Grundlagen Homematic wired: Aufbau, Bus-Installation, Kabel, Potentialausgleich

Heute will ich Euch zeigen, wie Ihr bei den Homematic wired Komponenten den RS485 Bus richtig verlegt und verdrahtet. Ich habe Euch vor einiger Zeit berichtet, dass wir aktuell an verschiedenen Smarthome-Projekten arbeiten, dort konnten wir sehr viele wertvolle Erkenntnisse sammeln, an denen wir Euch natürlich teilhaben lassen wollen.

Wer gerade in der Planungsphase für sein Eigenheim steckt und über Smarthome nachdenkt, wird schnell bei Homematic landen. Wer unseren Blog verfolgt, weiß, dass wir bisher vorwiegend über Projekte mit Funkkomponenten geschrieben haben. Da wir aber in den letzten Monaten sehr viel mit Homematic wired gearbeitet haben, ist es nun doch an der Zeit auch hierüber mehr zu berichten!

Ein sehr entscheidender Unterschied bei den Homematic wired Komponenten im Vergleich zu Homematic- und Homematic IP- Funk ist, wie der Name schon sagt, die drahtgebundene Anbindung der unterschiedlichen Komponenten. Gedacht sind die wired-Komponenten in erster Linie für den Aufbau im Schaltschrank. Bei Renovierungen an der Elektroverdrahtung oder Neubauten können so alle Sensor- und Aktorleitungen direkt Unterputz gelegt werden. Natürlich ist eine Vermischung von Funk und wired jederzeit über die CCU2 möglich!

Doch ich will hier gar keinen großen Einführungsartikel zu Homematic wired schreiben sondern, direkt auf die Aorta von Homematic wired eingehen – Den RS485 Bus, der alle Komponenten miteinander verbindet.

Dieser Bus ist unabhängig vom Netzwerk und der restlichen Installation. Er ist dafür zuständig, dass alle Homematic wired Geräte miteinander kommunizieren können. Auch wird über diesen Bus die Anbindung an die Zentrale (CCU2) realisiert. Die Anbindung selbst erfolgt dann über ein Gateway, welches das Signal auf ein herkömmliches Ethernet umsetzt. An dieses Netzwerk ist dann die CCU2 angeschlossen und kann darüber Kontakt zu den einzelnen Komponenten aufnehmen. Doch dazu später mehr.

Was ist RS485 und wie funktioniert der Bus?

Der RS485 Bus ist eine sehr bewährte Methode, Daten zwischen verschiedenen Geräten auszutauschen. Es gibt den Bus in 2-Draht und in einer 4-Draht Version. Bei Homematic wired kommt der 2-Draht Bus zu Einsatz. Dadurch ist die Kommunikation gleichzeitig in nur eine Richtung möglich (Halbduplex). Beim 2-Draht Bus agiert jedes Gerät, je nach Zeitschlitz als Master oder aber als Slave. Das bedeutet, wenn ein Gerät sendet, dann hören die anderen mit. Im nächsten Zyklus wird ein Token, der einen Teilnehmer dazu berechtigt, auf dem Bus zu senden, weitergereicht. Nun darf ein anderer Teilnehmer seine Daten über den Bus an die anderen Teilnehmer senden. Sobald alle Teilnehmer ihre Daten gesendet haben, geht die Runde erneut los.

So wird sichergestellt, dass jeder Teilnehmer seine Daten senden kann. Wie Ihr Euch sicher denken könnt, wird dieser Zeitintervall größer, wenn mehr Teilnehmer am Bus hängen, da jeder Sendevorgang eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt.

Die Physik hinter dem Bus

Der RS485 Bus arbeitet mit einer Spannungsdifferenz, um die Daten zu übertragen. Die Spannungsdifferenz bezieht sich auf die beiden Adern, die als Busleitung fungieren. Keines der beiden Adern liegt auf Masse. Um eine logische „1“ zu erzeugen, wird eine Spannung von +0,3V genutzt. Für eine logische „0“ wird -0,3V verwendet. Die Busleitung mit der Bezeichnung „A“ wird auch als „invertierte Leitung“ und die Leitung „B“ als „nicht invertierte Leitung“ bezeichnet.

Damit es zu keinen Reflexionen am Ende der Busleitung kommt, die dann einen negativen Einfluss auf die Kommunikation nehmen kann, muss das Signal am Ende terminiert werden. Die Terminierung ist nur notwendig, wenn mehr als ein Teilnehmer am Bus angeschlossen ist. Terminiert wird mit einem 120-Ω-Abschlusswiderstand. Diesen könnt Ihr fertig kaufen, hier muss nichts gebastelt werden ;-)

Verlegung im Schaltschrank

Bei der Verlegung solltet Ihr auf zwei Faktoren achten. Befinden sich die Kabel nur in einem Schrank und werden damit nur wenige Module in einer Linie verbunden oder verbindet Ihr zwei oder mehr unterschiedliche Verteilung miteinander?

Auch ist entscheidend, ob das Buskabel neben Energieleitungen geführt wird.In diesem Fall sollte ein geschirmtes Kabel verwendet werden. Welches Ihr dafür am besten verwendet, erkläre ich Euch weiter unten.

Wenn Ihr einen Ausbau habt, der so ähnlich aussieht, wie auf dem unteren Bild, dann muss kein spezielles Kabel verwendet werden. Die Verbindung zwischen den Modulen kann über Litzen erfolgen, die mit Aderendhülsen in die dafür vorgesehenen Klemmen geführt werden.

Ich habe mich bei dieser Installation für die Farben grau und grün entschieden. Das hat keine große Bewandtnis, es ist nur so klar zu erkennen, dass es sie bei diesen Litzen um die Busleitung handelt. Die Spannungsversorgung, die Ihr im Hintergrund seht habe ich in einer etwas dickeren Litze in schwarz/rot ausgeführt.

Wie Ihr erkennen könnt, ist der Bus durch alle Module geschliffen. Am Anfang sitzt immer! Das Homematic LAN-Gateway. Mit dem Modul startet der Bus. Von dort aus werden alle Module in Reihe verbunden. Auf dem ersten Foto dieses Beitrags könnt Ihr das Homematic LAN-Gateway erkennen. Ich habe für das Durchschleifen doppelte Aderendhülsen verwendet, so kann der Bus sehr einfach zum nächsten Modul geführt werden.

Nach den 4 Jalousienaktoren haben wir 3 IOs in diesem Schaltschrank platziert. Ihr könnt sehr gut erkennen, dass wir nach dem letzten Modul auf ein geschirmtes EIB-Kabel gehen. Von dort aus laufen wir zum nächsten Schaltschrank und binden weitere HM-Komponenten an. Wie oben schon erwähnt ist es wichtig, dass ein geschirmtes Kabel für, dass Verlegen außerhalb des Schaltschrankes genutzt wird.

Für das EIB-Kabel wird keine Aderendhülse benötigt, da es sich hierbei um eine starre Leitung handelt

Verlegung außerhalb des Schaltschranks

Da es kein spezielles, geschirmtes Verlegekabel für Homematic gibt, haben wir für diesen Zweck ein EIB-Kabel genutzt. Dieses Kabel wird normalerweise für den EIB / KNX-Bus verwendet. Das Kabel besitzt 4 Adern, die jeweils verdrillt und zusammen mit einer Folie geschirmt sind.

Mit diesem Kabel laufen wir zur nächsten Verteilung und wechseln dort wieder auf eine ungeschirmte Leitung, um die weiteren Module innerhalb des Schrankes anzubinden.

Topologie des Buses

Anders als bei einem „Netzwerk-Bus“ kann der Homematic wired Bus nur in Linie aufgebaut werden. Was bedeutet das genau?

Wir haben einen Anfang – dort wird das LAN-Gateway platziert. Von dort aus läuft der Bus über alle Komponenten, wie bereits oben beschrieben. Der Bus kann, wie oben ebenfalls beschrieben, den Schaltschrank auch verlassen, sollte dann aber in einer Linie weiter von Modul zu Modul geführt werden. Am Ende muss dann der Terminator gesetzt werden, der den Bus abschließt.

Es ist nicht möglich, von einem Teilnehmer einen neuen Stich zu erzeugen. Gerade bei größeren Installationen, die über einen Schaltschrank hinaus gehen, ist auf die Topologie streng zu achten.

Bei kleineren Installationen können Ausnahmen gemacht werden, diese sind dann aber am besten direkt auf Funktion zu prüfen!

Sehr wichtig sind auch die Schirmung und der Potentialausgleich. Darüber habe ich Euch weiter unten mehr geschrieben.

Ethernet-Gateway – Das Tor zur CCU2

Das Gateway baut die Brücke zwischen dem RS485 Bus und dem Heimnetzwerk. Das Gateway dient auch als Terminator am Anfang des Busses. Daher ist es ratsam, das Gerät dort zu platzieren, wo der Bus startet. Die CCU2 muss nicht zwingend im gleichen Schaltschrank oder am gleichen Ort sitzen wie das Gateway. Die beiden Komponenten verständigen sich über das Netzwerk (TCP/IP). Daher kann die CCU2 oder ein Raspberry Pi auch an einem weiter entfernten Ort sitzen.

Ist es möglich, 2 Gateways an einer CCU2 zu betrieben?

Nein. Diese Frage habe ich mir direkt gestellt, als ich die erste Planung des aktuellen Projekts durchgeführt habe. Nach meiner ersten Schätzung lagen wir bei ca. 35 IOs und etlichen Jalousieaktoren, die an den Bus angebunden werden sollten.

Das Projekt umfasst 3 Schaltschränke, daher wäre es schön gewesen, diese 3 Schaltschränke mit einem eigenen Gateway auszustatten. So hätte man 3 unabhängige Stränge aufbauen können, doch wie schon in der Einleitung dieses Abschnittes gesagt, es ist nicht möglich. An einer CCU kann nur ein Gateway betrieben werden. Warum das so ist, kann ich leider nicht beantworten …

Potentialausgleich und Schirmung

Schirmung und Potentialausgleich – Ich habe viel darüber gelesen und auch viele unterschiedliche Meinungen dazu gehört. Das, was ich Euch hier mitgebe, ist auf keinen Fall allgemeingültig – hat aber bei meinen bisherigen Aufbauten gut funktioniert und wird von mir daher als bewährt angesehen! Andere Meinungen sind gerne willkommen und können gerne in den Kommentaren konstruktiv diskutiert werden.

Der Schirm wird zwingen an einer Seite des Busses auf das GND-Potential des 24V-Netzteils aufgelegt. Wenn Ihr mit dem Bus-Kabel, so in meinem Fall durch mehrere Verteilungen lauft, dann darf dieser nur an einem definierten Punkt Kontakt zu dem GND-Potentail des Netzteils haben.

Die EIB-Kabel haben einen Folienschirm, den ich mit einer Aderendhülse versehen habe, um diesen dann in die GND-Klemme der Versorgungsspannung zu schieben.

In verschiedenen Dokumenten (u.a. von EQ-3) habe ich gelesen, dass über die 2 frei bleibenden Leitungen des EIB-Kabels zusätzlich die Versorgungsspannung für entfernte Module geführt wird. Davon halte ich persönlich nicht sehr viel und rate davon ab. Zwar ist durch die Busphysik eine Störung durch Gleichtaktströme ausgeschlossen, doch sollte sich hier einen andere Störung vom Netzteil einkoppeln, dann läuft diese innerhalb der Schirmung mit (die diese Störungen ja eigentlich abhalten soll!) und kann die Kommunikation beeinträchtigen.

Daher – um nun auch zum Potentialausgleich zu kommen – führe ich ein separates Kabel (1,5mm²) mit in die unterschiedlichen Schaltschränke, um das Potential der 24V Versorgung gleich zu halten. Jeder Schrank hat dabei ein eigenes Netzteil, um die Homematic wired Komponenten zu versorgen.

Damit alle jedoch das gleiche Potential haben, verbinde ich alle GNDs der 24V Spannung über dieses Kabel miteinander. Ich gehe bewusst nicht auf PE, da in einem unwahrscheinlichen Fehlerfall dort dann 230V anliegen könnten.

Maximale Länge der Busleitung

Die maximale Länge des Busses wird von eQ-3 mit 50m angegeben. An diese Spezifikation solltet Ihr Euch halten. Bei unserem aktuellen Projekt in einem sehr großen Haus werden wir diese Grenze sehr wahrscheinlich überschreiten. Ich bin mir zwar sicher, dass es hier zu keinen Problemen kommen wird, doch es gibt dafür keine Garantie. Daher auch hier der wichtige Hinweis, wenn Ihr längere Strecken mit dem Bus zurücklegen wollt, dann solltet Ihr auf eine sehr saubere Verdrahtung achten. Die Kontakte sollten fest verschraubt werden und unnötige Schleifen sollten vermieden werden.

Maximale Anzahl der Teilnehmer

Die Anzahl der Teilnehmer ist auf 128 begrenzt. Ein Teilnehmer ist immer das LAN-Gateway, daher können 127 weitere IOs angeschlossen werden. Bei so einer großen Installation solltet Ihr natürlich auch die Leistungsfähigkeit der CCU2 nicht aus den Augen verlieren. Bei unserer aktuellen Installation haben wir 55 IOs und daher direkt auf einen Raspberry Pi mit piVCCU gesetzt.