Огляд протоколів керування освітленням
українські постачальники світлодіодних світильників
Стратегії освітлення у Європі
Реалізація проекту освітлення торгово-розважального центру у Дубні
Реклама наших партнерів
У сфері загального освітлення твердотільні джерела світла продовжують витісняти традиційні лампи. У зв'язку з цим дедалі актуальнішою стає проблема вибору відповідного протоколу управління освітленням.
Аналогове управління
Управління силою світла за допомогою зміни напруги — один із найперших і найпростіших методів, закріплений у міжнародному стандарті ANSI E1.3 — 2001. Діапазон зміни напруги залежить від виробника, проте згодом найпоширенішими стали рівні 0–10 В. Сила світла змінюється пропорційно напруги. У перших системах управління світловим потоком застосовувалися автотрансформатори. У 60-х роках. минулого століття з'явилися тиристорні системи аналогового управління, що дозволяють регулювати світловий потік віддалено за допомогою невеликої консолі. До середини 70-х років. був встановлений єдиний діапазон зміни керуючої напруги 0-10 В. Головний недолік аналогового управління - неможливість керування великою кількістю світильників. Перевагою цього методу є простота виконання. Потрібні всього дві лінії: зовнішній сигнал керування і загальний зворотний провід. Керуючий струм зазвичай знаходиться в межах 1...4 мА. Інший варіант аналогового управління розрахований на отримання сигналу, що управляє, за допомогою внутрішнього світлодіодного драйвера і зовнішнього потенціометра. Недоліком аналогового підходу при керуванні десятками і тим більше сотнями освітлювальних приладів є велика кількість ліній управління, що робить даний метод непридатним для складнихсистем із кількома сотнями освітлювальних приладів. Система стає надто дорогою. Крім того, в ній важко проводити діагностику та усувати несправності. Другий недолік пов'язаний із загасанням сигналу на довгих лініях. Сигнал, прийнятий джерелом світла, може виявитися слабшим за вихідний, що призведе до більш тьмяного освітлення або нерівномірності випромінювання в системах з декількома освітлювальними приладами. Крім того, аналоговий сигнал схильний до зовнішніх перешкод, шумів і перебоїв на лінії заземлення, особливо при передачі на великі відстані. Драйвери світлодіодів з аналоговим принципом керування освітленістю на 0-10 В застосовуються повсюдно. Тим не менш, даний метод управління не забезпечує достатньої стабільності та не дозволяє отримувати дані з мережевого контролера.
Управління електромережею
Управління освітленістю електромережами застосовується в комерційних і житлових приміщеннях. Напруга мережі надходить на освітлювальний прилад і обмежується амплітудою відповідно до необхідної величиною світлового потоку. Зазвичай цей підхід застосовується для регулювання сили світла ламп розжарювання. Регулятори освітлення можна розділити на дві групи: в одних обмеження напруги здійснюється по передньому фронту, в інших - по задньому. У регуляторах першої групи використовуються симістори. Вони призначені для галогенних ламп та ламп розжарювання. Сила світла змінюється шляхом відсікання переднього фронту напруги електромережі (див. рис. 1а та 1б). Мінімальне навантаження складає 10-60 Вт. Ця вимога не виконується у багатьох світлодіодних системах, тому перед заміною ламп на світлодіодні слід перевірити, чи достатньо навантаження. В іншому випадку буде неможливо досягти слабкого освітлення, або спостерігатиметься помітнеоку миготіння.
Мал. 1. Обмеження напруги електромережі по передньому фронту
Мал. 2. Обмеження напруги електромережі на задньому фронті
У 80-х pp. з'явилися мультиплексовані схеми управління з урахуванням мікропроцесорів: AMX192, K96. Стандарт AMX192 застосовувався біля США і Канади, яке аналогом в інших країнах став D56. Незважаючи на цю взаємодію пристроїв часто не забезпечувалося навіть серед продуктової лінії однієї компанії через використання різних рівнів напруги та стартових послідовностей, а також через відмінності у призначенні висновків, швидкість обміну та кількість ліній передачі. Крім того, було розроблено безліч альтернативних протоколів, деякі з них передбачали наявність у контролері модуля пам'яті для зберігання даних. Перевагою мультиплексованих протоколів є менше проводових з'єднань і можливість управління великою кількістю світильників. Поява стандарту USITT DMX512 допомогла упорядкувати ситуацію, забезпечила взаємодію пристроїв та принесла економічний зиск у всі сектори ринку освітлення. З'явився новий клас пристроїв - інтерфейсні схеми, що забезпечують зворотну сумісність стандартів.
Цей стандарт був розроблений для цифрових мереж передачі даних, що використовуються для керування світлодіодними джерелами світла та іншими пристроями. Фізично в цьому протоколі використовуються диференціальні сигнали EIA-485 і пакетна передача. Обмін можливий лише в одному напрямку та не передбачає перевірки та виправлення помилок. Контролер DMX512 виробляє послідовну асинхронну передачу даних зі швидкістю 250 кБод. Передача даних 512 каналами займе близько 23 мс, що відповідає швидкості оновлення 44 Гц. Для більшЧасте оновлення пересилання здійснюється за меншою кількістю каналів. Широке поширення протоколу DMX-512А пояснюється кількома причинами: – у його основі лежить інтерфейс EIA485; - простота виконання; – висока надійність; – можливість керування кількома мережами світильників за трьома проводами; - невисока вартість елементної бази; – інтерфейс керування ізольований від світильника, тобто. захищений; максимальна кількість пристроїв - 512. Подальше нарощування можливе лише при використанні додаткових портів DMX. Типова структура мережі DMX показана на малюнку 3. Контролер підключається до лінії послідовно з'єднаних світильників. Стандарт EIA485 призначений лише для систем із послідовно включеними світильниками. У кожному сегменті може бути до 32 пристроїв, загальна довжина сполучного дроту – 1 км. За допомогою спеціальних ІС RS485 можна збільшити кількість пристроїв, що підключаються до одного порту. Так, при використанні ІС ISO15 Texas Instruments в одному сегменті може бути до 128 пристроїв. Деякі виробники драйверів світлодіодів заявляють, що до одного порту DMX може бути підключено будь-яку кількість драйверів. В офіційному стандарті це не підтверджується. У більшості таких драйверів на виході відновлюється сигнал DMX, який був отриманий на вході. При цьому накопичується тимчасова затримка, яка стає помітною у великих інсталяціях. Крім того, збій, що виник у одному драйвері, буде повторений усіма наступними.
Мал. 3. Система освітлення з інтерфейсом DMX
До переваг DMX слід віднести вільне призначення каналів для світильника. Наприклад, для першого світильника, підключеного до першого порту (див. рис. 3), потрібно 4 канали дляуправління сигналами червоного, зеленого, блакитного та бурштинового кольорів. Для другого – 3 канали (RGB). Для світильника 3 може бути достатньо одного каналу для затемнення білого світлодіода. У протоколі DMX використовується пакетна передача. Перший байт інформаційного поля містить "стартовий код". Він використовується як прапор для індикації типу даних, що передаються. Значення 0 вказує, що пакет містить інформацію про інтенсивність світлового потоку. Інші 255 кодів не визначено. Вони використовуються у протоколі RDM (див. нижче). Кожен порт DMX передає до 512 8-розрядних значень каналу. На передачу повного пакета потрібно 23 мс, що відповідає частоті оновлення 44 рази на секунду. Така частота підходить для більшості застосувань і не сприймається оком. Єдиний недолік протоколу DMX – одностороння передача від контролера до джерела світла. Відповідно, неможливо проводити моніторинг стану світильників та відстеження збоїв. Перетворювачі DMX набули широкого поширення в архітектурному освітленні, де сполучні лінії можуть бути занадто довгими. Хоча бездротові мережі DMX512 можуть працювати на відстані до 1000 м, більшість з'єднань з міркувань надійності не можуть бути довшими за 300–450 м.
Протоколи двостороннього обміну
Серед безлічі двонаправлених протоколів управління освітленням міжнародне визнання отримали Digital Addressable Lighting Interface (DALI), Remote Device Management (RDM), Architecture for Control Networks (ACN) та KNX. У новій версії протоколу DMX512/2000, робота над якою йде повним ходом, буде додано типи роз'ємів, захист від високої напруги на сигнальних висновках та вирішено проблеми на шині землі. Можливо, буде дозволено двосторонню передачу.
СтандартDALI було розроблено як продовження аналогового інтерфейсу AVC 1-10 В. Це відкритий стандарт для люмінесцентних ламп з баластом. Наприкінці 2009 р. стандарт було розширено. Зокрема, з'явилася можливість керування світлодіодними інсталяціями. Протокол передбачає передачу даних двома лініями (див. рис. 4).
Мал. 4. Передача даних через мережу DALI
Переваги DALI: - управління 64 пристроями по одній шині; - на одному просторі можна утворювати до 16 варіантів сцен; керівні дроти підключаються до баласту або схеми управління безпосередньо, що спрощує підключення, коли є багато зон або груп; – нелінійне затемнення до 0,1% (теоретична межа). Крива затемнення у логарифмічному масштабі показано малюнку 5. Більшість драйверів що неспроможні затемняти світлодіод до рівня, оскільки мінімальний струм становить 5–6 мА, тобто. 1,5% для драйвера, розрахованого на 350 мА. Можливе використання ШІМ, проте це небажано в системах загального освітлення білим світлом, оскільки через малий робочий цикл при слабкому освітленні може виникати мерехтіння, помітне для ока. У майбутньому з'являться драйвери з прямим струмом менше 1 мА (0,3%), що містять сигнальний процесор. Вони забезпечуватимуть затемнення з ідеальними візуальними характеристиками.
Мал. 5. Крива затемнення
У стандарті DALI використовується шифрування із застосуванням коду Манчестер для корекції помилок. Гранична швидкість передачі становить 1200 бод. Максимальна довжина сегмента становить 300 м для кабелю перерізом 1,5 мм2, 100 м для кабелю 0,5 мм2 і 150 м для кабелю з площею перерізу 0,75 мм2. Як і у випадку з RDM, протокол DALI не набув широкого поширення через високу вартість контролерів. Ця проблемавже вирішено, тому протокол буде затребуваний у нових проектах.
Багато сучасних пристроїв обмінюються даними через інтернет. Поступово дана технологія проникає і системи освітлення. Переваги використання протоколів TCP/IP: – низька вартість інфраструктури; - масштабованість - можливість з'єднання практично нескінченної кількості мереж; – сумісність з мережевими та інтернет-протоколами дозволяє керувати освітленням дистанційно; - простота конфігурування; – висока швидкість передачі; - стійкість до появи помилок. В даний час йде розробка мережевого протоколу ACN - architecture for control networks (E1.17) для управління освітлювальними системами по IP-мережі. Протокол є надбудовою UDP/IP. Зв'язок здійснюється за недорогими стандартними лініями Ethernet або Wi-Fi. Протокол ACN є повністю двонаправленим. Кожен пристрій має унікальний ідентифікаційний номер, яким контролер розпізнає підключені пристрої. Крім того, до кожного пристрою додається файл із описом усіх можливостей джерела світла. Таким чином, контролер зможе керувати світильниками, які з'являться у майбутньому. Для переходу з DMX512 на ACN розроблено проміжний протокол DMX-over-ACN (Streaming ACN, або BSR E1.31).
Висновок
Інтелектуальні системи освітлення безперервно розвиваються. Поки що єдиного стандарту немає, і боротьба між існуючими протоколами передачі триває. Очевидно, що майбутнє за протоколами двонаправленого обміну. В даний час в цій галузі домінують RDM та DALI, проте остаточно лідер визначиться у найближчі два роки. Найсерйознішою перешкодою для створення єдиного стандарту є несумісність мережного обладнання. У цьому сенсі не допомагаєнавіть створення контролерів, які підтримують поширені інтерфейси, такі як Ethernet. Зміна протоколу — дорога та складна процедура, вона ставить під сумнів майбутнє поточних проектів, на які вже витрачено чимало ресурсів, тож виробники на це дуже неохоче йдуть.