Współczesne systemy sterowania oświetleniem - zarys historyczny pionierskich zastosowań

Już od zarania naszej cywilizacji człowiek nieustannie dążył do wyeliminowania ciemności i oświetlenia długich, ponurych zimowych nocy. Potwierdziły to wykopaliska archeologiczne, dzięki którym odkryto pierwszą konstrukcję starożytnej lampy sprzed  70 000 lat. I już wtedy pomyślano o tym, aby maksymalnie wydłużyć okres świecenia, poprzez nakładanie na lampę trawy lub drewna - uprzednio skropionej tłuszczem zwierzęcym. Około 800 lat p.n.e. przodownicy greccy zastąpili ręczne pochodnie słupkami z terakoty, w których pierwotnie zastosowano knoty - zmniejszając tym samym zużycie oleju. Rolę automatycznych analogowych sterowników wyłączających lampy w tym czasie odgrywała zapewne odpowiednio odmierzona doza oleju, która miała starczać tylko na określony czas pory nocnej.

Ewolucja systemów sterowania instalacjami oświetleniowymi użytku publicznego

W Europie wdrożono w sposób zorganizowany oświetlenie w miejscu publicznym w Londynie w XV wieku. Od tego czasu postęp w systemie oświetlania miast następował coraz szybciej. W raz za rozwojem metropolii europejskich wprowadzano o zmierzchu coraz liczniejszą iluminację stworzoną z latarni olejowych. Następnie lamp karbidowych, które były rozpalane i gaszone w odpowiedniej porze dnia i nocy. Ówcześnie sterownikami oświetlenia były wyznaczone do tego celu służby, tak zwani uliczni latarnicy, samodzielnie dbający o minimalizację kosztów eksploatacyjnych.

W połowie XIX wieku kolejnym dużym impulsem w historii było odkrycie i niezwłoczne zastosowanie nafty oraz gazu do oświetlenia przestrzeni społecznych. W obecnych czasach wszelaka regulacja jasności, czy też dozowania światła zależała tylko i wyłącznie do obowiązków latarników. Prawdziwym przełomem było z pewnością wynalezienie elektryczności, które zapoczątkował Thomas Alva Edison udoskonaleniem długiej drogi w projektowaniu żarówki oraz przełomowo wynalazkiem systemu do jej zasilania - zmieniając nasze życie nie do poznania. Udogodnieniem była możliwość włączania i wyłączania światła przez domowników w miarę zapotrzebowania w prywatnych lokalach mieszkalnych, bez potrzeby ingerencji osób trzecich. Natomiast pracę latarników zastąpiły po dziś dzień znane nam służby miejskie, odpowiedzialne za oświetlanie poszczególnych ulic oraz rejonów miejskich.

Na przełomie XIX i XX wieku nastąpił zauważalny progres elektryfikacji, który w efekcie zaowocował gwałtowną ekspansją w wielu dziedzinach. Tradycyjne niegdyś uliczne latarnie olejowe, naftowe i gazowe zostały niemal wszędzie zastąpione kolejnymi lampami elektrycznymi - łukowymi, żarowymi, fluorescencyjnymi, rtęciowymi, sodowymi, metalohalogenkowymi. W pierwszej dekadzie XXI wieku zagościły iluminacje z diodami elektroluminescencyjnymi znanymi jako LED.
 

fot.: Słupki oświetleniowe Norlys.

Docelowo każde nowe źródło światła w swoim zamyśle miało zminimalizować zużycie energii elektrycznej przy zwiększonej intensyfikacji procesu działania. Niestety cały okres XX wieku był w coraz większym stopniu uzależniony od prądu z sieci, stąd nieustanne dążenie do zmniejszenia jego zużycia. Podczas wdrażania oszczędniejszych źródeł światła wprowadzane były na rynek mniej skomplikowane urządzenia - sterowniki. Regulatory te oparte na systemach analogowych miały bardzo proste zasady działania - związane ściśle z obsługą oraz serwisowaniem. Jednakże niewątpliwy dynamizm we wzroście aglomeracji miejskich na naszej planecie, analogicznie zwiększał zapotrzebowanie na energię świetlną. Stosowane do końca lat sześćdziesiątych XX wieku układy sterowania maszyn i urządzeń, były konstruowane jako sztywna sieć logiczna - w tradycyjnej technice przekaźnikowo-stycznikowej oraz półprzewodnikowej. Nadrzędną rolę odgrywało okablowanie pomiędzy stycznikami, przekaźnikami oraz innymi elementami specjalnymi. Wszystkie komponenty montowano w szafach sterowniczych. Jednakże oczekiwania i indywidualne potrzeby inwestorów oraz użytkowników wymagały innych rozwiązań. Za kluczowy momentem w ewolucji można uznać okres przypadający na lata siedemdziesiąte, kiedy to opracowano nowy, absolutnie pionierski układ sterowania, w którym algorytm działania nie opierał się na kłopotliwym „odrutowaniu”, lecz był zapisywany w pamięci urządzeń. Sercem stał się projekt oprogramowania polegający na cyklicznym obiegu zakodowanych instrukcji. Utrzymując niezmienną strukturę sprzętową, dostosowywano w miarę zapotrzebowania konfigurację zakodowanych zadań.
 

fot.: Ozdobne oświetlenie ogrodu Norlys.

Najbardziej popularne systemy sterowania - charakterystyka działania

W 1973 roku w USA opracowano uniwersalne urządzenie mikroprocesorowe - programowalny sterownik logiczny PLC (z ang. Programmable Logic Controller). Był on dopasowany do określonego obiektu zarządzania, polegającego na wprowadzeniu do jego pamięci żądanego algorytmu kierującego procesem działania danego urządzenia. Intensywny rozkwit owej struktury spowodował lawinową produkcję sterowników przez różne marki, opartych w mniejszym lub większym stopniu na danym układzie systemowym.
 

fot.: Norlys - oprawy oświetleniowe STAVANGER

Najbardziej znane z nich to:

• KNX  wykorzystujące do sterowania oświetleniem urządzenia zwane sensorami. Współpracujące z elementami wykonawczymi, które załączane są elektronicznie na podstawie rozkazów otrzymywanych od sensorów. Pełnią one różne funkcje - załączanie obwodów elektrycznych, kontrolowanie prądu płynącego w obwodach elektrycznych, opóźnianie włączania lub wyłączania, działania pulsacyjnego lub wyłączania oświetlenia po uprzednio nastawionym czasie.

• ZigBee układy oparte na tym systemie głównie służą do obsługi sieci domowej. Zapewniają niskie zużycie energii, natychmiastowy dostęp do sieci, łatwą obsługę, łatwą rozbudowę o kolejne elementy oraz zasięg transmisji do 100 m. System ten stosuje się między innymi do sterowania oświetleniem, roletami, ogrzewaniem oraz do zwiększenia bezpieczeństwa - czujniki, alarmy. Obsługują urządzenia domowe, jak również tworzą między nimi wzajemne zależności. Dobrym przykładem jest czujnik ruchu, który wykrywając obecność człowieka, przesyła sygnał do jednostki sterującej i automatycznie w ramach zaprogramowanych procesów wykonawczych zapali automatycznie światło, zamknie rolety i zwiększy temperatury. Cały ciąg zdarzeń odbywa się bez udziału człowieka – prawidłowo skonfigurowane urządzenia przekazują między sobą odpowiednie sygnały do podjęcia działania.

• PLC to uniwersalny sterownik firmy Siemens służący do przełączania i kontrolowania procesów działania urządzeń, zastosowanych w warunkach domowych oraz przemysłowych. Ideą powstania tego sterownika było stworzenie łatwego w obsłudze modułu, który byłby zamiennikiem dla tradycyjnych wykonanych na podstawie przekaźników i styczników. Logo posiada gotowe bloki funkcyjne, które w prosty sposób połączone - tworzą konkretny program. Logo można programować za pomocą przycisków zamontowanych na obudowie lub używając profesjonalnego programu Logo Soft Comfort. Sterownik Logo jest przeznaczony do zarządzania procesami oświetlenia, rolet, żaluzji, instalacji grzewczych i klimatyzacyjnych oraz szeregu innych urządzeń z wyposażenia gospodarstwa domowego. Stosowany również w przemyśle przy budowie układów sterowania oraz automatyzacji maszyn. Ponadto jest dopuszczony do użytku na statkach morskich.

• DMX (Digital Multiplex Signal) to system obsługiwany z poziomu realizatora standard - cyfrowego sygnału komunikacyjnego, sterującego oświetleniem estradowym i teatralnym. Charakteryzuje się on bardzo wysoką szybkością transmisji danych, dzięki czemu jest idealny w zastosowaniu przy dużej ilości lamp typu RGB oraz do procesu dynamicznej zmiany barw. Bardzo często wykorzystywany do pionierskiej iluminacji dużych obiektów użytku publicznego.

• Bluetooth Mesh technologia, przedstawiona została na łamach światowych w 2021 roku. Wykazała potencjał w komunikacji typu „wiele do wielu”. Umożliwia sterowanie nie tylko oświetleniem, ale także poszczególnymi urządzeniami powiązanymi z funkcjonowaniem dużych obiektów miejskich, fabryk, biurowców oraz gospodarstw domowych. Cechuje się możliwością obsługi mechanizmu rolet, żaluzji, instalacji grzewczych, klimatyzacji i nie tylko. Specjalistyczne opinie i prognozy jednoznacznie potwierdzają, że system ten wkrótce stanie się tak powszechny, jak inne technologie bezprzewodowe codziennego użytku. Technologię Mesh charakteryzuje wzajemna komunikacja wszystkich poszczególnych maszyn oraz sprzętów, bez konieczności podłączenia do centralnego węzła. W takim rozwiązaniu obszar sieci jest w zasadzie nieskończony, co czyni go wyjątkowo przydatnym w przemyśle. Szczególnie wyróżnia się na tle innych pod względem budowy znaczących rozmiarów sieci, przy dowolnej ilości czujników umieszczonych we wszystkich dostępnych, obsługiwanych urządzeniach. Sieć Mesh ma możliwość synchronizacji ze smartfonami, w celu zarządzania procesami wykonawczymi urządzeń znajdujących się w budynkach. Bluetooth Mesh w obecnych czasach ma zwiększoną funkcjonalność pod względem monitorowania oraz otrzymywania powiadomień wysyłanych przez sprzęt użytku domowego.

• DALI (Digital Address Lighting Interface) jest cyfrowym systemem odpowiedzialnym za sterowanie  oprawami iluminacji. Centralą dowodzącą są w tym przypadku urządzenia peryferyjne lub komputer, połączone za pomocą dodatkowego przewodu dwużyłowego. Inicjacją dla tego rodzaju systemu była współpraca przedstawicieli marek takich jak Philips, Helvar, Osram i Tridonic. Pierwsza prezentacja odbyła się na międzynarodowych targach Light+Building we Frankfurcie w 2000 roku. Natomiast od 2018 roku dostępna jest wersja DALI-2. Podstawową zaletą DALI jest jego prostota i łatwość w tworzeniu instalacji. W przeciwieństwie do popularnego w ubiegłej dekadzie analogowego systemu 1-10 V, który wyróżniał się bardzo łatwą obsługą - w systemie DALI polaryzacja nie ma znaczenia, a wszystkie lampy wpinane są do jednej linii, czy też pętli. Ze względu na niską prędkość przesyłu danych oraz wysoki współczynnik SNR (Signal to Noise Ratio) - sygnał wyróżnia się dużą odpornością na zakłócenia. Powyższe aspekty pozwalają na poprowadzenie kabli sterujących razem z zasilającymi, co znacząco ułatwia montaż całego systemu i tym samym minimalizuje jego koszt. W porównaniu do wcześniej wspomnianych systemów analogowych - DALI umożliwia dokładne odczytywanie informacji. Dzięki dwukierunkowej komunikacji można monitorować stan instalacji oświetleniowej wraz z odpowiednim dostosowaniem go do warunków panujących na obiekcie. Cały system oparty jest o otwartą architekturę. Integruje się z systemami instalacji automatyki w budynkach, co jest udogodnieniem w rozwiązaniach zastosowanych w obiektach przemysłowych i administracyjnych. Dopracowania wymaga jednak kompatybilność do starych opraw, na co należy zwrócić szczególną uwagę w doborze komponentów instalacji oświetleniowej. Modernizacja przestarzałych opraw jest stosunkowo czasochłonna, a w sytuacji, gdy mamy do dyspozycji większą ilość urządzeń - należy tworzyć dodatkowe podsieci z oddzielnymi bramkami sterującymi.

fot.: ASKER BIG 5085 wyposażona w system sterowania światłem DALI2

Cyfrowy system DALI - specyfikacja i funkcjonalność

Jak już wcześniej wspominaliśmy, DALI jest systemem cyfrowym, następcą bardzo popularnego wcześniej analogowego sterowania 1-10 V. Wykorzystując dwużyłowy przewód sterujący, magistrala nadaje każdemu podłączonemu sterownikowi krótki adres od 0 do 63. Pozwala to na jednoczesne zarządzanie 64 urządzeniami lub 16 grupami lamp w jednej linii. Oprawy można grupować, a także nadać sygnał na wszystkie lampy w systemie - umożliwia to delegowanie zadań do całej sieci w tym samym czasie i zarządzania zgrupowanymi podzespołami. Większe kompleksy składające się z ponad 64 urządzeń - wymagają poszerzenia całej struktury za pośrednictwem dedykowanych reperatorów i bramek sterujących.

fot.: EGERSUND 5066 wyposażona w system sterowania światłem DALI2

Bardzo ważnym atutem jest dwukierunkowy przekaz informacji - tak zwany system dwukierunkowej komunikacji. Warto zwrócić uwagę na fakt, iż w danym momencie istnieje możliwość delegowania powiadomień i zadań wyłącznie w jedną stronę. W pełni zautomatyzowany system iluminacji wymaga dwukierunkowej wymiany powiadomień. W połączeniu z czujnikami ruchu oraz pory dnia samodzielnie dostosowuje intensywność emitowanego przez lampy światła. Udogodnieniem jest zawiadamianie jednostki centralnej o ewentualnej awarii konkretnych lamp w instalacji.

fot.: ASKER BOLLARD 1317 wyposażona w system sterowania światłem DALI2

Najważniejszą funkcją systemu DALI jest przyciemnianie lub rozświetlanie lamp. Odbywa się ono poprzez transfer sygnału w zakresie od 0 do 254 odpowiedzialny za natężenie poziomu oświetlenia, przy czym wskaźnik:
    • 0 - lampy wyłączone;
    • 1 - lampy włączone na 0,01% jasności;
    • 254 - maksymalna jasność lamp;

oraz znacznik 255 odpowiadający za zatrzymanie pracy lampy w ustawionym wcześniej punkcie.

fot.: EGERSUND PARK 6113 wyposażona w system sterowania światłem DALI2
 

Poszczególne lampy w konstrukcji DALI rozjaśniają i ściemniają się w sposób logarytmiczny po wykresie krzywej - dostosowanej do czułości ludzkiego oka, co jest bardzo istotne. Wszelkie naprawy oraz prace serwisowe są dostępne na terenie całego naszego kraju - DALI jest najbardziej rozpowszechnionym i ogólnie dostępnym systemem. W całkowity skład instalacji wchodzi zaledwie kilka elementów, które są niezbędne do prawidłowego działania.

fot.: KISA 5186 wyposażona w system sterowania światłem DALI2

Poszczególne elementy to:

• magistrala DALI - standardowo jest to dwużyłowy przewód o przekroju 1,5 mm² - jedna linia magistrali nie   powinna przekraczać 300 m,
   
• zasilacz magistrali - element zasilający magistralę - często wbudowany w osprzęt sterujący,
   
• osprzęt sterujący - jest to na przykład zasilacz LED montowany do lamp - przekazuje niezbędną energię użytkową lampie oraz sygnał z magistrali,
   
• kontroler DALI - element odpowiadający za wydawanie komend i poleceń oraz odbiór sygnałów zwrotnych -  głowa całego systemu,
   
• dodatkowe urządzenia wejściowe - elementy rozbudowujące system takie jak czujniki światła i obecności, czy włączniki.

Zapewne najbliższe lata pokażą, że znowu pojawią się na rynku inne i niewątpliwie jeszcze lepsze systemy spełniając nasze oczekiwania, których głównym celem będzie dalsze minimalizowanie zużycia energii elektrycznej.