Programování osvětlovacích soustav v průmyslových areálech

Jak chytře řídit osvětlení v rozlehlých průmyslových areálech? Klíčem je propojení systémů PLC s komunikačními standardy RS-485 a DALI, které umožňuje nejen spolehlivé ovládání na velké vzdálenosti, ale i přesný monitoring a diagnostiku. Článek ukazuje, jak moderní řízení osvětlení zvyšuje účinnost kamerových systémů v různých podmínkách, omezuje světelné znečištění a zároveň přináší úspory energie a prodlužuje životnost svítidel.

Osvětlení průmyslových areálů je klíčové pro bezpečnost a spolehlivý provoz. Jeho návrhy vycházejí z platné legislativy a norem (např. ČSN EN 13201, 12464-2), které definují požadavky na osvětlenost i omezení světelného znečištění. V praxi bývají (např. v elektrických stanicích přenosové soustavy) tyto požadavky dále zpřesněny technickými normami, jako je třeba TN 59 [1].

K řízení osvětlení se využívají svítidla s rozhraním DALI, doplněná o komunikační technologie umožňující spolehlivý přenos na velké vzdálenosti. Regulace (stmívání) přináší úspory energie, prodlužuje životnost svítidel a umožňuje přizpůsobit světelné podmínky požadavkům kamerových systémů i aktuálnímu počasí.

Celý systém je řízen pomocí PLC, které zajišťuje ovládání, monitoring i diagnostiku na dálku (Programmable Logic Controller, programovatelný logický automat). Výsledkem je efektivnější provoz, nižší náklady, omezení světelného znečištění a vyšší úroveň bezpečnosti [2].

Obr. 1 – základní hardwarová konfigurace s PLC Foxtort CP-2007 s přístroji zajišťujícími komunikaci se svítidly s předřadníkem DALI

Komunikace se svítidly na velké vzdálenosti

Řízená osvětlovací soustava je osazena stmívatelnými svítidly s komunikačním rozhraním DALI. Rozhraní DALI je definované v souboru norem ČSN EN 62386, kde jednotlivé části popisují základní obecné i zvláštní požadavky [3]. Jedná se o otevřené rozhraní. Komunikuje po sběrnici se dvěma vodiči, které bývají obvykle nazývány DA+/DA-, +DALI/-DALI. Sběrnice může být vedena v rámci běžného instalačního kabelu se silovými vodiči. Jelikož je délka komunikace v normě definována maximální vzdáleností 300 m, je při požadavcích na větší vzdálenosti nutné použít kombinaci s jiným typem komunikace. V našem návrhu kombinujeme DALI komunikaci se sériovou komunikací RS-485. Ta standardně využívá tři vodiče vedené samostatným stíněným kabelem s maximální vzdáleností komunikace 1 200 m. K dosažení větší vzdálenosti je možné použít opakovač (repeater), případně rozbočovač RS-485 (např. typ SW485). Tento rozbočovač RS-485 SW485 umožňuje propojení až devíti linek RS-485 do hvězdy.

V případě požadavků komunikace na ještě větší vzdálenosti je možné využití technologie s optickými vlákny. Optický komunikační systém zahrnuje řadu speciálních členů: modulátory, demodulátory, kodéry, dekodéry, multiplexory, demultiplexory, vazební členy apod. Například s převodníkem typu TCF-142-M/S-ST lze v singl módu dosáhnout komunikace až na vzdálenost 40 km [11].

Námi realizované hardwarového řešení

Pro naše požadavky byla v popisovaném případě zvolena nejoptimálnější varianta komunikace promocí sběrnice RS-485 a metalického kabelu. Tato možnost je dostatečně robustní a vyhovující. Celá hardwarová koncepce řízení je znázorněna na obr. 1. Je na něm patrná hlavní řídicí PLC celého systému Foxtrot CP-2007 od firmy Teco, a. s. V tomto PLC běží hlavní řídicí program, který komunikuje s ostatními periferiemi a kompletně ovládá celé venkovní osvětlení na základě požadavků vizualizace a čidla osvětlenosti.

Obr. 2 – princip koncepce komunikace při použití hlavní jednotky Foxtort CP-2007 a následně podružné jednotky Foxtort CP-2005 vzájemně propojené komunikací ethernet

Jak je vidět na obr. 2, hlavní řídicí PLC je propojen s podružnými PLC Foxtrot CP-2005, které mohou být vzdálené několik kilometrů, protože tyto PLC mezi sebou komunikují pomocí komunikace ethernet, jež může být bezdrátová, metalická nebo optická. Propojení pomocí ethernetu umožňuje umístění podružné řídicí jednotky kdekoli v topologii projektového konceptu osvětlovací soustavy. Následně je možno využít komunikace RS-485 [8] a až do vzdálenosti 1,2 kilometru od podružného PLC umístit jednotku převodníku DGW-521. Od této jednotky je možno hvězdicovitě až do vzdálenosti 300 m umístit až 64 svítidel s předřadníkem DALI.

Na obr. 3 je vidět fyzický přehled komponentů používaných při popisované konfiguraci ovládání světelné soustavy. PLC Foxtrot CP-2005 má v sobě instalován modul komunikace RS-485, kterým je zajišťována komunikace na velkou vzdálenost (až 1 200 m). Tento modul je propojen s převodníkem RS-485/DALI typ DGW-521 od firmy IPC DAS [4], který mimo jiné splňuje i náročné požadavky na teplotu okolí v rozsahu teplot od –25 °C do +75 °C. DGW-521 je komunikační brána mezi protokoly Modbus RTU/DCON a DALI (Digital Addressable Lighting Interface) a umožňuje hostitelskému PC přistupovat k zařízením DALI tím, že poskytuje tři rozhraní, která umožňují konverzi z RS-232 nebo RS-485/USB na DALI. Převodník DGW-521 může být standardně instalován v rozváděči, který je umístěn v terénu, například přímo na sloupu prvního ovládaného svítidla. Proto jsou obecně kladeny vyšší nároky na jeho robustnost [5].
 

Obr. 3 – názorný přehled komponentů a komunikace se svítidly s předřadníkem DALI

 

Obr. 4 – ukázka z projektové dokumentace zobrazující zapojení přepěťové ochrany v obvodu komunikace DALI

Venkovní rozváděče k umístění převodníku jsou standardně navrhovány tak, že mají z důvodu omezení kondenzace vlastní vyhřívání. Příklad umístění rozváděče ASZxx v elektrické stanici přenosové soustavy se svítidly hlídacího osvětlení je znázorněn na obr. 6. Každým převodníkem DGW-521 lze řídit až 64 svítidel s předřadníkem DALI. Převodník lze konfigurovat přes USB port, kde jsou nastaveny: číslo převodníku, komunikační rychlost (57 600 bps) a parametry komunikačního protokolu [6].

Propojení převodníku DGW-521 a komunikačního modulu RS-485 je zajištěno stíněným kabelem typu CYKFY. Z rozváděče ASZxx jsou již napojena jednotlivá svítidla pomocí sběrnice DALI. Od rozváděče ASZxx můžeme provést napojení DALI sběrnice hvězdicovitě na všechny strany do vzdálenosti 300 m. Z důvodu zajištění robustnosti celé instalace v elektrické stanici přenosové soustavy, kde se vlivem povahy zařízení vyskytují silná elektromagnetická pole, bylo rozhodnuto, že bude sběrnicové vedení DALI v tomto prostředí vedeno samostatným stíněným kabelem. Takto provedená instalace zajišťuje dostatečnou spolehlivost. Je nezbytná vzhledem k elektromagnetickému prostředí rozvodny, kde se často setkáváme s ovlivněním elektrické instalace i zařízení při různých provozních činnostech v elektrické stanici přenosové soustavy, např. při provozní manipulaci spínání nebo vypínaní výkonových prvků. Na každou sběrnici RS-485 je možno připojit více jednotek DGW-521, a tak rozšířit počet ovládaných svítidel. Nebo může být každá jednotka umístěna v různé vzdálenosti od řídicího PLC.

Obr. 5 – komplexní topologické schéma propojení svítidel osvětlovací soustavy s předřadníky na komunikaci DALI s PLC řídicí jednotkou

Jak bylo i v praxi ověřeno, je velmi důležité umístění přepěťových ochran také na sběrnicích v komunikačních obvodech. Daná přepěťová ochrana slouží nejen při případném úderu blesku, ale především jako ochrana převodníku při případném špatném propojení vodičů ve stínidlech. V praxi již několikrát vedlo špatné zapojení vodičů k tomu, že byl na sběrnici DALI zjištěn potenciál 230 V, což je samozřejmě nežádoucí a může to vést k poškození převodníku. Zapojení s přepěťovou ochranou v obvodech komunikace je znázorněno na obr. 4.

Výhodou komunikace pomocí RS-485 je skutečnost, že mohu oslovovat více jednotek na jedné sběrnici. Je tedy možné s použitím jednoho komunikačního modulu RS-485 v PLC Foxtrot napojit více převodníků DGW-521, a tím řídit více svítidel. Praktická ukázka rozmístění rozváděčů s převodníky RS-485/DALI v jednotlivých prostorech topologie osvětlovací soustavy je znázorněna na obr. 5. Zde je uveden příklad jedné z možností, kdy máme menší elektrickou instalaci a řízení venkovního osvětlení je prováděno z jednoho místa jednou jednotkou PLC. Prezentovaný systém vhodného umístění převodníků RS-485/DALI umožňuje následně hvězdicovitě ovládat až 64 svítidel s předřadníkem DALI až do vzdálenosti 300 m. Jak již bylo uvedeno výše, je možné do této topologie napojit i více jednotek PLC propojených po komunikaci ethernet. Následně tak lze mít v topologii instalace osvětlovací soustavy takových centrálních míst kolem ovládací podružné jednotky PLC potřebné množství.

V rámci regulace osvětlovací soustavy je v zájmu optimální viditelnosti kamer možné použít také reference z kamerového systému. Jak je vidět na ukázce na obr. 6.

Popis řídicího systému

Obr. 6 – ukázka rozmístění jednotlivých rozváděčů ASZxx k ovládání svítidel v elektrické stanici přenosové soustavy

Provoz osvětlovací soustavy je zajišťován řídicím systémem PLC. Po analýze a zvážení potřeby využitelnosti, zohlednění všech parametrů využití a s přihlédnutím ke kritériu poměr cena/výkon jsme pro naši příkladovou aplikaci vybrali řídicí systém od firmy Teco, a. s. Obvykle nasazujeme řídicí jednotky řady Foxtrot 2 [9], které mají obsáhlou škálu použití a také přímo integrovaný web server. Využití řídicího systému PLC spočívá nejen v zajištění spolehlivého provozu a ovládání osvětlovací soustavy, ale plní i funkce vzdáleného monitoringu a diagnostiky osvětlovacích soustav. Ve specifikaci systému Tecomat Foxtrot 2 je deklarována shoda z hlediska EMC nařízení vlády ČR č. 616/2006, a to na základě norem ČSN EN 61131-2 ed. 2: Programovatelné řídicí jednotky – část 2: Požadavky na zařízení a zkoušky (části týkající se EMC) a ČSN EN 55011 ed. 2: Průmyslová, vědecká a lékařská zařízení – Charakteristiky vysokofrekvenčního rušení – Meze a metody měření. K programování je využíván komplexní vývojový nástroj Mosaic. Umožňuje pohodlnou tvorbu a odladění programů, rozsáhlé projekty zahrnující velké množství řídicích systémů či vzdálených I/O modulů. Architektura prostředí Mosaic i její jednotlivé nástroje jsou dle normy ČSN EN 61131-3 ed. 2: Programovatelné řídicí jednotky – část 3: Programovací jazyky.

Programování osvětlovací soustavy se svítidly s předřadníky DALI

Jak již bylo uvedeno, k programování PLC Foxtrot [9] od společnosti Teco, a. s., se používá vývojové programovací prostředí Mosaic. V něm lze vybírat z programovacích jazyků dle uváděné normy:

• IL – Instruction List – jazyk seznamu instrukcí
• ST – Structured Text – jazyk strukturovaného textu
• LD – Ladder Diagram – jazyk příčkového diagramu (jazyk kontaktních schémat)
• FBD – Function Block Diagram – jazyk funkčního blokového schématu

Na obr. 7 uvádíme příklad části kódu v jazyce FBD. Ve velké míře je rovněž standardně využíván zápis v jazyce strukturovaného textu.

Obr. 7 – příklad části kódu v jazyce FBD – funkční blokové schéma

Systém PLC automatů Foxtrot má v sobě přímo implementovaný web server, což znamená, že můžeme monitorovat a ovládat požadované funkce pomocí vhodně vytvořené vizualizace.

Vizualizace se opět programuje v softwaru Mosaic a v rámci přednastavených objektů je možné přenášet data mezi programovacím a vizualizačním prostředím pomocí globálních proměnných. K vizualizačnímu oknu přistupujeme přímo přes IP adresu daného PLC. V zájmu ochrany přístupů, technologie, dat apod. je nutné k umožnění přístupu na konkrétní vizualizační stránku vždy provést přihlášení pomocí jména a hesla. Náhled vizualizace určené k programování a řízení osvětlovací soustavy pomocí DALI je na obr. 8. Programovací vizualizační prostředí umožňuje nastavení až 9 úrovní přístupů, z nichž je možné provádět různé konfigurace. Je možné nastavit, která data může konkrétní uživatel ovládat (nebo jestli je mu umožněno na vybrané informace pouze nahlížet). PLC Foxtrot komunikuje s jednotkou DGW-521 pomocí sériové komunikace RS-485. Ta následně předává příkazy sběrnici DALI, která je nasměruje k jednotlivým svítidlům.

Závěrem

Na konkrétním příkladu jsme si demonstrovali programování a řízení venkovních osvětlovacích soustav, aby byly splněny normou požadované parametry horizontální osvětlenosti z pohledu bezpečnosti osob, a minimální kamerovou osvětlenost z pohledu rozpoznatelnosti potenciálního narušení hlídaného objektu. Vzhledem k omezeným vzdálenostem rozhraní komunikace DALI bylo k prodloužení komunikace nutné nasadit rozhraní RS-485, s nímž lze prostřednictvím klasického metalického kabelu komunikovat až do vzdálenosti 1,2 km. Pokud by i tato vzdálenost nebyla dostatečná, nabízí se zajištění komunikace mezi jednotlivými jednotkami pomocí ethernetu. Případně je možné komunikaci RS-485 a ethernet ještě prodloužit využitím technologie optických kabelů [10].

Obr. 8 – náhled vizualizace k programování a ovládání osvětlovací soustavy pomocí DALI

V článku popisovaná instalace s komunikací RS-485 s využitím metalického kabelu a řiditelnými svítidly s DALI předřadníkem momentálně funguje ve čtyřech elektrických stanicích přenosové soustavy. Jsou provozovány již čtyři roky a doposud nebyly zaznamenány žádné situace, které by vedly k nevykonání požadovaných funkcí.

K zajištění dostatečné ochrany zařízení (zdrojů, PLC, převodníků, svítidel apod.) jsou ve svítidlech i v napájecích rozváděčích instalovány přepěťové ochrany. A to jak na silové napájecí obvody, tak na obvody komunikací DALI a RS-485. Tato opatření jsou prováděna k zajištění odolnosti proti přepětí (zejména podle ČSN EN 61000-4-5 ed. 3), ale také k zajištění kompletní odolnosti v průmyslovém prostředí (podle ČSN EN 61000-6-2 ed. 4). Dále jsou provedena opatření proti působení vlivů elektromagnetického pole, které vzniká zejména při manipulacích na napěťových hladinách velmi vysokého a vysokého napětí. Daná opatření vyhovují normám ČSN EN 61000-4-9 ed. 2 a ČSN EN 61000-4-10 ed. 2.

Základním požadavkem je zajištění bezpečnosti osob a majetku. Z něj plyne nezbytnost kvalitního a spolehlivého osvětlení celého sledovaného prostoru. A to s maximální účinností, regulovatelností a včasnou detekcí poruch. Prezentovaná venkovní osvětlovací soustava je rovněž navrhovaná v souladu s požadavky na zajištění nejvyšší efektivnosti a maximálního snížení světelného znečištění [7].

V rámci našich praktických zkušeností se zabýváme především navrhováním osvětlovacích soustav v areálech elektrických stanic přenosové soustavy ČEPS, a. s., kde jsou kromě základních normativních požadavků zohledněny i vlivy specifického prostředí s častým výskytem elektromagnetického rušení způsobeného charakterem provozu elektrické stanice přenosové soustavy.

Trend koncepce Průmyslu 4.0 směřuje k integraci těchto systémů, k možnosti ovládat pověřeným pracovníkem soustavu v jakémkoli místě v areálu. Nebo případně vzdáleně odkudkoli, například pomocí mobilního zařízení. Dále je žádoucí, aby systém osvětlovací soustavy fungoval autonomně a reagoval na požadavky v rámci celé soustavy širší inteligentní infrastruktury. Využití platformy komplexní správy dat umožňuje propojení jednotlivých světelných bodů, jejich vzdálenou správu a optimalizaci v reálném čase. Prediktivní analýza dat zase umožňuje předvídat poruchy, plánovat údržbu a dále snižovat provozní náklady.

Autor: Ing. Tomáš Mlčák, Ph.D.,
tomas.mlcak@vsb.cz

---

Literatura a odkazy:

1. ULLMAN, Ivo. The New Outdoor Lighting Implementation in Electric Substations ČEPS, a. s., Proceedings of the 14th International Scientific Conference Electric Power Engineering 2013, pp. 548-552, Ostrava 2013, ISBN 978-80-248-2988-3
2. ULLMAN, Ivo; OTÝPKA, Jan; MLČÁK, Tomáš. New Development in Control System ČEPS, a. s. Electrical Substation Outdoor Lighting, Proceedings of the 15th International Scientific Conference Electric Power Engineering 2014, pp. 649-655, Brno 2014,
   ISBN 978-14-799-3808-7
3. Rozhraní DALI, wikipedie, https://cs.wikipedia.org/wiki/DALI_(rozhran%C3%AD)
4. DGW-521, manuál, https://mctt.com.vn/wp-content/uploads/2018/11/dgw-521-user-manual.pdf
5. DALIconfig, uživatelský manuál, http://www.foxtron.cz/images/ke_stazeni/Manual DaliConfigCZ.pdf
6. masterCONFIGURATOR, manuál, https://www.tridonic.com/com/en/download/Manual_masterCONFIGURATOR_en.pdf
7. BĚČÁK, Petr; WLOSOKOVA, Jana; PÍCHA, Jan; NOVÁK, Tomáš; SOKANSKÝ, Karel. Modeling of Luminous Flux Radiation to the Upper Hemisphere from Real Model of Town. Online. 2019, pp. 1-5. Dostupné z: https://doi.org/10.1109/epe.2019.8778190
8. Rozhraní RS-485, https://vyvoj.hw.cz/teorie-a-praxe/dokumentace/rs-485-422.html
9. Teco, a. s., https://catalog.tecomat.cz/kategorie/foxtrot-2-zakladni-moduly
10. Papen,G.C., Blahut, E.R.: Lightwave Communications. Cambridge University Press, 2019,
    ISBN 978-1-108-42756-2
11. MLČÁK, Tomáš; HRBÁČ, Roman. Řízení venkovních osvětlovacích soustav s komunikací na velké vzdálenosti, Kurz osvětlovací techniky XXXVII, pp. 84–91, Ostrava 2023, ISBN 978-80-11-05982-8