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Linux-Magazin 12/2016
© epicstockmedia, 123RF

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KNX – Bussystem für intelligente Gebäudetechnik

Der Bus ins Bad

Auch im Zeitalter von Wifi, Zigbee, Z-Wave & Co. verliert das Schwergewicht unter den Systemen für Gebäude­automation, der KNX-Bus, nicht an Bedeutung, denn Zuverlässigkeit, Robustheit und Standardisierung stehen bei Bauherren hoch im Kurs.

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Wer heute mit dem Gedanken spielt, sein Eigenheim in ein Smart Home zu verwandeln, stößt früher oder später auf ein Gebäudeautomations-System, das bereits seit eineinhalb Jahrzehnten erfolgreich im Privatbau, Zweckbau und im industriellen Umfeld eingesetzt wird: KNX [1]. Die Feldbus-Variante bietet, bedingt durch ihr respektables Dienstalter, eine enorme Vielfalt unterschiedlicher Produkte und erlaubt die herstellerunabhängige Vernetzung aller Gewerke.

Technisch gesehen ist KNX der rückwärtskompatible Nachfolger des EIB (Europäischer Installationsbus) und als Feldbus spezialisiert auf Anwendungen in der Gebäudeautomation. Seine Ursprünge reichen bis in die frühen 90er Jahre zurück. Im Jahr 2002 wurde die KNX-Spezifikation von der noch heute maßgebend verantwortlichen KNX Association vorgestellt mit dem Ziel, das KNX-Protokoll als weltweit einzigen offenen Standard für Haus- und Gebäudesystemtechnik anerkennen zu lassen. Das gelang dann im November 2006. Seither wird das Protokoll zusammen mit seinen vier Übertragungsmedien als internationaler ISO/IEC-Standard 14543-3 [2] geführt.

Heute sind in der KNX Association [3], der Eigentümerin des KNX-Standards, knapp 400 Mitgliedern vertreten, alles führende Unternehmen aus dem Bereich der Gebäudetechnik. Zu den in Deutschland bekanntesten Herstellern zählen und anderen Gira, Jung, Hager/Berker, ABB, Busch-Jäger, Dehn, Osram, Siemens und viele weitere. Hinzu kommen 44000 Partner in mehr als 120 Ländern. Die Anzahl der KNX-zertifizierten Produkte beläuft sich auf etwa 7000.

Die Palette der verfügbaren Produkte deckt den vollen Anwendungsbereich in der Gebäudeautomation ab. Dazu gehören die Bereiche Beleuchtung, Beschattung, Heizung, Temperaturregelung, Sicherheit/Alarm, Belüftung und Klimatisierung, Energiemanagement/Smart Metering und Bewässerung.

Über Umwege (so genannte KNX-Gateways) sind auch Multimedia-Anwendungen, Türkommunikation und sogar intelligente Haushaltsgeräte erreichbar. Mehrere Millionen erfolgreiche KNX-Installationen weltweit unterstreichen die Bedeutung – Grund genug, sich den Standard KNX und die zugrunde liegende Technik einmal genauer anzusehen.

Dezentrales System mit verteilter Intelligenz

KNX ist als dezentrales System ausgelegt, benötigt also keine zentrale Steuerung. Jedes KNX-Gerät (Bus-Teilnehmer) besitzt eigene Intelligenz und kann über den Bus aktiv mit den anderen Teilnehmern kommunizieren.

Die Vielzahl an erhältlichen KNX-Geräten lässt sich in drei Klassen einordnen:

  • Aktoren (zum Beispiel Schaltaktor, Dimmaktor),
  • Sensoren (dazu zählen Präsenzmelder, also sehr empfindliche Bewegungsmelder, oder auch Tastsensoren als Bedienelement) und
  • Systemgeräte (Spannungsversorgung, KNX-IP-Interface, Gateways).

Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Gerätetypen und deren Anwendung:

Tabelle 1

Die wichtigsten KNX-Gerätetypen

KNX-Gerätetyp

Gerätefamilie

Einsatzzweck

Spannungsversorgung

Systemgerät

notwendiges Gerät für die Bereitstellung der Busspannung

KNX-IP-Router

Systemgerät

Übergang in die IP-Welt, wird benötigt für die Inbetriebnahme (mit ETS-Software)

Linienkoppler/Bereichskoppler

Systemgerät

ermöglicht größere KNX-Anlagen mit mehr Teilnehmern und erlaubt die Telegramm-Filterung

Wetterstation

Sensorik

liefert Wetterdaten und ermöglicht zum Beispiel die Fassadensteuerung der Jalousien

Präsenzmelder/Bewegungsmelder

Sensorik

erfasst die Anwesenheit von Personen und dient unter anderem zur Steuerung von Beleuchtung

Tastsensor

Sensorik

Wand-Bedienelement, übernimmt die Funktion konventioneller Schalter/Taster

Raumcontroller

Sensorik

ähnlich Tastsensor, hat jedoch je nach Modell Zusatzfunktionen wie LED-Anzeigen oder Raumtemperaturregelung

Schaltaktor

Aktorik

dient zum universellen Schalten von Lasten jeglicher Art

Jalousieaktor

Aktorik

spezieller Schaltaktor für die Ansteuerung von Jalousien und Rollläden

Dimmaktor

Aktorik

ermöglicht das Dimmen von Lampen

Heizungsaktor

Aktorik

steuert thermoelektrische Stell-Antriebe in Heiz- und Kühlsystemen an

Jedes KNX-Gerät besitzt ein vom Hersteller vorgegebenes Applikationsprogramm, das ihm die gewünschten Fähigkeiten verleiht. Der Anwender kann dieses Applikationsprogramm zwar durch neue kostenlose Versionen ersetzen, aber selbst nicht modifizieren. Um das Gerät an seine Bedürfnisse anzupassen, verändert er die dafür vom Hersteller vorgesehenen Parameter. Dieses so genannte Parametrieren bewerkstelligt der Anwender mittels eines Werkzeugs, das sich ETS (Engineering Tool Software) nennt (Abbildung 1).

Abbildung 1: ETS 5 – eine standardisierte Inbetriebnahme-Software für alle KNX-Systeme.

Die ETS ist eine Planungs-, Projektierungs- und Inbetriebnahme-Software für alle KNX-zertifizierten Produkte. Sie ist herstellerunabhängig und fester Bestandteil des KNX-Standards. Als solche wird sie auch zwingend für die Inbetriebnahme und Änderung einer KNX-Anlage benötigt. Dem Nachteil, dass es zur ETS keine Alternative gibt, steht der Vorteil gegenüber, dass jeder KNX-kundige Anwender sie bedienen kann.

Elektriker und Systemintegratoren warten somit ohne Einarbeitungszeit in die Bedienung jede beliebige KNX-Anlage, sie müssen sich allerdings noch mit den gerätespezifischen Eigenschaften und Parametern vertraut machen. Im laufenden Betrieb werden weder der Inbetriebnahme-PC noch die ETS benötigt. Ist die Anlage einmal parametriert, verrichtet ein KNX-System von da an vollkommen autark seine Aufgabe.

Ein KNX-Gerät durchläuft eine aufwändige Zertifizierung, ehe es das KNX-Logo tragen darf. Die Zertifizierung umfasst auch die Applikationssoftware und die Kompatibilität zur ETS. Das gewährleistet, dass alle KNX-Teilnehmer miteinander über den gemeinsamen Bus kommunizieren können. Nicht nur in der Theorie, sondern auch in der Praxis lassen sich die Produkte unterschiedlichster Hersteller miteinander kombinieren. Ein zehn Jahre alter Schaltaktor von ABB wird auch heute noch problemlos mit einem fabrikneuen Präsenzmelder von Gira zusammenarbeiten. KNX ist damit das genaue Gegenteil einer Insellösung und bietet einen außerordentlich hohen Investitionsschutz. Bei einem so langlebigen Gewerk wie der Elektroinstallation ist diese Herstellerunabhängigkeit eines der wichtigsten Argumente.

Der Planer einer KNX-Anlage muss sich daher keine Gedanken hinsichtlich Kompatibilität machen, sondern kann die einzelnen Komponenten je nach Preis, Qualität und nicht zuletzt den Fähigkeiten der jeweiligen Applikationssoftware zusammenstellen. Über die ETS lassen sich sogar Geräte, die real gar nicht installiert sind, in ein bestehendes System aufnehmen und parametrieren. Eine schöne Möglichkeit, die Applikationen unterschiedlicher Hersteller zu vergleichen. Ein KNX-System lässt sich zudem bereits projektieren, ohne physikalischen Zugriff auf die Anlage zu haben.

Die Übertragungsmedien

Damit ein KNX-System Sensordaten und Steuerungskommandos übertragen kann, braucht es ein Übertragungsmedium. KNX kennt davon mehrere. Mit Ausnahme von so genannten Kopplern ist ein KNX-Gerät dabei aber jeweils nur für ein einzelnes Übertragungsmedium ausgelegt.

In KNX-Installationen fällt eine typische hellgrüne Leitung auf (Abbildung 2). Bei genauem Hinsehen lässt sie sich sehr oft in Zweckbauten und Industriegebäuden finden. Im Privatbau ist sie oft unter Putz versteckt, kommt aber mehr und mehr zum Einsatz. Es handelt sich dabei um eine zertifizierte Mantelleitung vom Typ YCYM 2x2x0,8 mit einer Prüfspannung von 4 kV und zwei verdrillten und geschirmten Adernpärchen (rot/schwarz und gelb/weiß).

Abbildung 2: Ein KNX Hutschienen-Gerät mit Busanschluss.

Der KNX-Bus benötigt davon nur das rot/schwarze Adernpaar, das sowohl die Spannungsversorgung, als auch das Datensignal selbst führt. Der 24-Volt-Versorgungs-Gleichspannung (Nennspannung) wird dabei die Informations-Wechselspannung aufgeprägt. Das zweite freie Adernpärchen (gelb/weiß) hat keine Funktion und darf etwa als zusätzliche Kleinspannungsversorgung dienen.

Die grüne KNX-Leitung hat den großen Vorteil, dass sie ausdrücklich direkt neben den klassischen 230-Volt-Installationsleitungen (zum Beispiel NYM-J 5x1,5) verlegt werden darf, und das ohne Beachtung eines Mindestabstands. KNX ist ein SELV-System (Safety Extra Low Voltage, Sicherheitskleinspannung) und daher per Definition berührungssicher.

Die grüne Leitung, genannt KNX TP (Twisted Pair), ist – wie schon gesagt – nur ein mögliches Übertragungsmedium für KNX, wenn auch mit Abstand das am meisten eingesetzte. Weitere im Standard enthaltenen Medien sind KNX-PL (Powerline), KNX-RF (Funk) sowie KNX-IP (Ethernet, IP). KNX-PL, das keine separate Busleitung benötigt, sondern ein vorhandenes 230-V-Wechselspannungsnetz für die Spannungsversorgung und Datenübertragung nutzt, hört sich zunächst wie die perfekte Nachrüstlösung an, wird aber leider immer noch von zu wenigen Herstellern unterstützt und fristet eher ein Nischendasein.

Etwas besser sieht es dagegen mit dem funkbasierten KNX-RF aus. Auf der Weltleitmesse für Licht und Gebäudetechnik, der "Light + Building Messe 2016" in Frankfurt, konnte man im März dieses Jahres einige Hersteller finden, die vermehrt KNX-RF-Produkte anboten. Speziell als Ergänzung zu einer kabelgebundenen KNX-TP-Basisinstallation eignen sich RF-Geräte wie zum Beispiel Taster oder Unterputzaktoren für Steckdosen und Jalousiemotoren perfekt. Die Anbindung an KNX-TP geschieht dabei transparent über RF-TP-Linienkoppler.

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