СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ, В ЧАСТНОСТИ СИСТЕМОЙ ОСВЕЩЕНИЯ
METHOD AND SYSTEM TO CONTROL ELECTRICAL EQUIPMENT, IN PARTICULAR, LIGHTING SYSTEM

Изобретение касается способа и систем управления электрическим оборудованием, в частности систем освещения и, соответственно, способа управления системами освещения.
Разработанные в последние годы устройства автоматизации и управления дали возможность создания комплексных систем управления освещением, в которых из центрального пункта управления выполняется контроль, как в целом за системой освещения, так и в частности по отдельности за каждым светильником.
Такие системы освещения используются, например, в больших зданиях, в системах наружного освещения.
Однако в системах освещения для удобного и универсального контроля над системой и отдельными светильниками желательно иметь исполнительный пункт для обеспечения оптимального освещения на конкретных участках освещения в заданное время, например: пешеходных переходах, центральных городских улицах, автострад, местах проведения празднеств и других мероприятий.
Такое освещение улучшает световой комфорт, способствует повышению безопасности, за счет оптимального подбора освещенности в каждое конкретное время позволяет значительно экономить электроэнергию. Кроме того, наличие обратной связи между светильниками с адресным управлением и исполнительным пунктом способствует сокращению эксплуатационных расходов, за счет дистанционного контроля состояния и исправности светильников. В настоящее время известен и широко применяется способ передачи данных без дополнительных шин посредством сети электроснабжения, так называемая технология - Powerline. При этом электрические линии электроснабжения используются для передачи данных посредством наложения на обычную частоту сети 50 Гц более высокой модулированной несущей частоты. Несущая частота содержит в закодированном виде информацию, которая декодируются соответствующими светильниками.
В ряде случаев использование Powerline-технологии весьма проблематично, поскольку между передатчиком и приемником могут быть большие расстояния и могут возникать помехи и затухания сигнала, ухудшающие прохождение данных по силовым проводам. В связи с возникающими затуханиями и помехами сигналов затруднительно обеспечить правильный прием и обработку сигналов. Однако для надежной эксплуатации системы необходимо обеспечить высокую степень надежности прохождения данных по силовым проводам в отношении возникающих ошибок. При этом следует отметить, что максимальный уровень сигнала (dB mu V) ограничивается стандартами. В Европе, например, с 1991 года действует стандарт CENELEC EN 50065, в соответствии с которым для частного использования предназначен диапазон частот от 95 kHz до 148,5 kHz - максимальный входной уровень в 116 dB mu V (=631 mV эфф.). В области частот между 9 kHz и 95 kHz максимально допустимый уровень сигнала в 134 dB mu V (=5 V) снижается до 122 dB mu V (=1,25 V). Эти ограничения препятствуют реализации системы дистанционного управления освещением посредством технологии Powerline.
Наиболее близким к заявляемому способу и заявляемой системе является способ и система управления электрическими приборами, представленные в европейском патенте №1717927, класс H02J, 13/00, опубл. 2006.11.02.
Известный способ, реализованный в этой системе, включает управление электрическими приборами или светильниками, которые присоединены к линии электроснабжения, светильники обмениваются информацией с блоком управления и синхронизированы относительно друг друга, причем светильник получает информацию, а затем передает ее следующему светильнику и т.д.
Электронные приборы синхронизированы друг с другом таким образом, что могут посылать и принимать информацию только в заданные циклы приема/передач через сеть электроснабжения.
Система содержит центральный пункт управления, по меньшей мере, одно устройство связи, блок управления с управляющим контроллером, модуль для подключения датчиков и исполнительных устройств, модуль связи для подачи и приема команд управления светильников, блок силовой коммутации и коммутационной аппаратуры, а также, по меньшей мере один светильник с блоком приема-передачи, подключенные в линию освещения.
Недостатком этих средств является то, что они не обеспечивают дальность передачи данных, необходимую скорость обмена и требуют значительных затрат на внедрение и обслуживание.
Техническим результатом заявляемого изобретения является исключение вышеперечисленных недостатков, при этом обеспечивается надежная и точная передача данных, бесперебойная работа при потере связи с центральным пунктом управления, способность системы освещения отображать на мониторе реальное состояние каждого участка освещения по выбору оператора, работать параллельно как в ручном режиме управления, так и по заранее заданным табличным графикам, возможность системы работать с различными типами светильников, кроме того, улучшается эксплуатационное обслуживание системы освещения.
Указанный выше технический результат достигается тем, что в известном способе управления электрическим оборудованием, в частности системой освещения, в котором светильники обмениваются данными с исполнительным пунктом посредством линии освещения, обмен данными между светильниками и исполнительным пунктом проводят следующим образом.
Модуль связи исполнительного пункта подает в линию освещения информационные пакеты с закодированной информацией, в соответствии с протоколом обмена, одновременно на все светильники, которые постоянно находятся в состоянии приема, в любой момент времени, не синхронизируя их начало передачи с какими-либо параметрами сети электропитания, фильтр высоких частот преграждает прохождение информационных пакетов из модуля связи исполнительного пункта в линию электроснабжения исполнительного пункта, а также снижает помехи из данной линии, переданный сигнал усиливают репитерами, при этом управляемые светильники принимают пакет передачи, декодируют его, проверяют адрес и фазу устройства и если собственный адрес светильника не совпадает с адресом пакета передачи, то светильник игнорирует пакет, а если собственный адрес светильника совпадает с адресом пакета передачи, то светильник выполняет команду, которая закодирована в принятом информационном пакете в соответствии с данными команды, которые также закодированы в информационном пакете, а после выполнения команды светильники формируют ответный информационный пакет, в котором закодирована информация, которая получена в результате выполнения команды.
При этом, после подачи информационного пакета, модуль связи выжидает время, величину которого определяют временем, необходимым светильнику для передачи ответа в модуль связи, и если ответ не получен, то циклы передач повторяют до получения ответа и если все же ответ не получен, то в управляющем контроллере формируют метку отсутствия связи со светильником.
Для быстрого получения информации о текущем состоянии всех светильников управляющий контроллер периодически проводит опрос их состояния, и сохраняют полученную информацию в памяти управляющего контроллера в виде файла или базы данных, которые затем передают на центральный пункт управления для раскодировки, при этом система освещения работает параллельно как в ручном режиме управления, так и по заранее заданным табличным графикам, в которых заранее определяют необходимые для выполнения команды, время выполнения команд, данные команд, причем табличные графики пересылают посредством модема из центрального пункта управления в исполнительный пункт и обратно, а пакет передачи от исполнительного пункта к управляемому светильнику содержит адрес устройства, фазу подключения, команду, которую должен выполнить управляемый светильник, данные команды, контрольная информация, которая служит для исключения прохождения ошибки в передаваемых данных, а пакет передачи ответа от управляемого светильника в исполнительный пункт содержит адрес исполнительного пункта, команду, которую выполнил светильник, данные, полученные в результате выполнения команды, контрольную информацию, которая служит для исключения прохождения ошибки в передаваемых данных.
Преимущество данного способа в быстроте обмена информацией, за счет того, что информационные пакеты передают в линию освещения в любой момент времени, одновременно на все управляемые светильники, не синхронизируя их начало передачи с какими-либо параметрами линии освещения и увеличении дальности приема/передачи за счет применения фильтра высоких частот, установленного в цепях силового электропитания исполнительного пункта и репитеров, которые усиливают сигнал, в котором закодированы информационные пакеты.
Заявляемая система для управления электрическим оборудованием, в частности системой освещения, содержащая центральный пункт управления, модем, подключенный к центральному пункту управления, по меньшей мере, один исполнительный пункт с управляющим контроллером, модуль связи для приема/передачи пакетов, периферийные датчики, блок коммутации, по меньшей мере один управляемый светильник, которые подключены в линию освещения и, в отличие от известной, система выполнена с возможностью функционирования в соответствии с командами, заранее заданными, как минимум на целый год, и занесенными в память управляющего контроллера и протоколом, согласно которому формируют информационный пакет с закодированной в нем информацией.
Система выполнена с возможностью обработки информационного пакета, полученного от управляемого светильника, с последующей раскодировкой в центральном пункте управления.
Центральный пункт управления содержит интерактивную систему управления, которая включает карты местности, где установлены светильники, отображение светильников на этих картах в виде активных графических объектов, графические экраны, в которых задаются табличные графики работы системы и различные режимы работы системы.
Для увеличения дальности связи установлены репитеры, которые подключены к тем же проводам линии освещения с управляемыми светильниками.
В исполнительном пункте установлен фильтр высоких частот, который подключен к входным силовым цепям питания исполнительного пункта.
В памяти управляющего контроллера исполнительного пункта и в центральном пункте управления размещены табличные графики, причем управляющий контроллер выполнен с возможностью в автоматическом режиме последовательно выбирать команды из табличного графика, в соответствии с временем выполнения и выполнять их.
В систему дополнительно введены фильтры высоких частот для неуправляемых светильников, которые подключены в разрыв питания каждого неуправляемого светильника, для исключения подавления прохождения информационных пакетов.
В исполнительный пункт введен прибор учета электроэнергии, который своим входом подключен к линии электроснабжения, а выходом к фильтру высокой частоты.
Введение интерактивной системы управления позволяет отображать на мониторе реальное состояние каждого участка освещения, по выбору оператора, при этом участок освещения отображается на мониторе в виде графического отображения местности участка освещения с обозначением основных объектов местности (дома, улицы, дороги…), а также с отображением каждого установленного светильника. Отображение светильника является активным, то есть его отображение меняется в зависимости от режима работы, неисправностей, состояния включено/выключено. Например: при включении/отключении меняет цвет, при аварии мигает разными цветами. При этом простым щелчком мышки на отображении светильника можно получить различную информацию о состоянии светильника, а также управлять им.
Установка репитеров позволяет значительно увеличить дальность за счет того, что он работает как повторитель передачи пакетов передачи от модуля связи и информационных пакетов управляемых светильников.
Размещение табличных графиков в управляющем контроллере исполнительного пункта и в центральном пункте управления позволяет каждому участку системы освещения работать автономно, в случае нарушения связи с центральным пунктом управления.
Введение фильтра высоких частот позволяет препятствовать прохождению высокочастотных помех из линии электропитания в линию освещения так и обратно, благодаря чему появляется возможность увеличить уровень высокочастотного сигнала управления, подаваемого в линию освещения, а это позволяет увеличить дальность передачи.
Введение фильтров высоких частот для неуправляемых светильников позволяет работать системе с различными типами светильников, а также позволяет модернизировать систему освещения без значительных первоначальных материальных затрат.
Введение прибора учета электроэнергии позволяет учитывать электроэнергию и дистанционно с центрального пункта управления мониторить показания прибора учета.
На чертеже изображена структурная схема системы освещения и ее состояние в виде реалистической картины на экране монитора центрального пункта управления (далее ЦПУ) в режиме реального времени с геометрической привязкой каждого светильника к месту его фактического расположения и функцией управления светильником по клику мышки на соответствующем изображении светильника.
Система освещения содержит: ЦПУ 1, персональный компьютер или сервер 2 (далее - ПЭВМ) или группу ПЭВМ, модем ЦПУ 3, исполнительный пункт 4 (далее - ИП), линию электроснабжения 5, прибор учета электрической энергии 6, фильтр высокой частоты 7, источник питания 8, модем ИП 9, управляющий контроллер 10 (далее УК), периферийные датчики 11, блок коммутации 12, модуль связи 13, устройство защиты от грозовых перенапряжений и коротких замыканий 14, линию освещения 15, управляемые светильники 16, репитер 17, фильтры светильника 18, неуправляемые светильники 19.
ЦПУ 1 представляет собой персональный компьютер, сервер (или группу ПЭВМ, серверов) 2, к которому подключено устройством связи, в частности - модем ЦПУ 3 (GSM/GPRS модем, модем проводной связи, модем оптической связи, радиомодем…). ЦПУ 1 посредством модема 3 ЦПУ связан с ИП 4, к ИП 4 подается электропитание посредством линии электроснабжения 5, к линии электроснабжения 5 подключен прибор учета электрической энергии 6. Электропитание через прибор учета электрической энергии 6 и фильтр высокой частоты 7 подается на источник питания 8 и блок коммутации 12. Вторичное электропитание с источника питания 8 подается на модем 9, управляющий контроллер 10, периферийные датчики и устройства 11, блок коммутации 12, модуль связи 13. Модем ИП 9 подключен к управляющему контроллеру 10, управляющий контроллер 10 подключен к блоку коммутации 12, модулю связи 13, периферийным датчикам и устройствам 11. Блок коммутации 12 и модуль связи 13 посредством устройства защиты от грозовых перенапряжений и коротких замыканий 14 подключены к линии освещения 15. К линии освещения 15 подключены управляемые светильники 16, репитер 17, фильтры светильников 18, неуправляемые светильники 19.
Система работает следующим образом.
При отсутствии команд управления с ЦПУ 1, УК 10 выбирает из памяти, установленной в нем, и в соответствии с текущим временем, предварительно заданные команды управления, и выполняет их.
Примеры команд управления описаны ниже (номера команд и команды могут быть иные):
Номер команды**
Значение команды
1
Включить светильник
2
Выключить светильник
3
Включить с установкой мощности (в %)
4
Установить мощность в % без включения
5
Считать состояние управляемого светильника. При этом определяются следующие данные:
- состояние светильника включено/выключено;
- аномальный режим работы лампы;
- короткое замыкание в лампе;
- наличие лампы в светильнике;
- выход напряжения питания за норму;
- аппаратная ошибка управляемого светильника;
- наличие большого количества помех связи;
- общее состояние неисправности (состояние устанавливается при наличии хотя бы одной неисправности)
6
Считать напряжение в сети светильника
7
Считать потребляемую мощность со светильника
8
Считать уставку мощности
9
Пинг (используется для тестирования качества связи)
51
Включить фазу A
52
Включить фазу B
53
Включить фазу C
61
Выключить фазу A
62
Выключить фазу B
63
Выключить фазу C
Каждому месяцу соответствуют определенные наборы команд, эти наборы команд образуют месячные графики работы системы, в соответствии с которыми включаются/выключаются светильники, регулируется мощность освещения. Всего имеется как минимум 12 графиков, по одному на месяц.
Для включения/выключения фаз, команды управления подаются с УК 10 на блок коммутации 12.
Для управления светильниками, команды управления подаются с УК 10 на модуль связи 13 (далее МС).
Помимо управления системой освещения, УК 10 выполняет ряд дополнительных функций:
- контролирует различные периферийные устройства (датчики температуры, нагреватели, датчики вскрытия, счетчики электроэнергии…)
- осуществляет связь с ЦПУ 1 посредством модема ИП 3.
Блок коммутации 12 представляет собой контакторные или полупроводниковые силовые ключи, предназначенные для подачи напряжения питания в линию освещения. Подача напряжения питания может выполняться как пофазно, так и одновременно сразу на несколько фаз.
МС 13 имеет в своем составе приемник и передатчик команд управления светильниками. При поступлении команды управления светильниками в МС 13, с УК 10, передатчик в МС 13 посредством частотной модуляции с диапазоном частот 95-105 кГц (по ГОСТ Р 51317.3.8-99 и МЭК 61000-3-8-97) передает команды управления непосредственно в линию освещения 15.
Управляемые светильники 16, подключенные к линии освещения 15, постоянно находятся в режиме приема, и по приходу команды управления выполняют ее, после чего передают ответ о результатах выполненной команды обратно, посредством МС 13 в УК 10.
УК 10 обменивается информацией с блоком коммутации 12 и МС 13 посредством одного из стандартных интерфейсов: RS232, RS485, USB.
Источник питания 8 служит для электропитания устройств, установленных в ИП 4.
Модем ИП 3 служит для связи ЦПУ 1 с УК 10. Модем ИП 3 может быть нескольких разновидностей в зависимости от вида используемой связи:
- GSM/GPRS модем;
- радиомодем;
- проводной модем;
- модем оптоволоконной связи.
Для снижения помех, излучаемых в линию электропитания, и помех из данной сети, а также для увеличения дальности связи, снижения влияния конденсаторных установок, установленных в сеть, устанавливается высокочастотный фильтр 7 в цепях силового электропитания ИП. Высокочастотный фильтр 7 препятствует прохождению сигнала частотой 95-105 кГц через них.
В случае плохой связи МС 13 с управляемыми светильниками 16 в линию освещения 15 устанавливаются репитеры 17, которые служат повторителями команд управления, исходящих от ИП 4 и обратно в ИП 4 от управляемых светильников 16.
При управлении от ЦПУ 1, команды управления формируются в ЦПУ 1, затем посредством модемной связи передаются в УК 10, который их выполняет описанным выше способом.
Команды управления с МС 13 в управляемые светильники 16 и обратно передаются в виде пакетов информации. Формат пакета состоит из следующей информации.
Информационный пакет от МС 13 к светильнику 16:
- адрес устройства и его фаза подключения;
- команда, которую должен выполнить управляемый светильник 16;
- данные команды;
- CRC.
Информационный пакет ответа от светильника в МС 13:
- адрес ИП 4;
- команда, которую выполнил светильник;
- данные, полученные в результате выполнения команды;
- CRC.
При этом:
адрес управляемого светильника 16 или ИП 4 может быть, как правило, в диапазоне от 0 до 255. При этом имеются общие адреса для всех устройств, необходимые для передачи групповых команд (например - 0, 185). Адрес ИП 4, как правило - 1. Фаза подключения - A, B, C.
Команда может быть выбрана в соответствии с функциями, которые выполняет адресуемое устройство. Например: включить/выключить светильник, установить мощность в процентах, считать неисправности устройства….
Данные, полученные в результате выполнения команды, должны соответствовать выполненной команде. Например, при запросе напряжения на светильнике, в этих данных должно быть отражено напряжение на устройстве в вольтах, при запросе информации о неисправности светильника - соответственно код неисправности.
CRC - контрольная информация, которая служит для исключения прохождения ошибки в передаваемых данных.
Цикл обмена данными между ИП 4 и управляемыми светильниками 16:
- в соответствии с заданным алгоритмом работы ИП 4 формирует информационный пакет и посылает его в сеть посредством Powerline-технологии. Причем особенностью является возможность передачи информационного пакета в любой момент времени, не синхронизируя его начало передачи с какими-либо параметрами сети освещения;
- управляемые светильники 16 постоянно находятся в состоянии приема и принимают переданный пакет передачи от ИП 4;
- каждый управляемый светильник 16, принявший информационный пакет, декодирует его и проверяет адрес и фазу;
- если собственный адрес управляемого светильника 16 не совпадает с адресом информационного пакета, то устройство игнорирует информационный пакет;
- если собственный адрес управляемого светильника совпадает с адресом информационного пакета, то устройство выполняет команду, закодированную в информационном пакете в соответствии с данными команды;
- после выполнения команды устройство формирует информационный пакет для ответа в ИП 4, в котором закодирована информация, полученная в результате выполнения команды.
При этом:
- после подачи команды управления, ИП 4 выжидает время, которое необходимое для получения ответа от устройства, если ответ не получен, то циклы передачи информационного пакета повторяются заданное количество раз, если все же ответ не получен, то в УК 10 формируется метка отсутствия связи с управляемым светильником 16.
Для быстрого получения информации о текущем состоянии управляемых светильников 16 ИП 4 периодически производит опрос их состояния и сохраняет полученную информацию в памяти УК 10 в виде файла или базы данных, которые можно легко передать в дальнейшем на ЦПУ 1 и раскодировать.
Особенностью настоящего изобретения является способность легкого расширения, эксплуатационного обслуживания системы освещения. Это достигается применением в ЦПУ 1 и ИП 4 широко распространенных в системах автоматизации контроллеров, интерфейсных модулей, устройств, программного обеспечения, протоколов обмена между устройствами внутри блока управления. Это позволяет легко обучать эксплуатационно-ремонтный персонал, а также привлекать к эксплуатации и ремонту персонал уже обученный подобным системам. Наличие стандартных устройств и протоколов позволяет легко добавлять новые устройства в блок управления для выполнения различных дополнительных функций. Это значительно повышает конкурентные преимущества данного изобретения, так как легкость обслуживания, ремонта, расширения является основным из факторов в выборе заказчиками какой-либо системы освещения.
Особенностью настоящего изобретения является способность системы работать с различными типами светильников. В реальной системе освещения чаще всего нет необходимости устанавливать на участках освещения только дорогостоящие светильники с адресным управлением. Например, на некоторых центральных улицах, на пешеходных переходах, ответственных участках дороги и др. можно установить обычные дешевые светильники без регулировки мощности, которые всегда в ночное время будут светить на 100% мощности. Для того чтобы цепи питания данных светильников, которые, как правило, имеют конденсатор значительной емкости, не подавляли высокочастотный сигнал, передаваемый по технологии Powerline, в разрыв линии питания каждого такого светильника ставится фильтр, рассчитанный так, чтобы в полосе частот управления подавление высокочастотного сигнала было минимальным. Кроме этого это позволяет достичь дополнительного значительного преимущества - возможность постепенной модернизации старой системы освещения без значительных первоначальных затрат. Например, сначала можно установить новый ИП 4, который будет работать по алгоритму работы старого ИП или шкафа управления и постепенно, один за другим, заменять старые, неуправляемые светильники 19 на новые - управляемые светильники 16. Или сначала устанавливать новые управляемые светильники 16, а затем установить новый ИП 4.
Другие же подобные системы требуют одновременной замены всех светильников, линий электропитания и блоков управления, для чего требуются значительные финансовые затраты.