最近幾年來,無論是在住宅或商業建築,有關舒適性和多功能性的需求都在快速成長。這意味著一個符合智慧控制,能耗低,高階安全性的複雜系統。在過去,這樣系統對於電氣佈線而言是相當複雜,如圖1所示,每個不同功能的設備都需要有其獨立的控制電線。因此,這對於設計者來說需要花費大量時間與精神,同時裝配工也需要大量工時, 並代表對於未來的維修提升難度。

高密度的電纜有可能引發火災。因此一種可用於各種控制器或感測器或致動器之間的新型通訊系統被開發出,且被命名為‘KNX’(即Konnex標準)。KNX系統僅使用兩條實體電線做於傳輸訊號並可與230電源線一起佈局。KNX系統大大降低了先前所提到舊式複雜的電線佈局,進一步降低事後維護和火災風險。

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圖1:傳統建築系統(左) vs. KNX系統(右)

KNX專用電源

KNX系統不僅可以由少數量的設備構成,也可以為建築物中使用數百設備的複雜系統。以上兩種情況下,皆需要KNX專用電源為KNX匯流排(Bus)供電。在這裡我們解釋了為什麼KNX專用電源為KNX Bus環境至關重要,而且無法採用傳統開關電源來代替,如圖2所示:

  • 第一種情況:僅有兩個設備的簡單系統(按鈕和致動器用於控制電動百葉窗)。當使用者意圖觀賞窗外風景時,只需按下按鈕控制百葉窗。很可惜的是這個系統並不能正常工作。原因為KNX Bus未被供電故從按鈕的命令不能被傳輸到致動器。
  • 第二種情況:與第一種雷同,但Bus 上多加一個30Vdc的常規開關電源。故現在可以按鈕以傳送所謂的「主動脈衝」(Active Pulse)訊號於致動器。然而,致動器仍然無法接收且動作,因為該訊號並不是完整且正確的KNX訊號。
  • 第三種情況:內含Choke 的KNX專用電源取代常規開關電源加入到系統中。當按鈕傳送主動脈衝訊號到Bus時,KNX專用電源會立即響應並產生「均衡脈衝」(Equalization Pulse)訊號。

正確的主動脈衝和均衡脈衝組合實現在數位世界‘0’的訊號。代表‘0’合併後的波形應在104微秒完成,相當於10KHz。在接下來的104微秒可為另一個完整的組合訊號代表‘0’或可以為無波形(僅30Vdc)表為‘1’。這樣的‘0’和‘1’連續組合代表了使用者從按鈕發出的控制訊號來給予致動器來接收。

因此,在KNX專用電源加入後這種簡單的KNX系統終於可以運行正常。同樣的工作原理可用於其它KNX設備,例如照明設備、暖器設備、HAVC空調設備、安全監控設備...等等。簡單且唯一的電線佈局提供了複雜系統最大的靈活性。每個KNX設備於Bus所用於發射和接收訊號所消耗的電源為10毫安培。假設KNX專用電源的額定為640毫安培,這意味著Bus上的設備最大容許數目是64個。因此KNX專用電源是非常重要的以確保KNX Bus系統的正常運行。

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圖2:場景1匯流排未供電(左);匯流排有供電但不是KNX電源(中間);完整且有效的KNX匯流排系統,可發送正確的數位‘0’和‘1’通訊命令(右)

KNX開關執行器

KNX執行器的功能可將來自感測器自動控制開關或計時器等裝置發送的命令轉換為動作,也可以作為KNX系統照明百葉窗和加熱應用的電氣設備之間的介面。目前最具經濟效益的主流解決方案是使用機械式繼電器的執行器,這類的執行器可接通或斷開各種類型負載,如圖3顯示裝有機械式繼電器的KNX開關執行器。

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圖3:緊湊型(4個標準單元) KNX執行器,在有限空間中配置8個機械繼電器

建築物自動化系統中高度可靠之關鍵在於KNX開關執行器使用的繼電器品質。

EN60669-1(開關應用在家用裝置和類似固定電氣裝置的通用標準)是定義繼電器性能和耐久性的標準之一。其19.1部份規定了正常運作(滿載與cosƟ= 0.6)的繼電器,需滿足至少40000次開關操作而不損壞。 標準亦定義AX為(電容性)螢光照明負載類別。 140μF的負載是測試的最低要求,並且應至少開關操作運行10000次。例如明緯的產品除了滿足第19.2部份的最低要求外還進一步加強測試至220μF已確保產品的高可靠度。雖EN60669-1法規中尚未規範到LED驅動器,但一般LED驅動器因其電路設計特性,可認定為電容型負載。因此KNX開關執行器其負載為LED驅動可以參照19.2部份的要求。

另一個標準EN 60947-4-1(低壓開關裝置和控制裝置第4-1章節:接觸器和馬達啟動器、機電式接觸器和馬達啟動器)也定義KNX開關執行器於常見應用的最低要求,例如工業用馬達負載或住宅用螢光燈負載。

EN60947-4-1中的下列負載類別通常用於KNX建築物自動化:

  • AC1 - 無感或輕微感性負載,電阻爐(與電阻性負載有關,cosƟ= 0.8)
  • AC3 - 籠型馬達:運行期間啟動或關閉(與電感性馬達負載有關,cosƟ= 0.45)
  • AC5a - 放電燈的開關
  • AC5b - 白熾燈的開關

上述條件應至少通過6000次操作並不損壞。

小型化設計

所有KNX設備(包括電源、輸入裝置和執行器)通常安裝在建築物內的配電機櫃中。典型的配電機櫃示例如圖4所示。KNX設備的尺寸應根據標準DIN 43880設計,以確保安裝一致性。根據定義,KNX設備的寬度由一個或多個標準單元(SU)編碼,每個SU不應超過18mm。目前市場上的640mA KNX電源具有4個SU (54mm)寬度或更多,而1280mA KNX電源具有6個SU (108mm)寬度或更多。例如明緯 KNX產品採用超薄設計,即640mA的電源設計為3SU;1280mA電源僅4SU、開關執行器KAA-8R寬度僅4SU,但整合了八個獨立通道16安培繼電器,以上的小型化設計允許其他更多KNX設備安裝在既有機櫃內,節省的空間可裝置更多設備從而為現代建築提供多種功能。

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圖4:常見的2排12 SU配電板櫃,圖中已安裝斷路器和多個KNX設備(來源:來源:Mean Well)

結語

KNX系統為現代住宅和商業建築的營運提供了很多好處。KNX電源是確保KNX系統平穩運作的關鍵單元和設備。良好設計的KNX執行器應根據應用要求測試繼電器相應的標準,確保長時間穩定運作,以達到最大限度地減少維護和保修。