Funk-Bussysteme ohne neue Kabel

Du wohnst im Altbau und willst Licht, Jalousien und Heizung vernetzen, ohne jede Wand zu schlitzen. Du lernst hier, wie ein Funkbussystem Sensor und Aktor trennt, wie es mit Strom versorgt wird und wo seine Grenzen liegen.

Die hier genannten Details hat die Redaktion auf offenen Standard für Gebäudeautomation nachgelesen.

KNX trennt Steuerung und Strom in zwei Netze, sendet kurze Telegramme mit 9,6 kbit/s und lässt sich per Funk oder über das vorhandene Stromnetz nachrüsten. Kamerabilder, Sprechanlagen und Multiroom-Ton laufen nicht darüber, sie brauchen eigene Leitungen.

Was ist KNX und woher kommt der Name

KNX ist ein Feldbus zur Gebäudeautomation. Der Name entstand als Verkürzung aus dem vorübergehenden Namen KONNEX, der vom lateinischen connexio für Verbindung abgeleitet war. Auf dem Markt ist KNX der Nachfolger der Feldbusse Europäischer Installationsbus, BatiBus und European Home Systems. Technisch ist KNX eine Weiterentwicklung des Europäischen Installationsbusses durch Erweiterung um Konfigurationsmechanismen und Übertragungsmedien, die ursprünglich für BatiBus und European Home Systems entwickelt wurden. KNX ist mit dem Europäischen Installationsbus kompatibel.

Mitte der 1980er Jahre kamen bei verschiedenen Firmen parallel erste Überlegungen zur Bustechnik für die Elektroinstallation und Gebäudetechnik auf. Herstellerspezifische Systeme hätten dem Bauherrn viele proprietäre Standards geboten und eine breite Marktdurchdringung erschwert. Darum schlossen sich 1990 führende Hersteller der elektrischen Installationstechnik in der European Installation Bus Association zusammen. Gründungsmitglieder waren Berker, Jung, Gira, Merten und Siemens. Grundlage war der Europäische Installationsbus, auch Instabus genannt, der in der aktuellen Version als KNX-Standard bezeichnet wird. Er beschreibt, wie Sensoren und Aktoren in einem Haus verbunden werden, und legt fest, wie sie miteinander kommunizieren müssen.

Wie trennt der Bus Steuerung und Stromversorgung

In herkömmlicher Installation sind Steuerfunktion und Energieverteilung fest verbunden und arbeiten mit Aus- und Wechselschaltungen oder einfachen Tasterschaltungen. Eine nachträgliche Änderung ist dann schwierig, und ein zentrales Schalten aller Beleuchtungsstromkreise lässt sich nur mit hohem Aufwand bauen. Wenn du im Flur einen Schalter umlegen willst, musst du dort oft Leitungen neu ziehen.

KNX in der typischen Variante mit Twisted-Pair-Leitungen trennt Gerätesteuerung und Stromversorgung, sodass zwei Netze bestehen. Das Stromnetz liefert Wechselspannung, das Steuerungsnetz arbeitet mit einer Nennspannung von 24 V Gleichspannung, der Arbeitsbereich liegt zwischen 21 V und 30 V. Beide Netze kannst du unabhängig voneinander oder parallel im Haus verlegen. Die Anlage wird über eine Drossel mit 30 V Gleichspannung versorgt, diese Spannung versorgt die Busankoppler, über die jedes Gerät mit den anderen vernetzten Geräten kommuniziert. Rechne pro Aktor oder Sensor mit 5 bis 8 mA Strombedarf, darum senken Bauteile mit hoher Portdichte den anteiligen Verbrauch pro Funktion und den Preis pro Port. Mehr zum sicheren Planen der Leitungen findest du unter Elektroinstallation im Haus sicher verstehen.

Wie sprechen Sensor und Aktor miteinander

Zwischen Verbraucher und Netzspannung sitzt ein Steuerungsgerät, Aktor genannt. Der Aktor ist am Bus angeschlossen und erhält Daten in Form von Telegrammen. Diese Telegramme kommen entweder direkt von einem Sensor, zum Beispiel Schalter, Helligkeitssensor, Temperatursensor oder CO2-Sensor, oder indirekt von einem Computer, der zum Beispiel zeitgesteuerte Schaltungen regelt und Sensordaten nach Programmierung auswertet und Aktoren ansteuert. Erhält ein Aktor den Befehl, dem Verbraucher Spannung zuzuführen, schaltet er die Netzspannung zum Gerät durch. Die Funktion jedes Teilnehmers bestimmt ihre Programmierung, die du jederzeit verändern kannst.

Bei Kabelverbindungen drohen Kollisionen auf dem Bus, bei Funkübertragung drohen sie in der Luft. Darum werden Telegrammverluste bei Kollisionen durch das CSMA/CR-Prinzip für kabelgebundene Übertragungen und durch das CSMA/CA-Prinzip für Funkübertragungen vermieden. Die Rate von 9,6 kbit/s reicht bei korrekter Programmierung auch für mehrere zehntausend Geräte. Durch IP-KNX-Koppler lassen sich übergeordnete Bereichslinien auch über deutlich schnellere Ethernetverbindungen verbinden, wodurch der Bus höhere Geschwindigkeiten nutzt und die frühere Grenze von 15 Bereichslinien mit je 15 Linien und bis zu 255 Teilnehmern erweitert wurde.

Warum ist Funk im Altbau oft einfacher

Im Neubau legst du die Busleitung neben 230-V- und 400-V-Leitungen, im Bestand fehlt dir oft genau dieser Weg. Es gibt eine Powerline-Variante, bei der die Steuersignale über ein phasengekoppeltes Stromnetz gesendet werden. Sie ist in erster Linie für die nachträgliche Installation gedacht. Alle Geräte können gemeinhin über den Bus miteinander verbunden werden und Daten austauschen, und Geräte unterschiedlicher Hersteller arbeiten uneingeschränkt in einem System zusammen, sofern sie die Zertifizierung der KNX Association besitzen.

Der Versuch, mit KNX RF den Markt funkbasierter Lösungen für den großen Nachrüstmarkt zu bedienen, bestand nach dem Stand von 2016 aus Tastsensoren und Aktoren, die gegenüber anderen funkbasierten Systemen wie Homematic, Qivicon, ZigBee und Z-Wave kosten- und funktionsseitig nicht konkurrenzfähig waren. Die Wikipedia-Seite nennt keine Reichweite in Metern für Funktelegramme. Wenn du Taster und Stellantriebe ohne Schlitze ergänzen willst, hilft dir die Einordnung unter Funk und Sicherheit im intelligenten Wohnen.

Welche Grenzen setzt die Datenrate

KNX steuert Beleuchtung und Jalousien beziehungsweise Beschattungseinrichtungen, Gebäudeheizung sowie Schließ- und Alarmanlage. Auch Fernüberwachung und Fernsteuerung eines Gebäudes sind möglich, gesteuert über einen Benutzer oder über einen Computer mit entsprechender Software. Ursprünglich für Objektbauten konzipiert, findet KNX zunehmend in Wohngebäuden und Einfamilienhäusern Anwendung. Dem Trend zur Übertragung von mehr Informationen aus Kameras, Sensoren, Sprache und Medien kann KNX nicht folgen, diese müssen über gesonderte Netze übertragen werden. Eine Signalübertragung von Kameras, Sprechanlagen oder Multiroom-Systemen ist wegen der geringen Datenrate nicht möglich.

Der Text zum offenen Standard für Gebäudeautomation beschreibt auch die Entwicklung von Norm und Organisation mit der Spezifikation im Frühjahr 2002, Übernahme in EN 50090 im November 2003 und Anerkennung als ISO/IEC 14543-3 im November 2006. In Europa wird dies seit 1994 in der EN 50090 geregelt. Erste Produkte nach diesem Standard wurden 1991 angeboten, danach gab es nahezu 7000 Produktgruppen mit einem Vielfachen an Produkten von über 400 Firmen. Diese Produkte decken verschiedene Gewerke und Anwendungen im Gebäude unter Wahrung der Austauschbarkeit ab, sodass sie in einer mit KNX ausgeführten Anlage zusammenwirken.

Was bedeutet offen bei diesem Standard

KNX ist anders als viele vergleichbare Lösungen kein proprietäres System, sondern ein offener Standard, dem sich mittlerweile mehr als 400 Firmen weltweit angeschlossen haben. Die Dokumente zum Standard und zur Implementierung kompatibler Geräte oder Software sind für jeden nach Registrierung zugänglich. Bestimmte Aspekte wie der KNX-Secure-Standard sind zwar durch Gremien wie die Internationale Organisation für Normung standardisiert, aber nur gegen Gebühr zugänglich.

Offen heißt nicht frei von Aufwand. Es gibt Zertifizierungsprozesse, um Kompatibilität zu garantieren und Produkte mit offiziellem Logo zu verkaufen, Kosten für die Aufnahme der Produkte in den Online-Katalog und Kosten für die Software-Lizenz, um Projekte zu verwalten und Geräte zu parametrieren. Faktisch gibt es nur eine Software, die Engineering-Tool-Software, um Geräte zu parametrieren und Projekte umzusetzen. KNX Deutschland e.V. wurde am 27. Juni 2022 in Frankfurt gegründet, Mitglied werden können Unternehmen und Verbände aus den Bereichen Hersteller, Handel, Architektur und Planung, Handwerk und Systemintegration, Bildung und Wissenschaft sowie Betreiber und Investoren von Immobilien.

Wie programmierst du Szenen ohne neue Kabel

Über die Engineering-Tool-Software ordnest du jeden Eingang jedem Ausgang zu, dies erfolgt über Gruppenadressen. Geräte mit gleicher Gruppenadresse reagieren aufeinander und lassen sich zum Beispiel gleichzeitig ein oder ausschalten. Jeder Teilnehmer hat zusätzlich eine eindeutige physische Adresse. So kann ein Schalter, der noch die Deckenleuchte schaltete, schnell zur Steuerung der Gartenbewässerung umprogrammiert werden.

Du kannst Sensordaten gewerkübergreifend nutzen. Daten eines Windmessers lassen sich verwenden, um Jalousien oder Markisen einzufahren oder Fenster und Türen ab einer bestimmten Windstärke automatisch zu schließen. Heizung, Lüftung, Alarmanlage, Jalousie und Beschattung, Beleuchtung und Wetterstation kommunizieren über ein einheitliches Netz und reagieren selbständig auf Umweltänderungen, wobei sich über Gateways weitere Gewerke einbinden lassen. Weil alle Schalter und Sensoren über ein geschleiftes Buskabel verbunden sind, sinkt der Verkabelungsaufwand, und alle Zuleitungen der Verbraucher wie Leuchten, Jalousien und Motoren ziehst du direkt zur elektrischen Verteilung. Im Idealfall hat jeder Raum nur eine Zu- und Busleitung, und erst im Raum verteilst du auf einzelne Verbraucher.

Reicht die Sicherheit für Taster vor der Tür

Die Daten werden über den Bus unverschlüsselt übertragen. Busleitungen, die aus der gesicherten Gebäudehülle ins Freie führen, zum Beispiel zu einem Außenschalter, stellen ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Die KNX Association hat mit KNX-Data-Secure reagiert, entsprechend ausgerüstete Produkte sind bislang kaum erhältlich und ihr Anteil an verbauten Komponenten liegt unter 0,1 Prozent. Lege darum keinen Bus ungeschützt nach außen und trenne Außenstellen sauber vom Innenbus.

Ein wesentliches Merkmal bleibt die sehr sichere und offene Busarchitektur. KNX-gesteuerte Gebäude können ein Jahrzehnt und länger ohne Anpassung, Neustart oder Wartung betrieben werden. Höhere Datenraten aus dem Medienbereich erfordern andere Vernetzungskonzepte, die oft weniger verlässlich sind. Für die exakte Farbsteuerung von Vollfarb-LEDs, die mit KNX möglich ist, hat sich in der Industrie vor allem DALI durchgesetzt; hierfür gibt es KNX-DALI-Gateways, während andere Protokolle wie DMX ähnliche Ziele verfolgen. Hinweise zur Trennung vom Steuerbus und von schnellen Datenstrecken findest du unter Heimnetz mit WLAN und LAN einrichten.

Worauf achtest du vor dem Kauf im Bestand

Im Vergleich zur herkömmlichen Installation fallen höhere Anschaffungskosten an. Du brauchst größere Verteiler, um Koppler und Stromversorgung aufzunehmen, und musst Aktoren und Sensoren platzieren und in der Regel verdeckt einbauen. Kostenvorteile entstehen, wenn du verschiedene Gewerke wie Heizung, Lüftung, Sanitärtechnik und Elektrotechnik kombinierst, weil andere Regelungen entfallen. In Objektbauten hilft die dezentrale Verkabelung betriebswirtschaftlich, im Kleingebäude setzt sich eher eine zentralisierte Verkabelung durch, bei der alle Sensor- und Aktorleitungen an einen zentralen Punkt oder an zwei zentrale Punkte geführt werden. KNX wird derzeit vor allem bei neuen Gebäuden installiert, kann jedoch bei Modernisierung nachträglich eingebaut werden, selbst in preiswerten Fertighäusern sind KNX-Netze teils standardmäßig integriert.

Denke auch an Strom und Lichtausbeute. Die eigene Einsparung durch zentrale Steuerung steht dem Verbrauch des Busses selbst gegenüber. Mit der Verbreitung von Energiesparleuchten sinkt das Potenzial der Einsparung durch automatische Lichtschaltfunktionen wie Präsenzmelder. Der Trend zur All-IP-Lösung verändert den Markt nachhaltig; die Tendenz zu Logik mit Server und Visualisierung lässt SPS im Gebäudebau stark zunehmen, und einige Hersteller bieten Gateways zu KNX, um beide Welten zu verbinden, wobei KNX-Komponenten dann oft nur als Ein- und Ausgabekanäle ohne eigene Intelligenz dienen. In den USA erschwert X10 mit Nachfolgern wie Insteon auf Powerline-Basis die Ausdehnung, während im asiatischen Bereich der ebenfalls powerlinebasierte PLC-Bus enge Grenzen setzt. Miss deinen Verteiler aus, zähle Schalter, Leuchten, Jalousien und Heizkreise und frage im Fachhandel nach zertifizierten Aktoren und Sensoren mit hoher Portdichte für deine Verteilung.