KNX Grundlagenwissen | Teil 3: Die KNX Topologie

Topologie bei KNX TP

Bei KNX TP übernimmt die verdrillte Zweidrahtleitung zwei Aufgaben: Sie versorgt die Teilnehmer mit der Versorgungsspannung 24 V DC und ermöglicht den Informationsaustausch zwischen den Teilnehmern. Die kleinste Installationseinheit bildet dabei die sogenannte Linie: Maximal 64 Teilnehmer werden – galvanisch zusammengeschaltet – an eine Busleitung angeschlossen und von einer Spannungsversorgung gespeist. Das Buskabel lässt sich hierbei beliebig verlegen und kann an jeder Stelle verzweigt werden. Als Busstruktur ergibt sich damit eine freie Baumstruktur. Das erlaubt einen sehr flexiblen Aufbau. Bei mehr als 64 Teilnehmern können über so genannte Linienverstärker bis zu vier Liniensegmente zu einer Linie mit maximal 255 Teilnehmern zusammen geschaltet werden, wobei die Linienverstärker als Teilnehmer mitgerechnet werden müssen. In der Praxis wird dieser maximale Linienausbau i.d.R. nicht ausgenutzt, sondern beim Überschreiten von 64 Teilnehmern wird eine neue Linie angelegt. Dies macht einerseits die Anlage übersichtlicher und andererseits hat man später die Möglichkeit, die Anzahl der Telegramme in jeder Linie zu reduzieren, indem man die Filterfunktion der Linienkoppler nutzt. Der Linienkoppler zum Verbinden der beiden Linien, kann auch als Linienverstärker parametriert werden. Die Gesamtstruktur eines solchen Bereiches sieht dann folgendermaßen aus: Über eine Hauptlinie (Linie 0) lassen sich bis zu 15 Linien miteinander verbinden. Die Hauptlinie stellt dabei eine vollwertige Linie dar, d.h., sie benötigt eine eigene Spannungsversorgung. An ihr lassen sich ebenfalls bis zu 64 Teilnehmer anschließen, wobei die eingesetzten Linienkoppler mitzuzählen sind. Auf diese Weise können schon ohne Linienverstärker (d.h. bei maximal 64 Teilnehmern pro Linie) bis zu ca. 1.000 Teilnehmer zusammengeschaltet werden. Als Maximalausbau lassen sich – wie bei Zusammenschaltung der Linien zu einem Bereich – bis zu 15 Bereiche über Bereichskoppler zu einem Gesamtsystem mit bis zu mehreren 10000 Teilnehmern zusammenschalten (theoretisch bis zu 58.384 Teilnehmer). Die Kopplung erfolgt mit einem Linienkoppler, der als Bereichskoppler parametriert wird. Die Linie, die die Bereiche verbindet, wird Backbone (Rückgrat) genannt. Auch sie ist eine vollwertige Linie, an der sich weitere Teilnehmer (bis zu 64 Stück inklusive Koppler) anschließen lassen. Sie benötigt daher auch eine eigene Spannungsversorgung.

Physikalische Adressen bei KNX TP

Jedes KNX Gerät einer KNX Anlage erhält eine eindeutige, einmalige Nummer, die physikalische Adresse. Diese Adresse besteht aus drei, durch Punkte getrennte Zahlen:

Die physikalischen Adressen werden benötigt, um die Geräte eindeutig zu identifizieren und darüber hinaus zum Programmieren der Parameter und Programme in die Teilnehmer. Zum Datenaustausch beim späteren Betrieb des Bussystems sind diese Adressen ohne Belang.

Leitungslängen bei KNX TP

Aus Gründen der Signalbildung und der maximal zulässigen Laufzeitverzögerungen sind in einem Liniensegment die Leitungslängen folgendermaßen beschränkt:

Topologie bei KNX PL

Bei KNX PL dient als »Busleitung« das vorhandene 230-VNetz, das die Topologie des Systems vorgibt. Damit die Signale aber auch bei einem dreiphasigen Netz in allen Netzleitungen vorhanden sind und andererseits die Signale einen bestimmten Netzbereich nicht verlassen, gibt es einige spezielle Netzkomponenten wie Bandsperre, Phasenkoppler und Repeater. Hinsichtlich der Ausdehnung eines Power Line Systems besteht prinzipiell keine Beschränkung. Allerdings nimmt bei großen Ausdehnungen die Signalqualität technisch bedingt ab.

Physikalische Adressen bei KNX PL

Bei KNX PL befinden sich alle Geräte elektrisch an einer Linie, da es keine Beschränkungen auf 64 Teilnehmer pro galvanisch getrenntes Segment gibt. Trotzdem erhalten aus Kompatibilitätsgründen die Geräte eine Adresse mit Bereichs-, Linien- und Teilnehmernummer. Nur bei den Bereichsliniennummern gibt es eine Einschränkung: Es stehen nur acht Bereiche zur Verfügung. Über diese Bereichsnummern ist es auch möglich, acht datentechnisch getrennte Bereiche zu schaffen. Hierzu muss man über Bandsperren voneinander getrennte Datenübertragungsbereiche aufbauen und diese über Medienkoppler, die über eine Twisted Pair Leitung miteinander verbunden sind, zusammenschalten. Diese Medienkoppler haben dann wie die Koppler bei KNX TP Filterfunktionen  – und so ist es möglich, dass Telegrammaufkommen in den Teilsystemen zu reduzieren. Da der Telegrammdurchsatz bei KNX PL deutlich geringer ist als bei KNX TP kann dies eine notwendige  Maßnahme bei Überlastung  des Bussystems sein.

 Topologie bei KNX IP 

KNX IP kann nur als Haupt- oder Bereichslinie ausgeführt werden, nicht als Subnetzwerk  zu KNX TP1 oder KNX PL. Auf  diesen Medien können jedoch Linien- und Bereichskoppler zur Filterung und Trennung von Subnetzwerken eingesetzt werden. Auf IP kann die Topologie entweder  flach sein (d. h. KNX IP Geräte verwenden alle die gleiche IP Multicast Adresse bzw. jedes runtime Telegramm eines KNX IP Gerätes wird von allen anderen KNX IP Geräten direkt empfangen) oder die Topologie wird ebenfalls in „Linien“ logisch  aufgeteilt. Für die letztere Topologie  Lösung existieren z. Z.  jedoch noch keine Geräte, die  die Übersetzung von linienspezifischen  Multicastadressen und  somit eine Filterung von Telegrammen  sicherstellen könnten. 

Zusammenschalten  von KNX TP, KNX PL,  KNX IP und KNX RF 

KNX TP und KNX PL benutzen  dieselben Datenformate,  Gruppenadressen und physikalische  Adressen. Zum Zusammenschalten  beider Teilsysteme  benötigt man einen  Medienkoppler. Hiermit kann  man mehrere KNX PL-Teilsysteme  zusammenschalten  oder eine gemischte Anlage  aufbauen.  Ein Medienkoppler wird auch  für die Ankopplung von KNX  RF Geräten verwendet. Die  TP Linien können dann über  IP gekoppelt werden bzw.  KNX IP Geräte hinzufügen. 

KNX Geräte 

Bei den KNX Geräten unterscheidet  man zwischen  »normalen« Busgeräten  (Sensoren und Aktoren) und  Systemgeräten. Alle Geräte,  die an der Buskommunikation  teilnehmen (Sensoren und  Aktoren, aber auch Systemgeräte  wie Koppler) verfügen  als notwendigen Bestandteil  über einen oder auch zwei  Busankoppler. 

Aufbau von Sensoren  und Aktoren 

Alle Standard-Busteilnehmer  bestehen aus zwei Teilen, Busankoppler  und Busendgerät  (Bild 15). Die beiden Geräte  werden über die standardisierte,  zehn- oder zwölfpolige  Anwenderschnittstelle  (AST) verbunden. Oft findet  man statt der Abkürzung  AST auch die Abkürzung PEI.  Die AST ist bei vielen Geräten  dann nicht zugänglich, wenn die Geräte im Werk zusammengebaut wurden. Dies ist bei Geräteeinbau- Ausführung und bei den meisten Geräten für die Hutschienenmontage der Fall. Als Abkürzung für Busankoppler werden oft die Anfangsbuchstaben der englischen Bezeichnung für Busankoppler (BCU = Bus Coupling Unit) verwendet.

Aufbau von Busankopplern

Weiterhin beinhalten beide Übertragermodule eine Spannungsversorgung für den Busankoppler-Controller und erzeugen Reset- und Save-Impulse für den Mikrokontroller. Der Busankoppler-Controller beinhaltet im Wesentlichen den Mikrocontroller. Ein Mikrocontroller integriert auf einem Chip einen Mikroprozessor sowie verschiedene Speicher und Ein-/Ausgabe- Peripherie. Als Mikrokontroller dienen Standard-Prozessoren, z.B. von Motorola, mit folgenden Speichern:

• RAM-Speicher: Dies ist der kleinste Speicher. In ihm werden variable, beim Betrieb des Gerätes anfallende Werte gespeichert.

• EEPROM oder Flash Speicher: In diesen Speicher werden die vom Anwender zusammengestellten Daten der Applikationsprogramme (z.B. Parameter, Physikalische- und Gruppen- Adressen) gespeichert. Der Inhalt dieses Speichers wird beim Programmieren der Geräte aus dem Projektierungs-PC in die einzelnen Geräte heruntergeladen und dort spannungsausfallsicher gespeichert.

Lange Zeit war die BCU1 der häufigste Busankoppler. Die BCU2, eine Weiterentwicklung der BCU1, ersetzt aber zunehmend die BCU1. Sie bietet mehr Speicherplatz und erlaubt daher die Verwendung von mehr Kommunikationsobjekten und Gruppenadressen. Weiterhin wurden etliche Funktionen, wie man sie z.B. zum Aufbau von Alarmanlagen benötigt, neu implementiert (z.B. Polling, Zugriffsschutz mittels Passwortkontrolle). Für die BCU1 entwickelte Applikationsprogramme lassen sich in die BCU2 laden. Viele Anbieter von KNX Geräten bieten mittlerweile gar keine BCU1 mehr an. Für sehr komplexe Busteilnehmer kommt die BIM112 zum Einsatz, die noch wesentlich mehr Speicherplatz als die BCU2 bietet. Die zehn- oder zwölfpolige Verbindung zwischen Busankoppler und -endgerät wird je nach Bedarf sehr verschieden belegt. In Abhängigkeit des benutzten Endgerätes werden über die Kontakte binäre Signale, analoge Signale oder ein Datenstrom über eine serielle Schnittstelle ausgetauscht. Über einen im Busendgerät eingebauten Kennwiderstand, den die BCU anmisst, wird die Art der Verwendung der Kontakte vereinbart. Viele Endgeräte haben eine eigene Intelligenz, die bis hin zu einem weiteren Mikrokontroller reicht. Der Busankoppler hat in diesen Fällen oft nur die Aufgabe, die Gruppenadressen zu verwalten und den protokollgerechten Datenverkehr sicherzustellen. In selteneren Fällen entfällt sogar die Verwaltung der Gruppenadressen, und der Busankoppler dient wie im Fall der seriellen Schnittstelle nur als Gateway zum KNXBus.

Systemgeräte

Der Linien- oder Bereichskoppler bei KNX TP stellt insofern ein besonderes Gerät dar, als dass er über zwei galvanisch getrennte Übertragermodule verfügt. Das Übertragermodul der übergeordneten Linie stellt hierbei die Versorgungsspannung und den Reset-Impuls zur Verfügung. Weiterhin verfügt sein Controller über einen externen Flash Speicher, worin die Filtertabelle abgelegt ist.

Die Spannungsversorgung bei KNX TP

Jedes Liniensegment benötigt eine eigene Spannungsversorgung. Die KNX Spannungsversorgungen liefern einen maximalen Strom von 640 mA bei einer Spannung von 28 V bis 29 V. Die Nennspannung des KNX Systems beträgt 24 V, wobei die einzelnen Busteilnehmer bis zu einer Spannung von 21 V fehlerfrei arbeiten. Es ergibt sich also von den von der Spannungsversorgung bereitgestellten 29 V bis zu den am Teilnehmer benötigten 8 V eine Reserve von 7 V für eventuelle Spannungsabfälle auf der Leitung oder an Kontaktwiderständen. Jeder KNX Teilnehmer (jeder Busankoppler) hat einen Eigenbedarf von 150 mW zur Versorgung seines Mikroprozessors. Zusätzlich hierzu darf jeder Teilnehmer für den Betrieb seines Busendgerätes noch 50 mW vom Bus entnehmen. Meistens wird dies nicht von allen Geräten ausgenutzt.

Bandsperre, Phasenkoppler und Repeater bei KNX PL