PL232913B1 - Swobodnie programowalny sterownik do sterowania oświetleniem oraz układ sterowania oświetleniem - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest swobodnie programowalny sterownik przeznaczony do sterowania oświetleniem oraz układ sterowania oświetleniem. Przedmioty wynalazku mają zastosowanie przede wszystkim w małych systemach oświetleniowych usytuowanych w domkach lub mieszkaniach, ale również w układach przemysłowych wraz z komunikacją z BMS.

W opisie polskiego zgłoszenia patentowego P.376007 ujawniono sterownik oświetlenia składający się z zasilacza, układu czasowego oraz czujek, w którym do wejścia połączonego z przewodem fazy i do wspólnej masy sterownika dołączony jest układ zasilacza beztransformatorowego, pomiędzy wyjście zasilacza, a wspólną masę sterownika podłączony jest poprzez czujki, oporniki i tranzystor pracujący jako klucz, układ wejściowy dla sygnału sterującego. Czujka połączona jest z jednej strony z wyjściem zasilacza, a z drugiej strony z emiterem tranzystora typu pnp, a druga czujka połączona jest z jednej strony z wyjściem zasilacza, a z drugiej strony, szeregowo poprzez rezystor, z bazą tranzystora. Pomiędzy wyjście zasilacza a emiter tranzystora układu wejściowego i układ załączający źródła światła, poprzez diodę, włączony jest również układ czasowy RC , który zawiera równolegle połączony rezystor i kondensator o dużej pojemności. Układ załączający źródła światła połączony jest z układem RC.

Z opisu polskiego zgłoszenia patentowego P.395326 znany jest sposób automatycznej regulacji natężenia oświetlenia i urządzenie do automatycznej regulacji natężenia oświetlenia. Urządzenie do automatycznej regulacji natężenia oświetlenia, zawiera moduł sterujący, zasilacz modułu sterującego, co najmniej jeden moduł komunikacyjny, co najmniej jeden czujnik, moduł przełączania obciążenia, połączony z zasilaczem modułu sterującego i modułem sterującym, przetwornicę napięcia zasilającą źródło światła, połączoną z modułem przełączania obciążenia, za pośrednictwem filtra zakłóceń przewodzonych ciągłych mającego za zadanie filtrowanie przewodzonych zakłóceń oraz prostownika wraz z pasywnym układem redukcji zniekształceń prądu pobieranego z sieci korygującego współczynnik mocy i prostującego napięcie prostownikiem dwupołówkowym, oraz z modułem sterującym za pomocą dodatkowego bloku optoizolacji składającą się z połączonych szeregowo kontrolera PWM tranzystora mocy mosfet wraz z tranzystorem mocy mosfet, transformatora impulsowego, prostownika z filtrem wyjściowym, bloku sprzężenia zwrotnego stabilizującego prąd wyjściowy/napięcie wyjściowe, którego wejście i wyjście połączone są ze źródłem światła, przy czym blok ten połączony jest poprzez blok optoizolacji z kontrolerem PWM tranzystora mocy mosfet wraz z tranzystorem mocy mosfet.

Z amerykańskiego zgłoszenia patentowego US2004149776A1 znane jest urządzenie sterujące do uruchamiania lamp, w szczególności do oświetlenia wewnętrznego statku powietrznego, w którym urządzenie sterujące ma wejście do dostarczania sygnału wejściowego i wielu wyjść do przekazywania sygnałów wyjściowych do podłączonej lampy. W urządzeniu sterującym moduł przetwarzania sygnału jest korzystnie utworzony przez mikroprocesor i korzystnie swobodnie programowalną pamięć elektroniczną. Moduł przetwarzania sygnału wytwarza sygnały wyjściowe z sygnału wejściowego zgodnie z instrukcją konwersji zapisaną w pamięci, przy czym różne instrukcje konwersji mogą być przechowywane w pamięci dla wyjścia sygnału należące do różnych wyjść.

Z kolei w patencie polskim PL217627B1 ujawniono sposób regulacji oświetleniem LED i urządzenie sterujące lampą oświetleniową LED, w szczególności stosowane w oświetleniu ulicznym. Cytowane urządzenie sterujące lampą oświetleniową LED wyposażone jest w układ zasilająco-sterujący, do którego podłączony jest zegar mierzący czas świecenia lampy, przy czym układ zasilająco-sterujący z jednej strony połączony jest z co najmniej dwoma modułami lampy oświetleniowej, a z drugiej ze źródłem energii. Ponadto do układu zasilająco-sterującego podłączony jest miernik temperatury i miernik oświetlenia, a układ zasilająco-sterujący zawiera zasilacz ze stabilizacją i/lub regulacją prądu zasilania, przy czym do układu zasilająco-sterującego jest podłączony co najmniej jeden czujnik ruchu. Wyposażenie układu zasilająco-sterującego w przetworniki analogowo-cyfrowe i/lub cyfrowo-analogowe i/lub mikroprocesorowy układ obliczeniowy i/lub układ pamięci, pozwala na cyfrowe uruchamianie i włączanie lampy oświetleniowej, a z użyciem programu komputerowego i/lub obliczeń oświetleniowych, można kształtować i regulować dowolny rozkład natężenia oświetlenia na płaszczyźnie i/lub w przestrzeni, dzięki czemu możliwa jest optymalizacja rozkładu natężenia światła i/lub optymalizacja zużycia energii elektrycznej, a tym samym ochrona środowiska.

Problemem technicznym stawianym przed niniejszym wynalazkiem jest zapewnienie takiego swobodnie programowalnego sterownika, który będzie dedykowany do układów sterowania oświetleniem oraz takiego układu sterowania oświetleniem, który pozwoli na budowę sieci nastawników z wykorzystaniem standardowych nieinteligentnych elementów, takich jak m.in. wyłączniki, potencjometry,

PL 232 913 B1 przyciski monostabilne. Pożądane jest również aby przedmioty wynalazku zapewniały płynną regulację strumienia świetlnego, w szczególności ze źródeł fluorescencyjnych oraz źródeł żarowych, jak również umożliwiały uzyskiwanie bieżących informacji o stanie pracy urządzenia oświetleniowego. Co więcej, korzystne jest uzyskanie tych wszystkich zalet przy zachowaniu kompaktowości swobodnie programowalnego sterownika, przy zmniejszonym użyciu okablowania w układzie sterowania oświetleniem oraz przy zachowaniu możliwości rozbudowy sieci, jak również przy zachowaniu możliwości integracji sterowania oświetleniem w istniejących lub powstających systemach inteligentnych budynków (BMS). Nieoczekiwanie wspomniane problemy techniczne rozwiązał prezentowany wynalazek.

Pierwszym przedmiotem wynalazku jest swobodnie programowalny sterownik do sterowania oświetleniem zawierający zcentralizowaną jednostkę zarządzającą, do której podłączona jest jednostka zasilająca, wyjście analogowe, wyjście przekaźnikowe, moduł komunikacji cyfrowej, wejście pomiaru rezystancji, wejście analogowe, wejście cyfrowe, interfejs użytkownika, charakteryzujący się tym, że wejście pomiaru rezystancji (6) zbudowane jest ze źródła prądowego oraz wzmacniacza operacyjnego w układzie nieodwracającym o dużej rezystancji wejściowej.

W korzystnej realizacji wynalazku wejście rezystancyjne zbudowane jest ze źródła prądowego oraz wzmacniacza operacyjnego.

W następnej korzystnej realizacji wynalazku wzmacniacz operacyjny ma układ nieodwracający o dużej rezystancji.

W innej korzystnej realizacji wynalazku jednostka zasilająca podaje napięcie bezpieczne lub sieciowe i stanowi korzystnie zasilacz impulsowy.

W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku wyjście analogowe realizowane jest przez zespół wzmacniaczy operacyjnych ze stopniem zabezpieczającym, sterowanych sygnałem o zmiennym wypełnieniu PWM po przejściu przez filtr dolnoprzepustowy RC.

W następnej korzystnej realizacji wynalazku stała czasowa filtru dolnoprzepustowego RC jest co najmniej dziesięć razy większa od okresu sygnału sterującego z jednostki zarządzającej.

Korzystnie moduł komunikacji cyfrowej zawiera interfejsy komunikacyjne wybrane z grupy zawierającej: RS-485, Ethernet, USB.

W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku wejście cyfrowe zbudowane jest na tranzystorach w układzie klucza tak, że na bramkę podawany jest sygnał uformowany przez układ wejściowy.

Drugim przedmiotem wynalazku jest układ sterowania oświetleniem, charakteryzujący się tym, że zawiera swobodnie programowalny sterownik, do którego przyłączony jest co najmniej jeden element z wyjściem dyskretnym, przy czym element z wyjściem dyskretnym sparametryzowany jest rezystancją.

W korzystnej realizacji wynalazku do swobodnie programowalnego sterownika bezpośrednio przyłączony jest element z wyjściem rezystancyjnym, napięciowym lub prądowym.

W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku element z wyjściem dyskretnym i/lub element z wyjściem rezystancyjnym, napięciowym lub prądowym stanowi czujnik natężenia światła lub czujnik ruchu.

W następnej korzystnej realizacji wynalazku swobodnie programowalny sterownik dokonuje detekcji elementu z wyjściem dyskretnym i/lub elementu z wyjściem rezystancyjnym, napięciowym lub prądowym poprzez pomiar rezystancji, czasu, ilości impulsów, stanu logicznego lub ich kombinacji.

Korzystnie swobodnie programowalny sterownik stanowi swobodnie programowalny sterownik jak zdefiniowano w pierwszym przedmiocie wynalazku.

Przedmiot wynalazku, dzięki swojej specyficznej budowie, zapewnia korzyści w postaci zastosowania standardowych, nieinteligentnych elementów interfejsu użytkownika, zmniejszenia ilości okablowania. Co więcej swobodnie programowalny sterownik zapewnia płynną regulację strumienia świetlnego źródeł fluorescencyjnych w zakresie od 3% do 100% oraz źródeł żarowych od 0,1% do 100% oraz umożliwia uzyskiwanie bieżących informacji o stanie pracy urządzenia oświetleniowego (np. o emisji strumienia świetlnego poszczególnych opraw oświetleniowych w procentach, czy o uszkodzeniu lub wadliwej pracy opraw), jak również pozwala na bieżące dokonywanie zmian w konfiguracji systemu. W rezultacie przedmiot wynalazku zapewnia oszczędności w zużyciu energii elektrycznej sięgające nawet 50% w stosunku do klasycznych układów oświetleniowych.

Swobodnie programowalny sterownik według niniejszego wynalazku zaprojektowany jest do sterowania układami oświetleniowymi, zarówno domowymi, jak i przemysłowymi. Dzięki zastosowanym zasobom sprzętowym możliwa jest integracja sterowania oświetleniem w istniejących lub powstających systemach inteligentnych budynków (BMS). Przedmiot wynalazku umożliwia współpracę z elementami interakcji z użytkownikiem, takimi jak wyłączniki, przyciski, zadajniki analogowe. Zasób wyjść swobodnie programowalnego sterownika umożliwia bezpośrednie lub pośrednie sterowanie źródłami światła, przy

PL 232 913 B1 czym bezpośrednie sterowanie realizowane jest za pomocą wyjść przekaźnikowych, natomiast pośrednie sterowanie realizowane jest przez regulatory lub moduł komunikacyjny. Przedmiotowy swobodnie programowalny sterownik może pracować w sieci, jak również autonomicznie. Realizowany algorytm pracy urządzenia jest intuicyjny i prosty w obsłudze dla użytkownika końcowego.

Kompaktowy sterownik swobodnie programowalny sterujący oświetleniem współpracuje z elementami interfejsu użytkownika. Detekcja stanów elementów nastawnych odbywa się przez pomiar rezystancji lub czasu lub ilości impulsów lub stanu logicznego lub kombinacji tych parametrów. Identyfikacja elementu sterującego np.: przełącznika dokonywana jest przez pomiar rezystancji, natomiast rozróżnienie komendy sterującej przez pomiar czasu zmiany rezystancji lub ilość zmian rezystancji w danym przedziale czasowym (np.: kilkukrotne naciśnięcie przycisku). Dzięki temu możliwa jest budowa sieci nastawników z wykorzystaniem standardowych nieinteligentnych elementów, takich jak m in. wyłączniki, potencjometry, przyciski monostabilne.

Przykładowe realizacje wynalazku zaprezentowano na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy swobodnie programowalnego sterownika według jednej realizacji niniejszego wynalazku, natomiast fig. 2 przedstawia schemat blokowy ilustrujący układ sterowania oświetleniem według jednej realizacji niniejszego wynalazku.

P r z y k ł a d 1

Na fig. 1 przedstawiono schemat blokowy swobodnie programowalnego sterownika według jednej realizacji niniejszego wynalazku. Jednostką zarządzającą 5 jest mikrokontroler. Pełni on funkcję realizującą algorytm pracy swobodnie programowalnego sterownika. Jednostką zasilającą 1 sterownik jest zasilacz impulsowy. Swobodnie programowalny sterownik według niniejszego wynalazku zależnie od wersji wykonania może być zasilany napięciem bezpiecznym lub sieciowym 230V 50Hz. Determinuje to rodzaj zastosowanej jednostki zasilającej 1. Elementem realizującym formę wyjścia analogowego 2 jest zespół wzmacniaczy operacyjnych ze stopniem zabezpieczającym, które sterowane są sygnałem o zmiennym wypełnieniu PWM po przejściu przez filtr dolnoprzepustowy RC. Stała czasowa tego filtru jest przynajmniej 10 razy większa od okresu sygnału sterującego uzyskiwanego z jednostki zarządzającej 5. Na wyjściu uzyskuje się sygnał napięciowy. Wyjścia przekaźnikowe 3 zarządzane są przez jednostkę zarządzającą 5, poprzez układ pośredniczący dostosowujący poziomy napięć. Swobodnie programowalny sterownik zawiera ponadto moduł komunikacji cyfrowej 4, w którego skład wchodzą interfejsy komunikacyjne, takie jak RS 485, Ethernet, USB (pracę tych interfejsów nadzoruje jednostka zarządzająca 5). Bardzo istotną częścią swobodnie programowalnego sterownika są wejścia pomiaru rezystancji 6. Pomiar rezystancji odbywa się metodą dwuprzewodową. Wejście rezystancyjne 6 zbudowane jest ze źródła prądowego oraz wzmacniacza operacyjnego w układzie nieodwracającym o dużej rezystancji wejściowej. Źródło prądowe wymusza przepływ prądu przez mierzoną rezystancję (w tym przykładzie realizacji przez sieć nastawników), przy czym sygnał napięciowy, który powstaje w wyniku przepływu prądu, dostosowywany jest przez układ wzmacniaczy operacyjnych i dzielników rezystancyjnych do standardu pomiaru jednostki zarządzającej 5. Wejścia analogowe 7 działają na podobnej zasadzie co wejścia rezystancyjne 6 z tą różnicą, że nie posiadają źródła prądowego. Układ wejść cyfrowych 8 oparty jest na tranzystorach, które pracują w układzie klucza, przy czym na bramkę podawany jest sygnał uformowany przez układ wejściowy. Ostatnim elementem urządzenia jest interfejs użytkownika HMI 9, Jest on zarządzany przez jednostkę zarządzającą 5 i służy do interakcji użytkownika ze swobodnie programowalnym sterownikiem oraz pozwala na konfigurację systemu.

P r z y k ł a d 2

Na fig. 2 przedstawiono schemat blokowy ilustrujący układ sterowania oświetleniem według jednej realizacji niniejszego wynalazku. Na wspomnianej figurze przedstawiono w szczególności rozwiązanie połączeń sieci nastawników z wejściem swobodnie programowalnego sterownika 10, stanowiące układ sterowania oświetleniem. Dzięki zastosowaniu swobodnie programowalnego sterownika 10 według niniejszego wynalazku, w szczególności przedstawionego w pierwszym przykładzie realizacji, możliwe jest utworzenie wielu układów sterowania oświetleniem zakończonych pojedynczym wyjściem dwuprzewodowym, bezpośrednio połączonym ze swobodnie programowalnym sterownikiem 10. Każdy z elementów układu sterowania oświetleniem, który ma wyjście lub wyjścia dyskretne 11, 13 musi być sparametryzowany rezystancją 12. Element o wyjściu rezystancyjnym bądź napięciowym lub prądowym 14 może być podłączony bezpośrednio do swobodnie programowalnego sterownika 10, lecz elementy takie nie mogą, pracować równolegle. Dzięki możliwości współpracy swobodnie programowalnego sterownika 10 z czujnikami natężenia światła, czujnikami ruchu i/lub innymi czujnikami możliwe jest inteli

PL 232 913 B1 gentne sterowanie natężeniem światła polegające na uzależnieniu jego wartości od czynników zewnętrznych. Do współpracy z tego typu elementami wykorzystywane są cyfrowe linie komunikacyjne bądź wejścia analogowe lub dyskretne.

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Swobodnie programowalny sterownik do sterowania oświetleniem, zawierający zcentralizowaną jednostkę zarządzającą, do której podłączona jest jednostka zasilająca, wyjście analogowe, wyjście przekaźnikowe, moduł komunikacji cyfrowej, wejście pomiaru rezystancji, wejście analogowe, wejście cyfrowe, interfejs użytkownika, znamienny tym, że wejście pomiaru rezystancji (6) zbudowane jest ze źródła prądowego oraz wzmacniacza operacyjnego w układzie nieodwracającym o dużej rezystancji wejściowej.
2. 2. Swobodnie programowalny sterownik według zastrz. 1, znamienny tym, że wejście rezystancyjne (6) zbudowane jest ze źródła prądowego oraz wzmacniacza operacyjnego.
3. 3. Swobodnie programowalny sterownik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wzmacniacz operacyjny ma układ nieodwracający o dużej rezystancji.
4. 4. Swobodnie programowalny sterownik według zastrz. 1, 2 albo 3, znamienny tym, że jednostka zasilająca (1) podaje napięcie bezpieczne lub sieciowe i stanowi korzystnie zasilacz impulsowy.
5. 5. Swobodnie programowalny sterownik według zastrz. 1,2, 3 albo 4, znamienny tym, że wyjście analogowe (2) realizowane jest przez zespół wzmacniaczy operacyjnych ze stopniem zabezpieczającym, sterowanych sygnałem o zmiennym wypełnieniu PWM po przejściu przez filtr dolnoprzepustowy RC.
6. 6. Swobodnie programowalny sterownik według zastrz. 5, znamienny tym, że stała czasowa filtru dolnoprzepustowego RC jest co najmniej dziesięć razy większa od okresu sygnału sterującego z jednostki zarządzającej (5).
7. 7. Swobodnie programowalny sterownik według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 6, znamienny tym, że moduł komunikacji cyfrowej (4) zawiera interfejsy komunikacyjne wybrane z grupy zawierającej: RS-485, Ethernet, USB.
8. 8. Swobodnie programowalny sterownik według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 7, znamienny tym, że wejście cyfrowe (8) zbudowane jest na tranzystorach w układzie klucza tak, że na bramkę podawany jest sygnał uformowany przez układ wejściowy.
9. 9. Układ sterowania oświetleniem, znamienny tym, że zawiera swobodnie programowalny sterownik (10), do którego przyłączony jest co najmniej jeden element z wyjściem dyskretnym (11, 13), przy czym element z wyjściem dyskretnym (11, 13) sparametryzowany jest rezystancją (12).
10. 10. Układ sterowania oświetleniem według zastrz. 9, znamienny tym, że do swobodnie programowalnego sterownika (10) bezpośrednio przyłączony jest element z wyjściem rezystancyjnym, napięciowym lub prądowym (14).
11. 11. Układ sterowania oświetleniem według zastrz. 9 albo 10, znamienny tym, że element z wyjściem dyskretnym (11, 13) i/lub element z wyjściem rezystancyjnym, napięciowym lub prądowym (14) stanowi czujnik natężenia światła lub czujnik ruchu.
12. 12. Układ sterowania oświetleniem według któregokolwiek z zastrz. od 9 do 11, znamienny tym, że swobodnie programowalny sterownik (10) dokonuje detekcji elementu z wyjściem dyskretnym (11, 13) i/lub elementu z wyjściem rezystancyjnym, napięciowym lub prądowym (14) poprzez pomiar rezystancji, czasu, ilości impulsów, stanu logicznego lub ich kombinacji.
13. 13. Układ sterowania oświetleniem według któregokolwiek z zastrz. od 9 do 12, znamienny tym, że swobodnie programowalny sterownik (10) stanowi swobodnie programowalny sterownik jak zdefiniowano w którymkolwiek z zastrz. od 1 do 7.