Topologie, Linien und IP-Backbone sauber aufbauen

Wer eine KNX-Anlage plant, trifft früh eine Entscheidung, die später kaum mehr zu korrigieren ist: wie die Topologie aufgebaut wird. Linien, Bereiche, Koppler und der IP-Backbone sind keine Details, die sich auf der Baustelle ergeben. Sie bestimmen, wie stabil die Anlage im Betrieb läuft, wie schnell Fehler gefunden werden und ob eine Erweiterung in drei Jahren noch sauber möglich ist. Dieser zweite Teil der Serie «KNX richtig planen» zeigt, wie eine KNX-Topologie strukturiert wird, die auch nach Erweiterungen übersichtlich und zuverlässig bleibt.

Wer noch nicht gelesen hat, wann KNX grundsätzlich die richtige Wahl ist, findet diese Grundlage in Teil 1 der Serie «KNX richtig planen»: «KNX im Zweckbau: wann es passt und wann nicht».

Was die Norm vorgibt und was das in der Praxis bedeutet

KNX ist in der EN 50090 genormt. Die Norm legt die physikalischen und logischen Grundlagen fest, auf denen jede KNX-Anlage aufbaut. Für die Topologie bedeutet das: Es gibt klare Grenzen, die nicht verhandelbar sind, und es gibt Spielräume, die der Planer bewusst nutzen muss.

Ein Liniensegment auf dem Twisted-Pair-Medium (TP) fasst bis zu 64 Teilnehmer. Die Gesamtleitungslänge je Segment beträgt maximal 1000 m. Zwischen der Spannungsversorgung und einem Teilnehmer dürfen es höchstens 350 m sein, zwischen zwei beliebigen Teilnehmern maximal 700 m. Diese Werte sind keine Richtwerte, sie sind Obergrenzen. Wer sie ausreizt, hat keinen Spielraum mehr für Erweiterungen und riskiert Spannungseinbrüche unter Last.

Durch Linienverstärker lässt sich ein Liniensegment auf bis zu vier Segmente erweitern, wobei die Teilnehmergrenze von 64 pro Segment bestehen bleibt. Eine vollständige Linie kann so bis zu 256 Teilnehmer umfassen, sofern die Leitungslängen eingehalten werden. Über Linienkoppler werden bis zu 15 Linien zu einem Bereich zusammengefasst, und über Bereichskoppler lassen sich bis zu 15 Bereiche verbinden. Damit ergibt sich theoretisch eine sehr grosse Anlage, aber in der Praxis sind es die Buslast, die Übersichtlichkeit und die Wartbarkeit, die die sinnvolle Grösse einer Linie begrenzen, nicht die Normgrenze allein.

Liniensegment und Linie: die richtige Grösse wählen

Die häufigste Fehlerquelle in der KNX-Topologie ist nicht die Überschreitung von Normgrenzen, sondern das Fehlen einer durchdachten Aufteilung. Wir sehen in der Praxis immer wieder Anlagen, bei denen eine einzige Linie ein ganzes Stockwerk oder sogar ein ganzes Gebäude abdeckt. Das mag bei der Inbetriebnahme noch funktionieren, wird aber zum Problem, sobald die Anlage wächst, Fehler auftreten oder Erweiterungen nötig werden.

Eine sinnvolle Faustregel aus unserer Erfahrung: Eine Linie sollte einen klar abgrenzbaren Bereich des Gebäudes abdecken, zum Beispiel ein Stockwerk, einen Gebäudeflügel oder eine Nutzungszone. Das erleichtert die Fehlersuche erheblich, weil ein Problem auf einer Linie sofort einem physischen Bereich zugeordnet werden kann. Es vereinfacht auch die Dokumentation und die spätere Erweiterung.

Wichtig ist dabei die Reserve. Wir empfehlen, eine Linie nicht bis an die Grenze von 64 Teilnehmern zu planen. Eine Reserve von mindestens 20 bis 25 Prozent der Teilnehmerplätze ist sinnvoll, damit spätere Erweiterungen ohne Umstrukturierung möglich sind. Das gilt auch für die Leitungslängen: Wer die 1000 m vollständig ausnutzt, hat bei einer Erweiterung keinen Spielraum mehr.

Die Spannungsversorgung je Liniensegment muss ebenfalls von Beginn an richtig dimensioniert werden. Jeder Teilnehmer bezieht Strom aus dem Bus, und die Summe aller Geräte darf die Kapazität der Versorgung nicht überschreiten. Wir planen die Spannungsversorgung immer mit Reserve, auch weil Geräte im Laufe der Zeit ausgetauscht werden und neuere Geräte manchmal einen anderen Strombedarf haben als die ursprünglich geplanten.

Linienkoppler und Bereichskoppler: Trennung mit Funktion

Linienkoppler und Bereichskoppler sind keine einfachen Verbindungselemente. Sie trennen Linien und Bereiche elektrisch und logisch voneinander und steuern über Filtertabellen, welche Telegramme von einer Linie in eine andere weitergeleitet werden.

Diese Filtertabellen werden in der ETS konfiguriert und sind ein zentrales Werkzeug für die Buslaststeuerung. Ein Telegramm, das nur innerhalb einer Linie relevant ist, soll nicht in andere Linien weitergeleitet werden. Umgekehrt müssen Telegramme, die linienübergreifend wirken sollen, zum Beispiel ein Zentralbefehl oder ein Alarmsignal, korrekt in den Filtertabellen eingetragen sein. Fehler in den Filtertabellen führen entweder dazu, dass Funktionen nicht wie erwartet arbeiten, oder dazu, dass unnötige Telegramme alle Linien belasten.

Die physikalische Adresse eines Geräts spiegelt die Topologie direkt wider: Bereich.Linie.Teilnehmer, zum Beispiel 2.3.15. Das bedeutet, dass die Topologie vor der Adressvergabe feststehen muss. Wer die Adressen vergibt, bevor die Linienstruktur klar ist, schafft Chaos, das sich durch das gesamte Projekt zieht. Mehr zur Adressvergabe und zur Namenskonvention behandelt Teil 3 der Serie «KNX richtig planen»: «Gruppenadressen und Namenskonvention als Fundament».

Ein häufiger Fehler ist es, Linienkoppler nur als Verbindungselemente zu betrachten und ihre Filterfunktion zu vernachlässigen. In der ETS müssen die Filtertabellen nach der Gruppenadressvergabe überprüft und bei Änderungen aktualisiert werden. Wir empfehlen, die Filtertabellen als Teil der Projektdokumentation zu behandeln und bei jeder Erweiterung bewusst zu prüfen.

Der IP-Backbone: Warum er die richtige Wahl für grössere Anlagen ist

Für Anlagen mit mehreren Bereichen oder über mehrere Gebäude hinweg ist ein KNX-IP-Backbone die empfohlene Lösung. Dabei werden die einzelnen Bereiche über IP-Koppler an ein IP-Netzwerk angebunden, das als Backbone dient. Die Kommunikation zwischen den Bereichen läuft über KNXnet/IP, genormt in EN ISO 22510, entweder über Tunneling oder über Routing mit Multicast (Multicast-Adresse 224.0.23.12).

Der IP-Backbone hat gegenüber einer rein TP-basierten Verbindung mehrere Vorteile. Die Übertragungsgeschwindigkeit im IP-Netz ist um ein Vielfaches höher als die 9600 bit/s des TP-Busses. Telegramme zwischen Bereichen werden schneller übertragen, und die Buslast auf den einzelnen TP-Linien bleibt unabhängig von der Gesamtgrösse der Anlage. Ausserdem lässt sich ein IP-Backbone einfacher erweitern: Ein neuer Bereich wird mit einem IP-Koppler angebunden, ohne dass die bestehende TP-Verkabelung verändert werden muss.

Wichtig ist, dass der IP-Backbone auf einem dedizierten oder zumindest klar segmentierten Netzwerk betrieben wird. KNX-Telegramme über IP sollten nicht mit dem allgemeinen Büronetzwerk vermischt werden. Das ist eine Anforderung, die wir in der Planung frühzeitig mit der IT-Abteilung oder dem Netzwerkverantwortlichen klären. In der Praxis bedeutet das oft ein eigenes VLAN für die KNX-Kommunikation, mit klar definierten Routing-Regeln.

Die IP-Koppler übernehmen dieselbe Filterfunktion wie Linienkoppler: Sie leiten nur die Telegramme weiter, die für andere Bereiche relevant sind. Auch hier gilt, dass die Filtertabellen korrekt konfiguriert sein müssen. Ein IP-Koppler, der alle Telegramme ungefiltert weiterleitet, belastet das IP-Netz unnötig und kann in grossen Anlagen zu Problemen führen.

Spannungsversorgung: ein eigenes Thema, das zur Topologie gehört

Die Spannungsversorgung ist kein Anhang zur Topologieplanung, sie ist ein integraler Bestandteil davon. Jedes Liniensegment braucht mindestens eine Spannungsversorgung, die die Busspannung von typisch 30 V DC bereitstellt und alle angeschlossenen Teilnehmer mit ausreichend Strom versorgt.

In der Planung müssen wir für jedes Segment den Strombedarf aller Teilnehmer summieren und mit der Kapazität der Spannungsversorgung abgleichen. Dabei ist nicht nur der Nennstrom der einzelnen Geräte relevant, sondern auch das Anlaufverhalten: Beim Einschalten können kurzzeitig höhere Ströme fliessen. Eine Spannungsversorgung, die im Normalbetrieb ausreicht, kann bei einem Neustart der Anlage überfordert sein.

Wir empfehlen, pro Liniensegment eine Spannungsversorgung mit ausreichender Reserve einzuplanen. Wenn ein Segment viele Aktoren mit hohem Strombedarf enthält, kann eine zweite Spannungsversorgung sinnvoll sein. Diese wird dann an einem anderen Punkt des Segments eingespeist, was gleichzeitig die Leitungslängen reduziert, die von einer einzelnen Versorgung überbrückt werden müssen.

Ein weiterer Punkt: Die Busleitungen müssen als SELV-Stromkreis (Safety Extra Low Voltage) ausgeführt und entsprechend von anderen Stromkreisen getrennt verlegt werden. Das ist eine Anforderung, die bei der Installation eingehalten werden muss und bei der Abnahme überprüft werden sollte. Mehr zur Inbetriebnahme und Abnahme einer KNX-Anlage behandelt Teil 1 der Serie «KNX in Betrieb und Bestand»: «Inbetriebnahme und Abnahme einer KNX-Anlage».

Leitungslängen: Grenzen kennen und einhalten

Die Leitungslängen im KNX-TP-System sind normiert und müssen in der Planung eingehalten werden. Die Gesamtlänge aller Leitungen in einem Liniensegment darf 1000 m nicht überschreiten. Die Leitungslänge zwischen der Spannungsversorgung und dem am weitesten entfernten Teilnehmer ist auf 350 m begrenzt. Zwischen zwei beliebigen Teilnehmern dürfen es maximal 700 m sein.

Diese Grenzen klingen grosszügig, können aber in grossen Gebäuden schnell erreicht werden, wenn die Linien nicht sorgfältig aufgeteilt werden. Ein häufiger Fehler ist es, eine Linie über mehrere Stockwerke oder Gebäudeflügel zu führen, weil das in der Planung einfacher erscheint. In der Praxis führt das zu langen Leitungswegen, Spannungseinbrüchen und schwer lokalisierbaren Fehlern.

Wir berechnen die Leitungslängen in der Planung für jedes Segment und dokumentieren das Ergebnis. Wenn ein Segment die Grenzen ausreizt, teilen wir es auf oder setzen einen Linienverstärker ein. Ein Linienverstärker verlängert nicht die maximale Leitungslänge des Segments, er ermöglicht es, ein weiteres Segment anzuschliessen, das seinerseits die vollen Leitungslängen nutzen kann.

Bei der Leitungsführung ist auch die Kabeltype relevant. KNX-TP-Leitungen haben definierte elektrische Eigenschaften, und nicht jedes am Markt erhältliche Kabel ist für KNX geeignet. Wir verwenden ausschliesslich Leitungen, die für KNX-TP zugelassen sind, und dokumentieren die verwendeten Typen in der Projektdokumentation.

Reserve einplanen: die Topologie wächst mit dem Gebäude

Eine KNX-Anlage wird selten genau so betrieben, wie sie ursprünglich geplant wurde. Nutzungen ändern sich, Räume werden umgebaut, neue Funktionen werden gewünscht. Eine Topologie, die von Anfang an mit Reserve geplant wurde, kann diese Änderungen aufnehmen, ohne dass die Grundstruktur angepasst werden muss.

Reserve bedeutet in der Praxis mehreres. Auf der Ebene der Teilnehmer: nicht alle 64 Plätze eines Segments belegen. Auf der Ebene der Leitungslängen: nicht bis an die Normgrenze gehen. Auf der Ebene der Bereiche und Linien: die Nummerierung so wählen, dass neue Linien und Bereiche ohne Umadressierung eingefügt werden können. Und auf der Ebene des IP-Backbones: das Netzwerk so dimensionieren, dass weitere IP-Koppler angebunden werden können, ohne die bestehende Konfiguration zu verändern.

Die Reserve kostet in der Planung wenig, in der Ausführung etwas mehr Material und Aufwand, spart aber bei der ersten Erweiterung erheblich. Wir haben in der Praxis Anlagen gesehen, bei denen eine Erweiterung nur deshalb aufwendig und teuer war, weil die ursprüngliche Topologie keinen Spielraum liess. Die Umstrukturierung einer bestehenden Topologie bedeutet neue physikalische Adressen, neue Filtertabellen, neue Inbetriebnahme und erneute Tests.

Filtertabellen: das unsichtbare Steuerungselement der Topologie

Filtertabellen werden in der ETS automatisch generiert, wenn die Gruppenadressstruktur und die Topologie korrekt aufgebaut sind. Sie legen fest, welche Gruppenadressen ein Koppler von einer Seite zur anderen weiterleitet. Ein Koppler ohne korrekte Filtertabellen leitet entweder zu viel weiter, was die Buslast erhöht, oder zu wenig, was Funktionen unterbricht.

In der Praxis ist es wichtig, die Filtertabellen nach jeder Änderung an der Gruppenadressstruktur neu zu laden. Das klingt selbstverständlich, wird aber in der Hektik der Inbetriebnahme oft vergessen. Wir behandeln das Laden der Filtertabellen als eigenen Schritt in der Inbetriebnahme-Checkliste und dokumentieren, wann die Tabellen zuletzt aktualisiert wurden.

Ein weiterer Punkt: Wenn eine Anlage mit KNX Secure betrieben wird, müssen die Koppler ebenfalls Secure-fähig sein und entsprechend konfiguriert werden. Die Sicherheitsarchitektur beeinflusst also auch die Topologieplanung. Mehr dazu in Teil 4 der Serie «KNX richtig planen»: «KNX Secure im Projekt: Data Secure und IP Secure».

Die Filtertabellen sind auch ein Diagnosewerkzeug. Wenn ein Telegramm nicht dort ankommt, wo es soll, ist die Filtertabelle eines Kopplers oft die erste Stelle, die wir prüfen. Eine sauber dokumentierte Topologie mit nachvollziehbaren Filtertabellen verkürzt die Fehlersuche erheblich. Mehr zur systematischen Fehlersuche behandelt Teil 2 der Serie «KNX in Betrieb und Bestand»: «Fehlersuche im KNX-Bestand mit Busmonitor und Telegrammanalyse».

Der rote Faden zu unseren Fachbeiträgen

Dieser Artikel ist Teil 2 der Serie «KNX richtig planen». Die weiteren Teile bauen direkt auf der hier beschriebenen Topologie auf:

Teil 1 der Serie «KNX richtig planen», «KNX im Zweckbau: wann es passt und wann nicht», klärt die Grundsatzfrage, bevor die Topologie überhaupt gezeichnet wird.

Teil 3 der Serie «KNX richtig planen», «Gruppenadressen und Namenskonvention als Fundament», zeigt, wie die logische Struktur auf die physikalische Topologie abgestimmt wird.

Teil 4 der Serie «KNX richtig planen», «KNX Secure im Projekt: Data Secure und IP Secure», behandelt, wie Sicherheitsanforderungen die Topologieplanung beeinflussen.

Teil 5 der Serie «KNX richtig planen», «Das ETS-Projekt gehört dem Bauherrn», erklärt, warum die Topologiedokumentation im ETS-Projekt langfristig beim Bauherrn bleiben muss.

Wer sich für die Grundlagen der KNX-Topologie vertieft interessiert, findet diese in Teil 2 der Serie «KNX Grundlagen: die Schulungsreihe»: «KNX-Topologie: Liniensegment, Linie, Bereich und Backbone», sowie in Teil 3: «Spannungsversorgung, Busleitung und Installation nach den Regeln».

Für Anlagen, die KNX mit anderen Systemen verbinden, ist die Serie «Schnittstellen rund um KNX» relevant, insbesondere Teil 4: «KNX und BACnet: Raumautomation an die Gebäudeleittechnik», wenn die KNX-Anlage an eine übergeordnete Gebäudeleittechnik angebunden werden soll.

Fazit

Eine KNX-Topologie, die auch nach Erweiterungen stabil, schnell und übersichtlich bleibt, entsteht nicht auf der Baustelle. Sie wird geplant, bevor die erste Leitung verlegt wird. Die Aufteilung in Linien und Bereiche, die Wahl des IP-Backbones, die Dimensionierung der Spannungsversorgung, die Einhaltung der Leitungslängen und die Reserve für Erweiterungen sind Entscheidungen, die in der Planungsphase getroffen werden müssen.

Linienkoppler und IP-Koppler mit korrekt konfigurierten Filtertabellen halten die Buslast auf den einzelnen Linien gering und ermöglichen eine gezielte Fehlersuche. Ein IP-Backbone verbindet Bereiche schnell und flexibel und macht die Anlage erweiterbar, ohne die bestehende TP-Verkabelung anzutasten. Und eine Reserve auf allen Ebenen, bei Teilnehmern, Leitungslängen und Adressräumen, stellt sicher, dass die Anlage mit dem Gebäude wachsen kann, ohne dass die Grundstruktur jedes Mal neu aufgebaut werden muss.

Die Topologie ist das Fundament. Wer es sorgfältig legt, spart über den gesamten Lebenszyklus der Anlage Zeit, Geld und Nerven.

Sie haben Fragen dazu?

Sie planen eine KNX-Anlage und möchten die Topologie von Anfang an richtig aufbauen? Oder Sie haben eine bestehende Anlage, die bei Erweiterungen immer wieder Probleme macht? Wir unterstützen Sie bei der Topologieplanung, der Überprüfung bestehender Strukturen und der Dokumentation. Nehmen Sie Kontakt auf über wenget.ch oder info@wenget.ch.

Quellenverzeichnis

• EN 50090: Elektrische Systemtechnik für Heim und Gebäude (ESHG), Grundlage des KNX-Standards
• EN ISO 22510: KNXnet/IP, Kommunikation über IP-Netzwerke
• KNX Association: Projektierungsrichtlinien und technische Systemdokumentation (KNX Association, Brüssel; Markeninhaberin der eingetragenen Marken KNX und ETS)
• KNX Swiss: Landesorganisation Schweiz, Informationen zu Ausbildung und zertifizierten Partnern
• Eigene Projekterfahrung der WENGET GmbH aus KNX-Planung, Inbetriebnahme und Bestandsanalysen