STEROWANIE OŚWIETLENIEM W SYSTEMIE KNX. WYBRANE ALGORYTMY I PROPOZYCJE ICH REALIZACJI.

Transkrypt

1 BD BD BD XIII SYMPOZJUM ODDZIAŁU POZNAŃSKIEGO STOWARZYSZENIA ELEKTRYKÓW POLSKICH WSPÓŁCZESNE URZĄDZENIA ORAZ USŁUGI ELEKTROENERGETYCZNE, TELEKOMUNIKACYJNE I INFORMATYCZNE SIECI I INSTALACJE ELEKTRYCZNE KLASYCZNE I INTELIGENTNE POZNAŃ, LISTOPADA 2010 R. STEROWANIE OŚWIETLENIEM W SYSTEMIE KNX. WYBRANE ALGORYTMY I PROPOZYCJE ICH REALIZACJI. Andrzej KSIĄŻKIEWICZ Politechnika Poznańska Instytut Elektroenergetyki Słowa kluczowe: KNX, DALI, algorytmy sterowania, integracja instalacji. Streszczenie. W referacie przedstawiono wybrane algorytmy sterowania oświetleniem z wykorzystaniem elementów systemu KNX. Opisano integrację tego systemu z urządzeniami oświetleniowymi w standardzie DALI. Zaprezentowane zostały niektóre możliwości regulacji natężenia oświetlenia. Pokazano jak dzięki wykorzystaniu elementów logicznych można w znacznym stopniu dostosować sterowanie do różnych konfiguracji pomieszczeń. Przedstawiono również wpływ płynnej regulacji oświetlenia na rozkład jego natężenia w pomieszczeniu. 1. WSTĘP Współczesne instalacje elektryczne w budynkach użyteczności publicznej nie ograniczają się do dostarczania energii elektrycznej. Niezbędnym elementem nowoczesnych instalacji są inteligentne rozwiązania zapewniające bezpieczeństwo zasilania w energię elektryczną, rozbudowaną możliwość sterowania odbiorami oraz zmniejszenie zapotrzebowania na energię elektryczną. Jednen z wiodących systemów automatyki budynkowej spełniający powyższe warunki to system KNX. Sporą część energii elektrycznej, na którą występuje zapotrzebowanie w budynkach, zużywana jest na ich oświetlenie. Aby zoptymalizować koszty zasilania konieczne jest zapewnienie racjonalnego wykorzystania zainstalowanej mocy oświetleniowej. W tym celu niezbędne jest wykorzystanie nowoczesnego systemu sterowania oświetleniem pozwalającego na realizację skomplikowanych algorytmów sterowania. Takim systemem jest Digital Addressable Lighting Interface DALI. 2. DALI W SYSTEMIE KNX DALI jest autonomicznym systemem zaprojektowanym do sterowania oświetleniem [1]. Pełne wykorzystanie jego możliwości zapewnia jego integracja z systemami automatyki budynkowej, np. KNX. Integracja ta zapewniona jest poprzez wykorzystanie dedykowanych urządzeń (bramek) służących do przesyłania informacji pomiędzy systemami. Urządzenia te pozwalają na wykorzystanie wszystkich możliwości oferowanych przez DALI, a dzięki integracji z nadrzędnym systemem BAS poszerzają jego funkcjonalność. Zarówno system KNX jak i DALI korzystają ze swojej własnej, dedykowanej magistrali przewodowej. Ich połączenie następuje we wcześniej wspomnianej bramce KNX/DALI. Oprócz magistrali przewodowej konieczne jest właściwe podłączenie instalacji elektrycznej 230 V. Przykładowy schemat połączenia systemów wraz z urządzeniami KNX i DALI przedstawiono na rysunku 1. SR PU SP lx EIB ZS n PIR USB MAGISTRALA KNX KNX DALI MAGISTRALA DALI Rys. 1. Schemat połączenia instalacji elektrycznej oraz magistral systemu KNX i DALI: SP sensor przyciskowy, SR sensor ruchu i natężenia oświetlenia, PU port USB, ZS zasilacz systemowy, BD balast DALI Działanie takiego systemu odbywa się w sposób następujący. Użytkownik danego pomieszczenia reguluje natężeniem oświetlenia z wykorzystaniem sensora przyciskowego KNX SP. Informacja o tym przesyłana jest telegramem po magistrali KNX do bramki KNX/DALI. Następnie polecenie sterujące dociera do L N

2 2 KSIĄŻKIEWICZ A. statecznika elektronicznego BD, który je wykonuje. Na schemacie, oprócz opisanych elementów, znajdują się również zasilacz systemowy ZS, czujnik ruchu i natężenia oświetlenia SR oraz port USB, służący do komunikacji systemu z komputerem, PU. 3. STEROWANIE GRUPOWE I INDYWIDUALNE OŚWIETLENIEM System DALI umożliwia sterowanie grupowe oraz indywidualne źródłami światła. Pierwsze z nich pozwala na sterowanie wieloma oprawami w sposób zunifikowany, mianowicie w systemie KNX steruje się grupą a nie wieloma niezależnymi oprawami. Można tak zaprogramować system, aby konkretnej grupie odpowiadały oprawy w jednym pomieszczeniu. Od strony programowania instalacji z wykorzystaniem narzędzia ETS takie podejście nie będzie się różniło od sterowania pojedynczym kanałem aktora. Wadą takiego rozwiązania jest ograniczenie możliwości sterowania oświetleniem np. w rozległych pomieszczeniach lub tam gdzie wpływ zewnętrznego światła jest znaczny. Pomieszczenia o dużych powierzchniach powinny zostać podzielone na strefy świetlne. Dzięki temu można będzie załączać oświetlenie tylko w tych częściach, w których jest ono niezbędne. Drugie rozwiązanie zapewnia nam pełną kontrolę nad oświetleniem, każde źródło światła może być sterowane niezależnie. Umożliwia to realizację złożonych algorytmów sterowania oświetleniem. Można dzięki temu zrealizować sterowanie oświetleniem nad kilkoma różnymi stanowiskami pracy niezależnie od siebie. Komplikuje to jednak proces tworzenia programu a do jego realizacji mogą okazać się niewystarczające podstawowe elementy systemu KNX, takie jak sensory i aktory. Konieczne może okazać się zastosowanie elementów bardziej rozbudowanych, takich jak moduły logiczne lub urządzenia dodatkowe wyposażone w podobne funkcje. Zastosowanie bardziej rozbudowanych i złożonych algorytmów oświetlenia może przyczynić się do zredukowania czasu użytkowania oświetlenia elektrycznego w pomieszczeniu lub jego części oraz zmniejszenia wykorzystywanej mocy źródeł światła poprzez ich sterowanie. Dzięki temu można zapewnić oświetlenie wydajne energetycznie [2]. W systemie KNX rozróżnia się dwa rodzaje sterowania oświetleniem: w pętli otwartej i w pętli zamkniętej [3]. Wykorzystanie algorytmu sterowania bazującego na pętli otwartej (rys. 2) wymaga zastosowania zewnętrznego czujnika natężenia oświetlenia. W zależności od warunków panujących na zewnątrz oświetlenie wewnątrz jest załączane lub wyłączane. Przy takim rozwiązaniu brak jest informacji czy natężenie oświetlenia w pomieszczeniu jest wystarczające, za słabe czy może zbyt wysokie [4]. Może pojawić się sytuacja, w której na zewnątrz oświetlenie będzie znaczne a wewnątrz niewystarczające. Przyczyną takiego stanu może być zły dobór algorytmu opisującego zależność natężenia oświetlenia wewnątrz strefy pomiarowej od natężenia na zewnątrz tej strefy. Nieuwzględnienie położenia rolet lub żaluzji też będzie prowadziło do podobnych skutków. Poprzez wykorzystanie elementów logicznych można wprowadzić dodatkowy warunek załączenia oświetlenia, wtedy kiedy żaluzje są opuszczone i ograniczają dostęp światła naturalnego do pomieszczenia. Lepszymi rezultatami charakteryzuje się sterowanie oparte na zamkniętej pętli sterowania oświetleniem (pętla ze sprzężeniem zwrotnym, rys. 3). Rys. 2. Sterowanie oświetleniem w pętli otwartej, LUX zmierzona wartość natężenia oświetlenia, REG wartość regulująca działanie aktora sterującego oświetleniem Aby zrealizować taki układ należy zainstalować w pomieszczeniu czujnik natężenia oświetlenia, który będzie sterował zamontowywanym w nim oświetleniem. 4. OTWARTA I ZAMKNIĘTA PĘTLA STEROWANIA OŚWIETLENIEM Rys. 3. Sterowanie oświetleniem w pętli zamkniętej (ze sprzężeniem zwrotnym) Przedstawiony algorytm regulacji działa w sposób następujący. Czujnik znajdujący się w pomieszczeniu wykonuje pomiar natężenia oświetlenia. Wartość zmierzona porównywana jest z wartością nastawioną. Jeżeli występuje różnica między tymi wartościami wysyłana jest nowa nastawa do źródła światła. Ponieważ czujnik

3 STEROWANIE OŚWIETLENIEM W SYSTEMIE KNX. WYBRANE ALGORYTMY... dokonuje pomiaru w sposób ciągły, reakcja układu sterowania na zmianę natężenia w strefie pomiarowej może być prawie natychmiastowa. Taki układ reaguje poprawnie na zmiany niezależne od niego, na przykład na zasłonięcie żaluzji lub zmianę zachmurzenia na zewnątrz. Zmiana któregoś z tych czynników spowoduje pojawienie się innych warunków wewnątrz strefy pomiarowej, a tym samym odpowiedź układu regulacji prowadzącą do ustawienia natężenia oświetlenia na wymaganym poziomie. Rozpatrzona zostanie sytuacja, gdzie w budynku znajdują się dwa pomieszczenia o identycznej powierzchni, ale rozmieszczone są w rożnych jego częściach (rys. 4). W obiektach biurowych czy też użyteczności publicznej często znajdują się sale konferencyjne. Sale te przeznaczone są na spotkania i narady, na których obecnie prawie zawsze przedstawiane są prezentacje komputerowe. W salach tych zamontowane są zazwyczaj projektory oraz ekrany projekcyjne. Część spotkania w sali konferencyjnej przeznaczona jest na prezentację a część na dyskusję. W zależności od tego należy zapewnić inne warunki świetlne w pomieszczeniu. W instalacji systemu KNX zdefiniowane przez użytkownika warunki świetlne w pomieszczeniu nazywa się scenami. W tym przypadku niezbędne będzie określenie dwóch scen świetlnych. Pierwsza z nich wywoływana będzie podczas prezentacji multimedialnej z wykorzystaniem projektora. Najlepszym rozwiązaniem, z punktu widzenia obserwatora prezentowanych na ekranie materiałów, jest aby bezpośrednio nad ekranem oświetlenie było ograniczone lub wyłączone, a im dalej od ekranu tym może być jaśniej. Druga scena wywoływana będzie po prezentacji, na czas dyskusji. Należy wtedy zapewnić równomierne natężenie oświetlenia w całym pomieszczeniu. Rozsądnym wyborem będzie zastosowanie algorytmu opartego o zamkniętą pętle sterowania oświetleniem, a więc z wykorzystaniem wewnętrznego czujnika natężenia oświetlenia. Aby osiągnąć taki efekt należy podzielić zainstalowane w sali oświetlenie na grupy i każdą z nich sterować oddzielnie. Przykładową salę konferencyjną wraz z rozmieszczeniem opraw oświetleniowych i ich podziałem na grupy przedstawiono na rysunku 5. Rys. 4. Uproszczony schemat rozmieszczenia pomieszczeń w budynku: SP- sensor przyciskowy, CN czujnik natężenia oświetlenia W obu pomieszczeniach zamontowano sensor przyciskowy SP, umożliwiający regulację ręczną oświetlenia, oraz czujnik natężenia CN, służący do automatycznej regulacji źródeł światła. Zastosowano dla każdego z pomieszczeń oddzielne grupy oświetleniowe. Usytuowanie budynku wpływa na ilość światła zewnętrznego wpadającego do poszczególnych pomieszczeń. W każdym z tych pomieszczeń będą panowały inne warunki świetlne. W opisywanym przykładzie padające promienie słoneczne spowodują, że w pomieszczeniu pierwszym możliwe będzie całkowite wyłączenie oświetlenia bądź znaczna redukcja jego wykorzystania. W pomieszczeniu drugim natomiast może panować półmrok i konieczna będzie regulacja oświetlenia. Zastosowanie pętli zamkniętej umożliwi dostosowanie zainstalowanego oświetlenia do potrzeb w danym pomieszczeniu. Regulacja w pętli otwartej prawdopodobnie prowadziłaby do zbędnego załączenia oświetlenia lub jego wyłączenia, pomimo tego, że nie wszędzie warunki oświetleniowe będą odpowiednie. 5. STEROWANIE OŚWIETLENIEM W SALI KONFERENCYJNEJ Rys. 5. Przykładowy rozkład opraw oświetleniowych wraz z podziałem na grupy sterowania Realizacja takiego podziału możliwa jest, w zależności od wybranego sposobu sterowania, na trzy sposoby. Sposób pierwszy oparty jest o sterowanie załącz/wyłącz lampami. W tym rozwiązaniu konieczny będzie podział obwodów zasilających po jednym dla każdej grupy oświetleniowej oraz zastosowanie aktora załączającego z odpowiednią liczbą kanałów. Jest to rozwiązanie najprostsze, znacząco ogranicza jednak możliwości sterowania oświetleniem i wymaga sporej liczby niezależnych obwodów zasilających. Algorytm sterowania jest stosunkowo prosty. Wymaga tylko okre-

4 4 KSIĄŻKIEWICZ A. ślenie, która grupa oświetleniowa ma zostać wyłączona, a która załączona dla danej sceny. Sposób drugi oparty jest o źródła sterowane napięciem 1-10V. Tak jak poprzednio wymagany jest podział obwodów zasilających na tyle, ile jest grup oświetleniowych. Dodatkowo należy do każdej grupy doprowadzić przewód sterujący, co w pewnym stopniu komplikuje połączenia elektryczne. Układ taki pozwala płynnie regulować oświetlenie każdej z grup, a tym samym zapewnia lepsze warunki świetlne w pomieszczeniu. W algorytmie sterowania, przy wywoływaniu sceny świetlnej, należy ustalić poziom wysterowania dla każdej grupy opraw, tak aby zapewnić jak najlepsze warunki do oglądania przedstawianych na ekranie treści. Ponieważ istnieje możliwość płynnej regulacji, można zaproponować aby każda grupa pozostała załączona i wysterowana inaczej. Przykładowo, dla sceny pierwszej, może wyglądać to w sposób następujący: grupa pierwsza wysterowana na 10%, grupa druga 20%, trzecia 30% a czwarta 40%. W ten sposób będzie spełniony wspomniany wcześniej warunek im dalej od ekranu projekcyjnego tym jaśniej. Dzięki temu, że oświetlenie nie jest wyłączane nie doświadcza się przykrego przejścia z jasnego pomieszczenia do ciemnej sali konferencyjnej, i na odwrót. Trzecim sposobem jest wykorzystanie oświetlenia w systemie DALI. Ze względu na połączenia elektryczne jest to najprostsze rozwiązanie, ponieważ wymaga jedynie jednego obwodu zasilającego oraz jednego obwodu magistrali DALI. Dodatkowo nie występuje ograniczenie co do podziału na grupy przedstawionego na rysunku 5. Dowolne definiowanie grup, a także zastosowanie sterowania indywidualnego lampami, pozwala na stosowanie bardziej złożonych algorytmów sterowania oraz zmiany ustawień grup oświetleniowych bez potrzeby dokonywania żadnych przełączeń elektrycznych. Algorytm sterowania będzie wyglądał podobnie jak w opisanym dla sterowania 1-10V. Każda grupa oświetleniowa będzie wysterowana w inny sposób. Przykładowy rozkład natężenia oświetlenia w sali konferencyjnej przedstawiono na rysunku 6. Poszczególne grupy wysterowane są tak jak opisano wcześniej. światła dalej od ekranu pozwala na swobodne notowanie prezentowanych informacji. Dla każdej sceny świetlnej, oprócz sposobu działania źródeł światła, należy również zdefiniować zachowanie się żaluzji lub rolet zamontowanych w pomieszczeniu. Dla pierwszej sceny najlepszym rozwiązaniem będzie całkowite ich opuszczenie oraz ustawienie lamelek tak, aby maksymalnie zaciemnić salę i ograniczyć dostęp światła zewnętrznego. Dzięki temu będzie można dokładnie ustalić warunki świetlne konieczne do przeprowadzenie prezentacji, unikając zmiennego światła naturalnego. Dla sceny drugiej z kolei można zaproponować takie rozwiązanie, w którym żaluzje pozostają opuszczone ale lamelki ustawione są tak, aby nie ograniczać wpadania światła słonecznego do pomieszczenia. 6. STEROWANIE OŚWIETLENIEM W POMIESZCZENIU DZIELONYM RUCHOMĄ PRZEGRODĄ Istnieją pomieszczenia, na przykład sale wykładowe, które są projektowane z myślą o dużej ilości osób w nich przebywających. Ponieważ sytuacja taka pojawia się sporadycznie, przez większość czasu byłoby ono niewykorzystywane wcale lub w niewielkim stopniu. Można zastosować ruchomy podział takiego pomieszczenia, gdzie na co dzień dwie części będą niezależne. Podział taki będzie dokonywany za pomocą ruchomych przegród (rys. 7). Na schemacie zaznaczono tylko wybrane elementy instalacji KNX, a mianowicie dwa sensory przyciskowe oraz bramka KNX/DALI. Magistrala KNX łączy te elementy i nie jest doprowadzana do źródeł światła. Są one połączone z bramką znajdującą się w rozdzielnicy poprzez magistralę przewodową DALI. Na schemacie nie zaznaczono zasilania opraw oświetleniowych. Lampy z oznaczeniem L1x należą do pierwszej grupy sterowania, a z L2x do drugiej grupy. Takie rozwiązanie może prowadzić do pełniejszego wykorzystania na przykład sali wykładowej, gdzie równocześnie i niezależnie od siebie może być prowadzona większa ilość zajęć. Rys. 6. Rozkład natężenie oświetlenia w przykładowej sali konferencyjnej Rozkład natężenia oświetlenia w pomieszczeniu zapewnia dobry odbiór prezentacji dzięki zmniejszeniu jasności źródeł światła bezpośrednio nad i w pobliżu ekranu projekcyjnego. Utrzymanie większej ilości Rys. 7. Przykładowy schemat instalacji KNX i DALI do realizacji sterowania z przegrodą

5 STEROWANIE OŚWIETLENIEM W SYSTEMIE KNX. WYBRANE ALGORYTMY... Metoda ta rodzi jednak pewne problemy w zakresie sterowania oświetleniem. W instalacji tradycyjnej konieczne byłoby zastosowanie dwóch samodzielnych łączników dla każdej części pomieszczenia lub łączników schodowych w takim układzie, aby z jednego pomieszczenia możliwe było sterowanie drugim. Żadne z tych rozwiązań nie jest dostatecznie dobre i rodzi dalsze problemy, na przykład pojawia się możliwość przypadkowego załączenia oświetlenia w jednej z sal, nawet jeżeli nikt by z niej nie korzystał. Większa ilość łączników klawiszowych służących do sterowania mogłaby prowadzić też do pewnej dezorientacji co do tego, który łącznik załącza konkretny obwód. Wykorzystanie instalacji inteligentnej w systemie KNX jest wolne od tych problemów. W jednym z najprostszych rozwiązań wystarczy zastosować dwa sensory przyciskowe oraz moduł logiczny. Urządzenia te pozwolą na realizację sterowania oświetleniem w sposób przejrzysty. Każda z części dzielonego pomieszczenia mogła by być wyposażana w identyczne sterowanie, a mianowicie każdy klawisz przycisku realizowałby zawsze tą samą funkcję, niezależnie od stanu otwarcia przegrody. Informacja o otwarciu bądź zamknięciu przegrody, a tym samym podziale pomieszczenia na dwa mniejsze, byłaby wprowadzana do systemu jako stan logiczny zero-jedynkowy. Działanie układu należy rozpatrzyć w dwóch wariantach. Pierwszy z nich dotyczy sytuacji, kiedy pomieszczenie jest podzielone przegrodą. Obie części powinno działać w sposób autonomiczny, niezależny od siebie. Wciśnięcie klawisza na sensorze przyciskowym spowoduje wysłanie telegramu po magistrali do elementu sterującego oświetleniem, na przykład bramki KNX/DALI, oraz do modułu logicznego. Po dotarciu telegramu do bramki załączone zostanie oświetlenie tylko w części pomieszczenia, do której przypisany jest dany sensor. Telegram wysłany do modułu logicznego zostanie przetworzony zgodnie z algorytmem zapewniającym prawidłowe sterowanie (rys. 8). Algorytm ten sprawdza stan otwarcia przegrody. Jeżeli jest otwarta to wysyłany jest telegram do aktora sterującego, który powoduje załączenie oświetlenia w drugiej części pomieszczenia. W przeciwnym wypadku telegram nie jest wysyłany i dzięki temu sensor steruje tylko jedną częścią pomieszczenia. Drugi wariant opisuje sytuację, w której pomieszczenie nie jest podzielone. Sterowanie odbywa się w sposób analogiczny do wariantu pierwszego, z tą różnicą, że tym razem załączone zostanie oświetlenie na całej sali. Telegram wysłany przez sensor trafia do bramki KNX/DALI, która załącza część oświetlenia. Ten sam telegram trafia do modułu logicznego. Ponieważ w tym przypadku przegroda jest otwarta zostanie wysłany telegram, który załączy pozostałą część oświetlenia. Rys. 8. Algorytm sterowania w pomieszczeniu z przegrodą: S1,S2 sensory przyciskowe, P przegroda, GATE1, GATE2 bramki logiczne Takie rozwiązanie zapewnia także zwiększa odporność systemu na uszkodzenia poszczególnych elementów. Jeżeli odłączony od magistrali zostanie moduł logiczny utracona zostanie tylko część funkcjonalności układu. Nadal będzie można regulować oświetleniem w każdej części z osobna. Sposób ten jest zgodny z ogólnym założeniem systemu KNX, a mianowicie decentralizacją układu. Wypadnięcie pojedynczego elementu nie powinno skutkować brakiem działania pozostałych urządzeń. 7. PODSUMOWANIE System KNX pozwala na dostosowanie sterowania oświetleniem do wielu, nawet nietypowych, wymagań. Korzystając z dodatkowych modułów wyposażonych w funkcje logiczne umożliwia realizowanie złożonych algorytmów sterowania, dostosowanych do potrzeb odbiorczych. Integrując system KNX z oświetleniem opartym o interfejs DALI uzyskuje się dodatkowe możliwości regulacji oświetlenia. 8. LITERATURA [1] Digital Addressable Lighting Interface Activity Group) of ZVEI, Division Luminaires, DALI Manual, [2] Komentarz do normy PN-EN , COSiW SEP, Warszawa, [3] KNX Association, KNX Advanced course documentation, [4] Stachno A., Systemy kontroli jasności oświetlenia, elektrosystemy, Nr 4(123)/2010, s