Sterowanie oświetleniem w inteligentnych budynkach

fot. Eaton Moeller

Porównanie systemów KNX/EIB, LCN oraz xComfort. We współczesnym budownictwie stosuje się wiele nowoczesnych technologii. Jednym z przykładów są inteligentne instalacje elektryczne. Zapotrzebowanie na tego typu rozwiązania wynika z konieczności zwiększenia komfortu użytkowania budynków oraz oszczędniejszego gospodarowania energią.

Zaspokojenie tych potrzeb stało się możliwe dzięki zastosowaniu nowoczesnej elektroniki oraz technologii informatycznych. Na rynku są dostępne tego typu rozwiązania o różnym stopniu złożoności. Do najbardziej rozbudowanych i mających najszersze możliwości należą:

• KNX/EIB (european installation bus),
• Lon Works (local operating system),
• LCN (local control network).

Są to systemy o topologii magistralnej. Jako magistrala jest wykorzystywana albo skrętka dwuparowa, jak np. w KNX oraz Lon Works lub jak w przypadku LCN – dodatkowa żyła w przewodzie instalacyjnym. Najbardziej uniwersalny (z powodu swojej otwartości) jest system KNX. Jest on współtworzony przez wielu europejskich producentów z branży elektrotechnicznej.

Systemy Lon Works oraz LCN są największymi dostępnymi na rynku systemami firmowymi, z tym że w LCN można wykorzystywać wiele przycisków dedykowanych do standardu KNX. Dla mniej wymagających użytkowników rynek oferuje całą gamę małych systemów firmowych. Do najbardziej popularnych należą xComfort, Z-Wave (z jego polską odmianą FIBARO), Teletask i inne.

Część tych systemów, jak np. xComfort albo Z-Wave, jest wykonanych w technologii bezprzewodowej, co w znacznym stopniu ułatwia ich implementację do już istniejących instalacji.

Sterowanie oświetleniem w inteligentnych instalacjach 

Oświetlenie w zasadniczy sposób wpływa na wygodę użytkowania pomieszczenia. Właściwie dobrane natężenie oświetlenia, rozmieszczenie opraw oraz barwa światła zapewniają wysoki komfort osób przebywających w budynku.

Inteligentne instalacje pozwalają na konfigurację wielu scen świetlnych dopasowanych do konkretnych sytuacji. Możliwość zmiany sceny świetlnej w szybki sposób i przy użyciu jednego przycisku pilota sterującego to bardzo wygodna sytuacja. W ten sposób można sterować zarówno punktami świetlnymi jak i światłem zewnętrznym przez zamknięcie lub otwarcie rolet okiennych. Taka funkcja jest bardzo przydatna w życiu codziennym użytkownika mieszkania i podczas różnych spotkań biznesowych. Są różne wymagania co do rozmieszczenia oświetlenia, np. podczas spotkania towarzyskiego, korzystania z kina domowego, narady biznesowej czy też prezentacji multimedialnej.

W celu porównania możliwości różnych systemów automatyki budynkowej zaprojektowano i oszacowano koszty inteligentnej instalacji elektrycznej w trzech systemach: KNX/EIB, LCN oraz xComfort. Projekt zrealizowano w tym samym obiekcie (mieszkanie) i przy założeniu osiągnięcia takich samych funkcjonalności. Porównano również możliwości i obsługę programów konfiguracyjnych systemów.

System KNX/EIB 

System KNX/EIB został opracowany przy współudziale największych europejskich firm przemysłu elektrotechnicznego, zrzeszonych w European Installation Bus Association (EIBA), które są również producentami wszystkich elementów systemu potrzebnych do wykonania instalacji. Elementy o określonym przeznaczeniu, wytwarzane przez różne firmy, są nawzajem wymienne i współdziałają z innymi elementami systemu, pochodzącymi z dowolnych firm zrzeszonych w EIBA. System KNX/EIB jest inteligentnym, zdecentralizowanym systemem sterowania służącym do załączania, regulacji i nadzoru urządzeń technicznych znajdujących się w obszarze budynku. Każdy element magistralny ma własny mikroprocesor, który odpowiada za wymianę informacji między nim a magistralą.

Wymiana informacji odbywa się za pomocą telegramów przesyłanych między urządzeniami, natomiast transmisja – poprzez dwie żyły przewodu magistralnego, które służą zarazem do zasilania elementów magistralnych. Standardowym przewodem magistralnym jest ekranowana skrętka dwuparowa 0,8 mm2. Przesył informacji nie jest odseparowany od napięcia zasilającego 24 V prądu stałego, które jest modulowane podczas nadawania [1, 2].

Obwód magistralny i przyłączone do niego urządzenia przejęły wszystkie funkcje sterownicze, kontrolne, pomiarowe i inne. Dzięki temu można w budynku precyzyjnie sterować różnymi urządzeniami technicznymi w funkcji czasu, warunków pogodowych (temperatury, siły wiatru, wilgotności), pojawienia się osób będących użytkownikami obiektu i osób niepożądanych oraz realizować inne zadania, zgodnie z wcześniej założonym programem i aktualnymi poleceniami użytkowników. ETS (EIB tool software) stanowi podstawowy program narzędziowy przeznaczony do projektowania, uruchamiania oraz serwisowania instalacji systemu KNX/EIB.

Program ma strukturę modułową, składa się z kilku części, które ze sobą współpracują. Sam program jest środowiskiem konfiguracyjnym poszczególnych modułów wchodzących w skład instalacji KNX\EIB. Dla pełnego funkcjonowania konieczne jest zainstalowanie (wgranie) bazy produktów, które są udostępniane przez producentów. W banku danych powstaje wówczas katalog z nazwą danego producenta oraz z proponowanymi przez niego urządzeniami. Bazy są tworzone w taki sposób, aby było możliwe ich odczytanie w programie ETS. Baza zawiera podstawowe dane o urządzeniach, takie jak np. program aplikacyjny, opis parametrów, wymiary czy numer katalogowy. Urządzenia są pogrupowane zgodnie z ich przeznaczeniem i funkcjami.

Rys. 1. Okno programu ETS	Rys. 2. Okno programu LCN-PRO

Local control network (LCN) 

Opracowana przez firmę ISSENDORFF MIKROELEKTRONIK sieć LCN charakteryzuje się uniwersalnymi możliwościami zastosowania w zakresie nowoczesnej techniki automatyzacji budynku. Szeroki zakres funkcji realizują podzespoły, które dobiera się z listy. Dostępne podzespoły i inne pozycje katalogowe można podzielić na: moduły logiczne, urządzenia peryferyjne, czujniki i stację pogodową, zespół zdalnego sterowania i transponder, układy sprzęgające oraz oprogramowanie. W systemie LCN można wykorzystać niemalże każdy dostępny na rynku rodzaj przycisków przyłączanych do modułów logicznych. W zależności od przewidzianego zastosowania i zapotrzebowania podzespoły systemu są dostępne w wersjach montowanych na szynie lub w puszkach podtynkowych. Moduły sieci mają bardzo szerokie zastosowanie. System LCN ma tylko siedem modułów logicznych montowanych na szynie lub w puszkach podtynkowych. Moduły te różnią się ponadto mocą wyjść, istniejącymi interfejsami czujników oraz możliwością sterowania układów oświetleniowych.

System LCN – podobnie jak KNX/EIB – jest systemem magistralnym. Magistrala została wykonana przy użyciu dodatkowego przewodu instalacyjnego oznaczonego literą D. W instalacji jednofazowej jest to więc czwarty, a w instalacji trójfazowej – szósty przewód instalacyjny o takim samym przekroju jak pozostałe przewody danego obwodu. Przewód ten, wraz z przewodem neutralnym, który pełni tu funkcję żyły powrotnej, stanowi obwód magistralny.

Program narzędziowy LCN-PRO stanowi unikalne oprogramowanie służące do projektowania oraz konfigurowania instalacji inteligentnych domów i budynków wykorzystujących system LCN. Głównym zadaniem programu jest parametryzacja modułów systemu LCN. Oprogramowanie może pracować w dwóch trybach on-line oraz off-line. Dodatkowymi funkcjami (oprócz ogólnej parametryzacji urządzeń) jest możliwość sprawdzenia oraz protokołowania sieci LCN.

W trybie on-line jest wykonywana parametryzacja modułów systemu LCN. Każda zmiana banku danych projektowych wprowadzona w tym trybie pracy jest transmitowana w czasie rzeczywistym na magistralę, a po dotarciu do odpowiedniego modułu następuje jego konfiguracja. W trybie off-line natomiast jest możliwa wstępna konfiguracja sieci LCN, która zostanie zapisana w banku danych projektowych, a następnie po przejściu do trybu pracy on-line i połączeniu z siecią LCN nastąpi odpowiednia parametryzacja modułów.

Komunikacja z modułami sieci LCN odbywa się na podstawie numeru identyfikacyjnego. Przy adresowaniu modułów do dyspozycji jest 250 adresów (5-254). Instalacje przekraczające 250 modułów dzieli się na segmenty, które łączy się ze sobą sprzęgami do segmentów. Do adresowania segmentów do dyspozycji są adresy od 5 do 124. W ten sposób można nadać adres 120 segmentom. Łączna liczba modułów mających adres w sieci wynika zatem z pomnożenia liczby segmentów przez liczbę modułów w każdym segmencie (daje to 30 tys.). Komputer przydziela adresy bezpośrednio podczas programowania modułów.

Oprócz adresu modułu (zwanego numerem identyfikacyjnym modułu), który może być przydzielony w każdym segmencie tylko jeden raz, każdemu modułowi można przyporządkować maksymalnie 12 adresów. Ponieważ system LCN jest zasilany bezpośrednio napięciem 230 V, każdy moduł ma wbudowany zasilacz. W każdym module, w odniesieniu do wejścia czujników, zasilacza i układu sprzęgającego zastosowano ochronę przeciwprzepięciową (do 4 kV). Ochrona przeciwzwarciowa zabezpiecza moduł przed zniszczeniem, jeśli dojdzie do przypadkowej zamiany żyły zewnętrznej i żyły transmisji danych lub żyły neutralnej. Mikroprocesor z pamięcią konfiguracyjną, zasilacz i układ sprzęgający są elementami składowymi każdego modułu logicznego sieci LCN. Różne moduły sieci różnią się między sobą przede wszystkim liczbą wejść czujników i wyjść elementów przełączających oraz wynikającym z tego zakresem programowalnych funkcji [3].

xComfort 

Bezprzewodowa instalacja xComfort firmy Eaton Moeller daje możliwość wygodnego sterowania światłem, roletami oraz ogrzewaniem w domach i mieszkaniach w nieco mniejszym stopniu niż systemy KNX\EIB i LCN. Zastosowana w rozwiązaniu komunikacja radiowa minimalizuje prace instalacyjne wykonywane w przypadku standardowych instalacji, upraszcza montaż i uruchomienie systemu.

xComfort charakteryzuje się dużą funkcjonalnością oraz elastycznością działania i zabudowy. Opisywane wcześniej systemy wymagają dodatkowego przewodu magistralnego, co ogranicza możliwość ich stosowania do nowo budowanych obiektów, bądź tych poddawanych generalnym remontom – włącznie z wymianą instalacji elektrycznej.

xComfort wykorzystuje tradycyjną instalację elektryczną, a jedynym ograniczeniem jest dostęp do przewodu fazowego i neutralnego oraz miejsce na zamontowanie samego elementu. Odbiorniki systemu mają niewielkie wymiary, dzięki czemu można je łatwo schować w puszkach podtynkowych, listwach, kanałach, obudowach sterowanych urządzeń, podwieszanych sufitach, bądź – jeżeli wymusza to instalacja – również w tablicy mieszkaniowej.

Transmisja danych odbywa się na częstotliwość 868,3 MHz zarezerwowanej wg norm dla automatyki budynkowej. W połączeniu ze specjalnym sposobem kodowania zapewnia bezpieczeństwo i wygodę codziennego użytkowania. Brak konieczności prowadzenia dodatkowego okablowania umożliwia z kolei uzyskanie znacznych oszczędności finansowych oraz możliwość nie tylko budowy, ale również późniejszej rozbudowy bez modyfikacji instalacji elektrycznej, co w innych systemach może być niewykonalne. Obowiązujące przepisy nakładają na automatykę budynkową bardzo rygorystyczne wymagania dotyczące częstości wysyłania sygnałów oraz ich mocy. Stąd sygnał jest w stanie przeniknąć przez dwie ściany i jeden strop oraz pokonać dystans kilkudziesięciu metrów. Aby pokonać ewentualne ograniczenia w zakresie komunikacji, o których wspomniano wcześniej, wszystkie odbiorniki xComfort – oprócz swoich standardowych funkcji – jak sterowanie światłem, ogrzewaniem czy roletami, mają również możliwość routingu sygnału, dzięki czemu można ominąć ograniczenia sygnału.

Rys. 3. Okno programu EATON RF

Programowanie urządzeń do bezprzewodowego sterowania jest prostsze od konfiguracji LCN i KNX/EIB. Można je wykonać na dwa sposoby. Pierwszy polega na programowaniu urządzenia za pomocą śrubokręta – wtedy są dostępne podstawowe funkcje aparatów – tzw. tryb BASIC. Drugi sposób wymaga użycia komputera ze złączem szeregowym (RS-232), podłączonym modułem do programowania przez komputer i zainstalowanym darmowym oprogramowaniem EATON RF. Przy tego typu programowaniu są dostępne wszystkie wyższe funkcje systemu sterowania bezprzewodowego – tzw. tryb COMFORT. Program jest prosty w obsłudze, wszystkie aparaty są pokazane za pomocą symboli graficznych, co ułatwia ich programowanie. Urządzenia łączy się ze sobą liniami, następnie z rozwijanego menu należy wybrać funkcję, która ma być zrealizowana. Instalacja zaprogramowana w ten sposób jest bardzo przejrzysta. Tego typu programowanie pozwala na zrealizowanie funkcji znanych z systemu KNX/EIB [4].

Porównanie systemów KNX/EIB, LCN oraz xComfort: 

Analiza porównawcza 

Analizę porównawczą przeprowadzono w ramach pracy dyplomowej magisterskiej na podstawie budynku wolno stojącego, w którym zostały wydzielone 4 mieszkania. Instalacja oświetleniowa została zaprojektowana i skonfigurowana w 3 systemach automatyki – KNX/EIB, LCN oraz xComfort. W każdym z pomieszczeń przewidziano regulację natężenia oświetlenia oraz w przedpokoju czujnik obecności. Projekt przewidywał:

• wykonanie tablic rozdzielczych (instalacja oświetleniowa),
• dobór opraw oświetleniowych,
• dobór elementów systemów automatyki,
• konfigurację systemu w programie narzędziowym,
• aranżację wnętrz (sceny świetlne).

Dla każdego wykonania oszacowano również koszt inwestycji. Na podstawie analizy systemów automatyki budynkowej oraz czynności projektowych w tabeli zestawiono ich wybrane funkcjonalności. Porównywane systemy automatyki budynkowej mają podobny zakres funkcjonalności. Istniejące różnice wynikają przede wszystkim ze struktury systemów, ich przeznaczenia, możliwości technicznych i sposobu realizacji zadań.

Najwszechstronniejszym systemem wydaje się system KNX/EIB. Jego największą zaletą jest otwartość, ponieważ jego elementy są produkowane przez wiele firm, konkurencja rynkowa wpływa na ich cenę. System ten oferuje, oprócz rozwiązania magistralnego, również możliwość sterowania z wykorzystaniem istniejącej instalacji elektrycznej. Jednak najlepsze efekty uzyskuje się w układzie z dodatkowym przewodem magistralnym. Oczywiście takie rozwiązanie najlepiej sprawdza się przy realizacji nowej inwestycji.

Jego zaletą jest zmniejszenie liczby przewodów konwencjonalnej instalacji.

Podobna sytuacja występuje w systemie LCN. Dodatkowa żyła w przewodzie instalacyjnym pełniąca funkcję magistrali nie powoduje zbyt dużego wzrostu kosztów. Należy pamiętać o zastosowaniu puszek instalacyjnych o zwiększonej głębokości ze względu na umieszczane w nich moduły sterujące. System xComfort jest rozwiązaniem bezprzewodowym, przeznaczonym przede wszystkim do mieszkań i małych budynków biurowych. Jego niewątpliwą zaletą jest łatwa implementacja do istniejącej instalacji, jednak bateryjny sposób zasilania jego modułów powoduje, że może w najmniej oczekiwanym momencie odmówić posłuszeństwa.

Pewną niedogodnością przy konfiguracji systemu KNX jest brak dostępnej polskiej wersji oprogramowania narzędziowego ETS. Pozostałe systemy mają oprogramowanie konfiguracyjne w polskiej wersji językowej. Ważnym czynnikiem przy wyborze systemu jest jego koszt. Bezkonkurencyjny na tym polu jest system xComfort, który okazał się ok. dwukrotnie tańszy od konkurentów.

AUTORZY:

mgr inż. Mariusz Kalinowski – GoodWell Polska, Gryfice

dr inż. Tomasz Zarębski – Katedra Elektroenergetyki i Napędów Elektrycznych Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie 

LITERATURA:

[1] Mikulik J.: Europejska Magistrala Instalacyjna EIB. Rozproszony system sterowania bezpieczeństwem i komfortem. COSiW, Warszawa 2008
[2] Zarębski T.: Integracja alternatywnych źródeł energii z inteligentnymi instalacjami elektrycznymi. Przegląd Elektrotechniczny 2008 nr 7
[3] www.lcn.pl
[4] www.xcomfort.pl