Systemy sterowania oświetleniem w instalacjach budynkowych - przegląd rozwiązań
| TechnikaNowoczesne rozwiązania pozwalają w efektywny oraz energooszczędny sposób sterować oświetleniem budynku, poddając tę czynność częściowej lub całkowitej automatyzacji. Warto zapoznać się z podstawowymi technologiami i protokołami wykorzystywanymi w tej branży.
W każdym systemie sterowania oświetleniem niezbędnym elementem jest protokół komunikacyjny, pozwalający poszczególnym komponentom systemu na wymianę informacji oraz przesyłanie poleceń. Do najpopularniejszych rozwiązań tego typu zaliczyć można cyfrowe DALI (Digital Addressable Lighting Interface) oraz DMX, a także analogowe 0/1–10 V. Protokoły analogowe są zazwyczaj jednokierunkowe, czyli umożliwiają przepływ informacji w kierunku od nadajnika do odbiornika, bez możliwości uzyskania informacji zwrotnej (odpowiedzi). Protokoły cyfrowe mogą być dwukierunkowe, co pozwala na znacznie bardziej efektywne sterowanie i kontrolowanie stanu elementów systemu.
Korzyści ze stosowania systemu sterowania oświetleniem
Zintegrowany system sterowania oświetleniem niesie ze sobą wiele korzyści. Pozwala poprawić poziom bezpieczeństwa budynku, zwiększa komfort jego użytkowników, ponadto umożliwia częściową lub całkowitą automatyzację zarządzania oświetleniem. Wiąże się to również z poprawą energooszczędności – w przypadku tradycyjnego oświetlenia bardzo prawdopodobne jest, że użytkownik niekiedy zapomni wyłączyć oświetlenie w niektórych pomieszczeniach przed opuszczeniem budynku. Zautomatyzowany system z wysokim prawdopodobieństwem nie dopuści do takiej sytuacji – za pomocą odpowiednich scenariuszy możliwe jest istotne obniżenie użycia energii elektrycznej, zaś scentralizowane sterowanie pozwala na wyłączenie oświetlenia w całym budynku za pomocą jednego przycisku lub automatycznie, np. z wykorzystaniem czujników ruchu.
Protokół DALI
DALI jest obecnie jednym z najpopularniejszych protokołów komunikacyjnych stosowanych w systemach sterowania oświetleniem. Umożliwia dwukierunkową cyfrową wymianę danych. Urządzenie typu master może sterować pracą do 64 różnych modułów podłączonych do tej samej linii. Każdy z modułów może być przypisany do 16 różnych grup oraz scen. Do głównych zalet tej technologii zaliczyć można prostotę konfiguracji oraz rekonfiguracji sieci, ograniczoną ilość niezbędnego okablowania (do jednoczesnej transmisji danych oraz zasilania wykorzystywana jest pojedyncza para przewodów), a także możliwość jednoczesnego wysyłania komend do grup urządzeń.
Architektura sieci DALI
Na rysunku 1 przedstawiono przykładową architekturę sieci opartej na protokole DALI. Głównym elementem tej sieci jest magistrala składająca się z pary przewodów służących do jednoczesnego przesyłania zasilania oraz danych.
Komunikacja w sieci DALI odbywa się w oparciu o architekturę master-slave, gdzie rolę mastera pełni układ kontrolera magistrali. Wśród dostępnych urządzeń typu slave wymienić można nie tylko sterowniki oświetlenia, ale także różnego rodzaju sensory.
Niezbędnym elementem sieci jest także układ zasilania magistrali (bus power supply), zapewniający właściwy poziom napięcia na magistrali. Każdy z układów podłączonych do sieci ma swój własny unikatowy adres o wartości od 0 do 63 (adresowanie 6-bitowe). Adresacja poszczególnych węzłów może odbywać się automatycznie, zazwyczaj po fizycznym podłączeniu wszystkich komponentów do sieci. Szybkość transmisji danych wynosi 1200 bit/s.
Jak pokazano na rysunku 2, protokół DALI umożliwia tworzenie sieci o różnej topologii: gwiazdy, drzewa lub magistrali. Zwiększa to elastyczność tego rozwiązania i upraszcza instalację, umożliwiając wybór najbardziej optymalnej topologii do konkretnej realizacji.
Kontroler komunikuje się z węzłami sieci poprzez zestandaryzowane wiadomości. Struktura wiadomości protokołu DALI składa się z pola adresu (adres może dotyczyć pojedynczego urządzenia, grupy urządzeń, wszystkich elementów sieci – broadcast lub predefiniowanych scen), komendy (rodzaj działania do wykonania) oraz pola danych (np. parametrów przesłanej komendy).
Protokoły analogowe - 0/1–10 V
Protokół 0/1–10 V to prosty i niedrogi sposób na sterowanie poziomem oświetlenia za pomocą sygnału analogowego. Jasność oświetlenia jest proporcjonalna do napięcia sygnału sterującego – wartość 10 V oznacza 100% jasności danego źródła światła, 1 V oznacza 10%, zaś 0 V (w przypadku wersji 0–10 V) to wyłączenie układu. W wersji 1–10 V każda wartość napięcia mniejsza od 1 V oznacza minimalny dostępny poziom jasności.
Istnieją dwa wzajemnie niekompatybilne standardy opisujące protokół 0–10 V – Standard IES 60929 Annex E oraz Standard ESTA E1.3. Główna różnica pomiędzy nimi to sposób wytwarzania oraz dystrybucji napięcia sterującego – kontroler może pełnić rolę źródła lub obciążenia prądowego.
W standardzie IES 60929 Annex E napięcie o wartości 10 V generowane jest przez układ sterowany – układ sterujący redukuje wartość tego napięcia, co pod postacią sygnału powrotnego odczytywane jest przez układ sterowany. Rozwiązanie to stosowane jest obecnie w niektórych systemach sterowania oświetleniem LED.
Wersja opisana przez ESTA E1.3 zakłada, że układ sterujący pełni rolę źródła prądowego i samodzielnie generuje sygnał sterujący. To rozwiązanie było w przeszłości powszechnie stosowane do sterowania oświetleniem scenicznym, np. w teatrach.
Wady i zalety protokołu 0/1–10 V
Główną zaletą protokołu 0/1–10 V jest sam fakt, że umożliwia on sterowanie poziomem oświetlenia. Pozwala to tworzyć różne sceny i efekty świetlne, w zależności od aktualnych potrzeb użytkownika. Sterowanie może być również częściowo lub całkowicie zautomatyzowane i dopasowane np. do bieżącego natężenia światła dziennego. Redukcja natężenia światła prowadzi ponadto do oszczędności w użyciu energii elektrycznej.
Do głównych wad zaliczyć można niską kompatybilność, podatność na zakłócenia oraz wrażliwość na spadki napięcia wzdłuż przewodu. Jak już wspomniano, istnieją dwa standardy protokołu, które nie są ze sobą kompatybilne.
Sterowanie oświetleniem odbywa się za pomocą sygnału analogowego, który jest podatny na zakłócenia, np. pochodzące z emisji elektromagnetycznej od pobliskich urządzeń. Może to powodować trudności w precyzyjnym sterowaniu poziomem oświetlenia, może również, szczególne w połączeniu ze spadkiem napięcia wzdłuż przewodu, doprowadzić do tego, że źródła oświetlenia podłączone do tej samej linii sterującej emitować będą światło o odmiennym natężeniu. Protokół 0–10 V niezbyt dobrze sprawdza się również w sytuacjach, gdy konieczne jest niezależne sterowanie różnymi grupami urządzeń. Konieczne jest wtedy poprowadzenie osobnych przewodów sterujących do każdej z grup, co może wpłynąć na istotny wzrost kosztów montażu oraz rozmiarów całej instalacji.
Protokół DMX
Protokół DMX (Digital Multiplex) jest standardem popularnym szczególnie w przypadku oświetlenia scenicznego oraz instalacji o dużych rozmiarach, np. w galeriach handlowych. Umożliwia sterowanie wieloma parametrami oświetlenia – nie tylko natężeniem, ale również kolorem czy kierunkiem. Komunikacja w DMX podzielona jest na 512 kanałów, z których każdy odpowiada za jeden parametr (jak np. natężenie oświetlenia). Każdemu z kanałów przypisać można wartość w zakresie od 0 do 255 (co będzie odpowiadało natężeniu oświetlenia od 0 do 100%). Numery kanałów można też traktować podobnie jak adresy urządzeń. Przykładowo, jeśli chcemy sterować niezależnie oświetleniem dziesięciu różnych lamp, konieczne będzie wykorzystanie do tego celu dziesięciu kanałów. Jeśli zaś chcemy sterować natężeniem wszystkich dziesięciu lamp jednocześnie (natężenie emitowanego przez nie światła będzie zawsze jednakowe), wystarczy do tego jeden kanał. Komunikacja w protokole DMX jest jednokierunkowa – kontroler może ustawiać poszczególne parametry pracy odbiorników, nie jest jednak w stanie uzyskać od nich żadnej informacji zwrotnej.
Podsumowanie
Systemy sterowania oświetleniem są obecne w powszechnym użytku od dziesięcioleci. Stąd też obecność różnych standardów, istotnie różniących się pod względem możliwości, technologii oraz sposobu realizacji. Pomimo rosnącej popularności urządzeń i rozwiązań cyfrowych, w wielu projektach wciąż natknąć się można na instalacje oparte na komunikacji analogowej. Wybór optymalnego standardu do potrzeb konkretnej aplikacji powinien zostać zawsze poprzedzony dogłębną analizą wymagań oraz ograniczeń projektu.
Damian Tomaszewski
