Licht

Übersicht

Licht-Steuerprotokolle in der Architektur

Lichttechnik ist nicht nur in der Veranstaltungstechnik beheimatet, sondern auch im Architekturbereich. So sind auch speziell für den Architekturbereich Lichtsteuer- bzw. Übertragungssysteme entwickelt worden, die insbesondere den Anforderungen im Bausektor gerecht werden. Da immer mehr Licht-Entertainment in der Architektur stattfindet, das so genannte Architainment, blicken wir hier einmal über den Tellerrand, um die Eigenheiten der Architektur-Steuersignale kennenzulernen.

 

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Unterschiede zur Veranstaltungstechnik

In der Veranstaltungstechnik ist DMX 512 auch deshalb ein Standard, da mit diesem Protokoll beatgenaue Flash-Lauflichter realisiert werden können. Dagegen sind die Anforderungen aus der Architektur eher im Bereich einfachster Verkabelung oder Anbindung an weitere Gewerke wie Klima oder Sonnenrollos gelegen, während eine schnelle Verarbeitung eine untergeordnete Rolle spielt. So rümpft manch Veranstaltungstechniker die Nase, wenn er mit Architektur-Steuersignalen zu tun hat. Jedoch darf man die Lösungen nicht pauschal abtun, denn selbst in manch ureigenen Veranstaltungsprodukten wie einer Leuchtstoff-Farbrampe kann man intern Steuerungen aus dem Architekturbereich wiederfinden.

In der weiteren Verzweigung erfolgt ein Auszug von Steuerprotokollen aus der Vielfalt des Architekturlichts. So heißen weitere Steuersysteme z. B. X10, Netlinx, AMX-Bus, Polytrax, HomePNA, EHS, CEBus, Luxmate oder Nicobus, um nur einige zu nennen.

Die Funktion von Gateways (s. dazu auch Artikel Netzwerke in der Veranstaltungstechnik, Abschnitt Gateway) finden wir unter den unterschiedlichen Bussystemen der Architektursysteme wieder. So sind nicht nur Gateways zwischen EIB, LON oder Dali vorhanden, sondern auch zu Ethernet und DMX. So kann eine komplexe Lichtgestaltung durchaus per Entertainment-Lichtstellpult entwickelt werden und mit Playback-Geräten der kontinuierliche Ablauf kostengünstig realisiert werden, während über Anbindung über ein Gateway auf ein für Architekturbelange optimiertes Bussystem die Szenen übertragen werden, so dass die künstlerische Vorstellung wie auch die ökonomische Betrachtung des Betreibers zu realisieren sind. Aber auch umgekehrt wird diese Technik immer weiter fortschreiten, wenn es darum geht in einem Veranstaltungsbetrieb wie einem Theaterhaus die Anbindung vom Lichtstellpult an das Saallicht und weiter noch an angrenzende Bereiche der Haustechnik über standardisierte Hardware mit hausspezifischer programmierter Oberfläche realisiert zu werden. So kann dem kostenintensiven Sonderbau begegnet werden und Änderungen bei eingetretenen Nutzungsänderungen müssen nicht mehr mit schwierigen Umbauten erfolgen, sondern einfach mit der Umprogrammierung von Funktionen. So bleibt, gerade in der immer schneller drehenden Welt, zumindest die Hardware-Investition gesichert.

Die Kenntnis über die angrenzenden Architektur-Bussysteme erleichtert die Einschätzung über den zu betreibenden Aufwand bei einer Ankopplung, den Vorteil, aber auch die Grenzen der Systeme. So ist es z. B. vorstellbar, dass ein Theater bei Einsatz von Leuchtstofflampen anstatt Dimmerkreise mit Grundlast und unter Beachtung der Phase VIP 90 VG anzusteuern auf EVGs umschwenkt, die mit Dali arbeiten und über ein DMX-Dali-Gateway die Steuerung realisiert. Damit wären die Besonderheiten der Dimmerauswahl nicht so hoch, man muss aber im Gegenzug die Auflösung von nur 8 Bit hinnehmen sowie eine leicht zeitverzögerte Reaktionszeit.

Licht-Steuerprotokolle in der Architektur

DSI

DSI steht für Digital Serial Interface. Dieses Protokoll wurde zur Ansteuerung von elektronischen Vorschaltgeräten von TRIDONIC ATCO für Leuchtstofflampen entwickelt. Dabei sollte es sehr störsicher sein, was mit einer Signalspannung von 12 Volt und einer relativen geringen Übertragungsrate von nur 1,2 Kbit pro Sekunde erreicht wird. Eine individuelle Adressierung sowie Rückmeldungen jeder einzelnen Leuchte ist mit dem DSI-EVGs nicht möglich.

Dennoch hat DSI gegenüber der 1-10 Volt Analogansteuerung erhebliche Vorteile: Da die Ein/Aus-Funktion über die digitale Schnittstelle gesteuert wird, kann die Netzeinspeisung frei von Gruppen und Regelkreiszugehörigkeit auf die EVGs aufgeschaltet werden. Dieser Umstand ist gerade bei Nutzungsänderung von Vorteil, da die Lastleitung bestehen bleiben kann und nur die Steuerleitung den neuen Geometrien angepasst werden muss. Das Niederspannungskabel der digitalen Schnittstelle ist polaritätsfrei und kann somit in beliebiger Polarität am DSI-Anschluss des EVGs angeschlossen werden. Durch die Verwendung einer digitalen Schnittstelle ist das Dimmverhalten, aufgelöst mit 8 Bit, vom ersten bis zum letzten Leuchtmittel gleich. Durch Überspannungsschutz ist die Installation zusammen mit der Netzleitung möglich, was erheblich weniger Aufwand bedeutet. Zwar gibt es auch Typen, die einen Defekt der Leuchte zurückmelden können, jedoch ist das DSI-Steuersignal in erster Linie zur Steuerung von elektronischen Vorschaltgeräten anzusehen, weniger für Netzwerkanwendung. Die dafür benötigte größere Flexibilität erfolgte erst mit der Entwicklung des DALI-Bussystems.

Übersicht DSI

Gewerke: Licht
Datenaustausch: Unidirektional
Zugriff: Zentralsteuerung
Übertragungsverfahren: Asynchron
Übertragungsgeschwindigkeit: 1,2 Kbit/s
Teilnehmer: 25
Gruppen: –
Spannungsversorgung Teilnehmer: 12 Volt
Topologie: Linie
Leitungslänge: 250 m
Anwendung: Ansteuerung von elektronischen Vorschaltgeräten

DALI

DALI steht für Digital Addressable Lighting Interface und kann als konsequente Weiterentwicklung von DSI angesehen werden. In der Veranstaltungstechnik hört man selten etwas von einem DALI-Bus, aber dennoch findet er im Verborgenen öfters seine Anwendung. Schraubt man z. B. eine von DMX 512 angesteuerte Integra auf, so erkennt man im Inneren Vorschaltgeräte der Leuchtstofflampen, die mit einem DALI-Bus angesteuert werden. Eine andere Platine hat die Aufgabe der Adresseinstellung, Menü-Funktionen und das DMX-512-Signal zu decodieren um es dann als DALI-Protokoll den Vorschaltgeräten der Leuchtstofflampen zuzuführen. Aber das Haupteinsatzgebiet des DALI-Bus ist natürlich im Architekturbereich. Jedes Betriebsgerät, das über eine DALI-Schnittstelle verfügt, kann über DALI-Kurzadressen einzeln angesteuert werden. Wie der Name bereits andeutet handelt es sich um ein digitales Protokoll zur Lichtsteuerung, dessen Teilnehmer adressiert werden können. Dabei war das Hauptziel die Nachteile der sonst üblichen 1-10V Analogansteuerung zu beseitigen und dennoch nicht die Komplexität und Kosten der üblichen Industrie-Bussysteme anzunehmen. Bei DALI wendet man ein zentral gesteuertes Master-Slave-Prinzip an, das aber auch Multimaster-fähig ist. Über eine Zentrale erfolgt die Zugriffsteuerung auf den Bus, wobei die Teilnehmer die Befehle erhalten und abgefragt werden können. Über die Zentrale wird auch die Inbetriebnahme bewerkstelligt. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Verdrahtung. Nutzt man z. B. ein 5-adriges 1,5 mm² Stromkabel, kann man mit drei Adern die Netzspannungsversorgung für den Teilnehmer verwenden und die weiteren zwei Adern können mit dem DALI-Bussignal belegt werden. Denn wenn eine Basisisolierung vorhanden ist, dürfen DALI und 230 V nebeneinanderliegen. DALI ist intern galvanisch getrennt, was auch Masseschleifen verhindert. Sogar das verpolte Aufklemmen der Steuerleitung stellt kein Problem dar.

Die Kommunikation ist recht einfach gehalten. Nach der Startkennung erfolgt die Unterscheidung ob die nächsten 6 Bit eine Gruppenadresse oder eine Geräteadresse darstellen. Darauf folgt ein Unterscheidungsbit ob die nächsten 8 Bit ein Kommando wie Schalten, Dimmen (mit Fadezeit), Festwert setzen, EVG- und Lampenfehlern senden, Lampeneinbrennzeiten senden oder eine der 16 Lichtszenen aufrufen, oder einen Wert darstellen. Beendet wird das Telegramm mit zwei Stopp Bits. Sendet der Teilnehmer an die Zentrale, erfolgt dies nur mit 8 Bit Daten neben den Start- und Stopp-Bits. Aufgrund des einfachen Aufbaus und den Begrenzungen, ist der DALI-Bus in erster Linie geeignet größere Räume zu steuern oder fungiert als Subsystem eines Gebäude-Automationssystems über ein Gateway. So könnten in einem Gebäude in jedem Geschoss voneinander unabhängige DALI-Busse das Licht steuern. Aufgrund der geringen Kosten des Systems, findet man DALI-Komponenten in noch kleineren Systemen, wie die anfangs erwähnten RGB+W Leuchtstoff-Rampen, denn immerhin ist DALI normiert gemäß IEC 60929, Norm für Vorschaltgeräte.

Übersicht DALI

Gewerke: Licht
Datenaustausch: Bidirektional
Zugriff: Zentralsteuerung
Übertragungsverfahren: Asynchron
Übertragungsgeschwindigkeit: 1.200 Bit/s
Teilnehmer: 64
Gruppen: 16
Spannungsversorgung Teilnehmer: 16 V (9,5–22,4 V)
Topologie: Baum, beliebig
Leitungslänge: max. 300 m zwischen Spannungsversorgung und Teilnehmer (max. 2 V Spannungsfall bzw. 8 Ohm Schleifenwiderstand)
Anwendung: Lichtsteuerung für großen Raum

Elektronikkomponenten in einer HGL-Wanne

Innenleben einer HGL (Hintergrundleuchte) Integra DALI gesteuerte EVGs (elektronische Vorschaltgeräte), hier vier Stück für die Grundfarben Rot, Grün, Blau und Weiß

Platine der Steuerelektronik
In der Intregra wird das DMX-512-Signal in ein DALI-Signal umgewandelt und steuert die EVGs (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Protokollaufbau DALI
Einfache und schnell zu verstehende Telegramme zwischen dem Master und den Slaves bei DALI (Bild: Herbert Bernstädt)

 

KNX früher EIB

2002 wurde KNX ins Leben gerufen auf der Basis von EIB. KNX ist in die europäische Norm EN 50090 und als internationale Norm ISO/IEC 14543-3 übernommen worden. EIB steht für European Installation Bus und wurde von den Firmen Berker, Jung, Gira, Merten und Siemens ins Leben gerufen. Durch den späteren Zusammenschluss mit der Konnex Association wurde der EIB-Bus erweitert und auch namentlich auf EIB/KNX geändert. Im Gegensatz zu DALI ist der EIB-Bus dezentral aufgebaut und unterstützt alle Gewerke wie Heizung, Lüftung oder gar Sicherheitseinrichtungen. Die Teilnehmer werden unterschieden in Sensor wie z. B. Schalter, Befehlsgeber, Windmesser, Helligkeitssensor oder Gasdetektor und in Aktoren wie Dimmer, Jalousien, Motoren oder Lüftung, um nur einige zu nennen. Dabei muss jeder Teilnehmer einen eignen Mikrocontroller beinhalten, der eine selbstständige Prozessbearbeitung für das betreffende Gerät durchführen kann. Denn im Gegensatz zum DALI-System, bei dem ein Zentralrechner alles steuert und nur den direkten Befehl übermittelt, ist beim EIB-System kein zentrales Steuergerät erforderlich. Findet irgendein Ereignis statt, so sendet der Sensor die Nutzinformation wie z. B. „Schalter wurde geschaltet“ oder „Windgeschwindigkeit beträgt 8 Knoten“ oder ein Rechner liefert zeitgesteuerte Ereignismeldungen. Alle angeschlossenen Aktoren hören die Busleitung ab und bei entsprechender Gruppenadresse oder Absenderadresse reagiert der Aktor mit der in ihm vorprogrammierten Handlung. Ein Vorteil ist dabei, dass der Ausfall einer Zentralsteuerung hier keinen Totalausfalls des Systems zur Folge hat. Nachteilig ist bestimmt der gesteigerte Programmieraufwand der einzelnen Aktoren.

Jeder Teilnehmer muss also mit einem Programmiergerät adressiert werden sowie mit dem Funktionsprogramm (Applikation), Parametern und Gruppenadressen programmiert werden. Der Bus selbst besteht aus „J-Y(St)Y 2x2x0,8 EIB“ (Twisted-Pair-Kabel) wovon jedoch nur ein Paar benötigt wird, denn die Signale wie auch die Spannungsversorgung von 28 V DC erfolgen über dieselben Adern. Man kann Bereiche über Koppler aufteilen. Bei den Bereichskopplern können Adressräume definiert werden damit bestimmte Informationen von einem Bereich in den anderen übertreten können. Ein Liniensegment besteht aus maximal 64 Teilnehmern. 4 Liniensegmente können zu einer kompletten Linie zusammengefügt werden. Dabei werden zur Ankopplung Linienverstärker bzw. für die erste Linie ein Linienkoppler verwendet. Bis zu 14 weitere Linienkoppler können mit ihren Linien zu einem Bereich zusammengeschlossen werde. Reichen die nicht aus, können mit Bereichskopplern mehrere Bereiche zusammengeschlossen werden. Somit sind mit dem EIB-Bus die Beleuchtung, Jalousien bzw. Verschattungseinrichtungen, Heizung, aber auch die Schließ- und Alarmanlage zu steuern. Selbst eine Fernüberwachung und -steuerung des Gebäudes ist möglich. Aufgrund der soeben hier skizzierten Möglichkeiten ist es leicht nachzuvollziehen, dass man zur Bewältigung eines so mächtigen Bussystems etwas Einarbeitungszeit benötigt. Der EIB-Bus ist über die EN50090 normiert.

Übersicht KNX früher EIB

Gewerke: Alle
Datenaustausch: Bidirektional
Zugriff: Dezentral
Übertragungsverfahren: CSMA/CA
Übertragungsgeschwindigkeit: 9.600 Bit/s
Teilnehmer: 14.400
Gruppen: 16 Hauptgruppen, 2.048 Untergruppen
Spannungsversorgung Teilnehmer: 21– 29 V (24 V nominal) Gleichspannung
Topologie: Baum, beliebig
Leitungslänge: Spannungsversorgung/Teilnehmer 350 m, Teilnehmer/ Teilnehmer 700 m, Gesamtleitungslänge 1.000 m
Anwendung: Komplettes Gebäudemanagement

EIB Telegrammaufbau
Gruppenweise Adressierung beim EIB/KNX Telegramm (Bild: Herbert Bernstädt)

 

EIB Topologie
KNX/EIB Topologie, Linien und Bereiche (Bild: Herbert Bernstädt)

 

LON

Das im Jahr 1990 erschienene LON (Local Operating Network) wurde von Motorola, die dafür eigens einen eigenen Chip namens Neuron entwickelten, ins Leben gerufen. LON hat eine große Verbreitung in der Gebäudeinstallation erfahren, ist aber als universelles dezentrales Netzwerk für die Industrie, Verkehrsleitprozessen oder auch der Telekommunikation und weiteren Bereichen ein fester Bestandteil. Wie beim EIB-System tauschen auch hier Aktoren und Sensoren oder Controller ihre Daten aus, jedoch ist man bei LON sehr flexibel, was die Datenübertragung betrifft. So erfolgt die Übertragung nicht nur über Twisted-Pair-Leitungen, sondern auch über Funk, Lichtwellenleiter, IR, Koax oder das 230-V-Stromnetz. Insbesondere die Übertragung über das 230-V-Netz macht LON für den Einsatz im Gebäude interessant, wenn das vorhandene Stromversorgungsnetz als Datennetz mit genutzt werden kann. Auch hier ist der Kerngedanke eine dezentrale Steuerung. So muss jeder dezentrale Knoten eine frei programmierbare Datenverarbeitung beinhalten. Dazu wurde der Neuron-Chip entwickelt, der drei 8-Bit-Prozessoren enthält. Eine CPU kontrolliert die physikalische Verbindung zum Netzwerk, die andere ist für die Kodierung und Dekodierung der Netzwerknachrichten verantwortlich und auf der dritten CPU läuft die vom Anwender programmierte Software. Mit einer 48 Bit langen ID-Nummer ab Werk ist der Chip bzw. der LON-Knoten eindeutig identifizierbar. Die Kommunikation erfolgt über das LonTalk-Protokoll. Dabei werden über die LonMark Association immer weitere Kommunikations-Terminologien, die auch herstellerübergreifend arbeiten, definiert. Die Programmierung der Knoten erfolgt ebenfalls über externe Programmiergeräte, jedoch mit gängigen Programmiersprachen wie ANSI C, aber auch komfortabel über grafische Programmierung.

Die Topologie kann absolut frei erfolgen. Selbst ein Mischen von Ring und Linie ist möglich und über Router auch eine gesteuerte Segmentierung. Eine Prioritäten-geordnete Übertragung ist ebenfalls möglich wie auch eine gesicherte End to End Kontrolle sowie Empfangsbestätigungen. Selbst Ereignisse können mit Zeitstempel versehen versendet werden und ermöglichen so eine Protokollierung der Ereignisse, wie auch Warn- und Alarmtexte. Das LON-System ist über die EN14908 normiert.

Übersicht LON

Gewerke: Alle, auch außerhalb der Gebäudeleittechnik
Datenaustausch: Bidirektional
Zugriff: Dezentral
Übertragungsverfahren: CSMA/CA modifiziert
Übertragungsgeschwindigkeit: 4,8 Kbit/s (bei Übertragung auf 230-V-Netz), bis 1,25 Mbit/s
Teilnehmer: 32.000
Gruppen: offenes System
Topologie: beliebig
Leitungslänge: bis 2 km, durch Router und Repeater und Gateway praktisch unbegrenzt
Anwendung: Komplettes Gebäudemanagement, Industrie als Feldbussystem u.v.m.

 

LCN

LCN steht für Local Control Network und wurde speziell von der Firma Issendorf für Wohnhäuser und Gebäude entwickelt, um die Elektroinstallation zu vereinfachen. Daneben gilt allgemein, dass sich mit modernem Gebäudemanagement die Energiekosten drastisch senken lassen, wenn z. B. die Allgemeinbeleuchtung abhängig von der Umgebungshelligkeit gesteuert wird. Weiterhin ist eine Überwachung und Visualisierung über ein Bussystem leichter zu realisieren. Einer der hervorstechenden Vorteile des LCN-Bussystem ist, das die Verdrahtung des Busses mit nur einer Ader und zusammen mit der Leitung der Netzspannung erfolgen kann. Die zweite Busleitung ist gleich dem Nullleiter des Verbrauchers. So ist dann ein LCN-Modul mit einer Phase, dem Nullleiter und der Datenleitung bereits an das Bussystem angeschlossen. Das LCN-Modul ist im Gegensatz zu den bisher vorgestellten Systemen sowohl Aktor wie auch Sensor und ein Datenpaket eines LCN-Moduls beinhaltet auch immer von wem das Paket kommt, einer kurzen Info, was es beinhaltet und natürlich für wen es gedacht ist. Das Datenpaket kann je nach Anforderung unterschiedlich groß sein und ist somit sehr flexibel auch für zukünftige Erweiterungen gewappnet. Eine Prüfsumme und die geschachtelte Überprüfung der Sendung machen das System sehr störungssicher. Im Gegensatz zum DMX-Bussignal werden hier auch Überblendzeiten übertragen. Somit muss bei einer Überblendung nicht ständig ein neuer Datensatz mitgeteilt werden, sondern jeder Empfänger führt sein Timing selbstständig aus. Somit ist ein Monitoring des Busses sehr einfach und auch hier wird der Gedanke des dezentralen Aufbaus und der Intelligenz innerhalb des einzelnen Moduls konsequent verfolgt.

Die Adresse des Moduls wird mittels Programmiergerät, das irgendwo am Bus angeschlossen ist, zwischen 5 und 254 eingestellt. Das Übermitteln der Daten wiederum erfolgt in der Angabe von Segmentnummer und Adresse, so dass bis zu 30.000 Module separat angesprochen werden könnten. Das kleinste System kann mit zwei Modulen beginnen und kontinuierlich erweitert werden. Auf der netzspannungsführenden Ebene können bis zu 250 Module miteinander verdrahtet werden. Reicht diese Anzahl nicht aus oder möchte man abgetrennte Bereiche untergliedern und nur noch Alarmsignale oder Außenlicht bereichsübergreifend weiterleiten, können bis zu 120 Segmente miteinander gekoppelt werden.

Übersicht LCN

Gewerke: Licht, Temperatur, Motoren, Zeit, Raumüberwachung und Zutrittskontrolle
Datenaustausch: Bidirektional
Zugriff: Dezentral
Übertragungsverfahren: Mehrstufiges Kollisionsverfahren
Übertragungsgeschwindigkeit: 9,6 Kbit/s
Teilnehmer: ca. 30.000
Gruppen: 250
Spannungsversorgung Teilnehmer: Netzspannung / max. +– 30 V Bus-Signal
Topologie: beliebig
Leitungslänge: max. 1.000 m, erweiterbar mit Zwischenverstärker
Anwendung: von Wohnung bis Gebäude – zur Vereinfachung der Elektroinstallation

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