Интеллектуальный интерфейс DALI

Интерфейс DALI был разработан в 1999 году. Он пришел на смену системе управления DSI (Digital Serial Interface). Поскольку DALI задумывался для управления освещением, в разработке системы приняли участие ведущие производители электронных балластов, прежде всего Osram, Philips, Tridonic, Trilux, Helvar.

Управление освещением можно рассматривать как своего рода искусство, которое может потребоваться при освещении театральной сцены, производственных помещений, улицы и, наконец, жилых помещений. В последнее время все более популярным и распространенным становится «умный дом». Поэтому система управления освещением является одной из его составных частей, и, обеспечивая комфортность жилья, занимает не последнее место. В качестве такой части практически идеально подходит система DALI.

Выбор параметров любой системы управления диктуется задачей, которую предстоит выполнить с ее помощью. Немаловажно, чтобы новая система могла достаточно просто интегрироваться в уже существующую, объединиться с ней, работать вместе, а не вместо нее. В плане интеграции в другие системы управления система DALI достаточно проста и экономична.

Система управления освещением на базе интерфейса DALI может быть легко интегрирована в различные системы автоматизации управления зданием, такие, как LON, BACNet, KNX/EIB. Для такого объединения многие фирмы выпускают шлюзы KNX-DALI и LON-DALI. Этот союз позволяет сократить сроки на монтаж системы, сделать ее в целом менее затратной, а также более гибкой в управлении.

Стандарт протокола и аппаратные средства DALI предназначены только для управления освещением, что говорит об узкой специализации данной системы. Поэтому в целом система получилась высокоэффективной и недорогой. Подключение устройств, работающих по протоколу DALI показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема системы DALI

Передача данных и программирование системы

В настоящее время система DALI стандартизирована согласно стандарта IEC 60929. Как показано на рисунке 1 связь между контроллером DALI и отдельными устройствами осуществляется по двухпроводной линии. Линия DALI – интерфейса двунаправленная, что позволяет передавать информацию как от контроллера к периферийным устройствам, так и обратно.

Для передачи данных используется постоянное напряжение экстра - низкого значения 22,5В. При этом полярность подключения линии к различным устройствам значения не имеет, а сама линия имеет защиту от напряжения осветительной сети. Помехозащищенность линии такова, что она может располагаться в силовом кабеле и даже просто использовать свободные проводники этого кабеля.

Сеть на базе шины DALI не имеет центрального процессора, т.е. децентрализована. Такая организация позволяет подключать в эту сеть любые устройства, предназначенные для работы с шиной DALI. Такие устройства, как правило, имеют встроенную энергонезависимую память, что позволяет хранить различную информацию. В первую очередь это адрес устройства, информация об устройстве и состоянии подключенных к нему светильников, и целые наборы команд, именуемые также сценариями.

Программирование системы в целом достаточно просто. Каждое сообщение, которое получает устройство от контроллера DALI состоит из двух частей, - адреса и команды. В целом команда может выглядеть так: {Device_0022, 25%}. Это означает, что устройство с адресом 0022 должно включить освещение на 25% мощности.

Следует отметить, что диммирование (регулирование мощности) в системе DALI осуществимо лишь в случае применения ламп накаливания. Возможно также объединение устройств в группы, тогда команда может выглядеть примерно так: {Group_0210, Script_7}. Такая команда сообщает устройствам, входящим в группу Group_0210, что следует выполнить сценарий Script_7.

В сценарии содержится некоторая последовательность команд, например, OFF, 10%, 50%, 100%, 50%, 10%. Согласно этому набору команд требуется отключить указанную группу, а затем изменить мощность, согласно указанной в процентах. Команды, передаваемые по линии связи могут быть индивидуальными для каждого устройства, для группы устройств или для всех устройств сразу (широковещательные).

Протокол DALI построен таким образом, что позволяет адресовать непосредственно 64 устройства, подключенных к одной линии управления. Если возникает необходимость в большем количестве управляемых устройств, то используются DALI-роутеры (маршрутизаторы), которые позволяют увеличить емкость DALI-сети до 200 устройств. Если же и такого количества недостаточно, то для объединения DALI-роутеров применяются DALI-шлюзы. При этом количество адресов возрастает максимум до 12800.

Для проектирования DALI-сетей применяется специальное программное обеспечение. Если предполагается сеть, содержащая не более 200 адресов, что соответствует одноранговой сети в пределах одного DALI - роутера, то для этих целей вполне достаточно пакета программ Helvar Toolbox. Для создания более масштабных сетей с использованием DALI – шлюзов потребуется пакет Helvar Designer.

Действия, выполняемые системой DALI

Прежде всего это простое включение – выключение как отдельных светильников, так и целых групп. Кроме этого возможно диммирование ламп накаливания. При диммировании нескольких групп светильников предусмотрена их синхронизация.

Одно устройство управления DALI может воспроизводить до 16 световых сценариев и получать и хранить информацию о различных параметрах системы: исправность светильников, включен или выключен светильник, заданный уровень освещенности.

Электронные балласты DALI автоматически находят устройство управления, при этом внутри балластов хранятся различные установки. Прежде всего это адресация устройств, световые сценарии, распределение по группам, скорости диммирования, значения мощности аварийного освещения.

В составе системы DALI предусмотрено использование датчиков движения, присутствия и освещенности, что несколько расширяет функциональность устройства в целом. Благодаря этому возможно программирование световых сцен с учетом дневного освещения. Датчики движения программируются на время срабатывания до 30 минут.

Программирование и управление устройством достаточно просто и осуществляется кнопками с замыкающим контактом. Внешний вид пульта управления DALI контроллера показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Пульт управления DALI контроллера

В случае отключения электроэнергии DALI контроллер запоминает текущее состояния, а при возобновлении энергоснабжения автоматически восстанавливает последнее рабочее состояние. Поэтому сбоя в работе системы не происходит.

ГРАФИКИ УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ

Экономия электроэнергии при применении систем автоматического управления достигается за счет значительного сокращения времени использования установок искусственного освещения, т. е. рационального использования естественного света.

Управление освещением на основе внедрения графиков весьма эффективно при организации так называемого зонного управления. Для этого все рабочее искусственное освещение делится по технологическому принципу на участки. Экономический эффект и экономия электроэнергии при зонном управлении освещения могут быть определены по сокращению времени горения ламп в различных зонах помещения по сравнению с временем работы освещения в зоне с минимальной естественной освещенностью.

На рис. 4.1 показано распределение освещенности в производственном помещении с боковым ленточным остеклением и искусственным освещением встроенными люминесцентными светильниками, обеспечивающими нормированную освещенность, равную 500 лк.

Рис. 4.1. Распределение освещенности в производственном помещении с боковым ленточным остеклением и искусственным освещением, создающим нормируемую освещенность 500 лк:

а) - наружная освещенность - 30 тыс. лк;

б) - 15 тыс. лк;

в) - 5 тыс. лк;

1 - светильники с люминесцентными лампами горящие;

2 - то же, негорящие;

3 - кривая освещенности от естественного света;

4 - кривая освещенности от естественного и искусственного света;

I, II, III, IV - зоны помещения.

В табл. 4.3 приведены данные расчета времени использования естественного освещения в III светоклиматическом поясе (г. Москва) при двухсменной работе предприятия для различных нормируемых освещенностей и значений коэффициента естественной освещенности (КЕО), равных 1, 2, 3, 4, 5 и 7%, за отдельные сезоны и за год.

Расчеты показывают, что в первой зоне помещения со средним КЕО е_ср=8,6% время использования естественного освещения при двухсменной работе предприятий составляет 72%, во второй зоне 35%, а в третьей, где естественная освещенность едва достигает 100 лк, время использования естественного освещения составляет менее 5% всего рабочего времени. Таким образом, применение установок для регулирования (управления) искусственного освещения целесообразно только в I и II зонах помещения, в III и IV зонах необходимо постоянное дополнительное освещение.

Таблица 4.3. Продолжительность использования естественного освещения, ч, в III климатическом поясе (г. Москва) при двухсменной работе предприятия для различных нормируемых освещенностей

Возможная экономия электроэнергии при регулировании искусственного освещения в помещениях в зависимости от уровня наружной освещенности зависит от трех величин:

- коэффициента естественной освещенности помещения (КЕО) е;

- нормируемой освещенности Е_н;

- вероятности использования естественного света V.

Величина КЕО зависит от множества параметров - расположения и размеров светопроемов, светопропускания остекления и т. д.

Интенсивность естественного освещения изменяется в течение дня внутри помещения в широких пределах. Значение КЕО для различных помещений может меняться от 1 до 12 %. При определении времени действия естественного освещения в помещении должна быть учтена та часть рабочего времени, для которой наружное освещение создает в помещении освещенность не ниже заданного значения Е_нар·е. Это значение зависит не только от наружной освещенности Е_нар, но также от географической широты места расположения освещаемого объекта, времени и продолжительности рабочего дня.

Экономия электроэнергии за счет дискретного управления искусственным освещением может иметь место в тех случаях, когда

(4.2)

т. е. когда дневной свет в помещении обеспечивает необходимую нормируемую освещенность Е_н.

Если же , то экономия может быть достигнута только плавным регулированием искусственного освещения, работающего в режиме совмещенного. Практически возможная за счет этих мероприятий экономия электроэнергии ΔW не равна расчетной.

Отклонение от расчетного значения обусловлено способом осуществления регулирования, а также отсутствием в большинстве случаев линейной зависимости между световым потоком и мощностью регулируемого источника света. Однако в прогнозах экономии электроэнергии эта разница играет меньшую роль, чем неопределенность ожидаемой продолжительности светового дня, зависящей от состояния неба в периоды рассвета и заката (поэтому в дальнейших рассуждениях этот эффект не учитывается). В [10] описан опыт определения минимально возможной экономии электроэнергии при дискретном (включении и отключении источников света) и плавном регулировании светового потока источников света в системе совмещенного освещения. При этом экономия выражается в долях от единицы.

На рис. 4.2 приведены кривые усредненных вероятностей использования естественного света в функции горизонтальной наружной освещенности при облачном небе, справедливые для центрально европейских стран.

Рис. 4.2. Усредненные вероятности использования естественного освещения в функции горизонтальной освещенности при облачном небосводе:

1 - лето;

2 - весна, осень;

3 - зима.

В [10] приведены простые соотношения для определения возможного процента экономии электроэнергии общего потребления. Проанализируем их.

Если Е_н<Е_нар·е, т. е. дневное естественное освещение помещения приближается к нормируемому значению освещенности Е_н, то экономия электроэнергии (отн. ед.) от включения-отключения искусственного освещения будет

(4.3)

а экономия от плавного регулирования (отн. ед.) выразится как

(4.4)

Если Е_н>Е_нар·е, т. е. наружное естественное освещение не достигает максимального значения Е_{нар max} , то экономия от включения-отключения отсутствует, т. е ΔW_в-о = 0, так как искусственное освещение не может быть отключено ни в какой период рабочего времени, а экономия от плавного регулирования (отн.ед.) составит:

(4.5)

На рис. 4.3 показаны кривые ΔW_в-о = f (е), полученные на основе графиков рис. 4.2. При практическом внедрении системы регулирования совмещенного освещения необходимо учитывать, что влияние прямого солнечного света сильно изменяет характер кривых рис. 4.3 в сторону повышения экономии за счет более высокой яркости неба по сравнению с принятой яркостью облачного неба, использованной при построении графиков рис. 4.2 и 4.3.

Рис. 4.3. Общая экономия электроэнергии ΔЭ в системе совмещенного освещения при регулировании искусственного освещения в функции КЕО (для весны и осени):

1 - нормируемая освещенность 500 лк;

2 - 1000 лк; А - плавное регулирование; Б - включение-отключение.

Для регулирования освещения в производственных помещениях могут использоваться устройства дискретного и непрерывного регулирования и применяться графики управления освещением. Такие графики, как правило, используют для включения и отключения уличных осветительных установок при использовании устройств централизованного управления.

Для составления графиков используют кривые изменения естественной освещенности в течение световой части суток с учетом светоклиматических условий данного часового пояса, а также расчетные таблицы, приведенные в [10].

Управление освещением на основе внедрения графиков весьма эффективно при организации так называемого зонного управления в системах совмещенного освещения.

Для организации зонного управления освещением все рабочее искусственное освещение в производственном корпусе делится по технологическим принципам на участки, в пределах которых светильники питаются от щитков освещения, управляемых с диспетчерского пункта. Управление должно дублироваться местными автоматическими выключателями на щитках освещения. Затем каждый технологический участок делится на зоны по условиям естественной освещенности.

Таблица 4.4. Месячный график управления зонами освещения*

* Приведен один из листов месячного графика.

** В субботние дни не включать.

При боковом естественном освещении граница зоны достаточной естественной освещенности представляет линию, почти параллельную окнам. При увеличении наружной освещенности расстояние границы зоны от окна увеличивается, при уменьшении освещенности - уменьшается. Закономерность перемещения границы зоны достаточной естественной освещенности является основой программы настройки фотоавтоматов, регулирующих включение и отключение светильников. В системах дискретного управления могут применяться любые типы фотореле, однако для каждого управляемого ряда светильников требуется или отдельное фотореле или отдельный фотодатчик.

Для условий облачного неба естественная освещенность (отн.ед.) в i-й точке помещения определяется по формуле

(4.6)

где Е_г - горизонтальная наружная освещенность при сплошной облачности, лк;

e_i - коэффициент естественной освещенности (КЕО) в i-й точке помещения.

Значения КЕО регламентируются [1] дифференцированно для различных разрядов зрительных работ. Как было сказано выше, действительные значения КЕО обычно отличаются от регламентированных, что нужно учитывать при составлении графиков.

Критическая наружная освещенность Е_кр, при которой требуется включать и отключать освещение в заданной зоне при сплошной облачности, определяется из условия равенства естественной освещенности в помещении (заданной зоне) нормируемой Е_н для искусственного освещения:

(4.7)

Значения КЕО для расчета критической освещенности можно принимать по строительной части проекта, а при отсутствии проектных данных - расчетным или опытным путем. Методика расчета КЕО приведена в [1].

В качестве примера можно привести опыт Волжского автомобильного завода по составлению графиков зонного управления освещением. Работа над составлением графиков выполнялась в следующем порядке:

• выявлялись режимы работы цехов и отдельных производственных участков с учетом работы в субботние дни, включая и время обеденных перерывов;
• были получены суточные графики (по месяцам) изменения естественной освещенности на горизонтальной поверхности при ясном и пасмурном небе;
• в результате измерения естественной освещенности на рабочих местах при ясном и пасмурном небе были установлены значения критической наружной освещенности горизонтальной поверхности;
• с учетом критической освещенности и режимов работы производственных участков (рис. 4.4) разрабатывались графики управления зонами освещения. Пример такого графика показан в табл. 4.4.

Рис. 4.4. План расположения зон освещения в цехе моторов главного корпуса ВАЗ:

1 - зоны освещения;

2 - щиток освещения;

3 - номера зон.

Для реализации составленных графиков на каждый диспетчерский пункт передается план расположения зон управления освещением, на котором в координатной сетке корпуса указано размещение щитков и зон управления освещением и месячный график (табл. 4.4), где подекадно указано время включения и отключения освещения в каждой зоне. При установке в качестве датчиков времени часовых программных электронных устройств перестройка их временных уставок производится согласно графикам.

Экономический эффект и экономия электроэнергии при зонном управлении освещения могут быть определены по сокращению времени горения ламп в различных зонах помещения по сравнению с временем работы освещения в зоне с минимальной естественной освещенностью. Так, для помещения с двумя зонами суточная экономия времени составит

(4.8)

где b - усредненное значение прироста (убыли) наружной освещенности за единицу времени (рис. 4.5), клк/ч;

Е_н1, Е_н2 - нормируемый уровень освещенности первой и второй зон, лк;

е_н1, е_н2 - КЕО первой и второй зон, в долях единицы.

Экономия электроэнергии за один сезон, кВт·ч/сезон (весна, лето, осень, зима), определится но формуле

(4.9)

где P_i - мощность источников света отключаемой зоны освещения, кВт;

n - число суток работы цеха за заданное время (сезон).

Стоимость сэкономленной электроэнергии, руб/сезон, составит

(4.10)

где С₀ - тариф на электроэнергию, руб/кВт·ч.

Прирост наружной естественной освещенности определяется состоянием неба, климатическими условиями, временем года и суток. Для ориентировочных расчетов экономии электроэнергии достаточно иметь посезонные значения приростов наружной освещенности b_j, полученные из кривых наружной естественной освещенности для сплошной облачности неба [10] (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Кривая изменения естественной освещенности:

Е_кр1, Е_кр2 - наружные критические освещенности для 1-й и 2-й зон помещения;

ΔТ₁ - величина экономии времени включения 2-й зоны по отношению к 1-й при приросте освещенности;

ΔТ₂ - то же при убыли освещенности/

В табл. 4.5 приведен прирост наружной естественной освещенности для различных времен года. Используя численные значения сезонных приростов (убылей) естественной наружной освещенности, годовую экономию времени ΔТ_год, работы освещения i-й зоны при многозонном управлении можно определить по формуле

(4.11)

где n - среднее число дней работы искусственного освещения за один сезон (весну, лето, осень, зиму);

Е_н1, е_н1 - соответственно нормируемая освещенность, лк, и КЕО (в долях единицы) зоны с минимальной естественной освещенностью;

Е_нi, е_нi - то же для i-й зоны.

Таблица 4.5. Прирост суточной наружной естественной освещенности во времени

Примечание. В числителе приведены данные по приросту естественной наружной освещенности во времени, лк/ч, в знаменателе - максимальная наружная освещенность, клк (при сплошной облачности).

Годовая экономия электроэнергии ΔW (кВт·ч/год), и ее стоимость ΔЭ (руб./год), определяются соответственно

(4.12)

(4.13)

где k_c - коэффициент спроса;

P_i - суммарная мощность осветительных нагрузок i-й зоны, кВт.

Если при расчете по (4.8), (4.11), (4.12) значение выражения Е_нi/e_i получится больше максимальных значений наружной освещенности (см. табл. 4.4), то его значение следует принимать равным максимальному.

В качестве примера определим экономию электроэнергии (кВт·ч/год) от внедрения зонного управления освещением производственного помещения при следующих исходных данных: число зон n = 2; географическая широта - 45° с.ш.; Е_н1 = E_н2 = 0,2 клк; e₁ = 0,025; e₂ = 0,04; P₁ = P₂ = 4 кВт; m_сез = 91; k_с = 0,95.

Регулирование уровней освещенности осветительных установок может быть осуществлено двумя способами: отключением части светильников или снижением напряжения. Регулирование освещения может применяться в следующих случаях: для установок совмещенного освещения цехов; в цехах, где работа производится посменно с часовым обеденным перерывом, во время которого останавливается основное технологическое оборудование; для уличного освещения, где уровень освещенности может быть снижен в часы утренних и вечерних сумерек и ночные часы.

Каждый из указанных способов регулирования имеет свои технические и экономические преимущества и недостатки. Регулирование освещенности отключением групп источников света требует усложнения сетей, прокладки дополнительных осветительных линий, применения программных управляющих устройств с выделением очередности отключения и включения отдельных групп источников света. Частое включение и отключение освещения, обеспечивающее экономию электроэнергии, имеет и отрицательную сторону (гл. 2). От многократного включения источников света (при 3-сменной работе отключение части источников света производится в периоды между сменами 3 раза в сутки или около 1000 раз в году) наступает так называемый "износ включением", значительно сокращающий срок службы некоторых типов ламп. Срок службы ламп накаливания при числе включений около 2500 практически не снижается. Сокращение срока службы люминесцентных ламп на каждое включение составляет примерно 2 ч, при 3-сменной работе за год срок службы уменьшается на 2 тыс. ч, что составит 17% номинального срока службы.

Если ущербом от сокращения срока службы ламп накаливания еще можно пренебречь ввиду его относительно небольшого значения, то увеличение числа включений люминесцентных ламп вызывает значительный рост эксплуатационных расходов.

Годовая экономия средств, получающаяся в результате отключения осветительных установок во время перерывов Э_откл, складывается из стоимости экономии электроэнергии C_э,откл и стоимости сэкономленных ламп C_л,откл от увеличения полезного времени их использования, за вычетом ущерба от сокращения срока службы ламп при увеличении числа включений Y_вкл:

(4.14)

(4.15)

(4.16)

где W - экономия электроэнергии при отключении части осветительных установок, кВт·ч/год;

C₀ - стоимость 1 кВт·ч электроэнергии, руб.;

n - количество отключаемых ламп;

t_откл - время отключений осветительных установок в течение года, ч/год;

τ_н - номинальный срок службы лампы, ч;

C_л, З_л - соответственно стоимость лампы и ее замены, руб/шт.

Экономия электроэнергии DW, (кВт·ч/год), составляет:

(4.17)

где P_y - установленная мощность осветительной установки, отключаемой автоматом, кВт.

При регулировании освещения отключением групп источников света можно добиться любой заданной глубины регулирования. Качественные характеристики системы освещения при этом устанавливаются соответствующим размещением светильников по помещению.