Интеллектуальные системы автоматического управления электрическим освещением

Главное требование, предъявляемое к системе освещения — обеспечение заданного уровня освещенности. Существенная роль отводится также санитарным требованиям, таким как спектральный состав света и частота мерцания. Все эти требования призваны создать максимальный комфорт для зрения и, как следствие, обеспечить максимальную эффективность и безопасность производственных или учебных процессов.
Следующим по значимости является требование экономической эффективности, т.е. минимум затрат на создание и эксплуатацию системы освещения. Следует подчеркнуть особую важность второй составляющей. Она напрямую связана с энергетической эффективностью системы освещения. Последняя зависит не только от коэффициента полезного действия осветительных приборов, но и от интенсивности их использования как по уровню производимого света, так и по времени использования. Экономия электроэнергии на освещение — не только экономическая, но и экологическая задача: чем меньше требуется электроэнергии, тем меньше выделяется тепла от самих электроосветительных приборов, меньше сжигается топлива на электростанциях. В мировом масштабе это приводит к снижению угрозы глобального потепления и уменьшению загрязнения атмосферы.
Совершенно очевидно, что существуют два направления технического прогресса в области электрического освещения: совершенствование электрических осветительных приборов и совершенствование систем управления электрическим освещением. Первое направление связано с появлением новых типов галогенных и флуоресцентных ламп, а также т.н. белых осветительных светодиодов. Второе направление подробно рассматривается в настоящей статье.

Сфера применения систем освещения очень разнообразна. Для простоты можно рассмотреть построение системы освещения в отдельной комнате с окном [1], обеспечивающей заданный уровень освещенности с 6 утра до 22 часов. Колоколообразная кривая, показанная на рисунке 1, соответствует естественному освещению. Согласно графику, с 9 часов утра до 17 часов (зона B) нет необходимости в искусственном освещении. Более того, есть избыток естественного освещения (показано пунктирной штриховкой), который необходимо устранить путем ограничения доступа естественного света в помещение. С 6 до 9 утра и с 17 до 22 часов естественного освещения недостаточно, необходимо включать искусственное освещение (зоны A). При этом существует потенциальная возможность экономии электроэнергии, если включать освещение не на полную мощность, а ровно на столько, чтобы восполнить недостаток естественной освещенности (см. области с вертикальной штриховкой). Естественно, что картина, показанная на рисунке 1, не является постоянной, а подвержена календарным и погодным изменениям.

Рис. 1. Суточный цикл освещенности помещения

Таким образом, простейшая схема системы освещения с ручным управлением будет иметь вид, показанный на рисунке 2. Она содержит исполнительные устройства (электрические светильники и жалюзи с электроприводом) и управляющие устройства (электрические выключатели), соединенные силовыми проводами с электрической сетью. Управление — открытие/закрытие жалюзи, включение/выключение светильников — осуществляется человеком вручную на основе визуальной оценки уровня освещенности. Подобные системы используются в настоящее время на производстве и в быту. Главными недостатками такой системы являются непостоянство освещенности, перерасход электроэнергии и цветных металлов на электропроводку.

Рис. 2. Система освещения с ручным управлением

Первые два недостатка можно компенсировать, если осуществлять управление системой освещения автоматически. Возможный вариант системы с централизованным автоматическим управлением показан на рисунке 3. В такой системе постоянный уровень освещения поддерживается путем регулирования степени открытия жалюзи (в часы естественного освещения) и регулирования силы света в светильниках (в часы искусственного освещения) с помощью автоматического контроллера. Такая система требует применения датчика освещенности и датчика времени. Она гораздо более эффективна, однако не способствует сокращению длины силовых проводов.

Рис. 3. Автоматическая система управления светом

Построение системы освещения с распределенным сетевым автоматическим управлением [2], которое иллюстрирует рисунок 4, позволяет избавиться от этого недостатка. Система освещения строится на основе интеллектуальных актуаторов (actuator), управляющих исполнительными устройствами, и интеллектуальных сенсоров (sensor). Слово «интеллектуальный» подчеркивает тот факт, что в составе каждого устройства имеется искусственный интеллект — микроконтроллер. Сенсоры и актуаторы запитываются от общей электрической сети и могут обмениваться сообщениями через локальную сеть на основе информационной шины, в соответствии с определенным стандартным протоколом. Такая шина может быть реализована в виде витой пары проводников, виртуального канала с частотным уплотнением непосредственно в силовой сети или в виде радиоканала. Кроме экономии цветных металлов, такая система имеет дополнительно два очень существенных преимущества. Первое из них состоит в том, что очень просто реализуется подключение дополнительных устройств и, следовательно, расширение функций.

Рис. 4. Система освещения с распределенным сетевым автоматическим управлением

Например, можно подключить датчик присутствия людей в помещении, как это изображено на рисунке 4, и отключать освещение полностью в случае, если людей нет в помещении. Нетрудно предположить, что за счет такой дополнительной функции можно получить существенную экономию электроэнергии, особенно во вспомогательных помещениях: складах, коридорах, туалетах, лифтах и т.п. Второе преимущество состоит в возможности построения иерархической сети, позволяющей объединить локальные сети отдельных помещений в систему освещения этажа, а системы управления этажей — в систему управления освещением всего здания и т.п. Подключение к такой иерархической сети компьютера, связанного с интернетом, делает возможным дистанционное управление системой из любой точки мира.
Использование распределенного сетевого управления позволяет интегрировать систему управления освещением в интеллектуальную систему управления типа «Умный дом» [3]. Системы последнего типа, кроме функции управления освещением, включают также следующие функции:
– кондиционирование воздуха;
– управление мультимедийной аппаратурой;
– охрана от несанкционированного вторжения;
– управление безопасностью технических систем электро–, водо– и газо­снабжения;
– дистанционное управление всеми подсистемами.
Нетрудно видеть, что для реализации всех указанных функций достаточно добавить в систему на рисунке 4 определенный набор интеллектуальных сенсоров и актуаторов, приведенный в таблице 1.

Таким образом, весьма перспективно построить систему управления электрическим освещением по принципу распределенного сетевого управления. С этой целью разработан целый ряд промышленных стандартов на интерфейсы и протоколы для построения таких систем.

Одним из первых стандартных интерфейсов [4], разработанных после появления первых биполярных транзисторов, является аналоговый стандарт 0-10V DC — управление уровнем света пропорционально величине постоянного напряжения в диапазоне 0…10 В. В соответствии с этим стандартом до сих пор производятся актуаторы светильников: диммеры (dimmer — затемнитель, регулятор света) для ламп накаливания и балласты (ballast) для регулирования свечения флуоресцентных ламп. Физический интерфейс этого типа, рассчитанный на 6 каналов управления, использовал 8-контактный разъем типа DIN или XLR и многожильный кабель. В связи с распространенностью этого интерфейса в системах управления освещением, в 2001 г. Национальный институт стандартов США утвердил стандарт E1.3-2001.

Дальнейшим развитием аналоговых интерфейсов явился стандарт AMX192 (Analog Multiplex Data Transmission). Предложенный впервые в 1975 г. фирмой Strand Lighting и получивший статус стандарта в 1985 г., он широко распространен в США и Канаде. Интерфейс использует 4-контактный разъем XLR и 2 пары витых проводников: по одной передается мультиплексированный аналоговый сигнал уровня света (0…5 В), по другой — синхроимпульсы разделения каналов. На одной шине может быть установлено 96—192 приемников-диммеров, преобразующих передаваемый сигнал к стандартному 0…10 В.
Более сложный протокол аналогового мультиплексирования используется в промышленном стандарте Microplex (MPX), или LMX-128. Физический интерфейс использует 3-контактный разъем XLR и микрофонный кабель. По линии данных передается аналоговый сигнал в диапазоне от 6—8 В. Отрицательная часть диапазона используется для передачи импульсов синхронизации (т.е. адресной информации), а положительная — для передачи аналогового сигнала уровня света (0 В — выключено, 8 В — максимум, т.е. 100%). К одному кабелю можно подключать до 128 диммеров.

Следующим по популярности является интерфейс DMX-512 (Digital MultipleX), обеспечивающий управление 512-ю устройствами. Система на основе DMX-512 предполагает наличие одного передатчика и до 512-ти приемников. Физический интерфейс использует 5- или 3-контактный разъем типа XLR и 2 витых пары проводников (вторая пара является не обязательной, и в случае 3-контактного разъема не используется). Электрические параметры сигналов в шине DMX-512 полностью соответствуют стандарту последовательных каналов RS-485. Данные передаются со скоростью 250 Кбит/с. Способ передачи — асинхронный (СТАРТ — 1 бит, СТОП — 2 бита). Фрейм содержит стартовый байт и 512 байтов данных. Каждый байт данных несет информацию об уровне света соответствующего канала (0 — выключено, 255 — максимум, т.е. 100%), в порядке следования данных. Протокол не предусматривает каких-либо подтверждений приема и средств контроля ошибок. Впервые интерфейс был разработан Институтом театральных технологий США в 1986 г. для управления осветительными приборами, затем улучшен в 1990 г. Современная версия DMX-512-A принята Институтом стандартов США под номером E1.11.

Более продвинутым и современным интерфейсом для сетевых систем управления электрическим освещением является DALI (Digital Addressable Lighting Interface). Этот интерфейс считается расширением международного стандарта IEC60929 и очень популярен у европейских производителей. Он пригоден для применения как в отдельных комнатах, так и для иерархических систем больших зданий. Система управления светом DALI основана на принципе master-slave: пользователь системы через контроллер, работающий в режиме master, отдает команды контроллерам, работающим в режиме slave и управляющим диммерами и балластами светильников. Каждый slave имеет свой индивидуальный 6-битный адрес, т.е. к одной линии связи DALI можно подсоединить до 64-х диммеров или балластов. Есть возможность разделения управляемых устройств на группы по 16 устройств в каждой. Связь осуществляется по двухпроводной линии дифференциально: разность потенциалов более 9,5 В принимается за логическую 1, менее 6,5 В — за логический 0. Скорость передачи — 1200 бит/с. Полудуплексная передача осуществляется двухфазным (манчестерским) кодом. Формат передачи master содержит бит СТАРТ, 2 байта данных и 2 бита СТОП. Первый байт это адрес (индивидуальный или групповой), второй байт — команда. Стандарт определяет специальную систему команд, задающую режимы работы диммера или балласта (уровень свечения, режим уменьшения или увеличения уровня света и т.п.), а также команды для проверки статуса управляемого контроллера и лампы. Последние требуют ответа. Формат сообщения slave содержит бит СТАРТ, 1 байт и 2 бита СТОП.

И наконец, разработаны всеобъемлющие системы стандартов для комплексной автоматизации зданий, поддерживающие и управление электрическим освещением. Наиболее применяемые из них — это X10 и EIB.

Стандарт домашней автоматики X10 [5] базируется на идее передачи управляющей информации непосредственно по проводам питающей сети. Эта технология PLC (Power Line Carrier) была запатентована в начале 70-х гг. прошлого столетия фирмой PICO Electronics в Великобритании. Позднее команда инженеров этой фирмы переехала в США и продолжала работу. 9 экспериментов оказались неудачными, а 10-й дал положительный результат. Отсюда и появилось название X10, а процветающая и поныне фирма X10 USA является ведущей фирмой США в области домашней автоматизации.
Стандартный фрейм передачи содержит уникальный 4-битный старт-код (1110), 4-битный код дома (первая часть адреса приемника) и 5-битный код устройства. Последний может быть второй частью кода адреса приемника (5-й бит равен 0) или кодом функции команды (5-й бит равен 1). Одна из функций (Extended Data — расширенные данные) предусматривает присоединение дополнительных байтов, передаваемых без перерыва, причем первый из них содержит число передаваемых байтов. Биты кода дома и кода адреса устройства передаются двухфазным способом (бит и дополнение до 1). Из-за этого фрейм, содержащий 13 информационных бит, в действительности содержит 22 бита (4+9×2) и передается в течение 11-ти периодов частоты сети 60 Гц (каждые полпериода — 1 бит).
Начало передачи каждого бита синхронизируется моментами пересечения несущего напряжения через 0 (фаза 0 и 180°). Единичное значение бита передается путем посылки пакета из трех импульсов длительностью 1 мс, заполненных синусоидальным сигналом частотой 120 кГц и сдвинутых по фазе на 30°. Нулевое значение бита передается путем отсутствия пакета в соответствующий момент времени. Каждый фрейм для надежности передается дважды. Для передачи команды необходимо послать 2 двойных фрейма: адресный, содержащий код устройства, и командный, содержащий код функции. С учетом необходимого промежутка в 3 периода между двойными фреймами, время передачи одной команды требует 47 периодов напряжения силовой сети (для частоты 60 Гц — 0,78 с, для адаптированного европейского варианта с частотой 50 Гц — 0,96 с).

Современный X10 допускает использование также радиоканала с частотой 310 МГц (США) или 433 МГц (Европа), по которому передаются описанные выше фреймы.
Европейский стандарт EIB (European Installation Bus) [6] рассчитан на построение управляющей сети с помощью витой пары, на основе передачи данных непосредственно по проводам силовой сети, на базе радиоканала или с использованием оптического инфракрасного канала. Протокол передачи по всем видам связи идентичен. К каждой линии EIB можно подключить до 64-х устройств; иерархическая сеть может содержать до 65536-ти устройств. Способ передачи по витой паре — балансный, без модуляции, асинхронный, скорость передачи — 9600 бит/с. Снабжение устройств питающим напряжением и передача информации производится по тем же проводам, поэтому логический 0 передается двухполярным импульсом на уровне питания, а логическая 1 — отсутствием импульса. В системе может быть несколько устройств, инициирующих передачу, поэтому для разрешения конфликтов на шине используется стандартный алгоритм CSMA/CA.

Согласно спецификациям EIB, сенсоры и актуаторы обмениваются телеграммами. Сенсоры используют индивидуальные физические адреса, а актуаторы — групповые. Это дает возможность сенсору послать одну команду сразу многим актуаторам. Каждая телеграмма содержит пакет данных и требует обязательного подтверждения. Пакет данных содержит управляющее поле, поле адреса источника, поле адреса приемника, байт длины пакета, блок данных сообщения и байт контроля ошибок. EIB поддерживает все принятые в вычислительных сетях типы данных и протоколы, что позволяет строить сложные системы управления электрическим освещением с управлением от компьютеров с использованием интернета.

В мае 1999 г. ассоциация производителей изделий EIB объединилась с двумя другими ассоциациями в ассоциацию Konnex, которая приняла единый расширенный стандарт KNX для автоматизации жилых и промышленных зданий. В его основу был положен стандарт EIB. Поэтому ссылки на этот стандарт в технической литературе часто обозначаются как KNX/EIB.
Основываясь на описанных стандартах, производители оборудования и приборов предлагают потребителям ряд интегрированных технологий для построения сетевых систем автоматического управления электрическим освещением.

Современный уровень интеллектуальных технологий управления освещением можно проследить на примере одной из крупнейших европейских фирм, поставляющей такие технологии на мировой рынок, — германской фирмы INSTA [7] (она представляет группу компаний, куда входят также ELKA, Berker, Gira и Jung). Продукция этой фирмы — технологии и компоненты для реализации проектов освещения жилых домов и промышленных зданий. В таблице 2 приведено сравнение 6-ти интегрированных технологий, предлагаемых этой фирмой.

Среди этих технологий особенно интересна Instalight PLUS — управление освещением с помощью техники радиосвязи. Система радиосвязи Istafunk работает на частоте 433 МГц с использованием узкой полосы частот. Разделение каналов осуществляется путем присвоения каждому передатчику индивидуального номера (до 16-ти млн возможных комбинаций). Каждый передатчик может посылать сообщения группе приемников, каждый приемник может быть настроен на прием сигналов от 30-ти передатчиков. Повышению надежности передачи телеграмм в системе способствует многократное дублирование передачи. Дальность действия передатчика (без ретрансляции) составляет 100 м. При этом мощность его радиоизлучения в 100 тыс. раз меньше, чем у сотового телефона, что допускает безопасное использование системы в жилых помещениях.
Номенклатура продукции систем освещения включает сенсоры (в т.ч. выключатели и потенциометры регулирования уровня света), диммеры и балласты для разных типов ламп и светодиодов, сетевые устройства, источники питания, контроллеры, программное обеспечение, установочные и тестирующие инструменты и приборы.
Для построения сенсоров и актуаторов интеллектуальных систем управления электрическим освещением требуются специализированные электронные компоненты. Они занимают существенный сегмент рынка, поддерживаемый ведущими производителями интегральных микросхем.

Примеры предлагаемых технических решений и компонентов для управления электроосвещением трех ведущих производителей интегральных схем Freescale Semiconductor, Microсhip Technology и STMicroelectronics представлены в таблице 3.

В частности, Freescale Semiconductor предлагает технологию построения управляемого балласта для флуоресцентных ламп с коррекцией коэффициента мощности [8] на базе 8-битного 20-выводного микроконтроллера (МК) MC68HC908LB8 (128 байт оперативной памяти и 8 Кбайт программной). Особенностью МК является наличие двухканального ШИМ высокого разрешения для управления силовыми ключами. Другое предлагаемое техническое решение — цифровой интерфейс DALI для осветительных сетей [9] — базируется на использовании того же МК, а также силового транзистора MLD1N06CL и инвертора MC74AC14.

Определенный интерес для проектировщиков систем электрического освещения представляет базовый проект беспроводных сенсоров [10]. Фирма предлагает использовать миниатюрный и дешевый 8-битный МК MC9RS08KA2, имеющий всего 6 внешних выводов. На кристалле МК, кроме процессора RS08, размещены 63 байта оперативной памяти, 2 Кбайта памяти программ, таймер, аналоговый компаратор и другие узлы. МК имеет всего 4 линии ввода/вывода. Большим преимуществом этого МК является наличие встроенной защиты в случае сбоя управления или обнаружения некорректного кода операции, адреса и т.п. Для беспроводной передачи данных в проекте используется передатчик той же фирмы — Tango MC33493, работающий на частоте 315…434 МГц или 868 МГц.

Microсhip Technology предлагает базовый проект управляемого балласта, принимающего команды по интерфейсу DALI [11], на базе 8-битного 20-выводного МК PIC16F628P, микросхемы коррекции коэффициента мощности L6561D фирмы STMicroelectronics и микросхемы управляемого балласта IR2159 компании International Rectifier. Самое прямое отношение к системам освещения имеет техническое решение Microchip Technology, связанное с программной реализацией интерфейса DMX-512 на 8-битном МК PIC18F24J10 [12]. Заслуживает внимания также выпущенный фирмой сборник технических решений для интеллектуальной светодиодной светотехники [13], где анонсированы новейшие компоненты, такие как 6-выводной МК PIC10F для управления диммерами, MCP1630, преобразователь DC/DC для управления светодиодными панелями, датчик температуры для мощных осветительных светодиодов MCP9700 и др. новейшие компоненты.

Фирма STMicroelectronics также предлагает технические решения и компоненты для систем электроосвещения. Техническое решение для диммера [14] базируется на использовании малогабаритного 8-выводного 8-битного МК ST7FLITEUS5B6. Фирма производит большое количество современных интегральных микросхем для управления различными типами ламп и светодиодов, в т.ч. многофункциональных.Например, 20-выводная микросхема L6585D [15] обеспечивает коррекцию коэффициента мощности и прямое управление высоковольтными флуоресцентными лампами.
Анализируя данные таблицы 3, можно заключить, что главным компонентом интеллектуальных систем управления электроосвещением являются маловыводные (6—20) малогабаритные 8-битные МК, которые выполняют все необходимые функции начиная от протоколов связи и заканчивая генерированием ШИМ-сигналов для силовых драйверов, тем самым обеспечивая энергетическую эффективность системы освещения.

Охрана окружающей среды является главным критерием совершенствования систем управления электрическим освещением. Загрязнение окружающей среды и угроза глобального потепления в немалой степени связаны с недостаточной эффективностью систем электрического освещения. Повысить ее можно, снизив энергетические потери на всем пути от источника электроэнергии до конечного преобразования электрической энергии в световое излучение. Исходя из этого, можно сформулировать следующие направления развития технологий управления освещением:
– совершенствование полупроводниковых осветительных приборов;
– разработка новых, более эффективных элементов систем автоматического управления электроосвещением (сенсоров, микроконтроллеров, элементов силовой электроники, источников питания и т.п.);
– создание систем аккумуляторов света, способных накапливать энергию во время светового дня, и отдавать ее для освещения в ночные часы.
Несмотря на кажущуюся фантастичность последнего направления, зачатки подобных систем просматриваются в проектах «Зелёный свет» [16]. Такие системы пока еще достаточно громоздки и дороги. Однако другие примеры (сотовый телефон, компьютер и т.п.) подсказывают нам, что уже недалек тот день, когда световой аккумулятор будет в каждом доме и автомобиле.