Система управления освещением Российский патент 2023 года по МПК H05B47/185 H05B45/00 H05B47/20 

Изобретение относится к области техники электрической связи, в частности, к системам проводной передачи сигналов для целей организации управления освещением различных объектов - от небольших производственных помещений до сетей наружного электроосвещения крупных городов.

Предложенная система позволяет экономить энергетические ресурсы пользователей, уменьшить износ оборудования и увеличить срок службы светильников, а также уменьшить влияния световой засветки уличного освещения в городах.

Широко известны системы управления освещением, основанные на радиочастотном методе передачи информации.

Так, например, из уровня техники известен программно-аппаратный комплекс для осуществления беспроводного интеллектуального управления освещением (RU 2752423 C2, H05B 47/105, опубл. 28.07.2021), который включает аппаратную часть, состоящую из координатора с функциями сервера и агрегатора данных, контроллера для управления светильниками, электроприборами и возможностью измерять потребляемую мощность, мультисенсора с возможностью подключения датчиков с сухим контактом. При этом беспроводная связь организована по топологии «Активная звезда» или «MESH».

Однако в связи с тем, что работа программно-аппаратного комплекса основана на радиочастотном методе передачи информации, то возможны задержки в процессе доставки управляющих сигналов, соответственно, задержки включения или выключения светильников.

Также из уровня известна система управления электрическими приборами, соединенными общей сетью электропитания (EP 1717927 A2, класс H02J 13/00, опубл. 02.11.2006), содержащая центральный пункт управления, блок управления, подключенный к сети электропитания, по меньшей мере один светильник, снабженный блоком приема-передачи, подключенный в линию освещения.

Для передачи данных в данной системе осуществляется метод фазовой модуляции высокочастотной несущей частоты, например, 104,2 кГц, которая в свою очередь накладывается на электрическую частоту сети электропитания.

Данная технология передачи сигналов очень чувствительна к качеству среды передачи (силовым проводам), от которого зависит степень затухания сигнала в линии, то есть не обеспечивает необходимую дальность передачи данных.

Кроме того, данная система предполагает использование технически сложных, соответственно, дорогих контроллеров для реализации алгоритмов, что усложняет конструкцию и приводит к большой добавочной стоимости конечного устройства.

Кроме того, данная система использует двухсторонний обмен данными между светильниками и устройством управления, которые характеризуются технически сложной конструкцией, что вносит дополнительную стоимость в конечное устройство.

Таким образом, техническая проблема заключается в создании надежной системы управления освещением, организованной по силовым электрическим цепям, предназначенной для поддержания бесперебойной работы системы при одновременном упрощении конструкции системы, соответственно, повышении ее ремонтопригодности.

Технический результат, достигаемый заявленной системой управления освещением, заключается в реализации такой системы.

Для этого система управления освещением содержит контроллер управления и соединенный с ним фазовый регулятор напряжения, предназначенный для передачи сигналов управления по силовым электрическим цепям, установленные в электрическом распределительном шкафу линии освещения, по меньшей мере один светильник, подключенный к линии освещения и выполненный на базе светодиодного драйвера и микроконтроллера, входной интерфейс которого подключен к линии питания соответствующего светильника, а также к аналого-цифровому преобразователю через гальваническую развязку; кроме того микроконтроллер содержит блок цифрового фильтра, выход которого соединен со входами модуля детектора синхроимпульса, модуля измерителя длительности импульса и модуля порогового компаратора; при этом выходы модуля измерителя длительности импульса и модуля порогового компаратора соединены со входами блока анализа данных, выход которого соединен со входом блока управления, выполненного с возможностью определения и передачи значения опорного напряжения в регистр сравнения модуля порогового компаратора микроконтроллера, при этом выход блока управления соединен со входом ШИМ-модуля, который в свою очередь через гальваническую развязку соединен с интерфейсом светодиодного драйвера; при этом в случае приема блоком управления сигнала, соответствующего сигналу ошибки, а также при обнаружении неисправности по меньшей мере одного элемента аппаратной части, блок управления осуществляет сброс расчетных данных текущего состояния, а светодиодный драйвер переходит в режим выдачи максимальной яркости светильника.

Блок цифрового фильтра необходим для фильтрования оцифрованных с помощью АЦП сигналов и исключения сигналов, имеющих отклонение от допустимых значений.

Модуль порогового компаратора необходим для формирования сигнала начала отсчёта длительности импульса модулем измерителя длительности импульса. Для этого в регистр сравнения модуля порогового компаратора приходит уставка - значение опорного напряжения уровня сравнения, формируемая с помощью блока управления. Значение этой уставки постоянно меняется и анализируется в процессе работы устройства для исключения влияния просадок по уровню напряжения сети и влиянию нагрузок. Это позволяет детектировать амплитудный сигнал управления независимо от длины сети и уровня напряжения на ней.

Блок анализа данных необходим для анализа полученных сигналов, определения расчетных параметров, а также для сравнения полученных сигналов с параметрами ожидаемых сигналов.

В случае, если по меньшей мере один из учитываемых параметров окажется вне допуска модели предсказания, блок анализа данных формирует сигнал ошибки и передает сообщение об ошибке в блок управления светильником.

Соединение выхода блока управления со входом ШИМ-модуля, который в свою очередь через гальваническую развязку соединен с интерфейсом светодиодного драйвера, позволяет сформировать сигнал для интерфейса управления драйвером светодиодного светильника.

Проверка работоспособности всех аппаратных частей микроконтроллера в блоке управления при включении и проверке параметров сигналов, поступающих от модуля порогового компаратора, модуля измерителя длительности импульсов, модуля детектора синхроимпульсов, блока анализа данных, необходима для возможности подключения ШИМ-модуля через гальваническую развязку к цепи интерфейса управления драйвером светильника. Незамкнутая цепь для драйверов светильников расценивается как режим работы «включено на 100% яркости», то есть в случае неисправности микроконтроллера светильник будет работать как обычный неуправляемый светильник в режиме «вкл/выкл» в режиме выдачи максимальной яркости. Это позволяет обеспечить бесперебойную работу системы управления освещением.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена принципиальная схема системы управления освещением.

Система управления освещением, содержит контроллер управления 1 (фиг. 1) и соединенный с ним фазовый регулятор напряжения 2, предназначенный для передачи сигналов управления по силовым электрическим цепям.

При этом контроллер управления может быть выполнен на базе любого промышленного контроллера. Частота его процессора не критична для выбранного алгоритма передачи управляющего сигнала.

В качестве контроллера управления могут быт использованы любые свободно программируемые контроллеры, не ограничиваясь, например, отечественного производства: IGS (https://igs-control.ru/controller/), WirenBoard (https://wirenboard.com/ru/ product/wiren-board-7/), LogicMachine (https://logicmachine.net.ru/product/catalog_lm5/), ОВЕН ПЛК (https://owen.ru/catalog/programmiruemie_logicheskie_kontrolleri/info/general_ information_110_160), ICP DAS (https://icpdas.ru/catalogue/pac/ipac/standart/i-8431-80-cr/?yclid=1387733801937723899) или иностранного производства, например: контроллеры фирмы WECON, ZAPI, Crevis, контроллеры серии A/С/T/H/N фирмы HAIWELL.

Для управления модуляцией напряжения сети подходит любой фазовый регулятор напряжения, реализующий метод фазового управления амплитудой посредством изменения углов открытия тиристоров, симисторов, тиратронов или иных ключевых электронных приборов.

Желательно наличие в фазовом регуляторе напряжения функции плавного изменения амплитуды при получении новой уставки от контроллера управления 1. Это позволит уменьшить значение ударных токов в линии нагрузки при модуляции. Значение времени изменения для такого параметра от 0 до 100% не более 1 секунды. Управление фазовым регулятором напряжения 2 контроллер управления 1 осуществляет по стандартному интерфейсу 0-10 В. Сам фазовый регулятор 2 может быть в исполнении как для однофазной, так и для трёхфазной сети. Максимальный ток фазового регулятора должен быть рассчитан, исходя из максимального значения тока установленной нагрузки умноженное на 5. Для реализации данной системы могут быть использованы, например, фазовые регуляторы ТРМ-1М, ТРМ-2М, ТРМ-3М, SPR1, DPU13A, DPU12A.

Контроллер управления 1 и фазовый регулятор напряжения 2 установлены в электрическом распределительном шкафу линии освещения.

К линии освещения подключен по меньшей мере один светильник 4, выполненный на базе светодиодного драйвера 3 и микроконтроллера 5.

Для реализации данной системы необходим микроконтроллер 5 со встроенным 10-разрядным аналого-цифровым преобразователем, аппаратным ШИМ-модулем, а также с поддержкой аппаратных таймеров и WDT. Также микроконтроллер 5 должен соответствовать следующим требованиям: иметь объем ОЗУ не менее 15 кБ и ПЗУ не менее 120 кБ, частота процессорного ядра должна составлять не менее 60 МГц.

Входной интерфейс микроконтроллера 5 подключен к линии питания соответствующего светильника 4, а также к аналого-цифровому преобразователю 7 через гальваническую развязку 6.

При этом в качестве гальванической развязки 6 может быть использована любая, известная из уровня техники, например, трансформаторная, оптоэлектронная и оптическая развязки, конденсаторная гальваническая развязка и др.

Также микроконтроллер 5 содержит блок цифрового фильтра 8, выход которого соединен со входами модуля детектора синхроимпульса 11, модуля измерителя длительности импульса 10 и модуля порогового компаратора 9.

Выходы модуля измерителя длительности импульса 10 и модуля порогового компаратора 9 соединены со входами блока анализа данных 12, выход которого соединен со входом блока управления 13.

Блок управления 13 выполнен с возможностью определения и передачи значения опорного напряжения в регистр сравнения модуля порогового компаратора 9 микроконтроллера 5.

Выход блока управления 13 соединен со входом ШИМ-модуля 14, который в свою очередь через гальваническую развязку 15 соединен с интерфейсом светодиодного драйвера 3.

При этом в случае приема блоком управления 13 сигнала, соответствующего сигналу ошибки, а также при обнаружении неисправности по меньшей мере одного элемента аппаратной части, блок управления 13 осуществляет сброс расчетных данных текущего состояния, а светодиодный драйвер 3 переходит в режим выдачи максимальной яркости светильника.

Работа системы управления уровнем освещенности осуществляется следующим образом.

При передаче информации по силовым электрическим цепям в аналоговом формате осуществляется параллельное управление всеми подключенными потребителями электрической энергии, а именно, светильниками 4.

Контроллер управления 1 в процессе выдачи сигнала управления передаёт фазовому регулятору напряжения 2 значение амплитуды напряжения, которое необходимо установить в текущий момент времени на линии питания. Глубина модуляции амплитуды сетевого напряжения составляет 25%. Нормированная длительность импульсов составляет 10 секунд.

Перед выдачей сигнала управления контроллер управления 1 выдерживает гарантированный интервал времени (гарантированную паузу) для фиксации значения опорного напряжения - уставки U каждым устройством управления в своей точке на линии питания. Алгоритмы модуля управления 1 выполняют эту процедуру автоматически при подаче питания на линию и в процессе работы. Во время передачи сигналов значение опорного напряжения фиксируется микроконтроллером 5 на последнем вычисленном блоком управления 13 уровне в точке состояние S0 циклограммы по синхросигналу от модуля детектора синхроимпульса 11.

Контроллер управления 1 перед информационным сигналом выдаёт сигнал старта в виде преамбулы S1 и S2 с равными длительностями. Далее следует сигнал S3 длиной, кратной длительности S1*N, где N - шаг изменения уровня яркости, передаваемой в светильники.

Значения шага имеют значения от 1 до 5, что эквивалентно уровню диммирования на светильнике от 20 до 100% соответственно, где 1 соответствует 20 % яркости, 2 – 40 %, 3 – 60%, 4 – 80% и 5 – 100%.

После выдачи информационного импульса следует последовательность сигналов S4 и S5, в точности повторяющих длительность преамбулы, свидетельствующая об окончании передачи сигнала.

Далее следует обязательная пауза окончания передачи S6 длиной 2*S1.

Внешний управляющий сигнал, формируемый контроллером управления 1, поступает на вход фазового регулятора напряжения 2, который модулирует амплитуду напряжения сети по методу управления углом включения тиристоров.

Данный метод модуляции напряжения сети был выбран исходя из простоты реализации и доступности готовых фазовых регуляторов в продаже под любые варианты исполнения, что существенно упрощает не только построение системы управления, но и её последующий ремонт и обслуживание.

Модулированный с помощью фазового регулятора напряжения 2 сигнал поступает по силовым электрическим цепям на вход каждого светильника 4.

Далее входные сигналы управления считываются с помощью входного интерфейса микроконтроллера 5, подключенного к линии питания соответствующего светильника 4 через гальваническую развязку 6 к АЦП 7 микроконтроллера 5.

Далее после оцифровки, выполненной с помощью АЦП 7, сигналы фильтруются с помощью блока цифрового фильтра 8 с использованием алгоритмов «скользящее среднее».

Для этого фильтр использует нечётное количество отсчётов Х, например 11, взятых с временным интервалом 9 мс. Это необходимо для удаления ошибок квантования и шума АЦП 7. Далее вычисляют среднее значение сигнала – опорное (отфильтрованное) значение напряжения в текущий момент времени.

На основе фильтра «скользящего среднего» (переменная Х) вычисляется окно возможных значений для текущего отсчёта от АЦП 7. Все значения, выходящие за рамки ожидаемого значения (X[t]± δ) считаются помехой в сети и это измерение исключается из дальнейшей фильтрации.

Дельта δ вычисляется как разность между измеренным и опорным значением напряжения.

Подобный алгоритм фильтра позволяет быстро реагировать на входные изменения по амплитуде, но и в тоже время достаточно хорошо подавлять импульсные помехи, поступающие по силовым электрическим цепям.

Далее измеренная амплитуда входного сигнала поступает на входы модуля детектора синхроимпульса 11, модуля измерителя длительности импульса 10 и модуля порогового компаратора 9.

Модуль компаратора 9 формирует сигнал начала отсчёта длительности импульса модулем 10. Для этого в модуль 9 приходит уставка U (опорное напряжение), формируемая с помощью блока управления 13.

Уставка U рассчитывается на основе среднего значения Х, полученного цифровым фильтром 8, и текущего измеренного уровня напряжения сети, соответствующее условию X[t]± δ. Это значение усредняется на протяжении 200 циклов измерения в блоке управления 13.

Значение этой уставки постоянно меняется и анализируется в процессе работы системы для исключения влияния просадок по уровню напряжения сети и влиянию нагрузок. Это позволяет детектировать амплитудный сигнал управления независимо от длины сети и уровня напряжения на ней.

Сигналы модулей 9, 10 и 11 поступают в блок анализа данных 12, где длительность считанных импульсов, их последовательность относительно друг друга, положение каждого импульса относительно синхросигнала и между собой сравниваются с прогнозируемыми. Прогнозируемые сигналы представляют собой сигналы, находящиеся в пределах текущего значения X[t]± δ по напряжению сети и в пределах длительности импульса S0-S6.

При этом в блоке анализа данных 12 происходит декодирование длительности импульсов изменения амплитуды и восстановление из этой последовательности кода управления уровнем освещения.

Для этого блок анализа данных 12 фиксирует условие старта в виде преамбулы S1 и S2, производит измерение ширины импульсов S1 и S2, запоминает длительность импульса S1, вычисляет возможное отклонение ширины импульса в 10% от этого значения. Далее сравнивает длительности S1 и S2 и импульсы S4-S6 с учётом на джиттер в 10%. Если величины совпали то, выдаётся сигнал на измерение длительности информационного сигнала уровня S3. Длительность импульса S3 кратна N*S1 (где N от 1 до 5). Измерения длительности импульса S3 производятся до прихода сигналов S4 и S5 или до окончания выдержки таймера передачи.

Длительность таймера передачи задаётся на основе вычисленной длительности сигнала S1 плюс вероятный джиттер 10% c учетом количества импульсов последовательности, равного 7.

В случае детектирования отклонения параметров от прогнозируемых сигналов блок анализа данных 12 формирует сигнал ошибки для блока управления 13 светильником 4, которая представляет собой переменную TRUE или FALSE в памяти микроконтроллера 5.

В этом случае микроконтроллер 5 сбрасывает все расчетные данные текущего состояния, а именно:

- напряжение сети принимаются как возможные 190-10%В для минимума и 250В для максимума;

- cигнал ошибки принимает вид FALSE,

- длительность стартового импульса – 11сек,

- Sync - в состояние FALSE,

- уставка U принимает значение 220В,

- счётчик отсчета циклов уставки для блока управления 13 сбрасывается до 0.

Все измерения для определения прогнозируемых сигналов блоком анализа данных 12 начинаются заново, что позволяет адаптироваться к разным условиям на силовой линии.

Если сигнала ошибки от блока анализа 12 нет, то блок управления 13 вычисляет уровень ШИМ-сигнала для светильника на основе данных о требуемом уровне диммирования, например, DIM = (S3/S1) * 20%.

Далее процент диммирования пересчитывается в величину заполнения ШИМ для ШИМ-модуля 14 как PWM=1000/DIM*100. Далее это значение записывается в регистр формирования PWM сигнала микроконтроллера 5. Выходной сигнал PWM управляет модулем гальванической развязки 15, а выходная часть модуля гальванической развязки 15 модулирует, в свою очередь, напряжение во входном интерфейсе управления драйвера светодиодного светильника 3, тем самым задавая значение для уровня диммирования светового потока светильника 4. При условии, что блок управления 13 прошёл проверку на работоспособность при подаче питания и выдал сигнал на подключение ШИМ-модуля 14.

Дополнительно в блоке управления 13 производится проверка работоспособности всех аппаратных частей микроконтроллера 5 при включении и проверке параметров сигналов (логичности их измеренных значений), поступающих от модулей 9, 10, 11 и 12.

Блок управления 13 контролирует граничные значения принятых сигналов по амплитуде и длительности. Так, входной сигнал по амплитуде не может превышать значение, установленное межгосударственным стандартом ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038:2009): сетевое напряжение должно составлять 230 В ± 10 % при частоте 50±0,2 Гц.

Также блок управления 13 учитывает рекомендации ПУЭ-7, где продолжает фигурировать величина 220В+10% -15%.

Таким образом, блок управления 13 выбирает границы ожидаемых значений, исходя из длительного наблюдения за амплитудой сети в периоды между сигналами управления. Границы значений устанавливаются, исходя из того, соответствует ли сеть ГОСТ 29322-2014 или рекомендациям ПУЭ-7.

Для аппаратного контроля микропроцессора 5 используются встроенные в него аппаратные возможности, в том числе сигнал исправности тактовой системы, сигналы от аппаратных прерываний таймеров и ШИМ-модуля 14. При отсутствии этих сигналов считается, что аппаратные ресурсы микроконтроллера 5 неисправны.

Если хоть одно из этих условий не будет в норме, микроконтроллер 5 осуществит сброс расчетных данных текущего состояния и не осуществит подключение ШИМ-модуля 14, тем самым оставит цепь интерфейса управления драйвером светильника 3 в разомкнутом состоянии. Данный режим работы для драйверов расценивается как режим работы «включено на 100% яркости», то есть в случае неисправности микроконтроллера светильник будет работать как обычный неуправляемый светильник в режиме «вкл/выкл» в режиме выдачи максимальной яркости.

Таким образом, данное техническое решение позволит реализовать надежную систему управления освещением, организованную по силовым электрическим цепям, предназначенную для поддержания бесперебойной работы системы, имеющую простую ремонтопригодную конструкцию.

Изобретение относится к системам управления освещением. Техническим результатом является обеспечение системы управления освещением, организованной по силовым электрическим цепям. Результат достигается тем, что система управления освещением содержит контроллер управления и соединенный с ним фазовый регулятор напряжения, предназначенный для передачи сигналов управления по силовым электрическим цепям. При этом контроллер управления и фазовый регулятор напряжения установлены в электрическом распределительном шкафу линии освещения. Также система управления освещением имеет по меньшей мере один светильник, подключенный к линии освещения и выполненный на базе светодиодного драйвера и микроконтроллера. При этом входной интерфейс микроконтроллера подключен к линии питания соответствующего светильника, а также к аналого-цифровому преобразователю через гальваническую развязку. Кроме того, микроконтроллер содержит блок цифрового фильтра, выход которого соединен со входами модуля детектора синхроимпульса, модуля измерителя длительности импульса и модуля порогового компаратора. При этом выходы модуля измерителя длительности импульса и модуля порогового компаратора соединены со входами блока анализа данных, выход которого соединен со входом блока управления. Блок управления выполнен с возможностью определения и передачи значения опорного напряжения в регистр сравнения модуля порогового компаратора микроконтроллера. При этом выход блока управления соединен со входом ШИМ-модуля, который в свою очередь через гальваническую развязку соединен с интерфейсом светодиодного драйвера. При этом в случае приема блоком управления сигнала, соответствующего сигналу ошибки, а также при обнаружении неисправности по меньшей мере одного элемента аппаратной части блок управления осуществляет сброс расчетных данных текущего состояния, а светодиодный драйвер переходит в режим выдачи максимальной яркости светильника. 1 ил.

Система управления освещением, содержащая контроллер управления 1 и соединенный с ним фазовый регулятор напряжения 2, предназначенный для передачи сигналов управления по силовым электрическим цепям, установленные в электрическом распределительном шкафу линии освещения, по меньшей мере один светильник 4, подключенный к линии освещения и выполненный на базе светодиодного драйвера 3 и микроконтроллера 5, входной интерфейс которого подключен к линии питания соответствующего светильника 4, а также к аналого-цифровому преобразователю 7 через гальваническую развязку 6; кроме того, микроконтроллер содержит блок цифрового фильтра 8, выход которого соединен со входами модуля детектора синхроимпульса 11, модуля измерителя длительности импульса 10 и модуля порогового компаратора 9; при этом выходы модуля измерителя длительности импульса 10 и модуля порогового компаратора 9 соединены со входами блока анализа данных 12, выход которого соединен со входом блока управления 13, выполненного с возможностью определения и передачи значения опорного напряжения в регистр сравнения модуля порогового компаратора 9 микроконтроллера 5, при этом выход блока управления 13 соединен со входом ШИМ-модуля 14, который в свою очередь через гальваническую развязку 15 соединен с интерфейсом светодиодного драйвера 3; при этом в случае приема блоком управления 13 сигнала, соответствующего сигналу ошибки, а также при обнаружении неисправности по меньшей мере одного элемента аппаратной части блок управления 13 осуществляет сброс расчетных данных текущего состояния, а светодиодный драйвер 3 переходит в режим выдачи максимальной яркости светильника.