-контроля, зашторивания в моменты пика солнечной активности для снижения нагрузки на системы кондиционирования.
* Увеличение комфорта за счет группового управления моторизированными шторами (жалюзи, ролльставнями) совместно с управлением искусственным освещением по освещенности, сцене, временному сценарию.
  Система чаще всего включает управление:
* Моторизированными жалюзи;
* Ролльставнями;
* Моторизированными штора, электрокарнизами.
    Система климат-контроля предназначена для решения следующих задач:
    1)Для повышения комфорта и удобства эксплуатации, то есть автоматического поддержания и изменения комфортной температуры, влажности, циркуляции свежего воздуха внутри помещений. В современном автомобиле для каждого пассажира можно задавать свою температурную зону. Точно так же и в умном доме возможно установить различные условия для всех помещений. Стоит отметить, что допустимо поддержание специфических параметров, характерных для специальных помещений, таких как библиотека, винный погреб, галерея и т.п. Существует большое количество сценариев работы системы управления климатом в зависимости от времени года, смены дня и ночи, проведения праздничных мероприятий. Возможно использовать режимы «уехал», «вне дома», предназначенные лишь для поддержания минимально допустимой температуры.
   2) Для увеличения энергоэффективности. Автоматическая схема климата всегда выбирает самый эффективный режим работы, исключая «войну» климатических систем, тем самым облегчая жизнь и одновременно снижая затраты на электроэнергию. Все элементы климат- контроля на этапе проектирования должны рассчитываться на совместную работу в оптимальном режиме.
    Система чаще всего включает:
* Индивидуальный температурный режим в каждом помещению.
* Управление	отопительными	приборами	(радиаторы, конвекторы, теплые полы).
* Управление вентиляцией (температурой притока, влажностью, скоростью)
* Управление	системой	кондиционирования	(температура, скорость потока)
* Управление фанкойлами (температура, скорость потока)
* Отслеживание	открытых	окон	(для	исключения	обогрева наружнего воздуха)
     Управление системами безопасности подразумевает полноценную интеграцию (считывание состояний линий, реагирования на события, отправка управляющий команд на снятие-постановку на охрану) следующих подсистем:
* Охранная Сигнализация
* Пожарная сигнализация
* Контроль и управление доступом, домофония
* Сигнализация протечек воды, утечек газа
* Видеонаблюдение
    Управление мультимедиа-системами предназначена для решения следующих проблем:
    1)Повышение удобства и простоты использования мультимедиа-комплексами. Системы, состоящие из множества элементов, источников звука, ресиверов, усилителей без единого центра управления сложны при эксплуатации (нужно управлять каждым устройством со своего пульта управления). Роль универсального пульта ДУ может выполнять система домашней автоматизации.
    Система чаще всего включает:
* Видео/аудио мультирум
* Управление системами домашних кинотеатров
* Управление презентационными, переговорными комнатами
    Управление энергопотребителями предназначено для решения следующих задач:
   1)Обеспечение безопасности,   например,   при   отъезде системой  предусматривается отключение  всех  бытовых  нагрузок, розеток за исключением приоритетных (отопление, питание холодильного оборудования, щитового оборудования и т. д.).
     2)Повышение энергоэффективности через систему управления приоритетами. Часто на жилые дома выделяется недостаточная электрическая мощность, и тогда проектируется система контроля приоритетов, которая отключает неприоритетные нагрузки при превышении общей потребляемой мощности. Такие системы могу строится и вне системы автоматизации зданий, но возможности по настройке, гибкости работы, индикации и визуализации у них намного ниже.
     Системы управления и визуализации предназначены централизованного управления всеми инженерными системами, входящие в автоматизацию зданий. Могут быть разные уровни управления:
* Локальное управление и визуализация в помещении.
* Этажное\секционное управление и визуализация.
Глобальное управление и визуализация.
* Подробное централизованное управление и визуализация (для диспетчерских)
* Управление и визуализация удаленного доступа
	
      

     Централизованное управление и интеграция всеми системами. Основная мысль, лежащая в основании автоматизации зданий – эффективное совместное управление всеми инженерными системами. Для реализации этой идеи нужен центральный контроллер, связывающих все элементы между собой и исполняющий комплексный алгоритм управления, осуществляющий связь с различными подсистемами через интерфейсные шлюзы.

3. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ
  3.1 KNX.

   При обсуждении тематики автоматизации предприятия нельзя обойти стороной давно существующие на рынке технологии. Сегодня KNX является одним из наиболее распространенных решений для использования в средних и крупных системах автоматизации домов, офисов и коммерческих помещений. Он появился на рынке более двадцати лет назад и сегодня поддерживается многими крупными производителями электротехнического оборудования.

Логотип KNX
     В ассоциацию KNX сегодня входят более 350 компаний по всему миру. Число сертифицированных продуктов — более 7000. Общее число установленных в мире устройств, отвечающих этому стандарту, составляет по некоторым оценкам более десяти миллионов. Наиболее известными производителями оборудования KNX сегодня являются ABB, Gira и Schneider Electric.

Участники ассоциации KNX
     Основными ключевыми особенностями KNX является гарантированная совместимость продуктов разных производителей, единый программный инструмент (Engineering Tool Software, сокращенно — ETS) для планирования, разработки и реализации проекта, а также официальные курсы подготовки и сертификации специалистов. С технической точки зрения, решения позволяют реализовать все популярные сценарии автоматизации, включая освещение, управление климатом и безопасность.
     Широко осветить данный вопрос в одном единственном материале просто невозможно и данная статья скорее может претендовать на краткое введение в технологию и обзор ее особенностей для незнакомых с ней читателей. Основная часть информации для материала была собрана из документации, источников в сети Интернет, выставок, презентаций и курсов. Однако надеемся, что статья окажется полезеной нашим читателем и позволит им оценить возможности технологии для решения собственных задач. Если данная тематика будет интересна, мы постараемся вернуться к ней уже с более подробными материалами
3.1.2 Шина KNX
     Подавляющее большинство проектов KNX основаны на использовании специальной выделенной проводной шины (витой пары), так что информация в данном материале будет относиться в основном именно к этому варианту. Все контроллеры, датчики и исполнительные устройства подключаются к проводной шине. На практике это означает необходимость разработки проекта и прокладку необходимых коммуникаций во время стройки или ремонта. Формально в стандарте существуют и другие среды передачи (в частности сеть электропитания и радиосвязь), однако они относительно редко встречаются в проектах. В качестве альтернативного варианта, не требующего прокладки дополнительной контрольной шины, достаточно часто используются схемы с выводом всех индивидуальных потребителей на общий щиток. Обе версии имеют свои плюсы и минусы. При этом допускается и их совмещение, если сохраняется соответствие спецификациям KNX.

3.1.3 Физическая топология шины KNX
     Топология проводной шины может быть выбрана достаточно гибко. Допускается использование линейных шин, дерева и звезд. Терминация здесь не требуется, но рекомендуется уделить внимание защите от перенапряжения и гроз. Базовым элементом логической структуры является сегмент, который содержит до 64 узлов. До четырех сегментов могут быть объединены в линии, которые могут быть в свою очередь объединены в область (до 15 линий). На самом верхнем уровне можно объединить в систему до 15 областей. Общее число устройств в одной сети составляет около 58 тысяч.
     Рекомендуется использовать для шины кабель 2?2?0,8, хотя собственно для работы KNX достаточно одной пары линий данных. Вторая пара может использоваться для подачи дополнительного питания (некоторые устройства могут питаться от самой шины KNX) или как резерв.

Кабели, разъемы и монтаж витой пары KNX

     При необходимости, можно использовать на сегменте несколько блоков питания. Интересно, что блок питания должен выдерживать пропадание питания до 100 мс, что повышает надежность работы системы. При создании проекта у вас есть возможность проконтролировать потребление всех устройств на линии на основании их характеристик, предоставленных производителем. Общие характеристики шины следующие:
* максимальная длина кабелей в сегменте — 1000 м;
* максимальное расстояние от устройства до блока питания — 350 м;
* максимальное расстояние между двумя устройствами — 700 м;
* минимальное напряжение на устройствах — 21 В.
   Для объединения сегментов и линий используется специальное соединительное оборудование, способное выполнять функции повторителей, мостов, маршрутизаторов и фильтров пакетов. Обычно все эти функции могут выполняться одним и тем же оборудованием, а действительный алгоритм его работы записывается в момент программирования. Следующий этап масштабирования системы достигается за счет использования мостов в традиционные IP-сети.
   Взаимодействие устройств по шине происходит путем обмена пакетами данных. Скорость обмена составляет 9600 бит/с, а для обработки коллизий используются технология CSMA/CA. Протокол описывает все возможные форматы информационных посылок и типов данных используемых переменных. В частности, в пакете указываются адреса передатчика и приемника, сами данные и контрольная сумма. Общая длина пакета обычно не превышает 23 байт. Время передачи составляет 20-40 мс. Отзывчивость зависит от загруженности шины и числа устройств в ней. В случае простых вариантов контроля освещения, работа выключателей визуально не отличается от прямого управления. Но в крупных нагруженных сетях, в том числе и объединенных по IP, могут потребоваться дополнительные операции оптимизации в зависимости от требований заказчика.
   Предусмотрена схема подтверждения доставки и повторных отправок в случае неудачи, некоторые возможности приоритезации. Интересно, что в стандарте, кроме традиционных бинарных, целых и текстовых переменных, напрямую записаны форматы для работы с яркостью, температурой, давлением, временем, мощностью и другой информацией. Наиболее популярные варианты команд и типы данных включают в себя переключение, управление приводом (включить движение, остановка, шаг), диммирование (относительное, остановка, абсолютное значение) и передачу физических величин (например, температуры).
   Штатных средств для контроля состояния устройств на шине здесь нет. Некоторые производители предусматривают в своих продуктах функцию Heartbeat, но обрабатывать эти сигналы нужно будет внешним контроллером.

3.1.4 Устройства
     Разнообразие устройств данного стандарта можно оценить по представленным на сайтах крупнейших производителей каталогам. В частности последние версии у ABB и Schneider Electric имеют примерно 200 страниц, а у Gira — около 100 (часть каталога о решениях KNX). Конечно, это достаточно грубая оценка, но она вполне дает представление об интересе производителей к данной продукции. Даже одно перечисление возможных групп товаров займет не одну строку: реле (включая управление шторами, жалюзи, воротами), диммеры, кнопки и выключатели, бинарные и аналоговые входы и выходы, датчики (движения, освещенности, температуры, энергопотребления, погоды, протечки воды, дыма, утечки газа), управление климатом (нагрев, вентиляция, кондиционирование), сенсорные панели, мосты в другие системы (IP, DALI, SMS, телефон, электронная почта, домофон, охранные системы), системные компоненты (блоки питания, мосты, интерфейсы программирования, контроллеры).
            
                 При этом модели могут быть как устанавливаемые в стандартные распределительные коробки, так и для монтажа на DIN-рейку. Во втором случае часто используются устройства на большое число каналов управления (в частности реле и диммеры). Обычно устройства подключаются только к шине KNX и непосредственно датчикам или управляемым устройствам, дополнительное питание в этом случае не требуется.
     Все устройства KNX сертифицируются. Для программирования обязательно иметь соответствующий устройству файл конфигурации. Обычно он загружается с сайта производителя и интегрируется в программу ETS. В этой же программе вы можете изменить конфигурацию устройств по предусмотренной производителем схеме. В частности можно выбирать режимы работы выключателей и двоичных входов, скорости регулировки диммеров, корректировать температуру в термостатах.
      В подавляющем большинстве случаев, устройства имеют в своем составе несколько объектов, которые являются минимальной единицей для участия в группах, приема и отправки сообщений, настройки параметров и других элементах проекта.
     Стоит отметить, что гибкость технологии позволяет использовать одни и те же аппаратные устройства для реализации разных функций, что достигается возможностью загрузки в них разных внутренних программ. В качестве примера можно привести трансформацию блока с несколькими реле в устройство управления шторами.

3.1.6 Адресация и команды
     Базовая конфигурация KNX-проектов может считаться децентрализованной — обмен данным между устройствами осуществляется напрямую, без непосредственного участия какого-либо отдельного специализированного контроллера. Такой подход имеет как свои плюсы, так и минусы и нужно рассматривать вопрос в применении к конкретным задачам проекта. Например, таким образом можно реализовать автономный сегмент для управления освещением в доме на базе запрограммированных сцен и алгоритмов. Однако надо отдавать себе отчет в том, что сами устройства относительно простые и при необходимости более сложных алгоритмов взаимодействия потребуется установка дополнительного контроллера. Дальнейшее описание в этом материале касается именно штатных возможностей протокола KNX.

Логическая топология шины KNX
     Адресация устройств обычно использует схему «область-линия-устройство». Размер поля адреса — 16 бит. При этом собственные адреса необходимо прописывать в каждое устройство на этапе программирования системы через ETS. Заметим, что данная операция требует физического доступа (обычно — нажатия на кнопку на корпусе), а после установки адреса можно осуществлять все операции удаленно. В дальнейшем эти адреса можно изменить. В последних поколениях были добавлены индивидуальные серийные номера, что более удобно для программирования, и дополнительная защита для удаленного чтения-записи данных устройства (проверка 4-байтового кода).
     Важными логическими элементами системы являются групповые адреса. Они представляют собой собранные по функциональному признаку устройства. При этом датчик/сенсор (например, кнопка) может отправлять команды только в одну группу, а исполнительные устройства (например, реле) могут принимать информацию сразу в нескольких группах. Отметим, что все устройства в группе должны иметь совпадающие типы данных. Например, нельзя связать отправку бинарного сигнала с выключателя для регулировки яркости. Однако часто бывает так, что одно и то же устройство может отправлять или получать данные разных типов, что может помочь в данной ситуации. Например, диммер может предоставлять интерфейс для нескольких групповых объектов и понимать команды включить/выключить, увеличить/уменьшить яркость и установку заданной яркости в процентах.
     Использование такой схемы позволяет реализовать упрощенное управление группой устройств путем отправки одного сообщения на групповой адрес вместо индивидуальной адресации. Ограничения на максимальное число групповых адресов обычно индивидуальны и указаны в спецификациях оборудования. Для упрощения структуры можно разбивать групповые адреса по определенным категориям. Например, по схеме «этаж-комната-освещение». Размер поля группы также составляет 16 бит.
     Заметим, что кроме непосредственно отправки команд исполнительным устройствам, предусмотрены и другие типы сообщений, например получение статуса. В частности, таким образом можно реализовать сохранение индивидуального управления лампой одной кнопкой (нажатие вызывает переключение) с одновременным участием этого источника света в сцене.
     Здесь стоит обратить внимание на то, что в схеме не предусмотре.......................