Управление освещением. Обзор протоколов.

С ростом внедрения в системах освещения приборов, на основе светодиодов, растет спрос на инструменты управления ими. Управление светом сегодня не ограничивается простым включением лампочки накаливания через выключатель на стене, это все более интеллектуальные продукты, позволяющие удаленно управлять группами источников света, интенсивностью свечения, временем включения и выключения, и множеством других функций. Интеллектуальные системы освещения контролируют не только внешние природные факторы, но и в соответствии с возрастом и полом человека определяют наиболее благоприятные режимы и интенсивность освещения. Управляемые светодиодные светильники и имеют огромное количество преимуществ перед стандартными люминесцентными, галогенными и лампами накаливания. Для управления светильниками используются разные приборы, в которых сигналом передающим информацию, являются различные протоколы управления. Самые распространенные на сегодня, контроллеры и диммеры с аналоговым управлением. Их массовое использование в быту, архитектурном и общественном освещении, в последние годы, обусловлено низкой ценой, а также простотой монтажа и управления. Прошитые стандартные режимы управления позволяют обеспечить простые динамические эффекты, удовлетворяющие основным потребностям потребителя. С появлением WIFI контроллеров, сложные функции управления светом становятся доступными массовому потребителю. Установив дистрибутив на планшет или телефон, возможно, организовать многозонное управление светом большого дома или офиса.
Ниже, мы подробней расскажем об используемых сегодня протоколах управления применяемых в системах освещения.

Аналоговое управление

Управление силой света с помощью изменения напряжения — один из самых первых и простых методов, закрепленный в международном стандарте ANSI E1.3 — 2001. Диапазон изменения напряжения зависит от производителя, однако со временем наиболее распространенными стали уровни 0–10 В. Сила света изменяется пропорционально напряжению.

В самых первых системах управления световым потоком применялись автотрансформаторы. В 60-х гг. прошлого века появились тиристорные системы аналогового управления, позволяющие регулировать световой поток удаленно с помощью сравнительно небольшой консоли.
К середине 70-х гг. был установлен единый диапазон изменения управляющего напряжения 0–10 В. Главный недостаток аналогового управления — невозможность управления большим количеством светильников. Достоинством же этого метода является простота выполнения. Требуются всего две линии: внешний управляющий сигнал и общий обратный провод. Управляющий ток обычно находится в пределах 1…4 мА. Другой вариант аналогового управления рассчитан на получение управляющего сигнала с помощью внутреннего светодиодного драйвера и внешнего потенциометра.
Недостатком аналогового подхода при управлении десятками и тем более сотнями осветительных приборов является большое количество линий управления, что делает данный метод неприменимым для сложных систем с несколькими сотнями осветительных приборов. Система становится слишком дорогой. Кроме того, в ней затруднительно проводить диагностику и устранять неисправности.
Второй недостаток связан с затуханием сигнала на длинных линиях. Сигнал, принятый источником света, может оказаться слабее исходного, что приведет к более тусклому освещению или неравномерности излучения в системах с несколькими осветительными приборами. Кроме того, аналоговый сигнал подвержен внешним помехам, шумам и перебоям на линии заземления, особенно при передаче на большие расстояния.
Драйверы светодиодов с аналоговым принципом управления освещенностью на 0–10 В применяются повсеместно. Тем не менее, данный метод управления не обеспечивает достаточной стабильности и не позволяет получать данные с сетевого контроллера.

Управление по электросети

Управление освещенностью по электросетям применяется в коммерческих и жилых помещениях. Напряжение сети поступает на осветительный прибор и ограничивается по амплитуде в соответствии с требуемой величиной светового потока. Обычно данный подход применяется для регулирования силы света ламп накаливания. Регуляторы освещения можно разделить на две группы: в одних ограничение сетевого напряжения производится по переднему фронту, в других — по заднему. В регуляторах первой группы используются симисторы. Они предназначены для галогенных ламп и ламп накаливания. Сила света изменяется путем отсекания переднего фронта напряжения электросети (см. рис. 1а и 1б). Минимальная нагрузка составляет 10–60 Вт. Это требование не выполняется во многих светодиодных системах, поэтому перед заменой ламп на светодиодные следует проверить, достаточна ли нагрузка. В противном случае будет невозможно добиться слабого освещения, либо будет наблюдаться заметное глазу мерцание.

а)                                              б)
Рис. 1. Ограничение напряжения электросети по переднему фронту

Регуляторы с ограничением сигнала по заднему фронту широко используются вместе с трансформаторами для управления силой света галогенной лампы. Их особенность заключается в том, что светильник быстро погасает и более плавно включается (см. рис. 2а и 2б). За счет плавного включения не возникает высокого пускового тока. Переключатель обычно изготавливается на основе полевых транзисторов.
Данный протокол практически не используется для светодиодных систем освещения по нескольким причинам:

• из-за несовместимости по мощности;
• драйвер светодиода может иметь высокий пусковой ток. Это является серьезной проблемой, если контроллер управляет несколькими источниками света, поскольку в этом случае пусковые токи складываются;
• когда светодиодный источник излучает слабый свет, его полезная выходная мощность уменьшается, поэтому правильная работа регулятора может нарушиться, появится заметное глазу мерцание;
• большинство драйверов светодиодов обрезают только задний фронт сигнала, поэтому необходимо использовать регулятор такого же типа. Если в системе использовались другие регуляторы, придется их заменить при переходе на светодиодные источники света;
• поскольку светодиодные драйверы с управлением по электросети изготавливаются с одноступенчатой топологией, в них часто возникают пульсации тока второй гармоники (вдвое большая частота), что приводит к сокращению срока службы осветительного прибора;
• регулировка силой света напрямую зависит от качества регулятора. Если он плохой, диапазон изменения силы света сокращается. Так, при использовании дешевого регулятора минимальная сила света может составлять 20%, а при использовании более качественного возможно затемнение до 1%. Как правило, производители светодиодных источников света прилагают список рекомендуемых регуляторов. На практике вместо замены регулятора достаточно увеличить нагрузку.

   а)                                             б)
Рис. 2. Ограничение напряжения электросети по заднему фронту

В 80-х гг. появились мультиплексированные схемы управления на основе микропроцессоров: AMX192, K96. Стандарт AMX192 применялся на территории США и Канады, а его аналогом в остальных странах стал D56. Несмотря на это взаимодействие устройств зачастую не обеспечивалось даже среди продуктовой линии одной компании из-за использования разных уровней напряжения и стартовых последовательностей, а также из-за различий в назначении выводов, скорости обмена и количестве линий передачи. Кроме того, было разработано множество альтернативных протоколов, некоторые из них предполагали наличие в контроллере модуля памяти для хранения данных.
Преимуществом мультиплексированных протоколов является меньшее количество проводных соединений и возможность управления большим количеством светильников. Появление стандарта USITT DMX512 помогло упорядочить ситуацию, обеспечило взаимодействие устройств и принесло экономическую выгоду во все секторы рынка освещения. Появился новый класс устройств — интерфейсные схемы, которые обеспечивают обратную совместимость стандартов.

DMX-512А

Этот стандарт был разработан для цифровых сетей передачи данных, используемых для управления светодиодными источниками света и другими устройствами. На физическом уровне в данном протоколе используются дифференциальные сигналы EIA-485 и пакетная передача. Обмен возможен только в одном направлении и не предусматривает проверки и исправления ошибок.
Контроллер DMX512 производит последовательную асинхронную передачу данных со скоростью 250 кБод. Передача данных по 512 каналам займет около 23 мс, что соответствует скорости обновления 44 Гц. Для более частого обновления пересылка осуществляется по меньшему количеству каналов.

Широкое распространение протокола DMX-512А объясняется несколькими причинами:

• в его основе лежит интерфейс EIA485;
• простота исполнения;
• высокая надежность;
• возможность управления несколькими сетями светильников по трем проводам;
• невысокая стоимость элементной базы;
• интерфейс управления изолирован от светильника, т.е. защищен;
• максимальное количество устройств-512. Дальнейшее наращивание возможно только при использовании дополнительных портов DMX.

Типичная структура сети DMX показана на рисунке 3. Контроллер подключается к линии соединенных последовательно светильников.
Стандарт EIA485 предназначен только для систем с последовательно включенными светильниками. В каждом сегменте может быть до 32 устройств, общая длина соединительного провода — 1 км. С помощью специальных ИС RS485 можно увеличить количество устройств, подключаемых к одному порту. Так, при использовании ИС ISO15 Texas Instruments в одном сегменте может быть до 128 устройств.
Некоторые производители драйверов светодиодов заявляют, что к одному порту DMX может быть подключено любое количество драйверов. В официальном стандарте это не подтверждается. В большинстве таких драйверов на выходе восстанавливается такой же сигнал DMX, который был получен на входе. При этом накапливается временная задержка, которая становится заметной в больших инсталляциях. Кроме того, сбой, возникший в одном драйвере, будет повторен всеми последующими.

Рис. 3. Система освещения с интерфейсом DMX

К достоинствам DMX следует отнести свободное назначение каналов для светильника. Например, для первого светильника, подключенного к первому порту (см. рис. 3), требуется 4 канала для управления сигналами красного, зеленого, голубого и янтарного цветов. Для второго — 3 канала (RGB). Для светильника 3 может быть достаточно одного канала для затемнения белого светодиода.
В протоколе DMX используется пакетная передача. Первый байт информационного поля содержит «стартовый код». Он используется в качестве флага для индикации типа передаваемых данных. Значение 0 указывает на то, что пакет содержит информацию об интенсивности светового потока. Остальные 255 кодов не определены. Они используются в протоколе RDM (см. ниже).
Каждый порт DMX передает до 512 8-разрядных значений канала. На передачу полного пакета уходит 23 мс, что соответствует частоте обновления 44 раза в секунду. Такая частота подходит для большинства применений и не воспринимается глазом.
Единственный недостаток протокола DMX — односторонняя передача от контроллера к источнику света. Соответственно, невозможно проводить мониторинг состояния светильников и отслеживание сбоев.
Преобразователи DMX получили широкое распространение в архитектурном освещении, где соединительные линии могут быть слишком длинными. Хотя беспроводные сети DMX512 могут работать на расстоянии до 1000 м, большинство соединений из соображений надежности не могут быть длиннее 300–450 м

Протоколы двустороннего обмена

Среди множества двунаправленных протоколов управления освещением международное признание получили Digital Addressable Lighting Interface (DALI), Remote Device Management (RDM), Architecture for Control Networks (ACN) и KNX.
В новой версии протокола DMX512/2000, работа над которой идет полным ходом, будут добавлены типы разъемов, защита от высокого напряжения на сигнальных выводах и решены проблемы на шине земли. Возможно, будет разрешена двусторонняя передача.

RDM

Данный протокол является модернизацией протокола DMX512, позволяющей получать данные от источника света по стандартным линиям DMX. Возможны конфигурирование, мониторинг статуса, управление RDM-устройствами, считывание основных показателей (потребляемый ток, рабочая температура, время работы, напряжение в сети, индекс цветопередачи и др.), — и все это, не мешая основной работе стандартных DMX-устройств, которые не поддерживают RDM. Большое достоинство RDM заключается в том, что он обратно совместим с DMX, что позволяет использовать существующую инфраструктуру.
Протокол создан организацией ESTA в рамках программы разработки технических стандартов. Пакет DMX оставлен без изменений. Передача данных для RDM-устройств осуществляется в промежутках между пакетами. Устройства RDM имеют уникальный идентификационный номер, по которому контролирующее устройство его распознает.
Системы освещения RDM имеют следующие преимущества:

• возможность устанавливать базовый адрес светильника. Это ускоряет установку осветительных приборов и избавляет от необходимости присваивать DMX-адреса вручную;
• обновление программного обеспечения через интерфейс RS485;
• возможность создания DMX-систем с поддержкой Ethernet (протокола ACN и т.д.);
• управление отдельными устройствами или группой;
• одновременное управление всеми устройствами в сети;
• отсутствие интерференции за счет простой структуры данных;
• передача статусных сообщений (например, о сбое) от одного, нескольких или всех устройств в сети;
• автоматическое распознавание осветительных приборов;
• простой принцип образования групп светильников;
• автоматическое затемнение всех приборов в соответствии с выбранной сценой;
• элементы интеллектуальной системы (индивидуальный адрес, разбиение на группы, предустановленные сцены, время угасания и т.д.);
• допустимые значения для светодиодов устанавливаются по умолчанию (например, в целях экономии энергии можно задавать максимальные значения);
• возможность установки скорости угасания;
• идентификация типа устройства;
• более низкая стоимость системы при большем функционале по сравнению с аналоговым управлением 0–10 В.
• несмотря на все достоинства, протокол не получил широкого распространения в силу некоторых недостатков:
• высокая стоимость электронных схем;
• нехватка контроллеров, способных использовать дополнительную мощность RDM-устройств, как следствие — высокая цена;
• небольшое количество светодиодных драйверов, поддерживающих RDM.

Перечисленные недостатки уже устранены, поэтому в перспективе данный стандарт может стать основным для систем освещения.

DALI

Стандарт DALI был разработан как продолжение аналогового интерфейса AVC 1-10 В. Это открытый стандарт для люминесцентных ламп с балластом. В конце 2009 г. стандарт был расширен. В частности появилась возможность управления светодиодными инсталляциями. Протокол подразумевает передачу данных по двум линиям (см. рис. 4).

Рис. 4. Передача данных по сети DALI

Преимущества DALI:

• управление 64 устройствами по одной шине;
• на одном пространстве можно образовывать до 16 вариантов сцен;
• управляющие провода подключаются к балласту или схеме управления напрямую, что упрощает подключение, когда есть много зон или групп;
• нелинейное затемнение до 0,1% (теоретический предел).

Кривая затемнения в логарифмическом масштабе показана на рисунке 5. Большинство драйверов не могут затемнять светодиод до такого уровня, поскольку минимальный ток составляет 5–6 мА, т.е. 1,5% для драйвера, рассчитанного на 350 мА. Возможно использование ШИМ, однако это нежелательно в системах общего освещения белым светом, поскольку из-за малого рабочего цикла при слабом освещении может возникать мерцание, заметное глазу. В недалеком будущем появятся драйверы с прямым током менее 1 мА (0,3%), содержащие сигнальный процессор. Они будут обеспечивать затемнение с идеальными визуальными характеристиками.

Рис. 5. Кривая затемнения

В стандарте DALI используется шифрование с применением кода Манчестер для коррекции ошибок. Предельная скорость передачи составляет 1200 бод. Максимальная длина сегмента составляет 300 м для кабеля сечением 1,5 мм2, 100 м для кабеля 0,5 мм2 и 150 м для кабеля с площадью сечения 0,75 мм2.
Как и в случае с RDM, протокол DALI не получил широкого распространения из-за высокой стоимости контроллеров. Данная проблема уже решена, поэтому протокол будет востребован в новых проектах.

IP-системы

Многие современные устройства обмениваются данными через интернет. Постепенно данная технология проникает и в системы освещения. Преимущества использования протоколов TCP/IP:

• низкая стоимость инфраструктуры;
• масштабируемость — возможность соединения практически бесконечного количества сетей;
• совместимость с сетевыми и интернет-протоколами позволяет управлять освещением дистанционно;
• простота конфигурирования;
• высокая скорость передачи;
• устойчивость к появлению ошибок.

В настоящее время идет разработка сетевого протокола ACN — architecture for control networks (E1.17) для управления осветительными системами по IP-сети. Протокол является надстройкой UDP/IP. Связь осуществляется по недорогим стандартным линиям Ethernet или Wi-Fi.
Протокол ACN является полностью двунаправленным. Каждое устройство имеет уникальный идентификационный номер, по которому контроллер распознает подключенные устройства. Кроме того, к каждому устройству прилагается файл с описанием всех возможностей источника света. Таким образом, контроллер сможет управлять светильниками, которые появятся в будущем. Для перехода с DMX512 на ACN разработан промежуточный протокол DMX-over-ACN (Streaming ACN, или BSR E1.31).

KNX

KNX — протокол OSI для управления зданием. Протокол основан на трех стандартах: EHS — European home systems, BatiBUS и EIB (Instabus) — European installation bus.
Стандарт EIB популярен прежде всего за счет своей простоты и надежности. В отличие от традиционной системы управления инженерным оборудованием, где для каждого функционального элемента необходима собственная линия управления, а для каждой инженерной системы — отдельная сеть, в системе EIB силовая электропроводка прокладывается только между исполнительными устройствами (реле, регуляторами и т.д.) и собственно потребителями, а все системные элементы (датчики, контроллеры) требуют объединения только сигнальным кабелем (шиной управления). Благодаря этому силовая часть выполняется без обходных путей. Это уменьшает расход силового кабеля, количество соединений, потери и, как следствие, снижает вероятность возникновения пожара и повышает надежность силовой цепи, упрощает электромонтажные работы. Электропроводка в дальнейшем может быть легко расширена и модифицирована.
Сеть EIB — это децентрализованная система, не требующая центрального управления в виде персонального или специализированного компьютера. При изменении функционального назначения оборудования или перепланировке помещений обеспечивается быстрая адаптация системы EIB путем простого перепрограммирования шинных приборов без прокладки новых линий, а дополнительный прибор или датчик может быть установлен в любом месте, где есть возможность подключения к кабелю управления. Нарушение работы одного или нескольких устройств не приводит к нарушению работы всей системы. Этим обеспечивается высокая надежность и удобство эксплуатации, поскольку замена приборов производится без отключения питания.
Система EIB позволяет осуществлять функции охраны объекта и активный режим экономии электрической и тепловой энергии, что делает ее самоокупаемой. Все эти важные преимущества наглядно иллюстрируют простоту и доступность проектирования и управления системой.
Передача данных может производиться по нескольким средам:

• витая пара (9600 бит/с);
• электросеть (1200 бит/с);
• радиоканал (16,384 кбит/с, 868 МГц, 25 мВт);
• линии Ethernet.

Протокол KNX не привязан к какой-либо аппаратной платформе. Определено три категории устройств:
тип А — с автоматической настройкой. Это оборудование конечного пользователя;
тип Е — с легкой настройкой. Эти устройства имеют ряд параметров, которые нужно задать вручную в соответствии с требованиями пользователя;
тип S — системные устройства. Используются при создании заказных систем управления зданием. В них нет предустановленных линий поведения. Программирование и установка осуществляются специалистом.

Заключение
Интеллектуальные системы освещения непрерывно развиваются. Пока единого стандарта нет, и борьба между существующими протоколами передачи продолжается. Очевидно, что будущее за протоколами двунаправленного обмена. В настоящее время в данной области доминируют RDM и DALI, однако окончательно лидер определится в ближайшие два года.
Самым серьезным препятствием для создания единого стандарта является несовместимость сетевого оборудования. В этом смысле не помогает даже создание контроллеров, поддерживающих распространенные интерфейсы, такие как Ethernet. Смена протокола — дорогая и сложная процедура, она ставит под сомнение будущее текущих проектов, на которые уже потрачено немало ресурсов, поэтому производители очень неохотно на это идут.

Литература
1. Archenhold G. The Right Protocol//Mondo, выпуск 60, апрель–май 2011.
2. Higgins D. Lighting Control Protocols//ESTA Protocol, 2000