SK500312014U1 - Sústava zariadení, najmä LED svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie - Google Patents

Abstract

Sústava zariadení, najmä svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie je charakterizovaná tým, 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 pridružená riadiaca jednotka (5) s Master PLC Modemom používajúcim CPS komunikačný protokol. Každé zariadenie (1) obsahuje DC/DC menič (6) a Slave PLC modem (7). Napájacia sieť (2) s jednosmerným napätím môže vyúsťovať do rozhrania (Most) k ďalšej lokálnej sieti (LS) a môže byť vybavená ovládacím prvkom (8) alebo senzorom (9).

Description

Oblasť techniky

Technické riešenie sa vo všeobecnosti týka technológie prenosu dát pomocou komunikačného protokolu centrálneho napäťového zdroja (CPS Central Power Source) za účelom regulácie zariadení najmä svietidiel, LED, senzorov, atd. napájaných z jednosmernej napájacej sústavy s konštantným napätím. Technické riešenie spadá 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.

Doterajší stav techniky

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. Najjednoduchším spôsobom regulácie je analógové riadenie pomocou napäťového signálu 0 až 10 V alebo 1 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 skupín. 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 DMX512 (až 250 kBd), ktorá využíva krútenú dvojlinku. Pre svoju rýchlosť sa zbernica DMX512 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 inovácii existujúcich systémov. Zároveň však ani jeden z jestvujúcich systémov neumožňuje obojsmernú 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.

»

Podstata technického riešenia

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, s výhodou LED svietidlá je cez napájaciu sieť s jednosmerným napätím pripojená na centrálny jednosmerný napájači výkonový zdroj CPS aspoň s jedným AC/DC meničom, pričom centrálny napájači 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. Okrem toho 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. Jedná sa hlavne o vypínač, tlačidlový ovládač, posuvný alebo rotačný ovládač. Ovládacie prvky sú konfigurovateľné v zmysle nastavenia adresy ovládaného zariadenia, pričom sa jedná 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 senzoru ako napr. citlivosť, prahové hodnoty pre 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 užívateľského hľadiska je však výhodné, ak sa .zvcmku správajú ako jeden systém. Na tento účel vzniklo rozhranie typu Most, ktoré inteligentne „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 pre svoju funkciu optimálne parametre. Protokol je stavaný tak, aby ho bolo možné v budúcnosti rozšíriť o ďalšie typy zariadení pri prenose audio-vizuálnych signálov a pod. Odolnosť voči budúcej nekompatibilite zariadení pridáva fakt, že CPS protokol umožňuje vykonať aktualizáciu obslužného programu FW - Firm Ware vo všetkých zariadeniach. Ďalším 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 „Sláve“ zariadenia. „Master“ zariadenie komunikuje so zariadeniami „Sláve“ 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 zariadení 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 užívateľa 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 „Sláve“ zariadenie dokáže poskytnúť základné informácie o svojom stave. Druh informácií závisí od typu zariadenia.

Výhodou tohto riešenia je skutočnosť, že pri existujúcej inštalácii stačí vymeniť svietidlá a do inštalačného uzlu pripojiť napájači a riadiaci prvok, čím zaniknú náklady na vedenie riadiacich vodičov. Použitý modem pre komunikáciu po napájacích vodičov je určený pre 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 existuje 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 výkresoch

Sústava zariadení najmä svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez jednosmerné napájanie podľa tohto technického riešenia bude bližšie ozrejmená pomocou obrázkov, z ktorých na obr. 1 je znázornená celá zostava digitálneho riadenia sústavy LED svietidiel a prenosu dát po jednosmernom napájaní. Na obr. 2 je znázornená topológia lokálnej siete a zapojenia jednotlivých typov zariadení. Na obr. 3 je znázornená topológia prepojenia lokálnych sietí pomocou rozhrania Most.

Predmet technického riešenia zobrazený na obrázkoch je predstavený len pre ilustráciu a nie ako obmedzenie konkrétnych realizácií úžitkového vzoru.

Príklady uskutočnenia

Príklad 1

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 i ako LED svietidiel je cez napájaciu sieť 2 s jednosmerným napätím pripojená na centrálny jednosmerný napájači výkonový zdroj 3 CPS „Master„ viacerými AC/DC meničmi 4, pričom centrálny jednosmerný napájači výkonový zdroj 3 CPS „Master„ je pripojený na sieť so striedavým napätím 230 V. K centrálnemu jednosmernému napájaciemu výkonovému zdroju 3 CPS „Master,, je pridružená riadiaca jednotka 5 s „Master„ PLC Modemom používajúcim CPS komunikačný protokol. Každé zariadenie 1, t.j. LED svietidlo ako CPS „Sláve,, obsahuje DC/DC menič 6 a „Sláve,, PLC modem 7 tak, ako je to znázornené na obr. 1.

Príklad 2

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 1 ako LED svietidiel a napájaciu sieť 2 s jednosmerným napätím je dostatočne opísaná v predchádzajúcom príklade. Rozšírenie spočíva v zaradení rozhrania Most do napájacej siete 2 s jednosmerným napätím, ktoré dovoľuje vyústenie do ďalšej lokálnej siete LS. Napájacia sieť 2 s jednosmerným napätím pritom obsahuje ovládacie prvky 8 ako sú vypínače a senzory 9 ako sú napr. PIR senzory, čo je znázornené na obr. 2.

Riadiaca jednotka 5 CPS „Master„ okrem priamej regulácie svietidiel a iných zariadení má tiež na starostí dohľad nad systémom po výkonovej stránke. Každé „Master“ zariadenie obsahuje integrovaný napäťový zdroj s výstupom 48V 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 voči skratu, prehriatiu, alebo preťaženiu. 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. Pre 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 odpájajú 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 užívateľským rozhraním. Základné užívateľské rozhranie je tvorené dvomi tlačidlami, ktoré slúžia na reguláciu jasu všetkých pripojených svietidiel súčasne. Ďalej obsahuje dva 7-segmentové displeje, ktoré zobrazujú stavové kódy informujúce užívateľa o aktuálnom stave systému. V normálnom režime ukazujú počet pripojených svietidiel. Okrem toho má užívateľ prehľad o využívanom výkone a nastavenej úrovni jasu - pomocou dvoch bar grafov s 10 miestnym rozlíšením. Pokročilé užívateľské rozhranie vyžaduje pripojenie externého zariadenia s obslužnou aplikáciou, môže sa jednať o počítač, tablet alebo smartfón. Pokročilé užívateľské rozhranie umožňuje ovládať a monitorovať všetky zariadenia pripojené k systému.

Príklad 3

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia je opísaná sústava zariadení ako LED svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie podľa technického riešenia rozšírená dc prepojenia jednotlivých lokálnych sietí LS pomocou rozhrania Most ako je to znázornené na obr. 3. Jednotlivé lokálne podsiete je možné spájať do rozľahlých sietí. Na prepojenie dvoch alebo viacerých lokálnych podsietí slúži rozhranie Most. CPS protokol podporuje rozhranie Most s dvomi, tromi alebo štyrmi portami (teda výstupmi na lokálnu podsieť). Rozhranie Most 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 tabuľka môže byť priebežne aktualizovaná podľa algoritmov mapovania siete a hľadania najrýchlejšej cesty, prípadne adresy podsietí môžu byť priraďované dynamicky alebo staticky. Inteligencia zariadenia typu most záleží na jeho konkrétnej implementácii.

Priemyselná využiteľnosť

Sústava zariadení najmä svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez jednosmerné napájanie podľa technického riešenia predstavuje technológiu využiteľnú v najširšej oblasti osvetľovacej techniky.

Claims (4)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Sústava zariadení najmä svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie, vyznačujúca sa tým, že sústava zariadení (1) je cez napájaciu sieť (2) s jednosmerným napätím pripojená na centrálny jednosmerný napájači výkonový zdroj (3) CPS aspoň s jedným AC/DC meničom (4), pričom centrálny jednosmerný napájači výkonový zdroj (3) CPS je pripojený na sieť so striedavým napätím; k centrálnemu jednosmernému napájaciemu výkonovému zdroju (3) CPS je pridružená riadiaca jednotka (5) s Master PLC Modemom používajúcim CPS komunikačný protokol; každé zariadenie (1) obsahuje DC/DC menič (6) a Sláve PLC modem (7).
2. 2. Sústava zariadení najmä svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že napájacia sieť (2) s jednosmerným napätím vyúsťuje do rozhrania (Most) k ďalšej lokálnej sieti (LS).
3. 3. Sústava zariadení najmä svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že napájacia sieť (2) s jednosmerným napätím obsahuje ovládací prvok (8).
4. 4. Sústava zariadení najmä svietidiel s digitálnym riadením a prenosom dát cez napájanie podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že napájacia sieť (2) s jednosmerným napätím je opatrená aspoň jedným senzorom (9).