홈 및 빌딩 제어를 위한 KNX 네트워크 전송 매체(1)

전송 미디어로서 버스 케이블

건물 및 빌딩에 대한 제어 및 관리 시스템에 대한 비중이 날로 높아가고 있다. 냉난방은 물론 조명, 환기, 접근 통제 제어 등에 대한 비용과 이들을 최적의 조건으로 통합 제어하는 방안이 새로운 과제로 부각되고 있다. 또한 끊임없이 증가하는 에너지 사용을 최적화하는 방안도 적극 모색중이다. 이에 건물 및 빌딩 제어를 위한 개방형 표준 네트워크인 KNX(KONNEX)가 부각되고 있다.

토폴로지

전송 미디어로서 버스 케이블을 이용하는 경우, KNX 시스템은 라인 및 에리어 내 계층 구조(hierarchical structure)를 제공한다.

(1) 라인 토폴로지
가장 작은 인스톨레이션 유닛은 라인이다. 이것은 최대 4 개의 라인 세그먼트로 이루어져 있으며, 각각 64 장치까지 구비할 수 있다.

라인상에 실제 장치의 수는 선택된 파워 서플라이 및 개별적인 장치의 전력 소모에 따라 달라진다.

다음의 한계값은 라인 내에 케이블 길이를 적용한 것이다.

표 1. 라인 토폴로지의 케이블 길이

라인이 라인 리피터(LR)를 통해 라인 세그먼트로 연장되면, 이 라인 세그먼트는 총 케이블 길이를 1000m까지 다시 표시할 수 있다. 각각의 라인 세그먼트가 적절한 KNX 파워 서플라이에 제공되어야만 한다. 최대 3 라인 리피터가 라인에 병렬로 연결될 수 있다.

(2) 에리어(Area) 토폴로지
1 라인 이상이 이용되면, 최고 15 라인은 라인 커플러(LC)를 통해 메인 라인에 연결될 수 있으며 에리어로 결합될 수도 있다. 최고 64개의 장치는 메인 라인 상에서 가능하다. 메인 라인 상의 최대 장치의 수는 사용된 라인 커플러의 수로 인해 감소된다. 메인 라인은 초크(PS/Ch)를 구비한 자신만의 파워 서플라이에 제공되어야만 한다. 라인 리피터는 백본 라인 또는 메인 라인에서 사용되지 않을 수도 있다.

(3) 복수개의 에리어(Several areas) 토폴로지
복수개의 에리어는 백본 라인을 경유하여 연장될 수 있으므로 각각의 백본 커플러(BC)는 그 에리어를 백본 라인에 접속한다. 마찬가지로 백본 라인에 파워 서플라이를 제공한다.

마찬가지로 장치는 백본 라인상에 있는 것이 가능하지만 그 수는 사용된 다수의 백본 커플로 인해 감소된다.

최대 15 개의 에리어에는, 58000 개의 장치가 함께 작업할 수 있다.

백본 커플러, 라인 커플러 및 라인 리피터는 동일한 장치이다. 실행될 태스크는 토폴로지 내의 배치 위치, 이에 따라 정의된 물리적 어드레스 및 로드된 어플리케이션 프로그램으로부터 시작한다. 백본 커플러와 라인 커플러만이 라인 또는 에리어를 지나 텔레그램(telegram)을 송신한다. 라인 리피터는 모든 텔레그램을 루틴한다.

라인 및 에리어로의 분할은 상당한 이점을 가져온다.

1. 동작의 신뢰성 증가 : 라인과 에리어에 그들 자신의 파워 서플라이가 제공되기 때문에 이에 따른전기적인 절연도 또한 있다. 나머지 시스템은 라인 중 하나라도 기능을 하지 않으면 동작을 계속한다.

2. 라인 또는 에리어의 로컬 데이터 트래픽은 다른 라인과 에리어의 데이터 처리량에 영향을 주지 않는다.

3. 진단 및 유지 보수 목적을 커미셔닝(commissioning)하기 위해 KNX 인스톨레이션의 분명한 개요를 유지하는 것이 가능하다.

ETS 3 스타터가 초기 인스톨레이션에 사용되었다면 시스템은 1 라인 및 64 장치까지로 제한된다. 요구조건이 증가하기 때문에, 더 많은 라인의 계단식 연장 및 삽입이 ETS 3 프로페셔널로 가능하다.

전송 테크놀로지

스위치 명령 및/또는 신호와 같은 정보는 개별적인 버스 장치 사이에서 텔레그램에 의해 교환된다. 임펄스의 전송률, 발생 및 수령에 관한 전송 테크놀로지는, 버스 라인이 매칭 레지스터를 필요로 하지 않으며 어떤 토폴로지도 가능하도록 디자인된다. 정보는 버스 케이블에서 대칭적으로 전달된다. 버스 장치는 두 개의 코어 사이에 교류 전압의 차를 평가한다.

인터퍼런스 방사는 동일한 극성을 가진 두 개의 코어에 모두 영향을 끼치므로 신호 전압 내 실질적인 차이에 영향을 주지 않는다.

버스 억세스

버스 장치 사의의 정보 교환은 이벤트-제어적이다(event-controlled). 개별적인 피스(individual pieces)의 정보는 버스 라인에서 연속적으로 차례차례 전달된다. 따라서 라인의 버스 장치에서 나온 한 피스의 정보만이 동시에 존재한다. 확실성 때문에, 분배된 버스 억세스 절차 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)은 텔레그램 트래픽 및 버스 억세스에 사용된다.

서로 독립적으로 버스를 억세스하는 라인상의 버스 장치의 경우에 불일치(collisions)가 일어날 수 있다. 버스 억세스 절차는 어떠한 정보도 잃지 않고 버스가 최적의 상태로 사용될 수 있다는 것을 보장한다.

텔레그램내 부수적인 우선 순위 구조로 인해, 정보(예를 들면, 폴트 신호)에 우선 순위가 부여될 수 있다. KNX 시스템에서 정보의 교환은 이벤트-제어적이다. 즉, 텔레그램은, 정보를 전달하는데 필수적인 것으로 만드는 이벤트가 일어나는 경우에만 전달된다.

텔레그램 구조와 어드레싱

텔레그램은 버스-특정 정보로 구성되는 바, 이벤트(예를 들면 버튼의 누름)가 전해지는 유용한 정보이며, 전송 에러를 검출하기 위한 테스트 정보로 구성된다.

정보가 문자의 연속임으로써, 문자는 관련된 정보 콘텐트와 함께 필드에서 결합된다.

제어 및 체크섬(checksum) 필드에서 나온 데이터는 트러블-프리 텔레그램 트래픽(trouble-free telegram traffic)에 필수적이며 어스레스되었던 버스 장치에 의해 평가된다.

드레스 필드는 소오스 어드레스와 타겟 어드레스를 포함한다. 소오스 어드레스는 언제나 물리적 어드레스이다. 이것은 송신 장치가 배열되는 에리어 및 라인을 표시한다. 물리적 어드레스는 구성하는 동안 버스 장치에 영구적으로 할당되고 커미셔닝 및 서비스 기능에만 사용된다. 통신 파트너(들은)는 타겟 어드레스로 정의된다. 이는 단일 장치 또는 그룹의 장치일 수 있으며, 그들 자신의 라인, 다른 라인 또는 몇몇 라인 중 분배된 라인에 연결되어 있다. 장치는 몇몇 그룹에 속할 수 있다. 그룹 어드레스는 시스템 내의 통신 링크를 정의한다. 데이터 필드는 명령, 메시지, 세팅 파라미터, 측정값 등등과 같은 유용한 정보를 전달하는데 사용된다.

버스 장치의 구조

동작형 버스 장치(예를 들면, 스위치 센서, 디밍 액추에이터, 블라인드 액추에이터 등등)은 다음과 같은 중요한 두가지 부분으로 구성된다.

* 버스 커플링 유닛(BCU; Bus Coupling Unit)

* 어플리케이션 모듈(AM; Application Module)

버스 장치의 버전과 형태에 따라서:

* 예컨대, 플러시가 장착된 장치의 경우, 버스 커플링 유닛과 어플리케이션 모듈은 물리적 외부 인터페이스(PEI)를 경유해서 연결된다.

* 예컨대, DIN 레일 장치 및 표면 장착 장치의 경우, 버스 커플링 유닛과 어플리케이션 모듈은 분리할 수 없는 유닛으로서 밀봉체(enclosure)에 통합된다.

먼저 처리될 정보는 버스를 통해 버스 커플링 유닛에 도착한다. 버스 커플링 유닛은 그 자신의 물리적 어드레스, 하나 또는 그룹의 어드레스는 물론 파라미터를 구비한 어플리케이션 프로그램과 같은 데이터를 송신하고, 수신하며 저장한다. 마이크로프로세서 – 버스 커플링 유닛의 “두뇌” ? 는 이러한 기능들의 조화를 가진다. 폴트 또는 전압 장애의 경우에 있어서, 데이터는 버스 장치에 보유되고, 버스 장치는 이러한 사태를 위해 프로그램 되어 있는 상태로 설정된다. 마찬가지로 폴트의 정류 또는 버스 전압 복구의 동작도 프로그램 될 수 있다.

어플리케이션 모듈과 어플리케이션 프로그램은 버스 장치의 기능을 정의한다.

이는 푸시 버튼 및 이진 입력과 같은 센서, 이진 출력과 같은 액추에이터, 로드 스위치 및 디밍 액추에이터 또는 이들의 조합을 포함한다.

파워 서플라이

KNX 시스템에는 최대 29V의 초-저전압 SELV(Safety Extra Low Voltage)가 제공된다.

그러므로 버스는 파워 시스템으로부터 절연된다. 따라서, 사용자가 버스 컨덕터를 접촉하는데에 안전하다. 파워 서플라이는 기준 DIN EN 50090의 필요조건을 충족하고 버스 측에서 제한되어 단락을 방지한다. 통합된 초크는 버스 텔레그램에 필요한 고-저항 로드를 나타낸다 즉, 신호는 버스 상에서 감쇄하지 않는다.

제 2 의 무제한 출력을 갖춘 파워 서플라이의 경우, 이러한 출력은 더 많은 라인의 공급에 필요한 중간 초크와의 연결에 사용될 수 있다.

글_ 오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr