Справочная книга по светотехнике

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ

Системы управления освещением (СУО) решают одновременно следующие важнейшие задачи: эконо­мия электроэнергии, улучшение комфортности осве­щения, повышение безопасности дорожного движения (для установок наружного освещения), увеличение сро­ка службы ИС (благодаря меньшему времени их испо­льзования и исключению токовых перегрузок). Допол­нительно эти системы могут взять на себя функции мо­ниторинга, диагностики ОУ и устранения неисправно­стей за счет резервных ОП.

4.2.1. Основные функции автоматизированных систем управления освещением

1. Контроль состояния ОУ. а именно: контроль ко­личественных и качественных характеристик искусст­венного освещения: контроль уровня естественного освещения; контроль состояния органов ручного управления ОУ; контроль исправности светильников и режима их работы: контроль напряжения, гока, энерго­потребления, а также характеристик качества электро - энерши. Для ОУ внутреннего освещения к перечислен­ным функциям добавляется контроль наличия людей в помещении.

2. Управление освещением.

Для внутренних ОУ управление освещением предпо­лагает:

- ручное регулирование освещенности на рабочих местах. Для этого ОУ снабжаются переносными дис­танционными пультами управления с инфракрасными излучателями (по типу телевизионных) или потенцио­метрами, устанавливаемыми рядом с выключателями;

- автоматический учет присутствия людей в осве­щаемом помещении. При оборудовании СУО датчиком присутствия освещение автоматически включается или выключается в зависимости от наличия людей в дан­ном помещении;

- автоматическое обеспечение постоянной осве­щенности на рабочих местах с учетом интенсивности естественного света. Достигается это введением в СУО фотоэлементов, контролирующих освещенность на ра­бочем месте;

- заданный проіраммой учет времени суток, вре­мени года, дней недели. Для этого СУО должна быть оборудована контроллером с часами реального вре­мени.

Благодаря автоматизации управления освещением в ОУ возможна экономия электроэнергии до 75% по сравнению с нерегулируемым освещением (рис. 4.46).

Регулируемые ОУ

Лія наружных ОУ управление освещением предпо­лагает включение и выключение сиетильииков полно­стью или по группам, дискретное или плавное регули­рование их светового потока. Основные факторы, определяющие режим управления. — это уровень есте­ственной освещенности, интенсивность дорожного движения (обычно связывается с временем суток) и обеспечение максимальной зрительной адаптации при проезде через тоннели.

4.2.3. Принципы автоматизированного управления осветительными установками

Принцип одноуровневого управления

Иллюстрация принципа одноуровневого управле­ния дана на рис. 4.47,я |4.26].

Информационные сигналы (данные об освещенно­сти, присутствии людей, сигналы ручного управления и т. д.) вырабатываются соответствующими датчиками Д. после чего поступают в контроллер К. В соответствии с заложенным в него алгоритмом контроллер вырабаты­вает управляющий сигнап (команда на регулирование, включение или отключение), поступающий на испол­нительные блоки, определяющие режим ИС. Данная СУО является одноуровневой, так как обработка ин­формационного сигнала осуществляется на единствен­ном уровне контроллера К. Ввиду практически полной незащищенности от сбоев в контроллере, при которых происходит нарушение работы всей СУО, одноуровне­вые СУО целесообразно использовать для одной или нескольких групп близко расположенных светильни­ков, т. е. /Тля реализации локальных СУО.

Принцип двухуровневого управления

Для централизованного управления целесообразно использовать двухуровневые СУО (рис. 4А7.6). При этом система содержит некоторое количество контрол­леров первого уровня К, разметенных вблизи управля­емых ОУ. Эти устройства в совокупности с датчика­ми Д образуют первый уровень управления (т. е. факти­чески являются локальными СУО). Централизованное управление второго уровня осуществляется е централь­ного поста нерсоначыюй ЭВМ. взаимодействующей уже не с отдельными датчиками и светильниками, а с контроллерами первого уровня. ЭВМ. в основном, вы­полняет функции контроля состояния ОУ и задания режимов работы системы, а локальные контроллеры — учет требований индивидуальных пользователей и не­посредственное управление освещением. Двухуровне­вая СУО сохраняет частичную работоспособность при отказе любых ее элементов и предоставляет большие возможности по интеграции управления освещением с другими информационными системами.

4.2.4. Структурная схема системы управления освещением

Структурная схема СУО изображена на рис. 4.48.

В состав системы входят следующие блоки: ПЭВМ центрального поста, контроллеры локачьных систем управления освещением (КЛС), датчики и исполните­льные устройства.

ПЭВМ центрального поста задает сценарии освеще­ния для локальных систем, собирает и хранит инфор­мацию о функционировании локальных систем.

Контроллеры локальных систем управления освеще­нием содержат в оперативной памяти сценарий работы ОУ и обеспечивают его реатизацию. Сценарий можно выбирать на пульте управления или на центральном носіу. Приоритет в выборе сценария имеет цептрать - ный пост.

Датчики

Датчики освещенности предназначены для контроля освещенности на рабочем месте (для ОУ внутреннего освещения) или естественной освещенности (для на­ружных ОУ). В качестве датчика освещенности может быть использован, в принципе, любой светочувстви­тельный прибор; обычно это фотодиод или фоторези - сгор.

-Н KJTC ({Регулируемые ҐГР7П-------------------

Контроллеры Исполнительные устройства

Рис. 4.48. Структурная схема автоматизированной системы управления освещением

Датчики присутствия (используются только в сис­темах управления внутренними ОУ) предназначены для отключения светильников при отсутствии людей в по­мещении (с заданной временной задержкой). Датчики присутствия моїут быть активными и пассивными. Ак­тивные датчики содержат узконаправленные излучате­ли (ог световых до ультразвуковых) и соответствующие приемники, расположенные в противоположном конце помещения. Принцип действия датчиков основан па регистрации прерывания луча движущимися объекта­ми. Пассивные датчики содержат приемники инфрак­расного излучения, регистрирующие картину теплового поля, создаваемого людьми в помещении. В случае, если эта картина в течение определенного времени пе изменяется, датчики посылают сигнал на отключение освещения.

Датчики электрических параметров О У снимают информацию о величине напряжения, тока и потребля­емой мощности в каждой фазе, об обрывах и замыка­ниях в питающих сетях и т. п.

Ручное управление осуществляется переносными дистанционными пультами управления с радиочастот­ными, инфракрасными или ультразвуковыми излучате­лями, а также выключателями или потенциометрами, устанавливаемыми рядом с выключателями.

Исполнительные устройства

В зависимости от выполняемой функции и вида на­грузки исполнительные устройства можно разделить на З іруппьі: переключатели, регуляторы сетевого напря­жения и регулируемые ПРА.

Переключатели предназначены для полного или ча­стичного включения или отключения ламповой наїруз- ки от сети. Переключатели моїуг быть электромехани­ческими (реле, контакторы), статическими (на базе ти­ристоров и транзисторов) и «гибридными».

Регуляторы сетевого напряжения предназначены для плавного или дискретного регулирования светового потока ИС. Они моїут быть как индивидуальными, так и групповыми. К ЛН регуляторы подключаются непо­средственно, а к РЛ через ПРЛ. как правило электро­магнитные. Для подключения РЛВД используются стандартные ПРА. При этом, из-за особенностей регу­лировочных характеристик РЛВД и с целью сохране­ния их срока службы рекомендуемый нижний предел регулирования напряжения составляет 50—80% от по­минального значения. ЛЛ можно регулировать в гораз­до большем диапазоне (до долей %), но для этого дол­жны использоваться специальные ПРА, обеспечиваю­щие необходимый температурный режим электродов и перезажигапие разряда каждый нолунериод сети во всем диапазоне регулирования. Функциональная схема такого ПРА приведена на рис. 4.49 [4.31.

Она построена на базе бесстартерного ЭмПРА (дроссель Др и накальный трансформатор НТ) и мало­мощного инициирующего генератора ВЧ (его мощ­ность по крайней мерс на порядок меньше мощности лампы), подключенного к лампе через разделительный конденсатор С. Бесстартерный ЭмПРА в данной схеме обеспечивает стабилизацию тока лампы и постоянный

подогрев ее электродов, а инициирующий генератор по;ідержипает ионизацию плазмы в столбе разряда во время пауз основного тока и тем самым улучшает усло­вия перезажигания разряда. Необходимо отметить, что схема с инициирующим генератором представляет и самостоятельный интерес (безотносительно к регулиру­емым системам) для разработчиков ПРА, поскольку может использоваться для включения РЛ при пони­женном напряжении нитания. для улучшения условий зажигания и перезажигания, снижения пульсаций све­тового потока, использования конденсаторов в качест­ве токоограничивающих элементов и т. д.

Регуляторы сетевого напряжения могут быть транс­форматорными, фазовыми и широтно-импульсны­ми [4.27J.

Трансформаторные регуляторы выполнены, как пра­вило, на базе автотрансформаторов с регулируемым ко­эффициентом трансформации. Изменение последнего может осуществляться либо путем механического пере­мещения контактного движка, либо путем переключе­ния отводов обмотки. Первый способ, хотя и обеспечи­вает плавное регулирование напряжения от 0 до 1,1£/н с сохранением синусоидальной формы, в настоящее вре­мя не находит широкого применения из-за низкой экс­плуатационной надежности. В случаях, когда допуска­ется дискретное регулирование напряжения на наїруз - ке, находят применение трансформаторы с бесконтакт­ным переключением обмоток с помощью тиристоров. Такие регуляторы имеют высокую эксплуатационную надежность и сохраняют синусоидальность формы на­пряжения во всем диапазоне регулирования.

В фазовых и широтно-импульсных регуляторах управ­ление поступлением энергии из сети в наїрузку осуще­ствляется с помощью полупроводникового ключа (рис. 4.50,а), соединенною последовательно с нагруз­кой [4.28]. Напряжение на нагрузке регулируется изме­нением соотношения времен включенного и выклю­ченного состояний ключа. В фазовых регуляторах ключ, как правило тиристор, отпирается 1 раз за полу- период сетевого напряжения (рис. 4.50,б). Путем изме­нения фазы отпирания достигается возможность плав­но и в широком диапазоне изменять напряжение на нагрузке, однако при этом существенно искажается форма напряжения, что приводит к уменьшению коэф­фициента мощности, росту процентного содержания высших гармоник в сетевом токе и увеличению пульса­ций светового потока ИС. Недостатки фазовых реіуля - торов можно устранить путем многократной коммута­ции полупроводникового ключа за нолунериод питаю­щего напряжения, т. е. путем его широтно-импульспой

модуляции (рис. 4.50,«). Широтно-импульсные регуля­торы обладают высоким быстродействием, повышаю­щим точность стабилизации и реіулирования, и позво­ляют приблизить форму напряжения на нагрузке к си­нусоидальной, а коэффициент мощности — к 1. 1} ка­честве полупроводникового ключа в этих регуляторах должны быть использованы полностью управляемые приборы, такие как запираемые тиристоры или мощ­ные транзисторы.

Регулируемые ПРА. Принцип действия реіулируе - мых ПРА основан на изменении их внутреннего импе­данса. поэтому при использовании таких ПРА реіуля- торы сетевого напряжения не гребуются.

Регулируемые ЭмПРА. Известны два вида реіулирус - мых ЭмПРА: аппараты, выполненные па базе магнит­ного усилителя, и балластные дроссели с отводами. В первом случае аппараты обеспечивают глубокое плав­ное реіулирование ИС, но из-за неудовлетворительных массо-габаритных показателей в настоящее время поч­ти не используются Несмотря па то, что во втором слу­чае возможно только ступенчатое регулирование путем переключения обмоток, балластные дроссели с отвода­ми находят применение благодаря простоте и эконо­мичности.

Регулируемые ЭПРА [4.7]. Функция преобразователя, лежащего в основе любого ЭПРА, — формирование проходящего через лампу тока. Поэтому все ЭПРА по­тенциально имеют возможность управления током, а следовательно и световым потоком ламп.

Ток лампы с помощью ЭПРА можно изменять не­сколькими путями:

- изменением параметров балластного дросселя;

- изменением амплитуды выходного напряжения инвертора (амплитудное реіулирование);

- изменением частоты выходного напряжения ин­вертора (частотное регулирование);

- изменением формы выходного напряжения ин­вертора (широтно-импульсное регулирование).

Для обеспечения стабильного горения во всем диа­пазоне регулирования при любом из перечисленных способов необходимо, чтобы термоэмиссия электронов из электродов лампы была достаточной для поддержа­ния разряда с любым заданным значением среднего юка.

Первый способ реіулирования — путем изменения параметров бсшастного дросселя — исторически поя­вился раньше других. В качестве регулируемого дроссе­ля ВЧ здесь использовались магнитные усилители. Этот способ позволяет изменят ь световой поток ламп в широких пределах (до 30—50 раз). В настоящее время такой способ регулирования применяется редко из-за относительной сложности и дороговизны магнитных усилителей.

Амгыитудныи способ регулирования также использу­ется редко и только в случаях, когда не требуется боль­шая глубина регулирования. Дело в том, что для устой­чивого горения лампы необходимо, чтобы падение на­пряжения на балластном дросселе было не менее 20% от суммарного напряжения. Напряжение на J1J1 при из­менении тока почти не изменяется (точнее — слабо растет при уменьшении тока), поэтому выходное на­пряжение инвертора можно снижать лишь в очень не­больших пределах, в результате чего диапазон реіули - рования светового потока ЛЛ при таком способе обыч­но не превышает 50%.

Частотный способ регулирования довольно распро­странен, так как прост в реализации и позволяет изме­нять световой поток ламп в широких пределах. Однако при его использовании особо следует обращать внима­ние на защиту от радиопомех.

Способ широтно-импульсного регулирования является наиболее перспективным и в настоящее время самым распространенным. Созданы и выпускаются интеїраль - ные микросхемы, позволяющие изменять скважность (отношение длительности импульсов к периоду их сле­дования) напряжения инверторов в любых пределах. За счет изменения формы тока достигается стократное ре - іулировапие светового потока ЛЛ, а применение этого способа для НЛВД позволяет управлять пе только ин­тенсивностью светового потока, но и его цветом [4.13[. Однако массовое внедрение ЭПРЛ, реализующих этот способ реіулирования, должно сопровождаться тщате­льным исследованием его влияния на характеристики ламп, поскольку есть настораживающие сообщения [4.29| о том, что при коэффициенте заполнения <0.5 в разряде имеет место катафорез даже при отсутствии постоянной составляющей в токе лампы. Автор сооб­щения объясняет это нелинейной зависимостью пере­мещения ионов ртути от амплитуды тока и называет обнаруженное явление «нелинейным электрофорезом».

Регулируемые ЭПРА, так же, как и нерегулируемые, выполняются в соответствии со структурной схемой рис. 4.15. Характерной чертой регулируемых ЭПРА яв­ляется свойство управляющего блока «понимать» ип-
формацию, поступающую на его вход но внешним ка­налам связи, а также переламать по этим же каналам ин­формацию о состоянии ИС и самою аппарата.

4.2.5. Управляющие сигналы

Передача информации по каналам связи может осу­ществляться двумя видами сигналов — аналоговыми и цифровыми.

Аналоговое управление может быть двух видов: управление напряжением постоянною тока и управле­ние широтно модулированными импульсами (ШИМ).

Управление напряжением постоянного тока

Управляющий сигнал — стандартное реіулируемое постоянное напряжение 0-10 В. В соответствии с МЭК 60929, регулировочная характеристика исполнительно­го устройства при воздействии на нею управляющею напряжения должна соответствовать рис. 4.51.

Макс.

Vсигнал (высокое) “1 Мин.

I Пороговый уровень Макс.

^сигнал (низкое) 0В

Типичный ШИМ сигнал

TL

Г

/ - максимальный световой поток;

2 — минимальный световой поток

ШИМ сигналы для минимального и максимального светового потока

Рис. 4.52. Параметры широтно модулированных импуль­сов напряжения

— минимальный световой ноток при ширине сиг­нала Т (минимальная) — 95% с погрешностью 1%;

— выключение при ширине сигнала Т (минималь­ная) более 95%;

— регулировочная характеристика ПРА при воздей­ствии на него широтно модулированных импульсов на­пряжения управления имеет вид (в соответствии с МЭК60929), представленный па рис. 4.53.

Напряжение <01$ соответствует полностью выклю­ченной ОУ. а напряжение >10 В — полностью вклю­ченной ОУ. В силу исторических причин преобладаю­щим в настоящее время является аналоговое управле­ние, однако имеется устойчивая тенденция по вытесне­нию ею цифровым.

Управление широтно модулированными импульсами

Управляющий сигнал — широтно модулированные импульсы напряжения со следующими параметрами в соответствии с МЭК 60929 (см. рис. 4.52):

- напряжение сигнала изменяется между (■'сигнала (низкое) и I7 сигнала (высокое), где ^ сигнала (низкое) минимальное — 0 В; V сигнала (низкое) максималь­ное — 1,5 В; V сигнала (высокое) минимальное — 10 В; V сигнала (высокое) максимальное — 25 В; Т (длитель­ность периода) — 1 мс (минимальная) и 10 мс (макси­мальная);

— полный световой поток, излучаемый при ширине сигнала Т (максимальная) — от 0 до 5% с погрешно­стью ±1%;

Цифровое управление

Управляющий сигнал представляет собой последо­вательность импульсов напряжения, закодированную в цифровой форме. Цифровое управление более перс­пективно, поскольку обладает существенно большими функциональными возможностями, а ею реализация, благодаря достижениям микроэлектроники, не вызыва­ет сомнения. В качестве блока управления при этом це­лесообразно использовать микроконтроллеры, в част­ности недорогие микроконтроллеры с флэш-памятью |4.30]. Привлекательность такою решения состоит в том, что при проіраммировапии микрокоіпроллера можно не только обеспечивать свободу выбора прото­кола обмена данными с управляющей станцией, но и адаптировать ЭПРА для работы с разными типами ламп, управлять процессом зажигания и выхода на ра­бочий режим.

Следует отметить совместимость обоих способов, ко торая достигается использованием согласующих ана­лого-цифровых и цифроапалоговых преобразователей.

Большое влияиие на функциональные возможности всей системы оказывает выбор интерфейса [4.311. Се­годня нет единого подхода к решению этой задачи. F-сли система предполагает использование серийно вы­пускаемых ЭПРА, то выбор во многом определен тем интерфейсом, который уже заложен в ЭПРА. Удачной попыткой решения этой проблемы было создание ря­дом ведущих европейских производителей в середине 90-х годов нового промышленного стандарта на интер­фейсы связи между цифровыми компонентами реіули - руемых ОУ. Этот стандарт получил название DALI (Di­gital Addressable Lighting Interface — цифровой адресуе­мый осветительный интерфейс). С внедрением стан­дарта DAL1 возник единый, понятный всем «язык об­щения» компонентов ОУ вне зависимости от их изго­товителя 14.321. Нормированный цифровой сигнал по­зволяет проводить адресацию до 64 светильников, при­чем каждый из них может регулироваться независимо от других; управлять 16-ю іруппами светильников, программировать или воспроизводить 16 осветитель­ных режимов («сценариев»), осуществлять сообщения об отказах ламп и ЭПРА.

Командный сигнал DALI имеет длину 19 бит и со­держит 1 стартовый бит, 8 адресных бит, 8 бит данных и 2 бита остановки. Адресные биты позволяют обрати­ться к одному конкретному ПРА или группе ПРА, при­чем каждый аппарат должен содержать микроконгрол - лер со своим индивидуальным адресом для получения и обработки сигналов DAL1. В этом случае он может управляться независимо от других аппаратов. Может использоваться и групповое управление путем присва­ивания группового адреса.

Адрес имеет 8-й битовый формат вида: УААААААБ. Первый бит У определяет тип адреса. «0» определяет индивидуальный адрес, известный как короткий. «1» определяет групповой адрес. В коротком адресе следу­ющие 6 бит АААААА залают адрес светильника с номе­рами от 0 до 63. Групповой адрес имеет вид 100АААА и «алает группы светильников с номерами от 0 до 15. Ад­рес «111111» резервируется.

Последний бит «S» определяет тип последующей команды данных. «0» означает, что команда данных бу­дет задавать уровень реіулирования. «1» означает дру-

1 пе виды команды данных.

Сигнал ОААААААОХХХХХХХХ залает уровень регу­лирования одного светильника. Уровни реіулирования имеют 254 ступени. Минимальный уровень составляет примерно 0,1% от максимума. Поскольку глаз человека реагирует на изменения яркости по логарифмическому закону, реі-улировочпая характеристика сигнала DAL1 ныбрапа соответствующей именно этому закону (см. рис. 4.54.).

Протокол DAL1 предполагает дуплексную связь, когда ЭПРА сообщает информацию на запрос блока управления. Например, может быть послан запрос об уровне света от светильника. ЭПРА снимает эту ин­формацию и посылает ее в блок управления, используя следующий формат: 1 стартовый бит, 8 бит данных,

2 бита остановки. Т. е. если прямое сообщение содер-

жит 19 бит, то обратное — 11. Скорость передачи ин­формации в обе стороны — 1200 бит/с.

На базе стандарта 1)AL1 возможно создание систем регулирования более высокого уровня, предназначен­ных для крупных ОУ. Так, например, фирма Tridonic разработала систему comfortDIM, работающую с циф­ровыми ЭПРА для ЛЛ, ГЛН и СД |4.32|. В систему вхо­дит модуль DALI DS1, позволяющий практически нео­граниченно увеличивать количество управляемых све­тильников. В ассортимент comfortDIM входят несколь­ко миниатюрных модульных блоков (DALI GC, DAL1 SC, DALI RD, DALI PS), а также winDIM — проірам - мное обеспечение, позволяющее управлять светильни­ками простыми «щелчками мыши». Существует воз­можность и дистанционного управления с помощью пульта радиоуправления — DALI RD.

С точки зрения функциональных возможностей и цены интерфейс DAL1 занимает промежуточную об­ласть между дешевым, но относительно неэффектив­ным аналоговым интерфейсом 1... 10 В, и системами вы­сокого уровня па базе цифровых высокопроизводитель­ных шин (П1В — European Installation Bus, LON — Local Operating Network и др.) с большим количеством разно­образных периферийных устройств (см. рис. 4.55).

Каналы связи обеспечивают обмен информацией ме­жду ПЭВМ, контроллерами, датчиками и исполнитель­ными блоками. Обмен информацией может быть реали­зован с использованием различных каналов связи (но проводным линиям, радиоканалам, но телефонным ли­ниям и т. д.). Наиболее перспективным способом орга­низации обмена информацией является использование электросети в качестве капала связи. При этом отпадает необходимость в прокладывании отдельных линий управления, что особенно важно для наружных ОУ.

4.2.6. Рекомендации по применению систем управления освещением помещений

Для помещений площадью более 50 следует при­менять автоматические устройства регулирования ис-

кусствснного оснешепия н зависимости от естествен­ной освещенности помещения |4.33|.

В учебных классах, спортивных и актовых залах, в конструкторских бюро, а также рабочих кабинетах по­ликлиник и других учреждениях здравоохранения сле­дует предусматривать либо отключение светильников рядами, параллельными световым проемам, либо плав­ное или ступенчатое реі'улировапие в зависимости от естественною освещения.

Освещение лестниц, холлов, коридоров обществен­ных зданий должно иметь автоматическое или дистан­ционное управление, обеспечивающее отключение час­ти светильников или ламп в ночное время.

Управление рабочим освещением в торговых залах площадью 300 кв. м и более, в актовых залах, конфе - репц-залах, обеденных залах столовых и ресторанов с числом рабочих мест свыше 100. вестибюлях и холлах гостиниц должно быть централизованно дистанцион­ным.

Для управления освещением лестниц, лифтовых холлов поэтажных коридоров, вестибюлей и других вспомогательных помещений, местного управления ра­бочим освещением проходов и лестничных клеток в общественных зданиях рекомендуется использовать СУО. в том числе с датчиками присутствия.