Sústava zariadení, najmä LED svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie

Technické riešenie sa vo všeobecnosti týka technológie prenosu dát pomocou komunikačného protokolu centrálneho napäťového zdroja (CPS - Central Power Source) s cieľom regulácie zariadení, najmä svietidiel,LED, senzorov atď. napájaných z jednosmernej napájacej sústavy s konštantným napätím. Technické riešenie patrí do oblasti svetelnej techniky, ale jeho využitie možno vo všeobecnosti uplatniť pre všetky zariadenia napájané zo zdroja jednosmerného napätia tam, kde je vyžadovaná komunikácia medzi zariadeniami priamo po napájaní.V súčasnej osvetľovacej technike prevládajú svietidlá alebo svetelné systémy s konštantným svetelným výstupom, teda bez regulácie. Vzhľadom na narastajúci význam efektívneho využívania elektrickej energie sa však regulácia svetelných zdrojov začína presadzovať čoraz viac. N aj jednoduchším spôsobom regulácie je analógové riadenie pomocou napäťového signálu 0 až 10 V alebo l až 10 V. Riadiaci signál je privedený pomocou vyhradených dvoch vodičov. Výhodou je jednoduchá realizácia, nevýhodou je obmedzená funkčnosť - jednosmerné riadenie jasu pre všetky pripojené svietidlá rovnako. Riadiaci signál je tiež náchylný na rušenie. Preto sa pri zložitejších svetelných sústavách používa digitálne riadenie. Najrozšírenejším riadiacim systémom je digitálne adresovateľná svetelná zbernica (DALI - Digital Adressable Lighting Interface). Podobne ako pri analógovom riadení využíva dva vodiče. Prináša však mnohé výhody zbernica nie je polarizovaná, poskytuje obojsmernú komunikáciu, umožňuje individuálne riadenie až 64 svietidiel, ktoré môžu byť zaradené do 16 skupin. Protokol ďalej umožňuje nastavovanie scén a základné monitorovanie stavu svietidiel. Nevýhodou je malá prenosová rýchlosť (1200 Bd), ktorá neumožňuje dynamické efekty a prenos väčšieho množstva dát po zbernici. Nevýhodu pomalej prenosovej rýchlosti rieši systém zbernice DMX 512 (až 250 kBd), ktorá využíva krútenú dvojlinku. Pre svoju rýchlosť sa zbernica DMX 5 l 2 používa hlavne v zábavnom priemysle na vytváranie dynamických efektov. Nevýhodou však je, že protokol neumožňuje obojsmernú komunikáciu. Spoločnou nevýhodou spomenutých štandardných spôsobov riadenia svetelného systému je nutnosť použitia ďalších vodičov, ktorých jedinou funkciou je prenos regulačných signálov. Najmodernejšie systémy riadenia môžu používať komunikáciu po napájacej linke (PLC - Power Line Communication) prenášanú po sieti striedavého napätia. Pri tomto systéme nie je nutné použiť ďalšie vodiče, ale prenosová rýchlosť je vo všeobecnosti nízka.Väčšina súčasne používaných spôsobov regulácie svetelnej sústavy vyžaduje inštaláciu dodatočných vodičov, čo môže byť veľký problém pri inovácií existujúcich systémov. Zároveň však ani jeden z jestvujúcich systémov neumožňuje oboj smernú komunikáciu pri rýchlostiach vhodných na monitorovanie svetelnej sústavy. Napríklad rýchlosť 57,6 kBd je bežná v elektronických systémoch, alebo napríklad pri vytáčanom modeme.Motiváciou pre úžitkový vzor bola nedostupnosť systému riadenia osvetľovacej sústavy, ktorý by nevyžadoval zásah do existujúcej elektroinštalácie a poskytoval by dostatočnú prenosovú rýchlosť na riadenie a monitorovanie ovládanej osvetľovacej sústavy v reálnom čase. Využitie komunikácie po napájacích vodiČoch predstavuje jednoduché riešenie tohto problému. Výsledkom úsilia o dosiahnutie jednoduchého zapojenia systému s obojsmernou komunikáciou riadenia je ďalej opisovaná digitálne riadená sústava zariadení,najmä svietidiel s jednosmerným napájaním a CPS komunikačným protokolom.Technickým riešením sa rieši sústava zariadení, najmä svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie. Podstata riešenia podľa úžitkového vzoru spočíva v tom, že sústava zariadení, ktorými sú najmä svietidlá, výhodne LED svietidlá, je cez napájaciu sieť s jednosmerným napätím pripojená na centrálny jednosmerný napájací výkonový zdroj CPS aspoň s jedným AC/DC meničom, pričom centrálny napájací výkonový zdroj jednosmerného napätia CPS je pripojený na sieť so striedavým napätím. K centrálnemu jednosmernému napájaciemu výkonovému zdroju CPS je pridružená riadiaca jednotka s Master PLC modemom používajúca CPS komunikačný protokol. Každé zariadenie najmä LED svietidlo obsahuje DC/DC menič a Slave PLC modem. Takto charakterizovanú zostavu možno považovať za lokálnu sieť. Potom je daná možnosť rozšírenia, keď napájacia sieť s jednosmerným napätím vyúsťuje do rozhrania most k ďalšej lokálnej sieti. Napájacia sieť s jednosmerným napätím môže obsahovať ovládací prvok. Napájacia sieť s jednosmerným napätím môže ďalej obsahovať aspoň jeden senzor. Zariadenie typu svietidlo vykonáva periodicky merania na vstupnej a výstupnej strane - napätie na vstupe, napätie a prúd do záťaže na všetkých kanáloch. Dôležité je hlavne meranie napätia na vstupe, čo umožňuje sledovať stav napätia pozdĺž celej inštalácie. Okremtoho každé zariadenie typu svietidlo obsahuje teplotný senzor. Zariadenie typu ovládací prvok umožňuje reguláciu svietidiel bez priameho fyzického kontaktu s centrálnym zariadením Master. Preto je možné ho umiestniť na akékoľvek miesto v inštalácii jednosmerného napätia. Ide hlavne o vypínač, tlačidlový ovládač,posuvný alebo rotačný ovládač. Ovládacie prvky sú konflgurovateľné v zmysle nastavenia adresy ovládaného zariadenia, pričom ide o jednotlivé zariadenia, skupinu zariadení alebo celú sústavu a tiež v zmysle regulovaného parametra môže ísť o priamu zmenu jasu alebo farby, ale tiež o nepriamu zmenu pomocou vyvolania scény. Senzor slúži na vyvolanie reakcie systému na základe snímaného stimulu. Ten môže byť typu na snímanie prítomnosti osoby, t. j. pohybový pasívny infračervený senzor (PIR - passive infrared detector), zmeny hladiny osvetlenia, t. j. svetelný senzor alebo zmeny teploty, t. j. externý teplotný senzor. Podľa potreby však môžu byť doplnené aj ďalšie typy senzorov. Výstupom senzora je informácia o zmene snímaného parametru,resp. o veľkosti jeho zmeny. Podľa nastavenia môže byť reakcia nepodmienená, t. j. okamžitá bez čakania na komunikáciu so zariadením Master, alebo podmienená, kde Master zariadenie určí vykonanie alebo nevykonanie nastavenej reakcie. Parametre senzora, ako napr. citlivosť, prahové hodnoty na vyvolanie reakcie, ale tiež adresu zariadenia, ktoré má na zmenu reagovať, je možné nastaviť. Rozhrania Most slúžia na premostenie dvoch nezávislých systémov využívajúcich CPS protokol. CPS protokol má svoj definovaný adresný priestor maximálny počet až 256 zariadení, ktoré môže zariadenie Master adresovať. Ak je limit prekročený,je potrebné vytvoriť viacero nezávislých systémov. Z používateľského hľadiska je však výhodné, ak sa zvonku správajú ako jeden systém. Na tento účel vzniklo rozhranie typu Most, ktoré inteligentné premosťuje komunikáciu z jedného systému do druhého. Základným parametrom zariadenia typu Most je adresa fyzického rozhrania alebo rozhraní portu, portov. Rozhranie nesie adresu zariadenia Master, ku ktorému je pripojené. Spájanie viacerých nezávislých systémov do jednej logickej siete vyžaduje komplexný protokol. Jednoduchá regulácia svietidiel naopak vyžaduje relatívne jednoduchý protokol. Preto sa CPS protokol skladá z viacerých častí, ktoré sú medzi sebou kompatibilné tak, že každá časť má na svoju funkciu optimálne parametre. Protokol je stavaný tak, aby ho bolo možné v budúcnosti rozšíriť o ďalšie typy zariadení pri prenose audiovizuálnych signálov a pod. Odolnosť proti budúcej nekompatibilite zariadení piidáva fakt, že CPS protokol umožňuje vykonať aktualizáciu obslužného programu FW - Firmware vo všetkých zariadeniach. Dalším podstatným znakom technického riešenia je CPS komunikačný protokol, ktorý umožňuje pokročilé riadenie systému. Centrálny uzol obsahuje riadiacu jednotku, ktorá sa v rámci CPS protokolu správa ako hlavné Master zariadenie. Ostatné zariadenia, ktoré sú k inštalácii pripojené, sa v rámci protokolu správajú ako nižšie Slave zariadenia. Master zariadenie komunikuje so zariadeniami Slave pomocou PLC modemu, ktorý využíva digitálnu fázovú moduláciu vysokofrekvenčného nosného signálu, ktorý je superponovaný na napájacie jednosmerné napätie. V ostatných zariadeniach sa nachádza identický modem. Úlohou Master zariadenia je starať sa o správny chod celého systému bez nutnosti vonkajšieho zásahu. V automatickej slučke zisťuje prítomnosť nových zaiiadení a tiež overuje, či sú všetky nájdené zariadenia stále pripojené k inštalácii. Komunikácia na rýchlosti až 57,6 kBd umožňuje detekciu pripojených alebo odpojených zariadení behom jednotiek sekúnd. Aby bolo možné komunikovať s každým zariadením individuálne, Master zariadenie priradí každému z nich jedinečnú adresu. Okrem regulácie jasu svietidiel tiež monitoruje ich stav a informuje používateľa v prípade zistenia chybného stavu svietidla. CPS protokol tiež podporuje reguláciu svietidiel, ktoré majú viac výstupných kanálov, ako sú svietidlá typu TW, t. j. Tunable White - regulácia náhradnej teploty chromatickosti,alebo svietidlá typu RGB t. j. regulácia farby. Každé Slave zariadenie dokáže poskytnúť základné informácie o svoj om stave. Druh informácií závisí od typu zariadenia.Výhodou tohto riešenia je skutočnosť, že pri existujúcej inštalácii stačí vymeniť svietidlá a do inštalačného uzla pripojiť napájací a riadiaci prvok, čím zaniknú náklady na vedenie riadiacich vodičov. Použitý modem na komunikáciu po napájacích vodičoch je určený na jednosmerné napätie na vodičoch. Preto je potrebné upraviť štandardnú topológiu napájania osvetľovacej sústavy. V súčasnosti je v inštalácii prítomné striedavé napätie z elektrickej siete 230 V a ku konverzii na jednosmerné napätie dochádza V zdrojoch, ktoré sú umiestnené v každom svietidle. Výsledkom je sústava AC/DC meničov pracujúcich paralelne, čím sa sčítavajú ich jednotlivé stratové výkony.V novom riešení exismje len niekoľko AC/DC meničov V centrálnom uzle sústavy a vo svietidlách sa nachádzajú len DC/DC meniče, ktorých účinnosť je vyššia. Celková účinnosť systému je tak vyššia, čím sa zvýši úspora energie.Prehľad obrázkov na výkresochSústava zariadení, najmä svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez jednosmerné napájanie podľa tohto technického riešenia bude bližšie ozrejmená pomocou obrázkov, z ktorých na obrázku l je znázornená celá zostava digitálneho riadenia sústavy LED svietidiel a prenosu dát po jednosmernom napájaní. Na obrázku 2 je znázornená topológia lokálnej siete a zapojenia jednotlivých typov zariadení. Na obrázku 3 je znázornená topológia prepojenia lokálnych sietí pomocou rozhrania Most.Predmet technického riešenia zobrazený na obrázkoch je predstavený len na ilustráciu, a nie ako obmedzenie konkrétnych realizácií úžitkového vzoru.V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia je opísaná sústava zariadení ako LED svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie podľa technického riešenia. Sústava zariadení l ako LED svietidiel je cez napáj aciu sieť g s jednosmerným napätím pripojená na centrálny jednosmerný napájací výkonový zdroj g CPS Master viacerými AC/DC meničmi A, pričom centrálny jednosmerný napájací výkonový zdroj ą CPS Master, je pripojený na sieť so striedavým napätím 230 V. K centrálnemu jednosmernému napájaciemu výkonovému zdroju 3 CPS Master je pridružená riadiaca jednotka Q s Master, PLC modemom používajúcim CPS komunikačný protokol. Každé zariadenie l, t. j. LED svietidlo ako CPS Slave obsahuje DCÄDC menič Q a Slave, PLC modem Z tak, ako je to znázornené na obrázku 1.V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia je opísaná sústava zariadení ako LED svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie podľa technického riešenia rozšírená o ďalšie prvky sústavy. Samotná základná sústava zariadení l ako LED svietidiel a napájacia sieť g s jednosmerným napätím sú dostatočne opísané V predchádzajúcom príklade. Rozšírenie spočíva v zaradení rozhrania Most do napájacej siete g s jednosmerným napätím, ktoré dovoľuje vyústenie do ďalšej lokálnej siete LS. Napájacia sieť g s jednosmerným napätím pritom obsahuje ovládacie prvky g, ako sú vypínače a senzory 2, ako sú napr. PIR senzory,čo je znázornené na obrázku 2.Riadiaca jednotka j CPS Master okrem priamej regulácie svietidiel a iných zariadení má tiež na starosti dohľad nad systémom po výkonovej stránke. Každé Master zariadenie obsahuje integrovaný napäťový zdroj s výstupom 48 V DC a maximálnym výstupným výkonom 600 W. Okrem toho je možné pripojiť dodatočné napäťové zdroje až do celkového výkonu 2400 W. Všetky zdroje sú inteligentné - obsahujú ochrany pred slcratom, prehriatím, alebo preťažením. Okrem toho je monitorovaná teplota každého zdroja a tiež Celkový odber prúdu do systému. Dôležitým parametrom je tiež doba života každého zdroja, čo umožňuje upozorniť používateľa na potrebnú výmenu zdroja v prípade prekročenia jeho odporúčanej životnosti. Výkon odoberaný z Master jednotky sa mení podľa aktuálnej regulácie svietidiel. Na zvýšenie účinnosti systému môže zariadenie Master odpojiť výstup každého zdroja od inštalácie alebo tiež jeho vstup od elektrickej siete, ak je odoberaný výkon znížený a môže ho pokryť menší počet zdrojov. Táto funkcia tiež umožňuje vyťažovať jednotlivé zdroje rovnomerne - prioritne sa odpáj ajú tie zdroje, ktoré pracujú najdlhšie. V prípade prechodu systému do úsporného režimu (Stand-by) je možné odpojiť tieto zdroje úplne. Potom funguje len vnútorná logika potrebná na uvedenie systému opäť do operačného režimu. Master zariadenie je vybavené základným a pokročilým používateľským rozhraním. Základné používateľské rozhranie je tvorené dvomi tlačidlami, ktoré slúžia na reguláciu jasu všetkých pripojených svietidiel súčasne. Ďalej obsahuje dva 7-segmentové displeje, ktoré zobrazujú stavové kódy infonnujúce používateľa o aktuálnom stave systému. V normálnom režime ukazujú počet pripojených svietidiel. Olcrem toho má používateľ prehľad o využívanom výkone a nastavenej úrovni jasu - pomocou dvoch bar grafov s 10 miestnym rozlíšením. Pokročilé používateľské rozhranie vyžaduje pripojenie externého zariadenia s obslužnou aplikáciou, môže ísť o počítač, tablet alebo smartfón. Pokročilé používateľské rozhranie umožňuje ovládať a monitorovať všetky zariadenia pripojené k systému.V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia je opísaná sústava zariadení ako LED svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie podľa technického riešenia rozšírená do prepojenia jednotlivých lokálnych sietí LS pomocou rozhrania í, ako je to znázornené na obrázku 3. Jednotlivé lokálne podsiete je možné spájať do rozľahlých sietí. Na prepojenie dvoch alebo viacerých lokálnych podsietí slúži rozhranie í. CPS protokol podporuje rozhranie í s dvomi, tromi alebo štyrmi portami (teda výstupmi na lokálnu podsieť). Rozhranie í komunikuje s Master, zariadením pripojeným na každý z jeho portov. Aby s ním zariadenie typu Master mohlo komunikovať, je na lokálnej podsieti adresovateľné. Každý z portov teda predstavuje nezávislé Slave zariadenie s vlastnými vnútornými registrami (napríklad každý port môže mať inú lokálnu adresu, na ktorej s ním lokálne Master, zariadenie komunikuje). Master zariadenie tiež nastaví adresu portu, s ktorým komunikuje, ako jeho sieťovú adresu, t. j. je totožná so sieťovou adresou zariadenia Master. Pri vytvorení rozľahlej siete možno V rámci zariadení typu Most tiež implementovať jednoduché alebo pokročilé smerovacie algoritmy. Do registrov predstavujúcich jednoduchú smerovaciu tabuľku je možné nakonfigurovať štyri rôzne adresy podsietí pre každý port. V rámci ovládacích registrov je možné aktivovať a konfigurovať rôzne algoritmy smerovania a nastavovania adries v sieti, kde napríklad smerovacia tabuľkamôže byť priebežne aktualizovaná podľa algoritmov mapovania siete a hľadania najrýchlej šej cesty, prípadne adresy podsietí môžu byť priraďované dynamicky alebo staticky. Inteligencia zariadenia typu most záleží na jeho konkrétnej implementácii.Sústava zariadení, najmä svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez jednosmerné napájanie podľa technického riešenia predstavuje technológiu využiteľnú V najširšej oblasti osvetľovacej techniky.1. Sústava zariadení, najmä svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie, V y z n a č u j ú c a s a t ý m , že sústava zariadení (1) je cez napájaciu sieť (2) s jednosmerným napätím pripojená na centrálny jednosmerný napájací výkonový zdroj (3) CPS aspoň s jedným AC/DC meničom (4), pričom Centrálny jednosmerný napájací výkonový zdroj (3) CPS je pripojený na sieť so striedavým napätím k centrálnemu jednosmernému napájaciemu výkonovému zdroju (3) CPS je pridlužená riadiaca jednotka (5) s Master PLC modemom používajúcim CPS komunikačný protokol každé zariadenie (l) obsahuje DC/DC menič (6) a Slave PLC modem (7).2. Sústava zariadení, najmä svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie podľa nároku 1, V y z n a č uj ú c a s a t ý m , že napájacia sieť (2) sjednosmerným napätím vyúsťuje do rozhrania(Most) k ďalšej lokálnej sieti (LS).3. Sústava zariadení najmä svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie podľa nároku l, V y z n a č uj ú c a s a t ý m , že napájacia sieť (2) s jednosmerným napätím obsahuje ovládací prvok (8).4. Sústava zariadení najmä svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie podľa nároku l, V y z n a č uj ú c a s a t ý m , že napájacia sieť (2) s jednosmemým napätím je vybavená aspoň jedným senzorom (9).