Przegląd łączników stosowanych w instalacjach inteligentnych
Elementy łącznika standardu EnOcean
Jednym z bardzo ważnych obszarów dynamicznie i intensywnie rozwijanych w ostatnim okresie jest obszar zintegrowanych inteligentnych instalacji elektrycznych i tzw. automatyki budynkowej. Za pomocą instalacji inteligentnych można zrealizować wszystkie tradycyjne układy sterowania instalacji elektrycznej [6].
Zobacz także
mgr inż. Andrzej Dubrawski Sterowanie w instalacjach magistralnych
Instalacje elektryczne decydują o funkcjonalności budynku. Nie tylko dostarczają energię do różnych, coraz bardziej skomplikowanych odbiorników, ale też służą do komunikacji między nimi. Służą do sterowania,...
Instalacje elektryczne decydują o funkcjonalności budynku. Nie tylko dostarczają energię do różnych, coraz bardziej skomplikowanych odbiorników, ale też służą do komunikacji między nimi. Służą do sterowania, zarządzania obiektami. Zaletą nowoczesnych rozwiązań jest ich elastyczność. Dzięki temu, już w trakcie eksploatacji, można bardzo łatwo dokonywać zmian funkcjonalnych, np. dostosowywać sposoby sterowania do bieżących potrzeb. Nowoczesna instalacja jest też otwarta na nowe zadania, które mogą...
dr inż. Małgorzata Bielówka, dr hab. inż. Waldemar Dołęga Analiza rozwiązań instalacji inteligentnych w kontekście oszczędności energii elektrycznej
Jednym z bardzo ważnych obszarów dynamicznie i intensywnie rozwijanych w ostatnim okresie jest obszar zintegrowanych inteligentnych instalacji elektrycznych i tzw. automatyki budynkowej. Za pomocą instalacji...
Jednym z bardzo ważnych obszarów dynamicznie i intensywnie rozwijanych w ostatnim okresie jest obszar zintegrowanych inteligentnych instalacji elektrycznych i tzw. automatyki budynkowej. Za pomocą instalacji inteligentnych można zrealizować wszystkie tradycyjne układy sterowania instalacji elektrycznej [5].
Redakcja Elektro.info.pl Jaki system inteligentnego budynku wybrać? Przegląd systemów smart home
Smart Home staje się coraz powszechniejszym zjawiskiem na rynku. Wiele osób decyduje się na nabycie takich rozwiązań, chcąc zmniejszyć zużycie prądu przy jednoczesnym zwiększeniu swojego komfortu życia....
Smart Home staje się coraz powszechniejszym zjawiskiem na rynku. Wiele osób decyduje się na nabycie takich rozwiązań, chcąc zmniejszyć zużycie prądu przy jednoczesnym zwiększeniu swojego komfortu życia. Jakie firmy oferują nam takie rozwiązania?
Ponadto integrują one poszczególne funkcje: sterowanie oświetleniem; sterowanie żaluzjami i roletami; sterowanie urządzeniami ogrzewania elektrycznego, takimi jak: piece, grzejniki, zawory regulacyjne, pompy obiegowe; sterowanie napędami drzwi i klap przeciwpożarowych, sygnalizacji przeciwpożarowej i urządzeniami przeciwpożarowymi; sterowanie urządzeniami komputerowymi z centralnymi lub lokalnymi urządzeniami rezerwowego zasilania (UPS); sterowanie urządzeniami antywłamaniowymi i sygnalizacji obecności osób niepożądanych; sterowanie instalacjami i urządzeniami monitorującymi stan techniczny wybranych obwodów i odbiorników oraz zarządzanie energią [5]. Dodatkowo zainstalowanie takich instalacji w budynku, obok znacznej poprawy komfortu użytkowania, umożliwia racjonalizację i ograniczenie zużycia energii elektrycznej.
W instalacjach inteligentnych niskiego napięcia rola łączników, która zasadniczo polega na realizacji różnych czynności łączeniowych, wzrasta [7]. Stanowią bowiem urządzenia sensoryczne tzw. sensory oraz są dodatkowo wykorzystywane w formie elementów składowych w urządzeniach (elementach) wykonawczych tzw. aktorach. Dlatego w artykule przedstawiono wybrane rozwiązania łączników stosowanych w instalacjach inteligentnych oraz przeanalizowano te cechy i elementy, które są ważne w kontekście ich właściwego funkcjonowania w instalacjach inteligentnych.
|
W artykule:
|
|
Streszczenie W artykule przedstawiono wybrane rozwiązania łączników w instalacjach inteligentnych niskiego napięcia. Przedstawiono ogólną charakterystykę systemów instalacji inteligentnych. Omówiono wybrane rozwiązania łączników aktualnie oferowanych przez producentów wiodących systemów instalacji inteligentnych. Zwrócono szczególną uwagę na wybrane cechy i elementy tych łączników w kontekście ich właściwego funkcjonowania w instalacjach inteligentnych. |
|
Abstract Review of switches used in intelligent installations In this paper, selected solutions of switches in low voltage intelligent installations are performed. General profile of systems of intelligent installations is performed. Selected solutions of switches actually offered by producers of leading systems of intelligent installations. Special attention is paid to selected features and elements of these switches in context of correct functioning in electrical installations. |
Ogólna charakterystyka systemów instalacji inteligentnych
Systemy instalacji inteligentnych stanowią elementy automatyki domowej i budynkowej. Są to systemy instalacyjne wyposażone w inteligentne urządzenia sensoryczne i urządzenia wykonawcze, których podstawowym zadaniem jest zintegrowane sterowanie i kontrola poszczególnych grup odbiorników o różnym charakterze i przeznaczeniu (np. oświetlenie, rolety, ogrzewanie).
„Inteligencja” wspomnianych urządzeń związana jest bezpośrednio z ich budową. Elementy te zawierają wbudowany mikroprocesor oraz pamięć wewnętrzną, które umożliwiają programowanie całej instalacji i przechowywanie niezbędnych danych dotyczących sposobu realizacji poszczególnych funkcji sterowania. Urządzenia są ze sobą powiązane w sposób logiczny i wymieniają między sobą informacje w postaci odpowiednio formowanych telegramów i pakietów danych przesyłanych za pośrednictwem wybranego medium transmisyjnego. Zapewnienie właściwej komunikacji między wszystkimi urządzeniami jest podstawowym warunkiem prawidłowego działania całego systemu.
W zależności od stosowanego protokołu komunikacyjnego i rodzaju medium transmisyjnego wśród systemów instalacji inteligentnych wyróżnić można systemy otwarte lub zamknięte oraz systemy przewodowe lub bezprzewodowe. Systemy otwarte wykorzystują tzw. otwarte standardy komunikacyjne (np. standard KNX, ZigBee, Z-Wave, EnOcean), natomiast systemy zamknięte opierają się na wewnętrznych specyfikacjach technicznych dotyczących komunikacji, a dostęp do nich jest ograniczony. Do grupy systemów przewodowych zalicza się systemy, które jako medium transmisyjne wykorzystują między innymi: przewód skrętki, przewody sieci zasilającej (Power Line), dodatkową żyłę przewodu instalacji konwencjonalnej, Ethernet czy też światłowody (np. systemy KNX, LCN). W przypadku systemów bezprzewodowych komunikacja między urządzeniami realizowana jest zwykle za pośrednictwem fal radiowych w określonym paśmie częstotliwości (np. systemy KNX, xComfort, Fibaro, EnOcean, MyHome-ZigBee, Exta Free). Część systemów instalacji inteligentnych ma także możliwość łączenia różnych mediów transmisyjnych w obrębie jednej instalacji, jednak wymaga to zastosowania dodatkowych urządzeń systemowych (np. system KNX, MyHome).
Jedną z ważniejszych cech charakterystycznych danego systemu instalacji inteligentnej jest jego topologia. Wiele systemów należy do grupy tzw. systemów magistralnych. Są to systemy, w których urządzenia połączone są ze sobą jedną wspólną linią szkieletową (magistrala), po której odbywa się komunikacja (np. systemy KNX, LCN). Urządzenia w tym przypadku są względem siebie równorzędne, a informacja wysłana przez jedno urządzenie dociera do praktycznie wszystkich urządzeń przyłączonych do magistrali, jednak sygnał zostanie zinterpretowany tylko przez urządzenie, do którego dana informacja była zaadresowana. Natomiast wśród systemów bezprzewodowych wyróżnić można systemy oparte między innymi na topologii typu mesh (siatka), w której urządzenia stanowią tzw. węzły sieci (np. system Fibaro). Zależnie od przeznaczenia urządzenia klasyfikuje się trzy typy węzłów: węzeł koordynatora, routera oraz urządzenia końcowego, które realizują w systemie różne zadania. Obowiązująca w danym systemie topologia sieci oraz parametry dotyczące metody komunikacji mają istotne znaczenie na etapie planowania instalacji ze względu na wynikające z nich ograniczenia związane z dopuszczalnymi odległościami pomiędzy poszczególnymi elementami systemu, a także samą lokalizacją pojedynczych urządzeń.
Uwzględniając funkcje, jakie pełnią poszczególne urządzenia w systemie instalacji inteligentnej, zazwyczaj można je podzielić na trzy podstawowe grupy: urządzenia sensoryczne (sensory, czujniki), urządzenia wykonawcze (aktuatory, sterowniki) oraz urządzenia systemowe. Pierwsza grupa urządzeń (sensory) to elementy, których zadaniem jest zbieranie informacji z otoczenia (pomiar natężenia światła, pomiar temperatury, wykrycie ruchu itp.), a następnie przekształcenie ich w odpowiedni telegram (kodowanie) i wysłanie poprzez medium transmisyjne do pozostałych urządzeń. Drugą grupę urządzeń stanowią elementy wykonawcze, które odbierają przesłane telegramy, a następnie przekształcają zawarte w nich polecenia (dekodowanie) i wykonują zaplanowane akcje (np. załączenie oświetlenia).
Osobną grupę stanowią urządzenia systemowe. Są to urządzenia, które nie są bezpośrednio związane z realizacją poszczególnych funkcji sterowania, ale są one niezbędne do prawidłowej pracy instalacji. Do grupy tej można zaliczyć między innymi zasilacze, złącza do komunikacji z komputerem zewnętrznym (interfejs programowania) czy też sprzęgła (sprzęgi) łączące poszczególne fragmenty topologii systemu.
W większości systemów bezprzewodowych rolę urządzeń sensorycznych pełnią tzw. nadajniki radiowe, które wysyłają sygnały sterujące, natomiast odbierają je urządzenia wykonawcze zwane odbiornikami radiowymi, które realizują zaplanowane zadania.
Urządzenia systemów inteligentnych mogą być montowane w puszkach instalacyjnych pod tynkiem lub na szynie montażowej w rozdzielnicy, a także bezpośrednio na odbiornikach z możliwością ich zabudowy, a także bezpośrednio na wybranych powierzchniach (elementy bezprzewodowe).
Jedną z wielu korzyści wynikających z zastosowania systemu instalacji inteligentnej w danym obiekcie jest zwiększenie komfortu użytkowania instalacji przy jednoczesnym obniżeniu ponoszonych kosztów eksploatacyjnych. Systemy te oferują szeroki wybór inteligentnych urządzeń o różnym przeznaczeniu i funkcjonalnościach, lecz jednocześnie umożliwiają także wykorzystanie wybranych elementów instalacji konwencjonalnej, takich jak np. łączniki tradycyjne (mono- i bistabilne), które z powodzeniem mogą zostać zaimplementowane do systemu za pośrednictwem odpowiednich urządzeń konwertujących. Zabieg taki może dodatkowo spowodować obniżenie kosztów związanych z zastosowaniem systemu instalacji inteligentnej.
Rys. 1. Elementy łącznika standardu KNX na przykładzie urządzenia firmy Hager (Berker) [1]: a) widok ogólny łącznika; b) widok moduł podtynkowego portu magistralnego; c) komponenty składowe łącznika, gdzie: 1 – port magistralny, 2 – ramka, 3 – mechanizm przycisków, 4 – przyciski z wkładką pola opisowego, 5 – klamry mocujące, 6 – interfejs użytkownika, 7 – diody LED statusu urządzenia, 8 – śruba do zabezpieczania przed demontażem
Rys. 2. Elementy 4-klawiszowego łącznika bezprzewodowego na przykładzie urządzenia systemu xComfort firmy Eaton [2]: a) widok ogólny łącznika; b) widok moduł radiowego nadajnika ściennego; c) komponenty składowe łącznika: 1 – elementy montażowe i moduł nadajnika radiowego, 2 – ramka i przełączniki klawiszowe
Łączniki w instalacjach inteligentnych
W przypadku systemów instalacji inteligentnych łączniki należą do grupy urządzeń sensorycznych. Naciśnięcie klawisza lub przycisku łącznika powoduje wysłanie komunikatu zawierającego polecenie określające sposób realizacji danej funkcji sterowania. Polecenia te mogą być adresowane zarówno do pojedynczego urządzenia wykonawczego jak i do grupy urządzeń jednocześnie. Wyposażenie łączników w mikroprocesory umożliwia rozpoznanie pozycji danego elementu obsługowego. Oznacza to rozróżnianie stanu „krótkiego” przyciśnięcia elementu (przyciśnięcie i natychmiastowe puszczenie), stanu „długiego” przyciśnięcia elementu (przyciśnięcie z przytrzymaniem) oraz stanu „puszczenia” (zwolnienie elementu po wcześniejszym jego przytrzymaniu). Każdy z rozróżnianych stanów może być zaprogramowany na realizację innej funkcji sterowania, co w dużym stopniu zwiększa możliwości inteligentnych łączników w porównaniu do łączników klasycznej instalacji. Monostabilne łączniki konwencjonalne przyłączone do systemu inteligentnego z wykorzystaniem urządzenia konwertującego także mogą rozróżniać wszystkie trzy stany.
Producenci urządzeń systemów instalacji inteligentnych dysponują szerokim asortymentem w zakresie wzornictwa ramek i elementów obsługowych łączników. Jednak ze względu na typowe wymiary poszczególnych komponentów łączników systemów inteligentnych (rozmiary zgodne ze standardem 5555 mm), możliwe jest wykorzystanie także ramek oferowanych przez wybranych producentów konwencjonalnego osprzętu elektroinstalacyjnego.
Inteligentne łączniki stosowane w większości systemów przewodowych wyposażone są w element umożliwiający fizyczne przyłączenie przewodu magistrali do łącznika. Element ten zwany jest portem magistralnym i najczęściej zawiera w sobie mikroprocesor oraz pamięci wewnętrzne, a także zapewnia oddzielenie napięcia zasilającego urządzenie od informacji przesyłanych magistralą. Porty magistralne mogą być zintegrowane z pozostałymi elementami łącznika w jednej obudowie lub mogą stanowić oddzielne urządzenie. W takim przypadku należy pamiętać, że w celu skompletowania funkcjonalnego łącznika, oprócz portu magistralnego należy jeszcze dodać tzw. element użytkowy stanowiący moduł aplikacyjny łącznika (rys. 1.). Moduł aplikacyjny łączy się z portem magistralnym za pomocą tzw. interfejsu użytkownika (łącze adaptacyjne).
Łączniki bezprzewodowe są stosowane w większości systemów radiowych i stanowią grupę urządzeń nadawczych, czyli mogą one sterować odbiornikami radiowymi (radiowe urządzenia wykonawcze). Odbiorniki radiowe analizują telegramy wysłane z nadajników i przetwarzają je na odpowiednie sygnały na przykład przełączania i ściemniania oświetlenia lub sterowania pracą rolet.
Niezależnie od standardu komunikacji radiowej (protokołu komunikacyjnego), na którym opiera się dany bezprzewodowy system instalacji inteligentnej, łączniki te mają podobną budowę i wyposażone są w zbliżone komponenty. Podstawową cechą łączników bezprzewodowych jest sposób zasilania mikroprocesora i elementu nadajnika RF, w które wyposażony jest łącznik. Najczęściej do tego celu stosowane jest zasilanie bateryjne w postaci np. baterii 3V CR24xx, której trwałość wynosi około 10 lat, co w przypadku łączników bezprzewodowych jest równoważne około 100 000 cykli przełączania (lub 30 000 operacji związanych z pracą rolet czy też około 20 000 cykli ściemniania).
Łączniki bezprzewodowe najczęściej stanowią urządzenia uniwersalne pod względem dopasowania do danej aranżacji wnętrza tzn. można je dowolnie konfigurować wykorzystując przy tym także ramki innych producentów. Zbudowane są z płyty montażowej, ramki, modułu nadajnika oraz elementów obsługowych w wykonaniach od 1- do 4-klawiszowych (rys. 2.).
Ponieważ łączniki te są zupełnie płaskie, mogą one być montowane za pomocą taśmy dwustronnej lub kleju na dowolnej powierzchni (np. szkło, cegła, drewno), co stanowi dużą zaletę ze względu na elastyczność konfiguracji systemu oraz możliwość łatwej zmiany lokalizacji łącznika.
Rys. 3. Elementy łącznika standardu EnOcean na przykładzie urządzenia firmy Gira [3]: a) widok ogólny łącznika; b) widok moduł radiowego nadajnika ściennego; c) komponenty składowe łącznika: 1 – pojedynczy przełącznik klawiszowy, 2 – moduł nadajnika radiowego, 3 – ramka, 4 – płyta montażowa, 5 i 6 – samoprzylepne i klejone elementy montażowe
Rys. 4. Moduł radiowy nadajnika ściennego standardu EnOcean [4]
Na szczególną uwagę zasługują rozwiązania łączników bezprzewodowych oferowane w standardzie EnOcean. Standard ten opiera się na technologii radiowej, która do zasilania urządzeń bezprzewodowych wykorzystuje zasadę pozyskiwania energii z otoczenia. Urządzenia te są bezbateryjne oraz praktycznie nie wymagają konserwacji.
Elementy bezprzewodowe wyposażone są w niewielkie przetworniki, takie jak np. mikrogeneratory indukcyjne i piezoelektryczne, baterie słoneczne czy też termoogniwa, które umożliwiają odpowiednie przekształcenie energii dostarczonej z zewnątrz w energię elektryczną niezbędną do poprawnego funkcjonowania danego modułu.
Do podstawowych elementów łącznika bezprzewodowego opartego na tym standardzie zalicza się moduł radiowego nadajnika ściennego oraz komponenty montażowe i obsługowe (przełączniki klawiszowe, przyciski) (rys. 3.). Urządzenia mogą być montowane w puszkach instalacyjnych lub na gładkich, równych powierzchniach za pomocą śrub lub kleju i folii samoprzylepnych.
Moduł radiowego nadajnika ściennego łącznika standardu EnOcean (rys. 4.) wyposażony jest między innymi w elektrodynamiczny przetwornik energii mechanicznej stanowiący źródło zasilania całego modułu oraz mikroprocesor i nadajnik RF z anteną. Przetwornik energii jest uruchamiany przez wygięty w kształt łuku pręt (pałąk) (element (1) na rysunku 4.), który jest popychany przez naciśnięcie danego przycisku lub przełącznika klawiszowego zamontowanego na urządzeniu. Wygięty pręt umieszczony jest po obu stronach modułu nadajnika (góra/dół) oraz naciskany może być zarówno z lewej jak i z prawej strony, co umożliwia rozpoznanie poszczególnych klawiszy lub przycisków i ich aktualnej pozycji (rys. 4.). Wewnętrzna sprężyna modułu uwolni wygięty pręt, gdy tylko przestanie on być naciskany (zwolnienie przycisku/klawisza).
W momencie gdy pręt jest naciskany wytwarzana jest energia elektryczna i przesyłany jest odpowiedni telegram radiowy, w tym także identyfikator urządzenia. Zwolnienie przycisku i uwolnienie wygiętego pręta w podobny sposób generuje energię, która także jest wykorzystywana do transmisji telegramu radiowego lecz zawiera on już inne dane.
Identyfikując te różne rodzaje telegramów i mierząc czas pomiędzy popchnięciem i zwolnieniem wygiętego pręta, możliwe jest rozróżnienie stanu między „krótkim” i „długim” naciśnięciem przycisku. Umożliwia to prostą implementację aplikacji, takich jak regulacja jasności oświetlenia (ściemnianie) lub sterowanie żaluzjami, w tym również pracą listew. Telegram radiowy w tym przypadku identyfikuje stan (wciśnięty lub nienaciśnięty) czterech złączek stykowych (element (2) na rysunku 4.), gdy pchnięto lub zwolniono wygięty pręt. Umożliwia to zastosowanie maksymalnie do dwóch przełączników klawiszowych lub do czterech przycisków w pojedynczym urządzeniu.
Zastosowany w tych urządzeniach konwerter energii mechanicznej umożliwia standardowo wykonanie od 50 000 do ponad 300 000 cykli przełączania, natomiast w idealnych warunkach możliwe jest wykonanie nawet ponad milion cykli przełączania [4].
Łączniki systemu EnOcean (nadajniki ścienne) można zintegrować z różnymi systemami automatyki budynkowej (KNX, LCN, LON, DALI, BACnet, WAGO I/O itp.) poprzez wykorzystanie odpowiednich urządzeń stanowiących bramki pomiędzy modułami, które oparte są na różnych protokołach oraz odmiennych sposobach komunikacji.
Przedstawione powyżej rodzaje łączników stanowią jedynie przykłady wybranych rozwiązań aktualnie oferowanych przez producentów wiodących systemów instalacji inteligentnych.
Wnioski
Instalacje inteligentne znajdują się w fazie dynamicznego rozwoju. Mają zróżnicowane rozwiązania w zależności od: stosowanego protokołu komunikacyjnego, rodzaju medium transmisyjnego i topologii i składają się z urządzeń: sensorycznych, wykonawczych i systemowych.
Łączniki stosowane w instalacjach inteligentnych stanowią nowoczesne i złożone aparaty wyposażone w mikroprocesory. Odgrywają większą rolę niż w instalacjach tradycyjnych. Należą do grupy urządzeń sensorycznych i są stosowane zarówno w systemach przewodowych, jak i bezprzewodowych. Naciśnięcie klawisza lub przycisku łącznika powoduje wysłanie komunikatu zawierającego polecenie określające sposób realizacji danej funkcji sterowania, przy czym polecenia mogą być adresowane zarówno do pojedynczego urządzenia wykonawczego jak i do grupy urządzeń jednocześnie. Pozwala to na wykorzystanie takiego łącznika do sterowania różnych odbiorników w szerokim zakresie.
Literatura
- http://www.hager.pl
- http://www.xcomfort.com
- http://katalog.gira.de
- http://www.enocean.com
- W. Dołęga, Przedsięwzięcia zmniejszające zużycie energii elektrycznej na oświetlenie w obiektach użyteczności publicznej. Współczesne wyzwania strukturalne i menadżerskie w ochronie zdrowia. Problemy zarządzania. Zespół autorów pod redakcją Romana Lewandowskiego i Ryszarda Walkowiaka. Wydawnictwo Olsztyńska Wyższa Szkoła Informatyki i Zarządzania im. Prof. T. Kotarbińskiego, Olsztyn 2010.
- S. Niestępski, M. Parol, J. Pasternakiewicz, T. Wiśniewski, Instalacje elektryczne – budowa, projektowanie i eksploatacja. Wyd. 4, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2019.
- H. Markiewicz, Instalacje elektryczne, wydanie 8, WNT, Warszawa, 2012.
