CC BY
24
1" h mil
Копытов С.М. Коругоу 8.И.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная электроника», ФГБОУВО «Комсомольский-на-Амуре государственный университет», г. Комсомольск-на-Амуре, Российская Федерация
УДК 628.9; 621.3
Ульянов А.В. Ulianov A.V.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная электроника», ФГБОУ ВО «Комсомольский-на-Амуре государственный университет», г. Комсомольск-на-Амуре, Российская Федерация
DOI: 10.17122/1999-5458-2019-15-1-52-59
КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫМИ ОСВЕТИТЕЛЬНЫМИ СЕТЯМИ ПО ЛИНИИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
В статье представлен цифровой контроллер освещения, предназначенный для управления группой светодиодных осветительных приборов, имеющих общую сеть электроснабжения. Для передачи команд осветительным приборам использована модифицированная низкочастотная PLC-технология, позволяющая передавать информацию по линии электроснабжения. Предусмотрена возможность задания режима работы как отдельных светильников, так и всех светильников одновременно. Преимуществом модифицированной PLC-технологии является слабое влияние на форму напряжения сети, что позволяет ее использовать на объектах, требовательных к уровню помех.
Контроллер освещения построен на базе 8-разрядного микроконтроллера семейства STM8L компании STMicroelectronics.
Предусмотрена дополнительная возможность использования контроллера в качестве главного управляющего устройства в системах освещения, работающих с протоколом передачи данных DMX512. Кроме того, с помощью широтно-импульсной модуляции реализован выход с напряжением 0.. .10 В для управления диммерами светодиодных светильников по аналоговому входу. Входы и выходы контроллера освещения гальванически развязаны от внешних устройств.
К контроллеру может быть подключен цифровой датчик освещённости с последовательным интерфейсом I2C, например, датчик BH1750, отградуированный производителем в люксах. Для централизованного управления осветительной сетью предусмотрена возможность удаленного общения контроллера освещения с устройством верхнего уровня по интерфейсу RS-485. Контроллер освещения дополнительно укомплектован USB-интерфейсом, который предназначен для связи с персональным компьютером при обслуживании и отладке.
Приведена функциональная схема контроллера, спроектирована печатная плата под промышленный корпус, создан опытный образец.
При проведении экспериментальных исследований опытного образца он был подключен к персональному компьютеру посредством интерфейса USB. Для компьютера в среде графического программирования LabVIEW разработана тестовая терминальная программа. В
ходе эксперимента сняты осциллограммы напряжения в сети электроснабжения при передаче команд управления отдельными светильниками и всеми светильниками одновременно. Визуально мерцания светильников при передаче команд не зафиксировано.
Ключевые слова: контроллер освещения, светодиодный светильник, диммер, низкочастотная PLC-технология, микроконтроллер, протокол DMX512, ШИМ, силовой коммутатор, интерфейс RS-485, LabVIEW.
CONTROLLER FOR CONTROL OF LED LIGHTING NETWORKS ON ELECTRIC POWER SUPPLY LINE
The article presents a digital lighting controller designed to control a group of LED lighting devices with a common power supply network. To transmit commands to lighting devices, a modified low-frequency PLC-technology was used, which allows the transmission of information through the power supply line. It is possible to set the operation mode of both individual lamps and all lamps at the same time. The advantage of the modified PLC-technology is the weak effect on the voltage form of the network, which allows it to be used on objects that are demanding to the level of interference.
The lighting controller is built on the basis of an 8-bit microcontroller of the STM8L family from STMicroelectronics.
There is an additional possibility of using the controller as the main control device in lighting systems operating with the DMX512 data transfer protocol. In addition, with the help of pulse-width modulation, an output with a voltage of 0...10 V is implemented to control the dimmers of LED luminaires using an analog input. The inputs and outputs of the lighting controller are galvanically isolated from external devices.
A digital light sensor with an I2C serial interface can be connected to the controller, for example, a BH1750 sensor, calibrated by the manufacturer in lux. For centralized control of the lighting network, the possibility of remote communication of the lighting controller with a higher-level device via the RS-485 interface is provided. The lighting controller is additionally equipped with a USB interface, which is designed to communicate with a personal computer during maintenance and debugging.
A functional diagram of the controller is presented, a printed circuit board for the industrial case is designed, and a prototype has been created.
When conducting experimental studies of a prototype, it was connected to a personal computer via a USB interface. A test terminal program has been developed for the computer in the graphical programming environment LabVIEW. In the course of the experiment, oscillograms of voltage in the power supply network were taken when transmitting commands to control individual lamps and all lamps at the same time. Visually, the flickering of luminaires during the transmission of commands was not fixed.
Key words: lighting controller, LED lamp, dimmer, low-frequency PLC technology, microcontroller, DMX512 protocol, PWM, power switch, RS-485 interface, LabVIEW.
Введение
В настоящее время актуальна задача управления протяженными системами наружного и внутреннего освещения, построенными на базе светодиодных осветительных приборов. Основными преимуществами светодиодных светильников являются экономичность, длительный срок службы, возможность диммирования. Анализ существующих технических решений в области автоматиза-
ции освещения [1-4] показывает, что они требуют прокладки дополнительных линий управления либо используют для передачи команд управления саму сеть питания, но при этом вносят в нее помехи. Поэтому применять на предприятиях имеющиеся решения зачастую невозможно из-за влияния на безопасность работы персонала и из-за недостаточной помехозащищенности используемого оборудования.
Нами для управления светильниками предложено использовать модифицированную низкочастотную PLC-технологию (Power Line Communication), свободную от перечисленных недостатков [5]. В данной технологии информация передается по самой линии электроснабжения на частоте сетевого напряжения. Выбран способ кодирования передаваемых данных количеством полуволн сетевого напряжения, прошедших между двумя маркерами. С целью минимизации влияния передаваемых посылок на форму сетевого напряжения предложено в качестве маркеров использовать полуволны сетевого напряжения, уменьшенные по амплитуде. Данный способ апробирован в лабораторных условиях c использованием стандартного димми-руемого блока питания ИПС50-350ТУ
Разработка контроллера освещения
В работе [5] приведена структурная схема автоматизированной системы освещения с передачей команд по сети электроснабжения, а также предложены варианты принципиальных схем силовых коммутаторов переменного напряжения, предназначенные для формирования информационных посылок от контроллера освещения микроконтроллерным демодуляторам данных, расположенным в каждом осветительном приборе. Центральным звеном системы освещения является именно контроллер освещения, который управляет всеми осветительными приборами посредством силового коммутатора, видоизменяющего форму сетевого напряжения.
Контроллер освещения имеет следующие функции:
1) управление отдельными или всеми светильниками системы освещения одновременно с помощью модифицированной низкочастотной PLC-технологии;
2) управление всеми светильниками по аналоговому входу;
3) измерение освещенности с помощью цифрового датчика;
4) удаленное считывание даты, времени и освещенности в главное устройство верхнего уровня (управляющую станцию) по его запросу;
5) удаленная запись даты и времени в контроллер освещения из рабочей станции;
6) обслуживание и отладка контроллера освещения с помощью персонального компьютера.
Контроллер освещения формирует следующие команды управления светильниками:
1) команда локального управления позволяет включать/отключать и диммировать каждый светодиодный светильник индивидуально;
2) команда глобального управления позволяет включать/отключать и диммировать все светильники одновременно.
Для формирования из полуволн сетевого напряжения маркера и пропускания обычных полуволн используется рассмотренный в работе [5] силовой коммутатор переменного напряжения на основе ^канальных MOSFET-транзисторов (рис. 1).
Рисунок 1. Силовой коммутатор переменного напряжения на MOSFET-транзисторах
Управляющие импульсные сигналы поступают на силовой коммутатор через левый разъем от контроллера освещения. С помощью правого разъема силовой коммутатор включают в разрыв линии электроснабжения осветительной сети. Силовой коммутатор предлагается выполнять конструктивно отдельно и не встраивать в контроллер освещения. Это связано с зависимостью мощности, габаритов и цены силовых элементов коммутатора (диодов VD1-4 и транзисторов VT1, VT2) от числа и мощности светильников в системе освещения.
Функциональная схема контроллера освещения представлена на рисунке 2. Контроллер освещения построен на базе 8-разрядного микроконтроллера STM8L152K6 семейства STM8L компании STMicroelectronics. Основой микроконтроллера является ядро с СКС-архитектурой. Данное семейство специально разработано для применения в устройствах с ультранизким энергопотреблением; входящие в его состав микроконтроллеры обладают высокой надежностью, что позволяет применять их в устройствах промышленной автоматизации.
Рисунок 2. Функциональная схема контроллера освещения
Питание контроллера освещения осуществляется встроенным в него трансформаторным источником питания, который обеспечивает стабилизированное напряжение, гальваническую развязку от сети электроснабжения и защиту от короткого замыкания по цепям питания.
Наличие схемы детектирования перехода сетевого напряжения через ноль позволяет синхронизировать устройство с сетевым напряжением и реализовать алгоритм передачи команд управления светильниками по линии энергоснабжения. Для управления силовым коммутатором предусмотрен гальванически развязанный цифровой выход.
и8В-интерфейс предназначен для связи с персональным компьютером при обслуживании и отладке контроллера освещения. Основным рабочим интерфейсом является интерфейс RS-485, с помощью которого можно управлять контроллером освещения
непосредственно от рабочей станции. Данный интерфейс также позволяет расширить функциональные возможности контроллера освещения благодаря реализации дополнительного протокола передачи данных DMX512 [3, 6]. Выбор в качестве рабочего интерфейса USB или RS-485 осуществляется с помощью механического DIP-селектора (переключателя). Одновременная работа интерфейсов USB и RS-485 не предусмотрена.
Микроконтроллер STM8L152K6 оснащен встроенным аппаратным модулем часов реального времени с календарём. Для использования данного модуля необходимо активировать его в программе и предусмотреть подключение внешнего часового кварцевого резонатора.
Так как на рынке осветительной техники присутствуют диммеры с аналоговым входом управления 0.10 В, то в контроллере осве-
щения предусмотрен выход с аналоговым напряжением 0...10 В, реализуемым схемой широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с гальванической развязкой.
К устройству может быть опционально подключен цифровой датчик освещённости с последовательным интерфейсом 12С, например, датчик ВН1750 с 16-разрядным аналого-цифровым преобразователем, отградуированный производителем в люксах. Это позволит измерять освещённость и использовать её при формировании команд управления.
Для индикации состояния контроллера освещения служат светодиоды, отображающие режим работы устройства, потерю связи с датчиком освещённости и аварийный останов контроллера.
Разработана принципиальная схема устройства и печатная плата, выполненная под промышленный корпус с торговой маркой «22-11 Sanhe». На рисунке 3 представлен вид печатной платы.
Рисунок 3. Печатная плата контроллера освещения На рисунке 4 приведены фотографии опытного образца контроллера освещения.
Рисунок 4. Опытный образец контроллера освещения
Экспериментальное исследование контроллера освещения
Для экспериментального исследования разработанного контроллера освещения он был подключен к персональному компьютеру посредством интерфейса Ц$В. Фотография экспериментального стенда приведена на
рисунке 5, а. На компьютере была запущена тестовая программа управления контроллером, разработанная в среде графического программирования LabVIEW. Лицевая панель терминальной программы представлена на рисунке 5, б.
Рисунок 5. Экспериментальный стенд для тестирования контроллера освещения: а) фотография экспериментального стенда; б) лицевая панель терминальной программы для проведения экспериментов
В ходе эксперимента проверялись режимы локального и глобального управления светильниками, а также функция считывания освещенности, даты и времени из контроллера и функция записи даты и времени в контроллер из управляющей станции.
Для проверки режима диммирования конкретного (локального) светильника на лицевой панели терминальной программы был установлен адрес светильника и уровень диммирования, соответствующий приказ был отправлен в контроллер освещения.
Контроллер, получив задание, синхронизировался с сетевым напряжением и сформировал импульсы управления силовым коммутатором. Из полуволн сетевого напряжения была сформирована команда управления, содержащая стартовый маркер, адрес светильника, разделительный маркер, уровень диммирования, завершающий маркер. На рисунке 6, а представлена осциллограмма напряжения в сети электроснабжения при передаче команды локального управления.
Рисунок 6. Осциллограммы напряжения в сети:
а) при передаче команды локального управления;
б) при передаче команды глобального управления
Аналогично проверялся режим одновременного (глобального) диммирования всех светильников в системе освещения. На лицевой панели терминальной программы был установлен общий уровень диммирования, и соответствующий приказ был отправлен в контроллер освещения. Из полуволн сетевого напряжения была сформирована команда управления, содержащая два стартовых маркера, уровень диммирования и завершающий маркер. На рисунке 6, б представлена осциллограмма напряжения в сети электроснабжения при передаче команды глобального управления.
В режиме глобального диммирования контроллер освещения также формирует выходное аналоговое напряжение в диапазоне 0.. .10 В для управления уровнем освещения через аналоговый вход диммеров.
Тестирование функции считывания освещенности, даты и времени из контроллера в компьютер и функции записи даты и времени в контроллер из компьютера выполнено успешно.
Список литературы
1. Никуличев А.Ю., Сапронов А.А. Система управления уличным освещением с использованием передачи информации по сети электроснабжения // Известия вузов. Электромеханика. - 2008. Спец. выпуск. -С. 137-138.
2. Алексеев Е.Г., Шиков С.А., Иванова Е.С. Интегрированные технологии, стандартные интерфейсы и протоколы для построения интеллектуальных систем управления освещением // Материалы XXI научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Национального исследовательского Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва (Саранск, 22-29 мая 2017 г.). - В 3 ч. -Саранск: Изд-во НИ МГУ им. Н.П. Огарёва, 2017. - С. 602-610.
3. Архитектурная подсветка зданий [Электронный ресурс] // ООО «МегаЛЕД». URL: http://www.megaled.ru/2014-09-22-18-19-31 (19.09.2018).
4. Тетри Э., Халонен Л. Экономия электроэнергии благодаря энергосберегающему
Выводы
Разработанный контроллер позволяет управлять светодиодными осветительными приборами по линиям электроснабжения, что приводит к минимизации затрат на создание автоматизированных внутренних и наружных сетей освещения. Используемая модифицированная низкочастотная PLC-технология передачи команд управления слабо влияет на спектральный состав напряжения сети, что позволяет применять ее при жестких требованиях к создаваемому уровню помех. Кроме того, экспериментальные исследования опытного стенда не выявили мерцания светодиодных светильников при передаче команд по линии электроснабжения, что важно для обеспечения комфортных условий работы персонала предприятия.
Контроллер может также применяться в системах освещения, работающих с протоколом DMX512, в качестве главного управляющего устройства. Для повышения гибкости управления предусмотрена возможность удаленного общения контроллера с устройством верхнего уровня по интерфейсу RS-485.
освещению // Светотехника. - 2009. - № 5. -С. 59-64.
5. Копытов С.М., Ульянов А.В., Шибеко Р.В. Коммутатор сетевого напряжения для управления светодиодными осветительными приборами с помощью низкочастотной PLC-технологии // Вестник Иркутского государственного технического университета. -2018. - Т. 22. - № 9. - С. 152-161.
6. Шиков С.А., Алексеев Е.Г., Фадеева А.Ю., Гуреева Е.А. Современные концепции интеллектуальных систем управления освещением // Материалы XXI научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Национального исследовательского Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва (Саранск, 22-29 мая 2017 г.). - В 3 ч. -Саранск: Изд-во НИ МГУ им. Н.П. Огарёва, 2017. - С. 126-131.
References
1. Nikulichev A.Ju., Sapronov A.A. Sistema upravlenija ulichnym osveshhenijem s ispol'zovanijem peredachi informacii po seti
elektrosnabzhenija // Izvestija vuzov. Elektromehanika. - 2008. Spec. vypusk. -P. 137-138.
2. Alekseev E.G., Shikov S.A., Ivanova E.S. Integrirovannye tehnologii, standartnyje interfejsy i protokoly dlja postroenija intellektual'nyh sistem upravlenija osveshhenijem // Materialy XXI nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh, aspirantov i studentov Nacional'nogo issledovatel'skogo Mordovskogo gosudarstvennogo universiteta im. N.P. Ogarjova (Saransk, 22-29 maja 2017 g.). - V 3 ch. -Saransk: Izd-vo NI MGU im. N.P. Ogarjova, 2017. - P. 602-610.
3. Arhitekturnaja podsvetka zdanij [Elektronnyj resurs] // OOO «MegaLED». URL: http://www.megaled.ru/2014-09-22-18-19-31 (19.09.2018).
4. Tetri Je., Halonen L. Ekonomija e l e k t r o e n e r g i i blagodarja
energosberegajushhemu osveshheniju // Svetotehnika. - 2009. - № 5. - P. 59-64.
5. Kopytov S.M., Ul'janov A.V., Shibeko R.V. Kommutator setevogo naprjazhenija dlja upravlenija svetodiodnymi osvetitel'nymi priborami s pomoshh'ju nizkochastotnoj PLC-tehnologii // Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2018. - Vol. 22. - № 9. - P. 152-161.
6. Shikov S.A., Alekseev E.G., Fadejeva A.Ju., Gurejeva E.A. Sovremennyje koncepcii intellektual'nyh sistem upravlenija osveshcheniem // Materialy XXI nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh, aspirantov i studentov Nacional'nogo issledovatel'skogo Mordovskogo gosudarstvennogo universiteta im. N.P Ogarjova (Saransk, 22-29 maja 2017 g.). - V 3 ch. -Saransk: Izd-vo NI MGU im. N.P. Ogarjova, 2017. - P. 126-131.
