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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur
Steuerung und Überwachung
von Notlichtsystemen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und
3.
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Fällt in einem
Gebäude,
insbesondere in einem öffentlichen
Gebäude,
die Netzspannung unter einen vorgegebenen Grenzwert ab, so wird
durch ein Überwachungssystem
die Umschaltung von der Netzspannung auf ein Ersatznetz automatisch
ausgelöst,
um die Beleuchtung der Flucht- und Rettungswege und die Beleuchtung
von Arbeitsplätzen
oder sonstigen Räumen
mit einer Mindestbeleuchtungsstärke
zu garantieren oder es erfolgt ein Bereitschaftsparallelbetrieb
der Verbraucher. Letzteres gilt beispielsweise in Krankenhäusern, in
denen besonders hohe Anforderungen an eine Mindestbeleuchtung gestellt
werden. Da die Überwachungssysteme der Überwachung
der Netzspannung bei Beleuchtungssystemen dienen und bei Ausfall
oder Absinken der Netzspannung die Umschaltung auf ein Ersatznetz mit
speziellen Notleuchten bewirken, wird das Überwachungssystem auch als
Notlichtsystem bezeichnet. Als Spannungsquelle für die in dem Ersatznetz vorgesehenen
Leuchten dienen eine oder mehrere Einzelbatterien, Gruppenbatterien,
Zentralbatterien, Brennstoffzellen, Verbrennungsmotoren oder andere
geeignete Notstromaggregate oder Notstromversorgungen. Es kann entweder
Gleichspannung oder Wechselspannung im Ersatznetz vorliegen. Handelt
es sich bei dem Ersatznetz um einen geschlossenen Stromkreis, so
wird dieser auch als Notstromkreis bezeichnet. Bei den Notleuchten
handelt es sich beispielsweise um Sicherheits- oder Bereitschaftsleuchten,
Rettungsweg- oder Fluchtwegleuchten sowie Leuchten im medizinischen
Bereich, wie beispielsweise Operationsleuchten. Diese Leuchten gehören zu einer
Sicherheitsbeleuchtung. Sobald die Netzspannung wieder auf den vorgegebenen
Mindestwert ansteigt, erfolgt die automatische Umschaltung von dem
Ersatznetz auf das Versorgungsnetz der Netzspannung.
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Bekannte
Notlichtsysteme wie beispielsweise dasjenige der
DE 299 02 892 U1 bestehen
aus einer Zentralbatterie mit Lade- und Erhaltungsladeteil, einer
Schalteinrichtung, mindestens einer Vorrichtung zur Steuerung und Überwachung
mehreren Leuchten, einem an die Netzspannung angeschlossenen Stromkreis,
einem Ersatznetz sowie einem separaten Daten- und Steuerbus für den Transport
von Operanden, Befehlen und Signalen für die Systemverwaltung und
Koordination. Als nachteilig erweist sich, dass insgesamt drei Netze
in einem Gebäude mit
Notlichtsystem notwendig sind: das Versorgungsnetz, welches sämtliche
Leuchten in dem Gebäude und
gegebenenfalls weitere elektrische Geräte mit der Netzspannung versorgt,
das Ersatznetz, welches eine Auswahl an Leuchten bei Ausfall der
Netzspannung mit einer Ersatzspannung versorgen, und das Datennetz,
welches den Daten- und
Informationsaustausch zwischen den verschiedenen Vorrichtungen zur
Steuerung und Überwachung
und den Leuchten ermöglicht.
Die Installation dieser drei Netze ist mit einem hohem Aufwand verbunden.
Der Aufwand ist umso größer, je
größer das
entsprechende Gebäude
ist.
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Die Erfindung
und ihre Vorteile
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Demgegenüber haben
das erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 3 den Vorteil, dass lediglich zwei
Netze zum Betrieb, der Steuerung und Überwachung von Notlichtsystemen
notwendig sind. Es handelt sich dabei um das Versorgungsnetz, welches
die Leuchten und sonstige elektrische Geräte in einem Gebäude mit
der Netzspannung versorgt, und das Ersatznetz, welches bei Ausfall
der Netzspannung oder bei Absinken der Netzspannung unter einen
vorgegebenen Grenzwert eine vorgegebene Anzahl von Leuchten mit
einer Not- oder Ersatzspannung versorgt. Ein separates und zusätzliches
Datennetz entfällt
oder wird lediglich selektiv verwendet. Als Kommunikationskanal
dient das Ersatznetz. Hierzu ist die Vorrichtung mit mindestens
einer Überwachungs- und
Steuerungseinheit und mit mindestens einem Notleuchten-Betriebsgerät ausgestattet.
Das Überwachungs-
und Steuerungsgerät
und die Notleuchten-Betriebsgeräte
sind über
das Ersatznetz miteinander verbunden. Jedes Notleuchten-Betriebsgerät ist zwischen
eine Notleuchte und das Ersatznetz geschaltet. Es dient dazu, jede
Notleuchte einzeln über die
zentrale Überwachungs-
und Steuerungseinheit anzusteuern und Kontrolldaten betreffend den
Status und den Betriebszustand der Notleuchte an die zentrale Überwachungs-
und Steuerungseinheit zu übertragen.
Die zwischen der Überwachungs-
und Steuerungseinheit und den Notleuchten-Betriebsgeräten ausgetauschten
Daten werden in ein Datenprotokoll eingebettet. Das Datenprotokoll
enthält
zusätzlich
zu den zu übertragenden
Daten mindestens die Adresse derjenigen Einheit, an die sich die
Daten richten. Darüber
hinaus können
als weitere Bestandteile eine Präambel,
Informationen zur Fehlererkennung, die Länge des Datenprotokolls und
Informationen zum Datenbus in dem Datenprotokoll enthalten sein.
Ein Paket von zwischen der Überwachungs-
und Steuerungseinheit und den Notleuchten-Betriebsgeräten ausgetauschten
Daten, die zusammen mit anderen Informationen in ein Datenprotokoll
eingebettet sind, wird als Protokollinformation bezeichnet. Jede
Protokollinformation stellt eine Bitfolge vorgegebener Länge dar.
Die digitale Protokollinformation wird durch den Mikroprozessor
der Überwachungs-
und Steuerungseinheit erzeugt und in ein Frequenzspektrum umgewandelt.
Mittels eines Analog-Digital-Wandlers wird das Frequenzspektrum
in ein analoges Signal umgewandelt, bevor es in das Ersatznetz eingespeist wird.
Die Umwandlung digitalen Protokollinformation in ein Frequenzspektrum
erfolgt mit dem Verfahren des Differential Code Shift Keying, abgekürzt DCSK. Die
Umwandlung wird auch als Modulation bezeichnet. Sie zeichnet sich
gegenüber
anderen Modulationsverfahren dadurch aus, dass eine Frequenzbandspreizung
erfolgt, bei der ein schmalbandiges Signal in ein breitbandiges
Signal umgewandelt wird. Die Bitfolge wird damit in ein Signal übersetzt,
dessen Frequenz sich zeitlich ändert.
Ein derartiges Signal, das aus einer Folge von zeitlichen Frequenzänderung
besteht, wird als Chirp bezeichnet. Das dabei erhaltene Frequenzspektrum
ist unempfindlich gegenüber
Pulsen, Störungen
und Spitzen des Ersatznetzes. Der Datenaustausch zwischen der Überwachungs-
und Steuerungseinheit und den Notleuchten-Betriebsgeräten weist
damit die für
Notlichtsysteme notwendige Sicherheit und Zuverlässigkeit auf.
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Der Überwachungs-
und Steuerungseinheit und jedem Notleuchten-Betriebsgerät wird eine kodierte Adresse
für die
Kommunikation zwischen der Überwachungs-
und Steuerungseinheit und den Notleuchten-Betriebsgeräten zugeordnet
wird. Die Zuordnung der Adresse zu den Notleuchten-Betriebsgeräten kann
beispielsweise durch die Überwachungs-
und Steuerungseinheit erfolgen. Darüber hinaus kann die Adresse
auch direkt an den Notleuchten-Betriebsgeräten eingestellt werden. Eine
in das Ersatznetz durch die Überwachungs-
und Steuerungseinheit oder durch ein Notleuchten-Betriebsgerät eingespeiste Protokollinformation
wird über
das Ersatznetz an alle beteiligten Einheiten, nämlich an alle Notleuchten-Betriebsgeräte und an
das Überwachungs-
und Steuerungseinheit verteilt. Über
geeignete Filter und einen Analog-Digital-Wandler wird die Protokollinformation
durch jede der Einheiten aus dem Ersatznetz ausgekoppelt. Der Mikroprozessor jeder
Einheit wandelt die als Frequenzspektrum vorliegende Protokollinformation
mittels DCSK in eine Bitfolge um und überprüft, ob sich die Protokollinformation
an die der Einheit zugeordnete Adresse richtet. Stimmen die Adresse
der Protokollinformation und der Einheit nicht überein, wird die Protokollinformationen
durch die betreffende Einheit ignoriert. Stimmt die Adresse überein,
werden die Protokollinformation durch den Mikroprozessor ausgewertet. Die
in der Protokollinformation enthaltenen Daten können beispielsweise einen Befehl
betreffen. Der Mikroprozessor der Einheit sorgt in diesem Fall dafür, dass
der Befehl durch die Einheit ausgeführt wird.
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Bei
einem Notlichtsystem können
eine oder mehrere Überwachungs-
und Steuerungseinheiten an einer oder mehreren zentralen oder dezentralen Stellen
in dem Gebäude
positioniert sein. So ist es beispielsweise möglich, eine zentrale Überwachungs-
und Steuerungseinheit im Keller des Gebäudes vorzusehen und zusätzlich dazu
auf jedem Stockwerk des Gebäudes
eine weitere Überwachungs-
und Steuerungseinheit einzurichten. Zwischen sämtlichen Überwachungs- und Steuerungseinheiten
werden Daten und Befehle ausgetauscht. Es kann außerdem die
Möglichkeit
zur Übertragung von
Sprache gegeben sein. Der Austausch erfolgt in beide Richtungen.
Zu den Daten gehören
beispielsweise Informationen über
den Status, der an die Netzspannung und/oder die im Ersatznetz vorgesehenen
Systeme, Ladezustände
von Batterien oder sonstigen Notstromaggregaten, deren Auf- oder Entladezeiten,
Anzahl und Position von Notleuchten, Funktionsfähigkeit der Notleuchten, Betriebszeit
der Notleuchten, Prüfzeitpunkte,
Orts- und Gerätebezeichnungen,
Serviceinformationen, Ergebnisse von Test- und Prüfzyklen.
Zu den Befehlen zählen
beispielsweise Schaltbefehlen oder Steuerbefehle. Die Daten oder
Befehle können
auch in Form von Sprache vorliegen. Der Datenaustausch und Befehlsaustausch
kann auch zwischen einer Vorrichtung zur Steuerung und Überwachung
des Notlichtsystems einerseits und einer oder mehreren Notleuchten
andererseits erfolgen. Auf diese Weise liegen an einer zentralen
Vorrichtung zur Überwachung
und Steuerung des Notlichtsystems stets sämtliche Informationen betreffend
die Funktionsfähigkeit
aller in dem Gebäude
angeordneten Notleuchten beziehungsweise Notlichtelementen, den
Status der Netzspannung, den Status der Notstromversorgung und sonstiger Systemparameter
vor.
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Durch
den Wegfall eines zusätzlichen
Datennetzes wird nicht nur der Aufwand bei der Installation reduziert
sondern auch die Anzahl der möglichen Fehlerquellen
im Notlichtsystem. Dadurch wird wiederum die Sicherheit des Notlichtsystems
erhöht.
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In
dem Ersatznetz fließt
entweder ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom. Sofern es sich um Wechselstrom
handelt, hat dieser eine vergleichsweise niedrige Frequenz von typischerweise
50 Hertz. Auf diesen Strom oder die Spannung wird eine als Frequenzspektrum
vorliegende analoge Protokollinformation aufmoduliert. Da die Protokollinformation als
Hochfrequenz-Signal vorliegt mit einer Frequenz im Kilohertzbereich
vorliegt, wird es durch den im Ersatznetz fließenden Strom nicht beeinträchtigt oder verfälscht. Es
geht keine Information verloren.
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Da
das Differential Code Shift Keying auf einem Spreizspektrum beruht,
ist das erfindungsgemäße Verfahren
extrem unempfindlich gegenüber
Störungen
im Ersatznetz, selbst wenn sie eine Frequenz des Frequenzbereichs
des Spreizspektrums aufweisen. Signale unterhalb des Rauschpegels
werden zuverlässig
ausgelesen und ausgewertet.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung überprüft der Mikroprozessor
die Form und den Inhalt einer bei ihm ankommenden Protokollinformation.
Stimmt die digitale Protokollinformation, welche aus einem eingehenden
analogen Hochfrequenz-Signal anhand einer Demodulation gewonnen
wurde, hinsichtlich der Bitfolge und der in den Bitfolge enthaltenen
Datenblöcke
nicht mit der Länge
eines in dem Mikroprozessor vorgesehenen Registers überein,
so liegt ein Fehler vor. In diesem Fall kann die Protokollinformation
nicht ausgewertet werden. Die Protokollinformationen gehen üblicherweise
mehrfach bei einem Mikroprozessor ein. Derartige Mehrfachinformationen
werden miteinander verglichen. Stimmt eine vorgegebene Anzahl von hintereinander
eingehender Protokollinformationen beispielsweise hinsichtlich der
Anzahl der Bits miteinander überein,
wird die Protokollinformation als fehlerfrei eingestuft und ausgewertet.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an
der Vorrichtung eine Schnittstelle zum Anschließen eines Rechners und/oder
eines Druckers und/oder eines Monitors vorgesehen. Auf diese Weise
können über externe
Geräte
Daten eingegeben oder ausgelesen werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine
Schnittstelle vorgesehen, um die Vorrichtung mit mindestens einer
weiteren Vorrichtung zur Steuerung und Überwachung von Notlichtsystemen
zu verbinden. In diesem Fall erfolgt der Datenaustausch zwischen
den beiden Vorrichtungen zur Steuerung und Überwachung entweder über das
Ersatznetz, das Versorgungsnetz oder über einen zusätzlichen
Kommunikationskanal. Letzterer kann unter besonderen Bedingungen
notwendig sein.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens
eine Schnittstelle für
eine Brandmeldeanlage vorgesehen. Über den Brandmelder werden
Informationen darüber
gewonnen, an welcher Position im Gebäude gegebenenfalls ein Brand
vorliegt. Diese Information wird genutzt um die Fluchtwegsleuchten
oder Rettungszeichenleuchten, die den Rettungs- oder Fluchtweg mit einem
Pfeil anzeigen, entsprechend zu schalten. Hierzu können die
Leuchten mit mehreren Pfeilen ausgestattet sein. Liegt in einem
der möglichen
Rettungs- oder Fluchtwege ein Brand vor, so wird der zugehörige Pfeil
der Rettungs- oder Fluchtwegsleuchte nicht beleuchtet. Dafür wird ein
anderer Pfeil beleuchtet, der einen alternativen Rettungs- oder Fluchtweg
anzeigt. Die verschiedenen Pfeile einer Rettungsweg- oder Fluchtwegleuchte
werden durch verschiedene Leuchtmittel wie beispielweise Glühbirnen
oder LEDs beleuchtet. Das Ein- beziehungsweise Ausschalten der Leuchtmittel erfolgt
durch den Mikroprozessor der zugehörigen Notleuchten-Betriebsgeräte unter
Auswertung der Informationen der angeschlossenen Brandmeldeanlage.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Mikroprozessor mit einer Steuerungs- und Überwachungsfunktion zur Überprüfung der
Funktionsfähigkeit
der an die Notleuchten-Betriebsgeräte angeschlossenen Notleuchten ausgestattet.
Auf diese Weise wird sofort erkannt und angezeigt, wenn eine der
betreffenden Notleuchten defekt ist und ausgetauscht werden muss.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein
Helligkeitsregler für
die stufenlose oder schrittweise Regelung der Helligkeit der an
die Vorrichtung angeschlossenen Notleuchten vorgesehen. Diese auch
als Dimmer bezeichnete Einrichtung sorgt dafür, dass die Notleuchten unter verschiedenen
Bedingungen unterschiedliche Helligkeit aufweisen. So ist es beispielsweise
erwünscht und
ausreichend, dass die Notleuchten zur Anzeige von Flucht- und Rettungswegen
in Theater- oder Kinosälen
während
der Aufführung
Licht geringerer Intensität
abstrahlen als vor und nach der Aufführung. Da während der Aufführungen
im Zuschauerbereich keine sonstigen Lichtquellen eingeschaltet sind,
können
die Fluchtwegs- und Rettungswegleuchten auch bei ihrer geringeren
Lichtintensität
gut erkannt werden. Vor und nach der Aufführung ist der Zuschauerraum
in der Regel jedoch zusätzlich
beleuchtet, so dass eine höhere
Lichtintensität
notwendig ist um die Anzeigen für
den Rettungs- und Fluchtweg erkennen zu können. Ein weiteres Anwendungsbeispiel
sind Helligkeitsregler bei Operationsleuchten, welche an eine Notstromversorgung
angeschlossen sind. Die Integration von Operationsleuchten in ein
Notstromsystem ist notwendig, um bei einer Störung der allgemeinen Stromversorgung
den Krankenhausbetrieb, insbesondere in einem Operationssaal aufrecht
zu erhalten. Je nach Anwendung ist die Änderung der Lichtfarbe und
der zugehörigen
Lichttemperatur erwünscht,
welche durch das Absenken der Helligkeit erreicht wird. Bei bestimmten
Lichtfarben des Lichtes einer Operationslampe können die Ränder einer Wunde bei einer
Verletzung oder einem operativen Eingriff besser erkannt werden.
In diesem Fall erfolgt das Regulieren der Helligkeit auf Anforderung
des Benutzers. Die Grenzen, innerhalb denen die Lichttemperatur
variieren kann, sind jedoch typischerweise vorgegeben.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Frequenz
der analogen, den Protokollinformationen zugeordneten Hochfrequenz-Signale
zwischen 10 und 500 kHz, bevorzugt zwischen 50 und 150 kHz und besonders
bevorzugt zwischen 95 und 125 kHz. Letzteres entspricht dem CENELEC
Band B der europäischen
Norm EN 50065-1. Darüber
hinaus kann die Frequenz auch zwischen 3 und 95 kHz betragen, was
dem CENELEC Band A der europäischen
Norm EN 50065-1 entspricht. Nach dem in den USA geltenden Standard
wird das Frequenzband mit der Bezeichnung FCC gewählt. Der
in Japan geltende Standard für
das Frequenzband trägt
die Bezeichnung ARIB.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen zu entnehmen.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Es zeigt:
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1 elektrischer
Schaltplan eines Notlichtsystems.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein elektrischer Schaltplan eines Notlichtsystems für ein Gebäude mit
zwei miteinander verknüpften Überwachungs-
und Steuerungseinheiten 1a und 1b und mehreren
Notleuchten-Betriebsgeräten 2 zur
Steuerung und Überwachung
von Notleuchten 3 auf jeweils einem Stockwerk dargestellt.
Das Gebäude
und die Stockwerke sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Bei
der Überwachungs- und
Steuerungseinheit 1a handelt es sich um eine zentrale Überwachungs-
und Steuerungseinheit. Sie ist an einer zentralen Stelle des Gebäudes angeordnet.
Die zweite Überwachungs-
und Steuerungseinheit 1b ist dezentral angeordnet, beispielsweise
auf einem Stockwerk des Gebäudes.
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Auf
jedem Stockwerk sind mehrere Notleuchten 3 angeordnet.
Diese sind ständig
beleuchtet. Sie werden im Normalfall durch die Netzspannung des
Versorgungsnetzes 5 mit Spannung versorgt. Bei einem Ausfall
der Netzspannung oder einem Absinken der Netzspannung unter einen
vorgegebenen Grenzwert erfolgt durch die Überwachungs- und Steuerungseinrichtungen 1a und 1b die
automatische Umschaltung auf das Ersatznetz 6, welches durch
die Batterie 7 gespeist wird.
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Der
Datenaustausch zwischen den zentralen Überwachungs- und Steuerungseinrichtungen 1a und 1b und
den Notleuchten-Betriebsgeräten 2 erfolgt über das
Ersatznetz 6. Jede Überwachungs- und
Steuerungseinheit 1a und 1b und jedes Notleuchten-Betriebsgerät 2 ist
mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Mikroprozessor ausgestattet,
der Protokollinformationen als Datenprotokolle mit den Daten erzeugt.
Diese digitalen Signale werden durch die Mikroprozessoren mit dem
Verfahren des Differential Code Shift Keying DCSK in ein Frequenzspektrum übersetzt,
in ein analoges Signal umgewandelt und in das Ersatznetz eingespeist.
Von dort gelangt es zu allen anderen Teilnehmern des Ersatznetzes
und wird von diesen ausgelesen und ausgewertet. Der Datenaustausch
erfolgt sowohl zwischen den beiden Überwachungs- und Steuerungseinheiten 1a und 1b untereinander
als auch zwischen den Überwachungs-
und Steuerungseinheiten 1a und 1b und den Notleuchten-Betriebsgeräten 2.
Diese Art der Kommunikation wird auch als Powerline-Kommunikation
bezeichnet.
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Fällt eine
der beiden Überwachungs-
und Steuerungseinheiten 1a oder 1b aus, beispielsweise durch
einen Brand, so übernimmt
die andere der beiden Überwachungs-
und Steuerungseinheiten deren Aufgabe. Das Notlichtsystem ist damit
auch dann noch funktionsfähig,
wenn ein Teil des Systems ausfällt.
In den von dem Brand nicht betroffenen Teilen des Gebäudes bleiben
die Notleuchten eingeschaltet und ermöglichen beispielsweise die
Beleuchtung des Fluchtwegs.
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Sämtliche
Merkmale der Erfindung können sowohl
einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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- 1a
- zentrale Überwachungs-
und Steuerungseinheit
- 1b
- dezentrale Überwachungs-
und Steuerungseinheit
- 2
- Notleuchten-Betriebsgerät
- 3
- Notleuchte
- 4
-
- 5
- Versorgungsnetz
für Netzspannung
- 6
- Ersatznetz
- 7
- Batterie